基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器及其加工方法，涉及航天热控技术及增材制造技术领域。用于空间工作环境的散热器改进热辐射能力的同时，通过引入可控不规则多孔结构增加对热流体热量的有效吸收，从而优化散热器结构，提高针对热流体的热量吸收能力。所述热辐射散热器包括用于限定流动通路的壳体，通过泰森多边形方法生成其基本单元并填充在壳体内部的可控不规则多孔结构，以及沿壳体的轴向均匀设置在壳体外壁上的若干凹球环片。壳体内采用可控不规则多孔结构，提高对热流体的热量吸收率，加强了散热能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器及其加工方法


[0001]本专利技术涉及航天热控技术及增材制造
，更具体地，涉及具有改善散热能力及结构设计的空间用热辐射散热器。

技术介绍

[0002]普通管式热辐射散热器侧重于热辐射散射结构的优化，而忽略了对热流体热量收集吸收结构的优化，热流体流经散热器时，只有小部分热量得到散热器吸收，因此虽有有效散热结构，在大流量状态下仍无法有效控制出口端热流体的温度。
[0003]航天器所处的真空环境十分恶劣，在大气内普遍采用的强制对流散热方法及自然对流散热方法都不能够在真空条件下发挥作用，因此，热辐射散射是在太空中散热的最优途径。航天器上大功率设备在工作时产生大量热后，可以通过热传导传递给散热器进行辐射散热，从而有效控制设备温度，防止损坏，保证其工作的稳定性。
[0004]传统散热器包括大量流体通路，且每条通路包括歧管、支撑、连接、板条等多个结构组合而成，组合方式包括焊接、机械连接等，这些部件均需要独立设计、定位、制造，因此设计制造的经济、时间成本很高，且连接部位的可靠性较差，可能造成流体泄露、结构失效；同时，航天器散热器需要保证散热性能好、质量低、体积小、可靠性高，传统制造方式无法针对小尺寸、内部复杂结构给出合适解决方案，而增材制造则完美的解决了这个问题。通过逐层打印的特殊制造方式，可以无视结构复杂度，提供高精度的成形质量，一体化的成形避免了多部件之间的连接强度、配合精度的问题，有效提高了工作可靠性，同时其制造原料可回收再利用，有效控制设计迭代成本。
[0005]中国专利（申请号CN202110517396.7，名称为“一种空间行波管收集极凹球表面散热器”）提出了一种空间行波管收集极凹球表面散热器，其虽然通过翅片的形式保证了有效的热量辐射散射，但在对热流体的热量吸收传导能力上仍有不足。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对以上问题，提出了一种基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器及其加工方法，用于空间工作环境的散热器改进热辐射能力的同时，通过引入可控不规则多孔结构增加对热流体热量的有效吸收，从而优化散热器结构，提高针对热流体的热量吸收能力。
[0007]本专利技术的技术方案为：所述热辐射散热器包括用于限定流动通路的壳体1，通过泰森多边形方法生成其基本单元并填充在壳体1内部的可控不规则多孔结构2，以及沿壳体1的轴向均匀设置在壳体外壁上的若干凹球环片3。使用时，热流体沿轴向从入口管流入散热器，流经壳体内部散热后从出口管流出。壳体最大直径为90
‑
110mm，出、入口管口直径30
‑
40mm，壳体壁厚0.5
‑
1.5mm。
[0008]所述壳体1、可控不规则多孔结构2以及凹球环片3均采用增材制造技术沿轴向一
次成形，材料为铜。
[0009]所述可控不规则多孔结构2采用泰森多边形的方式生成结构实体，填充在壳体圆柱段空腔内部。
[0010]所述结构实体的生成过程分为三个步骤：离散点的生成及随机化，通过离散点的位置确定胞体生成位置；各胞体的生成，形成基本实体；胞体的收缩及结构平滑，构成最终的可控不规则多孔结构。
[0011]可控不规则多孔结构具体生成过程如下：通过尺寸约束确定一个立方体作为可控不规则多孔结构生成的区域，在此区域内放置N个离散点，并以间距a来控制离散点的密度，以此确定胞体数量；通过对离散点进行震荡完成离散点位置的随机化，其中震荡区域为以离散点为球心，r为半径的球形区域，因此可以通过r/a的值来控制离散点的随机程度；确定离散点位置之后，通过各离散点连线的中垂面互相相交形成N个多边形胞体；随后胞体收缩，面心收缩与体心收缩同步进行，留下棱边区域并在中心形成空腔，通过收缩率K控制收缩程度；最后针对剩余实体结构进行平滑处理，并对立方体进行布尔运算得到所需要的可控不规则多孔结构。
[0012]离散点生成间距a为10
‑
20mm，不规则度系数r/a为2
‑
3。
[0013]胞体收缩系数K为0.5
‑
0.9。
[0014]所述凹球环片3为两侧表面阵列分布半球形凹槽的环状结构，其尺寸约束为：环片厚度1.5
‑
2.5mm，外径200
‑
250mm，各环片间距30
‑
40mm，沿轴向均匀分布，具体数量随壳体长度调整；表面阵列分布的半球形凹槽尺寸为：直径d为1
‑
3mm，呈环状沿径向阵列，列间相邻半球形凹槽间距2
‑
3d，列间角度7.5
‑
15
°
。
[0015]本专利技术的有益效果：一、壳体内采用可控不规则多孔结构，提高对热流体的热量吸收率，加强了散热能力；二、凹球环片的结构加强热辐射能力，保证热量充分散出；三、柔性尺寸设计，可根据实际需求随意调整；四、采用增材制造技术一体成型，无连接部位，可靠性高。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的结构示意图。
[0017]图2为本专利技术的轴向剖面图。
[0018]图3为本专利技术的径向剖面图。
[0019]图4为本专利技术中所述的泰森多边形结构示意图。
[0020]图5为不同多孔结构的流场流速仿真图。
[0021]图6为本专利技术可控不规则多孔结构离散点随机化示意图。
[0022]图7为本专利技术可控不规则多孔结构胞体生成二维示意图。
[0023]图8为本专利技术可控不规则多孔结构胞体收缩示意图。
[0024]图9为本专利技术中所述的凹球环片尺寸示意图。
[0025]图中1是壳体，2是可控不规则多孔结构，3是凹球环片。
具体实施方式
[0026]为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
[0027]如图1
‑
9所示，该散热器包含壳体1，填充在壳体圆柱段内部的可控不规则多孔结构2，以及沿轴向均匀分布在壳体外壁面的凹球环片3，所述凹球环片3为表面阵列分布半球形凹槽的环形薄片状结构，并采用增材制造技术一体成形。受益于壳体内部可控不规则多孔结构与热流体的接触面积极大增加，本专利技术可以在保证热辐射能力的前提下，有效提高对热流体热量的吸收能力，提高散热能力。同时，本专利技术采用增材制造一体化成形，避免了多部件结构装配时连接配合不可靠的问题,一体成形提高了该散热器在工作环境下的可靠性。并且本专利技术可以广泛使用于其他需要进行热辐射散热的应用场景。
[0028]传统管状热辐射散热器壳体内部为简单柱状空腔，对散热能力的提升主要集中于热辐射结构的优化改进，往往忽略了对热流体热量吸收的不足，简单柱状空腔只能针对流体边界进行有效吸热，仍有一部分热量随流体离开散热器，未能得到重分发散。本专利技术针对这一不足，提出了基于可控不规则多孔结构的填充结构，通过向壳体内部添加此结构，能够极大提高散热器与流体的接触面积，流体在流经该结构中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器，其特征在于，所述热辐射散热器包括用于限定流动通路的壳体（1），通过泰森多边形方法生成其基本单元并填充在壳体（1）内部的可控不规则多孔结构（2），以及沿壳体（1）的轴向均匀设置在壳体外壁上的若干凹球环片（3）。2.一种权利要求1所述的基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器的加工方法，其特征在于，所述壳体（1）、可控不规则多孔结构（2）以及凹球环片（3）均采用增材制造技术沿轴向一次成形。3.根据权利要求2所述的一种基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器的加工方法，其特征在于，所述可控不规则多孔结构（2）采用泰森多边形的方式生成结构实体，填充在壳体圆柱段空腔内部。4.根据权利要求3所述的一种基于可控不规则多孔结构的空间用热辐射散热器的加工方法，其特征在于，所述结构实体的生成过程分为三个步骤：离散点的生成及随机化，通过离散点的位置确定胞体生成位置；各胞体的生成，形成基...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢德巧，汪旻阳，古家森，沈理达，刘江，晁龙，侯锋，吕非，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：