自然循环预冷和低温热管耦合系统的初步实验研究

    1　引言

    随着低温制冷机的发展,如何实现被冷却物体的快速冷却是目前低温制冷机应用的关键问题之一。目前常用的连接方式是使用铜棒将低温制冷机和被冷却物体连接起来,由于受到低温制冷机冷头横截面积的限制,铜棒的直径一般较小,大大限制了制冷机冷量的传递。实验证明,低温热管在相同的横截面积下传递的冷量比铜棒多数倍,它的特点是在小温差条件下具有较大的传热量。而采用自然循环冷却的方法可以使被冷却物体在很短的时间内实现降温过程。本文中基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件,综合了低温热管小温差大传热量以及自然循环冷却能够使被冷却物体快速降温的特点,使基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件能够具有更加良好的传热性能且能实现带自反馈的冷却过程[1]。

    独立使用自然循环冷却物体时,在很短的时间内可以使物体的温度降低到冷却流体的温度附近,但是被冷却部件温度降低以后,自然循环的动力消失,丧失了进一步冷却的能力,而且由于液体静压的作用,使低温液体处于过冷状态,当被冷却物体有热量散发时,可以使管道中的低温液体产生间歇喷泉现象,回流管路发生震动,这对于要求稳定的被冷却物体是不利的[2-3]。低温热管具有在小温差下大传热量的优点,当自然循环停止或基本停止以后,低温热管可以在小温差下将被冷却物体散发的热量直接高效的传递到冷源,使被冷却物体的温度保持稳定,所以基于自然循环预冷的低温高效低温传热元件的特点就是综合自然循环和低温热管的优点,取长补短,既可以在很短的时间内使被冷却物体的温度降低下来,同时又可以保证被冷却物体的温度波动较小。这样可以增加那些对于温度稳定性要求很高的被冷却物体的安全性。特别需要指出的是,一旦被冷却物体的温度发生急剧上升(如超导体失超),则自然循环过程又可以重新启动,从而再次快速冷却,使被冷却物体迅速恢复到目标温度,因此该传热元件具有自反馈的功能。

    2　自然循环和低温热管耦合系统

    本文自行设计了一套基于自然循环预冷过程的低温高效传热元件实验系统。它由冷源、低温热管、冷头、自然循环回路、加热器以及数据采集系统组成。其中冷源可以使用低温液体,也可以使用低温制冷机。从而形成采用低温液体作为冷源及自然循环介质及采用低温制冷机作为冷源、低温液体为自然循环介质两种结构,本文采用的是前者,见图1。

    本文中基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件采用内径为6mm、壁厚1mm的紫铜管作为低温热虹吸管材料,自然循环回路采用内径为4mm、壁厚为0.5mm的不锈钢管,冷头材料为高导热系数的紫铜。在冷头上表面上通过机械加工的方法打四个20mm深的洞,两个焊接铜管,两个焊接不锈钢管。把铜管和不锈钢管的一端深入5mm,直接焊接在冷头上,铜管的另一端封闭形成低温热管,其中一个不锈钢管直接焊接在低温液体贮槽的下底板,另一个焊接在低温液体贮槽的液面之上。在冷头的侧面及热管的垂直面上打两个5mm的通孔,并且铣出两个5mm×5mm槽道连通两个通孔用铜板封闭形成自然循环的流体通道。实验时直接将液氮倒入低温液体贮槽中即可。由于低温热管的冷凝段在低温液体贮槽中,当倒入低温液体时,工质通过气库管道在低温热管中冷凝,并开始传递被冷却物体散发的热量。