一种用于航空电推进超导电机的固氮蓄冷高效率热管制冷单元

本发明是一种用于航空电推进超导电机的固氮蓄冷高效率热管制冷单元，具体来讲是一种利用固氮较大的蓄冷量来为高温超导磁体提供小时级低温环境的高效率固氮热管制冷单元。

航空工业正朝着绿、高效和智能化方向发展，近些年大功率电推进技术无疑是航空动力市场最受关注的新技术之一，为飞行器与推进系统设计提供了全新的思路。大功率航空电推进具有分布式推进、灵活机动、高效低污染等显著特点，其发展需要高功率密度的特种电动系统技术支撑，其中超导电机逐渐受到了研究人员的青睐。

然而，区别于传统电机，超导电机需要低温制冷，其运行严重依赖于超导材料性能及其绕制磁体的低温工作稳定性。外环境漏热和电机内部高频工作生热对超导磁体稳定性及低温保障条件提出了巨大挑战，无论是低温液体浸泡冷却还是制冷机传导冷却，低温制冷结构和低温保障系统的尺寸和质量都较大，往往成为超导电动系统设计时的负累。

考虑到航空电推进的应用环境，其对降低电机系统体积与质量有很高需求。该发明通过使用气、液氮两相铜热管对超导磁体进行传导冷却，大幅提高磁体区与冷源区的导热率，实现更好的磁体制冷灵敏性和稳定性；在固氮腔内保存液氮并制冷形成固氮，通过固氮较强的热容能力来提供充足的低温蓄冷量，用于保障脱离制冷设备后超导磁体本身的热稳定需求；采用可伸缩冷头实现冷头位置漏热的最小化，并平稳过渡到超导磁体的固氮蓄冷低温维持阶段；最后依赖封闭式液氮热管冷热端的热量交换，来保障超导磁体小时级的有效工作时间。

本发明的目的是提供一种用于航空电推进超导电机的固氮蓄冷高效率热管制冷单元，该系统可应用于航空电推进超导电机，为超导磁体提供小时级的低温环境，保障了超导电机的有效工作时间，提高了航空器的留空时间。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：包括杜瓦、固氮腔、杜瓦顶部安装的制冷机冷头、液氮热管、翅片、超导磁体和冷屏；将超导磁体安装于液氮热管夹层中、将液氮热管下端安装于冷屏中、将液氮热管上端安装于固氮腔中；将固氮腔安装于杜瓦中；其特征在于：所述的液氮热管为封闭式热管，液氮热管内部为液氮、氮气两相流动；液氮热管顶端位于固氮腔，液氮热管顶端翅片与固氮腔内固氮直接进行热交换；液氮热管底端仅与超导磁体表面接触，通过热传导方式进行换热；液氮热管为气、液氮两相的封闭式铜热管对超导磁体进行传导冷却，大幅提高磁体区与冷源区的导热率，实现更好的磁体制冷灵敏性和稳定性；制冷机冷头为可伸缩冷头，超导磁体开始工作后，启动伸缩机构使冷头与固氮腔上壁面脱离，该冷却系统仅靠固氮腔内的固氮提供冷量。

本发明的工作原理是：

超导磁体在工作时产生热量，超导磁体将通过热传导的方式将热量传递给液氮热管下端，因此液氮热管的下端为热端，热管内的液氮吸热转为氮气，氮气上升至液氮热管顶端固氮腔，液氮热管顶端翅片将热量传递给固氮腔中的固氮，氮气遇冷放热转为液氮，由于该发明采用的是封闭式热管，因此液氮将在热管内受重力作用重新回流至液氮热管下端；通过可伸缩机构抬升制冷机冷头，使冷头与固氮腔上壁面脱离，该制冷单元转为闭环运行，由固氮腔中的固氮提供冷量，为超导磁体提供一个稳定的低温环境，保证超导磁体的长时间工作运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明采用了全封闭式热管，热管内部充有液氮，热管工作时内部为氮气和液氮的两相流动，液氮热管和超导磁体表面接触，热量交换方式为热传导。相对于浸泡冷却超导磁体，传导冷却技术能够有效避免浸泡冷却带来的结构不稳定与泄露问题，提高了磁体冷却的结构可靠性；采用导热率较高的铜作为液氮热管材料，能够迅速地将热量传递给热管中汽液两相工质，实现较高功率的热量转换。

二、本发明采用了可伸缩冷头和固氮制冷技术，冷头在工作时紧贴固氮腔上壁面，待固氮腔内液氮全部转为固氮后，可将制冷机冷头抬起，冷头脱离固氮腔上壁面后，操作人员可脱开制冷机冷头与压缩机之间的连接，该制冷单元转入闭环运行，仅靠固氮腔中的固氮为超导磁体提供小时级的稳定低温工作环境从而实现无压缩机参与下的低温制冷目标，降低机载低温系统的携带质量，满足航空电推进系统对超导电机低体积与低质量的需求。

三、冷屏侧面开有强/弱电馈穿口，用于连接电流引线以及其他的传感器引线，能够有效降低制冷单元的漏热，在保证超导磁体稳定工作的同时，也可以实时观察、检测超导磁体的工作状态。

图1为本发明实施例的整体结构正视图

1-制冷机，2-抽真空口，3-杜瓦，4-固氮腔，5-翅片，6-馈穿口，7-冷屏，8-液氮热管，9-超导磁体

图2是本发明实施例的整体结构侧视图

6-馈穿口，8-液氮热管，9-超导磁体，10-液氮入口，11-液氮出口

下面将结合附图和实施要领对本发明作进一步的详细说明。

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，本发明公开了一种用于航空电推进超导电机的固氮蓄冷高效率热管制冷单元，包括杜瓦(3)、固氮腔(4)、杜瓦顶部安装的制冷机冷头(1)、液氮热管(8)、翅片(5)、超导磁体(9)和冷屏(7)；其特征在于：所述的液氮热管(8)为封闭式热管，液氮热管(8)工作时内部为氮气和液氮的两相流动；本例的液氮热管(8)为封闭式热管，液氮热管(8)顶端位于固氮腔，液氮热管(8)顶端通过翅片(5)与固氮腔(4)内的固氮直接进行热交换；液氮热管(8)底端与超导磁体(9)径向表面紧密接触，通过热传导方式进行换热；液氮热管(8)材料为导热率较高的铜，能够迅速地将固氮腔(4)中的冷量传递给超导磁体(9)，从而实现较高功率的热量转换；制冷机冷头(1)为可伸缩冷头，超导磁体(9)开始工作后抬起制冷机冷头(1)，该冷却系统仅靠固氮腔(4)内的固氮提供冷量。

图2是本发明实施例的整体结构侧视图，所述的冷屏(7)和杜瓦(3)为一体式结构；所述的冷屏(7)和杜瓦(3)内部通过抽真空口(2)抽真空；所述的固氮腔(4)顶部连接有液氮入口(10)和液氮出口(11)管路，液氮入口(10)和液氮出口(11)管路上方伸至杜瓦(3)顶部；所述的冷屏(7)侧面开有强/弱电馈穿口(6)。

工作人员首先向液氮热管(8)里充入液氮，随后将液氮热管(8)上端和翅片(5)固定，将翅片(5)和液氮热管(8)上端安装于固氮腔(4)中，将超导磁体(9)安装于液氮热管(8)下端夹层中，将液氮热管(8)下端和超导磁体(9)安装于冷屏(7)中，将固氮腔(4)安装于杜瓦(3)中；连接杜瓦(3)顶部抽真空口管(2)路，启动真空机，将冷屏(7)和杜瓦(3)内部抽真空，待内部真空度达到要求后，关闭真空机，断开抽真空口管路；连接杜瓦(3)顶部液氮入口(10)、液氮出口(11)管路，启动制冷机，制冷机冷头紧贴固氮腔(4)上壁，待固氮腔(4)内温度降低至液氮温度后，向杜瓦(3)顶部的液氮入口(10)注入液氮，液氮通过管路进入固氮腔(4)，待液氮出口(11)有液氮溢出时，停止注入液氮，封闭液氮出入口管路；制冷机冷头(1)继续工作冷却固氮腔(4)，直至固氮腔(4)内的液氮全部转为固氮；对超导磁体(9)进行励磁，使超导磁体(9)处于工作状态；由于超导磁体(9)工作产生热量，因此液氮热管(8)的下端为热端，超导磁体(9)将通过热传导的方式将热量传递给液氮热管(8)，热管(8)内的液氮吸热转为氮气，氮气上升至液氮热管(8)顶端固氮腔(4)，液氮热管(8)顶端翅片(5)将热量传递给固氮腔(4)中的固氮，氮气遇冷转为液氮，受重力作用重新回流至液氮热管(8)下端；待制冷单元工作稳定后，通过可伸缩机构抬升制冷机冷头(1)，使冷头(1)与固氮腔(4)上壁面脱离，断开制冷机管路及其电源，该制冷单元将转入闭环运行，由固氮腔(3)中的固氮提供冷量，为超导磁体(9)提供一个稳定的低温环境，保证超导磁体(9)的长时间工作运行。