快速热响应复合相变储热器及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种快速热响应复合相变储热器及其制备方法。利用本发明专利技术能够解决单一相变石蜡制备的相变储热器热响应时间长、散热效率低的问题。本发明专利技术通过下述方法予以实现：储热容器内腔制有按线阵顺序串联构成的正、反向连续U形散热槽腔，正向U形散热腔作为石蜡腔室，灌注了相变石蜡(4)，反向U形散热腔作为合金腔室，填充了相变合金(5)，并通过上下封装盖板(2)密封将高导热相变合金与高焓值相变石蜡封装一体，进一步通过激光焊接储热器相变石蜡和相变合金灌注口，实现快速热响应复合相变储热器的制备。本发明专利技术采用导热系数≥15W/(m·K)高导热相变合金与相变储热器高导热铝合金联合作用，实现相变储热器的高效传热。

Fast thermal response composite phase-change heat storage device and preparation method thereof

The invention provides a fast thermal response composite phase-change heat storage device and a preparation method thereof. The present invention can solve the problem of long heat response time and low heat dissipation efficiency of phase change heat storage prepared by single phase change paraffin. The invention is realized by the following methods: the heat storage container cavity has positive and negative linear order which are connected in series by continuous U shaped heat radiating groove cavity, positive U shaped radiating cavity as the phase change paraffin paraffin perfusion chamber (4), reverse U shaped heat dissipating cavity as the alloy phase change alloy filling chamber (5) and, through the upper and lower sealing plate (2) will be sealed with high thermal conductivity and high enthalpy of phase change alloy development phase change paraffin package, further through the laser welding heat storage phase change paraffin and phase change alloy perfusion, fast thermal response composite phase change thermal storage preparation. The invention adopts the heat conduction coefficient is greater than or equal to 15W/ (M - K) with high thermal conductivity and phase change thermal storage phase change alloy with high thermal conductivity Aluminum Alloy, realize the efficient heat transfer of phase change thermal storage.

【技术实现步骤摘要】
快速热响应复合相变储热器及其制备方法
本专利技术涉及快速热响应复合相变储热器的制备方法
技术介绍
随着“高速飞行器”业务的快速发展，超声速空天飞行器对高功率相控阵雷达的需求十分迫切。超声速空天飞行器速度快、射程远，长时间高速飞行导致相控阵雷达工作环境极为恶劣，其工作环境温度高达80℃，而高功率相控阵雷达热流密度大，其高密度集成TR组件功率芯片局部热斑的热流密度达100W/cm2以上，高温将造成芯片性能急剧下降乃至烧毁，进而导致相控阵天线增益不稳定、幅度相位一致性差，乃至相控阵雷达失效。相控阵雷达TR组件由于其自身的条件限制，多数情况下无法采用自然对流、强迫风冷或液冷等方式进行冷却，且部分产品外界会通过传导或热辐射的方式对其传热，工作环境初始温度高，无故障工作温度带窄，在有限工作时间内热耗高，散热条件缺失或存在外界对其加热。因此需要寻求一种冷却方式，解决以上问题，完成短时、瞬态温度控制。快速有效的散热是保证相控阵雷达TR组件多功能芯片、信号处理模块DSP芯片、FPGA芯片等关键器件高可靠工作的关键。由于受到超声速飞行器体积、重量和平台环境限制，安装于超声速飞行器前端的相控阵雷达无法采用自然对流、强迫风冷和液冷等主动散热方式冷却，相变储热是解决相控阵雷达关键部件散热冷却的最佳方式。由于高功率相控阵雷达工作于超声速空天飞行器的飞行末段，工作时间小于200s，要求高功率相控阵雷达相变储热热响应快，依靠低导热系数的石蜡相变材料(纯石蜡热导率为0.124W/m·K)制备的相变储热器热响应时间长度达550s以上，不能满足高功率相控阵雷达小于30s相变热响应和大于240s短时高效散热要求。随着科学技术的发展，需要利用相变材料储能的应用领域越来越多，但在实际使用中由于现有各种相变储能材料自身的一些缺点与不足而限制了它们的广泛使用，这些问题己经引起人们的重视。相变材料(PCM)是指在某一特定温度下，从一种聚集态转变到另一种聚集态的物质，同时伴随着储热或放热的现象。相变材料的这种恒温、高储放热的特性，使其被广泛应用到储能和温控领域中。目前采用的多数相变材料按相变方式可分为固-固、固-液、固-气和液-气相变四种类型。后两种相变潜热很大，但相变时体积变化也很大，使用时装置复杂，并非电子产品最佳选择。固-液型相变体积变化相对较小，相变潜热较大，但相变过程中有液相出现，材料导热系数较低，不易封装，并非电子设备温控的最佳选择。固-固型相变体积变化最小，且相变过程中不出现液相，无需容器封装，但固-固型在实际应用时存在相变潜热较小、品种较少、价格偏贵等问题，限制了其广泛应用。在固-液相变储能材料中，无机类材料因为存在着过冷及相分离现象，在相转变时有液态出现，需要容器来进行盛装，而且有些此类材料对容器的要求较高，造成实际使用的不便。而有机类材料导热系数小、密度较小，从而单位体积的储热能力较小，从而限制了其在实际中的广泛使用。在固-固相变储能材料中，多元醇类材料因存在塑晶现象，从而限制了它们的广泛使用。无机盐类相变材料中低温范围内可供选择的材料较少，通常它们的相变温度较高，适合于高温范围内的储能和控温之用，难以适合实际需要。高分子类相变材料则因为品种较少、相转变焓较小、导热性能较差，在实际使用中储能效率不高。由于相变材料热导率较低，相变过程中的传热性能差，在实际应用中通常采用添加高热导率材料如铜粉、铝粉或石墨等作为填充物以提高热导率。而采翅片管换热器，依靠换热面积的增加来提高传热性能，但这些强化传热的方法均未能解决有机相变材料热导率低的本质问题。针对上述相变储能材料单独使用时存在的问题，近年来人们在拓宽相变材料的应用范围和开发新型实用的储能材料等方面进行了研究工作，主要是采用各种复合工艺来制备复合相变储能材料。如采用天然高分子或其它合成高分子而得到的复合相变材料、采用有机-无机复合工艺在水热体系中将有机相变材料与改性层状硅酸盐等无机材料混合而制成复合相变储能材料、把几种有机相变材料按一定比例混合制得复合储能材料或把有机酸与二氧化硅通过溶胶，凝胶法制得三维网络状纳米复合储能材料等。相变储能材料的研究自上世纪70年代开始以来，已经迅速崛起并得到不断发展。虽然到今天取得了很大的成就，但在很多方面还未完善、有不少问题尚待解决。其中最主要的是相变储热材料的耐久性、经济性及储热性能等问题。为了解决相变材料在发生固-液相变后液相的流动泄漏问题，特别是对于无机水合盐类相变材料还存在的腐蚀性问题，人们设想的就是将相变材料封闭在球形的胶囊中，制成胶囊型复合相变材料来改善应用性能。由于绝大多数无机物相变材料具有腐蚀性，相变过程中存在过冷和相分离的缺点，为防止无机物相变储热材料的腐蚀性，储热系统必须采用不锈钢等特殊材料制造，从而增加了制造成本。近年来,复合相变储热材料应运而生,它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点,又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。因此,研制复合相变储热材料已成为储热器领域的热点研究课题。石墨/石蜡复合相变材料是以有机物石蜡为相变材料，无机物膨胀石墨为支撑结构，以利用石蜡与膨胀石墨间的固、液表面张力,孔隙结构的毛细作用力，以及膨胀石墨的多孔结构和非极性等特性。根据储热材料的功能要求，设计和调控无机物材料的表面及界面特征，采用“液相浸渗法”，利用膨胀石墨对石蜡良好的吸附性能所制备出石墨/石蜡复合相变材料。石墨高的导热系数提高了相变材料的导热性能，此外在毛细作用力和表面张力的作用下，液态石蜡很难从石墨的微孔结构内渗透出来，从而抑制了石蜡在储热时液体的泄漏和流动问题。石墨/石蜡复合相变材料本质上相变体是石蜡，属固-液型相变材料，但由于其特殊的物理结构，相变时宏观上并未呈现固液转换。对于快速热响应相变储热材料的散热技术除要求相变材料的储热密度大之外,还要求材料具有较高的导热系数,传热速率。为解决传统相变材料高储热密度和低导热系数之间的矛盾,根据电子设备散热
对快速热响应相变储热材料的性能(如密度、相变温度、储热密度)要求,通常选用高导热系数的泡沫铜作为增强导热材料与石蜡复合来提高相变储热器的导热能力。泡沫铜具有大比表面积和良好的流通性能使得相变材料与泡沫金属间有着极大的热交换面积，而且泡沫铜本身良好的导热性能使得温度更能均匀地分布。为了在相变储热过程中充分利用泡沫铜的特性，宜选用孔径小、孔隙率高的泡沫铜材料，但同时要考虑到相变材料的可填充问题，保证其填充量，选用孔径大的(2mm～3mm)，孔隙率为95％的通孔型泡沫作为填充材料。现有石墨/石蜡复合相变储热器以有机石蜡作为相变材料，无机膨胀石墨作为支撑结构，采用“液相浸渗法”，利用膨胀石墨对石蜡良好的吸附性能制备出的石墨/石蜡复合相变材料胶囊，再将石墨/石蜡复合相变材料胶囊填充于散热容器中，形成石墨/石蜡复合相变材料储热器。虽然石墨高的导热系数提高了石墨/石蜡复合相变材料的导热性能，但是由于石墨/石蜡复合相变材料胶囊间空隙率高，严重降低了石墨/石蜡复合相变材料的快速热响应能力；更为甚者，虽然制备的石墨/石蜡复合相变材料胶囊本身因毛细作用力和表面张力作用，液态石蜡难以从石墨的微孔结构内渗透出来，抑制了石蜡在储热时液体的泄漏和流动问题，但是由于石墨/石蜡复合相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速热响应复合相变储热器，具有一个灌注了相变合金和相变石蜡的储热容器，其特征在于：储热容器内腔制有按线阵顺序串联构成的正、反向连续U形散热槽腔，其中，正向U形散热腔作为石蜡腔室，且灌注了相变石蜡(4)，反向U形散热腔作为合金腔室，且填充了导热系数≥15W/(m·K)高导热的相变合金(5)并由上下封装盖板(2)密封，将高导热相变合金与高焓值相变石蜡封装一体。

【技术特征摘要】
1.一种快速热响应复合相变储热器，具有一个灌注了相变合金和相变石蜡的储热容器，其特征在于：储热容器内腔制有按线阵顺序串联构成的正、反向连续U形散热槽腔，其中，正向U形散热腔作为石蜡腔室，且灌注了相变石蜡(4)，反向U形散热腔作为合金腔室，且填充了导热系数≥15W/(m·K)高导热的相变合金(5)并由上下封装盖板(2)密封，将高导热相变合金与高焓值相变石蜡封装一体。2.根据权利要求1所述快速热响应复合相变储热器，其特征在于，相变石蜡(4)的焓值≥240J/g。3.根据权利要求1所述快速热响应复合相变储热器，其特征在于，采用导热系数≥15W/(m·K)高导热的相变合金(5)与相变储热器高导热铝合金联合作用，实现相变储热器的高效传热。4.根据权利要求3所述快速热响应复合相变储热器，其特征在于，相变合金(5)是铋基低温相变储热共晶合金材料，且铋基合金低温相变储热共晶合金材料包括：三元铋合金和四元铋合金。5.根据权利要求4所述快速热响应复合相变储热器，其特征在于，三元合金和四元合金是由含量为28-50wt％的Bi，其余为锡Sn、铅Pb、镉Cd、铟In、镓Ga、锑Sb等低熔点合金元素组成的，且三元合金和四元合金相变温度在60℃～100℃范围内变化，相变潜热在250J/cm3～410J/cm3范围内变化。6.一种制备权利要求1所述快速热响应复合相变储热器的方法，具有如下技术特征：首先采用导热系数大于180W/(m·K)的3A21铝合金或6063铝合金，将储热容器设计为内腔制有正、反向交相隔离的连续U形散热槽腔的盒体容器，采用真空钎焊将盒体容器和盖板焊接密封一体，实现复合相变储热器容器封装成型，其次，在10Pa真空度和90℃～110℃温度下、将高焓值相变石蜡(4)灌注于石蜡腔室中，再将高导热相变合金灌注于合金腔室中，最后，根据激光焊工序，将灌注了相变石蜡和相变合金的复合相变储热器容器固定于激光焊接机工作台上，根据激光封焊工序，在激光功率300W～500W，离焦量-2mm～-1mm，焊接速度2mm/s～4mm/s的条件下，焊接相变石蜡腔室和相变合金腔室的灌注口与密封柱，实现快速热响应复合相变储热器的制备。7.根据权利要求6所述快速热响应复合相变储热器的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢义水，苏欣，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51