CN109285646B - 一种用于冷屏快速降温的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷屏快速降温的结构，包括制冷机、进口阀、室温杜瓦、注液通道、冷屏、热管、液氦容器、排气通道、出口阀、冷凝换热器和外部输液管，所述制冷机纵向贯穿设置在室温杜瓦中部上方，该制冷机向该冷凝换热器提供冷量，且所述热管与冷屏热耦合。本发明的有益效果是：本发明通过从外部向热管引入低温液体，可以快速吸收与热管热耦合的冷屏外筒及冷屏端板的热量，实现冷屏的快速降温。利用低温液体形成的“气‑液循环”可以有效维持冷屏低温，且无需额外补充低温液体。与目前利用铜编织带传导冷却冷屏的技术相比，本发明中的结构与方法具有结构紧凑、冷却对象温差小的优点，本发明牢固耐用，具有良好的社会效益，适合推广使用。

Description

一种用于冷屏快速降温的结构及方法

技术领域

本发明涉及一种快速降温的结构，具体为一种用于冷屏快速降温的结构及方法，属于用于冷屏快速降温的结构应用技术领域。

背景技术

低温恒温器是科学研究和工业生产中常用的测量或储存装置，在一些情况下，对其内部低温环境的稳定性要求较高，如用于超导磁体的低温恒温器，要维持其内部的低温环境，就必须有效降低外界对其低温环境的辐射传热。

安装冷屏是一种能够大幅降低辐射传热的方法。因此冷屏是低温超导磁体的重要组成部分，也是实现超导磁体低温环境“零挥发”的关键技术之一。目前常规的冷屏用铝板或铜板制成，用铜编织带将辐射屏与GM制冷机一级冷头连接，冷头的冷量通过铜编织带传导至冷屏，从而降低冷屏温度。

现有技术有以下几个缺点：

一、当一级冷头与冷屏距离较远，且需要保证一定的导冷量的情况下，所用的导冷铜编织带需要变粗、变长，这样不仅会造成装配空间狭小、磁体体积增加，也会使与一级冷头连接的铜法兰承受较重的铜编织带重量，导致该铜法兰与冷头的配合尺寸很难保证，降低了导冷效率；

二、冷量在辐射屏内部是通过固体传导的方式从局部传向整体，因此，当辐射屏面积较大时，导冷时间变长，同时冷屏上会存在明显的温差，对冷屏的防辐射效果有一定的影响。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述的问题，而提出一种用于冷屏快速降温的结构及方法，本发明通过从外部向热管引入低温液体，可以快速吸收与热管热耦合的冷屏外筒及冷屏端板的热量，实现冷屏的快速降温。利用低温液体形成的“气-液循环”可以有效维持冷屏低温，且无需额外补充低温液体。与目前利用铜编织带传导冷却冷屏的技术相比，本发明中的结构与方法具有结构紧凑、冷却效率高、冷却范围广、冷却对象温差小的优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于冷屏快速降温的结构，包括制冷机、进口阀、室温杜瓦、注液通道、冷屏、热管、液氦容器、排气通道、出口阀、冷凝换热器和外部输液管，所述制冷机纵向贯穿设置在室温杜瓦中部上方，该制冷机向该冷凝换热器提供冷量，且所述热管与冷屏热耦合，所述制冷机下方设置有冷凝换热器且所述注液通道与所述排气通道分别纵向设置在所述热管两端上方，所述热管套设在室温杜瓦内部，且所述进口阀设置在所述注液通道的入口处，所述出口阀设置在所述排气通道的出口处，该进口阀和该出口阀关闭后，可形成封闭空间。该封闭空间由以下部分组成：该注液通道、排气通道、热管、冷凝换热器，其中，该热管与该冷凝换热器组成冷却路径；

其中，所述注液通道侧壁一端垂直贯穿设置有出液管段，且所述排气通道侧壁一端垂直贯穿设置有回气管段，所述冷凝换热器通过所述出液管段和所述回气管段分别与所述注液通道和所述排气通道连接；

其中，所述注液通道内部上方贯穿套设有外部输液管，低温液体可通过该外部注液管注入该热管，该低温液体汽化产生的气体可由该排气通道排出该热管，该低温冷却液体可以选自液氮、液氖或液氢。

本发明的进一步技术改进在于：注液通道、热管、排气通道、出液管段、回气管段和冷凝换热器内部之间均相互连通。

本发明的进一步技术改进在于：所述注液通道与出液管段的连接处设置有热管入口连接口，且所述排气通道与回气管段的连接处设置有热管出口连接口，方便注液通道、热管、排气通道、出液管段、回气管段和冷凝换热器内部之间连通。

本发明的进一步技术改进在于：所述热管的出液管段的高度低于热管的回气管段的高度。

本发明的进一步技术改进在于：所述热管与冷屏之间热耦合。

本发明的进一步技术改进在于：所述外部输液管贯穿进口阀，且所述外部输液管底部的高度低于热管入口连接口的高度，防止冷却液直接进入热管的排气通道，造成冷量浪费。

本发明的进一步技术改进在于：所述冷凝换热器下方设置有液氦容器，且冷凝换热器与液氦容器内部之间相互连通，保证冷凝换热器能够正常进行冷凝换热工作。

一种用于冷屏快速降温的方法，该方法快速降低冷屏温度，执行以下步骤：将该外部输液管插入注液通道中，插入后该外部输液管下端口低于热管入口连接口，然后从该外部输液管注入低温液体，该低温液体流入与该冷屏热耦合的热管，并吸收该冷屏热量，汽化为气体，使该冷屏温度迅速降低，低温液体汽化形成的气体由排气通道排出，待该冷屏温度降到设定温度，该低温液体在热管中达到设定液面，停止注入该低温液体，然后关闭进口阀和出口阀，使注液通道、排气通道、热管、冷凝换热器形成该封闭空间，其中，该热管与该冷凝换热器组成该冷却路径；

该方法维持冷屏温度，执行以下步骤：开启制冷机向该冷凝换热器提供冷量，在该冷却路径中，该低温液体吸收该冷屏热量，汽化为气体，通过该热管的回气管段进入该冷凝换热器，吸收该冷凝换热器的冷量，并被重新冷却为低温液体，由于重力作用，该低温液体流出该冷凝换热器，通过热管的出液管段，再次流入热管，并吸收冷屏热量，由此，在该冷却路径中，该低温液体形成“气-液”循环，不断吸收该冷屏热量，使冷屏维持在设定的温度值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过从外部向热管引入低温液体，可以快速吸收与热管热耦合的冷屏外筒及冷屏端板的热量，实现冷屏的快速降温。利用低温液体形成的“气-液循环”可以有效维持冷屏低温，且无需额外补充低温液体。与目前利用铜编织带传导冷却冷屏的技术相比，本发明中的结构与方法具有结构紧凑、冷却效率高、冷却范围广、冷却对象温差小的优点，本发明牢固耐用，具有良好的社会效益，适合推广使用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中热管与冷屏热耦合的结构示意图；

图3为本发明中热管与冷屏热耦合的结构正视图。

图4为本发明中外部输液管插入注液通道后的示意图。

图中：1、制冷机；2、进口阀；3、室温杜瓦；4、注液通道；5、冷屏；6、热管；601、出液管段；602、回气管段；603、热管入口连接口；7、液氦容器；8、排气通道；9、出口阀；10、冷凝换热器；11、翅板；12、外部输液管。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4所示，一种用于冷屏快速降温的结构，包括制冷机1、进口阀2、室温杜瓦3、注液通道4、热管6、液氦容器7、排气通道8、出口阀9、冷凝换热器10和外部输液管12，制冷机1纵向贯穿设置在室温杜瓦3中部上方，该制冷机1向该冷凝换热器10提供冷量，且热管6与冷屏5热耦合，制冷机1 下方设置有冷凝换热器10且注液通道4与排气通道8分别纵向设置在热管6两端上方，热管6套设在室温杜瓦3内部，且进口阀2设置在注液通道4的入口处，出口阀9设置在排气通道8的出口处，该进口阀2和该出口阀9关闭后，可形成封闭空间。该封闭空间由以下部分组成：该注液通道4、排气通道8、热管6、冷凝换热器10，其中，该热管6与该冷凝换热器10组成冷却路径；

其中，注液通道4侧壁一端垂直贯穿设置有出液管段601，且排气通道8侧壁一端垂直贯穿设置有回气管段602，冷凝换热器10通过出液管段601和回气管段602分别与注液通道4和排气通道8连接；

其中，注液通道4内部上方贯穿套设有外部输液管12，低温液体可通过该外部注液管12注入该热管6，该低温液体汽化产生的气体可由该排气通道8排出该热管6，该低温冷却液体可以选自液氮、液氖或液氢。

本发明的进一步技术改进在于：注液通道4、热管6、排气通道8、出液管段601、回气管段602和冷凝换热器10内部之间均相互连通。

作为本发明的较佳的实施例，注液通道4与出液管段601的连接处设置有热管入口连接口603，且排气通道8与回气管段602的连接处设置有热管出口连接口，方便注液通道4、热管6、排气通道8、出液管段601、回气管段602和冷凝换热器10内部之间连通。

作为本发明的较佳的实施例，出液管段601的高度低于回气管段602的高度。

作为本发明的较佳的实施例，如图2所示，是热管6与冷屏5热耦合的一种方式：热管6为中空圆柱形结构，且热管6贴合在冷屏5侧壁，且热管6与冷屏5通过若干个翅板11使用螺栓或铆钉连接，保证热管6与冷屏5贴合连接更加稳固牢靠。

作为本发明的较佳的实施例，如图3所示，是热管6与冷屏5热耦合的一种方式：热管6为中空圆柱形结构，在冷屏5表面开槽，把热管6放入到槽中锡焊连接，增加热管6与冷屏5的贴合面积连接更加稳固牢靠。作为本发明的较佳的实施例，外部输液管12贯穿进口阀2，且外部输液管12底部的高度低于热管入口连接口603的高度，防止冷却液直接进入热管的排气通道，造成冷量浪费。

作为本发明的较佳的实施例，冷凝换热器10下方设置有液氦容器7，且冷凝换热器10与液氦容器7内部之间相互连通，保证冷凝换热器10能够正常进行冷凝换热工作。

一种用于冷屏快速降温的方法，该方法快速降低冷屏5温度，执行以下步骤：将该外部输液管12插入注液通道4中，插入后该外部输液管12下端口低于热管入口连接口603，然后从该外部输液管12注入低温液体，该低温液体流入与该冷屏5热耦合的热管6，并吸收该冷屏5热量，汽化为气体，使该冷屏5 温度迅速降低，低温液体汽化形成的气体由排气通道8排出，待该冷屏5温度降到设定温度，该低温液体在热管6中达到设定液面，停止注入该低温液体，然后关闭进口阀2和出口阀9，使注液通道4、排气通道8、热管6、冷凝换热器10形成该封闭空间，其中，该热管6与该冷凝换热器10组成该冷却路径；

该方法维持冷屏温度，执行以下步骤：开启制冷机1向该冷凝换热器10提供冷量，在该冷却路径中，该低温液体吸收该冷屏5热量，汽化为气体，通过该热管6的回气管段602进入该冷凝换热器10，吸收该冷凝换热器10的冷量，并被重新冷却为低温液体，由于重力作用，该低温液体流出该冷凝换热器10，通过热管6的出液管段601，再次流入热管6，并吸收冷屏5热量，由此，在该冷却路径中，该低温液体形成“气-液”循环，不断吸收该冷屏5热量，使冷屏5维持在设定的温度值。

工作原理，本发明在使用时，首先，检查本发明各部件使用时的安全性，然后将外部输液管12插入注液通道4中，插入后该外部输液管12下端口低于热管入口连接口603，然后从该外部输液管12注入低温液体，该低温液体流入与该冷屏5热耦合的热管6，并吸收该冷屏5热量，汽化为气体，使该冷屏5温度迅速降低，低温液体吸热后汽化为气体，由排气通道8排出，待该冷屏5温度降到设定温度，该低温液体在热管6中达到设定液面，停止注入该低温液体，然后关闭进口阀2和出口阀9，使注液通道4、排气通道8、热管6、冷凝换热器10形成该封闭空间，其中，该热管6与该冷凝换热器10组成该冷却路径，开启制冷机1向该冷凝换热器10提供冷量，在该冷却路径中，该低温液体吸收该冷屏5热量，汽化为气体，通过该热管6的回气管段602进入该冷凝换热器10，吸收该冷凝换热器10的冷量，并被重新冷却为低温液体，由于重力作用，该低温液体流出该冷凝换热器10，通过热管6的出液管段601，再次流入热管6，并吸收冷屏5热量，由此，在该冷却路径中，该低温液体形成“气-液”循环，不断吸收该冷屏5热量，使冷屏5维持在设定的温度值。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种用于冷屏快速降温的结构，其特征在于：包括制冷机（1）、进口阀（2）、室温杜瓦（3）、注液通道（4）、冷屏（5）、热管（6）、液氦容器（7）、排气通道（8）、出口阀（9）、冷凝换热器（10）和外部输液管（12），所述制冷机（1）纵向贯穿设置在室温杜瓦（3）中部上方，且所述热管（6）与冷屏（5）热耦合，所述制冷机（1）下方设置有冷凝换热器（10）且所述注液通道（4）与所述排气通道（8）分别纵向设置在所述热管（6）两端上方，所述热管（6）套设在室温杜瓦（3）内部，且所述进口阀（2）设置在所述注液通道（4）的入口处，所述出口阀（9）设置在所述排气通道（8）的出口处；

其中，所述注液通道（4）侧壁一端垂直贯穿设置有出液管段（601），且所述排气通道（8）侧壁一端垂直贯穿设置有回气管段（602），所述冷凝换热器（10）通过所述出液管段（601）和所述回气管段（602）分别与所述注液通道（4）和所述排气通道（8）连接；

其中，所述注液通道（4）内部上方贯穿套设有外部输液管（12）；

注液通道（4）、热管（6）、排气通道（8）、出液管段（601）、回气管段（602）和冷凝换热器（10）内部之间均相互连通；

所述热管（6）与冷屏（5）热耦合；

所述注液通道（4）与出液管段（601）的连接处设置有热管入口连接口（603），且所述排气通道（8）与回气管段（602）的连接处设置有热管出口连接口；

所述出液管段（601）的高度低于回气管段（602）的高度；

所述外部输液管（12）贯穿进口阀（2），且所述外部输液管（12）底部的高度低于热管入口连接口（603）的高度；

所述冷凝换热器（10）下方设置有液氦容器（7），且冷凝换热器（10）与液氦容器（7）内部之间相互连通；

该快速降温冷屏的方法，具体为：该方法快速降低冷屏（5）温度，执行以下步骤：将外部输液管（12）插入注液通道4中，插入后外部输液管（12）下端口低于热管入口连接口（603），然后从外部输液管（12）注入低温液体，该低温液体流入与该冷屏（5）热耦合的热管（6），并吸收该冷屏（5）热量，汽化为气体，使该冷屏（5）温度迅速降低，低温液体汽化形成的气体由排气通道（8）排出，待该冷屏（5）温度降到设定温度，该低温液体在热管（6）中达到设定液面，停止注入该低温液体，然后关闭进口阀（2）和出口阀（9），使注液通道（4）、排气通道（8）、热管（6）、冷凝换热器（10）形成封闭空间，其中，该热管（6）与该冷凝换热器（10）组成冷却路径；

该方法维持冷屏温度，执行以下步骤：开启制冷机（1）向该冷凝换热器（10）提供冷量，在冷却路径中，该低温液体吸收该冷屏（5）热量，汽化为气体，通过该热管（6）的回气管段（602）进入该冷凝换热器（10），吸收该冷凝换热器（10）的冷量，并被重新冷却为低温液体，由于重力作用，该低温液体流出该冷凝换热器（10），通过热管（6）的出液管段（601），再次流入热管（6），并吸收冷屏（5）热量，由此，在冷却路径中，该低温液体形成“气-液”循环，不断吸收该冷屏（5）热量，使冷屏（5）维持在设定的温度值。

2.一种用于冷屏快速降温的方法，其特征在于，该方法快速降低冷屏（5）温度，执行以下步骤：将外部输液管（12）插入注液通道4中，插入后外部输液管（12）下端口低于热管入口连接口（603），然后从外部输液管（12）注入低温液体，该低温液体流入与该冷屏（5）热耦合的热管（6），并吸收该冷屏（5）热量，汽化为气体，使该冷屏（5）温度迅速降低，低温液体汽化形成的气体由排气通道（8）排出，待该冷屏（5）温度降到设定温度，该低温液体在热管（6）中达到设定液面，停止注入该低温液体，然后关闭进口阀（2）和出口阀（9），使注液通道（4）、排气通道（8）、热管（6）、冷凝换热器（10）形成封闭空间，其中，该热管（6）与该冷凝换热器（10）组成冷却路径；

该方法维持冷屏温度，执行以下步骤：开启制冷机（1）向该冷凝换热器（10）提供冷量，在冷却路径中，该低温液体吸收该冷屏（5）热量，汽化为气体，通过该热管（6）的回气管段（602）进入该冷凝换热器（10），吸收该冷凝换热器（10）的冷量，并被重新冷却为低温液体，由于重力作用，该低温液体流出该冷凝换热器（10），通过热管（6）的出液管段（601），再次流入热管（6），并吸收冷屏（5）热量，由此，在冷却路径中，该低温液体形成“气-液”循环，不断吸收该冷屏（5）热量，使冷屏（5）维持在设定的温度值。

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