CN207021068U - 一种磁体强制对流液冷的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁体强制对流液冷的冷却系统，包括电控装置、高压恒压供给罐、低压背压排液罐和冷却液槽，该电磁线圈导线中心开设有纵向贯穿整条电磁线圈导线的液体冷却通道，且在电磁线圈的两端设有与液体冷却通道相通的绝缘接口，高压恒压供给罐和低压背压排液罐分别具有进液口和出液口，高压恒压供给罐的出液口与电磁线圈的一绝缘接口连接，低压背压排液罐的进液口与电磁线圈的另一绝缘接口连接。本实用新型使液体冷却通道内处于高压恒压状态，可抑制电磁线圈内冷却工质的吸热相变现象，保持液体冷却通道内的冷却工质始终以液态形式流经电磁线圈，有效提高电磁线圈的冷却速度，提高磁体加载频率，提高使用效率。

Description

一种磁体强制对流液冷的冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种磁体强制对流液冷的冷却系统。

背景技术

如图1所示，重频磁体是一种脉冲式磁场产生装置，其核心结构由特殊结构的电磁线圈构成。单次通电加载，可产生10T以上的强磁场，目前已有的重频磁体可达到45T磁场强度。强磁场重频磁体应用领域广泛，包括军事领域电磁武器、科研领域质谱分析、医疗领域核磁成像和质子医疗等等。重频磁体的磁场越强，对相应领域的应用越有益处，但是，电磁线圈产生强磁场需要强大的电流和密集的绕线，而由于电磁线圈电阻的存在，使得电磁线圈在产生强磁场的同时也会产生大量的焦耳热，如果这些热量不能及时排出，将会使线圈的温度升高，增加线圈的电阻，导致在下一次加载时产生更多热量，从而降低磁场强度，因此，电磁线圈产生强磁场时所生成的热量必须排出。然而，热量排出的速度会影响磁体的使用频率，而在本领域中，磁体使用频率越高越好，以提高使用效率，降低使用时间成本，因此，就需要高效的散热手段，将磁体内产生的焦耳热快速排出磁体，以便为下次加载做好准备。

如图1所示的强磁场重频磁体，由电磁导线9绕制而成，相邻圈之间具有绝缘层91，电磁导线9横截面呈矩形，整个绕线浸泡在绝缘低温工质里，内侧线圈层间留出液体通道92，依靠自然对流散热，这是目前最有效的冷却方式之一，这种方式可以使线圈加载间隔缩短为15～20分钟左右，但是，基于提高效率的考虑，业界希望冷却时间为秒级以内。但是现有的冷却结构无法达到此要求。

强磁场重频磁体的电磁线圈在低温下可获得良好的低电阻，有利于加载大电流，产生强磁场，降低能量焦耳热损耗，提高能量利用效率和设备运行稳定性。为了获得这种低温环境，一般是依靠低温工质浸泡电磁线圈，例如低温工质为液态二氧化碳、液氮、液氦、液氢等，同时依靠这些液体的相变挥发实现维持环境的恒温控制。这些低温工质在维持冷环境的同时，也可以作为冷却工质，将发热电磁线圈的温度冷却至环境温度，如图2和3所示，通过在电磁导线9中心开设液体冷却通道93的方式，将冷却工质依靠外力注入液体冷却通道93对电磁线圈进行冷却。

但是，受限于电磁线圈的体积，电磁线圈不能采用较粗的导线，因此导线中心开设的液体冷却通道的孔径较小，通常为0至2mm，液体冷却通道的截面形状不限，整个电磁体是由一根导线缠绕而成，由于液体冷却通道是一个孔径小且细长的液冷通道，因此，管道沿程阻力大。由于低温冷却工质在大气压下处于饱和状态，受热即相变为气态，如果在导线一端使用增压装置将液体低温工质注入其内，而导线的另一端与大气相通，那么，液体低温工质在线圈中吸热后，很容易发生相变产生蒸汽，从而导致线圈内液体低温工质的体积急剧膨胀，压力上升，进而阻碍液体低温工质流动，降低电磁线圈的冷却速度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种操作简单、成本低、容易实现、稳定可靠、提高冷却效率的磁体强制对流液冷的冷却系统。

本实用新型的上述目的可以通过以下措施来实现：一种磁体强制对流液冷的冷却系统，其特征在于：它包括电控装置、高压恒压供给罐、低压背压排液罐和装有用于浸泡电磁线圈的冷却工质的冷却液槽，该电磁线圈导线中心开设有纵向贯穿整条电磁线圈导线的液体冷却通道，且在电磁线圈的两端设有与液体冷却通道相通的绝缘接口，所述高压恒压供给罐和低压背压排液罐分别具有进液口和出液口，所述高压恒压供给罐的出液口与电磁线圈的一绝缘接口连接，所述低压背压排液罐的进液口与电磁线圈的另一绝缘接口连接，所述电控装置控制冷却工质从高压恒压供给罐的进液口流入其中，再控制高压恒压供给罐和低压背压排液罐内压强分别升至恒定使得液体冷却通道内为高压恒压状态，且高压恒压供给罐内气体压强大于低压背压排液罐内气体压强，冷却工质从高压恒压供给罐的出液口被压入电磁线圈的液体冷却通道中，吸热后的冷却工质从低压背压排液罐的进液口排入其中，通过低压背压排液罐泄压维持其内部压强恒定，并在低压背压排液罐中冷却工质的液位达到设定液位时，冷却工质从低压背压排液罐的出液口排至冷却液槽中或者用于储存冷却工质的存贮罐中。

本实用新型使液体冷却通道内处于高压恒压状态，可抑制电磁线圈内冷却工质的吸热相变现象，保持液体冷却通道内的冷却工质始终以液态形式流经电磁线圈，因此可一直保持液体强制对流换热，充分发挥液冷强制对流换热的优势，由于液体的导热系数远高于气体的导热系数，所以，一次抑制电磁线圈内出现相变，减小气体换热热阻，就可以有效提高电磁线圈的冷却速度，实现磁体的快速冷却，提高冷却效率，从而提高磁体加载频率，提高使用效率。本发明相对于相变液冷方式，实现更为容易，液体冷却通道的阻力低，对设备结构强度要求低，而且冷却效果更好，可以实现磁体的秒级冷却，特别是当本发明应用于强磁场重频磁体时，上述冷却效果尤为明显。

作为本实用新型的一种改进，所述冷却系统还包括备用高压恒压供给罐，所述备用高压恒压供给罐具有进液口和出液口，所述备用高压恒压供给罐的出液口连接在高压恒压供给罐和电磁线圈相连的管路上，当高压恒压供给罐中的冷却工质用尽，由备用高压恒压供给罐向电磁线圈提供冷却工质，使高压恒压供给罐和备用高压恒压供给罐交替使用，从而实现不间断冷却。

本实用新型在所述高压恒压供给罐上设有排气泄压电磁阀、高压恒压气源入口和恒压安全阀，高压恒压供给罐的进液口与冷却液补给泵相连，并在连接管路上设有电磁阀，且在高压恒压供给罐的出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀，在所述高压恒压供给罐内设有第一液位传感器，所述电控装置分别与第一液位传感器和高压恒压供给罐上的各阀门相连。

本实用新型的所述备用高压恒压供给罐上设有排气泄压电磁阀、高压恒压气源入口和恒压安全阀，在所述备用高压恒压供给罐的进液口、出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀，备用高压恒压供给罐与高压恒压供给罐共用一个冷却液补给泵，通过进液口上电磁阀的切换使用该冷却液补给泵补液，或者备用高压恒压供给罐独立连接一个补液泵进行补液，在所述备用高压恒压供给罐内设有第二液位传感器，所述电控装置分别与第二液位传感器和备用高压恒压供给罐上的各阀门相连。

本实用新型在所述低压背压排液罐上设有低压恒压气源入口和低压恒压安全阀，在所述低压背压排液罐内设有第三液位传感器，所述低压背压排液罐的出液口和低压恒压气源入口分别设有电磁阀，所述电控装置分别与第三液位传感器和低压背压排液罐上的各阀门相连。

本实用新型所述冷却工质为液态二氧化碳、液氮、液氦或液氢等等，也可以选用其它的绝缘低温工质。

本实用新型液体冷却通道内压强是1～3.4MPa。

与现有技术相比，本实用新型具有如下显著的效果：

⑴本实用新型使液体冷却通道内一直处于高压恒压状态，可抑制电磁线圈内冷却工质的吸热相变现象，保持液体冷却通道内的冷却工质始终以液态形式流经电磁线圈，充分发挥液冷强制对流换热的优势，有效提高电磁线圈的冷却速度，实现磁体的快速冷却，提高冷却效率，从而提高磁体加载频率，提高使用效率。

⑵本实用新型相对于相变液冷方式，实现更为容易，液体冷却通道的阻力低，对设备结构强度要求低，而且冷却效果更好，可以实现磁体的秒级冷却。

⑶当本实用新型应用于强磁场重频磁体时，冷却效果尤为明显。

⑷本实用新型冷却系统结构简单、成本低、操作简便、容易实现、运行稳定可靠，适于广泛推广和应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对实用新型作进一步的详细说明。

图1是现有重频磁体的结构示意图；

图2是现有其中心开有液体冷却通道的电磁线圈的结构示意图；

图3是图2中A局部放大示意图；

图4是本实用新型冷却系统的结构示意图。

具体实施方式

一种磁体强制对流液冷却方法，在本实施例中，磁体为强磁场重频磁体，单次通电加载，可产生10T以上的强磁场，有的重频磁体可达到45T磁场强度。重频磁体的电磁线圈1的导线中心开设有纵向贯穿整条电磁线圈导线的液体冷却通道，在本实施例中，电磁线圈1的外径是130～260mm，高度是140～280mm。电磁线圈1液体冷却通道的长度为8～15m，直径为2mm。将重频磁体浸泡在冷却工质27中，在本实施例中，冷却工质27采用液氮，在其它实施例中，冷却工质还可以采用液态二氧化碳、液氦或液氢等等。从电磁线圈1的一端向液体冷却通道内压入冷却工质27，冷却工质27沿着液体冷却通道流动，并从电磁线圈1的另一端流出，该液体冷却通道内一直处于高压恒压状态以维持冷却工质27始终为液态。液体冷却通道内压强大于或等于1且小于或等于3.4MPa。

在电磁线圈1的两端各设置一个与液体冷却通道相通的绝缘接口2、3，电磁线圈1通过绝缘接口2、3分别连接一高压恒压供给罐4和一低压背压排液罐5，高压恒压供给罐4内装有冷却工质，高压恒压供给罐4和低压背压排液罐5内分别升压至恒定，高压恒压供给罐4内气体压强大于低压背压排液罐5内气体压强，冷却工质27被压入电磁线圈1的液体冷却通道中，吸热后的冷却工质27排入低压背压排液罐5内，通过低压背压排液罐5泄压维持其内部压强恒定，并在低压背压排液罐5中冷却工质27的液位达到设定液位时，将冷却工质27排至用于浸泡电磁线圈1的冷却工质27中，在其它实施例中，冷却工质27还可以排至用于储存冷却工质的存贮罐中。还设置一装有冷却工质27的备用高压恒压供给罐6，将备用高压恒压供给罐6连接在高压恒压供给罐4和电磁线圈1之间的管路上，当高压恒压供给罐4中的冷却工质27用尽，由备用高压恒压供给罐6提供冷却工质27并将其压入电磁线圈1的液体冷却通道中，同时，高压恒压供给罐4泄压后，向高压恒压供给罐4内补充冷却工质27并升压至其内部压强恒定，以便在备用高压恒压供给罐6内的冷却工质27用尽后由高压恒压供给罐提供冷却工质27，如此，高压恒压供给罐4和备用高压恒压供给罐6交替使用，从而实现不间断冷却。

如图4所示，一种使用上述强制对流液冷却方法的冷却系统，它包括电控装置、高压恒压供给罐4、低压背压排液罐5、备用高压恒压供给罐6和装有用于浸泡电磁线圈1的冷却工质的冷却液槽7，该电磁线圈1导线中心开设有纵向贯穿整条电磁线圈导线的液体冷却通道，且在电磁线圈1的两端设有与液体冷却通道相通的绝缘接口，高压恒压供给罐4、备用高压恒压供给罐6和低压背压排液罐5分别具有进液口和出液口，高压恒压供给罐4的出液口与电磁线圈1的一绝缘接口2连接，备用高压恒压供给罐6的出液口连接在高压恒压供给罐4和电磁线圈1相连的管路上，低压背压排液罐5的进液口与电磁线圈1的另一绝缘接口3连接。电控装置控制冷却工质从高压恒压供给罐4的进液口流入其中，再控制高压恒压供给罐4和低压背压排液罐5内压强分别升至恒定使得液体冷却通道内为高压恒压状态，且高压恒压供给罐4内气体压强大于低压背压排液罐5内气体压强，冷却工质从高压恒压供给罐4的出液口被压入电磁线圈1的液体冷却通道中，吸热后的冷却工质从低压背压排液罐5的进液口排入其中，通过低压背压排液罐5泄压维持其内部压强恒定，并在低压背压排液罐5中冷却工质的液位达到设定液位时，冷却工质从低压背压排液罐5的出液口排至冷却液槽7中或是外部液氮存贮罐内，当高压恒压供给罐4中的冷却工质用尽，由备用高压恒压供给罐6向电磁线圈1提供冷却工质，使高压恒压供给罐4和备用高压恒压供给罐6交替使用，从而实现不间断冷却。

在本实施例中，在高压恒压供给罐4上设有排气泄压电磁阀8、高压恒压气源入口和恒压安全阀10，高压恒压供给罐4的进液口与冷却液补给泵11相连，并在连接管路上设有电磁阀12，且在高压恒压供给罐4的出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀13、14，在高压恒压供给罐4内设有第一液位传感器15，电控装置分别与第一液位传感器15和高压恒压供给罐4上的各阀门相连。

在本实施例中，备用高压恒压供给罐6上设有排气泄压电磁阀16、高压恒压气源入口和恒压安全阀18，在备用高压恒压供给罐6的进液口、出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀17、19和20，备用高压恒压供给罐6与高压恒压供给罐4共用一个冷却液补给泵，通过进液口上电磁阀17的切换使用该冷却液补给泵补液，或者备用高压恒压供给罐6独立连接一个补液泵进行补液，在备用高压恒压供给罐6内设有第二液位传感器21，电控装置分别与第二液位传感器21和备用高压恒压供给罐6上的各阀门相连。

在本实施例中，在低压背压排液罐5上设有低压恒压气源入口和低压恒压安全阀23，在低压背压排液罐5内设有第三液位传感器24，低压背压排液罐5的出液口和低压恒压气源入口分别设有电磁阀25、26，电控装置分别与第三液位传感器24和低压背压排液罐5上的各阀门相连。

本实用新型冷却系统工作的具体过程是：

⑴工作准备：初始态，关闭电磁阀13，开启电磁阀12，冷却液补液泵11给高压恒压供给罐4泵入液氮，到达设定液位后，冷却液补液泵11关闭，关闭电磁阀12，打开电磁阀14，高压恒压供给罐4蓄压达到10MPa(1-30MpaA且大于低压背压排液罐的压强即可)，从而达到工作状态，同时备用高压恒压供给罐6也按照前面上面步骤准备达到工作状态(达到与高压恒压供给罐同样的压强)；关闭低压背压排液罐5出液口上的电磁阀25，打开低压恒压气源入口上的电磁阀26蓄压，即达到2MPa(0-3.4MPa即可)，达到工作状态，此时，完成冷却系统工作准备。

⑵冷却系统运行：打开电磁阀13，液氮在气压作用下，压入电磁线圈1，对电磁线圈1进行冷却，吸热后的液氮排入低压背压排液罐5，当液氮进入低压背压排液罐5中，低压背压排液罐5中压力升高，打开低压恒压安全阀23泄压，维持低压背压排液罐5中压力恒定，当低压背压排液罐5中液氮液位高到设定允许值时，打开出液口上的电磁阀25，将液氮排入冷却槽7；当高压恒压供给罐4中的液氮用完后，关闭电磁阀13，备用高压恒压供给罐6开始工作，此时，关闭高压恒压气源入口上的电磁阀14，打开排气泄压电磁阀8，使高压恒压供给罐4恢复常压，冷却液补给泵11工作，给高压恒压供给罐4补充液氮，补充完后，关闭排气泄压电磁阀8，打开高压恒压气源入口上的电磁阀14，使高压恒压供给罐4完成工作准备，当备用高压恒压供给罐6中液氮用完后，切换到高压恒压供给罐4工作，如此，高压恒压供给罐4和备用高压恒压供给罐6交替工作，实现冷却系统不间断工作。可实现重频磁体的秒级冷却。

本实用新型的实施方式不限于此，根据本实用新型的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁体强制对流液冷的冷却系统，其特征在于：它包括电控装置、高压恒压供给罐、低压背压排液罐和装有用于浸泡电磁线圈的冷却工质的冷却液槽，该电磁线圈导线中心开设有纵向贯穿整条电磁线圈导线的液体冷却通道，且在电磁线圈的两端设有与液体冷却通道相通的绝缘接口，所述高压恒压供给罐和低压背压排液罐分别具有进液口和出液口，所述高压恒压供给罐的出液口与电磁线圈的一绝缘接口连接，所述低压背压排液罐的进液口与电磁线圈的另一绝缘接口连接，所述电控装置控制冷却工质从高压恒压供给罐的进液口流入其中，再控制高压恒压供给罐和低压背压排液罐内压强分别升至恒定使得液体冷却通道内为高压恒压状态，且高压恒压供给罐内气体压强大于低压背压排液罐内气体压强，冷却工质从高压恒压供给罐的出液口被压入电磁线圈的液体冷却通道中，吸热后的冷却工质从低压背压排液罐的进液口排入其中，通过低压背压排液罐泄压维持其内部压强恒定，并在低压背压排液罐中冷却工质的液位达到设定液位时，冷却工质从低压背压排液罐的出液口排至冷却液槽中或者用于储存冷却工质的存贮罐中。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：所述冷却系统还包括备用高压恒压供给罐，所述备用高压恒压供给罐具有进液口和出液口，所述备用高压恒压供给罐的出液口连接在高压恒压供给罐和电磁线圈相连的管路上，当高压恒压供给罐中的冷却工质用尽，由备用高压恒压供给罐向电磁线圈提供冷却工质，使高压恒压供给罐和备用高压恒压供给罐交替使用，从而实现不间断冷却。

3.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于：在所述高压恒压供给罐上设有排气泄压电磁阀、高压恒压气源入口和恒压安全阀，高压恒压供给罐的进液口与冷却液补给泵相连，并在连接管路上设有电磁阀，且在高压恒压供给罐的出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀，在所述高压恒压供给罐内设有第一液位传感器，所述电控装置分别与第一液位传感器和高压恒压供给罐上的各阀门相连。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于：所述备用高压恒压供给罐上设有排气泄压电磁阀、高压恒压气源入口和恒压安全阀，在所述备用高压恒压供给罐的进液口、出液口和高压恒压气源入口分别设有电磁阀，备用高压恒压供给罐与高压恒压供给罐共用一个冷却液补给泵，通过进液口上电磁阀的切换使用该冷却液补给泵补液，或者备用高压恒压供给罐独立连接一个补液泵进行补液，在所述备用高压恒压供给罐内设有第二液位传感器，所述电控装置分别与第二液位传感器和备用高压恒压供给罐上的各阀门相连。

5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于：在所述低压背压排液罐上设有低压恒压气源入口和低压恒压安全阀，在所述低压背压排液罐内设有第三液位传感器，所述低压背压排液罐的出液口和低压恒压气源入口分别设有电磁阀，所述电控装置分别与第三液位传感器和低压背压排液罐上的各阀门相连。

6.根据权利要求5所述的冷却系统，其特征在于：所述冷却工质为液态二氧化碳、液氮、液氦或液氢。

7.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于：液体冷却通道内压强是1～3.4MPa。