[发明专利]一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器

说明书

本发明公开了一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器，其特征在于，包括一外壳，所述外壳内设有内层芯筒、外层芯筒；内外层芯筒通过连接杆与外壳内壁连接固定；其中，内层芯筒的外侧缠绕第一翅片紫铜管，外层芯筒的外侧缠绕第二翅片紫铜管；内层芯筒两端为向外凸起的锥形封闭结构；外壳的两端为向外凸起的锥形开口结构，外壳的一端锥形开口结构作为换热器热流量入口、另一端作为换热器热流量出口；第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管与外壳之间的缝隙为换热器热流量的流道；第一翅片紫铜管、第二翅片紫铜管的同侧一端用于与换热器冷流量入口连接、另一端用于与换热器冷流量出口连接；其中，换热器冷流量与换热器热流量的流动方向相反。

技术领域

本发明涉及一种应用于较大流量工况(10g/s)下的2K低温换热器，用于提高200W@2K低温系统的产液效率，尤其是一种采用了双层翅片绕管结构形式的低温换热器。

背景技术

2K超流氦低温系统负责为高性能超导设备提供2K左右的超低温环境，确保超导设备能工作在强磁场、强电流等极限工况下。一般来说，超导设备的性能越强大，需要配套的低温系统制冷量就越大，对应生成的液氦流量也就越大。2K低温换热器是2K超流氦低温系统中的关键设备之一，位于制冷循环最后一级焦耳-汤姆逊(J-T)节流阀之前，可以利用2K回气将节流前的饱和液氦过冷，以提高节流阀的出液率。其主要性能指标是换热效率和2K回气的压力损失，换热效率直接影响2K低温系统的效率，而2K回气的压力损失会影响后端旋转设备(抽气泵或者冷压缩机)的性能。此外换热器的体积也是一个比较重要的指标，过大的体积将不利于系统集成。

随着目前2K低温系统负载的不断扩大，对2K低温换热器的要求也随之提高了，例如在大连相干光源2期超导模组测试系统和中国散裂中子源2期超导模组项目中均设计了10g/s标准流量的2K换热器，以满足超导设备的运行要求。

过去适用于小流量(5g/s)工况的换热器结构形式不能满足更大流量工况(10g/s)的性能要求，例如在文献(Prabhat Kumar Gupta and Roger Rabehl.Numerical modelingof a 2K J-T heat exchanger used in Fermilab Vertical Test Stand VTS-1[J].Cryogenics,2014,62:31-36.)，文献(Ruixiong Han et al.Design optimization,construction and testing of 2K Joule-Thomson heat exchanger for a superfluidhelium cryogenic system[J].Applied Thermal Engineering,2020,180)以及文献(Ashish Kumar,Hirotaka Nakai,Kota Nakanishi,Design optimization of the 2Kheat exchanger for the superfluid helium cryogenic systems at KEK,Cryogenics,Volume 111,2020,103173,ISSN 0011-2275,https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2020.103173.)中所述的翅片绕管式2K换热器，设计流量均为5g/s，当它们工作在10g/s流量下时，换热效率和压力损失都会产生断崖式的下降，无法满足使用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于超低温系统的2K负压双层翅片管换热器。本发明重新进行结构设计和计算校核，实现一种能工作在10g/s流量工况下的2K低温换热器，而且需要兼顾换热效率、压降和体积。