TWI601666B

TWI601666B - 流體輸送組件

Info

Publication number: TWI601666B
Application number: TW105136095A
Authority: TW
Inventors: 莊秉勳; 廖文榮; 蔡黃修; 蕭豐礽; 李興傑
Original assignee: 財團法人國家同步輻射研究中心
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2016-11-07
Publication date: 2017-10-11
Also published as: TW201817649A

Description

流體輸送組件

本發明係關於一種流體輸送組件，特別係關於一種低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件。

在低溫設備及輸送管路的設計與實務操作上，低溫流體在受熱時會產生快速及高倍膨脹，形成液氣共存現象，造成極大的傳輸損耗，相當不利於流體的輸送，特別是進行流體灌充作業時。此外，在系統整合應用時往往需要同時輸送多種不同溫度之超低溫流體，如何降低這些流體在熱傳上的互相干擾也是極為重要的課題。上文之「先前技術」說明僅係提供背景技術，並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的，不構成本揭露之先前技術，且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之任一部分。

本揭露提供一種流體輸送組件，包含：一抗輻射保護殼體；一第一間隔片，設置於該抗輻射保護殼體內，其中該第一間隔片包含一第一孔洞；一第一內管，設置於該第一孔洞內；一外殼體；一第二間隔片，設置於該抗輻射保護殼體與該外殼體之間；一抗輻射件，設置於該第一內管與該外殼體之間；以及一第一外管，設置於該抗輻射保護殼體上。在本揭露之實施例中，該第一內管包含一第一段、一第二段、以及一軸向伸縮裝置，該軸向伸縮裝置連接該第一段及該第二段。在本揭露之實施例中，該第一間隔片包含一第二孔洞，且一第二內管設置於該第二孔洞內。在本揭露之實施例中，該第一內管經配置以輸送一第一物質之液體，該第二內管經配置以該第一物質之氣體。在本揭露之實施例中，該第一物質為氦。在本揭露之實施例中，該流體輸送組件另包含一第二外管，設置於該抗輻射保護殼體上。在本揭露之實施例中，該第一外管經配置以輸送一第二物質之液體，該第二外管經配置以輸送該第二物質之氣體。在本揭露之實施例中，該第二物質為氮。在本揭露之實施例中，該外殼體之內部的壓力約小於10 ^-6mbar。在本揭露之實施例中，該第一間隔片及該第二間隔片為非金屬材質，且在溫度4K之熱傳導係數小於0.5W/m-K。在本揭露之實施例中，該第一間隔片具有至少一熱截斷溝槽。在本揭露之實施例中，該抗輻射保護殼體為金屬材質，且於溫度約80K之熱傳導係數約為50W/m-K以上。在本揭露之實施例中，該外殼體之內的流體速度係介於0.01m/s~1.2m/s之間。在本揭露之實施例中，該抗輻射件在溫度約4~77K的熱通量小於1W/m ²。在本揭露之實施例中，該第一間隔片與該抗輻射保護殼體之接觸點至少3點。在本揭露之實施例中，該抗輻射件包覆該第一內管之外壁及該第一外管之外壁。本揭露提供一種流體輸送組件，包含：一外殼體；一中間模組，設置於該外殼體內部；一內部模組，設置於該中間模組內部；一第一間隔片，設置於該中間模組與該內部模組之間；一第二間隔片，設置於該外殼體與該中間模組之間；其中該內部模組經配置以一第一溫度輸送一第一物質，該中間模組經配置以一第二溫度輸送一第二物質，該第二溫度高於該第一溫度；以及其中該中間模組經配置以隔離該外殼體之外部環境與內部模組，避免該外殼體之外部環境的熱量影響該內部區域。在本揭露之實施例中，該第一間隔片及該第二間隔片為非金屬材質，且在溫度4K之熱傳導係數小於0.5W/m-K。簡言之，在本揭露實施例中，外殼體內部設計二個輸送模組，內部模組(抗輻射保護殼體內之第一內管或第二內管)經配置以輸送低溫液態氦及氣態氦，中間模組(抗輻射保護殼體內之第一外管或第二外管)經配置以輸送低溫液態氮及氣態氮，而中間模組經配置以隔離外殼體的外部環境與內部模組，避免外殼體的外部環境的熱量影響內部模組。如此，即可阻絕不同溫度之超低溫流體在輸送時產生相互熱傳干擾的問題。當低溫流體受熱時有快速及高倍膨脹等困擾，尤其是進行流體灌充作業時，易造成極大的傳輸損耗；若利用本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件來傳輸流體，透過其內部多重輸送管之間隔片的材質及幾何結構的設計，可以有效把熱損降至最低，並可阻絕不同溫度之超低溫流體輸送時產生相互熱傳干擾；如此，即可以減低環境熱損對流體輸送組件內之流體的危害。在低溫系統中，低溫流體有易氣化之特性，且與低溫設備間連接之低溫流體傳輸路徑錯綜複雜；若未採用本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件，低溫流體容易於在傳輸過程中氣化，造成管路內充斥兩相流體，增加管路壓損並降低傳輸效率，進而造成低溫設備無法獲得足夠低溫流體而穩定運作。相對地，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件可有效降低低溫流體傳輸熱損，對應地也能大幅地輔助各低溫設備或系統穩定運作。針對超低溫流體輸送，因其具備超低潛熱且容易氣化之特性，再加上實際應用時，低溫系統設備間流通之超低溫流體路徑錯綜複雜；若不加以整合，低溫流體容易於傳輸過程中氣化，形成兩相流體，增加管路壓損降低傳輸效率，進而造成低溫設備無法獲得足夠低溫流體而影響其運作；此外，在管路配置空間亦無法有效利用。本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件的間隔片設計可同時輸送至少四種流體(例如，液態氦、液態氮、氣態氦以及氣態氮)，並以超低熱損的方式進行輸送，有效降低汽化現象，可大幅地提升傳輸效益以及穩定性。為了解決傳輸熱損過大問題，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件可針對不同溫度之超低溫流體同時進行傳輸，亦可阻絕不同溫度之超低溫流體輸送時產生相互熱傳干擾。另外，傳統低溫輸送管路容易導入外界溫度，使得超低流體吸熱過多而氣化；相對地，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件內部的低溫流體，可有效保持低溫流體狀態；透過模擬計算，間隔片之材質及幾何構造的設計，改變超低溫輸送管與外界接觸的面積並增加溫度傳輸路徑與距離，可以有效阻絕溫差，降低熱損耗，在低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件應用上有極大助益。綜上所述，本揭露之技術具有以下幾個特性與優勢： 1.不影響原來低溫輸送管路功能，有效延長低溫流體在管路內保持液態的時間。 2.輸送管路可廣泛應用在所有具有低溫系統的設備上，普遍性極強。 3.間隔片的熱截斷溝槽設計大幅減少低溫系統的熱損與接觸外氣的風險，有助成本降低。 4.間隔片的設計不但可以同時輸送四種不同溫度範圍的流體，也可以抑制熱傳干擾。

本揭露之下面說明係伴隨附圖，其等係併入本說明書中並構成本說明書的一部分，且繪示出本揭露的實施例，但本揭露並不限於該等實施例。此外，可適當地整合下面實施例以完成另一實施例。「一實施例」、「實施例」、「例示實施例」、「其他實施例」、「另一實施例」等係指本揭露所描述之實施例可包含特定特徵、結構或是特性，然而並非每一實施例必須包含該特定特徵、結構或是特性。再者，重複使用「在本揭露之實施例中」一語並非必須指相同實施例，然而可為相同實施例。本揭露提供一種低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件。為了使得本揭露可被完全理解，以下說明提供詳細的步驟與結構。顯然，本揭露的實施不會限制該技藝中的技術人士已知的特定細節。此外，已知的結構與步驟不再詳述，以免不必要地限制本揭露。本揭露的較佳實施例詳述如下。然而，除了詳細說明之外，本揭露亦可廣泛實施於其他實施例中。本揭露的範圍不限於詳細說明的內容，而是由申請專利範圍定義。圖1例示本揭露實施例之流體輸送組件10的立體示意圖，圖2係圖1之流體輸送組件10的前視圖。在本揭露實施例中，流體輸送組件10包含：一抗輻射保護殼體11；一第一間隔片13，設置於抗輻射保護殼體11內，其中第一間隔片13包含一第一孔洞13A；一第一內管15A，設置於第一孔洞13A內；一外殼體17；一第二間隔片19，設置於抗輻射保護殼體11與外殼體17之間；一抗輻射件21，設置於第一內管15A與外殼體17之間；以及一第一外管23A，設置於抗輻射保護殼體11上。在本揭露實施例中，第一間隔片13另包含一第二孔洞13B，且一第二內管15B設置於第二孔洞13B內；第一內管15A經配置以輸送一第一物質(例如，氦)之液體，第二內管15B經配置以第一物質之氣體。在本揭露實施例中，流體輸送組件10另包含一第二外管23B，設置於抗輻射保護殼體11上；第一外管23A經配置以輸送一第二物質(例如，氮)之液體，第二外管23B經配置以輸送第二物質之氣體。在本揭露實施例中，第一內管15A及第二內管15B係作為內部模組，經配置以第一溫度(例如，約4K)輸送第一物質(例如，液態氦及氣態氦)；第一外管23A及第二外管23B係作為中間模組，經配置以第二溫度(例如，約80K)輸送第二物質(例如，液態氮及氣態氮)，其中第二溫度高於第一溫度；中間模組經配置以隔離外殼體17之外部環境與內部模組，避免外殼體17之外部環境的熱量影響內部區域的溫度，此為內部模組之低漏熱技術之一。在本揭露實施例中，外殼體17之內部實質上為真空狀能，壓力約小於10 ^-6mbar，如此可避免外殼體17之外部環境的熱量藉由熱對流機制而傳送至外殼體17之內部的第一內管15A、第二內管15B、第一外管23A及第二外管23B內的流體，此為中間模組及內部模組之低漏熱技術之一。在本揭露實施例中，第二間隔片19為非金屬材質(例如，G10材質)，且在第二溫度(例如，約80K)之熱傳導係數小於0.5W/m-K；如此，本揭露實施例之技術即可避免外殼體17之外部環境的熱量藉由第二間隔片19之熱傳導機制而傳送至中間模組(第一外管23A或第二外管23B)，此為中間模組之低漏熱技術之一。在本揭露實施例中，第一間隔片13為非金屬材質(例如，G10材質)，且在第一溫度(例如，約4K)之熱傳導係數小於0.5W/m-K；如此，本揭露實施例之技術即可避免中間模組之熱量藉由第一間隔片13之熱傳導機制而傳送至內部模組(第一內管15A或第二內管15B)，此為內部模組之低漏熱技術之一。在本揭露實施例中，抗輻射保護殼體11為金屬材質，且於溫度約80K之熱傳導係數約為50W/m-K以上，例如鋁或銅；如此，即可將外部輻射熱量隔絕在抗輻射保護殼體外部。在本揭露實施例中，抗輻射件21在溫度約4~77K的熱通量小於1W/m ²，其包覆第一內管15A、第二內管15B、第一外管23A及第二外管23B之外壁，避免熱量輸送至第一內管15A、第二內管15B、第一外管23A及第二外管23B，此為中間模組及內部模組之低漏熱技術之一。圖3例示本揭露實施例之第一間隔片13的立體示意圖。如圖3所示，第一間隔片13具有至少3個凸點13C，經配置與抗輻射保護殼體11接觸，使得第一間隔片13得以有效隔開抗輻射保護殼體11與第一內管15A及第二內管15B，此為內部模組之低漏熱技術之一；申言之，第一間隔片13與抗輻射保護殼體11之接觸點至少3點。相似地，第二間隔片19與外殼體17之接觸亦可採用相似的設計以實現低漏熱技術。此外，第一間隔片13具有至少一熱截斷溝槽13D，其可增加第一間隔片13之外部與內部之間的熱傳路徑，避免熱量從抗輻射保護殼體11藉由第一間隔片13傳導至第一內管15A及第二內管15B，此為內部模組之低漏熱技術之一。相似地，第二間隔片19亦可採用相似的設計以實現低漏熱技術。圖4例示本揭露實施例之輸送管路50的立體示意圖，圖5例示圖4之輸送管路50的分解示意圖，圖6例示圖5之輸送管路50的局部剖示圖。在本揭露實施例中，輸送管路50可應用於第一內管15A、第二內管15B、第一外管23A及第二外管23B。在本揭露實施例中，輸送管路50包含第一段50A、第二段50B、以及軸向伸縮裝置50C，其中軸向伸縮裝置50C連接第一段50A及第二段50B。在本揭露實施例中，軸向伸縮裝置50C具有一外殼51，可在相對低溫時褶皺並在相對高溫時伸展。當第一段50A及第二段50B在相對高溫而沿軸向伸展時，軸向伸縮裝置50C對應地沿軸向褶皺；當第一段50A及第二段50B在相對低溫而沿軸向收縮時，軸向伸縮裝置50C對應地沿軸向伸展。在本揭露實施例中，外殼體17處於室溫，其溫度約為常溫300K；第一外管23A及第二外管23B藉由低熱傳導係數的第二間隔片19與外殼體17接觸且實質上處於真空狀態，使得第一外管23A及第二外管23B得以保持在約為80K之低溫，實現低溫液態氮及氣態氮的輸送；第一內管15A及第二內管15藉由低熱傳導係數的第一間隔片13與抗輻射保護殼體11接觸且實質上處於真空狀態，使得第一內管15A及第二內管15B得以保持在約為4K之低溫，實現低溫液態氦及氣態氦的輸送。圖7例示本揭露實施例之流體輸送組件10的模擬熱損。在本揭露實施例中，第一內管15A輸送之液態氦在流體速度介於0.01m/s~1.2m/s之間時，熱損均小於0.03W；第二內管15B輸送之氣態氦在流體速度介於0.01m/s~1.2m/s之間時，熱損均小於0.12W；流體輸送組件10之內部模組在流體速度介於0.01m/s~1.2m/s之間時，總合熱損均小於0.12W。換言之，在本揭露實施例之流體輸送組件10，在外殼體17之內部的內部模組(抗輻射保護殼體11內之第一內管15A或第二內管15B)輸送的流體速度可介於0.01m/s~1.2m/s之間。簡言之，在本揭露實施例中，外殼體17內部設計二個輸送模組，內部模組(抗輻射保護殼體11內之第一內管15A或第二內管15B)經配置以輸送低溫液態氦及氣態氦，中間模組(抗輻射保護殼體11內之第一外管23A或第二外管23B)經配置以輸送低溫液態氮及氣態氮，而中間模組經配置以隔離外殼體17的外部環境與內部模組，避免外殼體17的外部環境的熱量影響內部模組。如此，即可阻絕不同溫度之超低溫流體在輸送時產生相互熱傳干擾的問題。當低溫流體受熱時有快速及高倍膨脹等困擾，尤其是進行流體灌充作業時，易造成極大的傳輸損耗；若利用本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10來傳輸流體，透過其內部多重輸送管間隔片之材質及幾何結構的設計，可以有效把熱損降至最低，並可阻絕不同溫度之超低溫流體輸送時產生相互熱傳干擾；如此，即可以減低環境熱損對流體輸送組件10內之流體的危害。在低溫系統中，低溫流體有易氣化之特性，且與低溫設備間連接之低溫流體傳輸路徑錯綜複雜；若未採用本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10，低溫流體容易在傳輸過程中氣化，造成管路內充斥兩相流體，增加管路壓損並降低傳輸效率，進而造成低溫設備無法獲得足夠低溫流體而穩定運作。相對地，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10可有效降低低溫流體傳輸熱損，對應地也能大幅地輔助各低溫設備或系統穩定運作。針對超低溫流體輸送，因其具備超低潛熱且容易氣化之特性，再加上實際應用時，低溫系統設備間流通之超低溫流體路徑錯綜複雜；若不加以整合，低溫流體容易於傳輸過程中氣化，形成兩相流體，增加管路壓損降低傳輸效率，進而造成低溫設備無法獲得足夠低溫流體而影響其運作；此外，在管路配置空間亦無法有效利用。本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10的間隔片設計可同時輸送至少四種流體(例如，液態氦、液態氮、氣態氦以及氣態氮)，並以超低熱損的方式進行輸送，有效降低汽化現象，可大幅地提升傳輸效益以及穩定性。為了解決傳輸熱損過大問題，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10可針對不同溫度之超低溫流體同時進行傳輸，亦可阻絕不同溫度之超低溫流體輸送時產生相互熱傳干擾。另外，傳統低溫輸送管路容易導入外界溫度，使得超低流體吸熱過多而氣化；相對地，本揭露之低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件10內部的低溫流體，可有效保持低溫流體狀態；透過模擬計算，間隔片的材質幾何構造的設計，改變超低溫輸送管與外界接觸的面積並增加溫度傳輸路徑與距離，可以有效阻絕溫差，降低熱損耗，在低漏熱多內管型超低溫流體輸送組件應用上有極大助益。綜上所述，本揭露之技術具有以下幾個特性與優勢： 1.不影響原來低溫輸送管路功能，有效延長低溫流體在管路內保持液態的時間。 2.輸送管路可廣泛應用在所有具有低溫系統的設備上，普遍性極強。 3.間隔片的熱截斷溝槽設計大幅減少低溫系統的熱損與接觸外氣的風險，有助成本降低。 4.間隔片的設計不但可以同時輸送四種不同溫度範圍的流體，也可以抑制熱傳干擾。雖然已詳述本揭露及其優點，然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。例如，可用不同的方法實施上述的許多製程，並且以其他製程或其組合替代上述的許多製程。再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟係包含於本申請案之申請專利範圍內。

10‧‧‧流體輸送組件
11‧‧‧抗輻射保護殼體
13‧‧‧第一間隔片
13A‧‧‧第一孔洞
13B‧‧‧第二孔洞
13C‧‧‧凸點
13D‧‧‧熱截斷溝槽
15A‧‧‧第一內管
15B‧‧‧第二內管
17‧‧‧外殼體
19‧‧‧第二間隔片
21‧‧‧抗輻射件
23A‧‧‧第一外管
23B‧‧‧第二外管
50‧‧‧輸送管路
50A‧‧‧第一段
50B‧‧‧第二段
50C‧‧‧軸向伸縮裝置
51‧‧‧外殼

參閱詳細說明與申請專利範圍結合考量圖式時，可得以更全面了解本申請案之揭示內容，圖式中相同的元件符號係指相同的元件。圖1例示本揭露實施例之流體輸送組件的立體示意圖。圖2係圖1之流體輸送組件的前視圖。圖3例示本揭露實施例之第一間隔片的立體示意圖。圖4例示本揭露實施例之輸送管路的立體示意圖。圖5例示圖4之輸送管路的分解示意圖。圖6例示圖5之輸送管路的局部剖示圖。圖7例示本揭露實施例之流體輸送組件的模擬熱損。

10‧‧‧流體輸送組件

13‧‧‧第一間隔片

15A‧‧‧第一內管

15B‧‧‧第二內管

19‧‧‧第二間隔片

23A‧‧‧第一外管

23B‧‧‧第二外管

Claims

一種流體輸送組件，包含：一抗輻射保護殼體；一第一間隔片，設置於該抗輻射保護殼體內，其中該第一間隔片包含一第一孔洞；一第一內管，設置於該第一孔洞內；一外殼體；一第二間隔片，設置於該抗輻射保護殼體與該外殼體之間；一抗輻射件，設置於該第一內管與該外殼體之間；以及一第一外管，設置於該抗輻射保護殼體上。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該第一內管包含一第一段、一第二段、以及一軸向伸縮裝置，該軸向伸縮裝置連接該第一段及該第二段。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該第一間隔片包含一第二孔洞，且一第二內管設置於該第二孔洞內。
如請求項3所述之流體輸送組件，其中該第一內管經配置以輸送一第一物質之液體，該第二內管經配置以該第一物質之氣體。
如請求項4所述之流體輸送組件，其中該第一物質為氦。
如請求項1所述之流體輸送組件，另包含一第二外管，設置於該抗輻射保護殼體上。
如請求項6所述之流體輸送組件，其中該第一外管經配置以輸送一第二物質之液體，該第二外管經配置以輸送該第二物質之氣體。
如請求項7所述之流體輸送組件，其中該第二物質為氮。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該外殼體之內部的壓力約小於10 ^-6mbar。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該第一間隔片及該第二間隔片為非金屬材質，且在溫度4K之熱傳導係數小於0.5W/m-K。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該第一間隔片具有至少一熱截斷溝槽。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該抗輻射保護殼體為金屬材質，且於溫度約80K之熱傳導係數約為50W/m-K以上。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該外殼體之內的流體速度係介於0.01m/s~1.2m/s之間。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該抗輻射件在溫度約4~77K的熱通量小於1W/m ²。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該第一間隔片與該抗輻射保護殼體之接觸點至少3點。
如請求項1所述之流體輸送組件，其中該抗輻射件包覆該第一內管之外壁及該第一外管之外壁。
一種流體輸送組件，包含：一外殼體；一中間模組，設置於該外殼體內部；一內部模組，設置於該中間模組內部；一第一間隔片，設置於該中間模組與該內部模組之間；一第二間隔片，設置於該外殼體與該中間模組之間；其中該內部模組經配置以一第一溫度輸送一第一物質，該中間模組經配置以一第二溫度輸送一第二物質，該第二溫度高於該第一溫度；以及其中該中間模組經配置以隔離該外殼體之外部環境與內部模組，避免該外殼體之外部環境的熱量影響該內部區域。
如請求項17所述之流體輸送組件，其中該第一間隔片及該第二間隔片為非金屬材質，且在溫度4K之熱傳導係數小於0.5W/m-K。