一种卫星大功率可更换模块内热控装置

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体而言，涉及一种卫星大功率可更换模块内热控装置。

背景技术

热控任务是在卫星发射和整个在轨工作期间，为卫星上仪器设备提供一个良好的热环境。热控设计需综合考虑卫星的轨道条件和构型布局，结合各设备的热耗、热容、温度要求等参数，对整星以及载荷的热设计方案做出统一布局。现有卫星单机模块和载荷模块等发热器件的散热方式主要是通过与安装面导热接触和辐射，最终通过结构件和热管将热量传递至卫星平台的散热面。为了实现发热器件在轨可更换升级，将发热器件设置为与卫星平台可拔插的配合结构，为防止插拔过程中的碰撞干涉，除电接口和机械固定接口外，发热器件和卫星平台之间无足够接触面积传递热量。当大功率可更换模块需长时间工作时，其产生的废热无法及时有效散出，导致器件温升较高，不满足指标要求，长期工作器件寿命减小失效风险增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星大功率可更换模块内热控装置，其能够延长模块在指标要求温度范围内的工作时间，降低模块升温速度，降低模块工作温度，延长模块工作寿命。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供一种卫星大功率可更换模块内热控装置，包括：

导热外壳、发热器件和相变储热模块，所述导热外壳用于与卫星平台插接配合，所述发热器件和所述相变储热模块均安装于所述导热外壳内，所述相变储热模块用于吸收所述发热器件产生的热量并传递至所述导热外壳。

在可选的实施方式中，所述相变储热模块同时与所述发热器件和所述导热外壳接触。

基于上述方案，发热器件运行过程中产生的热量能够直接传递至相变储热模块，相变储热模块将热量集中后能够直接传递至导热外壳，如此，热量传递效率高，发热器件产生的热量能够快速有效的传出，发热器件的升温速度慢，工作温度低，不易因高温损坏，使用寿命长。同时，相变储热模块能够及时有效的将储存的热量传递至导热外壳，进而将热量快速散发出去，能够持续吸收发热器件运行产生的热量，使发热器件能长时间在合理范围内作业。

在可选的实施方式中，所述卫星大功率可更换模块内热控装置还包括传热件；

所述相变储热模块与所述发热器件接触，所述传热件同时与所述相变储热模块与所述导热外壳接触。

基于上述方案，通过传热件将相变储热模块储存的热量传递至导热外壳，合理利用导热外壳的内部空间，根据导热外壳内的多个零部件的排布关系设计传热件，使多个零部件之间不易产生装配干涉，在满足导热效率的同时提高整体结构的紧凑性。

在可选的实施方式中，所述传热件设置为石墨板、氮化铝板或碳化硅板。

基于上述方案，传热件的热通量大，导热效率高，传热件能够快速将相变储热模块的热量传递至导热外壳，使导热外壳升温，进一步延长工作时间，还能够缩短相变储热模块冷却时间，方便快速进入下一工作周期。

在可选的实施方式中，所述传热件设置有避让空间。

基于上述方案，通过设置避让空间，能够避让导热外壳内的其他零部件，利于装配。

在可选的实施方式中，所述传热件包括依次连接且配合限定出所述避让空间的第一传热板、弧形传热板和第二传热板，所述第一传热板与所述发热器件贴合，所述弧形传热板相对于所述第一传热板和所述第二传热板外凸，所述第二传热板与所述导热外壳的内壁面贴合。

基于上述方案，传热件的结构简单，且采用一体式结构设计，整体结构强度高，不易被损坏。而传热件通过中间的弧形传热板的设计，当传热件被夹持在相变储热模块和导热外壳之间时，弧形传热板具有一定的形变能力，能够向外张开，从而带动第一传热板和第二传热板相互远离，使第一传热板更好的贴合在相变储热模块的表面，以及使第二传热板更好的贴合在导热外壳的内表面，减小装配间隙，增大接触面积，提高传热效率。

在可选的实施方式中，所述发热器件设置为电路板，所述相变储热模块贴合于所述电路板的背面。

基于上述方案，相变储热模块与电路板背面连接，不易与电路板上的电器件产生干涉，与电路板接触良好，导热效率高。

在可选的实施方式中，所述相变储热模块内部的相变材料设置为正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷、正二十一烷或正二十二烷。

基于上述方案，相变储热模块的相变材料根据需求选择，灵活多变，使用范围广，成本低。

在可选的实施方式中，所述导热外壳的外部设置有用于与卫星平台插接的电插头。

基于上述方案，导热外壳与卫星平台插接方式简单可靠，便于拔插。

在可选的实施方式中，所述导热外壳的外部设置有用于供作业人员操作的把手。

基于上述方案，作业人员握持把手，导热外壳不易滑脱，便于调节导热外壳的位置，从而提高导热外壳的拔插便捷性，提高作业安全性。

本发明实施例的有益效果是：

综上所述，本实施例提供的卫星大功率可更换模块内热控装置，通过在导热外壳内安装相变储热模块，导热外壳内的发热器件工作时产生热量，温度升高，发热器件与相变储热模块进行热交换，使相变储热模块的温度升高，当温度到达相变储热模块的相变点附近后，相变储热模块内部的相变材料吸收热量后逐渐由固态变为液态，相变期间相变材料温度一直维持在相变点附近，因此相变储热模块的温度一直维持在相变点附近，直至相变材料全部变为液态，接着相变储热模块的温度继续升高。相变储热模块内的热量通过辐射和传递将热量传递到导热外壳，最终通过卫星平台散热面将热量导出。如此，发热器件作业过程中产生的热量被相变储热模块吸收集中储存起来，合理利用导热外壳的热容，通过导热外壳将相变储热模块吸收的热量有效的传递出去，使得发热器件的降温速度快，发热器件的温度不易升高，延长发热器件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的卫星大功率可更换模块内热控装置的一视角的结构示意图；

图2为本发明实施例的卫星大功率可更换模块内热控装置的另一视角的结构示意图。

图标:

100-导热外壳；200-第一发热器件；300-第二发热器件；400-相变储热模块；500-传热件；510-第一传热板；520-弧形传热板；530-第二传热板；540-避让空间；600-电插头；700-把手；800-连接柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术中，可更换式单机模块利用电插头600插接在卫星平台上，而为了便于单机模块的拆装，以及为了降低拆装过程中产生碰撞，单机模块的电插头600通常设计较小，以减小拔插阻力。随之而来的问题是单机模块与卫星平台的接触面积小，单机模块的热量不易通过卫星平台散发出去，单机模块的温度易升高，不利于单机模块正常作业。

需要说明的是，为了实现卫星单机模块在轨可更换升级，一般通过机械臂、航天员手动操作进行模块更换，可更换模块如锂电池、综合电子、AI等单机和载荷需要从星上插槽内拔出，为防止插拔过程中的碰撞干涉，可更换模块除电接口和机械固定接口外，可更换模块和卫星平台之间无足够接触面积传递热量。当大功率可更换模块需长时间工作时，其产生的废热无法及时有效散出，导致器件温升较高，不满足指标要求，长期工作器件寿命减小失效风险增大。也就是说，针对有可更换需求的模块，现有的技术方案中，因其接触面积小，模块工作时产生大量热量无法及时通过热传导将热量传递至散热面，而导致模块温升很高，无法长时间工作，甚至导致模块高温损坏。值得注意的是，一般模块温度长期工作在温度超过50℃时，其使用寿命会大大缩短。芯片结温超过125℃(部分芯片结温175℃)会损坏，但实际使用时为保证寿命，芯片结温要求满足一级降额即45℃。

鉴于此，设计者提供了一种卫星大功率可更换模块内热控制装置，能够加速单机模块散热，单机模块不易升温，单机模块能够长时间持续作业，且不易被高温烧坏，使用寿命长。

请结合图1-图2，本实施例中，卫星大功率可更换模块内热控制装置包括导热外壳100、发热器件和相变储热模块400。导热外壳100用于与卫星平台插接配合，发热器件和相变储热模块400均安装于导热外壳100内，相变储热模块400用于吸收发热器件产生的热量并传递至导热外壳100。

承上述，本实施例提供的卫星大功率可更换模块内热控制装置的工作原理如下：

通过在导热外壳100内安装相变储热模块400，导热外壳100内的发热器件工作时产生热量，温度升高，发热器件与相变储热模块400进行热交换，使相变储热模块400的温度升高，当温度到达相变储热模块400的相变点附近后，相变储热模块400内部的相变材料吸收热量后逐渐由固态变为液态，相变期间相变材料温度一直维持在相变点附近，因此相变储热模块400的温度一直维持在相变点附近，直至相变材料全部变为液态，接着相变储热模块400的温度继续升高。相变储热模块400内的热量通过辐射和传递将热量传递到导热外壳100，最终通过卫星平台散热面将热量导出。

如此，发热器件作业过程中产生的热量被相变储热模块400吸收集中储存起来，合理利用导热外壳100的热容，再通过导热外壳100将相变储热模块400吸收的热量有效的传递出去，使得发热器件的降温速度快，发热器件的温度不易升高，发热器件能长时间持续作业，且不易因高温损坏，使用寿命长。

需要说明的是，发热器件可以是但不限于是电路板，并且，发热器件的数量可以不限于是一个，还可以是多个。例如，本实施例中，以发热器件的数量为两个且均为电路板为例进行说明。此外，当发热器件的数量为多个时，相变储热模块400能够与其中一个发热器件接触，或者相变储热模块400能够与多个发热器件中的部分发热器件接触，或者与全部发热器件接触，按需设置即可。

以下实施例对本申请的卫星大功率可更换模块内热控装置的细节结构以举例的方式进行展开说明。

请结合图1-图2，本实施例中，可选的，卫星大功率可更换模块内热控装置包括导热外壳100、第一发热器件200、第二发热器件300、相变储热模块400、传热件500、电插头600和把手700。第一发热器件200、第二发热器件300、相变储热模块400和传热件500均安装于导热外壳100内。电插头600和把手700均安装于导热外壳100的外部且位于导热外壳100相对的两侧。第一发热器件200的发热量大于第二发热器件300的发热量，或者说，第二发热器件300能够通过自身结构将热量传递至导热外壳100后散出，实现降温。

可选的，导热外壳100设置为矩形壳，第一发热器件200和第二发热器器件均设置为电路板，第一发热器件200通过两根连接柱800固定在导热外壳100内，第二发热器件300可以通过若干连接柱800固定在导热外壳100内，第一发热器件200和第二发热器件300平行间隔排布。

可选的，相变储热模块400内部的相变材料按需选择，例如可以是正十六烷、正十七烷、正十八烷、正十九烷、正二十烷、正二十一烷或正二十二烷等烷类。值得注意的是，相变材料的吸热量为材料本身属性，经过计算可以在相变储热模块400内填充一定量的相变材料，计算方式如下：

相变材料的填充量(kg)＝发热器件发热量(W)·工作时间(s)/相变材料相变吸热值(kJ/kg)；

即通过发热器件的发热功率和要求的工作时间计算出模块发热量除以相变材料相变吸热值得出填充量。

需要说明的是，相变储热模块400可以为方形体，其能够与第一发热器件200的背面较好的贴合，使得相变储热模块400与第一发热器件200的接触面积大，利于第一发热器件200将热量传递至相变储热模块400，从而降低第一发热器件200的温度。

其中，电路板的背面和正面相对设置，正面为焊接有电器元件如二极管等的板面，将相变储热模块400贴合于背面，不会与正面的电器元件产生干涉，结合紧密牢靠。

请结合图1和图2，可选的，传热件500可以是石墨板、氮化铝板或碳化硅板等，例如，本实施例中，传热件500以柔性的石墨板为例进行说明。传热件500包括连接的第一传热板510、弧形传热板520和第二传热板530，第一传热板510与第一发热器件200贴合，弧形传热板520相对于第一传热板510和第二传热板530外凸，第二传热板530与导热外壳100的远离连接第一发热器件200的内壁面贴合。第一传热板510、弧形传热板520和第二传热板530配合限定出避让空间540。传热件500通过中间的弧形传热板520的设计，当传热件500被夹持在相变储热模块400和导热外壳100之间时，弧形传热板520具有一定的形变能力，能够向外张开，从而带动第一传热板510和第二传热板530相互远离，使第一传热板510更好的贴合在相变储热模块400的表面，以及使第二传热板530更好的贴合在导热外壳100的内表面，减小装配间隙，增大接触面积，提高传热效率。同时，第一发热器件200工作过程中产生的热量传递至相变储热模块，相变储热模块吸收热量后通过第一传热板510、弧形传热板520和第二传热板530传递至导热外壳100上，热量从导热外壳100的远离第一发热器件200的一侧散出，散出的热量远离第一发热器件200，有效降低散热出去的热量对第一发热器器件的影响。

进一步的，弧形传热板520与导热外壳100的内壁面具有间距，不易传递至导热外壳100的设置有把手700的位置，把手700温度不易升高。

应当理解，石墨板可以通过螺钉等结构与相变储热模块400和导热外壳100连接。

在其他实施例中，需要说明的是，相变储热模块400可以直接与导热外壳100的内壁面贴合，同样能够实现将热量传递至导热外壳100后，通过卫星平台散热。

装配后，第二发热器件300的部分位于避让空间540内，相变储热模块400、石墨板配合不易与第二发热器件300产生干涉，利于装配和布局。同时，由于相变储热模块400位于第一发热器件200和第二发热器件300之间，第一发热器件200和第二发热器件300产生的热量均能够被相变储热模块400吸收，相互不会产生影响，运行稳定可靠。

本实施例中，在装配单机模块和卫星平台时，作业人员可以握持把手700，利用电插头600与卫星平台上的插孔对插，操作方便。在单机模块运行过程中，通过相变储热模块400和石墨板的联合设计，实现第一发热器件200和导热外壳100的导热连接，又能够绕过第二发热器件300，避免产生干涉，实现在该传热路径上由相变储热模块400吸收储存热量并抑制第一发热器件200温升，石墨板实现第一发热器件200不工作时将热量快速传递至导热外壳100，实现快速冷却为下次工作做准备。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。