CN113654382B - 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统 - Google Patents

一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113654382B
CN113654382B CN202110817822.9A CN202110817822A CN113654382B CN 113654382 B CN113654382 B CN 113654382B CN 202110817822 A CN202110817822 A CN 202110817822A CN 113654382 B CN113654382 B CN 113654382B
Authority
CN
China
Prior art keywords
storage tank
liquid storage
liquid
pipe
inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110817822.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113654382A (zh
Inventor
张祥镇
徐妙富
杨啸辰
韩瑞雄
陆辉华
李煜辉
葛锐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of High Energy Physics of CAS
Original Assignee
Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of High Energy Physics of CAS filed Critical Institute of High Energy Physics of CAS
Priority to CN202110817822.9A priority Critical patent/CN113654382B/zh
Publication of CN113654382A publication Critical patent/CN113654382A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113654382B publication Critical patent/CN113654382B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

本发明公开了一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，包括真空腔(13)，该真空腔(13)内设有一辐射屏(06)，该辐射屏(06)内设储液池(03)，该储液池(03)上设有注液管(01)、排放管(08)，该储液池(03)上设有冷凝器(07)，供流管(05)的入口连接于该储液池(03)的底部，供流管(05)的出口用于与负载(12)的入口连接；回流管(09)的入口用于与负载(12)的出口连接，回流管(09)的出口连接到储液池(03)的底部；其中，加热器(11)用于为气体发生器(10)提供热量，气体发生器(10)置于回流管(09)的入口处，用于对流经的流体进行气化，对循环产生驱动效果。

Description

一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统
技术领域
本发明涉及低温与超导技术领域，具体涉及到一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统。
背景技术
在低温超导技术领域，最常见的超导材料冷却方式是液氦浸泡，或是依靠大型低温制冷机，或是依赖直接采购液氦成品，然而需要昂贵的运行成本，尤其是无法进行液氦回收的情况下，更是极大的限制超导技术实验的开展。
在一些运行成本受到限制，以及一些液氦不便供给的场合，冷源的小型化、热负荷的严格控制是开展超导实验的发展方向，然而，在需要液氦流动冷却的情况时，液氦的驱动依靠专门的循环泵，这会带来冷源无法承载的热负荷，是低温装置不可接受的。
另外，在一些要求极低振动的情况下，运动部件的设置，比如循环泵，对精密实验的开展来说，是重要的不利因素。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统，用于解决以上背景技术中存在的技术问题。
本发明具体技术方案为：
一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，包括真空腔13，该真空腔13内设有一辐射屏06，该辐射屏06内设有液位计02、储液池03、流量计04、供流管05、冷凝器07、回流管09、气体发生器10、加热器11；其中，
该储液池03上设有注液管01，用于将真空腔外的冷液注入该储液池03内；
该储液池03上设有排放管08，用于将储液池03中的挥发气体排出真空腔13，以及将储液池03中的液体排出真空腔13；
该储液池03上设有液位计02，用于监测该储液池03内的液位；
该储液池03上设有冷凝器07，用于气体的液化和控制冷量的输出；
供流管05的入口连接于该储液池03的底部，供流管05的出口用于与负载12的入口连接；供流管05上设有流量计04，用于监控循环流量的大小；
回流管09的入口用于与负载12的出口连接，回流管09的出口连接到储液池03的底部；其中，加热器11用于为气体发生器10提供热量，气体发生器10置于回流管09的入口处，用于对流经的流体进行气化，出现气液两相混合状态，从而使流经的流体密度出现变化，对循环产生驱动效果。
进一步的，所述气体发生器10为圆周对称的翅片结构，流体经所述翅片结构流入回流管09内；所述翅片结构的进、出口端部设置45°斜角，用于减小流动损失。
进一步的，所述加热器11以贴片或缠绕形式布置在气体发生器10外表面，并涂抹填充软固体状导热脂类物质。
进一步的，冷凝器07采用高纯铜板翅形式，平行重力方向安装于该储液池03上。
进一步的，所述注液管01、排放管08均为螺旋上升的盘管。
进一步的，进一步的，所述盘管的长度L与横截面的半径r0满足：
Figure BDA0003170814990000021
其中，ac表示声速，vc表示冷气的粘度，λc表示热声振荡无量纲频率，Yc为盘管半径与冷气斯托克斯层厚度比率的实部。
进一步的，所述辐射屏06外侧包扎多层绝热材料。
本发明无运动部件驱动的超导冷却循环系统，包括注液管01、液位计02、储液池03、流量计04、供流管05、辐射屏06、冷凝器07、排放管08、回流管09、气体发生器10、加热器11、负载12、真空腔13等，供流管05的入口连接储液池03底部，供流管05的出口连接到负载12的入口，回流管09的入口连接负载12的出口，回流管09的出口连接到储液池03的底部，将对负载12冷却后的冷液回流到储液池3中，回流的冷液中会夹杂部分挥发气体，气体是饱和气体，温度与冷液温度相同，不会引起储液池温度的变化；排放管08与储液池3相连，用于将储液池3中的挥发气体排出，以及当不需要冷却循环工作时或紧急情况时，将液体从储液池3中排空。液位计02靠近储液池03端部内侧，辐射屏06置于真空腔13内侧，且位于储液池03、负载12等冷质量的外侧，用于阻挡室温到低温的热辐射以及屏蔽常温壁面对低温壁面的辐射换热。本发明依靠密度差异所形成的压力差驱动循环，因此不需要泵，也不需要运动部件驱动。
本发明一较佳的实施方式中，储液池03所盛工质为饱和液氦，通过调配外接冷源，在一定范围内根据不同实验情况调整温度。
本发明一较佳的实施方式中，注液管01和排放管08是盘管，螺旋上升，长度与横截面比值大于一定比例，如果比例太小，会引起热声振荡，导致常温到低温换热急剧增加；因此该比例综合各因素计算，依据下面公式。
Figure BDA0003170814990000022
其中，L表示长度，r0表示盘管横截面的半径，ac表示声速，vc表示冷气的粘度，λc表示热声振荡无量纲频率，Yc是与频率等相关的量，等于盘管半径与冷气斯托克斯层厚度比率的实部。
本发明一较佳的实施方式中，供流管05直径相对较大，回流管09直径较小，供流管直径大于回流管直径，以提高供液能力。回流管直径太小，流阻增大，甚至出现气阻，如果太大，驱动力就会变小。回流管截面直径d结合气化参数和所允许阻力损失选定，阻力损失可参考以下公式。
Figure BDA0003170814990000031
其中，ΔPF表示压力损失，
Figure BDA0003170814990000032
表示质量流量，ρl表示密度，L表示长度，d表示直径。
本发明一较佳的实施方式中，供液管05的出口是流体浸润区域的最低点，负载12放置在最低点的同水平位置或者高于最低点的位置。
本发明一较佳的实施方式中，流量计04是压损极小的，同时压差分辨是明显的，参数设计综合循环整体参数和部件本身性质完成。水平放置，流量计本身设计近于流线型，压力损失不超过循环流动总损失的10％，为局部损失。压差由前后通径控制，并测得流量，具体参数结合流量设计，可参考下面公式。
Figure BDA0003170814990000033
其中，A表示面积，ρ表示密度，ΔP表示压差，α表示管径比。
本发明一较佳的实施方式中，气体发生器10置于回流管09的入口处，竖直放置，通过热量传递，实现流经的饱和流体的较均匀气化，从而出现两相混合状态，密度出现变化，对循环产生驱动效果。
本发明一较佳的实施方式中，气体发生器10是圆周对称的翅片形式，每个翅片的进出口端部，设置45°斜角，具体形式匹配流动性质，减小流动损失。翅片的高度、间距等参数是根据液氦物性综合确定，需要结合材料建立传热模型，进行数值模拟设计，理论依据如下方程所示。
Figure BDA0003170814990000035
其中，q表示热流密度，T表示温度。
Figure BDA0003170814990000034
其中，Nu表示努塞尔数，Ra表示瑞利数。
本发明一较佳的实施方式中，加热器11是贴片或缠绕形式，均匀布置在气体发生器10外表面，并涂抹填充软固体状导热脂类物质，是气体发生器的热量来源，为其提供能量。
本发明一较佳的实施方式中，冷凝器07是严格控制温差的，具有控制冷量的输出的功能，目的在于控制循环饱和液氦的饱和温度和饱和压力。其是高效的，采用高纯铜板翅形式，安装形式须平行重力方向，翅厚、翅高和间距是综合流体的物性和外接冷源的性质严格数值模拟计算设计，重要边界条件换热系数可由下面公式给出。冷凝器07本身是有热补偿的，在一定范围内可以控制冷量的输出。
Figure BDA0003170814990000041
其中，
Figure BDA0003170814990000042
表示换热系数，ρl表示凝结液密度，ρv表示饱和气密度，kl表示液体导热系数，h′fg表示修正汽化潜热，μl表示液体动力粘度，L表示垂直高度，Tsat表示饱和气温度，Ts表示固体温度，g表示重力加速度。
本发明一较佳的实施方式中，综合储液池03、供流管05、回流管09、负载12等循环关键零部件，通过气体发生器控制回流干度，从而调节驱动压差，进而控制循环流量，循环流量在一定范围内是可调节的。
相较于现有技术，本发明提供的一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统具有如下优点：
第一，液体循环流动的建立和保持不需要任何运动部件驱动，仅靠静态的控制即可完成；
第二，循环流量在一定范围内是可调节的，适用不同场合的超导材料实验要求；
第三，冷却循环是极小振动的，没有硬件的振动源，可以应对超导精密实验的极低振动要求；
第四，可以随着冷凝器温度的变化，运行在不同温度，满足负载一定范围内的温区要求；
第五，对负载的形式限制较少，负载可以放置在距离系统一定距离的地方，进一步减小对精密实验的干扰；
第六，系统结构紧凑，运行成本低，可以在小型实验室使用。
附图说明
图1为无运动部件驱动的超导冷却循环系统的概念示意图。
图2为冷凝器的结构示意图。
图3为气体发生器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
参考图1，本发明提供一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统，包括注液管01、液位计02、储液池03、流量计04、供流管05、辐射屏06、冷凝器07、排放管08、回流管09、气体发生器10、加热器11、负载12、真空腔13等，供流管05的入口连接储液池03底部，供流管05的出口连接到负载12的入口，回流管09的入口连接负载12的出口，回流管09的出口连接到储液池03的底部，液位计02靠近储液池03端部内侧，辐射屏06置于真空腔13内侧，储液池03、负载12等冷质量的外侧。
本实施例中，储液池03所盛工质为饱和液氦，在一定温度范围内，冷凝器07决定循环饱和液氦的饱和温度和饱和压力，通过调配连接到冷凝器07的外接冷源能力，比如3K-5K，改变负载12的温度。降温过程中，首先要对内部管路进行抽真空处理，然后储液池03中充入一定压力的氦气，通过人为控制，可以实现负载12段的逐步稳定降温，同时需要定时地补充工质，以抵消温度降低引起的压力下降。
本实施例中，负载12温度达到目标值后，可以通过注液管01注入一定量的液氦，也可以通过较长时间运行，靠冷凝器07的氦气液化实现工质的积累。通过液位计02可以监控储液池03中的工质多少，流量计04可以监控循环流量的大小，如果初始的流量满足要求，可以不加干预，也可以通过调节气体发生器10调节流量。
本实施例中，注液管01和排放管08设置成螺旋形式的，长度要满足最小设置要求，排放管的直径要满足排放量要求，注液开始前，首先要保持排放管路开启，连接注液管前，注意空气等杂质气体的排空。
本实施例中，储液池03、负载12、供液管05和回流管09等关键冷质量要置于辐射屏06的内部，并统一放置在真空腔13内部，外接真空设备，建立真空环境，保持极好的绝热状态。辐射屏06选用良好的金属导体，内外表面要光亮，并包扎多层绝热材料，真空腔的真空度要控制在较低水平，并和外界有良好的密封。
本实施例中，参考图2，冷凝器07的翅厚、翅高和间距是综合流体的物性和外接冷源的性质严格计算设计，翅片是垂直布置的，以实现较好的脱离凝结液功能。
本实施例中，参考图3，气体发生器10是圆周对称的翅片形式，翅片端部，设置斜角，具体形式匹配流动性质，翅片的高度、间距等参数是根据液氦物性综合确定，翅片是垂直布置的，具有一定的导流功能。
以上所述，仅用于说明本发明的技术方案，并非对发明的做出限制，虽然上述实施例做出了详细的说明，但本领域的技术人员可以在不脱离本技术方案的范围内，对其进行替换、修饰和简单更改，而这些替换、修饰和简单更改并不能使相应技术方案的本质脱离本使用新实施例的范围。

Claims (7)

1.一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，包括真空腔(13)，该真空腔(13)内设有一辐射屏(06)，该辐射屏(06)内设有液位计(02)、储液池(03)、流量计(04)、供流管(05)、冷凝器(07)、回流管(09)、气体发生器(10)、加热器(11)；其中，
该储液池(03)上设有注液管(01)，用于将真空腔外的冷液注入该储液池(03)内；
该储液池(03)上设有排放管(08)，用于将储液池(03)中的挥发气体排出真空腔(13)，以及将储液池(03)中的液体排出真空腔(13)；
该储液池(03)上设有液位计(02)，用于监测该储液池(03)内的液位；
该储液池(03)上设有冷凝器(07)，用于气体的液化和控制冷量的输出；
供流管(05)的入口连接于该储液池(03)的底部，供流管(05)的出口用于与负载(12)的入口连接；供流管(05)上设有流量计(04)，用于监控循环流量的大小；
回流管(09)的入口用于与负载(12)的出口连接，回流管(09)的出口连接到储液池(03)的底部；其中，加热器(11)用于为气体发生器(10)提供热量，气体发生器(10)置于回流管(09)的入口处，用于对流经的流体进行气化，出现气液两相混合状态，从而使流经的流体密度出现变化，对循环产生驱动效果。
2.如权利要求1所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，所述气体发生器(10)为圆周对称的翅片结构，流体经所述翅片结构流入回流管(09)内；所述翅片结构的进、出口端部设置45°斜角，用于减小流动损失。
3.如权利要求1所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，所述加热器(11)以贴片或缠绕形式布置在气体发生器(10)外表面，并涂抹填充软固体状导热脂类物质。
4.如权利要求1或2或3所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，冷凝器(07)采用高纯铜板翅形式，平行重力方向安装于该储液池(03)上。
5.如权利要求1所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，所述注液管(01)、排放管(08)均为螺旋上升的盘管。
6.如权利要求5所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，所述盘管的长度L与横截面的半径r0满足：
Figure FDA0003521074220000011
其中，ac表示声速，vc表示冷气的粘度，λc表示热声振荡无量纲频率，Yc为盘管半径与冷气斯托克斯层厚度比率的实部。
7.如权利要求1所述的无运动部件驱动的超导冷却循环系统，其特征在于，所述辐射屏(06)外侧包扎多层绝热材料。
CN202110817822.9A 2021-07-20 2021-07-20 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统 Active CN113654382B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110817822.9A CN113654382B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110817822.9A CN113654382B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113654382A CN113654382A (zh) 2021-11-16
CN113654382B true CN113654382B (zh) 2022-04-15

Family

ID=78489592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110817822.9A Active CN113654382B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113654382B (zh)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10057664A1 (de) * 2000-11-21 2002-05-29 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende,supraleitende Wicklung angekoppelten Kaltkopf einer Kälteeinheit
DE10137552C1 (de) * 2001-08-01 2003-01-30 Karlsruhe Forschzent Einrichtung mit einem Kryogenerator zur Rekondensation von tiefsiedenden Gasen des aus einem Flüssiggas-Behälter verdampfenden Gases
DE102004058006B3 (de) * 2004-12-01 2006-06-08 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
CN102054554B (zh) * 2009-10-30 2015-07-08 通用电气公司 超导磁体的制冷系统和制冷方法
US9234691B2 (en) * 2010-03-11 2016-01-12 Quantum Design International, Inc. Method and apparatus for controlling temperature in a cryocooled cryostat using static and moving gas
CN103606430B (zh) * 2013-11-14 2016-09-28 安徽万瑞冷电科技有限公司 高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统
CN206584789U (zh) * 2017-03-28 2017-10-24 潍坊新力超导磁电科技有限公司 一种用于氦气冷却的冷头容器
CN108870821B (zh) * 2018-06-27 2020-06-02 中国科学院理化技术研究所 一种以制冷机为冷源的低温冷却设备
CN111089436A (zh) * 2019-12-24 2020-05-01 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司 一种基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置
CN113053615B (zh) * 2021-06-01 2021-08-24 潍坊新力超导磁电科技有限公司 一种用于超导磁体的氦微循环制冷杜瓦系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113654382A (zh) 2021-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ji et al. An experimental investigation on the heat transfer performance of a liquid metal high-temperature oscillating heat pipe
Zhang et al. A study on thermal performance of a pump-assisted loop heat pipe with ammonia as working fluid
Kim et al. Flow visualization of oscillation characteristics of liquid and vapor flow in the oscillating capillary tube heat pipe
Wang et al. Directly air-cooled compact looped heat pipe module for high power servers with extremely low power usage effectiveness
GB2600873A (en) Liquid metal high-temperature pulsating heat pipe and testing method
Han et al. Study on influence of operating parameters of data center air conditioning system based on the concept of on-demand cooling
Jiang et al. Startup characteristics of pump-assisted capillary phase change loop
Zou et al. Effect of servers’ arrangement on the performance of a loop thermosyphon system used in data center
Yao et al. Experimental study on the effect of filling ratio on an R141b two-phase thermosyphon loop with a horizontal parallel tube evaporator
Li et al. Experimental investigation of an R600a two-phase loop thermosiphon to cool a motorized spindle shaft
Liu et al. Visualization and heat transfer comparative analysis of two phase closed thermosyphon
Patel et al. Thermal performance of a single loop pulsating heat pipe with asymmetric adiabatic channel
CN113654382B (zh) 一种无运动部件驱动的超导冷却循环系统
Agostini et al. Flexible two-phase thermosyphon for power electronic cooling
Zhang et al. Heat transfer characteristics and operational visualization of two-phase loop thermosyphon
Wang et al. Experimental study on dual-evaporator based microchannel flat loop thermosyphon (DE-MFLTS) waste heat recovery system
He et al. Experimental investigation on air-cooling type loop thermosyphon thermal characteristic with serpentine tube heat exchanger
Chen et al. Dynamic characteristics of an integrated cooling system comprising vapor compression and thermosyphon loop for electronics cooling
Cheng et al. Pulsation incitation and performance investigations for 3D Fin-and-Tube heat pipe heat exchanger by inserting dividing boards for various working fluids
Kammuang-Lue et al. Effect of working fluids on thermal characteristic of a closed-loop pulsating heat pipe heat exchanger: A case of three heat dissipating devices
Liang et al. Cooldown characteristics of a neon cryogenic pulsating heat pipe
Du et al. Visualization investigation on temperature oscillation and two-phase behaviors of a flat loop heat pipe
Kim et al. Experimental and numerical investigations on continuous pressure drop characteristic of tube-in-tube recuperative heat exchanger for 1.8 K cooler
Wu et al. Experimental investigation on the effects of inclination angle on heat transfer performance of a liquid metal high-temperature oscillating heat pipe
Hu et al. A Comparative Study of Flow Boiling Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in a Pin-Finned Heat Sink at Horizontal/Vertical Upward Flow Orientations

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant