CN113517106B

CN113517106B - 一种制冷系统

Info

Publication number: CN113517106B
Application number: CN202010277903.XA
Authority: CN
Inventors: 张艳清; 陈慧星; 张志华; 王新文; 周伟; 刘坤; 陈松; 王岩
Original assignee: Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Current assignee: Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: CN113517106A

Abstract

本发明涉及传热技术领域，公开了一种制冷系统。该系统包括：冷媒输入管路、冷媒输出管路、制冷机二级冷头、第一连接管、第一杜瓦、第二杜瓦、第二连接管、制冷机一级冷头、制冷机本体、冷屏和壳体，冷媒输入管路和冷媒输出管路与第二杜瓦连通，待冷却物体密闭设置在第一杜瓦内，二级冷头密闭设置在第二杜瓦内，二级冷头和一级冷头与制冷机本体连接，二级冷头、第一连接管、第一杜瓦、第二杜瓦、第二连接管和一级冷头密闭设置在冷屏内，壳体设置在冷屏外部且与冷屏之间为真空状态，冷媒通过冷媒输入管路输入至第二杜瓦，第二杜瓦通过第一连接管与第一杜瓦连通，第一杜瓦通过第二连接管与第二杜瓦连通，冷媒挥发出的气体经冷媒输出管路输出。

Description

一种制冷系统

技术领域

本发明涉及传热技术领域，尤其涉及一种制冷系统。

背景技术

超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和损耗低等诸多优点，有较广阔的应用场景，但是超导磁体的应用离不开低温环境，超导线圈必须达到一定的低温环境才可以实现零电阻的超导态，目前实际运行的磁体很多都是工作在液氦温区4.2K，将超导磁体从室温环境300K冷却到4.2K需要考虑如何提高制冷效率。目前的冷却方式主要有两种：液氦浸泡式冷却、固氮保护系统与制冷机传导冷却。

液氦浸泡式冷却先采用液氮对超导磁体进行预冷，之后采用液氦对超导磁体进行浸泡，使超导磁体冷却到液氦温区，在这个过程当中会消耗大量的液氦。制冷机直接传导冷却是利用制冷机二级冷头直接向超导磁体杜瓦内的氦气传递冷量，制冷机二级冷头对输入的氦气进行直接冷却使其冷却到液体，同时制冷机一级冷头对冷屏和电流引线进行冷却，减少磁体系统的热辐射和引线漏热。

然而，对于浸泡式冷却方式，液氦消耗量大，需要不停的补充液氦，而液氦作为一种稀缺资源，价格较高，这直接导致了成本高，冷却效率较低。对于制冷机传导冷却方式，冷却功率低，降温时间较长，而且冷却均匀性较差，由此导致磁体的稳定性也会较差。

发明内容

本发明提供了一种制冷系统，能够解决现有技术中的技术问题。

本发明提供了一种制冷系统，其中，该系统包括：冷媒输入管路、冷媒输出管路、制冷机二级冷头、第一连接管、第一杜瓦、第二杜瓦、第二连接管、制冷机一级冷头、制冷机本体、冷屏和壳体，所述冷媒输入管路和所述冷媒输出管路均与所述第二杜瓦连通，待冷却物体密闭设置在所述第一杜瓦内，所述制冷机二级冷头密闭设置在所述第二杜瓦内，所述制冷机二级冷头和所述制冷机一级冷头与所述制冷机本体连接，所述制冷机二级冷头、所述第一连接管、所述第一杜瓦、所述第二杜瓦、所述第二连接管和所述制冷机一级冷头密闭设置在所述冷屏内，所述壳体设置在所述冷屏外部且与所述冷屏之间为真空状态，冷媒通过所述冷媒输入管路输入至所述第二杜瓦，所述第二杜瓦通过所述第一连接管与所述第一杜瓦连通以将冷媒传输至所述第一杜瓦，所述第一杜瓦通过所述第二连接管与所述第二杜瓦连通以将冷却过所述待冷却物体的冷媒传输至所述第二杜瓦，进而所述制冷机二级冷头对冷却过所述待冷却物体的冷媒进行制冷，冷媒挥发出的气体经所述冷媒输出管路输出。

优选地，所述第二连接管在所述制冷机一级冷头外部缠绕至少一周后与所述第二杜瓦和所述第一杜瓦连通。

优选地，所述壳体为外杜瓦。

优选地，所述外杜瓦的材料为不锈钢。

优选地，所述冷屏的材料为铝。

优选地，该系统还包括气阀门，设置在所述冷媒输出管路上。

优选地，通过所述冷媒输入管路输入的冷媒为液氦或液氖。

优选地，所述待冷却物体为低温超导线圈。

通过上述技术方案，可以充分利用制冷机的一级冷头和二级冷头的冷量使得冷媒形成一个闭合的热回路，实现冷媒自循环，从而有效提高制冷效率以降低漏热，且可以减少冷却过程中冷媒的使用量。同时，在形成闭合回路后，冷媒输入管路可以不再输入冷媒，系统可以实现热稳定，从而可以对整个系统进行移动，提高了系统的可移动性和便携性。此外，通过冷媒输出管路输出冷媒挥发出的气体，可以在对气体进行回收的同时防止系统内部憋压发生危险。更进一步地，制冷机还可以用于直接降低冷屏的温度，从而有效减少系统的热辐射。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种制冷系统的结构示意图。

附图标记说明

1冷媒输入管路； 2冷媒输出管路； 3制冷机二级冷头；

4第一连接管； 5待冷却物体； 6第一杜瓦；

7第二杜瓦； 8第二连接管； 9制冷机一级冷头；

10制冷机本体； 11冷屏； 12壳体； 13气阀门。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明实施例的一种制冷系统的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种制冷系统，其中，该系统包括：冷媒输入管路1、冷媒输出管路2、制冷机二级冷头3、第一连接管4、第一杜瓦6、第二杜瓦7、第二连接管8、制冷机一级冷头9、制冷机本体10、冷屏11和壳体12，所述冷媒输入管路1和所述冷媒输出管路2均与所述第二杜瓦7连通，待冷却物体5密闭设置在所述第一杜瓦6内，所述制冷机二级冷头3密闭设置在所述第二杜瓦7内，所述制冷机二级冷头3和所述制冷机一级冷头9与所述制冷机本体10连接，所述制冷机二级冷头3、所述第一连接管4、所述第一杜瓦6、所述第二杜瓦7、所述第二连接管8和所述制冷机一级冷头9密闭设置在所述冷屏11内，所述壳体12设置在所述冷屏11外部且与所述冷屏11之间为真空状态，冷媒通过所述冷媒输入管路1输入至所述第二杜瓦7，所述第二杜瓦7通过所述第一连接管4与所述第一杜瓦6连通以将冷媒传输至所述第一杜瓦6，所述第一杜瓦6通过所述第二连接管8与所述第二杜瓦7连通以将冷却过所述待冷却物体5的冷媒传输至所述第二杜瓦7，进而所述制冷机二级冷头3对冷却过所述待冷却物体5的冷媒进行制冷，冷媒挥发出的气体经所述冷媒输出管路2输出。

其中，第二杜瓦7将所述制冷机二级冷头3包裹起来，用来贮存经冷媒输入管路1输入的液态冷媒和被制冷机二级冷头3对气态冷媒进行液化之后得到的液态冷媒。第一杜瓦6内放置有待冷却物体，并贮存用于冷却待冷却物体的冷媒。制冷机本体10为除了一级冷头和二级冷头以外的其余部分，例如连接的水冷机组和压缩机等，为了不混淆本发明，在此不再赘述。

根据本发明一种实施例，所述第二连接管8在所述制冷机一级冷头9外部缠绕至少一周后与所述第二杜瓦7和所述第一杜瓦6连通。

具体的，将第二连接管缠绕在制冷机一级冷头9上，一端与第一杜瓦6连接，另一端与放置制冷机二级冷头3的第二杜瓦7连接。由于制冷机一级冷头9的温度为50K，由此可以对第一杜瓦6中挥发出的气体利用制冷机一级冷头9进行预冷却。之后，预冷却后的气体重新进入放置制冷机二级冷头3的第二杜瓦7，由于制冷机二级冷头3的温度为4.2K，由此可以利用制冷机二级冷头3将预冷却后的气体冷却成液态冷媒。

也就是，制冷机一级冷头9工作温度为50K，可以冷却挥发出的气体，尽量使其温度降到50K。制冷机二级冷头3工作温度为4.2K，该温度可以将部分已经冷却到50K的气体液化，使得液化后得到的冷媒可以循环利用继续冷却待冷却物体，而无法及时冷却的气体可以通过冷媒输出管路2输出。

由此，通过缠绕第二连接管的方式可以增加冷却的长度，从而可以对挥发的气体进行充分冷却使其温度降低到50K，这种冷却方式的优点在于增加了换热面积，提高了制冷效率，并且可以防止制冷机二级冷头冷量不够而直接冷却较高温度的气体所导致的其冷凝速率小于蒸发速率。

根据本发明一种实施例，所述壳体12为外杜瓦。

根据本发明一种实施例，所述外杜瓦的材料为不锈钢。

举例来讲，外杜瓦可以采用不锈钢板制成。

根据本发明一种实施例，所述冷屏11的材料为铝。

举例来讲，冷屏11可以由铝板制成，将大部分制冷系统密封包裹起来。

根据本发明一种实施例，该系统还包括气阀门13，设置在所述冷媒输出管路2上。

由此，当冷媒挥发出的气体的气压过高时，可以直接从气阀门中喷出。

根据本发明一种实施例，通过所述冷媒输入管路1输入的冷媒为液氦或液氖。

本领域技术人员应当理解，上述关于冷媒的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，其他的冷却介质也可以用于实现本发明。

根据本发明一种实施例，所述待冷却物体5为低温超导线圈。

其中，低温超导线圈在低温下可以达到超导态，由超导线材绕制而成，可以产生安全可靠磁场。

也就是，本发明上述的制冷系统可以用于对低温超导磁体的制冷。

本领域技术人员应当理解，除了应用于上述的低温超导磁体，本发明上述的制冷系统还可以应用于其他物体的冷却。并且，针对不同的物体，可以相应地选择对应规格的制冷机或者调整制冷机的位置以实现物体的冷却，本发明不对此进行限定。

继续参照图1以冷媒为液氦为例对本发明上述实施例中所述的制冷系统的原理进行详细描述。在图1中，采用箭头标注了液氦在系统中的流动路径，其流动路径为：液氦从冷媒输入管路1输入，首先流入第二杜瓦7，第二杜瓦7包裹制冷机二级冷头3形成密闭空间，液氦进入第二杜瓦7之后可以经由第一连接管4进入放置有超导线圈5的第一杜瓦6，液氦在冷却超导线圈5的过程中会不停的有氦气挥发，挥发的氦气进入缠绕在制冷机一级冷头9上的第二连接管8中，制冷机一级冷头的温度大约在50K左右，可以对第二连接管8中的氦气进行降温(即，通过将管路8缠绕在制冷机一级冷头9上来增加冷却长度，从而可以提升冷却效果，使得氦气尽可能的降到一级冷头50K左右的温度)，然后被冷却到50K左右的氦气从第二连接管8进入到包裹制冷机二级冷头3的第二杜瓦7内，制冷机二级冷头的温度为4.2K，氦气在这一温度下可以被液化，挥发出的氦气被液化之后变成液氦又可以经由第一连接管4进入放置超导线圈的第一杜瓦6内对超导线圈进行冷却，这样就可以在超导磁体的冷却过程中形成这样一个闭合的热量传递回路。冷媒输出管路2为试验完成之后氦气的出口，同时也可以防止第二杜瓦7内憋压发生危险。

从上述实施例可以看出，本发明所述的制冷系统相比于现有技术，至少具有以下优点：

1.可以有效减少冷却过程中冷媒(冷却介质)的消耗量，提高冷却效果；

2.液体冷媒往下流，挥发出的气体往上走，挥发出的气体被液化后再继续起到冷却物体的作用，冷媒在制冷系统中借助制冷机的制冷可以形成一个闭环回路，提高了制冷效率；

3.冷媒输入管路被冷媒冷却，冷媒输出管路被制冷机冷却，可以有效减少冷媒输入输出管路因热传导而导致的漏热；

4.充分控制漏热后，当制冷机工作时，由于形成了闭环的热回路，超导磁体在冷媒输入管路无冷媒输入的情况下仍然可以保持超导态，从而增强了系统的移动性和便携性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制冷系统，其特征在于，该系统包括：冷媒输入管路(1)、冷媒输出管路(2)、制冷机二级冷头(3)、第一连接管(4)、第一杜瓦(6)、第二杜瓦(7)、第二连接管(8)、制冷机一级冷头(9)、制冷机本体(10)、冷屏(11)和壳体(12)，所述冷媒输入管路(1)和所述冷媒输出管路(2)均与所述第二杜瓦(7)连通，待冷却物体(5)密闭设置在所述第一杜瓦(6)内，所述制冷机二级冷头(3)密闭设置在所述第二杜瓦(7)内，所述制冷机二级冷头(3)和所述制冷机一级冷头(9)与所述制冷机本体(10)连接，所述制冷机二级冷头(3)、所述第一连接管(4)、所述第一杜瓦(6)、所述第二杜瓦(7)、所述第二连接管(8)和所述制冷机一级冷头(9)密闭设置在所述冷屏(11)内，所述壳体(12)设置在所述冷屏(11)外部且与所述冷屏(11)之间为真空状态，冷媒通过所述冷媒输入管路(1)输入至所述第二杜瓦(7)，所述第二杜瓦(7)通过所述第一连接管(4)与所述第一杜瓦(6)连通以将冷媒传输至所述第一杜瓦(6)，所述第一杜瓦(6)通过所述第二连接管(8)与所述第二杜瓦(7)连通以将冷却过所述待冷却物体(5)的冷媒传输至所述第二杜瓦(7)，进而所述制冷机二级冷头(3)对冷却过所述待冷却物体(5)的冷媒进行制冷，冷媒挥发出的气体经所述冷媒输出管路(2)输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二连接管(8)在所述制冷机一级冷头(9)外部缠绕至少一周后与所述第二杜瓦(7)和所述第一杜瓦(6)连通。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述壳体(12)为外杜瓦。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述外杜瓦的材料为不锈钢。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述冷屏(11)的材料为铝。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括气阀门(13)，设置在所述冷媒输出管路(2)上。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，通过所述冷媒输入管路(1)输入的冷媒为液氦或液氖。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述待冷却物体(5)为低温超导线圈。