CN1304808C - 一种用于热开关的低温热管 - Google Patents

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本发明为一种用于热开关的低温热管，涉及制冷机冷却传导冷却的超导磁体系统的低温技术领域。其特征在于热管(8)管体为双层不锈钢波纹管，管内充高压强氖气，波纹管的两端安装高热导的纯铜块(15、16)，在波纹管两端的铜块(15、16)之间有高纯铜电缆(14)连接。本发明的热管(8)可随其工作状态伸缩。热管(8)的下端与制冷机的二级冷头(7)固定，而热管(8)的上端处于自由状态，其上端和制冷机的一级冷头(6)之间的连接和断开取决于磁体和制冷机的一级冷头(6)的温度。本发明结构简单，传热效果较好，适用于各种类型的传导冷却的超导磁体系统，包括高温超导磁体和低温超导磁体系统。

Description

一种用于热开关的低温热管
技术领域
本发明是一种用于热开关的低温热管，涉及制冷机冷却传导冷却的超导磁体系统的低温技术领域。
背景技术
由于小型制冷机技术的突破和高温超导电流引线的出现，近十来年传导冷却超导磁体技术得到了快速发展。目前在很多应用领域传导冷却磁体系统已经或正在取代浸泡冷却超导磁体。传导冷却超导磁体系统主要由超导磁体、小型GM制冷机、低温容器、电流引线、磁体电源及控制部件组成。浸泡冷却超导磁体系统内主要通过氦的对流进行传热。与此不同的是，传导冷却磁体系统内主要通过固体的热传导传热。因此，热传导结构对于传导冷却磁体是十分重要。传导冷却超导磁体系统虽有诸多优点，但也有不利的一面，突出表现在磁体的预冷时间比较长。如一台具有100mm温孔的10T磁体的预冷时间长达70小时。这是由于GM制冷机的制冷功率是很有限，对于GM制冷机二级冷头的冷量在目前的技术条件下最大的制冷功率在4.2K下是1.5Watt。而制冷机的一级冷头的制冷量在65K时达到40-80Watt。为了有效地减小超导磁体预冷时间，当磁体的温度高于制冷机的一级冷头的温度时，我们可以将一热开关连接于一级冷头与二级冷头之间，充分利用一级冷头的制冷大功率，可使预冷时间缩短至原来的2/3～1/2。
低温热管是一种不需控制、性能可靠的热开关。现在使用的低温热管的结构是由低热导率的铜合金管两端焊接紫铜冷凝器和蒸发器，分别与制冷机的一、二级冷头连接，内充低温气体构成。温度高于和低于气体的三相点时热管分别处于高导热和低导热状态。当热管处于导通状态时，制冷机的一级冷头的冷量通过管壁和管内的气体能够传导二级冷头。当要求热管断开时，尽管热管内的气体传热由于气体被液化而截断，但是管壁的传热却不能截断，因为热管始终是将制冷机的一级和二级冷头相连接，热管的两端通过螺杆固定在制冷机的一级和二级冷头的引出铜板上。F.C.Prenger，D.D.Hill等研究了乙烷热管和氧气热管构成的复合热管的热开关特性，结果表明，在300K～55K的宽广范围内热管都具有较好的传热特性，截断温度为55K[1]。(Advances in CryogenicEngineering，Vol.43，1998，pp1521-1528)。
低温热管虽然能够有效的利用制冷机一级冷头的冷量来冷却超导磁体，但目前用于传导冷却的超导磁体系统的热管结构存在以下缺陷：热管无论是在一级冷头的温度低于和高于二级冷头的温度时，热管始终是将制冷机的一级和二级冷头通过金属管连接。当制冷机的二级冷头的温度高于一级冷头的温度时，制冷机的制冷量是通过铜管和管内的气体从制冷机的一级冷头传到二级冷头，使得超导磁体快速冷却，但是当制冷机的二级冷头的温度低于一级冷头的温度时，热管应该是处于绝热状态，然而目前的热管结构即使当超导磁体的温度低于制冷机的一级冷头的温度和系统稳态运行时，热管通过铜管和管内的稀薄气体连接，导致制冷机的一级冷头向二级冷头传递热流可高达大约为0.1Watt。此外当热管处于热导通时，其主要的传热是依靠管内的气体，而气体传热能力大大低于高热导的金属例如高纯铜或铝。因此现在的热管虽然具有不需控制、性能可靠的优点，但不是理想的热开关，开断温度决定于所充气体，当磁体的温度低于一级冷头的温度时，热管不能使一级冷头和二级冷头之间有效地彻断热连接。
发明内容
为克服已有技术的缺点，本发明提出一种新的热管结构，为一根可伸缩的热管，置于制冷机的一级和二级冷头之间，热管管体为双层不锈钢波纹管，管内充高压强氖气或氮气，波纹管的两端安装高热导的纯铜块，在波纹管两端的铜块之间有高纯铜电缆连接。热管的下端通过铜块，依靠螺杆固定在制冷机的二级冷头的引出铜板上，而热管的上端处于自由状态。
本发明的热管可随其工作状态伸缩：热管置于制冷机的一级冷头和二级冷头之间，二级冷头通过引出铜板与超导磁体连接。热管的下端和制冷机的二级冷头固定，上端和制冷机的一级冷头之间的连接和断开取决于磁体和制冷机的一级冷头的温度：当制冷机的一级冷头的温度高于氖气的液化的温度时，波纹管内的气体具有足够的压强，使得波纹管的长度伸长，热管上端的铜块直接和制冷机的一级冷头的引出铜板相连接，这时制冷机的一级冷头和二级冷头之间通过高热导的铜电缆实现高效热连接，这样由于一级和二级冷头的相互作用，使得制冷机的制冷功率足够大，因此超导磁体能够很快地从室温冷却到一级冷头的运行温度；随着磁体的温度降低，二级冷头的温度将低于一级冷头的温度，此时为了减小自一级冷头向二级冷头传热，波纹管内的气体开始液化，管内的气体密度和压强减小，波纹管的长度开始收缩，其上端与一级冷头分离，从而实现制冷机的一级、二级冷头绝热。
本发明不但可以有效地利用制冷机的一级冷头的高功率来冷却超导磁体，同时当磁体的温度低于一级冷头的温度时，热管能够使一级冷头的热量不会流向二级冷头。此外当磁体系统在运行中产生失超时，如果磁体的温度上升达到一定的温度后，热管将会自动将一级和二级冷头之间相连接，从而有效地减小磁体的温升。
本发明采用不锈钢波纹管作为热管管体，在波纹管内充高压氖气。波纹管的两端安装高热导的纯铜块，波纹管两端的铜块之间采用高纯铜电缆连接。铜块的作用是使得热能够有效从制冷机的冷头传给波纹管内的气体和铜电缆。因为高纯铜有较高的热导，为了减小热阻，用高纯铜制作铜块。为了减小接触面之间热阻，铜块的表面镀银或覆盖铟薄膜。高纯铜制成的电缆能够有效地实现传热，因此它能够实现制冷机的一级和二级冷头的传热，而且热阻较小。热管的下端和制冷机的二级冷头固定。上端和制冷机的一级冷头之间的连接和断开取决于磁体和制冷机的一级冷头的温度。当制冷机的一级冷头的温度高于氖气的液化温度(1atm下大约为24.56K，随着压强的增高，液化温度也增大)时，波纹管内的气体具有足够的压强，使得波纹管的长度伸长，热管上端的铜块直接和制冷机的一级冷头相连接。这时制冷机的一级冷头和二级冷头之间通过高热导的铜电缆连接，制冷机的一级和二级冷头之间实现高效热连接，因此制冷机的一级冷头能够有效地将冷量传给超导磁体。随着磁体的温度降低，波纹管内的气体开始液化。由于气体的液化，管内的气体密度减小，因此管内的压强减小，由于弹性的作用，波纹管的长度开始收缩，其上端与一级冷头分离，使得制冷机的一级和二级冷头开始断开。从而实现热在两级冷头之间的绝热。这种结构的热管在处于热导通条件下能够有效的利用了高纯铜的热导实现制冷机的一级和二级冷头之间的有效热连接，同时当制冷机二级冷头的温度低于一级冷头的温度时实现制冷机一级和二级冷头之间的完全绝热。因此是一种理想的热开关。大大提高了制冷机冷却的超导磁体系统的运行效率和稳定性。
附图说明
图1是热管在制冷机直接冷却的超导磁体系统的安装位置示意图；图中：1制冷机，2混合电流引线，3室温孔，4热辐射屏，5超导磁体，6一级冷头，7二级冷头，8低温热管，9低温容器；
图2是本发明热管具体实施例的结构图，图中：10高压氖气，11波纹管，12、13铟薄膜，14高纯铜电缆，15、16高纯铜块，17螺杆；
图3是本发明具体实施例铜块的结构图，图中：12铟薄膜，16是高纯铜块，18是铜块和波纹管的连接部件，19是铜块和铜电缆的连接部件，通常铜电缆和铜块是通过银焊接连接。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
参看图1，超导磁体由制冷机1提供制冷量，通过铜和高温超导体做成的混合电流引线2给超导磁体5供电，在室温孔3内提供有效利用的磁场空间，磁体的低温系统通过热辐射屏4有效地减小热辐射的影响，制冷机的一级冷头6和二级冷头7之间连接有热管8。超导磁体5、制冷机一级冷头6、二级冷头7和热管8处于低温容器9内部。
参看附图2，高压氖气10充入壁厚为0.15×2mm不锈钢材料制成的波纹管11内。波纹管的上、下两端和高纯铜块15、16相连接。在铜块的上部压有铟薄膜12、13，以便和制冷机的一级和二级冷头之间有良好的热接触。为了使热能够有效地从制冷机的一级冷头传到二级冷头，在高纯铜块16和15之间用高纯铜电缆14相连接，从而形成较好的热连接。高纯铜块15和制冷机的二级冷头通过螺杆17相固定。
为了在制冷机的二级冷头的温度高于一级冷头的温度时，热管能够有效地将一级冷头和二级冷头相连接，当二级冷头的温度低于一级冷头的温度时，热管能够完全截断两级冷头之间的热交换，本发明的波纹管11采用不锈钢材料制成，该波纹管沿轴线方向具有较强的弹性。当波纹管处于自然状态，也即是波纹管处于未拉伸时，波纹管的长度小于制冷机的一级和二级冷头之间的长度。当系统的温度高于制冷机的一级冷头的额定温度时，为了使热管能够将制冷机的一级和二级冷头相连接，在波纹管内充入具有一定压强(1～5个大气压)的氖气10，此时由于压强的作用使得波纹管的长度伸长。于是热管的上部由高热导的材料铜制成的铜块16，通过在铜块的表面镀有高热导的铟薄膜12和制冷机的一级冷头的引出铜板连接，由于在界面之间使用了铟薄膜12，因而有效地减小了铜块和制冷机一级冷头之间的接触热阻。制冷机的一级冷头的制冷量通过高热导的铜电缆14将制冷机的一级和二级冷头之间进行高效热连接。波纹管的下端焊接高热导的铜块15上，铜块15的下部压有铟薄膜13，通过螺杆17直接固定二级冷头上。因此当热管处于伸长状态时，制冷机的一级冷头的制冷量能够通过铜电缆和管内的气体导热传到二级冷头，实现高效率冷却。
随着制冷机冷却的超导磁体的温度降低，在波纹管内的氖气10的温度也开始降低。随着温度降低，管内的压强减小，波纹管开始收缩，当温度达到氖气的液化温度时，波纹管的压强减小。由于波纹弹性的作用，使得波纹管开始最大限度地收缩，使热管的上部和制冷机的一级冷头分离开。此时热管将全部将制冷机的一级和二级冷头之间的热切断，即热阻为无限大。
参看附图3，其中，12是高热导的薄膜，通常用铟作为材料，它的作用是当接触之面间有较大的压力时，能够使得接触面之间的热阻最小，高纯度的铜块16能够有效的实现热接触。铜块16和波纹管之间通过连接部件18相接，铜块16和铜电缆14通过连接部件19连接起来。通常铜电缆14和铜块16通过银焊接以便实现低热阻接触。图3中所示的铜块结构对于有效地改进热管的传热结构起着较为重要的作用，一方面铜块能够增大有效传热接触面积和起到热沉的作用。另一方面由于高纯铜的热导在4.2K-60K范围内达到大约70W/cm.K的效果。
本发明在制冷机的一级和二级冷头上装有引出铜板，该铜板使用高纯铜制作，板厚度大约3-4mm，铜板和热管接触的表面应该非常光滑。热管的长度可以根据制冷机一级和二级冷头之间的距离来决定，例如住友电工的GM制冷机的一级和二级冷头之间的距离大约为23.6-24cm之间，其热管长度必须小于一级和二级冷头之间的距离。此外有时热管的长度和低温容器的结构和磁体的位置有关。
如图2所示，铜块16和15表面放置大约0.5-1mm毫米厚的铟薄膜。薄膜是通过平板之间施加压力后压制到铜块16和15的表面上。铜电缆14和铜块15，16之间用银焊条焊接。波纹管可使用多层壁厚大约为0.155mm的不锈钢管为材料以便保证波纹管具有足够的强度和弹性。
我们按照本发明的结构制作了一个小型热管，热管长234.3mm，当系统处于伸长状态是长为236cm，即小型住友电工研制的GM制冷机的一级和二级冷头之间的长度。波纹管使用两层0.125mm厚的不锈钢管，波纹管的内直径为12mm。下铜块6mm×70mm×140mm，上铜块4mm×40mm×60mm，在铜块的上面压有0.5-1mm厚的铟薄膜。铜块和波纹管之间焊接。导热的铜电缆使用多根直径0.1mm的高纯铜线。铜线和高纯铜块之间采用银焊接。管内充入3-4atm的氖气。
本发明可使制冷机在超导磁体的温度较高时实现制冷机的一级和二级冷头之间的有效热连接，在磁体温度低于一级冷头温度时，实现一级和二级冷头之间的绝热效果，热管的结构简单，传热效果较好。本发明适用于各种类型的传导冷却的超导磁体系统，包括高温超导磁体和低温超导磁体系统。

Claims (5)

1、一种用于热开关的低温热管，置于传导冷却超导磁体系统制冷机(1)的一级冷头(6)和二级冷头(7)之间，制冷机(1)为超导磁体提供制冷量，制冷机(1)的制冷量通过热管(8)从制冷机的一级冷头(6)传到二级冷头(7)，使超导磁体快速冷却，其特征在于，热管(8)管体为双层不锈钢波纹管，管内充高压强氖气，波纹管的两端安装高热导的纯铜块(15、16)，在波纹管两端的铜块(15、16)之间用高纯铜电缆(14)连接；热管(8)下部固定在制冷机(1)的二级冷头(7)的引出铜板上，热管(8)上部处于自由状态。
2、按照权利要求1所述的用于热开关的低温热管，其特征在于热管(8)可随其工作状态伸缩，其上端和制冷机的一级冷头(6)之间的连接和断开取决于磁体和制冷机(1)的一级冷头(6)的温度；当制冷机的一级冷头(6)的温度高于氖气的液化的温度时，波纹管内的气体具有足够的压强，使得波纹管的长度伸长，热管(8)上端的铜块直接和制冷机(1)的一级冷头(6)相连接，这时制冷机(1)的一级冷头(6)和二级冷头(7)之间通过高纯铜电缆实现高效热连接；随着磁体的温度降低，波纹管内的气体开始液化，管内的气体密度减小，管内的压强减小，波纹管的长度开始收缩，其上端与一级冷头(6)分离，从而实现制冷机(1)的一级冷头(6)、二级冷头(7)绝热。
3、按照权利要求1所述的用于热开关的低温热管，其特征在于波纹管两端铜块(15、16)的表面镀银或覆盖铟薄膜(12)。
4、按照权利要求1所述的用于热开关的低温热管，其特征在于波纹管内所充氖气的压强为1～5个大气压。
5、按照权利要求1所述的用于热开关的低温热管，其特征在于热管(8)的长度由制冷机(1)一级冷头(6)与二级冷头(7)之间的距离决定，当波纹管处于自然状态，也即波纹管处于未拉伸状态时，波纹管的长度小于制冷机(1)的一级冷头(6)和二级冷头(7)之间的长度。
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