基于自然循环预冷过程高效低温传热方法的初步研究

    1 引 言

    随着低温制冷技术的不断发展,如何实现被冷却物体的高效、快速冷却是当前低温制冷机应用面临的关键问题之一。在远距离冷量传输,特别是空间及超导应用等特殊场合,这一矛盾显得更加突出。目前常见的方法主要有金属良导体直接导热、低温热管(cryogenic heatpipe,简称CHP)以及自然循环预冷(natural circulation cooling,简称NCC)等几种方式。

    本文作者从2000年起先后承担了多项课题[1, 2]。大量理论和试验研究表明,自然循环预冷方法可以实现被冷却物体的快速冷却。该方法运行的动力来自被冷却物体与冷源之间的温差,随着被冷却物体温度降低,自然循环的动力将逐渐减弱并最终消失。因此,自然循环预冷无法实现连续冷却,仅限于短时间应用。此外,由于液体静压的作用,自然循环回路入流管段的低温液体处于过冷状态,由于管壁的漏热,管道中的低温液体将产生/间歇喷泉0现象,引起回流管路振动,不利于被冷却物体的温度稳定。低温热管在相同的横截面积下传递的热量比铜棒大数倍,传热效率较高,可以实现连续冷却过程。从2002年起开展低温热管研究工作,其目的在于高效传输由低温制冷机(如脉管制冷机等)产生的冷量。课题设计并搭建了多功能低温热管试验台,并已获得一系列试验结果,研制的小型低温热虹吸管目前达到传热量2.0W /K(液氮温区)的水平[3]。

    上述两项研究的共同特点都是实现物体的冷却,但一个是间歇而快速,一个是连续而高效。2003年C+CHP)[4]。基于该冷却方法,在预冷开始时,自然循环预冷在很短的时间内将物体冷却到低温流体的温度附近,同时对低温热管进行预冷。当自然循环停止或基本停止以后,低温热管将被冷却物体散发的热量高效地传递到冷源,保持被冷却物体的温度稳定。因此,基于自然循环预冷的高效低温传热元件综合了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,同时又可以保证被冷却物体的温度波动较小,提高了系统的安全性。特别需要指出的是,一旦被冷却物体的温度发生急剧上升(如超导体失超等),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功能。我们设计并搭建了相应的试验台,初步试验结果表明,该系统能实现被冷却物体高效、快速冷却,该成果已于2003年底成功应用于MEMS电源系统的研究中用以冷却多个半导体器件。本文将主要介绍新型冷却系统的组成结构及初步实验结果。

    2 实验装置

    本课题自行设计、搭建了一套基于自然循环预冷及低温热管的高效低温传热实验系统,见图1。它由冷源、低温热管、自然循环回路、冷头、加热器以及计算机数据采集系统等部分组成。为结构简化,本文的冷源直接采用低温液体(液氮)。实验装置的液氮贮槽(冷源)由1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接而成,圆筒规格为φ50×0. 5 mm,有效容积为500 mL。贮槽外采用聚氨酯发泡材料绝热,绝热层的厚度约为30 mm。采用φ8×1 mm的紫铜管作为低温热虹吸管的制作材料,自然循环回路采用φ5×0. 5 mm的不锈钢管。实验中主要测量冷头的温度变化以及自然循环预冷回路的压力变化。温度传感器采用自行标定的铜-康铜T型热电偶温度计,分别布置在冷头上面、侧面、下表面及自然循环管路上(参见图1)。温度测量采用Keithley2700型数字万用表, 6位半精度。在自然循环回路上安装了3只德国西门子公司生产的压电型压力传感器(KPY-45R),用以了解自然循环的运行情况(见图1)。该压力传感器的测压范围为0~0.5MPa,工作环境温度为-40~125℃。数据采集卡和LabView软件均为美国国家仪器公司的产品,数据采集卡型号为6023E, 12位精度,采样频率200 ks/s。