用於傳導冷卻超導磁體的低溫熱管熱開關的製作方法

2023-05-28 14:56:41

專利名稱：用於傳導冷卻超導磁體的低溫熱管熱開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於低溫工程的熱開關，特別涉及用於制冷機傳導冷卻超導磁體系統的低溫熱管熱開關。
背景技術：
超導磁體必須運行在低溫環境下，傳導冷卻的超導磁體與制冷機的二級冷頭相連。由於制冷機二級冷頭的效率很低，當超導磁體質量較大時，磁體冷卻的時間很長。而制冷機一級冷頭的效率相對較高。為了充分利用一級冷頭的冷量，可用熱開關將一級冷頭與磁體相連，縮短磁體的冷卻時間。作為一級冷頭和磁體之間的熱連接和熱隔斷的熱開關應該具有高傳熱效率和高可靠性。雙金屬型熱開關結構較為複雜，並且接觸熱阻較大。氣隙式熱開關對製造工藝水平的要求較高，同時由於氣體的存在，對裝置的密封要求高。形狀記憶合金熱開關材料要求嚴格對稱，加工精度要求很高，否則會導致熱開關性能不穩定。微膨脹型低溫熱開關，工作原理是利用兩種不同材料的膨脹收縮率不同，從而熱開關的閉合及斷開動作，但該種熱開關的缺點是若熱開關需在長期閉合的場合下工作，可能會發生冷焊，導致熱開關在需要斷開時無法打開。低溫熱管是一種無需外界控制、性能可靠的熱開關。它包括3個部分，即蒸發段、絕熱段、冷凝段。熱管的冷凝段與制冷機的一級冷頭連接，而蒸發段與二級冷頭相連。熱管內充有低溫氣體。溫度高於和低於氣體的三相點時低溫熱管分別處於導通和斷開狀態。當熱管處於導通狀態時，制冷機一級冷頭的冷量通過熱管傳到二級冷頭。當熱管溫度達到三相點以下時，熱管內氣體會冷凝成液體，此時熱管處於關斷狀態。F.C.Prenger等人研究了氮氣低溫熱管作為熱開關的特性，試驗結果表明，在63～123K的範圍內熱管都具有良好的傳熱特性，其截斷溫度為63K。(Advances in Cryogenic Engineering，Vol.41，1996，pp.147-154)。但該熱管熱開關存在以下的缺陷該種熱管熱開關只能應用於地面上(有重力存在的環境中)，而隨著制冷機傳導冷卻超導磁體在空間中的應用，需要開發一種新型的熱管熱開關，以滿足在空間無重力狀態下加速超導磁體冷卻的要求。

發明內容
本發明目的是克服現有技術的結構複雜、效率低以及不能應用於空間無重力環境下等缺點，提供一種新型的可供空間環境使用的傳導冷卻超導磁體用低溫熱管熱開關。
本發明的熱管熱開關是一種新結構的熱管，熱管連接於制冷機的一級冷頭和二級冷頭之間。熱管由高熱導的純銅材料製成的蒸發器和冷凝器，以及用低導熱材料銅合金製成的絕熱段三部分組成，絕熱段位於蒸發器和冷凝器之間。蒸發器、絕熱段、冷凝器以焊接的方式連接在一起。熱管的蒸發器和冷凝器都裝有用高導熱材料純銅塊製成的導熱法蘭。熱管的蒸發器和冷凝器均通過導熱法蘭固定在制冷機的一級冷頭和二級冷頭的引出銅板上。本發明熱管的蒸發器、絕熱段以及冷凝器的內表面上在軸向方向均刻有深度為2.2mm的軸向槽道以及沿圓周方向的螺旋形溝槽。軸向方向上的圓形槽可以作為毛細芯提供液體所需要的毛細力，而周向螺紋槽道可以使液體在內表面上分布更加均勻，從而使管壁溫度在周向上均勻分布。
本發明運用熱管內氣體相變傳熱的原理，在超導磁體冷卻之初，此時熱管熱開關處於導通狀態，熱管內的氣體在冷凝器吸收冷量後凝結成液體，液體通過軸向槽道回流到蒸發器後吸收熱量變為氣體回流到冷凝段。這樣周而復始，熱量就不斷由蒸發段傳遞到冷凝段。隨著冷卻過程的進行，一級冷頭溫度的降低，熱管內氣體的工作溫度隨之降低，當熱管內的氣體達到凝結溫度時，就會冷凝結為固體，此時熱管熱開關處於關斷狀態。應用在地面上有重力存在的地方時，重力熱管凝結段處液體工質的回流的驅動力是重力(即熱管凝結段處液體工質的回流的驅動力是重力，該種熱管稱為重力熱管，它應用在地面上有重力存在的地方)，在空間無重力狀態下，重力熱管凝結段處的工質液體由於缺少了重力的驅動，是無法回到蒸發段的，因此現有技術的熱管無法工作。本發明的熱管在空間無重力的條件下，冷凝段液體回流的驅動力是由軸向方向的圓形槽提供的。在工作狀態下，本發明低溫熱管熱開關在有重力和無重力條件下的工作過程是相似的，都是液體工質在蒸發段吸收熱量，變為蒸氣，然後在冷凝段凝結成液體，返回冷凝段，其工作原理唯一不同的是在有重力的條件下，冷凝液體回流的驅動力為重力和管子側壁圓形槽毛細芯所提供的毛細力，而在無重力狀態下，冷凝液回流的驅動力僅由毛細力所提供。
本發明熱開關導通能力強，無需外界控制，可應用於空間無重力條件下，並可以有效地縮短現有傳導冷卻超導磁體系統的冷卻時間。


圖1為傳導冷卻超導磁體示意圖，圖中1一級冷頭、2二級冷頭、3熱開關、4超導磁體、5冷屏、6真空容器；圖2為本發明結構示意圖，圖中8蒸發器、9冷凝器、10絕熱段、11、12導熱法蘭；圖3絕熱段10截面剖視圖；圖4本發明整體剖視圖；圖5本發明整體剖視放大圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖1所示是傳導冷卻超導磁體結構圖。如圖1所示，制冷機的一級冷頭1與冷屏5相連，本發明熱開關3安裝於冷屏5與超導磁體4上的法蘭之間。
制冷機的二級冷頭2與超導磁體4相連。超導磁體4、冷屏5、熱開關3、一級冷頭1、二級冷頭2均放置在低溫容器3內。
如圖2所示，本發明熱管熱開關3為一密閉容器，包括蒸發器8、絕熱段10和冷凝器9，絕熱段10位於蒸發器8和冷凝器9之間。冷凝器9為罐形密閉容器的內部空間。蒸發器8和絕熱段10及冷凝器9內表面上刻有按間距為2.8mm排列的軸向槽道，沿圓周方向有螺旋形溝槽。蒸發器8、絕熱段10及冷凝器9之間採用焊接連接。安裝熱管時在一級冷頭1和二級冷頭2上引出高導熱材料的銅板，銅板的厚度約為4～5mm，銅板分別與熱管導熱法蘭11、12相接觸的表面應非常光滑，這樣可以減小接觸熱阻。熱管的長度取決於制冷機一級冷頭與二級冷頭之間的距離之間的距離。
圖3為本發明熱管熱開關絕熱管段10的截面剖視圖。絕熱管段10側壁軸向槽的微結構如圖3所示，軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道是相通的。軸向槽的結構如圖3中1處局部放大圖所示。在實際工作過程中，蒸氣在絕熱管段10管子中心流動，液體則沿管側壁軸向方向的槽道流動。
圖4為本發明縱向整體剖視放大圖，從中可以更加清晰的看出熱管熱開關內部溝槽的結構和分布，其中軸向槽道沿著軸向方向延伸，並沿著周向均勻分布。在熱管內壁開有螺紋形的沿著圓周方向的溝槽，螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。
圖5中的局部剖視圖A和局部剖視圖B分別為圖5中熱管的A處和B處的局部結構放大圖，從圖中可以更加清楚的看到熱管內部軸向和周向槽道的結構。
本發明運行的低溫環境由制冷機提供，制冷機的一級冷頭1與熱開關3的冷凝器8通過導熱法蘭11相連，蒸發器8的導熱法蘭11與超導磁體4的法蘭相連。冷卻過程開始後，熱管開始工作，即熱管熱開關3處於導通狀態。隨著冷卻過程的進行，熱管氣體溫度進一步降低，當達到氣體凝結溫度時，氣體凝結為固體。此時，熱管熱開關3處於關斷狀態。當熱管熱開關3在無重力的環境下工作時，冷凝段9的液體工質量在側壁軸向通道毛細芯所提供的毛細力的作用下回流到蒸發器8。
權利要求
1.一種用於傳導冷卻超導磁體的低溫熱管熱開關，其特徵在於熱管熱開關[3]為一密閉容器，包括蒸發器[8]、絕熱段[10]和冷凝器[9]；絕熱段[10]位於蒸發器[8]和冷凝器[9]之間；冷凝器[9]為罐形密閉容器的內部空間；蒸發器[8]和絕熱段[10]及冷凝器[9]內表面上刻有軸向槽及沿圓周方向可有螺旋形溝槽，蒸發器[8]、絕熱段[10]及冷凝器[9]之間採用焊接連接。
2.按照權利要求1所述的用於傳導冷卻超導磁體的低溫熱管熱開關，其特徵在於軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道相通；軸向槽沿著軸向方向延伸，並沿著周向均勻分布；螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。
全文摘要
一種用於傳導冷卻超導磁體的低溫熱管熱開關，為一密閉容器，包括蒸發器[8]、絕熱段[10]和冷凝器[9]。絕熱段[10]位於蒸發器[8]和冷凝器[9]之間，冷凝器[9]為罐形密閉容器的內部空間。蒸發器[8]、絕熱段[10]及冷凝器[9]之間採用焊接連接。蒸發器[8]和絕熱段[10]及冷凝器[9]內表面上刻有軸向槽及沿圓周方向可有螺旋形溝槽，軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道相通，軸向槽沿著軸向方向延伸，並沿著周向均勻分布；螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。本發明導通能力強，無需外界控制，可應用於空間無重力條件下，並可以有效地縮短現有傳導冷卻超導磁體系統的冷卻時間。
文檔編號F28D15/02GK1952581SQ200610114710
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月22日 優先權日2006年11月22日
發明者刁彥華, 胡新寧, 趙保志, 王秋良, 戴銀明 申請人:中國科學院電工研究所