直接冷却中高温超导电流引线的传热研究

降低高温超导电流引线向低温环境的漏热,以及实现电流引线与制冷机冷头导热不导电的直接接触冷却,是制冷机直接冷却超导系统走向应用的关键技术之一。本文提出了高温超导电流引线的基本结构,并对进入制冷机一、二级冷头的漏热进行了理论推导和数值模拟计算。     

低温接触热导对冷冻靶温度场的影响规律

通过理论推导得出低温条件下不同接触方式的接触热导计算模型,与已有的实验结果对比分析,发现该计算模型具有较高的计算精度,并将该计算模型应用至惯性约束冷冻靶数值模拟计算中,结果表明:硅/铝合金接触热导的值随着装配条件、接触面的接触压力和表面粗糙度等因素改变而发生较大变化,在接触压力为0.2 MPa,表面粗糙度为0.1μm工况下,其接触热导值在6.7—56 kW·m~2/K;控制硅冷却臂与TMP结构冷环接触面间的的接触热导大于10kW·m~2/K,能够使靶丸外表面的温度分布均匀性、黑腔系统的换热能力与接触热导无穷大的理想状态偏差小于16%,对于胶Stycast 1266,为满足该条件,所允许的名义胶层厚度约为3μm。在实际工程中,利用接触热导预测公式可以反向推导硅冷却臂卡爪与TMP冷环间所需的压紧力控制范围,尽可能削弱接触热阻的影响。     

具有外热阻内摩擦和冷头热漏制冷机的最大制冷系数

采用有限时间热力学研究了传热热阻，内部摩擦和冷头热漏三种不可逆损失对制冷机最优性能的影响。导出具有传热热阻，内部摩擦和冷头热漏不可逆损失的不可逆卡诺制冷机的最大制冷系数。     

高温超导磁储能(SMES)磁体直接冷却热输运过程研究

随着高温超导材料与低温技术的发展，采用制冷机直接冷却已经成为高温超导应用的发展方向，而界面热阻则直接影响着超导器件的冷却效率和运行可靠性，因此减小和控制低温界面热阻是实现超导系统直接冷却的技术关键。对直接冷却高温超导磁体从室温冷却到49K低温的热输运过程进行了理论分析和实验研究，磁体冷却实验结果和理论分析符合较好，通过直接冷却实验所达到的最低温度特性和过程分析，证实从微结构低温工程学的角度研究界面热阻、探索超导直接冷却最佳热耦合机制是高温超导应用基本而重要的科学问题之一。     

接触热阻对核电站主控室热阱系统蓄热性能的影响

以第三代核电站热阱复合墙体为研究对象,将阻容模型和有限差分法耦合,构建了包含界面接触热阻的热阱墙体三维非稳态传热模型,并用墙体蓄热实验进行了验证。模拟分析了不同接触热阻对热阱墙体蓄热性能的影响。结果显示,当接触热阻取0.001 m~2℃/W时,整面墙蓄热量和放热量减少3%左右,当接触热阻增加至0.01 m~2℃/W时,蓄热量和放热量将减少8%左右。对比分析得出,热阱墙体的接触热阻数量级为10~(-3)。因此,建议在对热阱墙体蓄热性能进行有效评估时,对于接触热阻的影响考虑5%的安全附加系数。     

用于CPU冷却的集成热管散热器

提出了将立体蒸汽腔和热管两相传热结合,用于CPU冷却的集成热管散热器新概念,并对设计出的集成热管散热器的传热性能和整体的均温性进行了试验研究.试验结果表明,未优化的集成热管散热器的热阻在0.14℃/W～0.2℃/W之间,且整个散热器具有均匀的温度分布.与当前的热管散热器相比,这种结构的集成热管散热器具有散热效率高、结构紧凑、接触热阻小、重量轻、成本低等特点,可以满足未来大功率CPU散热的要求.     

热阻对制冷机冷头温度波动传递的影响特性

人为地增加热阻可以抑制制冷机冷头的温度波动.为了量化研究热阻与冷头温度波动在传递过程中的关系,基于G-M制冷机搭建了控温测温实验平台.通过改变SS304不锈钢热阻材料的规格和安装方式,并对冷头与目标区域的温度波动进行高频采样,获得了4～20 K温区冷头温度波动与热阻片厚度的拟合关系.给出了制冷机冷头波动量化抑制的建议方...     

166.6 MHz超导腔加强筋结构的多物理场耦合仿真

高能同步辐射光源加速器的166.6 MHz超导腔采用4.5K饱和液氦浸泡冷却,其内导体与小束管之间设计有加强筋以改善超导的应力分布,加强筋会影响气泡排出,气泡聚集过多会降低液氦冷却效果,有引发失超的风险.使用Fluent、Hfss软件对超导腔内导体附近的流场进行了流动/传热/电磁多物理场耦合仿真,研究了加强筋顶部开孔设...     

改进的圆柱面接触热阻模型及其应用

在惯性约束核聚变冷冻靶系统中,硅冷却臂与封装套的装配面会产生显著的接触热阻。为了预测该热阻,提出了一种改进的适用于柱面接触且有胶粘剂填充装配间隙的接触热阻计算模型,该模型计算了通过材料接触部分和接触间隙的传热。用柱面裸接触的实验数据对模型进行了验证。分析结果表明采用较光滑的接触面和导热系数较大的胶粘剂可有效降低接触热阻,而装配应力及胶在固体上的接触角对接触热阻影响不大。     

4～5 K铟片填充下无氧铜材料接触热阻实验研究

在陆续开展的深空探测任务中,高精度光学探测设备需要长期稳定的深低温工作环境。传热界面由于传热介质的热阻而存在一定的传热温差,为确保设备的工作环境,避免探测效率下降、精度下降和噪声干扰增加等严重后果,对无氧铜和不锈钢两种深低温温区常用的固体导热材料的界面接触热阻进行了实验测试。在真空、4～5.2 K、压力为3 077 N、铟片为填充物的条件下,测量了粗糙度为Ra=3.2的不锈钢-无氧铜接触热阻。结果表明：无氧铜界面间接触热阻在10-5～10-4 m2·K/W量级,且随温度的升高和粗糙度的减小而减小;无氧铜和不锈钢间的接触热阻在10-2 m2·K/W量级。     

迫流却超导磁体稳定裕量的计算模型

用管中电缆型超导体绕制大型磁体或快脉冲磁体是当今主流。冷却方法可选择超临界氦或超流氦迫流。讨论了这类磁体用Ｈｅ－Ⅰ冷却稳定裕量计算的三种简化数学模型;能量平衡,零维和一维模型;还指出了Ｈｅ－Ⅱ冷却稳定裕量计算的特殊性;与稳定裕量计算密切相关的超导电缆束向致冷剂的瞬态传热,取决于固液界面的卡皮查热阻和Ｈｅ－Ⅰ边界层的热阻。     

基于Labview的激光光热法界面热阻测量系统

根据激光光热法原理,设计了一套低温下界面热阻测量系统,通过Labview操作平台实现对实验温度的精确控制以及对实验数据的自动采集记录。该实验系统能够实现低温下超导带材与导冷材料间界面热阻的测量,为研究直接冷却条件下超导磁体的应用提供实验依据。     

空间微膨胀型热开关传热性能试验

为了解决空间相机在冷黑环境下由于姿态变化引起的散热问题,基于金属材料的热特性设计了一种机械制冷式热开关,构建实验平台模拟热开关的实际工作环境,研究在不同热负载条件下,热流密度对传热和散热效率的影响。通过调节加热器功率大小和冷源温度水平,得到热开关的传热以及热闭合特性。实验结果表明,随着加热功率的递增,开关整体热阻逐渐减小,当加热负载为30W,热开关热闭合热阻为0.302 2 K/W,当温度降低时,热开关断开热阻达到230.46 K/W,整体开关比为762.60。该热开关能够自动实现闭合、断开特性,且具有较大的开关比,性能稳定可靠。     

低温技术在高温超导(HTS)电力系统中的应用

阐述低温技术在超导电力系统中的制冷机支接冷却技术、液氮迫流循环系统以及基于Peltier材料的Peltier冷却方法等几个重要应用。指出用微低温工程学(micro-nanocryogenics)观点研究三维低温界面层和界面层热阻对高温超导动态稳定性的影响是高温超导电力应用低温技术的研究热点及重要研究方向之一。     

真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究

为满足航天器热控设计的需要,实验测量了真空条件下接触面温度110 K时螺钉压接的Cu-Cu界面间的接触热阻,比较了不同的螺钉预紧力矩以及不同的导热填料对接触热阻的影响。实验数据表明,界面接触热阻随着螺钉预紧力矩增大成一阶指数衰减,导热填料为铟箔时界面热阻显著的减小,接触热阻最低可以达到2.0×10-5K.m2/W。     

真空低温环境导热填料界面接触热阻实验研究

真空低温环境下,接触热阻对热传递有十分重要的影响。根据接触热阻产生机理和实验测试原理,建了一套真空低温环境下固体界面接触热阻测试的实验装置。实验对比研究了不同温度和不同预紧力条件下,固体界面裸接与在界面之间添加真空硅脂、铟膜、石墨烯、石墨片导热填料时的接触热阻。实验结果表明,接触界面的接触热阻都随温度升高和预紧力增大而减小。在接触界面添加真空硅脂或铟膜后接触热阻随预紧力变化非常,裸接或添加石墨烯的接触热阻随预紧力变化较大,但是当预紧力大于2.5 N·m时其接触热阻基本不变。温度越低时添加导热填料减小接触热阻的效果越明显。总之在两界面之间添加铟膜时效果最佳,此时接触热阻随预紧力和温度的变化都较小,此种情况下接触热阻最小可以达到3.5×10~(-6)K·m~2/W。     

高温氧化对超高温陶瓷材料耦合传热的影响

超高温陶瓷材料暴露于极端高温飞行环境中会导致其发生氧化,表面生成的氧化物具有不同的热物性从而对传热过程造成影响。针对预氧化的ZrB₂和ZrB₂-SiC,基于氧化模型预测氧化层(ZrO₂、B₂O₃、SiO₂和SiC耗尽层)厚度,利用有限元建立圆柱形代表性体积单元,并与外部高超声速流场的CFD (Computational Fluid Dynamics)求解器相耦合,研究了高温氧化对超高温陶瓷材料的耦合传热的影响。计算中采用分区求解方法,通过耦合界面处非匹配网格间的插值完成实时数据交换,实现了基于Navier-Stokes方程的流动求解器与有限元求解器的多场耦合计算。ZrB₂、ZrB₂-SiC以及氧化生成物的热物性均为温度相关,通过理论计算给出了B₂O₃挥发及SiC耗尽导致的多孔结构的有效热导率和有效比热容。瞬态耦合传热分析的结果表明:ZrB₂在预氧化后其热阻能力略有提高, ZrB₂-SiC氧化前后的热阻变化很小,并且在相同流动环境条件下,氧化后ZrB₂的热阻能力高于氧化后ZrB₂-SiC的热阻能力。      

新型无接触热阻空调换热器性能研究

将不同形状的波纹翅片与无接触热阻技术结合研制了波纹型无接触热阻换热器,并利用CFD仿真软件进行对比分析尖角波纹翅片和圆角波纹翅片空气侧换热性能及阻力特性,寻找较好的翅片形状。按照仿真结果生产无接触热阻尖角波纹翅片空调换热器实验样件,进行实验测试,实验结果表明:翅片表面换热系数仿真结果与实验结果较为一致,整体误差在10%以内,仿真结果能基本反映翅片表面的实际换热情况。引入强化传热指标,通过仿真结果计算可知,在不同风速下强化传热指标DEC均大于1,说明尖角波纹翅片的传热效果优于圆角波纹翅片。     

突出气相压头的环路热管真空度对启动性能的影响

在环路热管运行中工质蒸发产生的气相压头有着重要作用。为了研究工质相变产生的气相压头的影响,本文设计了一种新型结构,将环路热管蒸发器内的吸液芯与加热底板彻底分离形成蒸发腔,使蒸发器内的传热传质相对分离,维持蒸发现象仅在蒸发腔内发生,以此来提高环路热管的驱动力。本文选用导热系数较低的不锈钢-镍作为吸液芯材料,尽可能的减少蒸发器的“漏热”现象。通过实验研究了不同真空度（95.3~101.1 kPa）时环路热管系统的启动性能。结果表明：此类型的环路热管可以在不同真空度下正常运行,并且真空度越高,环路热管的运行温度越低,启动时间越短,热阻越低。同时将突出气相压头的环路热管与另外三种不同结构的毛细抽力环路热管进行对比,发现突出气相压头的环路热管具有更低的运行热阻（0.14 ℃/W）。     

开式雾化喷射冷却技术的应用研究

雾化喷射冷却技术是一种高效快速的冷却手段,具有冷却效率高、冷却温度均匀、没有接触热阻等优点。从开式雾化喷射冷却系统的方案入手,从雾化特性、制冷工质、环境外热流3个方面分析并研究了开式雾化喷射冷却系统冷却效果的影响因素,开式雾化喷射冷却系统非常适合于高速飞行器等短期内工作的高热流密度设备的散热及热防护。