專利名稱：一種用于熱開關(guān)的低溫熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于熱開關(guān)的低溫熱管，涉及制冷機冷卻傳導冷卻的超導磁體系統(tǒng)的低溫技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于小型制冷機技術(shù)的突破和高溫超導電流引線的出現(xiàn)，近十來年傳導冷卻超導磁體技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前在很多應用領(lǐng)域傳導冷卻磁體系統(tǒng)已經(jīng)或正在取代浸泡冷卻磁體。
傳導冷卻超導磁體系統(tǒng)主要由超導磁體、小型GM制冷機、低溫容器、電流引線、磁體電源及控制部件組成。浸泡冷卻磁體系統(tǒng)內(nèi)主要通過氦的對流進行傳熱。與此不同的是，傳導冷卻磁體系統(tǒng)內(nèi)主要通過固體的熱傳導傳熱。因此，熱傳導結(jié)構(gòu)對于傳導冷卻磁體是十分重要。傳導冷卻超導磁體系統(tǒng)雖有諸多優(yōu)點，但也有不利的一面，突出表現(xiàn)在磁體的預冷時間比較長。如一臺具有100mm溫孔的10T磁體的預冷時間長達70小時。這是由于GM制冷機的制冷功率是很有限，對于GM制冷機二級冷頭的冷量在目前的技術(shù)條件下最大的制冷功率在4.2K下是1.5Watt。而制冷機的一級冷頭的制冷量在65K時達到40-80Watt。為了有效地減小超導磁體預冷時間，當磁體的溫度高于制冷機的一級冷頭的溫度時，我們可以將一熱開關(guān)連接于一級冷頭與二級冷頭之間，充分利用一級冷頭的制冷大功率，可使預冷時間縮短至原來的2/3~1/2。
低溫熱管是一種不需控制、性能可靠的熱開關(guān)?，F(xiàn)在使用的低溫熱管的結(jié)構(gòu)是由低熱導率的銅合金管兩端焊接紫銅冷凝器和蒸發(fā)器，分別與制冷機的一、二級冷頭連接，內(nèi)充低溫氣體構(gòu)成。溫度高于和低于氣體的三相點時熱管分別處于高導熱和低導熱狀態(tài)。當熱管處于導通狀態(tài)時，制冷機的一級冷頭的冷量通過管壁和管內(nèi)的氣體能夠傳導二級冷頭。當要求熱管斷開時，盡管熱管內(nèi)的氣體傳熱由于氣體被液化而截斷，但是管壁的傳熱卻不能截斷，因為熱管始終是將制冷機的一級和二級冷頭相連接，熱管的兩端通過螺桿固定在制冷機的的一級和二級冷頭的引出銅板上。F.C.Prenger，D.D.Hill等研究了乙烷熱管和氧氣熱管構(gòu)成的復合熱管的熱開關(guān)特性，結(jié)果表明，在300K~55K的寬廣范圍內(nèi)熱管都具有較好的傳熱特性，截斷溫度為55K[1]。(Advances in CryogenicEngineering，Vol.43，1998，pp1521-1528)。
低溫熱管雖然能夠有效的利用制冷機一級冷頭的冷量來冷卻超導磁體，但目前用于傳導冷卻的超導磁體系統(tǒng)的熱管結(jié)構(gòu)存在以下缺陷熱管無論是在一級冷頭的溫度低于和高于二級冷頭的溫度時，熱管始終是將制冷機的一級和二級冷頭通過金屬管連接。當制冷機的二級冷頭的溫度高于一級冷頭的溫度時，制冷機的制冷量是通過銅管和管內(nèi)的氣體從制冷機的一級冷頭傳到二級冷頭，使得超導磁體快速冷卻，但是當制冷機的二級冷頭的溫度低于一級冷頭的溫度時，熱管應該是處于絕熱狀態(tài)，然而目前的熱管結(jié)構(gòu)即使當超導磁體的溫度低于制冷機的一級冷頭的溫度和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，熱管通過銅管和管內(nèi)的稀薄氣體連接，導致制冷機的一級冷頭向二級冷頭傳遞熱流可高達大約為0.1Watt。此外當熱管處于熱導通時，其主要的傳熱是依靠管內(nèi)的氣體，而氣體傳熱能力大大低于高熱導的金屬例如高純銅或鋁。因此現(xiàn)在的熱管雖然具有不需控制、性能可靠的優(yōu)點，但不是理想的熱開關(guān)，開斷溫度決定于所充氣體，當磁體的溫度低于一級冷頭的溫度時，熱管不能使一級冷頭和二級冷頭之間有效地徹斷熱連接。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種新的熱管結(jié)構(gòu)，置于制冷機的一級和二級冷頭之間，熱管管體為雙層不銹鋼波紋管，管內(nèi)充高壓強氖氣或氮氣，波紋管的兩端安裝高熱導的純銅塊，在波紋管兩端的銅塊之間有高純銅電纜連接。熱管的下端通過銅塊，依靠螺桿固定在制冷機的二級冷頭的引出銅板上。而熱管的上端處于自由狀態(tài)。
本發(fā)明的熱管可隨其工作狀態(tài)伸縮熱管的下端和制冷機的二級冷頭固定，上端和制冷機的一級冷頭之間的連接和斷開取決于磁體和制冷機的一級冷頭的溫度當制冷機的一級冷頭的溫度高于氖氣的液化的溫度時，波紋管內(nèi)的氣體具有足夠的壓強，使得波紋管的長度伸長，熱管上端的銅塊直接和制冷機的一級冷頭的引出銅板相連接，這時制冷機的一級冷頭和二級冷頭之間通過高熱導的銅電纜實現(xiàn)高效熱連接，這樣由于一級和二級冷頭的相互作用，使得制冷機的制冷功率足夠大，因此超導磁體能夠很快地從室溫冷卻到一級冷頭的運行溫度；隨著磁體的溫度降低，二級冷頭的溫度將低于一級冷頭的溫度，此時為了減小自一級冷頭向二級冷頭傳熱，波紋管內(nèi)的氣體開始液化，管內(nèi)的氣體密度和壓強減小，波紋管的長度開始收縮，其上端與一級冷頭分離，從而實現(xiàn)制冷機的一級、二級冷頭絕熱。
本發(fā)明不但可以有效地利用制冷機的一級冷頭的高功率來冷卻超導磁體，同時當磁體的溫度低于一級冷頭的溫度時，熱管能夠使一級冷頭的熱量不會流向二級冷頭。此外當磁體系統(tǒng)在運行中產(chǎn)生失超時，如果磁體的溫度上升達到一定的溫度后，熱管將會自動將一級和二級冷頭之間相連接，從而有效地減小磁體的溫升。
本發(fā)明采用不銹鋼波紋管作為熱管管體，在波紋管內(nèi)充高壓氖氣。波紋管的兩端安裝高熱導的純銅塊，波紋管兩端的銅塊之間采用高純銅電纜連接。銅塊的作用是使得熱能夠有效從制冷機的冷頭傳給波紋管內(nèi)的氣體和銅電纜。因為高純銅有較高的熱導，為了減小熱阻，用高純銅制作銅塊。為了減小接觸面之間熱阻，銅塊的表面鍍銀或覆蓋銦薄膜。高純銅制成的電纜能夠有效地實現(xiàn)傳熱，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)制冷機的一級和二級冷頭的傳熱，而且熱阻較小。熱管的下端和制冷機的二級冷頭固定。上端和制冷機的一級冷頭之間的連接和斷開取決于磁體和制冷機的一級冷頭的溫度。當制冷機的一級冷頭的溫度高于氖氣的液化溫度(1atm下大約為24.56K，隨著壓強的增高，液化溫度也增大)時，波紋管內(nèi)的氣體具有足夠的壓強，使得波紋管的長度伸長，熱管上端的銅塊直接和制冷機的一級冷頭相連接。這時制冷機的一級冷頭和二級冷頭之間通過高熱導的銅電纜連接，制冷機的一級和二級冷頭之間實現(xiàn)高效熱連接，因此制冷機的一級冷頭能夠有效地將冷量傳給超導磁體。隨著磁體的溫度降低，波紋管內(nèi)的氣體開始液化。由于氣體的液化，管內(nèi)的氣體密度減小，因此管內(nèi)的壓強減小，由于彈性的作用，波紋管的長度開始收縮，其上端與一級冷頭分離，使得制冷機的一級和二級冷頭開始斷開。從而實現(xiàn)熱在兩級冷頭之間的絕熱。這種結(jié)構(gòu)的熱管在處于熱導通條件下能夠有效的利用了高純銅的熱導實現(xiàn)制冷機的一級和二級冷頭之間的有效熱連接，同時當制冷機二級冷頭的溫度低于一級冷頭的溫度時實現(xiàn)制冷機一級和二級冷頭之間的完全絕熱。因此是一種理想的熱開關(guān)。大大提高了制冷機冷卻的超導磁體系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。


圖1是熱管在制冷機直接冷卻的超導磁體系統(tǒng)的安裝位置示意圖；圖中1制冷機，2混合電流引線，3室溫孔，4熱輻射屏，5超導磁體，6一級冷頭，7二級冷頭，8低溫熱管，9低溫容器；圖2是本發(fā)明熱管具體實施例的結(jié)構(gòu)圖，圖中10高壓氖氣，11波紋管，12、13銦薄膜，14高純銅電纜，15、16高純銅塊，17螺桿；圖3是本發(fā)明具體實施例銅塊的結(jié)構(gòu)圖，圖中12是高熱導的薄膜，通常用銦作為材料，16是高純銅塊，18是銅塊和波紋管的連接部件，19是銅塊和銅電纜的連接部件，通常銅電纜和銅塊是通過銀焊接連接。
以下結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。
參看圖1，超導磁體系統(tǒng)由制冷機1提供制冷量，通過銅和高溫超導體做成的混合電流引線2給超導磁體5供電，在室溫孔3內(nèi)提供有效利用的磁場空間，磁體的低溫系統(tǒng)通過熱輻射屏4有效地減小熱輻射的影響，制冷機的一級冷頭6和二級冷頭7之間連接有熱管8。整個超導磁體系統(tǒng)處于低溫容器9內(nèi)部。
參看附圖2，高壓氖氣10充入壁厚為0.15×2mm不銹鋼材料制成的波紋管11內(nèi)。波紋管的上、下兩端和高純銅塊15、16相連接。在銅塊的上部壓有銦薄膜12、13，以便和制冷機的一級和二級冷頭之間有良好的熱接觸。為了使熱能夠有效地從制冷機的一級冷頭傳到二級冷頭，在高純銅塊16和15之間用高純銅電纜14相連接，從而形成較好的熱連接。高純銅塊15和制冷機的二級冷頭通過螺桿17相固定。
為了在制冷機的二級冷頭的溫度高于一級冷頭的溫度時，熱管能夠有效地將一級冷頭和二級冷頭相連接，當二級冷頭的溫度低于一級冷頭的溫度時，熱管能夠完全截斷兩級冷頭之間的熱交換，本發(fā)明的波紋管11采用不銹鋼材料制成，該波紋管沿軸線方向具有較強的彈性。當波紋管處于自然狀態(tài)，也即是波紋管處于未拉伸時，波紋管的長度小于制冷機的一級和二級冷頭之間的長度。當系統(tǒng)的溫度高于制冷機的一級冷頭的額定溫度時，為了使熱管能夠?qū)⒅评錂C的一級和二級冷頭相連接，在波紋管內(nèi)充入具有一定壓強(1～5個大氣壓)的氖氣10，此時由于壓強的作用使得波紋管的長度伸長。于是熱管的上部由高熱導的材料銅制成的銅塊16，通過在銅塊的表面鍍有高熱導的銦薄膜12和制冷機的一級冷頭的引出銅板連接，由于在界面之間使用了銦薄膜12，因而有效地減小了銅塊和制冷機一級冷頭之間的接觸熱阻。制冷機的一級冷頭的制冷量通過高熱導的銅電纜14將制冷機的一級和二級冷頭之間進行高效熱連接。波紋管的下端焊接高熱導的銅塊15上，銅塊15的下部壓有銦薄膜13，通過螺桿17直接固定二級冷頭上。因此當熱管處于伸長狀態(tài)時，制冷機的一級冷頭的制冷量能夠通過銅電纜和管內(nèi)的氣體導熱傳到二級冷頭，實現(xiàn)高效率冷卻。
隨著制冷機冷卻的超導磁體系統(tǒng)的溫度降低，在波紋管內(nèi)的氖氣10的溫度也開始降低。隨著溫度降低，管內(nèi)的壓強減小，波紋管開始收縮，當溫度達到氖氣的液化溫度時，波紋管的壓強減小。由于波紋彈性的作用，使得波紋管開始最大限度地收縮，使熱管的上部和制冷機的一級冷頭分離開。此時熱管將全部將制冷機的一級和二級冷頭之間的熱切斷，即熱阻為無限大。
參看附圖3，其中，12是高熱導的薄膜，通常用銦作為材料，它的作用是當接觸之面間有較大的壓力時，能夠使得接觸面之間的熱阻最小，高純度的銅塊16能夠有效的實現(xiàn)熱接觸。銅塊和波紋管之間通過連接部件18相接，銅塊和銅電纜通過連接部件19連接起來。通常銅電纜14和銅塊12和13通過銀焊接以便實現(xiàn)低熱阻接觸。在這種熱管結(jié)構(gòu)中圖3中所示的銅塊結(jié)構(gòu)對于有效地改進熱管的傳熱結(jié)構(gòu)起著較為重要的作用，一方面銅塊能夠增大有效傳熱接觸面積和起到熱沉的作用。另一方面由于高純銅的熱導在4.2K-60K范圍內(nèi)達到大約70W/cm.K。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明實施方式安裝熱管時在一級和二級冷頭上引出銅塊，該銅塊使用高純銅制作，板厚度大約3-4mm，銅塊和熱管接觸的表面應該非常光滑。熱管的長度可以根據(jù)制冷機一級和二級冷頭之間的距離來決定熱管的長度，例如住友電工的GM制冷機的一級和二級冷頭之間的距離大約為23.6-24cm之間，其熱管長度必須小于一級和二級冷頭之間的距離，此外有時熱管的長度和低溫容器的結(jié)構(gòu)和磁體的位置有關(guān)。
如圖2所示，銅塊16和15面放置大約0.5-1mm毫米厚的銦薄膜。薄膜是通過平板之間施加壓力后壓制到銅塊16和15的表面上。銅電纜14和銅塊15，16之間用銀焊條焊接。波紋管可使用多層壁厚大約為0.155mm的不銹鋼管為材料以便保證波紋管具有足夠的強度和彈性。
我們按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)制作了一個小型熱管，熱管長234.3mm，當系統(tǒng)處于伸長狀態(tài)是長為236cm，即小型住友電工研制的GM制冷機的一級和二級冷頭之間的長度。波紋管使用兩層0.125mm厚的不銹鋼管，波紋管的內(nèi)直徑為12mm。下銅塊6mm×70mm×140mm，上銅塊4mm×40mm×60mm，在銅塊的上面壓有0.5-1mm厚的銦薄膜。銅塊和波紋管之間焊接。導熱的銅電纜使用多根直徑0.1mm的高純銅線。銅線和高純銅塊之間采用銀焊接。管內(nèi)充入3-4atm的氖氣。
本發(fā)明可使制冷機在超導磁體的溫度較高時實現(xiàn)制冷機的一級和二級冷頭之間的有效熱連接，在磁體溫度低于一級冷頭溫度時，實現(xiàn)一級和二級冷頭之間的絕熱效果，熱管的結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效果較好。本發(fā)明適用于各種類型的傳導冷卻的超導磁體系統(tǒng)的運行，包括高溫超導磁體和低溫超導磁體裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于熱開關(guān)的低溫熱管，置于制冷機的一級和二級冷頭之間，其特征在于，熱管管體為雙層不銹鋼波紋管，管內(nèi)充高壓強氖氣，波紋管的兩端安裝高熱導的純銅塊，在波紋管兩端的銅塊之間有高純銅電纜連接；熱管下部固定在制冷機的二級冷頭的引出銅板上，上部處于自由狀態(tài)。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于熱開關(guān)的低溫熱管，其特征在于波紋管兩端銅塊的表面鍍銀或覆蓋銦薄膜。
3.按照權(quán)利要求1所述的用于熱開關(guān)的低溫熱管，其特征在于熱管可隨其工作狀態(tài)伸縮熱管的下端和制冷機的二級冷頭固定，上端和制冷機的一級冷頭之間的連接和斷開取決于磁體和制冷機的一級冷頭的溫度；當制冷機的一級冷頭的溫度高于氖氣的液化的溫度時，波紋管內(nèi)的氣體具有足夠的壓強，使得波紋管的長度伸長，熱管上端的銅塊直接和制冷機的一級冷頭相連接，這時制冷機的一級冷頭和二級冷頭之間通過高熱導的銅電纜實現(xiàn)高效熱連接；隨著磁體的溫度降低，波紋管內(nèi)的氣體開始液化，管內(nèi)的氣體密度減小，管內(nèi)的壓強減小，波紋管的長度開始收縮，其上端與一級冷頭分離，從而實現(xiàn)制冷機的一級、二級冷頭絕熱。
4.按照權(quán)利要求1所述的用于熱開關(guān)的低溫熱管，其特征在于波紋管內(nèi)所充氖氣的壓強為1～5個大氣壓。
5.按照權(quán)利要求1所述的用于熱開關(guān)的低溫熱管，其特征在于熱管的長度由制冷機一級冷頭與二級冷頭之間的距離決定，有時熱管的長度和低溫容器的結(jié)構(gòu)和磁體的位置有關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于熱開關(guān)的低溫熱管，涉及制冷機冷卻傳導冷卻的超導磁體系統(tǒng)的低溫技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于熱管管體為雙層不銹鋼波紋管，管內(nèi)充高壓強氖氣，波紋管的兩端安裝高熱導的純銅塊，在波紋管兩端的銅塊之間有高純銅電纜連接。本發(fā)明的熱管可隨其工作狀態(tài)伸縮。熱管的下端與制冷機的二級冷頭固定，而熱管的上端處于自由狀態(tài)，其上端和制冷機的一級冷頭之間的連接和斷開取決于磁體和制冷機的一級冷頭的溫度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效果較好，適用于各種類型的傳導冷卻的超導磁體系統(tǒng)的運行，包括高溫超導磁體和低溫超導磁體裝置。
文檔編號F28D15/02GK1580683SQ0314977
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月6日
發(fā)明者王秋良, 馮遵安 申請人:中國科學院電工研究所