CN100344930C - 深低温区的重力辅助低温回路热管 - Google Patents

深低温区的重力辅助低温回路热管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种深低温区的重力辅助低温回路热管，包括：蒸发器以及与蒸发器串联，并形成回路的冷凝器；冷凝器由一块紫铜板及锡焊其上的两段紫铜管组成；蒸发器为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管；安装在冷凝器的冷凝管线上靠近蒸汽管线的一侧管线上的气库。所述蒸汽管线的位置高于液体管线的位置。由于采用氮气等深低温工质作为工作液体，可工作在液氮温区以至更低的深低温区；同时由于利用的是相变传热，并在重力辅助条件下工作，所以具有好的等温性，能实现远距离、小温差传热，可改善低温制冷机和被冷却器件间的集成关系，并隔离来自制冷机的机械振动和电磁干扰。

Description

深低温区的重力辅助低温回路热管
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及液氮温区乃至更低温区的重力辅助下的一种结构简单的、高效的远距离重力辅助低温回路热管。
背景技术
21世纪是低温制冷机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，高温超导器件的冷源主要是微型低温制冷机。当前，连接制冷机和被冷却器件的常用方法是用铜棒进行热传导，其缺点是当热传输距离变长时，两端温差会受到热传导横截面积的限制。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。众所周知，热管正是这样一种有效的传热设备，由于它利用的是相变传热的原理，所以能够在较小的温差下传输较多的热量。虽然传统热管的结构较为简单，但它并不适合于远距离的热量传输，也不能避免低温制冷机对被冷却器件产生的机械振动和电磁干扰的影响。
回路热管与传统热管的区别是：使用柔性的内壁光滑的不锈钢管或金属软管作为传输管线，从而减少了工质在传输管线中流动的压降，因而使得这一设备能长距离、小温差地传递大量热量，同时使得低温制冷机和被冷却器件的布置变得相当灵活。此外，由于当前能够实用化的超导器件的超导转变温度仍较低(一般处于液氮温区或更低)，而以氨(冰点195K)为工质的常温回路热管将不能应用于这种温度极低的场合，因此需要发展低温回路热管来满足这一需求。
发明内容
本发明的目的在于：为了改善低温制冷机和被冷却器件间的集成关系，而提供了一种工作在深低温区(液氮温区及其以下温区)的重力辅助低温回路热管。它是一种高效传热设备，并能有效地解决制冷机和被冷却器件间的分离技术，从而有效抑制来自制冷机的机械振动和电磁干扰。同时由于低温回路热管利用的也是相变传热的原理，所以具有很好的等温性，这样就能解决由于冷热源间温差大而使得制冷机效率降低的问题。本发明提供的重力辅助低温回路热管结构简单，能应用于深低温区远距离热量传输的场合。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的深低温区的重力辅助低温回路热管，包括：
一蒸发器1以及通过液体管线2与蒸发器1串联，并通过蒸汽管线6形成回路的一冷凝器11；所述冷凝器11由一块冷凝器冷板4及锡焊该冷凝器冷板4上的两段冷凝器管线3，31组成；所述蒸发器1为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其特征在于，还包括：安装在冷凝器11的冷凝管线上靠近蒸汽管线的一侧管线上的气库5。
所述液体管线2和蒸汽管线6为柔性金属软管。所述液体管线2和蒸汽管线6为柔性不锈钢薄壁管。所述蒸发器1和液体管线2水平放置。所述蒸汽管线6的位置高于液体管线2的位置。所述蒸发器1的内孔中同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管10。
本发明的重力辅助低温回路热管利用工质的蒸发和凝结的相变过程来传递热量，因而是一种高效的传热设备，可在液氮温区乃至更低的深低温区下工作。其回路包括一个吸收低温热负荷的蒸发器(与被冷却器件直接接触)，还有一个把热释放给制冷机冷端的冷凝器(与制冷机冷端直接接触)。蒸发器和冷凝器是通过柔性的长薄壁管(如不锈钢管或金属软管)相连，为低温制冷机冷端和被冷却器件间提供了良好的热和振动隔离，并使得冷、热源的布置更为灵活。此外，由于重力辅助低温回路热管工作在深低温区，采用氮气等深低温工质作为工作流体，因此需要考虑常温下整个系统有足够承压能力的安全问题。因此，为了确保常温下的安全，就需要使用一个大容积的气库来降低常温下的压力。虽然氮等低温工质与氨等常温工质相比，其表面张力小、流动阻力大，但在重力辅助下，本发明提供的重力辅助低温回路热管仍有较好的远距离传热性能。
本发明的重力辅助低温回路热管，冷凝器11是由两段紫铜管锡焊在一块薄紫铜板上形成。蒸发器1是内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，由于本发明提供的重力辅助低温回路热管侧重于重力场中的应用，因而蒸发器1的内孔中可同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管(也可不放置多孔结构管)。当蒸发器温度下降到工作温度时，就可加热蒸发器，于是多孔结构中的液态工质将受热蒸发，并形成气液分界面，此气液分界面两侧的压力差即为毛细压力。在此压差和重力的驱动下，蒸发器1中产生的蒸汽将通过蒸汽管线流向冷凝器11，同时推动冷凝后的冷凝液从液体管线流回蒸发器1中。如此不断地循环，可把热量从蒸发器1传给冷凝器11。当蒸发器1中不放置多孔结构时，驱动工质沿回流流动的动力就只有重力。连接蒸发器1和冷凝器11的是液体管线和蒸气管线，使用的都是外径较小(如3mm)的柔性不锈钢薄壁管。此外，气库5与整个回路通过一根细长管相连。
本发明的重力辅助低温回路热管主要致力于重力场中低温制冷机的远距离冷量传输，并能够有效地改善低温制冷机和被冷却器件间的集成关系，避免来自低温制冷机的机械振动和电磁干扰。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为蒸发器1的结构示意图；
图3为图2的A-A剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；图2是蒸发器1的结构示意图；由图可知，本发明的深低温区的重力辅助低温回路热管，一蒸发器1以及通过液体管线2与蒸发器1串联，并通过蒸汽管线6形成回路的一冷凝器11；所述冷凝器11由一块冷凝器冷板4及锡焊冷凝器冷板4上的两段冷凝器管线3，31组成；如图2可知，所述蒸发器1为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管10；以及，安装在冷凝器11的冷凝管线上靠近蒸汽管线的一侧管线上的气库5。
所述液体管线2和蒸汽管线6为柔性金属软管。所述液体管线2和蒸汽管线6为柔性不锈钢薄壁管。所述蒸发器1和液体管线2水平放置。所述蒸汽管线6的位置高于液体管线2的位置。
本发明的深低温区的重力辅助低温回路热管，其蒸发器1是内表面切割了轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置的是由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管。连接蒸发器1和冷凝器11的是液体管线2和蒸气管线6，使用的都是外径较小(如3mm)的柔性不锈钢薄壁管。气库5通过一根细长管7与整个回路相连。
如果采用高纯氮作为工作液体，则本发明提供的重力辅助低温回路热管可工作在液氮温区，此情况下只需使用低温制冷机把冷凝器冷板4冷却至并维持在78K即可。如图1所示，开始时重力辅助低温回路热管水平放置且整体处于环境温度下(如室温273K)。调整液体管线2和蒸汽管线6的相对位置可使蒸汽管线6高于液体管线2，但蒸发器1和液体管线2仍处于水平位置。这样，本发明提供的重力辅助低温回路热管即可工作在重力辅助条件下。当使用低温制冷机把冷凝器冷板4冷却至78K后，由于冷凝器管线3与冷凝器冷板4直接接触，所以靠导热的作用就可使冷凝器管线3中的工质液化。同时，冷凝液将在重力的作用下流向蒸发器1，并使蒸发器1降温。
当蒸发器1温度降至工质的临界温度以下后，重力辅助低温回路热管就可进入正常工作状态。此时，蒸发器1将吸收被冷却器件的发热量，其内的液态工质将受热蒸发并产生一定的毛细力。在毛细力和重力的共同作用下，蒸发器1中产生的蒸汽将由蒸汽管线6流向冷凝器管线3。同时，冷凝器管线3中的部分冷凝液也会在毛细力和重力驱动下流回蒸发器1中，如此不断地循环，依靠潜热把热量从蒸发器1传给冷凝器冷板4。

Claims (5)

1、一种深低温区的重力辅助低温回路热管，包括：
一蒸发器(1)以及通过液体管线(2)与蒸发器(1)串联并通过蒸汽管线(6)形成回路的一冷凝器(11)；所述冷凝器(11)由一块冷凝器冷板(4)及锡焊在该冷凝器冷板(4)上的两段冷凝器管线(3，31)组成；所述蒸发器(1)为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其特征在于，还包括：安装在冷凝器(11)的冷凝器管线上靠近蒸汽管线的一侧管线上的气库(5)；所述蒸发器(1)的内孔中同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管(10)。
2、根据权利要求1所述的深低温区的重力辅助低温回路热管，其特征在于：所述液体管线(2)和蒸汽管线(6)为柔性金属软管。
3、根据权利要求2所述的深低温区的重力辅助低温回路热管，其特征在于：所述液体管线(2)和蒸汽管线(6)为柔性不锈钢薄壁管。
4、根据权利要求1所述的深低温区的重力辅助低温回路热管，其特征在于：所述蒸发器(1)和液体管线(2)水平放置。
5、根据权利要求1所述的深低温区的重力辅助低温回路热管，其特征在于：所述蒸汽管线(6)的位置高于液体管线(2)的位置。
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