一种封闭式液氮自循环快速冷却系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，包括：液氮槽，液氮槽为封闭式，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀和外部冷却装置，安装在液氮槽内的液氮泵和低温绝缘材料连接块；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，电磁线圈中的电磁导线的中心开设有中心通孔，电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安装在电磁线圈上的通电电极。本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用液氮直接接触电磁导线换热和强制对流换热相结合的方式，电磁线圈外部散热和内部散热同时进行，大大提高电磁导线的散热效果，同时可以防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，保证电磁导线的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于快速冷却
，具体涉及一种封闭式液氮自循环快速冷却系统。
技术介绍
目前电磁线圈通常使用使用静态油冷的冷却方式，即：在线圈套筒内充入防火油，依靠防火油将线圈通电时产生的热量传出，防火油在线圈套筒中处于静止状态，热量完全依靠自然传导，在稳定运行后达到平衡温度100℃左右，该温度下长期运行会缩短线圈寿命。而在科研和军工应用领域，基于产生强磁场的需要，经常使用一种脉冲式高功率电磁线圈，每个脉冲功率高达数兆瓦甚至数十兆瓦，这些能量大部分转换为废热，通过静态油冷的冷却方式不足以快速冷却电磁线圈，为保证电磁线圈正常使用，需要浸入液氮中工作，以求降低电阻和快速散热，但是由于导线外层有绝缘纤维层，当加载一个脉冲功率后，仅依靠导热和液氮自然对流换热，一般需要几十分钟到几小时的时间才能使电磁线圈降低到液氮温度，才能进行下一次功率加载，这大大降低了设备运行的效率，不利于设备高效运行。目前市面上也采用过敞开式液氮自循环快速冷却系统，即液氮槽与大气相通，此时液氮槽内的液氮处于大气压下，液氮饱和温度为77K，液氮泵将饱和温度为77K的液氮加压或抽吸流经发热的电磁导线中心通孔，通过对流换热方式，将电磁线圈内部产生的热量快速带出，从而大大提高电磁导线的散热效果。但是由于液氮在大气压下容易气化，当液氮从电磁导线中心通孔的入口端流入和从电磁导线中心通孔的出口端流出时，容易产生相变，液氮相变过程中会导致电磁导线的内在应力发生改变，随着电磁导线工作时间的延长，会导致电磁导线的自身强度变弱，严重时会导致电磁导线破裂，从而缩短电磁导线的使用寿命。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本技术的目的是提供一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，本系统使用液氮直接接触电磁导线换热和强制对流换热相结合的方式，从而大大提高电磁导线的散热效果，可将两次脉冲加载时间间隔由几小时降低到十几分钟以内，大大提高了电磁线圈的使用效率，同时采用封闭式液氮槽，在高压状态下防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，进而保证电磁导线的使用寿命。为实现上述技术方案，本技术提供了一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，包括：液氮槽，所述液氮槽为密封液氮槽，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀，所述泄压阀用于维持液氮槽稳定在恒定压力下；安装在液氮槽上的外部冷却装置；安装在液氮槽内或者液氮槽外的液氮泵；安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块，所述低温绝缘材料连接块中心开设有通孔，所述通孔的一端与液氮泵的输出口连接；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，所述电磁线圈由截面积为圆形或者方形的电磁导线盘旋而成，所述电磁导线的中心开设有中心通孔，所述电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安装在电磁线圈上的通电电极。在上述技术方案中，电磁线圈通过通电电极通电后产生强磁场，由于产生强磁场的过程中会伴随产生功率高达数兆瓦甚至数十兆瓦的脉冲，导致电磁线圈产生大量热量，为了确保电磁线圈产生的热量及时散去，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用双重降温的方式，首先通过将电磁线圈浸渍在液氮内，通过低温液氮将电磁线圈表面产生的热量通过直接接触换热的方式快速散发，但是由于电磁线圈的电磁导线内部的热量不能及时的向外传递，虽然电磁导线表面产生的热量被及时带走，但是由于电磁导线内部热量传递速度过慢，将会延迟整个电磁线圈的散热速率，为解决此问题，本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用在电磁导线中心开设中心通孔，然后在中心通孔内注入流动的液氮，通过流动的液氮快速带走电磁导线内部的产生的巨大热量，通过外部散热和内部散热同时进行的方式，快速带走电磁线圈产生的巨大热量，从而大大提高电磁导线的散热效果，可将两次脉冲加载时间间隔降低到十几分钟以内，大大提高了电磁线圈的使用效率。此技术方案中为了防止液氮在换热的过程中相变汽化，特将液氮槽设置为密封的液氮槽，通过泄压阀维持槽内处于一个大气压力下不变，通过外部冷却装置将槽内饱和状态液氮冷却的凝固点附近温度65K，通过调整计算热负荷，调整流量，可以保证液氮通过电磁线圈仅升温到饱和温度77k附近，而不发生相变如此一来，液氮在与电磁线圈换热时不发生相变只进行对流散热。维持液氮槽内压力不变，通过外部冷却装置将经过换热后温度升高的液氮冷却至65K，液氮泵将温度为65K的液氮加压或抽吸流经发热的电磁导线中心通孔，通过对流换热方式，将电磁线圈内部产生的热量快速带出，从而大大提高电磁导线的散热效果。当液氮从电磁导线中心通孔的入口端流入和从电磁导线中心通孔的出口端流出时，始终保持液态而不会发生相变，从而防止液氮流经电磁导线中心通孔时造成电磁导线的内在应力发生改变，进而保证电磁导线的使用寿命。优选的，所述低温绝缘材料连接块包括连接块本体，所述连接块本体中心设置通孔，连接块本体左右两端分别设置有连接法兰固定孔，连接法兰通过螺钉固定在连接法兰固定孔上，左端的连接法兰用于与液氮泵的输出口连接，右端的连接法兰用于与电磁线圈连接。首先，电磁线圈和液氮泵的输送管路之间必需进行绝缘连接，否则容易引发安全事故；其次，由于电磁导线上的中心通孔较小，因此通入较大流量液氮，液氮泵压较大，很容易导致输送管路的破裂，因此需要考虑连接管路的低温耐压性。设置低温绝缘材料连接块的目的就是为了将电磁线圈和液氮泵的输送管路之间进行绝缘连接，同时通过在低温绝缘材料连接块中开设一个截面积较大的通孔，在液氮泵向电磁线圈注入较大流量液氮的时候，起到缓冲泵压的作用，起到防止输送管路破裂的作用。优选的，所述连接块本体为聚酰亚胺树脂块或者陶瓷，聚酰亚胺树脂块或者陶瓷均具有优异的低温绝缘性，而且自身强度高，在较高的压力下依旧能够保持较高的自身强度。优选的，所述电磁导线中心开设的中心通孔的截面积与电磁导线的截面积之比为1:2～1:4。电磁导线中心通孔的截面积不宜过大，否则会导致电磁导线的壁厚过薄，在较大压力下注入液氮，会导致电磁导线破裂；同时电磁导线中心通孔的截面积也不宜过小，否则液氮注入困难，达不到及时带走电磁导线内部热量的目的。电磁导线中心通孔设置的原则是：在保证电磁导线强度的情况下，尽可能的扩大中心通孔的截面积。经过大量实验证明，当电磁导线中心开设的中心通孔的截面积与电磁导线的截面积之比为1:2～1:4时，即可保证电磁导线的强度，又可快速带走电磁导线内部的热量。本技术提供的一种封闭式液氮自循环快速冷却系统及其染整方法的有益效果在于：(1)本封闭式液氮自循环快速冷却系统采用强制对流和直接接触冷却相结合的冷却方式，电磁线圈外部散热和内部散热同时进行，冷却效率要比原有仅仅将电磁线圈浸没在液氮中，靠自然对流冷却的效率高出数倍，冷却时间可以由原来的两小时降低到十五分钟，脉冲加载频率可以提高八倍，大大提高了设备的使用效率；(2)本封闭式液氮自循环快速冷却系统，低温环境工质与冷却循环工质均采用液氮，大大提高液氮的使用效能，且液氮在冷却系统中自循环，避免了使用其它工质会在电磁导线中心孔内出现冰堵的问题，工质兼容性好；(3)本封闭式液氮自循环快速冷却系统通过设置低温绝缘材料连接块既可将电磁线圈和液氮泵的输送管路之间进行绝缘连接，保证系统运行安全，又可通过在低温绝缘材料连接块中开设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于包括：液氮槽，所述液氮槽为密封液氮槽，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀，所述泄压阀用于维持液氮槽稳定在恒定压力下；安装在液氮槽上的外部冷却装置；安装在液氮槽内或者液氮槽外的液氮泵；安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块，所述低温绝缘材料连接块中心开设有通孔，所述通孔的一端与液氮泵的输出口连接；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，所述电磁线圈由截面积为圆形或者方形的电磁导线盘旋而成，所述电磁导线的中心开设有中心通孔，所述电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安装在电磁线圈上的通电电极。

【技术特征摘要】
1.一种封闭式液氮自循环快速冷却系统，其特征在于包括：液氮槽，所述液氮槽为密封液氮槽，液氮槽内填充液氮；安装在液氮槽上的泄压阀，所述泄压阀用于维持液氮槽稳定在恒定压力下；安装在液氮槽上的外部冷却装置；安装在液氮槽内或者液氮槽外的液氮泵；安装在液氮槽内并且由液氮完全浸渍的低温绝缘材料连接块，所述低温绝缘材料连接块中心开设有通孔，所述通孔的一端与液氮泵的输出口连接；安装在低温绝缘材料连接块一端的电磁线圈，所述电磁线圈由截面积为圆形或者方形的电磁导线盘旋而成，所述电磁导线的中心开设有中心通孔，所述电磁导线的中心通孔与低温绝缘材料连接块的中心通孔对应连接；以及安...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，史忠山，
申请(专利权)人：广东合一新材料研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44