CN211887459U - 超重力离心机的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超重力离心机的制冷系统，超重力离心机包括绕竖直轴线转动的转子以及罩设在转子外的换热室，制冷系统包括液冷装置和蒸发冷却装置；液冷装置包括制冷源以及相应的冷却液循环管路，冷却液循环管路从换热室的室壁内穿过以进行热交换；蒸发冷却装置包括：带有与换热室室内连通的进气口和出气口的气体循环管路，冷却液循环管路与气体循环管路通过冷凝装置热耦合，接入气体循环管路并用于收集冷凝液的储液器，和喷雾管路。喷雾管路包括接入储液器的吸液口，以及安装在换热室室内且与吸液口连通的喷雾头。本申请提供的超重力离心机的制冷系统，能够及时降低超重力离心机的温度，保证超重力离心机的稳定运行。

Description

超重力离心机的制冷系统

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制冷系统。

背景技术

超重力离心机通常包括转子和换热室，通过驱动电机带动离心机转子高速旋转，产生巨大离心力，满足超重力实验的要求。在此过程中，转子的旋转带动换热室内空气流动，引起转子与固定支架、转子与周围空气、流动的空气与换热室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高效的制冷系统。

实用新型内容

本申请提供了一种超重力离心机的制冷系统，能够及时降低超重力离心机的温度，保证超重力离心机的稳定运行。

本申请提供的超重力离心机的制冷系统中，所述超重力离心机包括绕竖直轴线转动的转子以及罩设在转子外的换热室，所述制冷系统包括液冷装置和蒸发冷却装置；所述液冷装置包括制冷源以及相应的冷却液循环管路，所述冷却液循环管路从所述换热室的室壁内穿过以进行热交换；

所述蒸发冷却装置包括：

气体循环管路，带有与换热室室内连通的进气口和出气口；

冷凝装置，所述冷却液循环管路与所述气体循环管路通过冷凝装置热耦合；

储液器，接入所述气体循环管路，用于收集冷凝液；

喷雾管路，包括接入所述储液器的吸液口，以及安装在换热室室内且与所述吸液口连通的喷雾头。

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，所述进气口比所述出气口更靠近所述竖直轴线。

可选的，超重力离心机的制冷系统还包括真空泵，该真空泵通过真空管路接入所述换热室以调节换热室室内的真空度。

可选的，所述气体循环管路中，位于所述出气口和所述冷凝装置之间的一段为冷凝前段；所述真空管路连通所述冷凝前段。

可选的，所述真空管路中设有第一气阀，所述冷凝前段中设有第二气阀。

可选的，所述换热室为两端封闭的圆筒形，包括上壁、下壁和圆周壁；所述进气口开设于下壁，所述出气口开设于上壁。

可选的，所述喷雾头靠近所述转子的外侧。

可选的，所述喷雾头位于所述转子的下方且朝上喷雾。

可选的，所述蒸发冷却装置沿所述换热室的周向均匀布置多套，各套蒸发冷却装置的气体循环管路均与所述换热室连通。

可选的，所述换热室具有一穿过所述竖直轴线的纵切面，同一套所述蒸发冷却装置中，所述进气口和所述出气口处于同一纵切面且位于所述竖直轴线的同一侧。

本申请提供的超重力离心机的制冷系统，能够及时降低超重力离心机的温度，保证超重力离心机的稳定运行。

附图说明

图1为超重力离心机的制冷系统的一实施例的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

100、转子；200、换热室；210、上壁；220、下壁；230、圆周壁；310、制冷源；320、冷却液循环管路；410、气体循环管路；411、进气口；412、出气口；413、冷凝前段；420、冷凝装置；430、储液器；440、喷雾管路；441、喷雾头；510、真空泵；520、真空管路；610、第一气阀；620、第二气阀。

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。

在超重力离心机的制冷系统的一实施例中，超重力离心机包括绕竖直轴线转动的转子100以及罩设在转子外的换热室，制冷系统包括液冷装置和蒸发冷却装置。液冷装置包括制冷源310以及相应的冷却液循环管路320，冷却液循环管路320从换热室的室壁内穿过以进行热交换。

蒸发冷却装置包括气体循环管路、冷凝装置420、储液器430和喷雾管路440。气体循环管路410带有与换热室室内连通的进气口411和出气口412。冷却液循环管路320与气体循环管路通过冷凝装置420热耦合。储液器430接入气体循环管路，用于收集冷凝液。喷雾管路440包括接入储液器的吸液口，以及安装在换热室室内且与吸液口连通的喷雾头441。

超重力离心机的转子高速旋转时，换热室的室内气体随之一起转动。根据超重力离心机的应用场景不同，换热室的室内气体可以是空气也可以是其它实验所需气氛。转子高速搅动室内气体，造成换热室的室内气体的温度升高。室内气体高速运动时，与换热室的室壁相互摩擦，造成换热室的室壁的温度升高。需要降低室内气体的温度，以将超重力模拟实验的温度参数控制在适宜的范围。还需要降低换热室的室壁温度，以保证安装于室壁的传感器的造成运行。

本实施例通过液冷装置降低换热室的室壁温度。冷却液在冷却液循环管路320内循环流动，冷却液经过制冷源310时温度降低，冷却液经过换热室的室壁时温度升高并带走室壁的热量，使换热室的室壁温度降低。冷却液循环管路320从换热室的室壁内穿过，是指冷却液循环管路沿换热室的室壁铺设，在不考虑换热室的室壁的厚度的条件下，冷却液循环管路的延伸方向与室壁所在平面平行。冷却液循环管路的外周包裹在换热室的室壁内，增大了与室壁的接触面积，换热效率高，并且利用换热室的室壁保护冷却液循环管路，使冷却液循环管路不易被换热室的室内气体或室外气体腐蚀，更加安全可靠。

本实施例还通过蒸发冷却装置降低换热室的室内气体温度。换热室的室内气体通过气体循环管路循环流通。换热室的室内气体流经冷凝装置时与冷却液循环管路内的冷却液换热，温度下降后流回到换热室内。以此通过热交换的方式降低换热室内的气体温度。

蒸发冷却装置还通过蒸发吸热的方式直接降低换热室的室内气体温度。喷雾头441向换热室的室内喷出雾滴，雾滴通过蒸发直接吸收换热室的室内气体的热量，以此降低换热室内的气体温度。

雾滴蒸发产生的蒸汽，会增加换热室内的蒸汽压，蒸汽压升高将影响雾滴的蒸发效率。冷凝装置在降低室内气体温度的同时，还使室内气体中的蒸汽分压降低，保证了雾滴的蒸发效率。冷凝装置产生的冷凝液流入储液器，储液器内存储的冷凝液再通过喷雾头441进入换热室内蒸发，形成蒸发工质的循环回路，提高制冷系统的自动化程度和可靠性，保证超重力离心机的稳定运行。

为了降低超重力离心机的运行成本，在其中一实施例中，进气口比出气口更靠近竖直轴线。降低超重力离心机在的运行时，会在换热室内产生离心力场，该离心力场造成远离竖直轴线的出气口412处的气压较高，而靠近竖直轴线的进气口411处的气压较低，使气体循环管路的两端维持一定范围的压差，该压差驱动换热室内的气体沿气体循环管路流动，不需要额外增设气泵，节约了超重力离心机的运行成本。

为了进一步提高降温效率，满足超重力离心机高速运行时的降温需求，在其中一实施例中，超重力离心机的制冷系统还包括真空泵510，该真空泵通过真空管路520接入换热室以调节换热室室内的真空度。

一方面，对于超重力离心机而言，降低换热室内的气体密度将有效减少室内气体与室壁、室内气体与转子100的摩擦，从而降低超重力离心机整体的产热速率。另一方面，室内真空度的提高后，室内蒸汽的分压随之下降，有利于加快喷雾头441喷出的雾滴的蒸发，从而提高制冷系统的吸热速率。这两方面共同作用，提高制冷系统的制冷能力。

气体循环管路中，位于出气口和冷凝装置之间的一段为冷凝前段413；真空管路520连通冷凝前段413。

通过将真空管路520与气体循环管路连通，真空泵510直接抽取气体循环管路内的气体，可以减少换热室的室壁的开孔数量，保证换热室的气密性，方便设备维护。

将真空管路520连在冷凝前段413，冷凝前段413处气体密度相对较大，可以提高抽真空的效率，降低设备运行成本。

为了进一步降低设备运行成本，在其中一实施例中，真空管路中设有第一气阀610，冷凝前段中设有第二气阀620。当换热室内的气体量减少到一定程度之后，关闭第一气阀610，使换热室维持低压环境，减缓产热速率。在真空泵510完全停止后再打开第一气阀610可以保证真空泵510的正常运行。

在其中一实施例中，换热室为两端封闭的圆筒形，包括上壁210、下壁220和圆周壁230；进气口411开设于下壁220，出气口开设于上壁210。

进气口411开设于下壁220，是指先在下壁220上开设通孔，再将气体循环管路的进气口411插入该通孔，并保证管路外周与下壁220密封接触。出气口开设于上壁210，是指先在上壁210上开设通孔，再将气体循环管路的出气口412插入该通孔，并保证管路外周与上壁210密封接触。

通过将进气口411设置在下壁220，使经过冷凝装置420冷却后的低温气体从换热室的下端进入，从换热室的上端流出，有利于低温气体充满工作室，提高降温效率。

为了进一步提高降温效率，在其中一实施例中，喷雾头靠近转子100的外侧。转子100的外侧，是指转子100上远离竖直轴线的部位。转子100外侧的线速度较大，与室内气体的摩擦作用更加剧烈，温度较高。将喷雾头对准转子100的外侧喷雾，可以更有效防止该部位过热，并提高降温效率。

进一步的，在其中一实施例中，喷雾头441位于转子的下方且朝上喷雾。在气体循环管路的带动下，换热室内靠近圆周壁230的气体有自下而上的流动趋势，通过该设置可以促进喷雾头441喷出的雾滴随气流流经转子的外侧，针对转子外侧的降温效果更好。

蒸发冷却装置沿换热室的周向均匀布置多套，各套蒸发冷却装置的气体循环管路均与换热室连通。

在本实施例中，各进气口绕竖直轴线环形排布，各出气口绕竖直轴线环形排布。通过设置多套蒸发冷却装置，减少了每套蒸发冷却装置中气体循环管路所需要承当的气体流量，使换热室内的流场更加均匀，保证了超重力离心机的实验性能。

具体的，在其中一实施例中，换热室具有一穿过竖直轴线的纵切面(例如图1的纸面)，同一套蒸发冷却装置中，进气口和出气口处于同一纵切面且位于竖直轴线的同一侧。即同一套蒸发冷却装置中，进气口和出气口处于同一纵切面。该设置在保证进气口和出气口之间具有足够压差的前提下，尽量缩短进气口和出气口的距离，对换热室内部气流场的扰动较小。

在其中一实施例中，冷凝装置为空调箱，喷雾头喷出的雾滴尺寸在纳米级。

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.超重力离心机的制冷系统，所述超重力离心机包括绕竖直轴线转动的转子以及罩设在转子外的换热室，其特征在于，所述制冷系统包括液冷装置和蒸发冷却装置；所述液冷装置包括制冷源以及相应的冷却液循环管路，所述冷却液循环管路从所述换热室的室壁内穿过以进行热交换；

所述蒸发冷却装置包括：

气体循环管路，带有与换热室室内连通的进气口和出气口；

冷凝装置，所述冷却液循环管路与所述气体循环管路通过冷凝装置热耦合；

储液器，接入所述气体循环管路，用于收集冷凝液；

喷雾管路，包括接入所述储液器的吸液口，以及安装在换热室室内且与所述吸液口连通的喷雾头。

2.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述进气口比所述出气口更靠近所述竖直轴线。

3.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，超重力离心机的制冷系统还包括真空泵，该真空泵通过真空管路接入所述换热室以调节换热室室内的真空度。

4.根据权利要求3所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述气体循环管路中，位于所述出气口和所述冷凝装置之间的一段为冷凝前段；所述真空管路连通所述冷凝前段。

5.根据权利要求4所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述真空管路中设有第一气阀，所述冷凝前段中设有第二气阀。

6.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述换热室为两端封闭的圆筒形，包括上壁、下壁和圆周壁；所述进气口开设于下壁，所述出气口开设于上壁。

7.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述喷雾头靠近所述转子的外侧。

8.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述喷雾头位于所述转子的下方且朝上喷雾。

9.根据权利要求1所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述蒸发冷却装置沿所述换热室的周向均匀布置多套，各套蒸发冷却装置的气体循环管路均与所述换热室连通。

10.根据权利要求9所述的超重力离心机的制冷系统，其特征在于，所述换热室具有一穿过所述竖直轴线的纵切面，同一套所述蒸发冷却装置中，所述进气口和所述出气口处于同一纵切面且位于所述竖直轴线的同一侧。

Images