一种低温液体传输管线装置
阅读说明：本技术 一种低温液体传输管线装置 (Low-temperature liquid transmission pipeline device ) 是由 郝镇齐 张磊 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温液体传输管线装置,用于向低温设备输送低温液体,包括传输管主体以及设置在传输管主体中的低温液体传输管路,所述低温液体传输管路包括：主管路,设置在传输管主体中心,用于向低温设备输送低温液体；支路,与所述主管路连通,且在主管路长度的至少一部分上围绕主管路布置,用于吸收从外界进入传输管主体的热量,以将主管路内的低温液体保持在基本恒定的低温状态。本发明能够减少低温液体的传输损耗,节约资源,使得输送至低温设备目标区域的低温液体为纯液态,不含气泡。此外,利用散热支路形成多级预冷触点,能够简化低温设备的冷却结构。(The invention discloses a cryogenic liquid transmission pipeline device, which is used for transmitting cryogenic liquid to cryogenic equipment, and comprises a transmission pipeline main body and a cryogenic liquid transmission pipeline arranged in the transmission pipeline main body, wherein the cryogenic liquid transmission pipeline comprises: the main pipeline is arranged in the center of the transmission pipe main body and used for transmitting low-temperature liquid to low-temperature equipment; a branch communicating with and arranged around the main conduit for at least a portion of its length for absorbing heat from the outside into the transfer conduit body to maintain cryogenic liquid within the main conduit at a substantially constant cryogenic state. The invention can reduce the transmission loss of the low-temperature liquid, saves resources, and ensures that the low-temperature liquid delivered to the target area of the low-temperature equipment is in a pure liquid state and does not contain bubbles. In addition, a multi-stage precooling contact is formed by utilizing the radiating branch, so that the cooling structure of the low-temperature equipment can be simplified.)
技术领域
本发明涉及低温流体介质传输技术领域，尤其是涉及一种用于将制冷用低温液体向低温设备进行传输的低温液体传输管线装置。
背景技术
低温设备(一般指温度在100K以下)的运行通常离不开低温液体的运用，典型的低温液体有液氮(常压沸点77K)和液氦(常压沸点4.2K)。通过使低温液体在容器中保持在沸点温度，从而获得一个稳定的低温环境是最常见的低温制冷方式。由于低温液体总是会从外界获得热量，最终都会挥发、耗尽，因此在低温设备的运行过程中，需要经常性地向容器中补充低温液体，例如通过低温液体传输管线向容器中补充低温液体。
低温液体传输管线本质上是一种具有较好绝热能力的管道，它能允许低温液体从管道中流过，并通过管道外壁与液体流过的管道内壁之间设计绝热层(例如真空层)保持液体处于比较低的温度，不会吸收太多热量而气化。如图1所示的一种低温液体传输管线，其包含两端的硬管和中间的软管部分。硬管部分用于与不同的低温设备接口配合，软管部分用于在插管过程中提供可调整余地，软管部分长度通常在1～5米。
然而，对于小流量、长时间低温液体传输，上述传输管线不能满足使用需求。例如，对于连续流(Continuous flow)制冷的低温设备，低温液体源源不断地从传输管线流向目标制冷区域，但所需流量很小，相当比例的低温液体还没有抵达目标区域就已经气化，使得制冷效率低下。同时，低温液体气化产生气泡，影响低温设备的稳定运行。并且，传输管线越长，上述问题表现越突出。
发明内容
本发明提供了一种低温液体传输管线装置，以解决在小流量情况下低温液体从外界吸热而发生气化的问题，降低低温液体在传输过程中产生的损耗。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种低温液体传输管线装置，用于向低温设备输送低温液体，包括传输管主体以及设置在传输管主体中的低温液体传输管路，所述低温液体传输管路包括：主管路，设置在传输管主体中心，用于向低温设备输送低温液体；支路，与所述主管路连通，且在主管路长度的至少一部分上围绕主管路布置，用于吸收从外界进入传输管主体的热量，以将主管路内的低温液体保持在基本恒定的低温状态。
在本发明其他的一些示例中，还包括分配器，该分配器设置在所述传输管主体内，包括一输入口、一第一输出口以及至少一个第二输出口，所述输入口与所述主管路连接，用于接收输入的低温液体，所述第一输出口与所述主管路连接，用于将输入的低温液体的一部分向低温设备传输，所述第二输出口与所述支路的一端连接，用于将输入的低温液体的另一部分向所述支路传输。
在本发明其他的一些示例中，所述传输管主体上设有与所述支路的另一端连接的回收接口，用于将气化的低温液体输送给回收装置。
在本发明其他的一些示例中，所述支路在主管路长度的所述至少一部分上沿主管路长度方向多次折返，形成多个连续的折返支路段，所述主管路与径向相邻的折返支路段之间以及径向相邻的折返支路段之间均以隔热材料间隔。
在本发明其他的一些示例中，所述传输管主体包括中心管以及同心设置在中心管外的多层外层管，中心管及各外层管的管壁均包括设置在内层的辐射屏蔽层以及叠加在辐射屏蔽层外的绝热材料层，所述主管路设置在所述中心管内，所述折返支路段对应设置在中心管与最内层外层管之间以及相邻外层管之间的环形空腔中。
在本发明其他的一些示例中，所述折返支路在对应的环形空腔中沿管长度方向以螺旋环绕的方式布置。尤其是，径向相邻的折返支路的螺旋环绕方向相反。
在本发明其他的一些示例中，所述传输管主体包括用于与低温液体供应源连接的输入端口以及用于与低温设备连接的输出端口，所述输出端口包括预冷触点，所述支路通过热连接与预冷触点连接。
进一步地，所述预冷触点包括第一预冷触点和第二预冷触点，所述第一预冷触点通过第一热连接与支路的第一部分连接，所述第二预冷触点通过第二热连接与支路的第二部分连接，所述支路的第一部分与第二部分温度不同。
在本发明其他的一些示例中，所述支路包括串联在主管路上的第一支路和第二支路。
本发明通过设置与低温液体传输主管路连通的散热支路，能够减少低温液体的传输损耗，使得输送至低温设备目标区域的低温液体为纯液态，不含气泡。
此外，本发明利用散热支路形成多级预冷触点，简化了低温设备的冷却结构。
此外，本发明在散热支路出口设置回收接口，使得低温液体挥发部分能够全部可回收，支持全封闭式循环，节约资源。
附图说明
图1为现有低温液体传输管线外部结构示意图；
图2为根据本发明第1实施例的低温液体传输管线装置结构示意图；
图3为根据本发明第2实施例的低温液体传输管线装置结构示意图；
图4为根据本发明第3实施例的低温液体传输管线装置结构示意图；
图5为根据本发明第4实施例的低温液体传输管线装置结构示意图；
图6为根据本发明实施例的低温液体传输管路截面结构示意图。
具体实施方式
以下，基于附图及实施例，对本发明公开的低温液体传输管线装置进行详细地描述，但本发明并不限定于这些实施例。
此外，应当注意，在使用了以下的附图来进行的说明中，附图是示意性的，各尺寸的比率等与实际不同，为了易于理解，除了说明中所必须的部件之外的图示将被适当省略。
低温设备的正常工作通常依赖定期地或持续地供应低温冷却介质，例如脑磁图(MEG)系统的冷却系统需要定期地向杜瓦罐中补充液态氦。本发明提供了一种用于向这类低温设备输送低温液体的传输管线装置。
图2为根据本发明第1实施例的低温液体传输管线装置100结构示意图，该低温液体传输管线装置100用于向低温设备(未图示)输送低温液体，例如液氮、液态氦等。如图2所示，所述低温液体传输管线装置100包括传输管主体11以及设置在传输管主体11中的低温液体传输管路。示例性地，图2中左端为该低温液体传输管线装置的输入端口In，该输入端口In用于与低温液体供应源连接，右端为该低温液体传输管线装置的输出端口Out，该输出端口用于与低温设备连接，使得从所述输入端口In进入的低温液体经由该低温液体传输管线装置向低温设备输送。
在图2所示的实施例中，该低温液体传输管线装置100为一直线型结构，即输入端口与输出端口大致沿同一直线或两平行直线延伸。可以理解，在其他的使用场景中，该该低温液体传输管线装置也可以构造为其他形状，例如L型或如图1所示的半框形。
如图2所示，所述低温液体传输管路包括：主管路12，设置在传输管主体11中心，用于向低温设备输送低温液体；支路14，与所述主管路12连通，且在主管路12长度的至少一部分上围绕主管路12布置，用于吸收从外界进入传输管主体11的热量，以将主管路12内的低温液体保持在基本恒定的低温状态。
在本发明的实施例中，主管路12为一路。然而，本领域技术人员可以理解，根据使用需要，该主管路12也可以设置多路，以向一个或多个低温设备提供多路相同或不同的低温液体。
本发明中，通过一分配器13实现主管路12与支路14的连通，该分配器例如可以是三通接头、多通接头等。在另外的实施方式中，该分配器也可以控制阀，且该控制阀通过有线或无线方式与控制单元信号连接，根据控制信号进行流路的通断控制和/或流量大小调节。
如图2所示，该分配器13设置在所述传输管主体内，包括一输入口、一第一输出口以及至少一个第二输出口。该分配器13串联连接在主管路13上，所述输入口与所述主管路12一端连接，用于接收输入的低温液体。所述第一输出口与所述主管路12的另一端连接，用于将输入的低温液体的一部分向低温设备传输。所述第二输出口与所述支路14的一端(入口端)连接，用于将输入的低温液体的另一部分向所述支路传输。
在本发明的该实施例中，所述分配器13设置在靠近该低温液体传输管线装置的输出端口Out处，即低温液体通过输入端口In进入主管路12后，首先经过基本上全部长度的主管路12，然后进入分配器13，该分配器13将低温液体进行分流，一部分(例如该低温液体的70％～85％)通过第一输出口进入下游的主管路12，通过输出端口Out1继续向低温设备输送；另一部分(例如该低温液体的15％～30％)通过分配器13的第二输出口进入所述支路14的入口端。
继续参照图2，所述支路14在主管路12整体长度的所述至少一部分上沿主管路12长度方向多次折返，形成多个连续的折返支路段14-1、14-2、14-3、14-4。在图示的实施例中，各折返支路段的长度与主管路12的整体长度接近或基本相同，即所述支路14在主管路12整体长度上沿主管路12长度方向多次折返。在其他的实施方式中，根据实际需要，所述支路14也可以仅在主管路12整体长度的一部分上形成上述折返支路段，例如在主管路12整体长度的1/2～4/5上设置上述折返支路段。
本发明中，这里的“连续的折返支路段”指的是这些支路段是由同一路支路沿主管路长度方向多次折返形成的“段”，各支路段之间是连接为一体的。此外，这里的“连接为一体”也包括各支路段是通过接头连接为一体的情况。
图2所示的实施例中，支路14从分配器13开始沿主管路12延伸，并经过3次折返形成4段支路段14-1、14-2、14-3、14-4，即包括未折返前的第一支路段14-1、第1次折返形成的第二支路段14-2、第2次折返形成的第三支路段14-3以及第3次折返形成的第四支路段14-4。各支路段相对于主管路12具有不同的径向距离，并且所述主管路12与径向相邻的折返支路段14-1之间以及径向相邻的折返支路段14-1、14-2、14-3、14-4之间均以隔热材料间隔。
本发明的该实施例中，通过在低温液体传输管(主管路)中引出一条细管支路形成降温支流，该降温支流在传输管线的内壁与外壁间的隔热材料层中来回穿梭，由传输管线内层逐渐流向外层，流动过程中吸收来自外界的热量，使得支路内的液体/气体温度逐渐升高，使传输管线的隔热材料层由内向外保持稳定的温度梯度，充分利用了低温液体气化和升温过程中可吸收最大热量，从而最大限度地减少了外界温度对主管路内低温液体的影响，使得主管路内的低温液体保持在基本恒定的低温状态，同时避免了低温液体气化产生气泡影响低温设备稳定工作的现象发生。
尽管该实施例中示出了，支路14从分配器13开始沿主管路经过3次折返形成4段支路段，本领域技术人员可以理解，折返次数可以根据实际情况下增加或减少。同时，从分配器13引出的降温支路也可以为多路。
图6示出了该实施例中的低温液体传输管路截面结构，用于表现传输管主体11结构，以及主管路12以及支路14的各支路段在该传输管主体11中的布置情况。
如图6所示，所述传输管主体11包括中心管以及同心设置在中心管外的多层外层管(图中示出了4层外层管)。中心管及各外层管的管壁均包括设置在内层的辐射屏蔽层111以及叠加在辐射屏蔽层外的绝热材料层112，所述主管路12设置在所述中心管内，所述折返支路段14-1、14-2、14-3、14-4对应设置在中心管与最内层外层管之间以及相邻外层管之间的环形空腔中。
本发明中，隔热材料层中的辐射屏蔽层111例如可以采用铝膜，隔热膜112例如可以采用高密度泡沫或塑料网。所述传输管主体11最外层为波纹管外壁113。
从图6中可以看出，各支路段14-1、14-2、14-3、14-4相对于主管路12具有不同的径向距离，并且所述主管路12与径向相邻的折返支路段14-1之间以及径向相邻的折返支路段14-1、14-2、14-3、14-4之间均以辐射屏蔽层111以及叠加在辐射屏蔽层外的绝热材料层112间隔。并且，与分配器连接的(即未发生折返的)第一支路段14-1位于径向最内层，即与主管路之间的径向距离最小，随后通过折返形成的支路段14-2、14-3、14-4随折返次数的递增，其所处的径向层数随之递增。由此，降温支流由传输管线内层逐渐流向外层，流动过程中吸收来自外界的热量，使得支路内的液体/气体温度逐渐升高，使传输管线的隔热材料层由内向外保持稳定的温度梯度。
在本发明的实施例中，各折返支路段在对应的环形空腔中沿管长度方向以螺旋环绕的方式布置，从而可以吸收来自管线各个方向的热量，使得支路段内的流体温度升高均匀。
更佳地，径向相邻的折返支路的螺旋环绕方向相反。例如位于第2环形空腔内的支路段14-2沿左旋方向螺旋环绕布置，则位于第1环形空腔内的支路段14-1以及位于第3环形空腔内的支路段14-3沿右旋方向螺旋环绕布置。通过上述方式布置各支路段，最大限度地避免了相邻支路段之间的温升影响，并且进一步提高了对外界进入管线内热量的均匀吸收。
继续参照图2，所述传输管主体11上设有与所述支路的另一端(末端)连接的回收接口Out2，用于将低温液体气化后介质输送给回收装置，再由回收装置将气化后的介质重新液化后，供给到低温液体供应源。所述回收接口Out2可以设置在管线装置的输出端口的端面位置，也可以设置在管线装置邻近输出端口或其他位置的管线侧壁上。
本发明中，所述传输管主体11的输出端口还设有至少一个预冷触点，所述支路14通过热连接与所述预冷触点连接。
由于一般的低温设备都有不同的温度区域，比如从外壳到最冷区域，中间有若干层热屏蔽层，温度从外到内逐渐降低，这样才能有良好的绝热效果。其中，不同位置的热屏蔽层要让它们的温度“锚定”在特定温度，就需要将其连接到不同温度的预冷触点上。本发明通过在传输管线末端设置多级预冷触点，利用了降温支路不同位置温度不同的特点，将其与末端的预冷触点进行良好的热连接，以实现传输管线不仅可以传送低温液体，还可以提供一个或多个温度的预冷触点。
如图2所示，在本发明的该实施例中，所述预冷触点包括第一预冷触点151和第二预冷触点152，二者沿管线轴向间隔布置。所述第一预冷触点151通过第一热连接161与支路14的第一部分(与该预冷触点151邻近的支路折返点)连接，所述第二预冷触点152通过第二热连接162与支路14的第二部分(第四支路段14-4末端)连接。所述支路的第一部分与第二部分由于处于不同的位置或属于不同的支路段，因此温度不同，进而通过热连接使两个预冷触点具有不同的温度，即通过上述结构提供了两个不同温度的预冷触点。
本发明中，所述预冷触点例如可以采用无氧铜环构成。热连接例如可以采用柔软且导热效率较高的铜编织带，也可用其它导热材料。
以上结合附图对本发明的实施例进行详细描述，尽管以上描述中使用了“主管路”、“支路”，但本领域技术人员可以理解，“主管路”、“支路”既可以以独立的实体管构成，也可以在传输管主体11中形成连续空腔构成。
此外，尽管未做具体说明，本领域技术人员可以理解，在所述“主管路”、“支路”以实体管构成时，在传输管主体11中设置必要支撑结构对管进行支撑可能是必要的，例如在各环形空腔内设置支撑架或隔板。同时，考虑到管线装置使用时通常会发生弯折，因此管与支撑结构之间应当可以进行相对移动。
此外，低温液体进入管线内时，由于热胀冷缩原因会导致管线变形，为此所述主管路及支路的至少部分位置设置预留的弯曲部，以为管线收缩变形提供余量，避免管线受低温影响损坏。
图3为根据本发明第2实施例的低温液体传输管线装置200的结构示意图。与第1实施例不同之处在于，分配器13设置在靠近该低温液体传输管线装置200的输入端口In处，此时，由于与主管路12邻近的散热支路段更接近低温液体供应源，与主管路“同步”，因此对主管路内低温液体的温度影响更小。
此外，该实施例中，在低温液体传输管线装置200的输出端口处设置一个预冷触点251，其通过热连接261与邻近的支路14折返点连接。
图4为根据本发明第3实施例的低温液体传输管线装置300的结构示意图。与第2实施例不同之处在于，所述支路14包括串联在主管路11上的第一支路141和第二支路142。其中，第一支路141通过第一分配器131与主管路12连通，第二支路142通过第二分配器132与主管路12连通。所述第一分配器131、第二分配器132依次串接在主管路12上。
此外，在第一支路141和第二支路142之间的传输管主体11外壁上设有第一预冷触点351，该预冷触点通过第一热连接361与邻近的支路141的折返点连接。在低温液体传输管线装置300的输出端口处设置第二预冷触点352，其通过热连接362与邻近的支路142的折返点连接。
图5为根据本发明第4实施例的低温液体传输管线装置400的结构示意图。与第3实施例不同之处在于，在靠近该低温液体传输管线装置400的输入端口In处，传输管主体11外壁上设有预冷触点451，该预冷触点通过热连接461与邻近的支路141的折返点连接。
同样地，尽管图5所示的实施例中，该低温液体传输管线装置400的输入端口In设计为直线型结构，但并不限于此，将其设计为图3、图4所示的L型结构也同样适用。
尽管本发明以上述4个实施例分别进行描述，然而本领域技术人员可以理解，上述实施例采用的技术手段可以在不同的实施例之间进行组合或替换。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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