液氮温区重力辅助深冷回路热管的实验研究

    1 引 言

    21世纪是航天技术和超导技术大发展的世纪,制冷技术的应用将更加广泛而深入。目前,红外探测器件以及高温超导器件的冷源主要是微型低温制冷机。当前的制冷技术所需改善的几个方面,除了提高制冷量、减轻重量、改善效率和低温性能、以及延长寿命外,还应发展低温集成技术,把制冷机和被冷却器件有效地集成在一起。在当前和以后的系统设计和应用中,越来越明显地需要考虑到制冷机冗余和远距离的冷量传送这样一些技术问题。因而应把低温应用看作一个系统,而不是器件的简单混合[1]。低温集成技术从制冷机技术中分离出来,目的是为了增强制冷系统的能力。深冷回路热管是低温集成系统的主要设备,能够有效地、长距离传输热量。此外,制冷机技术的发展,例如用制冷机来冷却超导磁体,要求寻找制冷机和被冷却器件间的有效连接方法。目前,这一应用中最常用的传热方法是靠铜进行热传导,如果传输距离很长时,此方法就将受到热传导横截面积的限制。因此,为了在同一温差下能传输更多的热量,就需要寻找其他的传热方法[2]。

    众所周知,热管正是这样一种有效的传热设备,它能在较小的温差下传输较多的热量。深冷回路热管(CLHP)是低温制冷机集成的关键技术之一。它是一种两相传热设备,可在液氮温区乃至更低的深低温区下工作。其冷却回路有一个吸收低温热负荷的蒸发器,还有一个把热释放给制冷机冷端的冷凝器。这些器件通过长薄壁管相连,为制冷机冷端和被冷却器件间提供了良好的热和振动隔离。由于它的蒸气和液体管线中都没有使用吸液芯,因此能以极小的管线(1.5 mm~3 mm)实现相当灵活的布置。

    本文所提及的重力辅助是指冷凝器的一部分高于蒸发器,而蒸发器和冷凝器都是保持水平的。这可通过调节气、液管线的高度差来实现的。

    2 基本工作原理和结构设计

    重力辅助深冷回路热管虽然与传统热管在结构上有很大的不同,但它所用的仍然是传统热管的基本原理[3]。蒸发器和冷凝器间闭合循环的动力由毛细力(多孔吸液芯产生的表面张力)和重力来维持。两者的区别是,传统热管通常是一根封闭的管子,气相和液相是逆向流动而且互相接触。而回路热管的气相和液相传输管线是不同的,且主要的多孔结构只放置在蒸发器中,并且可以使用孔径极小的多孔材料(3Lm~5µm),这样就能大大地降低传输线中工质流动的压降,并能提供很高的毛细压力。

    重力辅助深冷回路热管由蒸发器(内含多孔吸液芯)、冷凝器、传输管线和气库4部分构成。因为深冷回路热管工作在液氮温区,而低温工质在常温下一般为气态,所以必需使用附加的气库来解决常温下充气压力过高的问题,以使其内压强保持在合理的范围内。