CN100494861C - 用于传导冷却超导磁体的低温热管热开关 - Google Patents

Abstract

一种用于传导冷却超导磁体的低温热管热开关，为一密闭容器，包括蒸发器[8]、绝热段[10]和冷凝器[9]。绝热段[10]位于蒸发器[8]和冷凝器[9]之间，冷凝器[9]为罐形密闭容器的内部空间。蒸发器[8]、绝热段[10]及冷凝器[9]之间采用焊接连接。蒸发器[8]和绝热段[10]及冷凝器[9]内表面上刻有轴向槽及沿圆周方向可有螺旋形沟槽，轴向槽的底部为圆形槽道，在圆形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道与圆形槽道相通，轴向槽沿着轴向方向延伸，并沿着周向均匀分布；螺旋形沟槽沿着轴线方向伸展。本发明导通能力强，无需外界控制，可应用于空间无重力条件下，并可以有效地缩短现有传导冷却超导磁体系统的冷却时间。

Description

用于传导冷却超导磁体的低温热管热开关

技术领域

本发明涉及一种用于低温工程的热开关，特别涉及用于制冷机传导冷却超导磁体系统的低温热管热开关。

背景技术

超导磁体必须运行在低温环境下，传导冷却的超导磁体与制冷机的二级冷头相连。由于制冷机二级冷头的效率很低，当超导磁体质量较大时，磁体冷却的时间很长。而制冷机一级冷头的效率相对较高。为了充分利用一级冷头的冷量，可用热开关将一级冷头与磁体相连，缩短磁体的冷却时间。作为一级冷头和磁体之间的热连接和热隔断的热开关应该具有高传热效率和高可靠性。双金属型热开关结构较为复杂，并且接触热阻较大。气隙式热开关对制造工艺水平的要求较高，同时由于气体的存在，对装置的密封要求高。形状记忆合金热开关材料要求严格对称，加工精度要求很高，否则会导致热开关性能不稳定。微膨胀型低温热开关，工作原理是利用两种不同材料的膨胀收缩率不同，从而热开关的闭合及断开动作，但该种热开关的缺点是若热开关需在长期闭合的场合下工作，可能会发生冷焊，导致热开关在需要断开时无法打开。低温热管是一种无需外界控制、性能可靠的热开关。它包括3个部分，即蒸发段、绝热段、冷凝段。热管的冷凝段与制冷机的一级冷头连接，而蒸发段与二级冷头相连。热管内充有低温气体。温度高于和低于气体的三相点时低温热管分别处于导通和断开状态。当热管处于导通状态时，制冷机一级冷头的冷量通过热管传到二级冷头。当热管温度达到三相点以下时，热管内气体会冷凝成液体，此时热管处于关断状态。F.C.Prenger等人研究了氮气低温热管作为热开关的特性，试验结果表明，在63～123K的范围内热管都具有良好的传热特性，其截断温度为63K。(Advances in Cryogenic Engineering，Vol.41，1996，pp.147-154)。但该热管热开关存在以下的缺陷：该种热管热开关只能应用于地面上(有重力存在的环境中)，而随着制冷机传导冷却超导磁体在空间中的应用，需要开发一种新型的热管热开关，以满足在空间无重力状态下加速超导磁体冷却的要求。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的结构复杂、效率低以及不能应用于空间无重力环境下等缺点，提供一种新型的可供空间环境使用的传导冷却超导磁体用低温热管热开关。

本发明的热管热开关是一种新结构的热管，热管连接于制冷机的一级冷头和二级冷头之间。热管由高热导的纯铜材料制成的蒸发器和冷凝器，以及用低导热材料铜合金制成的绝热段三部分组成，绝热段位于蒸发器和冷凝器之间。蒸发器、绝热段、冷凝器以焊接的方式连接在一起。热管的蒸发器和冷凝器都装有用高导热材料纯铜块制成的导热法兰。热管的蒸发器和冷凝器均通过导热法兰固定在制冷机的一级冷头和二级冷头的引出铜板上。本发明热管的蒸发器、绝热段以及冷凝器的内表面上在轴向方向均刻有深度为2.2mm的轴向槽道以及沿圆周方向的螺旋形沟槽。轴向方向上的圆形槽可以作为毛细芯提供液体所需要的毛细力，而周向螺旋槽道可以使液体在内表面上分布更加均匀，从而使管壁温度在周向上均匀分布。

本发明运用热管内气体相变传热的原理，在超导磁体冷却之初，此时热管热开关处于导通状态，热管内的气体在冷凝器吸收冷量后凝结成液体，液体通过轴向槽道回流到蒸发器后吸收热量变为气体回流到冷凝段。这样周而复始，热量就不断由蒸发段传递到冷凝段。随着冷却过程的进行，一级冷头温度的降低，热管内气体的工作温度随之降低，当热管内的气体达到凝结温度时，就会冷凝结为固体，此时热管热开关处于关断状态。应用在地面上有重力存在的地方时，重力热管凝结段处液体工质的回流的驱动力是重力(即热管凝结段处液体工质的回流的驱动力是重力，该种热管称为重力热管，它应用在地面上有重力存在的地方)，在空间无重力状态下，重力热管凝结段处的工质液体由于缺少了重力的驱动，是无法回到蒸发段的，因此现有技术的热管无法工作。本发明的热管在空间无重力的条件下，冷凝段液体回流的驱动力是由轴向方向的圆形槽提供的。在工作状态下，本发明低温热管热开关在有重力和无重力条件下的工作过程是相似的，都是液体工质在蒸发段吸收热量，变为蒸气，然后在冷凝段凝结成液体，返回冷凝段，其工作原理唯一不同的是：在有重力的条件下，冷凝液体回流的驱动力为重力和管子侧壁圆形槽毛细芯所提供的毛细力，而在无重力状态下，冷凝液回流的驱动力仅由毛细力所提供。

本发明热开关导通能力强，无需外界控制，可应用于空间无重力条件下，并可以有效地缩短现有传导冷却超导磁体系统的冷却时间。

附图说明

图1为传导冷却超导磁体示意图，图中：1一级冷头、2二级冷头、3热开关、4超导磁体、5冷屏、6真空容器；

图2为本发明结构示意图，图中：8蒸发器、9冷凝器、10绝热段、11、12导热法兰；

图3绝热段10截面剖视图；

图4本发明整体剖视图；

图5本发明整体剖视放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1所示是传导冷却超导磁体结构图。如图1所示，制冷机的一级冷头1与冷屏5相连，本发明热开关3安装于冷屏5与超导磁体4上的法兰之间。制冷机的二级冷头2与超导磁体4相连。超导磁体4、冷屏5、热开关3、一级冷头1、二级冷头2均放置在真空容器6内。

如图2所示，本发明热管热开关3为一密闭容器，包括蒸发器8、绝热段10和冷凝器9，绝热段10位于蒸发器8和冷凝器9之间。冷凝器9为罐形容器。蒸发器8和绝热段10及冷凝器9内表面上刻有按间距为2.8mm排列的轴向槽道，沿圆周方向有螺旋形沟槽。蒸发器8、绝热段10及冷凝器9之间采用焊接连接。安装热管时在一级冷头1和二级冷头2上引出高导热材料的铜板，铜板的厚度约为4～5mm，铜板分别与热管导热法兰11、12相接触的表面应非常光滑，这样可以减小接触热阻。热管的长度取决于制冷机一级冷头与二级冷头之间的距离之间的距离。

图3为本发明热管热开关绝热管段10的截面剖视图。绝热管段10侧壁轴向槽的微结构如图3所示，轴向槽的底部为圆形槽道，在圆形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道与圆形槽道是相通的。轴向槽的结构如图3中1处局部放大图所示。在实际工作过程中，蒸气在绝热管段10管子中心流动，液体则沿管侧壁轴向方向的槽道流动。

图4为本发明纵向整体剖视放大图，从中可以更加清晰的看出热管热开关内部沟槽的结构和分布，其中轴向槽道沿着轴向方向延伸，并沿着周向均匀分布。在热管内壁开有螺旋形的沿着圆周方向的沟槽，螺旋形沟槽沿着轴线方向伸展。

图5中的局部剖视图A和局部剖视图B分别为图5中热管的A处和B处的局部结构放大图，从图中可以更加清楚的看到热管内部轴向和周向槽道的结构。

本发明运行的低温环境由制冷机提供，制冷机的一级冷头1与热开关3的冷凝器8通过导热法兰11相连，蒸发器8的导热法兰11与超导磁体4的法兰相连。冷却过程开始后，热管开始工作，即热管热开关3处于导通状态。随着冷却过程的进行，热管气体温度进一步降低，当达到气体凝结温度时，气体凝结为固体。此时，热管热开关3处于关断状态。当热管热开关3在无重力的环境下工作时，冷凝段9的液体工质量在侧壁轴向通道毛细芯所提供的毛细力的作用下回流到蒸发器8。

Claims (2)

1、一种用于传导冷却超导磁体的低温热管热开关，其特征在于热管热开关[3]为一密闭容器，包括蒸发器[8]、绝热段[10]和冷凝器[9]；绝热段[10]位于蒸发器[8]和冷凝器[9]之间；冷凝器[9]为罐形容器；蒸发器[8]和绝热段[10]及冷凝器[9]内表面上刻有轴向槽及沿圆周方向有螺旋形沟槽，蒸发器[8]、绝热段[10]及冷凝器[9]之间采用焊接连接。

2、按照权利要求1所述的用于传导冷却超导磁体的低温热管热开关，其特征在于轴向槽的底部为圆形槽道，在圆形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道与圆形槽道相通；轴向槽沿着轴向方向延伸，并沿着周向均匀分布；螺旋形沟槽沿着轴线方向伸展。

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