CN111298992A - 超重力离心机的温控系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超重力离心机的温控系统，超重力离心机包括相互配合的旋转部和驱动部，温控系统包括装有旋转部且封闭设置的工作室、喷雾冷却装置、室内冷却装置和室壁冷却装置。喷雾冷却装置用于以喷雾方式调节工作室的室内温度。室内冷却装置包括与工作室连通的进风口、出风口，以及与进风口、出风口连通并构成第一冷却回路的换热单元；进风口比出风口更靠近旋转部的旋转轴线，且第一冷却回路内的气流依靠进风口、出风口两处的压力差驱动循环。室壁冷却装置包括布置在工作室的室壁内的冷却通道，以及与冷却通道连通并构成第二冷却回路的制冷单元。本申请提供的超重力离心机的温控系统，能够适用于超重力离心机，防止超重力离心机过热。

Description

超重力离心机的温控系统

技术领域

本申请涉及超重力技术领域，特别是涉及超重力离心机的温控系统。

背景技术

超重力技术起源于20世纪70年代，其核心为超重力离心机，又称旋转床，利用旋转床中高速旋转转子产生稳定、可调的离心力场。利用该离心力场可以强化气液两相的传质分离，也可以制备不同致密度的块体陶瓷，还可以建立实际地质体的物理模型，进行溃坝模拟实验、边坡失稳实验等。

超重力离心机运行过程中，转子的旋转带动室内空气流动，引起旋转部件与固定支架、旋转部件与周围空气、流动的空气与试验舱壁面之间的摩擦而产生热量。据相关经验估算，高速离心机在1500g的运行工况下产生的热量达到5MW以上。这部分热量若不及时散出，将引起实验舱内温度急剧升高，危及整个实验装置的安全运行，并对测量传感器等电子元件的安全性能和测量精度产生较大的影响。

因此，需要一种适合超重力离心机的温控系统。

发明内容

本申请提供了一种超重力离心机的温控系统，能够适用于超重力离心机，防止超重力离心机过热。

本申请提供的超重力离心机的温控系统，对应的超重力离心机包括相互配合的旋转部和驱动部，所述超重力离心机的温控系统包括：

工作室，所述工作室封闭设置，所述超重力离心机的旋转部安装在所述工作室中；

喷雾冷却装置，用于以喷雾方式调节所述工作室的室内温度；

室内冷却装置，包括与所述工作室连通的进风口、出风口，以及与所述进风口、所述出风口连通并构成第一冷却回路的换热单元；其中相对于所述出风口而言，所述进风口更靠近所述旋转部的旋转轴线，且所述第一冷却回路内的气流依靠所述进风口、所述出风口两处的压力差驱动循环；

室壁冷却装置，包括布置在工作室的室壁内的冷却通道，以及与所述冷却通道连通并构成第二冷却回路的制冷单元。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述工作室的室壁包括设置于所述旋转部外周的侧壁，以及分别封闭在侧壁的上、下两端的顶壁和底壁；所述出风口设置于顶壁，所述进风口设置于底壁，所述喷雾冷却装置的喷头设置于邻近底壁处。

可选的，所述冷却通道沿所述工作室的顶壁和侧壁布置，且该冷却通道包括第一进液口、第二进液口和出液口，其中第一进液口位于所述顶壁的中部，第二进液口位于所述侧壁的底部，所述出液口位于所述侧壁的顶部。

可选的，所述喷雾冷却装置的喷头设置多个，且以所述旋转轴线为中心环形排布。

可选的，所述换热单元包括第一换热器，所述温控系统中还设有冷却塔，所述冷却塔配置有冷却液回路，该冷却液回路接入所述第一换热器，且与所述第一冷却回路热耦合。

可选的，所述第一换热器为并行的至少两台并设置相应的切换阀择一或同时使用，所述第一换热器中设有与所述第一冷却回路连通的干燥室用以盛装干燥剂，所述干燥室设置有可切换开闭状态的排空口。

可选的，所述制冷单元中还配置有放热回路，所述放热回路接入所述第一换热器用于所述干燥剂的再生。

可选的，所述冷却液回路和所述放热回路在所述第一换热器中共用管道且通过相应的阀门控制切换。

可选的，所述换热单元还包括第二换热器，所述第一冷却回路经由所述第一换热器后接入所述第二换热器，所述第二冷却回路也接入所述第二换热器且与所述第一冷却回路热耦合。

可选的，所述第二冷却回路经由所述工作室后接入所述第二换热器。

本申请提供的超重力离心机的温控系统，能够适用于超重力离心机，防止超重力离心机过热。

附图说明

图1为超重力离心机的温控系统的一实施例的结构示意图；

图2为图1中A区的放大图；

图3为超重力离心机的温控系统的另一实施例的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

110、旋转部；120、驱动部；130、支撑轴；211、侧壁；212、顶壁；213、底壁；221、喷头；231、进风口；232、出风口；233、第一换热器；234、冷却塔；235、冷却液回路；2351、第一冷却管道；2352、第二冷却管道；236、第二换热器；237、；241、冷却通道；242、制冷单元；2421、放热回路；2422、第一加热管道；2423、第二加热管道；243、第一进液口；244、第二进液口；245、出液口；246、主管道；247、循环泵；248、出液管道；249、蓄冷罐；301、第一控制阀；302、第二控制阀；303、第三控制阀；304、第四控制阀；305、第五控制阀。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

在一实施例中，超重力离心机的温控系统如图1所示，超重力离心机包括相互配合的旋转部110和驱动部120，超重力离心机的温控系统包括工作室、喷雾冷却装置、室内冷却装置和室壁冷却装置。

工作室封闭设置，超重力离心机的旋转部110安装在工作室中。喷雾冷却装置用于以喷雾方式调节工作室的室内温度。室内冷却装置包括与工作室连通的进风口231、出风口232，以及与进风口231、出风口232连通并构成第一冷却回路的换热单元。其中相对于出风口而言，进风口更靠近旋转部110的旋转轴线，且第一冷却回路内的气流依靠进风口、出风口两处的压力差驱动循环。室壁冷却装置包括布置在工作室的室壁内的冷却通道241，以及与冷却通道241连通并构成第二冷却回路的制冷单元242。

本实施例通过室壁冷却装置、室内冷却装置和喷雾冷却装置相互配合，共同降低工作室内的温度，以适应超重力离心机在不同工况、不同实验条件下的温控需求。

在一般运行条件下，优先使用室壁冷却装置来降低工作室内的温度。超重力离心机运行过程中，工作室内的旋转部(或称转子)高速旋转，带动室内空气流动，旋转部与室内空气、流动的室内空气与工作室的室壁之间的摩擦而产生热量。使用室壁冷却装置降温时，对工作室内部的气流流场的扰动较小，不会因为降温而在模拟实验的实验参数中引入额外的变量，使实验结果更加真实可信。

在对模拟实验参数或材料制备参数的控制精度要求不高的运行条件下，可通过增加室内冷却装置，进一步提高降温效率。

超重力离心机的旋转部高速旋转带动工作室内的空气流动，转子与周围空气之间的摩擦会产生较大的热量，使工作室内的空气及转子外侧温度均显著升高。室壁冷却装置能够通过与室壁的直接接触，有效降低工作室的室壁温度。但是，旋转部110上产生的热量要经过一段气体介质传到工作室的室壁，特别是在旋转部110的转速较快且工作室内的气压较低的工况下，旋转部110上的热量快速积累，而气体介质的热阻较大，使热量不能及时传出工作室，导致安全事故发生，因而限制了超重力离心机的最大容量。

本实施例在室壁冷却装置的基础上增加室内冷却装置，工作室内的高温气体经由第一冷却回路进入换热单元，在换热单元内与冷源热交换成为冷空气回流到工作室内，直接降低了工作室内空气的温度，旋转部110的外表面也可以直接与低温空气接触，进一步提高了对旋转部110的控温能力。

在对参数控制精度要求不高并且允许工作室内存在较大湿度的运行条件下，还可以通过喷雾冷却装置进一步降低工作室内的气体温度。在超重力离心机的运行过程中，工作室内的气体为高速流动的高温气体，喷雾冷却装置向工作室内喷出的雾滴被高速气流带动迅速细化，并通过接下来的汽化过程吸收工作室内气体的热量。进一步提高了对工作室内气流的降温效率。

为了减少超重力离心机的运行成本，本实施例还利用了工作室内的气压不均匀，为第一冷却回路内的气流提供动力。具体的，由于工作室内离心力场的作用，导致靠近旋转部的旋转轴线处气压较低而远离旋转轴线处的气压较高，这两处之间形成稳定的气压差，并驱动工作室内的气体沿第一冷却回路循环流动，带走工作室内气体的热量。

通过将进风口和出风口在工作室径向上的位置设置为相互偏离，不仅节约了设备运行成本，还减少了对工作室内气流场的扰动，放宽了室内冷却装置的使用限制。

超重力离心机在启动过程中和停机过程中，工作室内的气体流速将发生变化。如果使用传统的风机，在工作室内的气体流速变化的工况下，难以通过控制风机的转速使第一冷却回路内的气体流速与工作室内的气体流速相适应，从而容易扰乱工作室内的流场，造成实验参数难以控制。

本实施例不设额外的气流动力源，使第一冷却回路内的气体流速与工作室内的气体流速自动匹配，对工作室内流场的扰动较小，降低了控制难度。具体的，当旋转部的转速较高时，工作室内的气体流速较高，产热速度也较高。与此同时，旋转部的转速越高，工作室内靠近旋转轴线的位置与远离旋转轴线的位置的气压差也越大，第一冷却回路内的气体流速也越大，散热速度也越高。从而使产热速度与散热速度自动匹配，降低了控制难度。

具体的，在其中一实施例中，如图1所示，工作室的室壁包括设置于旋转部外周的侧壁211，以及分别封闭在侧壁211的上、下两端的顶壁212和底壁213；所述进风口231设置于底壁，所述喷雾冷却装置的喷头221设置于邻近底壁处。

侧壁211与旋转部110之间存在气体介质，侧壁211围成筒形，筒形上端的开口由顶壁212封闭，筒形下端的开口由底壁213封闭。工作室内进风口231和喷头221处温度较低，气体密度较大。出风口232处温度较高，空气密度较小。将密度较大的低温空气设置为从工作室的下部进入，可以减少密度差引起的涡流，有利于低温气体充满工作室，提高降温效率。

进一步的，在其中一实施例中，喷头和进风口设置在邻近旋转部的外周侧。旋转部的外周侧是指旋转部上远离旋转轴线的一侧，该外周侧相对于旋转部的其它部位具有更大的线速度，在超重力离心机的运行过程中产热较快，温度较高。将喷头和进风口设置在邻近外周侧处，减少了热传导过程，提高了降温效率。

具体的，在其中一实施例中，冷却通道沿工作室的顶壁和侧壁布置，且该冷却通道241包括第一进液口243、第二进液口244和出液口245，其中第一进液口243位于顶壁的中部，第二进液口244位于侧壁的底部，出液口245位于侧壁的顶部。

底壁213担负承重任务，且经常需要更换部件，因此将冷却通道设置在顶壁和侧壁。进一步的，制冷单元242产生的冷却液流出后分为两个支路，其中一支路的冷却液从第二进液口244进入侧壁内的冷却通道，沿侧壁从下往上流并冷却侧壁，之后从侧壁的上端的出液口245流出冷却通道，并进入制冷单元242。另一支路的冷却液从第一进液口243进入顶壁的中部区域，然后从顶壁的中部往顶壁的外周流动，最后经出液口245流回制冷单元242。两支路在侧壁于顶壁的连接部汇合，节约了管道建设成本，降低了故障发生率。

在本实施例中，超重力离心机还包括穿设在旋转部110的旋转轴线位置的支撑轴130，支撑轴130穿出顶壁。旋转部110与支撑轴130相对转动产生的热量经支撑轴130传递到顶壁的中部，并被冷却通道内的冷却液吸收。将第一进液口243设置在顶壁的中部区域，更加靠近支撑轴130，能够提高对支撑轴130的冷却效率。

具体的，在其中一实施例中，从出液口245流出的冷却液重新汇入一主管道246，第二冷却回路的循环泵247设置在主管道246中。主管道246与制冷单元242的出液管道248之间还连接有蓄冷罐249。

超重力离心机一般间歇运行，在实验的间歇或用电低谷期间，开启制冷单元242，冷却液降温后储存在蓄冷罐249内；在实验装置运行时或用电高峰期间，通过循环泵247将这部分低温冷却液输送至工作室的室壁内的冷却通道241进行制冷。通过蓄冷罐249可减小实验装置冷负荷尖峰时刻的制冷量，降低整个室壁冷却装置的配置容量；同时，可利用峰谷电价差，节约整个超重力离心机实验装置的运行费用。

具体的，在其中一实施例中，喷雾冷却装置的喷头221设置多个，且以旋转轴线为中心环形排布。通过增加喷头221的数量，减少单个喷头221的流量，可以尽量减小对工作室内的气流扰动，同时使工作室内的温度场更加均匀。

在其中一实施例中，换热单元包括第一换热器233，温控系统中还设有冷却塔234，冷却塔配置有冷却液回路，该冷却液回路接入第一换热器233，且与第一冷却回路热耦合。通过冷却塔为第一换热器233提供冷源，进一步降低了设备运行成本。

为了更好的调节工作室内的湿度，在其中一实施例中，第一换热器233为并行的至少两台并设置相应的切换阀择一或同时使用，第一换热器中设有与第一冷却回路连通的干燥室用以盛装干燥剂，干燥室设置有可切换开闭状态的排空口。

通过喷头221喷出的水雾在工作室内蒸发吸热降温的同时，可能造成工作室内的湿度升高。为了控制工作室内的湿度，在第一换热器233中增加干燥剂。第一冷却回路兼具除湿功能，第一冷却回路中的高温高湿气体经过干燥室时，气体中蕴含的水蒸气被干燥剂吸收，从而降低了工作室内的湿度。

为了保证干燥剂连续循环使用，将第一换热器设置为相互配合使用的两台。在其中一种工作模式下，第一冷却回路内的气流在任一时刻只流经其中一台第一换热器，该第一换热器内的干燥室与第一冷却回路连通，高温高湿气流在该第一换热器内完成降温和干燥。与此同时，另一台第一换热器内的干燥室不与第一冷却回路连通，但与周围环境连通，对该干燥室内的干燥剂进行烘干回收，干燥剂上挥发出的水蒸气排入周围大气环境。两台第一换热器交替接入第一冷却回路，保证连续干燥。在干燥剂足够的情况下，两台第一换热器也可以同时接入第一冷却回路。

为了进一步节约能源，降低设备运行成本，在其中一实施例中，制冷单元中还配置有放热回路2421，放热回路2421接入第一换热器233用于干燥剂的再生。制冷单元242制冷时产生的废热，经过放热回路2421接入到干燥室，将干燥剂吸附的水分蒸发，完成干燥剂的再生。

具体的，在其中一实施例中，如图1、图2所示，冷却液回路235和放热回路2421在第一换热器233中共用管道且通过相应的阀门控制切换。

在其中一种工作模式下，第一控制阀301闭合，第二控制阀302打开，经过冷却塔234冷却后的冷却液从第一冷却管道2351进入图2中左侧的第一换热器233，在第一换热器233内吸收第一冷却回路内气体的热量之后成为高温液，高温液从第二冷却管道2352流回到冷却塔234。此时，第三控制阀303关闭，第四控制阀304打开。制冷单元242产生废热液经过第一加热管道2422进入图2中右侧的第一换热器，将该第一换热器内的干燥剂加热回收之后从第二加热管道2423流回制冷单元242。

交换左侧的第一换热器与右侧的第一换热器的工作状态之后，第二控制阀302关闭，第三控制阀303打开，第一冷却管道2351转变为加热管道。制冷单元242产生废热液经过第一加热管道2422进入第一冷却管道2351并对图2中左侧的第一换热器内的干燥剂进行加热回收。此时，第一控制阀301和第五控制阀305打开，冷却塔对图2中左侧的第一换热器内的高温高湿气体进行降温。其它工作模式不再赘述。

在其中一实施例中，如图3所示，换热单元还包括第二换热器236，第一冷却回路经由第一换热器233后接入第二换热器236，第二冷却回路也接入第二换热器236且与第一冷却回路热耦合。

本实施例中的制冷单元242提供的冷量既为工作室的室壁降温，又通过第二换热器236为工作室内的热空气降温，保证了设备可靠运行。

进一步的，在其中一实施例中，第二冷却回路经由工作室后接入第二换热器。

具体的，第二冷却回路中的冷却液对工作室的室壁冷却降温之后，从出液口245流出时仍蕴藏有较多的冷量，通过第二换热器236实现对剩余的冷量的二次利用。工作室的室壁高温对超重力离心机的正常运行影响较大，因此制冷单元242提供的冷量优先用于冷却工作室的室壁。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.超重力离心机的温控系统，所述超重力离心机包括相互配合的旋转部和驱动部，其特征在于，所述超重力离心机的温控系统包括：

工作室，所述工作室封闭设置，所述超重力离心机的旋转部安装在所述工作室中；

喷雾冷却装置，用于以喷雾方式调节所述工作室的室内温度；

室内冷却装置，包括与所述工作室连通的进风口、出风口，以及与所述进风口、所述出风口连通并构成第一冷却回路的换热单元；其中相对于所述出风口而言，所述进风口更靠近所述旋转部的旋转轴线，且所述第一冷却回路内的气流依靠所述进风口、所述出风口两处的压力差驱动循环；

室壁冷却装置，包括布置在工作室的室壁内的冷却通道，以及与所述冷却通道连通并构成第二冷却回路的制冷单元。

2.根据权利要求1所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述工作室的室壁包括设置于所述旋转部外周的侧壁，以及分别封闭在侧壁的上、下两端的顶壁和底壁；所述出风口设置于顶壁，所述进风口设置于底壁，所述喷雾冷却装置的喷头设置于邻近底壁处。

3.根据权利要求2所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述冷却通道沿所述工作室的顶壁和侧壁布置，且该冷却通道包括第一进液口、第二进液口和出液口，其中第一进液口位于所述顶壁的中部，第二进液口位于所述侧壁的底部，所述出液口位于所述侧壁的顶部。

4.根据权利要求2所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述喷雾冷却装置的喷头设置多个，且以所述旋转轴线为中心环形排布。

5.根据权利要求1所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述换热单元包括第一换热器，所述温控系统中还设有冷却塔，所述冷却塔配置有冷却液回路，该冷却液回路接入所述第一换热器，且与所述第一冷却回路热耦合。

6.根据权利要求5所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述第一换热器为并行的至少两台并设置相应的切换阀择一或同时使用，所述第一换热器中设有与所述第一冷却回路连通的干燥室用以盛装干燥剂，所述干燥室设置有可切换开闭状态的排空口。

7.根据权利要求6所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述制冷单元中还配置有放热回路，所述放热回路接入所述第一换热器用于所述干燥剂的再生。

8.根据权利要求7所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述冷却液回路和所述放热回路在所述第一换热器中共用管道且通过相应的阀门控制切换。

9.根据权利要求5所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述换热单元还包括第二换热器，所述第一冷却回路经由所述第一换热器后接入所述第二换热器，所述第二冷却回路也接入所述第二换热器且与所述第一冷却回路热耦合。

10.根据权利要求9所述的超重力离心机的温控系统，其特征在于，所述第二冷却回路经由所述工作室后接入所述第二换热器。

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