本申請涉及低溫流體加熱領(lǐng)域，特別是涉及一種用于低溫流體的加熱器。

背景技術(shù)：

低溫流體，通常是指其沸點(diǎn)低于120開爾文(縮寫K)，即約零下153攝氏度，的流體。低溫流體加熱，與常規(guī)的流體加熱不同的是，第一，必須要嚴(yán)格控制加熱量，加熱器提供的熱量與低溫流體吸收的熱量必須是精確計(jì)算的；第二，加熱必須均勻，否則容易出現(xiàn)低溫流體氣化，引發(fā)壓力超壓的危險(xiǎn)。

公告號為CN 204963158U的中國專利中，就描述了一種常規(guī)液體的加熱器，液體流經(jīng)連接在加熱器箱體兩端的進(jìn)液管和出液管，加熱帶可拆裝地包裹在加熱器箱體的表面，加熱器箱體內(nèi)部安裝有平行交錯(cuò)排列的阻流板以增強(qiáng)傳熱。這種結(jié)構(gòu)的加熱器可以用于常規(guī)流體加熱；但是，如果用于低溫流體則不能有效的防止環(huán)境向箱體漏熱，容易造成低溫液體吸收環(huán)境熱量出現(xiàn)氣化進(jìn)而發(fā)生壓力超壓的危險(xiǎn)。

低溫流體的沸點(diǎn)低于120K(約負(fù)153攝氏度)，而室溫環(huán)境約20攝氏度(即約293K)，如果像常規(guī)液體加熱那樣，直接將加熱器暴露在室溫環(huán)境中，一方面，加熱器內(nèi)的低溫流體會迅速吸收室溫環(huán)境的熱量，當(dāng)?shù)蜏匾后w吸收的熱量超過了低溫液體的汽化潛熱，則低溫液體會氣化成低溫氣體。由于低溫下液體和氣體的密度通常會相差十倍甚至百倍，由此會造成密閉空間內(nèi)流體的壓力迅速上升，進(jìn)而超過容器允許的工作壓力。另一方面，如果加熱帶直接暴露在室溫環(huán)境中，一部分加熱熱量會損失到環(huán)境中，從而無法精確的知道低溫流體吸收的熱量。

對此，日本的一件專利申請JP2010-129368A中，就描述了一種低溫液體電加熱器，其將加熱管均勻地布置在殼體內(nèi)，低溫流體在殼體內(nèi)流動，流經(jīng)加熱管外部后被加熱，沿著流體流動方向上均勻分布阻流板以增強(qiáng)加熱效果。然而，低溫流體與加熱管接觸面積有限，可能出現(xiàn)局部溫度過熱的顯現(xiàn)，加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加熱管及阻流板加工工藝復(fù)雜；并且，加熱器體積較大且必須放置于真空冷箱內(nèi)，以防止環(huán)境漏熱，從而造成加熱器的使用不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請的目的是提供一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的用于低溫流體的加熱器。

本申請采用了以下技術(shù)方案：

本申請公開了一種用于低溫流體的加熱器，包括加熱筒1、加熱筒端蓋2、出液管3、進(jìn)液管4、套管6和加熱層7；加熱筒1為一端開口的細(xì)長的圓柱筒，加熱筒端蓋2固定于加熱筒1的開口處，將加熱筒1密封；出液管3和進(jìn)液管4固定在加熱筒端蓋2上，穿透加熱筒端蓋2伸入到加熱筒1中，并且，進(jìn)液管4伸入到加熱筒1的中下部接近底端的位置，而出液管3伸入到加熱筒1的中上部接近開口端的位置；加熱層7均勻的包裹在加熱筒1的外表面，附著加熱層7的加熱筒1被密封固定在套管6內(nèi)，僅出液管3和進(jìn)液管4伸出在外面，并且，加熱層7和套管6之間具有空隙，使用時(shí)，該空隙為真空環(huán)境。

需要說明的是，本申請的關(guān)鍵在于，將加熱筒整體放置在套筒中，并且，兩者之間具有空隙，對低溫流體進(jìn)行加熱時(shí)，該空隙為真空環(huán)境；而加熱層設(shè)計(jì)在加熱筒外表面。本申請的加熱器，第一，避免了室溫向低溫流體漏熱，進(jìn)而避免了由此造成的壓力超壓的危險(xiǎn)；第二，減小了加熱層的熱量外泄，以保障低溫流體被精確高效加熱。其中，出液管3和進(jìn)液管4伸入加熱筒1的位置設(shè)計(jì)，也是為了更高效的對低溫流體進(jìn)行加熱。

優(yōu)選的，加熱層7和套管6之間采用支撐板5隔開，形成空隙。

可以理解，只要加熱層7和套管6之間形成空隙即可，采用支撐板5隔開只是其中一種簡單有效的方式；當(dāng)然，為了避免支撐板5進(jìn)行熱量傳遞，造成加熱層熱量損失或影響低溫流體加熱的準(zhǔn)確性，本申請優(yōu)選的方案中，支撐板5采用絕熱材料制備。

優(yōu)選的，出液管3和進(jìn)液管4上都安裝有溫度傳感器。

需要說明的是，出液管3和進(jìn)液管4上安裝溫度傳感器，其目的是監(jiān)測低溫流體的溫度以及被加熱后的情況，以便能夠根據(jù)低溫流體被加熱前后的溫度進(jìn)一步計(jì)算精確獲得被加熱的功率，進(jìn)而根據(jù)反饋的情況進(jìn)一步控制調(diào)節(jié)加熱功率。

優(yōu)選的，加熱層7為電加熱元件。

可以理解，電加熱元件是加熱器中比較常規(guī)使用，也是比較容易控制調(diào)節(jié)的一種加熱方式，不排除加熱層還可以采用其它加熱元件。

優(yōu)選的，加熱筒1和加熱筒端蓋2都采用導(dǎo)熱材料制備。

可以理解，加熱層7在加熱筒1的外表面，為了給低溫流體加熱，加熱筒1和加熱筒端蓋2必須采用導(dǎo)熱材料制備，至少加熱筒1必須采用導(dǎo)熱材料制備，本申請的優(yōu)選方案中，優(yōu)選采用無氧銅或不銹鋼導(dǎo)熱材料。

本申請的另一面公開了本申請的加熱器在低溫流體加熱中的應(yīng)用，這些低溫流體包括但不僅限于液氦、液氫、液氧、液氮或液氬。

需要說明的是，本申請的加熱器就是針對低溫流體加熱而設(shè)計(jì)的，其準(zhǔn)確的加熱功率控制，尤其適用于各種易燃易爆的危險(xiǎn)性高的低溫流體。

本申請的再一面公開了本申請的加熱器在模擬熱沖擊的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本申請公開了一種模擬熱沖擊的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，包括冷源11、動力元件12、熱沖擊模擬元件13和終端用戶14；冷源11、動力元件12、熱沖擊模擬元件13和終端用戶14形成封閉式的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，低溫流體在動力元件12的驅(qū)動下在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動；冷源11為循環(huán)系統(tǒng)提供冷量，熱沖擊模擬元件13為本申請的加熱器，用于提供熱量，模擬終端用戶14在工作狀態(tài)下的產(chǎn)生的熱沖擊。

需要說明的是，在采用一些大型制冷機(jī)作為冷源對一些終端用戶進(jìn)行降溫時(shí)，終端用戶正常運(yùn)行時(shí)會消耗低溫流體循環(huán)系統(tǒng)中的冷量，該冷量在正常運(yùn)行時(shí)是恒定的；但是，在終端用戶突然沒有熱負(fù)荷產(chǎn)生或者熱負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，熱量傳遞就會失衡，特別是大型的制冷機(jī)，通常都是昂貴而精密的設(shè)備，熱量傳遞失衡極可能會對其造成損壞。因此，利用本申請的加熱器能夠準(zhǔn)確提供熱能的特點(diǎn)，對終端用戶的熱沖擊進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，從而避免了前面提到的終端用戶突然沒有熱負(fù)荷產(chǎn)生對冷源造成的損壞。

可以理解，本申請中的冷源就是制冷機(jī)，特指一些大型的制冷機(jī)；而本申請中的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)際上就是針對終端用戶14的制冷或降溫系統(tǒng)。本申請的終端用戶14可以是各種大型的需要大型制冷機(jī)進(jìn)行降溫或溫度控制的設(shè)備，在此不做具體限定。

本申請的有益效果在于：

本申請的用于低溫流體的加熱器，結(jié)構(gòu)緊湊、小巧輕便、安裝位置靈活、安全可靠、高效隔熱，且加熱效率高，能夠精確地計(jì)算和控制施加給低溫流體的加熱功率，尤其適用于各種易燃易爆危險(xiǎn)的低溫流體加熱。本申請的低溫流體加熱器，解決了現(xiàn)有低溫流體加熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、使用不便等問題，實(shí)現(xiàn)了簡單而高效的對低溫流體進(jìn)行加熱，同時(shí)，也提高加熱效率。

附圖說明

圖1是本申請實(shí)施例中用于低溫流體的加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本申請實(shí)施例中低溫流體加熱器的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本申請實(shí)施例中模擬熱沖擊的制冷循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中1為加熱筒、2為加熱筒端蓋、3為出液管、4為進(jìn)液管、5為支撐板、6為套管、7為加熱層、8和9為低溫流體連接管、10為低溫流體真空外管、11為冷源、12為動力元件、13為熱沖擊模擬元件、14為終端用戶。

具體實(shí)施方式

本申請的用于低溫流體的加熱器，使用時(shí)，在加熱層和套管之間的空隙為真空環(huán)境，與日本專利申請JP2010-129368A中的加熱器相比，無需將加熱器整體置于真空冷箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊、小巧輕便，容易使用。本申請的加熱器采用細(xì)長圓柱筒結(jié)構(gòu)的加熱筒，加熱層均勻的包裹在加熱筒外表面，與日本專利布置于內(nèi)部的加熱管相比，本申請的加熱器制備更加簡單，并且，加熱層經(jīng)過加熱筒均勻傳遞熱量給低溫流體，與低溫流體直接接觸加熱管的方式相比，加熱更加均勻。

本申請的進(jìn)液管位于加熱筒底部，出液管位于加熱筒頂部，使用時(shí)，低溫流體由底板升到頂部后才被排出，在這個(gè)過程中，整個(gè)加熱筒內(nèi)壁都是加熱面積，低溫流體受熱面積大，無需額外增設(shè)阻流板，也能充分實(shí)現(xiàn)加熱，加熱筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單?？梢岳斫猓诩訜釋拥墓β什蛔兊那闆r下，低溫流體流動速度越慢，或加熱筒的圓柱筒越長，低溫流體在加熱筒中的時(shí)間越久，接受的熱量也越多；當(dāng)然，也可以通過提高加熱層的功率，來提供更多的熱量。

本申請的低溫流體加熱器，真空套筒能夠起到良好的隔熱效果，使得整個(gè)加熱器形成一個(gè)孤立的系統(tǒng)，加熱器不與外界環(huán)境進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，即外界室溫既不會向加熱器內(nèi)的低溫流體漏熱，加熱器自身也不會向外界輻射熱能，理論上，可以實(shí)現(xiàn)加熱層的熱量能全部被低溫流體吸收，提高了加熱效率。

下面通過具體實(shí)施例對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實(shí)施例僅對本申請進(jìn)行進(jìn)一步說明，不應(yīng)理解為對本申請的限制。

實(shí)施例一

本例的用于低溫流體的加熱器，如圖1所示，包括加熱筒1、加熱筒端蓋2、出液管3、進(jìn)液管4、套管6、支撐板5和加熱層7；加熱筒1為一端開口的細(xì)長的圓柱筒，加熱筒端蓋2固定于加熱筒1的開口處，將加熱筒1密封；出液管3和進(jìn)液管4固定在加熱筒端蓋2上，穿透加熱筒端蓋2伸入到加熱筒1中，并且，進(jìn)液管4伸入到加熱筒1的中下部接近底端的位置，而出液管3伸入到加熱筒1的中上部接近開口端的位置，出液管3和進(jìn)液管4上都安裝有溫度傳感器；加熱層7均勻而緊密的包裹在加熱筒1的外表面，附著加熱層7的加熱筒1被密封固定在套管6內(nèi)，僅出液管3和進(jìn)液管4伸出在外面，并且，加熱層7和套管6由支撐板5隔開，形成空隙。本例的加熱筒1和加熱筒端蓋2都采用導(dǎo)熱材料制備，具體的，本例采用無氧銅或不銹鋼制備；而支撐板采用絕熱材料制備，具體的，本例采用環(huán)氧樹脂G-10制備。本例的加熱層7為電加熱元件，該電加熱元件設(shè)有電源接頭和開關(guān)。

本例的低溫流體加熱器，使用時(shí)，如圖2所示，加熱器的出液管3和進(jìn)液管4分別與待加熱低溫流體的低溫流體連接管8、9連接，加熱器的套管6與低溫流體真空外管10連接；連接好并確保加熱層7和套管6之間的空隙為真空狀態(tài)后，將加熱層7與電源連接，開啟電源開關(guān)，控制電加熱元件的功率，以對低溫流體進(jìn)行加熱。在加熱的過程中，通過出液管3和進(jìn)液管4上安裝的溫度傳感器，監(jiān)測低溫流體的溫度以及被加熱后的情況，以便能夠根據(jù)低溫流體被加熱前后的溫度，計(jì)算精確獲得被加熱的功率，進(jìn)而根據(jù)該結(jié)果反饋，進(jìn)一步控制調(diào)節(jié)加熱層的功率。

本例的低溫流體加熱器，低溫流體通過進(jìn)液管4進(jìn)入加熱器筒1，充滿加熱器筒1的內(nèi)部空間，通過加熱器筒1的良好導(dǎo)熱性能，低溫流體充分吸收加熱層7的熱量，被加熱后的流體經(jīng)出液管3流出加熱器。在加熱器的進(jìn)液管4和出液管3的外壁面上，分別設(shè)置有溫度傳感器以監(jiān)測進(jìn)出口流體的溫度，進(jìn)而能根據(jù)進(jìn)出口的溫度變化情況調(diào)整加熱層7的加熱元件功率。加熱層7與套管6之間的空隙為真空環(huán)境，一方面防止了低溫流體泄漏至環(huán)境中，另一方面能有效地隔絕環(huán)境漏熱對低溫流體的影響，從而實(shí)現(xiàn)低溫流體在加熱器中安全高效地被加熱。由于加熱層7外是真空環(huán)境，一方面能減小加熱元件的熱量損失，另一方面能有效的避免室溫環(huán)境向低溫流體的漏熱，從而保證低溫流體只吸收加熱元件的熱量，因此，可以被準(zhǔn)確、高效的加熱。

實(shí)施例二

本例將實(shí)施例一的低溫流體加熱器應(yīng)用于模擬熱沖擊的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，本例的模擬熱沖擊的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示，包括冷源11、動力元件12、熱沖擊模擬元件13和終端用戶14，冷源11、動力元件12、熱沖擊模擬元件13和終端用戶14形成封閉式的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，低溫流體在動力元件12的驅(qū)動下在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)流動。其中，熱沖擊模擬元件13即為實(shí)施例一的低溫流體加熱器，用于給低溫流體提供熱量，模擬終端用戶14在工作狀態(tài)下的產(chǎn)生的熱沖擊；冷源11為循環(huán)系統(tǒng)提供冷量。

本例的低溫流體為低溫液氮，終端用戶14在沒有進(jìn)入工作模式也就沒有熱沖擊。采用低溫流體電加熱器模擬熱沖擊，即通過電加熱器精確控制施加給低溫流體的加熱功率，模擬熱沖擊造成低溫流體吸收熱負(fù)荷而出現(xiàn)溫升的情況，使得低溫流體循環(huán)系統(tǒng)的整體冷量需求恒定，從而保證了冷源11的穩(wěn)定運(yùn)行。對于采用大型制冷機(jī)作為冷源的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)，采用低溫流體電加熱器進(jìn)行模擬，能夠避免冷量需求波動對于大型制冷機(jī)的沖擊。

例如，當(dāng)?shù)蜏亓黧w循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，終端用戶會消耗一定的冷量，即熱沖擊，如600W。再加上低溫流體循環(huán)系統(tǒng)自身漏熱的熱負(fù)荷，如800W，低溫流體循環(huán)系統(tǒng)的整體熱負(fù)荷為1400W。當(dāng)大型制冷機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其提供的冷量是一定的，即1400W。若終端用戶突然沒有熱負(fù)荷產(chǎn)生時(shí)，大型制冷機(jī)仍然提供1400W的冷量，而低溫流體循環(huán)系統(tǒng)的整體熱負(fù)荷僅有800W，熱量傳遞無法平衡。此時(shí)，開啟低溫流體電加熱器，施加600W的加熱功率，則低溫流體循環(huán)系統(tǒng)仍能保持1400W的熱負(fù)荷，從而大型制冷機(jī)的運(yùn)行工況不會發(fā)生變化，有效地避免了熱負(fù)荷的變化，即冷量需求波動，對于大型制冷機(jī)的沖擊。大型制冷機(jī)通常有昂貴的精密設(shè)備如透平，如果短時(shí)間內(nèi)制冷機(jī)負(fù)載的熱負(fù)荷大幅度波動，透平的運(yùn)行會失穩(wěn)，可能會發(fā)生損壞，因此大型制冷機(jī)通常要求穩(wěn)定運(yùn)行。

本例具體的，在中子慢化器中進(jìn)行了試驗(yàn)，即以終端用戶為中子慢化器。當(dāng)有中子束流時(shí)，中子慢化器內(nèi)會有熱負(fù)荷產(chǎn)生。當(dāng)沒有中子束流時(shí)，中子慢化器不會有熱負(fù)荷產(chǎn)生，此時(shí)為避免制冷機(jī)的運(yùn)行受到干擾，采用實(shí)施例一的加熱器施加熱負(fù)荷來進(jìn)行平衡。由于采用了實(shí)施例一的低溫流體加熱器，使得中子慢化器的低溫流體循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效的避免了制冷機(jī)因熱沖擊而造成損壞。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本申請所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本申請的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本申請的保護(hù)范圍。