基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件的製作方法

2023-08-03 02:15:16 4

專利名稱：基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，該傳熱元件可用於物體的快速持續冷卻。
背景技術：
隨著低溫制冷機的發展，如何實現被冷卻物體的快速冷卻是目前低溫制冷機應用的關鍵問題之一。目前常用的連接方式是使用銅棒將低溫制冷機和被冷卻物體連接起來，由於受到低溫制冷機冷頭橫截面積的限制銅棒的直徑一般較小，大大限制了制冷機冷量的傳遞。實驗證明低溫熱管在相同的橫截面積下傳遞的冷量比銅棒多數倍，它的特點是在小溫差條件下具有較大的傳熱量。而採用自然循環冷卻的方法可以使被冷卻物體在很短的時間內實現降溫過程。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件。
它具有低溫液體貯槽並依次與低溫熱管、冷頭相連接，低溫液體貯槽底部設有自然循環預冷迴路並經冷頭至低溫液體貯槽頂部相連通。
當獨立使用自然循環冷卻物體時，可以在很短的時間內使物體的溫度降低到冷卻流體的溫度附近，但是由於被冷卻部件溫度降低以後，自然循環的動力消失喪失了進一步冷卻的能力，而且由於液體靜壓的作用低溫液體處於過冷狀態，當被冷卻物體有熱量散發時，可以使管道中的低溫液體產生間歇噴泉現象，回流管路發生震動，被冷卻物體的溫度容易發生波動，這對於要求溫度穩定的被冷卻物體是不利的。低溫熱管具有在小溫差下大傳熱量的優點，當自然循環停止或基本停止以後，低溫熱管可以在小溫差下將被冷卻物體散發的熱量直接高效的傳遞到冷源，使被冷卻物體的溫度保持穩定。所以基於自然循環預冷的低溫高效低溫傳熱元件的特點就是綜合自然循環和低溫熱管的優點，取長補短，既可以在很短的時間內使被冷卻物體的溫度降低下來，同時又可以保證被冷卻物體的溫度波動較小。這樣可以增加那些對於溫度穩定性要求很高的被冷卻物體的安全性。特別需要指出的是，一旦被冷卻物體的溫度發生急劇上升(如超導體失超)則自然循環過程又可以重新啟動，從而再次快速冷卻，使被冷卻物體迅速恢復到目標溫度，因此該傳熱元件具有自反饋的功能。


圖1是採用低溫液體工質作為冷源和自然對流介質的元件結構示意圖；圖2是採用低溫制冷機作為冷源、低溫液體為自然對流介質的元件結構示意圖；圖3是低溫傳熱元件冷頭的結構示意圖。
具體實施方式
基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件具有低溫液體貯槽1並依次與低溫熱管2、冷頭3相連接，低溫液體貯槽底部設有自然循環預冷迴路5並經冷頭至低溫液體貯槽頂部相連通，在冷頭上設有被冷卻物體4。低溫液體貯槽上設有低溫制冷機6。
上述低溫熱管的材料為不鏽鋼、銅、鋁合金，其形狀為圓形、矩形。自然循環預冷迴路的材料為不鏽鋼、銅、鋁合金；自然循環預冷迴路的外形為圓形，方形。冷頭材料為紫銅或無氧銅；冷卻介質貯槽的形狀為圓柱腔體、長方腔體。低溫液體為液氦、液氫、液氧、液氮、液氖、液氬；低溫制冷機為脈管制冷機、斯特林制冷機、G-M制冷機。
流體通道的作用是為流體提供通路，同時把被冷卻物體的熱量傳給流體。既可以增加低溫熱管的冷凝能力又可以直接利用低溫液體的汽化潛熱。設計和製作基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件的最終目標是把被冷卻物體冷卻到要求的溫度，並保持溫度的穩定性，所以本發明的指導思想是高效、穩定。冷頭材質沒有嚴格限制，但它接受來自被冷卻物體的熱量最好是具有較大的導熱係數。流體通道可以用機械加工方法直接在冷頭上切出。自然循環預冷迴路的作用是把低溫貯槽和冷頭上的流體通道連通起來，在它們之間形成一個低溫液體的流動迴路，並且在液體入口和出口之間形成一定的壓力差。自然循環預冷迴路的材質沒有嚴格要求，但它的內部流動的是低溫液體，為了減少漏熱最好使用具有較小的導熱係數並且容易與冷頭和液體貯槽焊接。冷源的種類主要有兩種一種是直接利用低溫液體，另一種是利用低溫制冷機。
示例基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件採用了兩根Φ8×1mm的銅管作為低溫熱管材料，也可以選用不鏽鋼以及鋁合金作為低溫熱管的材料。自然循環預冷迴路是Φ5×0.5mm的不鏽鋼管，增加自然循環預冷迴路的徑向熱阻。冷頭的尺寸是30×30×25mm的紫銅塊。在冷頭上表面上通過機械加工的方法打四個20mm深的洞，兩個焊接銅管，兩個焊接不鏽鋼管。把銅管和不鏽鋼管的一端深入5mm直接焊接在冷頭上，銅管的另一端封閉形成低溫熱管，其中一個不鏽鋼管直接焊接在低溫液體貯槽的下底板，另一個焊接在低溫液體貯槽的液面之上。在冷頭的側面在熱管的垂直面上打兩個5mm的通孔，並且銑出兩個5×5mm槽道連通兩個通孔用銅板封閉形成自然循環的流體通道。
使用時直接將低溫液體倒入低溫液體貯槽中，由於自然循環的工作動力就是回流管道內的壓力差，所以自然循環開始工作時，可以通過安裝在自然循環預冷迴路上的閥門調節低溫液體蒸汽的出口壓力來控制自然循環。由於低溫熱管的冷凝段在低溫液體貯槽中，當倒入低溫液體時工質通過氣庫管道在低溫熱管中冷凝並開始傳遞被冷卻物體散發的熱量。當被冷卻物體的溫度驟然上升，過大的熱流有可能使低溫熱管達到其傳熱極限而失效(如超導體失超)，這時自然循環將自動重新開始工作，迅速是被冷卻物體達到工作要求的溫度附近，低溫熱管也重新開始工作，實現冷卻的自反饋過程。
權利要求1.一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，其特徵在於它具有低溫液體貯槽(1)並依次與低溫熱管(2)、冷頭(3)相連接，低溫液體貯槽底部設有自然循環預冷迴路(5)並經冷頭至低溫液體貯槽頂部相連通。
2.根據權利要求1所述的一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，其特徵在於所說的低溫液體貯槽上設有低溫制冷機(6)。
3.根據權利要求1所述的一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，其特徵在於所說的低溫熱管的材料為不鏽鋼、銅、鋁合金，其形狀為圓形、矩形。
4.根據權利要求1所述的一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，其特徵在於所說的自然循環預冷迴路的材料為不鏽鋼、銅、鋁合金；自然循環預冷迴路的外形為圓形，方形。
5.根據權利要求1所述的一種基於自然循環預冷的高效低溫傳熱元件，其特徵在於所說冷頭材料為紫銅或無氧銅；冷卻介質貯槽的形狀為圓柱腔體、長方腔體。
6.根據權利要求1所述的一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件，其特徵在於所說的低溫液體為液氦、液氫、液氧、液氮、液氖、液氬；低溫制冷機為脈管制冷機、斯特林制冷機、G-M制冷機。
專利摘要本實用新型公開了一種基於自然循環預冷過程的高效低溫傳熱元件。它具有低溫液體貯槽並依次與低溫熱管、冷頭相連接，低溫液體貯槽底部設有自然循環預冷迴路並經冷頭至低溫液體貯槽頂部相連通。當自然循環停止或基本停止以後，低溫熱管可以在小溫差下將被冷卻物體散發的熱量直接高效的傳遞到冷源，使被冷卻物體的溫度保持穩定。所以基於自然循環預冷的低溫高效,低溫傳熱元件的特點就是綜合自然循環和低溫熱管的優點，取長補短，既可以在很短的時間內使被冷卻物體的溫度降低下來，同時又可以保證被冷卻物體的溫度波動較小。可以增加那些對於溫度穩定性要求很高的被冷卻物體的安全性。被冷卻物體的溫度發生急劇上升則自然循環過程又可以重新啟動，具有自反饋的功能。
文檔編號F28D15/02GK2670890SQ20032012256
公開日2005年1月12日 申請日期2003年12月15日 優先權日2003年12月15日
發明者邱利民, 李煒徵, 陳國邦, 甘智華 申請人:浙江大學