一种带冷屏的低温流体传输管道及其使用方法与流程

本发明属于低温流体传输领域，尤其涉及一种带冷屏的低温流体输送管道及其使用方法。

背景技术：

多通道复合管线主要用于输送超低温流体(如液氦等)，在超导、深冷、医学、科研等领域都有所应用。由于其输送的超低温流体一般非常稀少且生产困难，因此其价格异常昂贵。在非工作区域，此类超低温流体往往通过多通道复合管线进行传输。为了降低此类超低温流体在非工作区域的蒸发量，提高使用效率，降低成本，一般会在多通道复合管线内部加一层冷屏，减少超低温流体的辐射漏热。此种冷屏种类繁多，像铜冷屏、铝冷屏都已经广泛被应用，虽然冷屏材质不尽相同，但其原理一致，就是在屏的表面接触(焊接等方式)若干根冷管(主要作用是传输其它非贵重冷却流体)，让冷管的冷量传导到冷屏上，给超低温流体的输送提供外围低温环境。

比如，中国专利cn2755404y公开了一种真空夹层带冷屏低温流体输送管道。该管道包括如下技术特征：在外管上装有真空抽口、泄压装置、外管波纹管，在外管的内腔装有氦管和支撑板总成，支撑板总成中的部分支撑板上固定有氦管和冷屏，该氦管钎焊在冷屏上。

现有技术中的冷屏存在如下缺陷：

其一，此类冷屏冷量来自冷管，而冷管与冷屏之间大都通过焊接连接。由于其连接方式的固有缺陷，冷管和冷屏之间存在接触热阻，造成冷管的冷量无法完全传到冷屏上，不仅增加了冷屏的降温时间，同时也造成了冷却流体浪费。

其二，冷管与冷屏接触面积有限，而其它非接触部位的冷量是从接触部位传导过来，在传导的路径上必然存在热阻，导致冷屏的温度均匀性较差，从而影响多通道复合管线的传输性能。

其三，传统冷屏大都为圆筒型结构，热容量小，要保证冷屏温度时刻满足条件，就必须要求冷却流体不断的输送，这样的模式也大大的增加了冷却流体的浪费。

技术实现要素：

本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种带冷屏的低温流体传输管道，该管道无需向冷屏不断输送制冷液，同时避免了传统的冷管与冷屏热接触效率较低、冷屏温度均匀性差的不足。

为解决上述问题，本发明提供了一种带冷屏的低温流体传输管道，包括外管，输送低温流体的内管，套装于外管和内管之间、呈管状的冷屏，所述冷屏为由内冷屏和外冷屏套装而成的夹层结构，该夹层内部用于填充制冷液。

进一步，所述冷屏设有供排出制冷液的位于冷屏上部的冷屏出口，所述冷屏设有供注入制冷液的位于冷屏下部的冷屏入口。

进一步，所述冷屏入口和冷屏出口各为一个，冷屏入口布置于冷屏轴向的一端i附近，冷屏出口布置于冷屏轴向的另一端ii附近，冷屏入口和冷屏出口在冷屏横截面的投影沿冷屏周向错开180度。

进一步，所述冷屏入口和冷屏出口各为一个，均位于冷屏轴向同一端i附近，冷屏入口和冷屏出口在冷屏横截面的投影位置沿冷屏周向错开180度；所述冷屏入口连接沿冷屏轴向伸入冷屏内部的管道，该管道延伸至冷屏轴向的另一端ii附近，并在端部ii附近将制冷液释放入冷屏夹层内。

进一步，所述内冷屏通过补芯固定于外冷屏内，该补芯为套装于内冷屏和外冷屏之间、沿冷屏轴向布置的若干个环状结构。

进一步，还包括沿内管轴向等间距布置、位于内管和冷屏间的若干个内管支撑组件；该内管支撑组件中部设有供内管穿过的通孔，该通孔内部设有凸起结构，内管通过该凸起结构卡在内管支撑组件内；内管支撑组件还包括分别位于其左右两端的支撑板，每块支撑板的板平面平行于内管轴线且支撑板与冷屏轴平行的上下边缘卡于冷屏的内壁表面。

进一步，还包括沿外管轴向等间距布置、位于冷屏和外管间的若干个冷屏支撑组件，每个冷屏支撑组件由三个沿外管的圆周方向等角度间距布置的冷屏支撑件组成，每个冷屏支撑件由相互垂直的且固定连接的内支撑板和外支撑板组成；所述内支撑板卡在冷屏的外壁表面上，其板平面方向与冷屏轴向垂直，其靠近冷屏外表面的边缘为与外冷屏圆弧表面相匹配的凹口形；所述外支撑板卡在外管的内壁表面上，其板平面与冷屏轴向平行。

本发明还提供了上述带冷屏的低温流体传输管道的使用方法，包括如下步骤：

步骤一，将制冷液体注入冷屏，填满冷屏夹层，对冷屏进行预冷；

步骤二，内管开始传输低温液体，气化的制冷液从冷屏排出；

步骤三，当冷屏内制冷液量低于设定低值，将制冷液注入冷屏，补充制冷液直至制冷液量高于设定高值。

本发明通过在低温流体传输管道设置冷屏，该冷屏由内冷屏和外冷屏组成，内外冷屏之间带有一定容积空间供存储制冷液。制冷液可直接进入到冷屏内部空间，相比于制冷管与冷屏钎焊的方式，无任何接触热阻，冷却流体的冷量能充分的被利用，降低了冷屏的降温时间。因带夹层的冷屏存储的制冷液容量大，制冷液可以间隔输送，无需连续式输送，减少了制冷液的浪费。冷屏正常工作过程中，在冷屏内部空间始终充满制冷液，保证了冷屏的温度均匀性基本一致。

冷屏出口和冷屏入口的沿竖直方向即重力反方向上的上下位置关系，使得低温流体传输管道正常工作时，气化的制冷液方便从冷屏出口排出。

尽量远距离的布置冷屏入口和冷屏出口位置，使得制冷液在冷屏夹层空间内充分流动，提高了冷屏的温度均匀性。

内管支撑组件和冷屏支撑组件的结构和连接方式，在保证结构稳定性的前提下，尽量减少了其与冷屏、内管、外管的接触面积，也就减少了热传导损耗，提高了整个低温流体传输管道的制冷效果。

附图说明

图1是本发明的横截面视图，也是本发明的主视图；

图2是图1的a-a向剖视图；

图3是本发明实施例二的图1的b-b向剖视图；

图4是本发明内管支撑组件结构图；

图5是本发明冷屏支撑组件结构图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

实施例一：

如图1所示，本实施例中的带冷屏的低温流体传输管道的截面图，也是本实施例的主视图。冷屏结构径向包括由内向外依次设置的且同轴的内管10、冷屏30和外管20。内管10通过内管支撑组件40安装于冷屏内表面。冷屏通过冷屏支撑组件50安装于外管20内表面。

为了对低温流体传输管道抽取真空，外管20上设有真空抽口和卸压装置。冷屏与内管之间、冷屏与外管之间为真空夹层。内管、冷屏的外壁上包覆绝热材料。

冷屏30由外冷屏32和内冷屏31组成，内外冷屏为同轴设置的圆筒型结构，内外冷屏之间的环状隔层里设有补芯。

如图2所示，内管支撑组件40和冷屏支撑组件50为多个，且沿低温传输管道的轴向等间距布置。从工程设计和实现上，在满足管道结构强度和刚度条件下沿低温传输管道轴线上尽量减少内管支撑组件40和冷屏支撑组件50的数量。

本实施例中，内管10为两根，分别用于超低温流体的进与回。

图4是本实施例内管支撑组件40结构图，每个内管支撑组件40中部设置有两通孔，每个通孔对应固定一根内管。内管支撑组件40上另开有减重通孔，在保证支撑强度的条件下减轻自身重量，减少导热传输，同时便于加工。该内管支撑组件左右两端各设有一块支撑板。低温流体传输管道的中心轴平行于支撑板的平面。固定状态下，每个支撑板的上下两边缘平行于低温流体传输管道的轴向亦平行于内冷屏31的轴向，且该边缘卡在内冷屏31的内壁表面。通过该安装方式，内管支撑组件40仅在其四个边角上与冷屏30的内表面存在线接触，减少了结构连接上的接触表面，即减少了内管10冷量经内管支撑组件40的传输损失。本实施例中，内管支撑组件中部的通孔内壁设有若干卡装内管的凸起结构，内管通过该凸起结构卡于内管支撑组件中心。凸起结构的设置同样起到减少接触面积、降低冷量损失的作用。

本实施例中，每个冷屏支撑组件50由三个冷屏支撑件组成，这三个冷屏支撑件沿外管的环周方向等角度间距布置。图5是本发明冷屏支撑组件结构图，每个冷屏支撑件包括用于卡住冷屏30外表面的内支撑板和用于卡在外管20内表面的外支撑板组成。内支撑板靠近冷屏外表面的边缘为与外屏圆弧表面相匹配的凹口形。内支撑板与外支撑板通过螺栓固定连接，且两板平面相互垂直。安装状态下，传输管道中心轴与内支撑板的板平面垂直、与外支撑板的板平面平行。每个外支撑板包含两条与外管轴平行的边缘，这两条边缘卡于外管内壁。

对于将内冷屏固定安装于外冷屏内，补芯起到结构支撑的作用。补芯的结构形式多样，沿轴向等间距设置。本实施例中，每个补芯为套装于内冷屏和外冷屏之间的圆环结构。该圆环结构开若干供制冷液流动的通孔。

本实施例中，冷屏30为内夹层结构，外冷屏32与内冷屏31的夹层内充满制冷液体。冷屏入口34用于向冷屏输入制冷液，冷屏出口33供冷屏排出制冷液，其位置布置方式较为灵活。冷屏出口33位于冷屏入口34竖直方向的上方，使得低温流体传输管道正常工作时，气化的制冷液方便从位于冷屏上部的冷屏出口33排出。工程上尽量将冷屏入口34和冷屏出口33远距离布置。如沿冷屏30轴向，冷屏入口34和冷屏出口33尽量远距离布置轴向两端附近。这样可使得制冷液在冷屏夹层空间内充分流动，提高了冷屏30的温度均匀性。

实施例二：

某些情况下，需要将冷屏入口34和冷屏出口33布置在冷屏30轴线的同一端，可通过如下方式予以解决。如图3的实施例二所示，冷屏30的一端i，设有位于冷屏下部的输入制冷液的冷屏入口34、位于冷屏上部的排出制冷液的冷屏出口33。冷屏入口34和冷屏出口33在冷屏横截面的投影位置沿冷屏周向错开180度。冷屏入口连接沿冷屏轴向伸入冷屏内部的管道(该管道未在图1中示出)，该管道延伸至冷屏轴向的另一端ii附近，并在端部ii附近将制冷液释放入冷屏夹层内。最终，ii端附近的制冷液又从i端的冷屏出口33流出，使得制冷液在冷屏夹层空间内充分流动，提高了冷屏的温度均匀性。

上述两实施例中的低温流体传输管道开始工作前，冷屏30先要预冷。制冷液从冷屏入口34进入，当冷屏30的容积空间积满冷却流体时，停止冷却流体的输送，冷屏30预冷工作结束。低温流体传输管道正常工作时，气化的冷却流体从上部的冷屏出口33排出，当储存在冷屏30内的制冷液损耗过多时，重新开启制冷液的输送。冷屏30预冷时，冷却流体直接进入到冷屏30内部夹层空间，两者之间无任何接触热阻，制冷液的冷量能充分的被利用，降低了冷屏30的降温时间。另外，制冷液的输送是可以间隔性的，而非传统方式中连续性的，减少了制冷液的浪费。冷屏30正常工作过程中，在冷屏30内部空间始终充满着制冷液，从而保证了冷屏的温度均匀性基本一致。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。