[發明專利]一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統

在審

• 申請號: 202211565426.2
• 申請日: 2022-12-07
• 公開（公告）號: CN116007260A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 李育隆;高遠;容誠鈞;馬恩澤
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F25D3/10
• 分類號: F25D3/10;F28D21/00
• 代理公司: 連云港聯創專利代理事務所(特殊普通合伙) 32330
• 代理人: 劉剛

1.一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：包括液氮儲罐(1)、過冷箱(2)、加熱器(3)、真空泵(4)、低溫泵(5)和待冷卻超導設備(6)，所述過冷箱(2)包括端蓋(7)、筒體(8)、過冷換熱器(9)和擾流裝置(21)，所述液氮儲罐(1)和低溫泵(5)分別管路連接在過冷箱(2)的兩端，所述待冷卻超導設備(6)的兩端分別管路連接過冷箱(2)和低溫泵(5)，所述加熱器(3)的兩端分別管路連接過冷箱(2)和真空泵(4)；

所述端蓋(7)固定連接在筒體(8)的上端，所述過冷換熱器(9)固定安裝在過冷箱(2)的內部，所述端蓋(7)固定連接有用于往筒體(8)內導入液氮的液氮進口通道(71)，所述筒體(8)的下端固定連接有用于導出液氮的液氮出口通道(81)，所述液氮出口通道(81)的一端固定連接低溫泵(5)，所述過冷換熱器(9)具有環形腔體，所述環形腔體上部有氮氣出口通道(91)，所述端蓋(7)開設有過冷換熱器安裝孔(72)，所述氮氣出口通道(91)固定插接在過冷換熱器安裝孔(72)內；

所述過冷換熱器(9)的環形腔體下部有多個中空的冷板(92)，所述冷板(92)與過冷換熱器(9)的環形腔體相互連通，所述冷板(92)的內部開設有中空層，所述冷板(92)表面開設有射流孔，所述射流孔與冷板(92)的內部中空層、過冷箱(2)的主腔體相互連通。

2.根據權利要求1所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述擾流裝置(21)包括擾流葉輪(10)、軸承(11)、驅動電機(12)，所述擾流葉輪(10)具有多個均勻分布的葉片，所述擾流葉輪(10)轉動安裝在過冷箱(2)的主腔體內，所述繞流葉輪(10)位于過冷換熱器(9)的內側，所述擾流葉輪(10)的軸心與過冷換熱器(9)的環形腔體的軸心重合，所述繞流葉輪(10)的外徑小于過冷換熱器(9)的環形腔體的內徑；

所述端蓋(7)的上端固定安裝有用于安裝驅動電機(12)的驅動電機安裝板(74)，所述端蓋(7)開設有用于安裝軸承(11)的軸承安裝孔(75)，所述擾流葉輪(10)的上端固定連接有旋轉軸，所述旋轉軸貫穿軸承(11)和軸承安裝孔(75)固定連接在驅動電機(12)的輸出軸一端。

3.根據權利要求1所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述過冷箱(2)的端蓋(7)、筒體(8)內部均設有高真空絕熱夾層。

4.根據權利要求3所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述端蓋(7)的上端開設有用于安裝鎧裝熱電偶的鎧裝熱電偶安裝孔(73)。

5.根據權利要求4所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述端蓋(7)的上端開有用于安裝液位計測量桿的液位計安裝孔(76)。

6.根據權利要求1所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：多個所述冷板(92)均勻分布在過冷換熱器(9)的環形腔體下部，相鄰兩個所述冷板(92)之間構成截面積逐漸減小的流道。

7.根據權利要求6所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述冷板(92)上的射流孔分別均勻分布在冷板(92)的前板壁和后板壁上，前板壁和后板壁上的射流孔軸線在板壁平面的投影呈現交錯分布。

8.根據權利要求7所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述冷板(92)上的射流孔沿射流方向截面積逐漸縮小，所述射流孔的孔徑需滿足如下關系公式：

其中，d₁為所述冷板(92)外側壁處射流孔孔徑，d₂為所述冷板(92)內側壁處射流孔孔徑，p₁為所述過冷箱(2)主腔體內壓力，p₂為所述過冷換熱器(9)內壓力，N為射流孔的總數，ρ為液氮密度，r為在p₂壓力下液氮的汽化潛熱，Q為系統熱負荷，包括所述待冷卻超導設備(6)的產熱量以及其它漏熱。

9.根據權利要求8所述的一種射流閃蒸沖擊冷卻的液氮過冷系統，其特征在于：所述冷板(92)內側壁射流孔出口孔徑使出口位置雷諾數不小于管內流動層流向湍流轉捩的臨界雷諾數2300，即出口孔徑d₂需滿足如下關系公式：

其中，d₂為所述冷板(92)內側壁處射流孔出口孔徑，Q為系統熱負荷，N為射流孔的總數，r為工作狀態下液氮的汽化潛熱，μ為工作狀態下液氮的動力粘度。