CN106455178A - 一种封闭式液氮自循环快速冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，包括：液氮槽，液氮槽为封闭式，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀和外部冷却装置，安装在液氮槽内的液氮泵和低温绝缘材料连接块；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，电磁线圈中的电磁导线的中心开设有中心通孔，电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安装在电磁线圈上的通电电极。本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用液氮直接接触电磁导线换热和强制对流换热相结合的方式，电磁线圈外部散热和内部散热同时进行，大大提高电磁导线的散热效果，同时可以防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，保证电磁导线的使用寿命。

Description

一种封闭式液氮自循环快速冷却系统

技术领域

本发明属于快速冷却技术领域，具体涉及一种封闭式液氮自循环快速冷却系统。

背景技术

目前电磁线圈通常使用使用静态油冷的冷却方式，即：在线圈套筒内充入防火油，依靠防火油将线圈通电时产生的热量传出，防火油在线圈套筒中处于静止状态，热量完全依靠自然传导，在稳定运行后达到平衡温度100℃左右，该温度下长期运行会缩短线圈寿命。

而在科研和军工应用领域，基于产生强磁场的需要，经常使用一种脉冲式高功率电磁线圈，每个脉冲功率高达数兆瓦甚至数十兆瓦，这些能量大部分转换为废热，通过静态油冷的冷却方式不足以快速冷却电磁线圈，为保证电磁线圈正常使用，需要浸入液氮中工作，以求降低电阻和快速散热，但是由于导线外层有绝缘纤维层，当加载一个脉冲功率后，仅依靠导热和液氮自然对流换热，一般需要几十分钟到几小时的时间才能使电磁线圈降低到液氮温度，才能进行下一次功率加载，这大大降低了设备运行的效率，不利于设备高效运行。

目前市面上也采用过敞开式液氮自循环快速冷却系统，即液氮槽与大气相通，此时液氮槽内的液氮处于大气压下，液氮饱和温度为77K，液氮泵将饱和温度为77K的液氮加压或抽吸流经发热的电磁导线中心通孔，通过对流换热方式，将电磁线圈内部产生的热量快速带出，从而大大提高电磁导线的散热效果。但是由于液氮在大气压下容易气化，当液氮从电磁导线中心通孔的入口端流入和从电磁导线中心通孔的出口端流出时，容易产生相变，液氮相变过程中会导致电磁导线的内在应力发生改变，随着电磁导线工作时间的延长，会导致电磁导线的自身强度变弱，严重时会导致电磁导线破裂，从而缩短电磁导线的使用寿命。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，本系统使用液氮直接接触电磁导线换热和强制对流换热相结合的方式，从而大大提高电磁导线的散热效果，可将两次脉冲加载时间间隔由几小时降低到十几分钟以内，大大提高了电磁线圈的使用效率，同时采用封闭式液氮槽，在高压状态下防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，进而保证电磁导线的使用寿命。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，包括：液氮槽，所述液氮槽为密封液氮槽，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀，所述泄压阀用于维持液氮槽稳定在恒定压力下；安装在液氮槽上的外部冷却装置；安装在液氮槽内或者液氮槽外的液氮泵；安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块，所述低温绝缘材料连接块中心开设有通孔，所述通孔的一端与液氮泵的输出口连接；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，所述电磁线圈由截面积为圆形或者方形的电磁导线盘旋而成，所述电磁导线的中心开设有中心通孔，所述电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安装在电磁线圈上的通电电极。

在上述技术方案中，电磁线圈通过通电电极通电后产生强磁场，由于产生强磁场的过程中会伴随产生功率高达数兆瓦甚至数十兆瓦的脉冲，导致电磁线圈产生大量热量，为了确保电磁线圈产生的热量及时散去，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用双重降温的方式，首先通过将电磁线圈浸渍在液氮内，通过低温液氮将电磁线圈表面产生的热量通过直接接触换热的方式快速散发，但是由于电磁线圈的电磁导线内部的热量不能及时的向外传递，虽然电磁导线表面产生的热量被及时带走，但是由于电磁导线内部热量传递速度过慢，将会延迟整个电磁线圈的散热速率，为解决此问题，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用在电磁导线中心开设中心通孔，然后在中心通孔内注入流动的液氮，通过流动的液氮快速带走电磁导线内部的产生的巨大热量，通过外部散热和内部散热同时进行的方式，快速带走电磁线圈产生的巨大热量，从而大大提高电磁导线的散热效果，可将两次脉冲加载时间间隔降低到十几分钟以内，大大提高了电磁线圈的使用效率。

此技术方案中为了防止液氮在换热的过程中相变汽化，特将液氮槽设置为密封的液氮槽，通过泄压阀维持槽内处于一个大气压力下不变，通过外部冷却装置将槽内饱和状态液氮冷却的凝固点附近温度65K，通过调整计算热负荷，调整流量，可以保证液氮通过电磁线圈仅升温到饱和温度77k附近，而不发生相变如此一来，液氮在与电磁线圈换热时不发生相变只进行对流散热。维持液氮槽内压力不变，通过外部冷却装置将经过换热后温度升高的液氮冷却至65K，液氮泵将温度为65K的液氮加压或抽吸流经发热的电磁导线中心通孔，通过对流换热方式，将电磁线圈内部产生的热量快速带出，从而大大提高电磁导线的散热效果。当液氮从电磁导线中心通孔的入口端流入和从电磁导线中心通孔的出口端流出时，始终保持液态而不会发生相变，从而防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，进而保证电磁导线的使用寿命。

优选的，所述低温绝缘材料连接块包括连接块本体，所述连接块本体中心设置通孔，连接块本体左右两端分别设置有连接法兰固定孔，连接法兰通过螺钉固定在连接法兰固定孔上，左端的连接法兰用于与液氮泵的输出口连接，右端的连接法兰用于与电磁线圈连接。首先，电磁线圈和液氮泵的输送管路之间必需进行绝缘连接，否则容易引发安全事故；其次，由于电磁导线上的中心通孔较小，因此通入较大流量液氮，液氮泵压较大，很容易导致输送管路的破裂，因此需要考虑连接管路的低温耐压性。设置低温绝缘材料连接块的目的就是为了将电磁线圈和液氮泵的输送管路之间进行绝缘连接，同时通过在低温绝缘材料连接块中开设一个截面积较大的通孔，在液氮泵向电磁线圈注入较大流量液氮的时候，起到缓冲泵压的作用，起到防止输送管路破裂的作用。

优选的，所述连接块本体为聚酰亚胺树脂块或者陶瓷，聚酰亚胺树脂块或者陶瓷均具有优异的低温绝缘性，而且自身强度高，在较高的压力下依旧能够保持较高的自身强度。

优选的，所述电磁导线中心开设的中心通孔的截面积与电磁导线的截面积之比为1:2～1:4。电磁导线中心通孔的截面积不宜过大，否则会导致电磁导线的壁厚过薄，在较大压力下注入液氮，会导致电磁导线破裂；同时电磁导线中心通孔的截面积也不宜过小，否则液氮注入困难，达不到及时带走电磁导线内部热量的目的。电磁导线中心通孔设置的原则是：在保证电磁导线强度的情况下，尽可能的扩大中心通孔的截面积。经过大量实验证明，当电磁导线中心开设的中心通孔的截面积与电磁导线的截面积之比为1:2～1:4时，即可保证电磁导线的强度，又可快速带走电磁导线内部的热量。

本发明提供的一种封闭式液氮自循环快速冷却系统及其染整方法的有益效果在于：

(1)本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用强制对流和直接接触冷却相结合的冷却方式，电磁线圈外部散热和内部散热同时进行，冷却效率要比原有仅仅将电磁线圈浸没在液氮中，靠自然对流冷却的效率高出数倍，冷却时间可以由原来的两小时降低到十五分钟，脉冲加载频率可以提高八倍，大大提高了设备的使用效率；

(2)本封闭式液氮自循环快速冷却系统，低温环境工质与冷却循环工质均采用液氮，大大提高液氮的使用效能，且液氮在冷却系统中自循环，避免了使用其它工质会在电磁导线中心孔内出现冰堵的问题，工质兼容性好；

(3)本封闭式液氮自循环快速冷却系统通过设置低温绝缘材料连接块既可将电磁线圈和液氮泵的输送管路之间进行绝缘连接，保证系统运行安全，又可通过在低温绝缘材料连接块中开设一个截面积较大的通孔，在液氮泵向电磁线圈注入较大流量液氮的时候，起到缓冲泵压的作用，起到防止输送管路破裂的作用。

(4)本封闭式液氮自循环快速冷却系统在高压密闭的环境中运行，当液氮从电磁导线中心通孔的入口端流入和从电磁导线中心通孔的出口端流出时，始终保持液态而不会发生相变，从而防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，进而保证电磁导线的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构连接示意图。

图2为本发明中电磁线圈的结构示意图。

图3为本发明中低温绝缘材料连接块的结构示意图。

图中：1、液氮槽；2、低温绝缘材料连接块；21、连接块本体；22、通孔；23、法兰；24、螺钉；3、通电电极；4、电磁线圈；41、电磁导线；42、中心通孔；5、液氮；6、液氮泵；7、外部冷却装置；8、泄压阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种封闭式液氮自循环快速冷却系统。

参照图1、图2和图3所示，一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，包括：液氮槽1，所述液氮槽1为密封液氮槽，液氮槽1内填充液氮5；安装下液氮槽1上的泄压阀8，所述泄压阀8用于维持液氮槽1内压力始终恒定在一个大气压下；安装在液氮槽1上的外部冷却装置7，外部冷却装置7可以是极速冷冻机，所述外部冷却装置7的作用是将经过换热后温度升高的液氮5冷却至65K；安装在液氮槽1内或者液氮槽1外的液氮泵6；安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块2，所述低温绝缘材料连接块2中心开设有通孔22，所述通孔22的一端与液氮泵6的输出口连接；安装在低温绝缘材料连接块2一端的电磁线圈4，所述电磁线圈4由截面积为圆形或者方形的电磁导线41盘旋而成，所述电磁导线41的中心开设有中心通孔42，所述电磁导线的中心通孔42与低温绝缘材料连接块2的中心通孔22对应连接，且低温绝缘材料连接块2的中心通孔22直径要大于电磁导线41中心通孔42的直径；以及安装在电磁线圈4上的通电电极3。

本实施例的的运行原理如下：电磁线圈4通过通电电极3通电后产生强磁场，由于产生强磁场的过程中会伴随产生功率高达数兆瓦甚至数十兆瓦的脉冲，导致电磁线圈4产生大量热量，为了确保电磁线圈4产生的热量及时散去，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用双重降温的方式，首先通过将电磁线圈4浸渍在液氮5内，通过低温液氮5将电磁线圈4表面产生的热量通过直接接触换热的方式快速散发，但是由于电磁线圈4中电磁导线41内部的热量不能及时的向外传递，虽然电磁导线41表面产生的热量被及时带走，但是由于电磁导线41内部热量传递速度过慢，将会延迟整个电磁线圈4的散热速率，为解决此问题，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用在电磁导线41中心开设中心通孔42，然后通过液氮泵6在中心通孔42内注入流动的液氮5，通过强制对流的液氮5快速带走电磁导线41内部的产生的巨大热量，通过外部散热和内部散热同时进行的方式，快速带走电磁线圈4产生的巨大热量，从而大大提高电磁线圈4的散热效果，可将两次脉冲加载时间间隔降低到十几分钟以内，大大提高了电磁线圈4的使用效率。同时由于本封闭式液氮自循环快速冷却系统中低温环境工质与冷却循环工质均采用液氮5，大大提高液氮5的使用效能，且液氮5在冷却系统中通过液氮泵6实现了自循环，避免了使用其它工质会在电磁导线41中心通孔42内出现冰堵的问题，工质兼容性好。

为了防止液氮5在换热的过程中相变汽化，特将液氮槽1设置为密封的液氮槽1，通过加压设备使液氮槽1内压力处于13.2MPa，此时对应的液氮5饱和温度为108K，由于液氮5的饱和温度升高，如此一来，液氮5在与电磁线圈4换热时不发生相变只进行对流散热.维持液氮槽1内压力不变，通过外部冷却装置7将经过换热后温度升高的液氮5冷却至65K，液氮泵6将温度为65K的液氮5加压或抽吸流经发热的电磁导线41中心通孔42，通过对流换热方式，将电磁线圈4内部产生的热量快速带出，从而大大提高电磁导线41的散热效果。当液氮5从电磁导线41中心通孔42的入口端流入和从电磁导线41中心通孔42的出口端流出时，始终保持液态而不会发生相变，从而防止液氮5流经电磁导线41中心通孔42时造成电磁导线41的内在应力发生改变，进而保证电磁导线41的使用寿命。

参照图2和图3所示，在液氮泵6与电磁线圈4之间需要设置绝缘连接装置，现实情况中由于电磁线圈4上的中心通孔较小，因此通入较大流量液氮5时，液氮泵6的泵压很大，因此对连接管路的低温耐压性要求极高，从一定程度上增加了系统运行的难度，为了解决此问题，本封闭式液氮自循环快速冷却系统在液氮泵6与电磁线圈4之间设置低温绝缘材料连接块2，具体的连接方式如图2所示，所述低温绝缘材料连接块2包括连接块本体21，连接块本体21为耐低温陶瓷材质，陶瓷均具有优异的低温绝缘性，而且自身强度高，在较高的压力下依旧能够保持较高的自身强度；所述连接块本体21中心设置通孔22，连接块本体21左右两端分别设置有连接法兰固定孔，连接法兰23通过螺钉24固定在连接法兰固定孔上，左端的连接法兰23用于与液氮泵6的输出口连接，右端的连接法兰23用于与电磁线圈4连接。首先，由于电磁线圈4和液氮泵6的输送管路之间必需进行绝缘连接，否则容易引发安全事故，通过低温绝缘材料连接块2将电磁线圈4和液氮泵6的输送管路之间进行绝缘连接可以保障系统的安全运行；其次，由于电磁导线41上的中心通孔42直径较小，因此通入较大流量液氮5时，液氮泵6的泵压很大，很容易导致输送管路的破裂，为了防止输送管路破裂，在低温绝缘材料连接块2中心开设一个截面积较大的通孔22，在液氮泵6向电磁线圈4注入较大流量液氮5的时候，起到缓冲泵压的作用，从而防止输送管路破裂，降低系统运行对输送管路的要求。

由于陶瓷均具有优异的低温绝缘性，而且自身强度高，在较高的压力下依旧能够保持较高的自身强度。为了保证系统的高效运行，本实施例中选择陶瓷作为连接块本体21的制作材料。

本实施例中，所述电磁导线41中心开设的中心通孔42的截面积与电磁导线41的截面积之比为1:3，电磁导线41的截面积为30mm²，电磁导线41中心开设的中心通孔42的截面积为10mm²。电磁导线41中心通孔42的截面积不宜过大，否则会导致电磁导线41的壁厚过薄，在较大压力下注入液氮5，会导致电磁导线41破裂；同时电磁导线41中心通孔42的截面积也不宜过小，否则液氮5注入困难，达不到及时带走电磁导线41内部热量的目的。电磁导线41中心通孔42设置的原则是：在保证电磁导线41强度的情况下，尽可能的扩大中心通孔42的截面积。经过大量实验证明，当电磁导线41中心开设的中心通孔42的截面积与电磁导线41的截面积之比为1:3时，即可保证电磁导线41的强度，又可快速带走电磁导线41内部的热量。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于包括：

液氮槽，所述液氮槽为密封液氮槽，液氮槽内填充液氮；

安装在液氮槽上的泄压阀，所述泄压阀用于维持液氮槽稳定在恒定压力下；

安装在液氮槽上的外部冷却装置；

安装在液氮槽内或者液氮槽外的液氮泵；

安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块，所述低温绝缘材料连接块中心开设有通孔，所述通孔的一端与液氮泵的输出口连接；

安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，所述电磁线圈由截面积为圆形或者方形的电磁导线盘旋而成，所述电磁导线的中心开设有中心通孔，所述电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及

安装在电磁线圈上的通电电极。

2.如权利要求1所述的封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于：所述低温绝缘材料连接块包括连接块本体，所述连接块本体中心设置通孔，连接块本体左右两端分别设置有连接法兰固定孔，连接法兰通过螺钉固定在连接法兰固定孔上，左端的连接法兰用于与液氮泵的输出口连接，右端的连接法兰用于与电磁线圈连接。

3.如权利要求2所述的封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于：所述连接块本体为聚酰亚胺树脂块或者陶瓷。

4.如权利要求1所述的封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于：所述电磁导线中心开设的中心通孔的截面积与电磁导线的截面积之比为1:2～1:4。