[论文解读] Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature

Bertrand Baudouy|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Heat Transfer and OptimizationEngineering参考文献 11被引用 18

一句话总结

本文全面综述了低温下适用的传热机理与冷却技术，涵盖导热、对流和辐射，并提供了材料相关的数据。文章详细介绍了从液氦浴冷却到低温制冷机和基于流动的系统等实用冷却方法，为超导加速器系统的高效热管理提供了设计指南，重点阐述了低温环境下热接触热阻和传热关联关系的关键见解。

ABSTRACT

The first part of this chapter gives an introduction to heat transfer and cooling techniques at low temperature. We review the fundamental laws of heat transfer (conduction, convection and radiation) and give useful data specific to cryogenic conditions (thermal contact resistance, total emissivity of materials and heat transfer correlation in forced or boiling flow for example) used in the design of cooling systems. In the second part, we review the main cooling techniques at low temperature, with or without cryogen, from the simplest ones (bath cooling) to the ones involving the use of cryocoolers without forgetting the cooling flow techniques.

研究动机与目标

• 提供低温下传热机理（包括导热、对流和辐射）的基础理解。
• 整理低温应用中关键的材料特定数据，如热接触热阻和总发射率。
• 评估并比较低温系统中使用或不使用制冷剂的冷却技术。
• 支持超导加速器技术中高效热管理系统的设计。
• 提供低温条件下强制流和沸腾流传热的实用设计关联关系。

提出的方法

• 回顾传热基本定律：导热的傅里叶定律、对流的牛顿冷却定律以及辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律。
• 汇编不同材料在低温下热接触热阻的实验数据。
• 展示常见工程材料在低温下的总发射率数值。
• 分析强制流和沸腾条件下的传热关联关系，包括核态沸腾和流动沸腾区域。
• 描述冷却技术：液氦浴冷却、基于低温制冷机的系统以及使用低温流体的流动冷却技术。
• 将这些原理整合为粒子加速器中低温系统实用的设计指南。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温条件下，导热、对流和辐射机理的行为如何？
• RQ2 在低温下，不同材料之间的主要热接触热阻是什么？如何减小？
• RQ3 在低温下，强制流和沸腾流中的传热系数如何变化？
• RQ4 不同冷却技术（包括低温制冷机和液态制冷剂浴）的相对优缺点是什么？
• RQ5 在超导加速器中实现可靠热系统性能，哪些设计关联关系和材料特性是关键？

主要发现

• 在低温下，不同材料之间的热接触热阻可能显著高于常温，因此需仔细处理界面。
• 铝和不锈钢等常见材料的总发射率在低温下升高，从而增强辐射传热。
• 在低温沸腾流中，传热系数可比单相强制流高出几个数量级，尤其在核态沸腾区域更为显著。
• 低温制冷机可实现无制冷剂消耗的连续冷却，适用于加速器系统中的长期运行。
• 强制流和沸腾流传热的设计关联关系对于准确预测系统性能和热稳定性至关重要。
• 准确的热工数据与适当的冷却技术相结合，是减小超导加速器部件热负荷的关键。