CN116110678B - 一种金属流体速度场和温度场的测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金属流体速度场和温度场的测量装置，包括：铁轭部件，设置有外测量孔和外观察孔；阀箱，用于储存液态的冷却介质；线圈部件，包括下部冷却介质槽，下部冷却介质槽中设置有两组超导线圈，且下部冷却介质槽也填充有冷却介质，阀箱和下部冷却介质槽之间通过连接部件连接，以使冷却能够在阀箱和下部冷却介质槽之间流动，两组超导线圈同轴且相对设置，下部冷却介质槽在两组超导线圈之间设置有内测量孔和内观察孔，外测量孔和外观察孔分别与内测量孔和内观察孔的位置对应。本申请不但实现了金属流体速度场和温度场测量的所需的强磁场环境，而且为此类大型磁体设计、加工、组装、测试运行等提供了有益的参考。

Description

一种金属流体速度场和温度场的测量装置

技术领域

本申请涉及温度测量设备技术领域，特别涉及一种金属流体速度场和温度场的测量装置。

背景技术

对于强磁场下液态金属流体速度场和温度场的研究，目前是一个难题。由于测量需要处在强磁场环境，而且对此磁场的均匀性、可调节性和强度均有严格的要求，同时由于要进行测量，必须有足够的操作空间。对于提供强磁场的磁体来说，在非常大的空间内要保证磁场均匀性和场强度，给磁场设计、结构设计、装配设计、工程设计、人机工程设计以及成本设计带来了诸多难题，因此目前在国内没有类似的磁体设备存在。

发明内容

本申请实施例提供了一种金属流体速度场和温度场的测量装置，用以解决现有技术中用于金属流体速度场和温度场测量的磁体装置难以实现的问题。

一方面，本申请实施例提供了一种金属流体速度场和温度场的测量装置，包括：

铁轭部件，铁轭部件上设置有贯穿前后侧面的外测量孔以及贯穿上下侧面的外观察孔；

阀箱，设置在铁轭部件的外顶部，阀箱用于储存液态的冷却介质；

线圈部件，设置在铁轭部件的内部，线圈部件包括下部冷却介质槽，下部冷却介质槽中设置有两组超导线圈，且下部冷却介质槽也填充有冷却介质，阀箱和下部冷却介质槽之间通过连接部件连接，以使冷却介质能够在阀箱和下部冷却介质槽之间流动，两组超导线圈同轴且相对设置，下部冷却介质槽在两组超导线圈之间设置有内测量孔和内观察孔，外测量孔和内测量孔的位置对应，且外观察孔和内观察孔的位置对应。

本申请中的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，具有以下优点：

不但实现了金属流体速度场和温度场测量的所需的强磁场环境，而且为此类大型磁体设计、加工、组装、测试运行等提供了有益的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种金属流体速度场和温度场的测量装置的前侧结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种金属流体速度场和温度场的测量装置的后侧结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种金属流体速度场和温度场的测量装置的线圈部件和阀箱的连接结构示意图。

附图标号说明：100-铁轭部件，110-铁轭板，120-外测量孔，130-外观察孔，200-阀箱，210-连接部件，220-制冷部件，230-支撑部件，300-线圈部件，310-拉力调节部件，320-压力调节部件，330-内测量孔，340-内观察孔。

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。

图1-3为本申请实施例提供的一种金属流体速度场和温度场的测量装置的结构示意图。本申请实施例提供了一种金属流体速度场和温度场的测量装置，包括：

铁轭部件100，铁轭部件100上设置有贯穿前后侧面的外测量孔120以及贯穿上下侧面的外观察孔130；

阀箱200，设置在铁轭部件100的外顶部，阀箱200用于储存液态的冷却介质；

线圈部件300，设置在铁轭部件100的内部，线圈部件300包括下部冷却介质槽，下部冷却介质槽中设置有两组超导线圈，且下部冷却介质槽也填充有冷却介质，阀箱200和下部冷却介质槽之间通过连接部件210连接，以使冷却介质能够在阀箱200和下部冷却介质槽之间流动，两组超导线圈同轴且相对设置，下部冷却介质槽在两组超导线圈之间设置有内测量孔330和内观察孔340，外测量孔120和内测量孔330的位置对应，且外观察孔130和内观察孔340的位置对应。

示例性地，金属流体速度场和温度场测量的所需的磁场环境要求为：

磁场区域300*300*1000mm内均匀度≤8%，磁场强度0-3T，方向水平，精度＜0.005T，离磁体1000mm外磁场＜300Gauss，上下需要有观察窗口，磁场中心高度1.5-2.6m。

为满足上述要求，本申请设计了上述的金属流体速度场和温度场的测量装置，整个装置重82000kg，总长2950mm，总宽2340mm，总高4560mm。铁轭部件100前后两侧面上的外测量孔120连接后形成的测量通道的尺寸为300*800*2948mm，满足了上述300*300*1000mm的磁场区域的要求，而且在该测量通道中具有强磁场，因此可以进行金属流体的温度场和速度场的测量实验。

进一步地，铁轭部件100上下两侧面上的外观察孔130连接后形成的观察通道尺寸为400*500*2428mm，不仅满足了测量环境需要观察孔的要求，而且该观察通道和测量通道连通，实验人员能够从外观察孔130实时查看实验的状态。

在本申请的实施例中，线圈部件300中的下部冷却介质槽为圆环状结构，其在侧面上沿径向分别设置有内测量孔330和内观察孔340，铁轭部件100上的外测量孔120和外观察孔130分别与内测量孔330和内观察孔340对应且连通，因此实现了测量通道的一体化和观察通道的一体化，金属流体能够从测量通道的一端进入，并从另一端流出，而实验人员从上方和下方都可以通过外观察孔130观察测量通道的内部情况。

两组超导线圈分别位于下部冷却介质槽内部的内测量孔330和内观察孔340的两侧，且两组超导线圈的直径相同，形状均为圆环状，当两组超导线圈浸没在液态的冷却介质，例如液氦中后温度能够达到其临界温度，因此超导线圈处在超导状态，此时向超导线圈中通入425A的电流即可使两组超导线圈之间的磁场，即测量通道所处环境的磁场达到3T，而且磁场强度可以随着电流的大小进行调节，磁场的均匀度和精度也能满足测量要求。

在一种可能的实施例中，线圈部件300还包括下部冷屏和下部杜瓦，下部冷屏设置在下部冷却介质槽外部，下部杜瓦设置在下部冷屏外部。

示例性地，下部冷却介质槽和下部杜瓦均可以采用304不锈钢制成，而且下部杜瓦的外径为2028mm，内径为1500mm，宽度为856mm，而下部冷屏则可以采用紫铜制成。下部杜瓦处在整个线圈部件300的最外层，因此提供了整个部件的机械强度，而下部杜瓦和下部冷屏之间的空间被抽真空，以减小下部杜瓦甚至下部冷却介质槽的热负荷。

在本申请的实施例中，由于下部冷却介质槽为圆环状结构，且其上设置了内测量孔330和内观察孔340，因此下部冷屏和下部杜瓦也采用了相同的形状，且在与内测量孔330和内观察孔340对应的位置也设置有内测量孔和内观察孔。

在一种可能的实施例中，阀箱200包括从外至内依次设置的上部杜瓦、上部冷屏和上部冷却介质槽，冷却介质储存在上部冷却介质槽中。

示例性地，阀箱200可以通过支撑部件230设置在铁轭部件100上。上部冷却介质槽和上部杜瓦均可以采用304不锈钢制成，而上部冷屏则可以采用紫铜制成。上部杜瓦处在整个阀箱200的最外层，因此提供了整个部件的机械强度，而上部杜瓦和上部冷屏之间的空间被抽真空，以减小上部杜瓦甚至上部冷却介质槽的热负荷。

在本申请的实施例中，阀箱200为圆柱状结构，因此其包含的上部杜瓦、上部冷屏和上部冷却介质槽均为直径依次减小的圆柱状结构。

本申请中的上部冷屏不但起到隔绝热量的作用，而且还将低温通过连接部件210传递至下部冷屏，以维持超导线圈的低温环境。

在一种可能的实施例中，连接部件210包括从外至内依次设置的杜瓦层、冷屏层和冷却介质槽层，杜瓦层的两端分别与上部杜瓦和下部杜瓦连接并连通，冷屏层的两端分别与上部冷屏和下部冷屏连接并连通，冷却介质槽层的两端分别与上部冷却介质槽和下部冷却介质槽连接并连通。

示例性地，冷却介质槽层和杜瓦层均可以采用304不锈钢制成，而冷屏层则可以采用紫铜制成。杜瓦层处在整个连接部件210的最外层，因此提供了整个部件的机械强度，而杜瓦层和冷屏层之间的空间被抽真空，以减小杜瓦层甚至冷却介质槽层的热负荷。

在一种可能的实施例中，阀箱200上设置有制冷部件220，制冷部件220用于将上部冷却介质槽中蒸发形成气态的冷却介质冷却为液态，并回流至上部冷却介质槽中。

示例性地，虽然经过杜瓦和冷屏已经隔绝了绝大部分的热量，但是仍有少部分热量会被传递至冷却介质槽内部，造成冷却介质的温度逐渐升高，而冷却介质的温度升高后将被汽化形成气体，该气体向上流动进入到制冷部件220后重新被液化，并回流至上部冷却介质槽中，使上部冷却介质槽中液态的冷却介质始终处在一定的量，以满足超导线圈的冷却需求。

在本申请的实施例中，制冷部件220采用多台G-M制冷机同时工作，以满足制冷的功率需求。

在一种可能的实施例中，阀箱200上设置有安全部件，安全部件与上部冷却介质槽连接，安全部件用于在上部冷却介质槽的压力达到一定值进行泄压。

示例性地，当本申请的装置发生故障时，液态的冷却介质能够吸收外界环境的热量迅速汽化并膨胀，此时冷却介质槽，特别是上部冷却介质槽中的压力将急剧升高，如果压力不及时排出，将造成整个装置的损坏。因此本申请在阀箱200上设置了安全部件，该安全部件具体来说是泄压阀，当上部冷却介质槽中的压力达到该泄压阀的压力值时，泄压阀将迅速打开，上部冷却介质槽中气态的冷却介质即可快速排出，避免发生装置被损坏的事故。

在本申请的实施例中，安全部件包括多个具有不同压力值的泄压阀。由于发生故障时上部冷却介质槽内部的压力将在短时间内快速上升，单个泄压阀无法及时将大量气体排出，因此本申请设置了多个泄压阀，以提高泄压的速度。而且，装置发生故障的程度不同其内部的压力也不相同，而且压力升高的速度很快，因此本申请设置了多个不同压力值的泄压阀，以使不同故障下上部冷却介质槽处在不同的压力时，对应的泄压阀将被打开，以提高泄压的反应速度。

在一种可能的实施例中，下部杜瓦的外侧面上设置有多个竖直的拉力调节部件310和多个水平的压力调节部件320，拉力调节部件310和压力调节部件320的末端分别与铁轭部件100上的调节组件连接。

示例性地，在本申请的装置调试励磁过程中，随着电流增大，铁轭部件100和线圈部件300内部将产生强大的电磁力，该电磁力可以达到600000kg以上。而且本申请的装置体积庞大，实际加工和工程组装后不可能是完全对称的，所以同时也会由于不对称产生非常大的非对称力，电磁力和非对称力叠加使线圈部件300内部结构处于不平衡状态，同时也处于危险的环境中。此时通过拉力调节部件310和压力调节部件320对线圈部件300的位置进行调节，使其达到平衡。并且可以在拉力调节部件310和压力调节部件320上设置拉力监测传感器和压力监测传感器，分别用以监测拉力调节部件310和压力调节部件320上的拉力和压力的情况，从而通过具体的监测数值指导调节量。

在本申请的实施例中，拉力调节部件310和压力调节部件320的结构相同，均包含固定杆和转动杆，固定杆的一端固定设置在下部杜瓦的外侧面上，一端和转动杆的一端转动套接，而转动杆的另一端具有螺纹。铁轭部件100上设置有螺孔，转动杆末端的螺纹螺接在该螺孔中，因此旋转转动杆即可调节其在铁轭部件100中的位置，进而调节整个线圈部件300的位置。

应理解，由于拉力调节部件310和压力调节部件320分别从竖直和水平两个方向调节线圈部件300的位置，因此为了确保两个方向都能顺利进行调节，拉力调节部件310和压力调节部件320与下部杜瓦之间均需要保持一定的转动。

在一种可能的实施例中，铁轭部件100由多个铁轭板110拼接形成。

示例性地，铁轭部件100用于屏蔽内部强磁场环境对外界环境的影响，本申请中的铁轭板110采用DT4材料制成，且对该材料B-H曲线性能有一定的要求，已实现离磁体1000mm外磁场＜300Gauss的测量要求。

本申请中的铁轭板110紧贴在一起后通过销轴等组件连接在一起，通过这种拼接的方式可以提高铁轭部件100的组装效率。

本申请的装置工作流程如下：

开启制冷部件220，给阀箱200内部充入液态的冷却介质，此时冷却介质会沿着连接部件210传到线圈部件300及其它位置，当超导线圈的温度达到零下169度或者以下时，超导线圈进入超导状态，对超导线圈从0开始逐步通电励磁，在这个过程中，通过监测和调节拉力调节部件310和压力调节部件320使得线圈部件300动态保持一个合理位置，励磁过程中，磁场逐渐增大，同时铁轭部件100的电磁性能自行调节磁场分布，同时线圈部件300内部的压力如果超过设定压力，则安全部件将分级工作，保护线圈部件300内部的压力平衡。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，包括：

铁轭部件（100），所述铁轭部件（100）上设置有贯穿前后侧面的外测量孔（120）以及贯穿上下侧面的外观察孔（130）；

阀箱（200），设置在所述铁轭部件（100）的外顶部，所述阀箱（200）用于储存液态的冷却介质；

线圈部件（300），设置在所述铁轭部件（100）的内部，所述线圈部件（300）包括下部冷却介质槽，所述下部冷却介质槽中设置有两组超导线圈，且所述下部冷却介质槽也填充有冷却介质，所述阀箱（200）和下部冷却介质槽之间通过连接部件（210）连接，以使冷却介质能够在所述阀箱（200）和下部冷却介质槽之间流动，两组所述超导线圈同轴且相对设置，所述下部冷却介质槽在两组所述超导线圈之间设置有内测量孔（330）和内观察孔（340），所述外测量孔（120）和内测量孔（330）的位置对应，且所述外观察孔（130）和内观察孔（340）的位置对应。

2.根据权利要求1所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述线圈部件（300）还包括下部冷屏和下部杜瓦，所述下部冷屏设置在所述下部冷却介质槽外部，所述下部杜瓦设置在所述下部冷屏外部。

3.根据权利要求2所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述阀箱（200）包括从外至内依次设置的上部杜瓦、上部冷屏和上部冷却介质槽，冷却介质储存在所述上部冷却介质槽中。

4.根据权利要求3所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述连接部件（210）包括从外至内依次设置的杜瓦层、冷屏层和冷却介质槽层，所述杜瓦层的两端分别与所述上部杜瓦和下部杜瓦连接并连通，所述冷屏层的两端分别与所述上部冷屏和下部冷屏连接并连通，所述冷却介质槽层的两端分别与所述上部冷却介质槽和下部冷却介质槽连接并连通。

5.根据权利要求3所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述阀箱（200）上设置有制冷部件（220），所述制冷部件（220）用于将所述上部冷却介质槽中蒸发形成气态的冷却介质冷却为液态，并回流至所述上部冷却介质槽中。

6.根据权利要求3所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述阀箱（200）上设置有安全部件，所述安全部件与所述上部冷却介质槽连接，所述安全部件用于在所述上部冷却介质槽的压力达到一定值进行泄压。

7.根据权利要求6所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述安全部件包括多个具有不同压力值的泄压阀。

8.根据权利要求2所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述下部杜瓦的外侧面上设置有多个竖直的拉力调节部件（310）和多个水平的压力调节部件（320），所述拉力调节部件（310）和压力调节部件（320）的末端分别与所述铁轭部件（100）上的调节组件连接。

9.根据权利要求1所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述铁轭部件（100）由多个铁轭板（110）拼接形成。

10.根据权利要求1所述的一种金属流体速度场和温度场的测量装置，其特征在于，所述阀箱（200）通过支撑部件（230）设置在所述铁轭部件（100）上。

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