CN100465611C - 电动振动试验台蒸发冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种电动振动试验台蒸发冷却系统，以沸点为50～60℃的氟碳化合物作为冷却介质，通过励磁线圈和驱动线圈(动圈)冷却通道充入电动振动台的励磁线圈和驱动线圈，利用介质沸腾吸收潜热来冷却电动振动台。冷却介质在励磁线圈和驱动线圈部位受热蒸发后不必压缩即可由热交换器(冷凝器)冷凝，在常温条件下经二次冷却水将热量散出。吸热沸腾后的介质改变了密度，利用吸热量和介质密度的变化，产生压差，形成自循环动力。因此不需要外加动力，就可使介质在冷却系统的回路中循环工作，实现电动振动台的自循环蒸发冷却。本发明适合于大推力电动振动台，是一种新型、高效、安全、可靠的冷却系统，解决了长期以来困扰本领域技术人员的难题。

Description

电动振动试验台蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及环境力学试验中的电动振动试验装置，具体涉及电动振动试验台中的励磁线圈、驱动线圈、短路环的蒸发冷却系统。这种冷却系统特别适合应用于大推力电动振动台，提供高效冷却。

背景技术

电动振动试验台(以下简称电动振动台)是一种对产品或部件进行振动模拟试验的设备。它是利用电磁振动原理设计而成的，其结构主要由台体、磁缸、励磁线圈、动圈、导轮结构以及空气弹簧等组成。其中，励磁线圈固定安装在台体中，通电后在工作气隙中产生一个足够强的恒定磁场，与动圈中的驱动电流相互作用产生激振力，以推动试件振动。电动振动台在工作中，由于整体消耗的能量相当大，励磁线圈和动圈中通入的电流很大，因此相应的发热量也很大。为了保证系统正常运行，需要对这些发热量大的部件进行强制冷却。

现有电动振动台的冷却方式有风冷和液冷(其中以水冷最为通用)两种。风冷是以强制气流对励磁线圈和动圈等发热部件进行冷却，这种冷却方式一般仅适合于推力小于50kN的电动振动台。随着电动振动台的功率增大，这种冷却方式暴露出无法克服的弊端。比如，在环境振动试验中，为了提高电动振动台的推力，必须增加励磁电流和动圈的电流，从而引发励磁线圈和动圈发热量的增加，要强化冷却就必须加大通风量，这必然引起通风损耗的增大。当通风损耗(含风摩耗)占总损耗的40％时，就意味着电动振动台的效率很低。另外，风冷由于受到冷却效果的限制，工作中励磁线圈和动圈往往高于室温，在这种温度环境下长期工作，会降低励磁线圈绕组和动圈绕组的绝缘性。水冷是以水作为冷却介质，对励磁线圈和动圈进行冷却，即采用空心励磁线圈和动圈，并在线圈的空腔中通入冷却水强制冷却。由于水是好的冷却介质，有很好的比热容和导热系数，因此这种冷却方式效果优于风冷，通常适合于推力大于50kN的电动振动台。但是这种冷却方式存在的缺点是：1、由于水垢的产生以及空心导线与水中的氧离子氧化生成的氧化铜和氧化亚铜等沉积物造成水路堵塞，继而产生绕组局部过热而烧毁。2、循环水接头以及各密封点处由于承受水压容易发生漏水问题，从而造成短路和漏电的危险。3、由于水流在管内高速流动中容易发生水钻孔现象，伤害励磁线圈和动圈管内壁。由此可见，励磁线圈和动圈管内壁的堵和漏一直是水冷电动振动台发展的致命弱点。为此，如何设计一种适合于大推力电动振动台的高效、安全、可靠的冷却系统是本领域技术人员多年来十分关注的问题。

发明内容

本发明提供一种电动振动试验台的蒸发冷却系统，其目的是要设计一种适合于大推力电动振动台使用的高效、安全、可靠的冷却系统，以解决长期以来困扰本领域技术人员的难题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电动振动试验台蒸发冷却系统，由冷却介质和循环冷却回路两部分组成，冷却介质采用沸点为50～60℃的氟碳化合物；循环冷却回路由冷却通道、热交换器、储液箱、单向阀依次经管道串联构成，其中，冷却通道至少由励磁线圈冷却通道和驱动线圈冷却通道并联构成，驱动线圈冷却通道为空心驱动线圈的内管，励磁线圈冷却通道为空心励磁线圈的内管或浸泡励磁线圈的腔体；热交换器由冷却水散热通道和冷却介质通道构成；储液箱为一与空气连通的容器，容器设有冷却介质进口和出口；储液箱的介质出口经单向阀连接冷却通道进口，冷却通道出口连接热交换器的冷却介质通道进口，热交换器的冷却介质通道出口连接储液箱的介质进口，以此构成自循环蒸发冷却回路。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，冷却通道还包括并联的短路环冷却通道，短路环冷却通道为设在短路环位置上的管道。短路环冷却通道可以是一路内短路环冷却通道，也可以是一路外短路环冷却通道，还可以是一路内短路环冷却通道和一路外短路环冷却通道。

2、上述方案中，空心驱动线圈冷却通道设计有以下两种情况：

(1)、可以将整个空心驱动线圈管体作为线圈绕组，内管作为一条驱动线圈冷却通道。

(2)、可以将整个空心驱动线圈分成至少两段，各段管体串联构成线圈绕组，各段内管并联构成驱动线圈冷却通道。

3、上述方案中，空心励磁线圈冷却通道设计有以下两种情况：

(1)、可以将整个空心励磁线圈分成至少两段，各段管体串联构成线圈绕组，各段内管并联构成励磁线圈冷却通道。

(2)、可以将励磁线圈整体浸泡在一个密闭腔体中，腔体作为励磁线圈冷却通道。为了进一步提高冷却效果，可以在密闭腔体外围设有夹层，夹层中通有冷却水。

4、上述方案中，所述氟碳化合物选自R-113、FLA、FF31-阿、FF31L之一。

本发明的构思和工作原理如下：

本发明采用绝缘性能好、沸点为50～60℃的氟碳化合物替代水作为冷却介质，通过励磁线圈和驱动线圈(动圈)冷却通道充入电动振动台的励磁线圈和驱动线圈，利用介质沸腾吸收潜热来冷却电动振动台。冷却介质在励磁线圈和驱动线圈部位受热蒸发后不必压缩即可由热交换器(冷凝器)冷凝，在常温条件下经二次冷却水将热量散出。吸热沸腾后的介质改变了密度，利用吸热量和介质密度的变化，产生压差，形成自循环动力。因此不需要外加动力，就可使介质在冷却系统的回路中循环工作，实现电动振动台的自循环蒸发冷却。

介质蒸发吸热原理分析如下：

第一阶段：比热吸热过程

$\mathrm{\ΔT}=\frac{Q}{\mathrm{mC}}=\frac{\mathrm{UIt}}{\mathrm{mC}}$          式(1)

式中：ΔT——介质液体的温升；

      Q——设备产生的热量；

      C——介质液体的比热容；

      m——介质液体的质量；

      U——设备的电压；

      I——设备的电流；

      T——时间；

第二阶段：蒸发过程

q＝m·L_y             式(2)

式中：q——介质液体沸腾蒸发所需热量；

      m——介质液体的质量；

      L_y——汽化热；

由以上式(1)和式(2)可知，因为L_y>>C，所以在相同的介质质量条件下，汽化过程所需要的热量远大于比热吸热的热量。

当设备接通电流I，系统的第一阶段为比热吸热过程，随着时间t的增加，冷却介质温度升高；由于冷却介质的沸点温度为50℃～60℃，第二阶段为蒸发过程，此时冷却介质为变成气体，蒸发吸热；气体流动，经过热交换器，由外循环水带出热量，气体冷凝变成液体体积减小，压力降低，自吸液体冷却介质，重复循环。设备在无需外动力的情况下进行循环，带走设备的热量，起到散热的作用。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

1、本发明采用蒸发冷却技术，与以往水冷相比解决了大推力电动振动台的驱动线圈以及短路环热变形的问题。

2、本发明蒸发冷却利用液体介质汽化的潜热，由于汽化吸热远比比热吸热强烈，在同样的交换条件下它可以比水冷具有更小的热交换面积。

3、本发明利用液相和气液双相的比重差实现无泵自循环。蒸发冷却的气侧压力可以设计为运行时接近0.1Mpa正压，停机时成负压，减小了泄漏的可能性，而水冷时压力较高，泄漏的可能性更大。同时无泵自循环节约了电能，提高了经济效益。

4、本发明冷却通道内的介质蒸发量会随着热量增加而加大，有自我调节能力，电动振动台各线圈之间的温差较小，所以不会出现水冷线圈空心导线局部高温形成气堵断水烧毁线圈的故障。

5、本发明蒸发冷却介质采用沸点为50～60℃的氟碳化合物，这种介质无毒、无污染、不腐蚀金属，而且具有良好的绝缘性能，即使稍有泄漏也不会引起绝缘的损坏而引发事故。

6、本发明采用蒸发冷却方式，由于冷却效果好，不需要象水冷那样提供大流量水流，所以避免了水冷的钻孔现象，提高了电动振动台的使用寿命。

7、本发明蒸发冷却在工作时，冷却介质呈气液双相，提高了驱动线圈的自身的共振频率，降低了电动振动台的失真度。

8、本发明由于运用了高效率、高可靠性的冷却方式，克服了风冷与水冷的各自缺点，可以在电动振动台中实现大功率，高可靠性的冷却。

附图说明

附图1为现有电动振动试验台结构和原理示意图；

附图2为本发明实施例一电动振动试验台蒸发冷却系统示意图；

附图3为本发明实施例一励磁线圈冷却通道设计示意图；

附图4为本发明实施例一驱动线圈冷却通道设计示意图；

附图5为本发明实施例二电动振动试验台蒸发冷却系统示意图；

附图6为本发明实施例二励磁线圈增加夹层水套冷却的结构示意图。

以上附图中，1、热交换器；2、储液箱；3、单向阀；4、电动振动台；5、短路环冷却通道；6、驱动线圈冷却通道；7、励磁线圈冷却通道；8、冷却介质；9、台面；10、驱动线圈(动圈)；11、励磁线圈；12、短路环；13、外冷却水进口；14、外冷却水出口；15、冷却管；16、密闭腔体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图2所示，一种大推力电动振动试验台的蒸发冷却系统，由冷却介质8和循环冷却回路两部分组成。冷却介质采用沸点为50～60℃的氟碳化合物，具体选择R-113、FLA、FF31-阿、FF31L中的一种。循环冷却回路由冷却通道、热交换器1、储液箱2、单向阀3依次经管道串联构成，其中，冷却通道由励磁线圈冷却通道7、驱动线圈冷却通道6和短路环冷却通道5并联构成。驱动线圈冷却通道6为空心驱动线圈的内管，采用单进单出的设计，如图4所示，整个空心驱动线圈管体作为线圈绕组，内管作为一条冷却通道。励磁线圈冷却通道7为空心励磁线圈的内管，采用分段并联设计，因为励磁绕圈很长(20T推力的绕组长L≈500m)，所以励磁必须采用冷却管路并联，电路串联的结构，增强冷却效果，如图3所示，整个空心励磁线圈分成五段，各段管体串联构成线圈绕组，各段内管通过冷却管15并联构成冷却通道。短路环冷却通道5为设在内短路环位置上的管道，见图1中的短路环位置。热交换器1由冷却水散热通道和冷却介质通道构成，冷却水散热通道见图2的外冷却水进口13和外冷却水出口14。储液箱2为一与空气连通的容器，容器设有冷却介质进口和出口。储液箱2的介质出口经单向阀3分别连接励磁线圈11、驱动线圈10和短路环12的三个支冷却通道进口，三个支冷却通道出口连接热交换器1的冷却介质通道进口，热交换器1的冷却介质通道出口连接储液箱2的介质进口，以此构成自循环蒸发冷却回路。

工作时，冷却介质8注入驱动线圈冷却通道6、励磁线圈冷却通道7以及短路环冷却通道5。在常温下，冷却介质8呈液态，当随着电动振动台通入电流工作，短路环12、驱动线圈10以及励磁线圈11发热产生热量，由于比热交换，冷却介质8温度随之上升，当冷却介质8的温度超过沸点50℃时，冷却介质8沸腾蒸发成气体，密度减小，压力上升。在压差作用下，气体流向热交换器1，与外冷却水发生热交换，温度降到沸点以下冷凝成液体状态，电动振动台4内部产生的热量随着蒸发的气体冷凝成液体带出热量，液体状态的冷却介质8回流到储液箱2内。当电动振动台中的冷却介质8随着冷凝过程，内部的压强降低，通过单向阀自吸储液箱2内的液体冷却介质，重复上述过程，所以蒸发冷却的系统无需外加动力，就能自循环。

实施例二：参见图5所示，一种大推力电动振动试验台的蒸发冷却系统，由冷却介质8和循环冷却回路两部分组成。与实施例一的不同之处在于：励磁线圈冷却通道采用浸泡式设计(适用于特大功率的电动台，F>30T)。浸泡式设计是将电动台的励磁线圈11采用普通的线圈形式密封在一个装有冷却介质8的腔体内，如图6所示，即励磁线圈11整体浸泡在一个密闭腔体16中，密闭腔体16作为冷却通道。另外在密闭腔体16外围设有夹层，夹层中通有冷却水，以提高冷却效果。此种结构可运用于特大型电动振动台(例如推力F>40T)，关键在于保持腔内冷却介质8的工作压力在0.1MP左右。密封腔体的材料应采用耐腐蚀的顺磁体或者是工程塑料等，以免改变磁场的方向以及磁场强度。

其它结构与实施例一相同，这里不再重复描述。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种电动振动试验台蒸发冷却系统，由冷却介质和循环冷却回路两部分组成，其特征在于:冷却介质采用沸点为50～60℃的氟碳化合物；循环冷却回路由冷却通道、热交换器、储液箱、单向阀依次经管道串联构成，其中，冷却通道至少由励磁线圈冷却通道和驱动线圈冷却通道并联构成，驱动线圈冷却通道为空心驱动线圈的内管，励磁线圈冷却通道为空心励磁线圈的内管或浸泡励磁线圈的腔体；热交换器由冷却水散热通道和冷却介质通道构成；储液箱为一与空气连通的容器，容器设有冷却介质进口和出口；储液箱的介质出口经单向阀连接冷却通道进口，冷却通道出口连接热交换器的冷却介质通道进口，热交换器的冷却介质通道出口连接储液箱的介质进口，以此构成自循环蒸发冷却回路。

2、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述冷却通道还包括并联的短路环冷却通道，短路环冷却通道为设在短路环位置上的管道。

3、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述整个空心驱动线圈管体作为线圈绕组，内管作为一条驱动线圈冷却通道。

4、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述整个空心驱动线圈分成至少两段，各段管体串联构成线圈绕组，各段内管并联构成驱动线圈冷却通道。

5、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述整个空心励磁线圈分成至少两段，各段管体串联构成线圈绕组，各段内管并联构成励磁线圈冷却通道。

6、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述励磁线圈整体浸泡在一个密闭腔体中，腔体作为励磁线圈冷却通道。

7、根据权利要求6所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述密闭腔体外围设有夹层，夹层中通有冷却水。

8、根据权利要求1所述的电动振动试验台蒸发冷却系统，其特征在于:所述氟碳化合物选自R-113、FLA、FF31-阿、FF31L之一。

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