CN1295474C - 基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件。它具有低温液体贮槽并依次与低温热管、冷头相连接，低温液体贮槽底部设有自然循环预冷回路并经冷头至低温液体贮槽顶部相连通。当自然循环停止或基本停止以后，低温热管可以在小温差下将被冷却物体散发的热量直接高效的传递到冷源，使被冷却物体的温度保持稳定。所以基于自然循环预冷的低温高效低温传热元件的特点就是综合自然循环和低温热管的优点，取长补短，既可以在很短的时间内使被冷却物体的温度降低下来，同时又可以保证被冷却物体的温度波动较小。可以增加那些对于温度稳定性要求很高的被冷却物体的安全性。被冷却物体的温度发生急剧上升则自然循环过程又可以重新启动，具有自反馈的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，该传热元件可用于物体的快速持续冷却。
背景技术
随着低温制冷机的发展，如何实现被冷却物体的快速冷却是目前低温制冷机应用的关键问题之一。目前常用的连接方式是使用铜棒将低温制冷机和被冷却物体连接起来，由于受到低温制冷机冷头横截面积的限制铜棒的直径一般较小，大大限制了制冷机冷量的传递。实验证明低温热管在相同的横截面积下传递的冷量比铜棒多数倍，它的特点是在小温差条件下具有较大的传热量。而采用自然循环冷却的方法可以使被冷却物体在很短的时间内实现降温过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件。
它具有低温液体贮槽，低温液体贮槽底部与低温热管一端连接，低温热管另一端与冷头连接，低温液体贮槽底部与自然循环预冷回路一端相通，自然循环预冷回路与冷头上的流体通道连通，自然循环预冷回路另一端与低温液体贮槽顶部相连通。
当独立使用自然循环冷却物体时，可以在很短的时间内使物体的温度降低到冷却流体的温度附近，但是由于被冷却部件温度降低以后，自然循环的动力消失丧失了进一步冷却的能力，而且由于液体静压的作用低温液体处于过冷状态，当被冷却物体有热量散发时，可以使管道中的低温液体产生间歇喷泉现象，回流管路发生震动，被冷却物体的温度容易发生波动，这对于要求温度稳定的被冷却物体是不利的。低温热管具有在小温差下大传热量的优点，当自然循环停止或基本停止以后，低温热管可以在小温差下将被冷却物体散发的热量直接高效的传递到冷源，使被冷却物体的温度保持稳定。所以基于自然循环预冷的低温高效低温传热元件的特点就是综合自然循环和低温热管的优点，取长补短，既可以在很短的时间内使被冷却物体的温度降低下来，同时又可以保证被冷却物体的温度波动较小。这样可以增加那些对于温度稳定性要求很高的被冷却物体的安全性。特别需要指出的是，一旦被冷却物体的温度发生急剧上升(如超导体失超)则自然循环过程又可以重新启动，从而再次快速冷却，使被冷却物体迅速恢复到目标温度，因此该传热元件具有自反馈的功能。
附图说明
图1是采用低温液体工质作为冷源和自然对流介质的元件结构示意图；
图2是采用低温制冷机作为冷源、低温液体为自然对流介质的元件结构示意图；
图3是低温传热元件冷头的结构示意图。
具体实施方式
基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件具有低温液体贮槽1，低温液体贮槽1底部与低温热管2一端连接，低温热管2另一端与冷头3连接，低温液体贮槽底部与自然循环预冷回路5一端相通，自然循环预冷回路5与冷头上的流体通道连通，自然循环预冷回路5另一端与低温液体贮槽顶部相连通。
上述低温热管的材料为不锈钢、铜、铝合金，其形状为圆形、矩形。自然循环预冷回路的材料为不锈钢、铜、铝合金；自然循环预冷回路的外形为圆形，方形。冷头材料为紫铜或无氧铜；低温液体贮槽的形状为圆柱腔体、长方腔体。低温液体为：液氦、液氢、液氧、液氮、液氖、液氩；低温制冷机为：脉管制冷机、斯特林制冷机、G-M制冷机。
流体通道的作用是为流体提供通路，同时把被冷却物体的热量传给流体。既可以增加低温热管的冷凝能力又可以直接利用低温液体的汽化潜热。设计和制作基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件的最终目标是把被冷却物体冷却到要求的温度，并保持温度的稳定性，所以本发明的指导思想是高效、稳定。冷头材质没有严格限制，但它接受来自被冷却物体的热量最好是具有较大的导热系数。流体通道可以用机械加工方法直接在冷头上切出。自然循环预冷回路的作用是把低温贮槽和冷头上的流体通道连通起来，在它们之间形成一个低温液体的流动回路，并且在液体入口和出口之间形成一定的压力差。自然循环预冷回路的材质没有严格要求，但它的内部流动的是低温液体，为了减少漏热最好使用具有较小的导热系数并且容易与冷头和液体贮槽焊接。冷源的种类主要有两种：一种是直接利用低温液体，另一种是利用低温制冷机。
示例基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件采用了两根Φ8×1mm的铜管作为低温热管材料，也可以选用不锈钢以及铝合金作为低温热管的材料。自然循环预冷回路是Φ5×0.5mm的不锈钢管，增加自然循环预冷回路的径向热阻。冷头的尺寸是30×30×25mm的紫铜块。在冷头上表面上通过机械加工的方法打四个20mm深的洞，两个焊接铜管，两个焊接不锈钢管。把铜管和不锈钢管的一端深入5mm直接焊接在冷头上，铜管的另一端封闭形成低温热管，其中一个不锈钢管直接焊接在低温液体贮槽的下底板，另一个焊接在低温液体贮槽的液面之上。在冷头的侧面在热管的垂直面上打两个5mm的通孔，并且铣出两个5×5mm槽道连通两个通孔用铜板封闭形成自然循环的流体通道。
使用时直接将低温液体倒入低温液体贮槽中，由于自然循环的工作动力就是回流管道内的压力差，所以自然循环开始工作时，可以通过安装在自然循环预冷回路上的阀门调节低温液体蒸汽的出口压力来控制自然循环。由于低温热管的冷凝段在低温液体贮槽中，当倒入低温液体时工质通过气库管道在低温热管中冷凝并开始传递被冷却物体散发的热量。当被冷却物体的温度骤然上升，过大的热流有可能使低温热管达到其传热极限而失效(如超导体失超)，这时自然循环将自动重新开始工作，迅速是被冷却物体达到工作要求的温度附近，低温热管也重新开始工作，实现冷却的自反馈过程。
Claims (6)
1.一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：它具有低温液体贮槽(1)，低温液体贮槽(1)底部与低温热管(2)一端连接，低温热管(2)另一端与冷头(3)连接，低温液体贮槽底部与自然循环预冷回路(5)一端相通，自然循环预冷回路(5)与冷头上的流体通道连通，自然循环预冷回路(5)另一端与低温液体贮槽顶部相连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：所说的低温液体贮槽上设有低温制冷机(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：所说的低温热管的材料为不锈钢、铜或铝合金，其形状为圆形或矩形。
4.根据权利要求1所述的一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：所说的自然循环预冷回路的材料为不锈钢、铜或铝合金；自然循环预冷回路的外形为圆形或方形。
5.根据权利要求1所述的一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：所说冷头材料为紫铜或无氧铜；低温液体贮槽的形状为圆柱腔体、长方腔体。
6.根据权利要求1所述的一种基于自然循环预冷过程的高效低温传热元件，其特征在于：所说的低温液体为：液氦、液氢、液氧、液氮、液氖或液氩。
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