液氢温区脉动热管在不同充液率条件下的试验研究

摘要

近几十年来，低温制冷机的迅速发展使得低温制冷机的应用场合逐渐拓宽，如使用低温制冷机冷却超导磁体、冷冻细胞、冷却低温工质储罐等。然而，低温制冷机在应用中，经常会受到被冷却对象的体积及温度分布、冷量传输距离、振动等因素的限制，因此找到一种高效的冷量传输方式与低温制冷机相匹配将进一步延伸其应用领域。1990年脉动热管被发明以来，因结构简单灵活、传热高效和响应迅速等特点，一直备受国内外学者的关注，但研究主要在室温温区。近年来，许多学者试图将脉动热管应用到低温领域，特别是2001年超导磁体材料MgB2的出现，使得液氢温区脉动热管的研究与应用具有了重要意义。为此，本文开展了以下研究工作：
　　首先对脉动热管的研究现状进行了总结，指出了低温温区脉动热管与室温温区脉动热管的异同之处，分析出低温脉动热管研究的难点，提出了液氢温区脉动热管研究的内容和方向。简述了脉动热管理论基础。
　　其次对已有的液氢温区脉动热管试验装置进行了改进。改进了其制冷机二级冷头与脉动热管冷凝段之间连接部件、数据采集系统，使得试验装置能够获得更大加热功率时脉动热管的传热性能。
　　最后开展了液氢温区脉动热管的试验研究，得到了不同充液率时脉动热管随加热功率增加时的传热特性。在本文的试验条件下，初始充液率为51.0％时，随着加热功率的增大，液氢温区脉动热管管内工质依次经历启动、脉动、过渡、环流、极限阶段。脉动热管在启动阶段和过渡阶段传热温差的波动很大，传热性能不稳定。然而在脉动阶段，脉动热管的传热温差很小且稳定。初始充液率为35.0%，脉动热管在加热功率为5.0 W时具有最高的有效导热系数为18.7 kW/m?K，此时蒸发段与冷凝段温差为1.0 K，验证了该液氢温区脉动热管的高效传热特性。

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1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 脉动热管研究现状

1.3 低温脉动热管的关键问题及本文研究内容

1.4 本章小结

2脉动热管理论基础

2.1 表面张力

2.2 毛细现象

2.3 接触角

2.4 薄膜蒸发

2.5 本章小结

3液氢温区脉动热管试验台

3.1 试验台简介

3.2 脉动热管

3.3 充液系统

3.4 脉动热管与GM制冷机冷头的连接部件

3.5 试验仪器及其设备

3.6 温度测量误差分析

3.7 本章小结

4液氢温区脉动热管试验研究

4.1 实验步骤

4.2 有效导热系数和充液率的计算

4.3实验结果及分析

4.4 本章小结

5总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果