CN109243752B - 一种辅助冷却装置和冷却设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种辅助冷却装置和冷却设备，本申请提供的辅助冷却装置在使用时，将低温液体通过进液管注入热管，热管将低温液体传输至热沉，热沉吸收连接的被冷却高温超导线圈的热量，而热管内不断注入的低温液体又通过回气管将热沉吸收的热量带走，进而对被冷却高温超导线圈进行冷却，当高温超导线圈被冷却至低温液体温度时，将进液管、热管和回气管的内部抽真空，关闭进液真空阀和回气真空阀，使进液管、热管和回气管保持真空状态，再通过制冷机对高温超导线圈继续降温冷却，减少了制冷机的冷却时间，解决了解决现有的超导磁体直接采用制冷机进行低温冷却，存在降温时间过长，从而制约超导磁体的应用的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及传热设备技术领域，尤其涉及一种辅助冷却装置和冷却设备。
背景技术
超导技术的发展，给电工技术带来了质的飞跃，在强电领域和弱电领域均得到了广泛的应用。
超导磁体需要维持在超导温度以下，才能保证正常运行。传统的超导磁体冷却方式一般是将超导磁体浸泡在低温液体中，采用液氦、液氮等低温介质做冷却剂进行冷却，而应用最为广泛的冷却装置是制冷机。文献《150kJ/100kW直接冷却高温超导磁储能系统》(徐颖,任丽,唐跃进,等.150kJ/100kW直接冷却高温超导磁储能系统.储能科学与技术,2015,4(4):394-401)提出了一种传导冷却高温超导线圈结构，其采用两台制冷机和导冷结构对超导磁体进行冷却，其中，单极制冷机用来冷却超导磁体，二级制冷机的两级冷头分别用来冷却电流引线和辐射屏。实验结果表明，即便采用了两台制冷机，也花费了大约35小时才将超导磁体冷却至17.7K。
与低温液体浸泡式超导磁体相比，制冷机直接冷却的超导磁体需要完全通过制冷机冷头输出的冷量进行冷却，而低温制冷机的制冷功率相对较低。以应用较为广泛的一种制冷机为例，制冷机的二级冷头在4.2K下的制冷功率仅为1.5W，若采用1台制冷机将100kg的超导磁体(假定以铜为主)从300K冷却至4.2K，则需要大约1450小时。显然，如此长的降温时间将极大制约传导冷却超导磁体的应用。
发明内容
本申请提供了一种辅助冷却装置和冷却设备，用于解决现有的超导磁体直接采用制冷机进行低温冷却，存在降温时间过长，从而制约超导磁体的应用的技术问题。
本申请第一方面提供了一种辅助冷却装置，包括：热管、热沉、进液管、回气管、进液真空阀和回气真空阀；
所述热管为弯曲盘管；
所述热沉通过第一固定组件与所述热管固定连接；
所述热沉与高温超导线圈连接，并通过第二固定组件固定；
所述进液真空阀设置于所述进液管上；
所述回气真空阀设置于所述回气管上。
优选地，所述进液管为进液直管，所述回气管为回气直管。
优选地，所述进液管与所述热管的连接处通过焊接固定，所述回气管与所述热管的连接处通过焊接固定。
优选地，所述第一固定组件和所述第二固定组件均包括：螺栓和法兰。
优选地，所述热沉上涂覆有低温导热硅脂。
优选地，所述热管与所述热沉的接触位置、所述热沉与所述高温超导线圈的接触位置，均涂覆有导热脂。
优选地，所述法兰和所述热沉均为环状结构，所述法兰和所述热沉的内径为300mm，所述法兰和所述热沉的外径为500mm。
优选地，所述热管的截面为10mm×10mm，所述热管的壁厚为0.5mm。
优选地，所述热管为高导热材质，所述进液管和所述回气管均为低导热材质。
本申请第二方面提供了一种冷却设备，包括：制冷机、低温容器和如第一方面所述辅助冷却装置；
所述辅助冷却装置和所述高温超导线圈均放置在密封的低温容器中，所述进液管通过所述低温容器的上盖的第一通孔穿出所述低温容器，所述回气管通过所述低温容器的上盖的第二通孔穿出所述低温容器，所述进液真空阀和所述回气真空阀均设置在所述上盖外部；
所述制冷机通过所述低温容器的上盖的第三通孔与所述低温容器连接；
所述制冷机与所述上盖的连接处通过焊接密封固定。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请中提供的一种辅助冷却装置，包括：热管、热沉、进液管、回气管、进液真空阀和回气真空阀；热管为弯曲盘管；热沉通过第一固定组件与热管固定连接；热沉与高温超导线圈连接，并通过第二固定组件固定；进液真空阀设置于进液管上；回气真空阀设置于回气管上。本申请提供的辅助冷却装置，在常规制冷机直接冷却超导装置的基础上，增加热管和热沉，在使用时，将低温液体通过进液管注入热管，热管将低温液体传输至热沉，热沉吸收连接的被冷却高温超导线圈的热量，而热管内不断注入的低温液体又通过回气管将热沉吸收的热量带走，进而对被冷却高温超导线圈进行冷却，当高温超导线圈被冷却至低温液体温度时，将进液管、热管和回气管的内部抽真空，关闭进液真空阀和回气真空阀，使进液管、热管和回气管保持真空状态，再通过制冷机对高温超导线圈继续降温冷却，减少了制冷机的冷却时间，解决了解决现有的超导磁体直接采用制冷机进行低温冷却，存在降温时间过长，从而制约超导磁体的应用的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中提供的一种辅助冷却装置的结构示意图；
图2为本申请实施例中提供的一种冷却设备的结构示意图；
其中，附图标记为：
1、热管；2、进液管；3、回气管；4、进液真空阀；5、回气真空阀；6、热沉；7、高温超导线圈；8、上盖；9、制冷机。
具体实施方式
本实申请实施例公开了一种辅助冷却装置和冷却设备，用于解决现有的超导磁体直接采用制冷机进行低温冷却，存在降温时间过长，从而制约超导磁体的应用的技术问题。
为了便于理解，请参阅图1和图2，本申请提供了一种辅助冷却装置的一个实施例，本申请实施例提供的辅助冷却装置，包括：热管1、热沉6、进液管2、回气管3、进液真空阀4和回气真空阀5；
热管1为弯曲盘管；
热沉6通过第一固定组件与热管1固定连接；
热沉6与高温超导线圈6连接，并通过第二固定组件固定；
进液真空阀4设置于进液管2上；
回气真空阀5设置于回气管3上。
需要说明的是，辅助冷却装置和高温超导线圈7均放置在密封的低温容器中，进液管2通过低温容器的上盖8的第一通孔穿出低温容器，回气管3通过低温容器的上盖8的第二通孔穿出低温容器，进液真空阀4和回气真空阀5均设置在上盖8外部。
高温超导线圈即为超导磁体。本申请实施例中提供的辅助冷却装置，是在常规制冷机9直接冷却超导装置的基础上增加热管1和热沉6，热管1和热沉6通过第一固定组件进行良好的导热连接固定，而热沉6通过第二固定组件固定在被冷却的高温超导线圈7上，固定时应尽可能增大热管1与热沉6、热沉6与被冷却高温超导线圈7之间的接触面积。使用时，将低温液体(如液氮、液氩等)注入热管1，热管1将低温液体传输至热沉6。热沉6吸收连接的被冷却高温超导线圈7的热量，而热管1内不断注入的低温液体又将热沉6吸收的热量带走，进而对被冷却高温超导线圈7进行冷却。由于低温液体最多只能将被冷却高温超导线圈7冷却到低温液体本身的温度，因此当高温超导线圈7达到低温液体的温度值后，需要启动正常制冷机直接冷却装置的制冷机9，对高温超导线圈7进行继续降温。与此同时，将热管1内部抽成真空，并通过进液真空阀门4和回气真空阀门5保持热管1的真空，以减少热管1的漏热。先使用辅助冷却装置进行降温冷却，能够达到减少制冷机9对高温超导线圈7降温时间的目的。
本申请实施例中提供的一种辅助冷却装置，包括：热管1、热沉6、进液管2、回气管3、进液真空阀4和回气真空阀5；热管1为弯曲盘管；热沉6通过第一固定组件与热管1固定连接；热沉6与高温超导线圈7连接，并通过第二固定组件固定；进液真空阀4设置于进液管2上；回气真空阀5设置于回气管3上；辅助冷却装置和高温超导线圈7均放置在密封的低温容器中，进液管2通过低温容器的上盖8的第一通孔穿出低温容器，回气管3通过低温容器的上盖8的第二通孔穿出低温容器，进液真空阀4和回气真空阀5均设置在上盖8外部。本申请提供的辅助冷却装置，在常规制冷机9直接冷却超导装置的基础上，增加热管1和热沉2，在使用时，将低温液体通过进液管4注入热管1，热管1将低温液体传输至热沉6，热沉6吸收连接的被冷却高温超导线圈7的热量，而热管1内不断注入的低温液体又通过回气管3将热沉6吸收的热量带走，进而对被冷却高温超导线圈7进行冷却，当高温超导线圈7被冷却至低温液体温度时，将进液管2、热管1和回气管3的内部抽真空，关闭进液真空阀4和回气真空阀5，使进液管2、热管1和回气管3保持真空状态，再通过制冷机9对高温超导线圈7继续降温冷却，减少了制冷机9的冷却时间，解决了解决现有的超导磁体直接采用制冷机9进行低温冷却，存在降温时间过长，从而制约超导磁体的应用的技术问题。
以上是本申请提供的一种辅助冷却装置的一个实施例，以下是本申请提供的一种辅助冷却装置的另一个实施例。
请参阅图1和图2，本申请提供了一种辅助冷却装置的另一个实施例，本申请实施例提供的一种辅助冷却装置，包括：热管1、热沉6、进液管2、回气管3、进液真空阀4和回气真空阀5；
热管1为弯曲盘管，热管1每圈设置有间隔；
热沉6设置于间隔内，并通过第一固定组件与热管1固定连接；
热沉6与高温超导线圈6连接，并通过第二固定组件固定；
进液真空阀4设置于进液管2上；
回气真空阀5设置于回气管3上。
进一步地，进液管2为进液直管，回气管3为回气直管。
需要说明的是，本申请实施例中进液管2可以是进液直管，回气管3可以是回气直管，直管的设计形式有利于液体和气体的畅通传输，提高冷却效率。
进一步地，进液管2与热管1的连接处通过焊接固定，回气管3与热管1的连接处通过焊接密封固定。
进一步地，第一固定组件和第二固定组件均包括：螺栓和法兰。
进一步地，热沉6上涂覆有低温导热硅脂。
进一步地，热管1与热沉6的接触位置、热沉6与高温超导线圈7的接触位置，均涂覆有导热脂。
进一步地，法兰和热沉6均为环状结构，法兰和热沉6的内径为300mm，法兰和热沉的外径为500mm。
进一步地，热管1的截面为10mm×10mm，热管1的壁厚为0.5mm。
进一步地，热管1为高导热材质，进液管2和回气管3均为低导热材质。
需要说明的是，本申请实施例中，热沉6采用铜、铝等具有较高热导率的金属块材加工而成，通过螺栓固定在高温超导线圈7的上法兰上方，其形状需根据被冷却的高温超导线圈7法兰结构确定，以尽量贴合高温超导线圈7的上法兰为宜。热沉6的上下表面需加工平整，在使用时需在其上涂覆低温导热硅脂，以便热管1与热沉6、热沉6与高温超导线圈7之间贴合更为紧密。
本申请实施例中，高温超导线圈7的上法兰为内径300mm、外径500mm的环状结构，因此热沉6采用厚度为20mm的紫铜板加工成内径300mm、外径500mm的环状，并通过螺栓固定在高温超导线圈7的上法兰上方。热沉的上下表面需加工平整，在使用时需在其上涂覆低温导热硅脂，以便热管1与热沉6、热沉6与高温超导线圈7之间贴合更为紧密。本实施例中，在热管1与热沉6接触部位、热沉6与高温超导线圈7接触部位等均涂抹有导热脂。
本申请实施例中，热管1采用铜、铝等具有高热导率的材料制作，且通过螺栓固定在热沉6上方。为更好的与热沉6贴合，热管1可以选择为矩形截面或其它任意与热沉6贴合方便的截面形式。热管1可以采用截面为10mm×10mm、壁厚为0.5mm的紫铜管弯曲而成。热管1在与热沉接触位置尽量多进行弯曲，弯曲时以不损害管道的前提下在同等面积下尽量增大换热面积。进液管2用于将低温液体从低温容器的外部注入到热管1内，为降低正常运行时经进液管2的传导漏热，进液管2可以采用不锈钢等热导率较低的材料制作；进液真空阀4为常规手动真空阀门，安装于进液管2通路上，当预冷却完成后，需要将热管1内部抽成真空，进液真空阀4就用于维持热管1内部的真空度；回气管3结构与进液管2基本一致，用于将热管1部位的低温液体气化后产生的气体排出低温容器的外部，为降低正常运行时经回气管3的传导漏热，回气管3可以采用不锈钢等热导率较低的材料制作；回气真空阀5与进液真空阀4结构和作用相同，均用于维持在预冷完成后热管1内部的真空度，并且安装于相应的回气管3通路上。热管1与进液管2、回气管3通过焊接连接，保证在低温条件下焊接位置不发生泄漏。使用时，低温液体从进液直2管注入，经热管1处与热沉6接触，低温液体因吸收热沉6交换的热量而气化，进而从回气管3排出低温容器。由于传导冷却高温超导线圈7的低温容器内部均为高真空，因此要求热管1整体为封闭结构，在从室温端穿过低温容器的法兰时必须通过焊接或法兰连接等方式进行密封。为降低正常运行时沿热管1的传导漏热，在完成预冷却后，热管1内部空间应抽成真空，分别通过进液真空阀门4和回气真空阀门5进行密封。本实施例中，进液管2和回气管直管3均采用截面为10mm×10mm、壁厚为0.5mm的304不锈钢制作，其穿过低温容器的上盖8的部位采用焊接方式进行固定，且与热管1部位的紫铜管也通过焊接进行连接。
请参图1和图2本申请实施例中还提供了一种冷却设备，包括：制冷机9、前述的低温容器和前述的任一种辅助冷却装置；
辅助冷却装置和高温超导线圈7均放置在密封的低温容器中，进液管2通过低温容器的上盖8的第一通孔穿出低温容器，回气管3通过低温容器的上盖8的第二通孔穿出低温容器，进液真空阀4和回气真空阀5均设置在上盖8外部。
制冷机9通过低温容器的上盖8的第三通孔与低温容器连接；
制冷机9与上盖8的连接处通过焊接密封固定。
本申请实施例还提供了一种冷却设备的应用例，在本申请实施例中，被冷却的高温超导线圈为100kg紫铜材料，其在300K下的焓值为H(300K)＝7.96×106J，80K为H(80K)＝0.6×106J，20K为H(20K)＝3.4×103J。该数值表明，如果将该高温超导线圈从300K冷却至80K，则需要吸收H(300K)-H(80K)＝7.36×106J的冷量；如果将该高温超导线圈从80K冷却至20K，则需要吸收H(80K)-H(20K)＝0.5986×106J的冷量；如果将该高温超导线圈从300K冷却至20K，则需要吸收H(300K)-H(20K)＝7.95×106J的冷量。所用制冷机为AL 325型单极制冷机，其制冷功率为100W，最低温度为20K。对于常规直接冷却装置，其采用制冷机对高温超导线圈进行直接制冷，那么所需时间为[H(300K)-H(20K)]/100W＝22小时。若采用本申请提供的辅助冷却装置，由液氮(-196℃)首先将高温超导线圈从300K降温至80K(约需1小时)，再用制冷机将高温超导线圈从80K冷却至20K，则制冷机所需工作时间仅为[H(80K)-H(20K)]/100W＝1.7小时。由此可知，采用辅助冷却装置后，可以大幅减少制冷机的降温时间，既节约了时间，又能够延长制冷机的使用时间。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种冷却设备，其特征在于，包括：制冷机、低温容器和辅助冷却装置；
所述辅助冷却装置包括：热管、热沉、进液管、回气管、进液真空阀和回气真空阀；
所述热管为弯曲盘管；
所述热沉通过第一固定组件与所述热管固定连接；
所述热沉与高温超导线圈连接，并通过第二固定组件固定；
所述进液真空阀设置于所述进液管上；
所述回气真空阀设置于所述回气管上；
所述辅助冷却装置和所述高温超导线圈均放置在密封的低温容器中，所述进液管通过所述低温容器的上盖的第一通孔穿出所述低温容器，所述回气管通过所述低温容器的上盖的第二通孔穿出所述低温容器，所述进液真空阀和所述回气真空阀均设置在所述上盖外部；
所述制冷机通过所述低温容器的上盖的第三通孔与所述低温容器连接；
所述制冷机与所述上盖的连接处通过焊接密封固定；
所述热沉上涂覆有低温导热硅脂；
所述热管与所述热沉的接触位置、所述热沉与所述高温超导线圈的接触位置，均涂覆有导热脂；
所述第一固定组件和所述第二固定组件均包括：螺栓和法兰；
所述法兰和所述热沉均为环状结构，所述法兰和所述热沉的内径为300mm，所述法兰和所述热沉的外径为500mm；
所述热管的截面为10mm×10mm，所述热管的壁厚为0.5mm；
所述进液管和所述回气管均为低导热材质；
所述热沉采用铜或铝加工而成，所述热沉通过螺栓固定在高温超导线圈的上法兰上方，贴合高温超导线圈的上法兰设置。
2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述进液管为进液直管，所述回气管为回气直管。
3.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述进液管与所述热管的连接处通过焊接固定，所述回气管与所述热管的连接处通过焊接密封固定。
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| "基于ANSYS的传导冷却超导磁体系统的热分析";宋晓卫等;《低温与超导》;全文 * |
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