CN109773166B - 一种液态金属循环冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属循环冷却系统及其冷却方法，属于液态金属冷却技术领域，解决了现有技术中由于液态金属的热侵蚀作用导致液态金属循环冷却装置中液态金属泵极易被损毁的技术问题。该系统包括加热单元、升降倾转单元、存储单元、承载单元、制冷单元及液态金属冷却受用设备；升降倾转单元用于将液态金属运转至存储单元；液态金属通过存储单元底部的输出管道进入液态金属冷却受用设备，并经液态金属冷却受用设备进入制冷单元，被冷却后的液态金属依次经承载单元、升降倾转单元、存储单元、液态金属冷却受用设备后再次进入制冷单元，如此进行循环冷却。该系统不需要使用液态金属泵，从根本上解决了传统技术无法解决的难题。

Description

一种液态金属循环冷却系统及其冷却方法

技术领域

本发明涉及金属或者合金冷却装置技术领域，尤其涉及一种液态金属循环冷却系统及其冷却方法。

背景技术

许多设备需要金属或合金液体进行冷却降温，例如核反应堆，尤其需要金属或合金液体的液面上、下能够形成极大的温度梯度，例如，对于定向凝固炉具有极好效果。该温度梯度是定向凝固炉的最核心的设备参数。

对于定向凝固设备或者单晶炉来说，处在耐火材料制成的铸型模壳内部的定向凝固金属液体随着铸型模壳向定向凝固设备的轴向向下移动，铸型模壳内的定向凝固金属液体就会凝固成固体，而用于冷却的液态金属由于吸收大量热量而温度升高，如果升高幅度过大势必导致液态金属的吸热能力下降，进而导致液-固界面温度梯度下降，甚至还有可能因吸收了大量热量而达到液态金属的汽化温度从而产生而沸腾，最后导致稳定的液-固界面被破坏，完全丧失温度梯度。因此当单晶模壳中的金属或合金液体随着该模壳从由低熔点金属或合金液体形成的液面上方向下浸入该液体而自下而上顺序凝固成为固体的过程中，维持所设计的该用于冷却的液态金属在吸收大量热量之后的温度不大幅度升高是这种冷却方式的关键，因此该液体的循环冷却是必不可少的。

目前此类设备用于金属液体循环冷却的金属液体泵常常被高温金属液体侵蚀损毁。其实从基本原理上来讲这种金属液体泵也是很难长期使用的，因为即便是低熔点金属或合金液体也对该泵的叶轮等转动部件具有很高的热侵蚀作用，即便是使用极其耐高温液态金属侵蚀的合金制作该泵的叶轮等转动部件，也不可能长时间经受住液态金属的热侵蚀性冲刷的，如果该泵的叶轮等转动部件是用耐热侵蚀冲刷的陶瓷制作，虽然可以耐高温液态金属的热侵蚀和冲刷，但是急冷急热碎裂又难以避免，而且陶瓷叶轮的制作难度非常大。另外，液态金属泵的转子线圈也无法避免液态金属的高温损毁。因此，这种金属液体泵的造价是极其昂贵的，并且使用寿命也是极短的。这也就是这种冷却方式的应用非常不普遍的原因。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种液态金属循环冷却系统及其冷却方法，用以解决现有液态金属循环冷却设备中采用液态金属泵极易被损毁的技术问题。

本发明公开了一种液态金属循环冷却系统，包括液态金属循环冷却装置、制冷单元及液态金属冷却受用设备；液态金属循环冷却装置包括加热单元、升降倾转单元、存储单元及承载单元；

加热单元用于将固体金属加热为液态金属；升降倾转单元用于将液态金属运转至存储单元；承载单元用于承载加热后和/或冷却后的液态金属；

存储单元、液态金属冷却受用设备和制冷单元依次连通；经制冷单元冷却后的液态金属通过承载单元和升降倾转单元进入存储单元。

进一步地，当液态金属冷却受用设备为液态金属冷却型定向凝固炉时，液态金属冷却型定向凝固炉包括恒温池；

恒温池设有输入管道和输出管道；输入管道用于向恒温池输入液态金属；输出管道用于将热交换后的液态金属输送至制冷单元。

进一步地，液态金属循环冷却装置内设有支撑板，升降倾转单元至少包括一个在支撑板上移动的吊车，吊车用于将承载单元中的液态金属转运至储存单元。

进一步地，存储单元包括液态金属临时存储器，液态金属临时存储器上设有监测器，监测器用于监测液态金属临时存储器内液态金属的温度及液位高度。

进一步地，承载单元包括承载转盘，承载转盘上方至少设有两个转移工位，转移工位上设有转移罐；承载转盘与驱动装置连接，驱动装置用于驱动承载转盘转动。

进一步地，液态金属循环冷却装置、制冷单元及液态金属冷却受用设备中所有用于存储液态金属的容器和/或用于液态金属流动的管道，其材质为金属或者陶瓷。

进一步地，液态金属冷却受用设备的输入管道上设有液态金属流量阀，液态金属流量阀用于控制液态金属的流量。

进一步地，液态金属循环冷却装置内为真空环境或惰性气体环境；

液态金属冷却受用设备为液态金属冷却型定向凝固炉，液态金属为液态金属铝。

本发明还公开了一种采用上述的液态金属循环冷却系统的液态金属循环冷却方法，该方法包括以下步骤：

S1.将固体金属加热为液态金属；

S2.利用升降倾转单元将S1步骤制备的液态金属转入承载单元中，然后利用升降倾转单元将承载单元内的液态金属转运至液态金属临时存储器；

S3.将S2步骤中的液态金属由所述临时存储器输送至液态金属冷却受用设备内进行热交换，吸热后的液态金属通过液态金属冷却受用设备的输出管道进入制冷单元；

S4.制冷单元对进入其内的液态金属进行冷却，冷却后将其输送至承载单元；

S5.液态金属经承载单元、升降倾转单元进入液态金属临时存储器；

S6.重复S2步骤至S5步骤，实现液态金属循环冷却。

进一步地，在S5步骤中，承载转盘在驱动电机的带动下进行转动，将不同的转移罐对准制冷单元的出口处，装有液态金属的转移罐通过升降倾转单元依次经存储单元、液态金属冷却受用设备及制冷单元后循环回到承载单元，进而实现液态金属循环冷却。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明提供的液态金属循环冷却系统避免了使用液态金属泵，该系统将加热后的液态金属先转移至转移罐内，然后利用升降倾转单元将其倒入存储单元中，存储单元底部设有与液态金属冷却受用设备连通的输出管道，液态金属利用自身的重力是能沿着该输出管道进入到液态金属冷却受用设备的底部，处于液态金属冷却受用设备上端的用于定向凝固的金属液体释放一定热量到冷却用的液态金属中，该部分液态金属因吸收热量而加热升温后，通过液态金属冷却受用设备的输出管道输送至制冷单元当中，制冷单元将该部分加热升温后的液态金属冷却到设定温度，然后经制冷单元输出管道输送至承载单元，冷却后的液态金属再依次经承载单元、升降倾转单元、存储单元、液态金属冷却受用设备后重新进入制冷单元，从而实现液态金属循环冷却。

(2)本发明在液态金属冷却受用设备的底部和顶部分别设有输入管道和输出管道，并且在液态金属冷却受用设备上还设有控温线圈，当液态金属冷却受用设备中的液态金属由吸收定向凝固金属液体凝固时释放的大量热量后，该部分液态金属的吸热能力显著下降，此时，通过底部持续不断地注入一定温度的液态金属，顶部的液态金属会溢出液态金属冷却受用设备，避免了固-液界面的温度梯度下降和丧失。

(3)本发明在液态金属循环冷却装置内部设有支撑板，升降倾转单元包括在支撑板上移动的第一吊车和第二吊车，第一吊车上设有第一吊钩和第二吊钩，第二吊车上设有第三吊钩和第四吊钩，第一和三吊钩用于提升转移罐，第二和第四吊钩用于倾转转移罐；在转移罐的上端侧面设有上端吊环，转移罐的底部设有底端吊环，当需要将转移罐内的液态金属倾转倒入存储单元内时，将第一吊钩勾住上端吊环，第二吊钩勾住底端吊环，移动第一吊车至存储单元的上方，控制第二吊钩的提升高度，使转移罐发生倾斜，从而转移罐内的液态金属被倒入到存储单元内；本发明通过升降倾转单元将液态金属提升到高于存储单元的设定高度后将转移罐内的液态金属倾倒入液态金属临时存储器，避免了使用液态金属泵，因此可以采用熔点高、价格便宜的金属铝作为冷却用液体金属。

(4)本发明提供的液态金属循环冷却系统避免了使用液态金属泵，液态金属循环冷却装置、制冷单元以及液态金属冷却受用设备等中所有用于存储液态金属的容器或者用于液态金属流动的管道，其材质可以为金属、合金或者陶瓷；当材质为陶瓷时，对用于存储液态金属的容器和用于液态金属流动的管道可以进行预热。

(5)本发明通过在液态金属冷却受用设备输入管道上设置液态金属流量阀，能够精确控制浇注至液态金属冷却受用设备中的液态金属的流量，进而使处于液态金属冷却受用设备顶部的液态金属能够充分吸收定向凝固金属液体由于凝固产生的热量。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的液态金属循环冷却系统的内部构造示意图；

图2为本发明提供的定向凝固炉内部的液态金属冷却工作过程示意图。

附图标记：

1-液态金属冷却受用设备；2-液态金属冷却受用设备输出管道；3-液态金属冷却受用设备输入管道；4-液态金属临时存储器；5-转移罐；6-第一吊车；7-第二吊车；8-观察窗；9-提升吊钩；10-倾转吊钩；11-液态金属存储罐；12-控温线圈；13-接触器；14-真空室外控制器；15-制冷器输出管道；16-电源；17-驱动电机；18-驱动轴；19-驱动轮；20-承载转盘；21-制冷器；22-真空室；23-铸型模壳；24-定向凝固金属固体；25-定向凝固金属液体；26-液态金属铝；27-定向凝固炉内液态铝恒温池。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明用于液体金属冷却型定向凝固炉的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开了一种液态金属循环冷却系统，如图1和图2所示，包括液态金属循环冷却装置、制冷单元及液态金属冷却受用设备1；液态金属循环冷却装置包括加热单元、升降倾转单元、存储单元以及承载单元；加热单元用于将固体金属加热为液态金属；升降倾转单元用于将液态金属运转至存储单元；存储单元底部设有与液态金属冷却受用设备1底部连通的输出管道，液态金属经输出管道进入液态金属冷却受用设备1，并经液态金属冷却受用设备1顶部设置的输出管道进入制冷单元，冷却后的液态金属依次经承载单元、升降倾转单元、存储单元、液态金属冷却受用设备1后再次进入制冷单元进行循环冷却。

具体地，本发明公开的液态金属循环冷却系统包括液态金属循环冷却装置、制冷单元以及液态金属冷却受用设备1，其中，液态金属循环冷却装置内设有加热单元、升降倾转单元、存储单元以及承载单元；在启用液态金属循环冷却系统时，需要将固态金属利用加热单元加热为液态金属，液态金属通过升降倾转单元被转送至承载单元，然后再通过升降倾转单元将其输送至存储单元，存储单元的设置位置要高于液态金属冷却受用设备1的顶部，存储单元的底部设有与液态金属冷却受用设备1 底部连通的输出管道即液态金属冷却受用设备1输入管道，存储单元内的液态金属利用自身重力势能，从存储单元底部自行流入液态金属冷却受用设备1底部，液态金属冷却受用设备1中用于定向凝固的金属液体释放一定热量到冷却用的液态金属中，处于液态金属冷却受用设备1顶部的液态金属由于吸收凝固用金属液体释放的热量而加热升温，加热升温后的液态金属通过液态金属冷却受用设备输出管道2输送至制冷单元当中，制冷单元将该部分加热后的液态金属冷却到设定温度，该设定温度等于液态金属冷却受用设备1内的设定温度，然后经制冷单元输出管道15输送至承载单元，冷却后的液态金属依次经承载单元、升降倾转单元、存储单元、液态金属冷却受用设备1后再次进入制冷单元进行循环冷却。

现有的液态金属循环冷却降温大多采用液态金属泵将液态金属输送至液态金属冷却受用设备1当中，但这种液态金属泵常常被炽热的液态金属侵蚀损毁，从基本原理考虑，液态金属泵无法长久使用，因为即便是低熔点金属或者合金液体也会对液态金属泵的叶轮产生很强烈的热侵蚀作用，而且，越低熔点的金属元素对叶轮金属的热腐蚀作用越强烈，因此虽然温度低了一点，但是负面作用也增加了。需要说明的是，即使是利用极其耐高温和耐侵蚀的金属制备的叶轮等传动部件，也无法经受住液态金属的长时间热侵蚀冲刷，即使该泵的叶轮等转动部件是用耐热侵蚀冲刷的陶瓷制作，虽然在一定程度上能够承受高温液态金属的热侵蚀和冲刷，但是急冷急热碎裂又难以避免，而且陶瓷叶轮的制作难度非常大。还有一点需要说明的是，液态金属泵的转子线圈也无法避免液态金属的高温损毁。

综上，金属液态泵的造价是极其昂贵的，并且使用寿命也是极短的。而本发明提供的液态金属循环冷却系统是不要液态金属泵的，本发明通过加热单元将固体金属加热为液态金属后，利用升降倾转单元将其升高到一定高度后，将其倒入存储单元中，存储单元底部设有与液态金属冷却受用设备1连通的输出管道，液态金属利用自身的重力是能沿着该输出管道进入到液态金属冷却受用设备1的底部，处于液态金属冷却受用设备1上端的释放一定热量到冷却用的液态金属中，该部分液态金属因吸收热量而加热升温后，通过液态金属冷却受用设备1的输出管道输送至制冷单元当中，制冷单元将该部分加热升温后的液态金属冷却到设定温度，然后经制冷单元输出管道15输送至承载单元，冷却后的液态金属再依次经承载单元、升降倾转单元、存储单元、液态金属冷却受用设备1 后重新进入制冷单元，从而实现液态金属循环冷却。

当所述液态金属冷却受用设备为液态金属冷却型定向凝固炉时，为了在定向凝固的固、液界面上、下处形成尽可能大的温度梯度，本发明的液态金属冷却受用设备1包括定向凝固炉内液态铝恒温池27，定向凝固炉内液态铝恒温池27顶部设有沿去纵向方向移动的铸型模壳23，铸型模块内盛有定向凝固金属液体25；定向凝固炉内液态铝恒温池27底部和顶部分别对应的设有输入管道和输出管道，输入管道用于向定向凝固炉内液态铝恒温池27内输入液态金属；输出管道用于将升温后的液态金属输送至制冷单元。另外，定向凝固炉内液态铝恒温池27为了保证其恒温功能，其上设有用于加热的温度控制线圈。

本发明公开的以液体金属冷却型定向凝固炉的定向凝固方式为：可纵向移动的铸型模壳23，从定向凝固炉内液态铝恒温池27面上方向下移动，逐渐浸入到定向凝固炉内液态铝恒温池27液面以下，使铸型模壳23 内所容纳的待定向凝固液体随着铸型模壳23浸入定向凝固炉内液态铝恒温池27液面以下，而从铸型模壳23内的底部向上逐渐凝固，直至铸型模壳23内所容纳的待定向凝固液体全部凝固。

具体地，上述的液态金属冷却受用设备1以定向凝固炉为例，定向凝固炉内的液态金属为液态金属铝26，如图2所示，在定向凝固炉的上方设有铸型模壳23，铸型模壳23内盛有定向凝固金属液体25，铸型模壳23沿着定向凝固炉的竖直方向移动，当铸型模壳23沿着定向凝固炉的竖直方向向下移动时，处于铸型模壳23底部的定向凝固金属液体25 首先浸入到冷却介质液态金属铝26中，该铸型模壳23内的上部分为未凝固的定向凝固金属液体25，下部为已凝固的定向凝固金属液体25，液态金属铝26因吸收铸型模壳23内定向凝固金属液体25由于定向凝固释放的热量而被加热升温后溢出，该溢出部分沿着定向凝固炉顶部的输出管道进入制冷单元中。

需要说明的是，定向凝固的固-液界面温度梯度是指定向凝固金属液体25的温度与液态金属铝26的温度差除以液-固界面的凝固区的宽度，对于定向凝固炉来说，铸型模壳23的材质为耐火材料，处于铸型模壳23 内的定向凝固金属液体25的温度高于定向凝固炉内用于冷却的液态金属铝26的温度，当铸型模壳23沿着定向凝固炉的竖直方向且向下移动时，处于铸型模壳23内的定向凝固金属液体25由下向上形成定向凝固或者进行顺序凝固，形成定向凝固金属固体24，而与铸型模壳23接触的液态金属铝26因吸收了大量热量而温度升高，若该液态金属铝26温度升高幅度过大则会导致其吸热能力下降，进而导致液-固界面温度梯度下降，甚至可能因为吸收了大量热量而达到汽化温度，因此，本发明将吸收大量热量的该部分液态金属铝26利用液态金属冷却受用设备输出管道2输送至制冷设备中，确保定向凝固炉中的液态金属铝26的吸热能力。

在液态金属循环冷却系统中，为了避免使用液态金属泵输送液态金属，本发明采用升降倾转单元将液态金属提升到高于存储单元的设定高度，倾转转移罐5，将转移罐5内的液态金属倾倒入液态金属临时存储器 4；其中，在液态金属循环冷却装置内部的加热单元和承载单元上方设有支撑板，支撑板上设有轨道，第一吊车6和/或第二吊车7可以在轨道上来回滑动；升降倾转单元包括在支撑板上移动的第一吊车6和第二吊车7 (吊车的数量可以根据实际情况进行调整，至少为一辆吊车)，第一吊车 6上设有第一吊钩和第二吊钩，第二吊车7上设有第三吊钩和第四吊钩，其中，第一和第三吊钩为提升吊钩9，第二和第四吊钩为倾转吊钩10；在转移罐5的上端侧面设有上端吊环，转移罐5的底部设有底端吊环，当需要将转移罐5内的液态金属倾转倒入存储单元内时，将第一吊钩勾住上端吊环，第二吊钩勾住底端吊环，移动第一吊车6至存储单元的上方，控制第二吊钩的提升高度，使转移罐5发生倾斜，从而转移罐5内的液态金属被倒入到存储单元内。

需要说明的是，本发明提供的液态金属循环冷却装置的顶部设有真空室外控制器14和观察窗8，该真空室外控制器14通过控制第一吊车6 和第二吊车7，进而控制转移罐5的提升及倾转，另外，该真空室外控制器14还能够控制液态金属循环冷却装置的内部为真空室22，即为真空环境。

当刚开始启动液态金属循环冷却系统前，需要将固体金属加热并使其熔化为液态金属，本发明的加热单元包括液态金属存储罐11，液态金属存储罐11底部设有控温线圈12，控温线圈通过接触器13与设在液态金属存储罐11基座上的电源16连接；打开电源16开关，液态金属存储罐11将其内的固体金属加热为液态金属。

具体地，将固态金属放入到液态金属存储罐11内，打开电源16，与接触器13连接的控温线圈12开始对液态金属存储罐11产生热量，液态金属存储罐11内的固态金属熔化并将其加热到设定温度(该设定温度为液态金属冷却受用设备1所需温度)，然后关闭电源16，温控线圈停止加热液态金属存储罐11，利用第一吊车6及其上的第一吊钩和第二吊钩将该液态金属存储罐11升高到设定位置，然后通过真空室外控制器14将其内的液态金属倒入液态金属临时存储器4内，液态金属临时存储器4 内的液态金属通过其底部的输出管道进入到液态金属冷却受用设备1的底部；当关闭液态金属循环冷却系统时，该液态金属循环系统内的所有液态金属经相应管道全部输送至承载单元的转移罐5内，然后利用第一吊车6和第二吊车7将该转移罐5内的液态金属倾倒入液态金属存储罐 11内，直到下次使用时，重新对液态金属存储罐11内的液态金属进行加热。

为了临时存储即将输送入液态金属冷却受用设备1的液态金属，本发明的存储单元包括液态金属临时存储器4，液态金属临时存储器4上设有具有控温功能和监测功能的控制器件，该控制器件用于监测液态金属临时存储器4内液态金属的温度及液位高度。具体地，该液态金属临时存储器4的设置高度要高于定向凝固炉，利用升降倾转单元将液态金属倒入液态金属临时存储器4后，液态金属通过自身重力势能缓慢进入到液态金属冷却受用设备1中；相对于现有技术利用液态金属泵将液态金属泵入液态金属冷却受用设备1，本发明通过液态金属的重力势能使其进入定向凝固炉内。

需要说明的是，在现有液态金属循环冷却的装置中，都不得不采用液态金属泵进行液态金属的循环冷却，而液态金属泵的叶轮进行高速旋转，因此，本发明提供的液态金属循环冷却装置中，液态金属的流动速度与液态金属泵的高速旋转的叶轮相比，其液态金属流动速度要远远慢于液态金属泵叶轮驱动金属液体时液体金属流动冲刷叶片表面的速度。这也是本发明提供的液态金属循环冷却系统的使用寿命远远高于采用液态金属泵的任何现有液态金属循环冷却装置的原因，并且不难看出，本发明提供的液态金属循环冷却装置的效能不低于采用液态金属泵的任何现有液态金属循环冷却装置。

为了转移冷却后的液态金属，本发明的承载单元包括承载转盘20，承载转盘20上方至少设有两个转移工位，转移工位上设有转移罐5；承载转盘20与驱动装置连接，驱动装置用于转动承载转盘20；驱动装置包括驱动轴18和驱动轮19，驱动轴18通过驱动轮19与驱动电机17连接，承载转盘20通过驱动电机17带动驱动轮19及驱动轴18而产生转动。

具体地，承载转盘20上设有多个转移工位，每个转移工位上均对应的设有转移罐5，承载转盘20的底部连接有驱动轴18，该驱动轴18与驱动轮19传动连接，且驱动轮19与驱动电机17传动连接，当开启驱动电机17时，驱动轮19带动驱动轴18进而带动承载转盘20转动，从而促使承载转盘20上的转移罐5产生转动，冷却后的液态金属回流至转移罐5内；在承载转盘20的上方设有制冷单元输出管道15的端部，该输出管道对准承载转盘20上其中的一个转移罐5，使不同的转移罐5依次对准制冷单元输出管道15的端部，冷却后的液态金属通过该输出管道分别进入不同工位上的转移罐5，利用升降倾转单元将转移罐5输送至液态金属临时存储器4内，进而实现液态金属的转移。

在整个液态金属循环冷却系统中，液态金属循环冷却装置、制冷单元以及液态金属冷却受用设备1等中所有用于存储液态金属的容器或者用于液态金属流动的管道，其材质为金属、合金或者陶瓷；当材质为陶瓷时，对用于存储液态金属的容器和/或用于液态金属流动的管道进行预热，从而避免其产生急冷急热碎裂。

为了保护液态金属循环冷却装置内的液态金属不被氧化和污染，本发明提供的液态金属循环冷却装置内为真空环境(或惰性气体环境)，从而避免其内的液态金属被氧化或者污染。

本发明通过在液态金属冷却受用设备输入管道3上设置液态金属流量阀，能够精确控制浇注至液态金属冷却受用设备1中的液态金属的流量，进而使处于液态金属冷却受用设备1顶部的液态金属能够充分吸收定向凝固金属液体25由于凝固产生的热量。

需要说明的是，以液态金属冷却方式形成温度梯度的定向凝固炉 (即：LMC凝固技术)的工作过程是：处于由耐火材料制成的铸型模壳 23内的定向凝固金属液体25随铸型模壳23沿液态金属冷却受用设备1 轴向向下移动，铸型模壳23底部浸入液态金属当中，此时，处于底部的定向凝固金属液产生凝固现象，并释放大量热量，铸型模壳23内的定向凝固金属液体25的凝固方向由下至上，也称顺序凝固。

本发明还提供了一种采用液态金属冷却系统的循环冷却方法，包括以下步骤：

S1.将固态金属放入加热单元的液态金属存储罐11内，如图1所示，然后关闭液态金属循环冷却装置并且将其内部抽真空至5～10MPa；

S2.开启加热单元内的控温线圈12，将液态金属存储罐11内的固态金属熔化并将该液态金属铝26的温度控制在液态金属冷却受用设备1所需的温度；

S3.开启液态金属冷却受用设备1内定向凝固炉内液态铝恒温池27 的控温线圈12，将液态金属铝26定向凝固炉内液态铝恒温池27的温度控制在定向凝固金属液体25所需的温度；

S4.利用升降倾转单元中的第一吊车6或者第二吊车7将液态金属存储罐11内熔化好的液态金属铝26提升并倾转，将液态金属铝26倒入承载转盘20上的多个转移罐5中；

S5.将承载转盘20上的转移罐5利用升降倾转单元的第一吊车6和第二吊车7升降到一定高度后倾转，将其中的液态金属铝26倾倒入具有监测和控温功能的液态金属临时存储器4内，液态金属临时存储器4底部设有输出管道，液态金属铝26通过自身的重力势能并经该输出管道流入液态金属冷却受用设备1的底部；

S6.在液态金属冷却受用设备1的上方的铸型模壳23内盛有定向凝固金属液体25，该定向凝固金属液体25随着铸型模壳23沿定向凝固炉内液态铝恒温池27的竖直方向向下移动，铸型模壳23部分浸入到定向凝固炉内液态铝恒温池27内的液态金属铝26中，由于浸入定向凝固炉内液态铝恒温池27的那部分定向凝固金属液体25在凝固时产生并释放大量的热量，处于定向凝固炉内液态铝恒温池27上方的液态金属铝26由于吸收了这部分热量而被加热升温，由于定向凝固炉内液态铝恒温池27的体积一定，又由于定向凝固炉内液态铝恒温池27底部不断涌入的液态金属铝26，而通过定向凝固炉内液态铝恒温池27顶部的输出管道溢流至制冷单元中，经该制冷器21重新冷却至复合液态金属冷却受用设备1内定向凝固炉内液态铝恒温池27的温度控制范围。

S7.冷却后的液态金属铝26经制冷器21底部的输出管道输送至承载转盘20上的转移罐5内；

S8.转动承载转盘20，将承载转盘20上的其中一个转移工位转移至提升位置，并对准升降倾转单元，然后通过真空室外控制器14控制第一吊车6或者第二吊车7将相应的转移罐5提升到一定高度并倾转，使转移罐5 内的液态金属铝26倾倒入液态金属临时存储器4内；

S9.重复上述S5至S8步骤，确保液态金属铝26循环冷却系统能够保证定向凝固金属液体25的定向凝固要求；

S10.待液态金属铝26冷却系统中的液态金属冷却受用设备1停止工作之后，液态金属冷却受用设备1中的所有液态金属铝26经定向凝固炉内液态铝恒温池27输出管道倾注回承载转盘20上的转移罐5内，然后再利用升降倾转单元将转移罐5内的液态金属铝26倾注回加热单元的液态金属存储罐11内；当下次使用液态金属铝26循环冷却系统时，则重复S1-S10步骤。

实施例一

本实施例以液态金属冷却型定向凝固炉为例：

该实施例中液态金属铝26循环冷却装置的液态金属铝26采用液态金属铝26，金属铝的熔点是660℃，气化点2447℃；液态金属冷却受用设备1采用定向凝固炉，铸型模壳23内的定向凝固金属采用合金，合金熔点为1330℃。如图2所示，本实施例的液态金属循环冷却方法包括以下步骤：

S1.将固态金属铝放入加热单元的液态金属存储罐11内，如图1所示，然后关闭液态金属铝26循环冷却装置并且将其内部抽真空至5～10MPa；

S2.开启加热单元内的控温线圈12，将液态金属存储罐11内的固态金属铝熔化并将该液态金属铝26的温度控制在850±10℃；

S3.开启液态金属冷却受用设备1内定向凝固炉内液态铝恒温池27 的控温线圈12，将液态金属铝26的温度控制在定向凝固金属合金产生凝固时所需的850±10℃；

S4.利用升降倾转单元中的第一吊车6或者第二吊车7将液态金属存储罐11内熔化好的且温度为850±10℃的液态金属铝26提升并倾转，将液态金属铝26倒入承载转盘20上的多个转移罐5中；

S5.将承载转盘20上的转移罐5利用升降倾转单元的第一吊车6和第二吊车7升降到一定高度后倾转，将其中温度为850±10℃的液态金属铝26倾倒入具有监测和控温功能的液态金属临时存储器4内，液态金属临时存储器4底部设有输出管道，液态金属铝26通过自身的重力势能并经该输出管道流入定向凝固炉的底部即定向凝固炉内液态铝恒温池27的底部；

S6.在液态金属冷却受用设备1的上方的铸型模壳23内盛有定向凝固金属合金，该定向凝固金属合金随着铸型模壳23沿定向凝固炉内液态铝恒温池27的竖直方向向下移动，铸型模壳23部分浸入到定向凝固炉内液态铝恒温池27内的温度为850±10℃的液态金属铝26中，由于浸入定向凝固炉内液态铝恒温池27的那部分定向凝固金属合金在凝固时产生并释放大量的热量，而处于定向凝固炉内液态铝恒温池27上方的液态金属铝26 由于吸收了这部分热量而被加热升温，由于定向凝固炉内液态铝恒温池 27的体积一定且需要将温度维持在850±10℃，又由于定向凝固炉内液态铝恒温池27底部不断涌入的温度为850±10℃的液态金属铝26，导致被加热升温的那部分液态金属铝26通过定向凝固炉内液态铝恒温池27顶部的输出管道溢流至制冷单元中，进而保证定向凝固炉中的液态金属铝26的温度保持在850±10℃，经该制冷器21重新冷却至液态金属冷却受用设备1 内定向凝固炉内液态铝恒温池27的温度控制范围即850±10℃。

S7.冷却后的液态金属铝26经制冷器21底部的输出管道输送至承载转盘20上的转移罐5内；

S8.转动承载转盘20，将承载转盘20上的2其中一个转移工位转移至提升位置，并对准升降倾转单元，然后通过真空室外控制器14控制第一吊车6或者第二吊车7将相应的转移罐5提升到一定高度并倾转，使转移罐5 内的液态金属铝26倾倒入液态金属临时存储器4内；

S9.重复上述S5至S8步骤，确保液态金属铝26循环冷却系统能够保证定向凝固金属合金的定向凝固要求即将定向凝固炉内液态铝恒温池27的温度始终维持在850±10℃；

S10.待液态金属铝26冷却系统中的液态金属冷却受用设备1停止工作之后，液态金属冷却受用设备1中的所有液态金属铝26经定向凝固炉内液态铝恒温池27输出管道倾注回承载转盘20上的转移罐5内，然后再利用升降倾转单元将转移罐5内的液态金属铝26倾注回加热单元的液态金属存储罐11内；当下次使用液态金属铝26循环冷却系统时，则重复S1-S10步骤。

需要说明的是，本发明所涉及的所有的液态金属指金属液体或者合金液体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属循环冷却系统，其特征在于，包括液态金属循环冷却装置、制冷单元及液态金属冷却受用设备；所述液态金属循环冷却装置包括加热单元、升降倾转单元、存储单元及承载单元；

所述加热单元用于将固体金属加热为液态金属；所述升降倾转单元用于将所述液态金属运转至存储单元；所述承载单元用于承载加热后和/或冷却后的液态金属；

所述存储单元、液态金属冷却受用设备和制冷单元依次连通；经制冷单元冷却后的液态金属通过承载单元和升降倾转单元进入存储单元；

所述存储单元的位置高于液态金属冷却受用设备的顶部。

2.根据权利要求1所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，当所述液态金属冷却受用设备为液态金属冷却型定向凝固炉时，该凝固炉包括恒温池；

所述恒温池设有输入管道和输出管道；所述输入管道用于向恒温池输入液态金属；所述输出管道用于将热交换后的液态金属输送至制冷单元。

3.根据权利要求2所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述液态金属循环冷却装置内设有支撑板，所述升降倾转单元至少包括一个在所述支撑板上移动的吊车，所述吊车用于将承载单元中的液态金属转运至储存单元。

4.根据权利要求3所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述存储单元包括液态金属临时存储器，所述液态金属临时存储器上设有监测器，所述监测器用于监测液态金属临时存储器内液态金属的温度及液位高度。

5.根据权利要求1或4所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述承载单元包括承载转盘，所述承载转盘上方至少设有两个转移工位，所述转移工位上设有转移罐；所述承载转盘与驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动承载转盘转动。

6.根据权利要求5所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述液态金属循环冷却装置、制冷单元及液态金属冷却受用设备中所有用于存储液态金属的容器和/或用于液态金属流动的管道，其材质为金属或者陶瓷。

7.根据权利要求6所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述液态金属冷却受用设备的输入管道上设有液态金属流量阀，所述液态金属流量阀用于控制液态金属的流量。

8.根据权利要求7所述的液态金属循环冷却系统，其特征在于，所述液态金属循环冷却装置内为真空环境；

当所述液态金属冷却受用设备为液态金属冷却型定向凝固炉时，所述液态金属为液态金属铝。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的液态金属循环冷却系统的液态金属循环冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将固体金属加热为液态金属；

S2.利用升降倾转单元将S1步骤制备的液态金属转入承载单元中，然后利用升降倾转单元将承载单元内的液态金属转运至液态金属临时存储器；

S3.将S2步骤中的液态金属由所述临时存储器输送至液态金属冷却受用设备内进行热交换，吸热后的液态金属通过液态金属冷却受用设备的输出管道进入制冷单元；

S4.制冷单元对进入其内的液态金属进行冷却，冷却后将其输送至承载单元；

S5.液态金属经承载单元、升降倾转单元进入液态金属临时存储器；

S6.重复S2步骤至S5步骤，实现液态金属循环冷却。

10.根据权利要求9所述的液态金属循环冷却方法，其特征在于，在所述S5步骤中，承载转盘在驱动电机的带动下进行转动，将不同的转移罐对准制冷单元的出口处，装有液态金属的转移罐通过升降倾转单元依次经存储单元、液态金属冷却受用设备及制冷单元后循环回到承载单元，进而实现液态金属循环冷却。

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