CN104848718A - 一种低温脉动热管的预冷装置及包含该装置的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉动热管研究技术领域，提供了一种低温脉动热管预冷装置及包含该装置的测试系统。其中，低温脉动热管预冷装置包括真空罩、冷屏、制冷机和机械热开关；所述冷屏位于所述真空罩内；所述制冷机通过所述机械热开关实现与设置在所述冷屏内部的低温脉动热管的加热段之间的热接触/热分离。该低温脉动热管预冷装置，通过机械热开关对低温脉动热管的加热段进行预冷，可迅速降低低温脉动热管的饱和温度；在预冷完成以后完全断开机械热开关，从而不会对低温脉动热管的参数影响和传热极限等的分析造成影响，且不影响对低温脉动热管的传热性能测试。

Description

一种低温脉动热管的预冷装置及包含该装置的测试系统

技术领域

本发明涉及脉动热管研究技术领域，尤其涉及一种低温脉动热管预冷装置及包含该装置的测试系统。

背景技术

脉动热管又称振荡热管，是一种新型热管。请参见图1，蛇形毛细管路中充有一定量的工作介质，该介质在加热段和冷却段温差的热作用下形成随机地出现在蛇形回路中的气泡和液塞。其中，加热段工质吸热产生气泡迅速膨胀和升高，推动工质流向低温冷却端；冷却段气泡冷却收缩并破裂，压力下降，两端压力差及相邻管子间的压力不平衡，使工质振荡运动并实现热传递。与传统热管相比，脉动热管具有一系列优点：首先，传热性能好，除了气液塞的形成增加了膜表面，强化了相变传热外，还通过气液振荡传递显热；其次，适应性好，脉动热管形状可任意弯曲，可有多个加热段和冷凝段；再者，体积小，管内径仅0.5mm～3mm，没有吸液芯，结构简单，成本低。因此，与传统热管相比脉动热管被认为是目前解决高热流密度的散热方案中一种很有希望和前途的传热单元，在超导磁体冷却、电子散热、能量收集等方面具有更好的发展应用前景，其研究受到各国学者的普遍关注。

经过二十几年的发展，中高温区脉动热管的研究，无论是理论方面，还是实验和可视化方面，都已取得了一定的进展。但对于低温区脉动热管的研究却是近几年才开始的。

低温脉动热管系统运行前要预冷至饱和温度。传统热管通常利用毛细作用或重力作用预冷加热段，但这不适用于光管的脉动热管。目前通常采用两种方法来解决低温脉动热管的预冷问题：一是采用多管束，多根毛细管用以减小加热段和冷却段热阻，避开预冷问题；但该方法不利于分析少管束的低温脉动热管的参数影响和传热极限。另一种方法是采用液泵预冷结构，在两个气库间轮流供给加热流，使其中一个气库温度和压力都会稍稍上升，两气库间产生压差，将液氦通过冷却段压至另一气库。此种预冷方式存在的问题是气库气体抽不干净，预冷装置无法和预冷装置完全断开，残余气体存在本底传热，影响脉动热管传热性能测试。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种低温脉动热管的预冷装置，其不影响对低温脉动热管的参数影响和传热极限等的分析，且不影响对低温脉动热管的传热性能测试。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低温脉动热管的预冷装置，包括真空罩、冷屏、制冷机和机械热开关；所述冷屏位于所述真空罩内；所述制冷机通过所述机械热开关实现与设置在所述冷屏内部的低温脉动热管的加热段之间的热接触/热分离。

优选地，所述机械热开关包括热开关杆、铜辫子和导热法兰盘；所述热开关杆穿过所述真空罩和冷屏的法兰后，与位于所述冷屏内的导热法兰盘连接，并在升降驱动机构的作用下带动所述导热法兰盘做升降运动；所述导热法兰盘通过所述铜辫子与所述冷屏实现热传递；所述冷屏上开设有与所述制冷机的冷头连接的冷屏螺纹。

优选地，所述升降驱动机构位于所述真空罩外部且固定在所述真空罩的外表面上。

优选地，所述冷屏的材质为铜或者是铝。

本发明还提供一种低温脉动热管的测试系统，包含本发明所述的低温脉动热管的预冷装置。

优选地，还包括安装支架，所述安装支架上部设置有水平方向上的轴承；所述真空罩可转动的安装于所述轴承上。

优选地，所述制冷机与所述真空罩固定连接。

优选地，所述冷屏包括开设有冷屏螺纹的一级冷屏和二级冷屏，且所述二级冷屏位于所述一级冷屏的内部。

优选地，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头；所述一级冷头和所述一级冷屏的冷屏螺纹连接，所述二级冷头和所述二级冷屏的冷屏螺纹连接。

优选地，所述真空罩和冷屏呈筒状，且所述真空罩和冷屏的法兰可拆卸。

(三)有益效果

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的低温脉动热管的预冷装置，通过机械热开关进行预冷，该机械热开关的两端分别连接制冷机和低温脉动热管的加热段。在低温脉动热管的预冷时连接机械热开关，可迅速降低低温脉动热管的饱和温度；在预冷完成以后完全断开机械热开关，从而不会对低温脉动热管的参数影响和传热极限等的分析造成影响，且不影响对低温脉动热管的传热性能测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的脉动热管的结构示意图；

图2是本发明的低温脉动热管实验腔的结构剖视示意图；

图3是本发明的低温脉动热管的预冷装置的机械热开关关闭时的工作状态示意图；

图4是本发明的低温脉动热管的预冷装置的机械热开关打开时的工作状态示意图；

图5是本发明的低温脉动热管的测试系统的结构示意图；

图中：101、加热段；102、冷却段；103、气泡；104、液塞；1、真空罩；2、安装支架；3、机械热开关；31、热开关杆；32、铜辫子；33、导热法兰盘；4、一级冷屏；5、二级冷屏；6、第二制冷机；7、低温脉动热管；8、水平轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的低温脉动热管7的预冷装置，请参见图2，包括真空罩1、冷屏、制冷机和机械热开关3。所述冷屏位于所述真空罩1内，从而减少气体导热和对流。所述制冷机通过所述机械热开关3实现与设置在所述冷屏内部的低温脉动热管7的加热段之间的热接触/热分离。

本实施例的机械热开关3，包括热开关杆31、铜辫子32和导热法兰盘33。所述热开关杆31穿过所述真空罩1和冷屏的法兰后，与位于所述冷屏内的导热法兰盘33连接，并在升降驱动机构的作用下带动所述导热法兰盘33做升降运动，从而实现导热法兰盘33与位于所述冷屏内部的低温脉动热管7热接触/热分离。其中，所述导热法兰盘33和所述热开关杆31之间的连接方式没有特殊要求，既可以是焊接方式连接，也可以是通过螺栓、螺钉等机械元件连接。此外，优选将所述升降驱动机构设置在所述真空罩1外部且固定在所述真空罩1的外表面上。

其中，为了通过所述导热法兰盘实现导热，将所述导热法兰盘33通过所述铜辫子32与所述冷屏连接；并且所述冷屏上开设有与所述制冷机的冷头连接的冷屏螺纹。在所述冷屏和制冷机连接且制冷机开启时，制冷机的冷头通过所述冷屏螺纹和冷屏之间实现热传递，进而通过所述冷屏实现与导热法兰盘33之间的热传递。此外，优选所述冷屏的材质为导热性能良好的铜或者是铝。

当机械热开关3关闭时，导热法兰盘33和低温脉动热管7的加热段之间热分离，请参见图3；当机械热开关3打开时，导热法兰盘33和低温脉动热管7的加热段之间热接触，请参见图4。

需要说明的是，虽然图3和图4中机械热开关3与低温脉动热管7在竖直方向上实现接触和分离，但是机械热开关3也可以设置在其它方向上。

本实施例的低温脉动热管7的预冷装置，通过机械热开关3对低温脉动热管7的加热段进行预冷，可迅速降低低温脉动热管的饱和温度；在预冷完成以后完全断开机械热开关3，从而不会对低温脉动热管7的参数影响和传热极限等的分析造成影响，且不影响对低温脉动热管7的传热性能测试。

本实施例的低温脉动热管7的测试系统，包括上述低温脉动热管7的预冷装置。为了实现不同角度下低温脉动热管7的传热性能测试，本实施例的低温脉动热管7的测试系统还包括安装支架2，所述安装支架2上部设置有水平轴承8，并且真空罩1可转动的安装于所述水平轴承8上，请参见图5。在此基础上，将制冷机6与所述真空罩固1定连接，从而不对所述真空罩1的转动造成影响。在真空罩1内部，所有结构或者装置组成的环境为低温脉动热管7实验腔。当真空罩1通过类似轴结构在所述水平轴承8内转动时，可实现低温脉动热管7实验腔的角度的变化。

在此基础上，为了减小室温至低温侧的辐射漏热，进一步减小外界对脉动热管的辐射漏热，提高脉动热管性能测试准确性，本实施例的冷屏包括一级冷屏4和二级冷屏5，且所述二级冷屏5位于所述一级冷屏4的内部。此时低温脉动热管7位于所述二级冷屏5的内部，铜辫子32设置在二级冷屏5上。与冷屏结构对应，所述第二制冷机6包括一级冷头和二级冷头；所述一级冷头和所述一级冷屏4上的冷屏螺纹连接，所述二级冷头和所述二级冷屏5上的冷屏螺纹连接。

本实施例中，优选所述真空罩1和冷屏呈筒状，且所述真空罩1和冷屏的法兰可拆卸。具体地，真空罩1包括上法兰、筒体、筒体法兰及下法兰。通过螺栓连接上法兰与筒体法兰，从而使得真空罩1便于拆装。此外，冷屏的结构形式可以和所述真空罩1相类似。

需要说明的是，附图中的真空罩1和冷屏的形状不构成对真空罩1和冷屏的限制，其它可行的真空罩1和冷屏的形状也应当包含在本实施例中。

采用本实施例的低温脉动热管7的测试系统进行低温脉动热管7的传热性能测试时包括以下步骤：

S1、将低温脉动热管7抽真空置换纯化后，充气至设定压力实现一定的充液率；

S2、将机械热开关3打开，然后开启制冷机，降温至工作温度后断开机械热开关3；

S3、进行低温脉动热管7性能相关测试。

S3中测试方法可以采用现有技术中脉动热管的测试方法。具体操作为先开启冷却段的加热器,给一定加热量,加热段的温度和压力会不断上升至稳定状态，记录稳定状态下加热段和冷却段之间温差，从而计算有效导热系数λ。其中，与冷却段连接的加热器可以是与机械热开关连接的制冷机。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种低温脉动热管的预冷装置，其特征在于，包括真空罩、冷屏、制冷机和机械热开关；所述冷屏位于所述真空罩内；所述制冷机通过所述机械热开关实现与设置在所述冷屏内部的低温脉动热管的加热段之间的热接触/热分离。

2.根据权利要求1所述的低温脉动热管的预冷装置，其特征在于，所述机械热开关包括热开关杆、铜辫子和导热法兰盘；所述热开关杆穿过所述真空罩和冷屏的法兰后，与位于所述冷屏内的导热法兰盘连接，并在升降驱动机构的作用下带动所述导热法兰盘做升降运动；所述导热法兰盘通过所述铜辫子与所述冷屏实现热传递；所述冷屏上开设有与所述制冷机的冷头连接的冷屏螺纹。

3.根据权利要求2所述的低温脉动热管的预冷装置，其特征在于，所述升降驱动机构位于所述真空罩外部且固定在所述真空罩的外表面上。

4.根据权利要求2所述的低温脉动热管的预冷装置，其特征在于，所述冷屏的材质为铜或者是铝。

5.一种低温脉动热管的测试系统，其特征在于，包含权利要求2-4中任意一项所述的低温脉动热管的预冷装置。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括安装支架，所述安装支架上部设置有水平方向上的轴承；所述真空罩可转动的安装于所述轴承上。

7.根据权利要求6所述的低温脉动热管的测试系统，其特征在于，所述制冷机与所述真空罩固定连接。

8.根据权利要求5所述的低温脉动热管的测试系统，其特征在于，所述冷屏包括开设有冷屏螺纹的一级冷屏和二级冷屏，且所述二级冷屏位于所述一级冷屏的内部。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头；所述一级冷头和所述一级冷屏的冷屏螺纹连接，所述二级冷头和所述二级冷屏的冷屏螺纹连接。

10.根据权利要求5所述的低温脉动热管的测试系统，其特征在于，其特征在于，所述真空罩和冷屏呈筒状，且所述真空罩和冷屏的法兰可拆卸。