專利名稱：用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的低溫?zé)峁軣衢_關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于低溫工程的熱開關(guān)，特別涉及用于制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的低溫?zé)峁軣衢_關(guān)。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體必須運(yùn)行在低溫環(huán)境下，傳導(dǎo)冷卻的超導(dǎo)磁體與制冷機(jī)的二級(jí)冷頭相連。由于制冷機(jī)二級(jí)冷頭的效率很低，當(dāng)超導(dǎo)磁體質(zhì)量較大時(shí)，磁體冷卻的時(shí)間很長。而制冷機(jī)一級(jí)冷頭的效率相對(duì)較高。為了充分利用一級(jí)冷頭的冷量，可用熱開關(guān)將一級(jí)冷頭與磁體相連，縮短磁體的冷卻時(shí)間。作為一級(jí)冷頭和磁體之間的熱連接和熱隔斷的熱開關(guān)應(yīng)該具有高傳熱效率和高可靠性。雙金屬型熱開關(guān)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且接觸熱阻較大。氣隙式熱開關(guān)對(duì)制造工藝水平的要求較高，同時(shí)由于氣體的存在，對(duì)裝置的密封要求高。形狀記憶合金熱開關(guān)材料要求嚴(yán)格對(duì)稱，加工精度要求很高，否則會(huì)導(dǎo)致熱開關(guān)性能不穩(wěn)定。微膨脹型低溫?zé)衢_關(guān)，工作原理是利用兩種不同材料的膨脹收縮率不同，從而熱開關(guān)的閉合及斷開動(dòng)作，但該種熱開關(guān)的缺點(diǎn)是若熱開關(guān)需在長期閉合的場(chǎng)合下工作，可能會(huì)發(fā)生冷焊，導(dǎo)致熱開關(guān)在需要斷開時(shí)無法打開。低溫?zé)峁苁且环N無需外界控制、性能可靠的熱開關(guān)。它包括3個(gè)部分，即蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。熱管的冷凝段與制冷機(jī)的一級(jí)冷頭連接，而蒸發(fā)段與二級(jí)冷頭相連。熱管內(nèi)充有低溫氣體。溫度高于和低于氣體的三相點(diǎn)時(shí)低溫?zé)峁芊謩e處于導(dǎo)通和斷開狀態(tài)。當(dāng)熱管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，制冷機(jī)一級(jí)冷頭的冷量通過熱管傳到二級(jí)冷頭。當(dāng)熱管溫度達(dá)到三相點(diǎn)以下時(shí)，熱管內(nèi)氣體會(huì)冷凝成液體，此時(shí)熱管處于關(guān)斷狀態(tài)。F.C.Prenger等人研究了氮?dú)獾蜏責(zé)峁茏鳛闊衢_關(guān)的特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，在63～123K的范圍內(nèi)熱管都具有良好的傳熱特性，其截?cái)鄿囟葹?3K。(Advances in Cryogenic Engineering，Vol.41，1996，pp.147-154)。但該熱管熱開關(guān)存在以下的缺陷該種熱管熱開關(guān)只能應(yīng)用于地面上(有重力存在的環(huán)境中)，而隨著制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體在空間中的應(yīng)用，需要開發(fā)一種新型的熱管熱開關(guān)，以滿足在空間無重力狀態(tài)下加速超導(dǎo)磁體冷卻的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低以及不能應(yīng)用于空間無重力環(huán)境下等缺點(diǎn)，提供一種新型的可供空間環(huán)境使用的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體用低溫?zé)峁軣衢_關(guān)。
本發(fā)明的熱管熱開關(guān)是一種新結(jié)構(gòu)的熱管，熱管連接于制冷機(jī)的一級(jí)冷頭和二級(jí)冷頭之間。熱管由高熱導(dǎo)的純銅材料制成的蒸發(fā)器和冷凝器，以及用低導(dǎo)熱材料銅合金制成的絕熱段三部分組成，絕熱段位于蒸發(fā)器和冷凝器之間。蒸發(fā)器、絕熱段、冷凝器以焊接的方式連接在一起。熱管的蒸發(fā)器和冷凝器都裝有用高導(dǎo)熱材料純銅塊制成的導(dǎo)熱法蘭。熱管的蒸發(fā)器和冷凝器均通過導(dǎo)熱法蘭固定在制冷機(jī)的一級(jí)冷頭和二級(jí)冷頭的引出銅板上。本發(fā)明熱管的蒸發(fā)器、絕熱段以及冷凝器的內(nèi)表面上在軸向方向均刻有深度為2.2mm的軸向槽道以及沿圓周方向的螺旋形溝槽。軸向方向上的圓形槽可以作為毛細(xì)芯提供液體所需要的毛細(xì)力，而周向螺紋槽道可以使液體在內(nèi)表面上分布更加均勻，從而使管壁溫度在周向上均勻分布。
本發(fā)明運(yùn)用熱管內(nèi)氣體相變傳熱的原理，在超導(dǎo)磁體冷卻之初，此時(shí)熱管熱開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，熱管內(nèi)的氣體在冷凝器吸收冷量后凝結(jié)成液體，液體通過軸向槽道回流到蒸發(fā)器后吸收熱量變?yōu)闅怏w回流到冷凝段。這樣周而復(fù)始，熱量就不斷由蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。隨著冷卻過程的進(jìn)行，一級(jí)冷頭溫度的降低，熱管內(nèi)氣體的工作溫度隨之降低，當(dāng)熱管內(nèi)的氣體達(dá)到凝結(jié)溫度時(shí)，就會(huì)冷凝結(jié)為固體，此時(shí)熱管熱開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。應(yīng)用在地面上有重力存在的地方時(shí)，重力熱管凝結(jié)段處液體工質(zhì)的回流的驅(qū)動(dòng)力是重力(即熱管凝結(jié)段處液體工質(zhì)的回流的驅(qū)動(dòng)力是重力，該種熱管稱為重力熱管，它應(yīng)用在地面上有重力存在的地方)，在空間無重力狀態(tài)下，重力熱管凝結(jié)段處的工質(zhì)液體由于缺少了重力的驅(qū)動(dòng)，是無法回到蒸發(fā)段的，因此現(xiàn)有技術(shù)的熱管無法工作。本發(fā)明的熱管在空間無重力的條件下，冷凝段液體回流的驅(qū)動(dòng)力是由軸向方向的圓形槽提供的。在工作狀態(tài)下，本發(fā)明低溫?zé)峁軣衢_關(guān)在有重力和無重力條件下的工作過程是相似的，都是液體工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量，變?yōu)檎魵?，然后在冷凝段凝結(jié)成液體，返回冷凝段，其工作原理唯一不同的是在有重力的條件下，冷凝液體回流的驅(qū)動(dòng)力為重力和管子側(cè)壁圓形槽毛細(xì)芯所提供的毛細(xì)力，而在無重力狀態(tài)下，冷凝液回流的驅(qū)動(dòng)力僅由毛細(xì)力所提供。
本發(fā)明熱開關(guān)導(dǎo)通能力強(qiáng)，無需外界控制，可應(yīng)用于空間無重力條件下，并可以有效地縮短現(xiàn)有傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的冷卻時(shí)間。


圖1為傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體示意圖，圖中1一級(jí)冷頭、2二級(jí)冷頭、3熱開關(guān)、4超導(dǎo)磁體、5冷屏、6真空容器；圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，圖中8蒸發(fā)器、9冷凝器、10絕熱段、11、12導(dǎo)熱法蘭；圖3絕熱段10截面剖視圖；圖4本發(fā)明整體剖視圖；圖5本發(fā)明整體剖視放大圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1所示是傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，制冷機(jī)的一級(jí)冷頭1與冷屏5相連，本發(fā)明熱開關(guān)3安裝于冷屏5與超導(dǎo)磁體4上的法蘭之間。
制冷機(jī)的二級(jí)冷頭2與超導(dǎo)磁體4相連。超導(dǎo)磁體4、冷屏5、熱開關(guān)3、一級(jí)冷頭1、二級(jí)冷頭2均放置在低溫容器3內(nèi)。
如圖2所示，本發(fā)明熱管熱開關(guān)3為一密閉容器，包括蒸發(fā)器8、絕熱段10和冷凝器9，絕熱段10位于蒸發(fā)器8和冷凝器9之間。冷凝器9為罐形密閉容器的內(nèi)部空間。蒸發(fā)器8和絕熱段10及冷凝器9內(nèi)表面上刻有按間距為2.8mm排列的軸向槽道，沿圓周方向有螺旋形溝槽。蒸發(fā)器8、絕熱段10及冷凝器9之間采用焊接連接。安裝熱管時(shí)在一級(jí)冷頭1和二級(jí)冷頭2上引出高導(dǎo)熱材料的銅板，銅板的厚度約為4～5mm，銅板分別與熱管導(dǎo)熱法蘭11、12相接觸的表面應(yīng)非常光滑，這樣可以減小接觸熱阻。熱管的長度取決于制冷機(jī)一級(jí)冷頭與二級(jí)冷頭之間的距離之間的距離。
圖3為本發(fā)明熱管熱開關(guān)絕熱管段10的截面剖視圖。絕熱管段10側(cè)壁軸向槽的微結(jié)構(gòu)如圖3所示，軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道是相通的。軸向槽的結(jié)構(gòu)如圖3中1處局部放大圖所示。在實(shí)際工作過程中，蒸氣在絕熱管段10管子中心流動(dòng)，液體則沿管側(cè)壁軸向方向的槽道流動(dòng)。
圖4為本發(fā)明縱向整體剖視放大圖，從中可以更加清晰的看出熱管熱開關(guān)內(nèi)部溝槽的結(jié)構(gòu)和分布，其中軸向槽道沿著軸向方向延伸，并沿著周向均勻分布。在熱管內(nèi)壁開有螺紋形的沿著圓周方向的溝槽，螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。
圖5中的局部剖視圖A和局部剖視圖B分別為圖5中熱管的A處和B處的局部結(jié)構(gòu)放大圖，從圖中可以更加清楚的看到熱管內(nèi)部軸向和周向槽道的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明運(yùn)行的低溫環(huán)境由制冷機(jī)提供，制冷機(jī)的一級(jí)冷頭1與熱開關(guān)3的冷凝器8通過導(dǎo)熱法蘭11相連，蒸發(fā)器8的導(dǎo)熱法蘭11與超導(dǎo)磁體4的法蘭相連。冷卻過程開始后，熱管開始工作，即熱管熱開關(guān)3處于導(dǎo)通狀態(tài)。隨著冷卻過程的進(jìn)行，熱管氣體溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)達(dá)到氣體凝結(jié)溫度時(shí)，氣體凝結(jié)為固體。此時(shí)，熱管熱開關(guān)3處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)熱管熱開關(guān)3在無重力的環(huán)境下工作時(shí)，冷凝段9的液體工質(zhì)量在側(cè)壁軸向通道毛細(xì)芯所提供的毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)器8。
權(quán)利要求
1.一種用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的低溫?zé)峁軣衢_關(guān)，其特征在于熱管熱開關(guān)[3]為一密閉容器，包括蒸發(fā)器[8]、絕熱段[10]和冷凝器[9]；絕熱段[10]位于蒸發(fā)器[8]和冷凝器[9]之間；冷凝器[9]為罐形密閉容器的內(nèi)部空間；蒸發(fā)器[8]和絕熱段[10]及冷凝器[9]內(nèi)表面上刻有軸向槽及沿圓周方向可有螺旋形溝槽，蒸發(fā)器[8]、絕熱段[10]及冷凝器[9]之間采用焊接連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的低溫?zé)峁軣衢_關(guān)，其特征在于軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道相通；軸向槽沿著軸向方向延伸，并沿著周向均勻分布；螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。
全文摘要
一種用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體的低溫?zé)峁軣衢_關(guān)，為一密閉容器，包括蒸發(fā)器[8]、絕熱段[10]和冷凝器[9]。絕熱段[10]位于蒸發(fā)器[8]和冷凝器[9]之間，冷凝器[9]為罐形密閉容器的內(nèi)部空間。蒸發(fā)器[8]、絕熱段[10]及冷凝器[9]之間采用焊接連接。蒸發(fā)器[8]和絕熱段[10]及冷凝器[9]內(nèi)表面上刻有軸向槽及沿圓周方向可有螺旋形溝槽，軸向槽的底部為圓形槽道，在圓形槽的上方刻有矩形槽道，且矩形槽道與圓形槽道相通，軸向槽沿著軸向方向延伸，并沿著周向均勻分布；螺紋形溝槽沿著軸線方向伸展。本發(fā)明導(dǎo)通能力強(qiáng)，無需外界控制，可應(yīng)用于空間無重力條件下，并可以有效地縮短現(xiàn)有傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的冷卻時(shí)間。
文檔編號(hào)F28D15/02GK1952581SQ200610114710
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者刁彥華, 胡新寧, 趙保志, 王秋良, 戴銀明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所