專利名稱：電動振動試驗臺蒸發冷卻系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及環境力學試驗中的電動振動試驗裝置，具體涉及電動振動試驗臺中的勵磁線圈、驅動線圈、短路環的蒸發冷卻系統。這種冷卻系統特別適合應用于大推力電動振動臺，提供高效冷卻。
背景技術：
電動振動試驗臺(以下簡稱電動振動臺)是一種對產品或部件進行振動模擬試驗的設備。它是利用電磁振動原理設計而成的，其結構主要由臺體、磁缸、勵磁線圈、動圈、導輪結構以及空氣彈簧等組成。其中，勵磁線圈固定安裝在臺體中，通電后在工作氣隙中產生一個足夠強的恒定磁場，與動圈中的驅動電流相互作用產生激振力，以推動試件振動。電動振動臺在工作中，由于整體消耗的能量相當大，勵磁線圈和動圈中通入的電流很大，因此相應的發熱量也很大。為了保證系統正常運行，需要對這些發熱量大的部件進行強制冷卻。
現有電動振動臺的冷卻方式有風冷和液冷(其中以水冷最為通用)兩種。風冷是以強制氣流對勵磁線圈和動圈等發熱部件進行冷卻，這種冷卻方式一般僅適合于推力小于50kN的電動振動臺。隨著電動振動臺的功率增大，這種冷卻方式暴露出無法克服的弊端。比如，在環境振動試驗中，為了提高電動振動臺的推力，必須增加勵磁電流和動圈的電流，從而引發勵磁線圈和動圈發熱量的增加，要強化冷卻就必須加大通風量，這必然引起通風損耗的增大。當通風損耗(含風摩耗)占總損耗的40％時，就意味著電動振動臺的效率很低。另外，風冷由于受到冷卻效果的限制，工作中勵磁線圈和動圈往往高于室溫，在這種溫度環境下長期工作，會降低勵磁線圈繞組和動圈繞組的絕緣性。水冷是以水作為冷卻介質，對勵磁線圈和動圈進行冷卻，即采用空心勵磁線圈和動圈，并在線圈的空腔中通入冷卻水強制冷卻。由于水是好的冷卻介質，有很好的比熱容和導熱系數，因此這種冷卻方式效果優于風冷，通常適合于推力大于50kN的電動振動臺。但是這種冷卻方式存在的缺點是1、由于水垢的產生以及空心導線與水中的氧離子氧化生成的氧化銅和氧化亞銅等沉積物造成水路堵塞，繼而產生繞組局部過熱而燒毀。2、循環水接頭以及各密封點處由于承受水壓容易發生漏水問題，從而造成短路和漏電的危險。3、由于水流在管內高速流動中容易發生水鉆孔現象，傷害勵磁線圈和動圈管內壁。由此可見，勵磁線圈和動圈管內壁的堵和漏一直是水冷電動振動臺發展的致命弱點。為此，如何設計一種適合于大推力電動振動臺的高效、安全、可靠的冷卻系統是本領域技術人員多年來十分關注的問題。
發明內容
本發明提供一種電動振動試驗臺的蒸發冷卻系統，其目的是要設計一種適合于大推力電動振動臺使用的高效、安全、可靠的冷卻系統，以解決長期以來困擾本領域技術人員的難題。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是一種電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，由冷卻介質和循環冷卻回路兩部分組成，冷卻介質采用沸點為50～60℃的氟碳化合物；循環冷卻回路由冷卻通道、熱交換器、儲液箱、單向閥依次經管道串聯構成，其中，冷卻通道至少由勵磁線圈冷卻通道和驅動線圈冷卻通道并聯構成，驅動線圈冷卻通道為空心驅動線圈的內管，勵磁線圈冷卻通道為空心勵磁線圈的內管或浸泡勵磁線圈的腔體；熱交換器由冷卻水散熱通道和冷卻介質通道構成；儲液箱為一與空氣連通的容器，容器設有冷卻介質進口和出口；儲液箱的介質出口經單向閥連接冷卻通道進口，冷卻通道出口連接熱交換器的冷卻介質通道進口，熱交換器的冷卻介質通道出口連接儲液箱的介質進口，以此構成自循環蒸發冷卻回路。
上述技術方案中的有關內容解釋如下1、上述方案中，冷卻通道還包括并聯的短路環冷卻通道，短路環冷卻通道為設在短路環位置上的管道。短路環冷卻通道可以是一路內短路環冷卻通道，也可以是一路外短路環冷卻通道，還可以是一路內短路環冷卻通道和一路外短路環冷卻通道。
2、上述方案中，空心驅動線圈冷卻通道設計有以下兩種情況(1)、可以將整個空心驅動線圈管體作為線圈繞組，內管作為一條冷卻通道。
(2)、可以將整個空心驅動線圈分成至少兩段，各段管體串聯構成線圈繞組，各段內管并聯構成冷卻通道。
3、上述方案中，空心勵磁線圈冷卻通道設計有以下兩種情況(1)、可以將整個空心勵磁線圈分成至少兩段，各段管體串聯構成線圈繞組，各段內管并聯構成冷卻通道。
(2)、可以將勵磁線圈整體浸泡在一個密閉腔體中，腔體作為冷卻通道。為了進一步提高冷卻效果，可以在密閉腔體外圍設有夾層，夾層中通有冷卻水。
4、上述方案中，所述氟碳化合物選自R-113、FLA、FF31-阿、FF31L之一。
本發明的構思和工作原理如下本發明采用絕緣性能好、沸點為50～60℃的氟碳化合物替代水作為冷卻介質，通過勵磁線圈和驅動線圈(動圈)冷卻通道充入電動振動臺的勵磁線圈和驅動線圈，利用介質沸騰吸收潛熱來冷卻電動振動臺。冷卻介質在勵磁線圈和驅動線圈部位受熱蒸發后不必壓縮即可由熱交換器(冷凝器)冷凝，在常溫條件下經二次冷卻水將熱量散出。吸熱沸騰后的介質改變了密度，利用吸熱量和介質密度的變化，產生壓差，形成自循環動力。因此不需要外加動力，就可使介質在冷卻系統的回路中循環工作，實現電動振動臺的自循環蒸發冷卻。
介質蒸發吸熱原理分析如下第一階段比熱吸熱過程ΔT=QmC=UItmC]]>式(1)式中ΔT--介質液體的溫升；Q--設備產生的熱量；C--介質液體的比熱容；m--介質液體的質量；U--設備的電壓；I--設備的電流；T--時間；第二階段蒸發過程q＝m·Ly式(2)式中q--介質液體沸騰蒸發所需熱量；m--介質液體的質量；Ly--汽化熱；由以上式(1)和式(2)可知，因為Ly＞＞C，所以在相同的介質質量條件下，汽化過程所需要的熱量遠大于比熱吸熱的熱量。
當設備接通電流I，系統的第一階段為比熱吸熱過程，隨著時間t的增加，冷卻介質溫度升高；由于冷卻介質的沸點溫度為50℃～60℃，第二階段為蒸發過程，此時冷卻介質為變成氣體，蒸發吸熱；氣體流動，經過熱交換器，由外循環水帶出熱量，氣體冷凝變成液體體積減小，壓力降低，自吸液體冷卻介質，重復循環。設備在無需外動力的情況下進行循環，帶走設備的熱量，起到散熱的作用。
由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有以下優點和效果1、本發明采用蒸發冷卻技術，與以往水冷相比解決了大推力電動振動臺的驅動線圈以及短路環熱變形的問題。
2、本發明蒸發冷卻利用液體介質汽化的潛熱，由于汽化吸熱遠比比熱吸熱強烈，在同樣的交換條件下它可以比水冷具有更小的熱交換面積。
3、本發明利用液相和氣液雙相的比重差實現無泵自循環。蒸發冷卻的氣側壓力可以設計為運行時接近0.1Mpa正壓，停機時成負壓，減小了泄漏的可能性，而水冷時壓力較高，泄漏的可能性更大。同時無泵自循環節約了電能，提高了經濟效益。
4、本發明冷卻通道內的介質蒸發量會隨著熱量增加而加大，有自我調節能力，電動振動臺各線圈之間的溫差較小，所以不會出現水冷線圈空心導線局部高溫形成氣堵斷水燒毀線圈的故障。
5、本發明蒸發冷卻介質采用沸點為50～60℃的氟碳化合物，這種介質無毒、無污染、不腐蝕金屬，而且具有良好的絕緣性能，即使稍有泄漏也不會引起絕緣的損壞而引發事故。
6、本發明采用蒸發冷卻方式，由于冷卻效果好，不需要象水冷那樣提供大流量水流，所以避免了水冷的鉆孔現象，提高了電動振動臺的使用壽命。
7、本發明蒸發冷卻在工作時，冷卻介質呈氣液雙相，提高了驅動線圈的自身的共振頻率，降低了電動振動臺的失真度。
8、本發明由于運用了高效率、高可靠性的冷卻方式，克服了風冷與水冷的各自缺點，可以在電動振動臺中實現大功率，高可靠性的冷卻。
附圖1為現有電動振動試驗臺結構和原理示意圖；附圖2為本發明實施例一電動振動試驗臺蒸發冷卻系統示意圖；附圖3為本發明實施例一勵磁線圈冷卻通道設計示意圖；附圖4為本發明實施例一驅動線圈冷卻通道設計示意圖；附圖5為本發明實施例二電動振動試驗臺蒸發冷卻系統示意圖；附圖6為本發明實施例二勵磁線圈增加夾層水套冷卻的結構示意圖。
以上附圖中，1、熱交換器；2、儲液箱；3、單向閥；4、電動振動臺；5、短路環冷卻通道；6、驅動線圈冷卻通道；7、勵磁線圈冷卻通道；8、冷卻介質；9、臺面；10、驅動線圈(動圈)；11、勵磁線圈；12、短路環；13、外冷卻水進口；14、外冷卻水出口；15、冷卻管；16、密閉腔體。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一參見圖2所示，一種大推力電動振動試驗臺的蒸發冷卻系統，由冷卻介質8和循環冷卻回路兩部分組成。冷卻介質采用沸點為50～60℃的氟碳化合物，具體選擇R-113、FLA、FF31-阿、FF31L中的一種。循環冷卻回路由冷卻通道、熱交換器1、儲液箱2、單向閥3依次經管道串聯構成，其中，冷卻通道由勵磁線圈冷卻通道7、驅動線圈冷卻通道6和短路環冷卻通道5并聯構成。驅動線圈冷卻通道6為空心驅動線圈的內管，采用單進單出的設計，如圖4所示，整個空心驅動線圈管體作為線圈繞組，內管作為一條冷卻通道。勵磁線圈冷卻通道7為空心勵磁線圈的內管，采用分段并聯設計，因為勵磁繞圈很長(20T推力的繞組長L≈500m)，所以勵磁必須采用冷卻管路并聯，電路串聯的結構，增強冷卻效果，如圖3所示，整個空心勵磁線圈分成五段，各段管體串聯構成線圈繞組，各段內管通過冷卻管15并聯構成冷卻通道。短路環冷卻通道5為設在內短路環位置上的管道，見圖1中的短路環位置。熱交換器1由冷卻水散熱通道和冷卻介質通道構成，冷卻水散熱通道見圖2的外冷卻水進口13和外冷卻水出口14。儲液箱2為一與空氣連通的容器，容器設有冷卻介質進口和出口。儲液箱2的介質出口經單向閥3分別連接勵磁線圈11、驅動線圈10和短路環12的三個支冷卻通道進口，三個支冷卻通道出口連接熱交換器1的冷卻介質通道進口，熱交換器1的冷卻介質通道出口連接儲液箱2的介質進口，以此構成自循環蒸發冷卻回路。
工作時，冷卻介質8注入驅動線圈冷卻通道6、勵磁線圈冷卻通道7以及短路環冷卻通道5。在常溫下，冷卻介質8呈液態，當隨著電動振動臺通入電流工作，短路環12、驅動線圈10以及勵磁線圈11發熱產生熱量，由于比熱交換，冷卻介質8溫度隨之上升，當冷卻介質8的溫度超過沸點50℃時，冷卻介質8沸騰蒸發成氣體，密度減小，壓力上升。在壓差作用下，氣體流向熱交換器1，與外冷卻水發生熱交換，溫度降到沸點以下冷凝成液體狀態，電動振動臺4內部產生的熱量隨著蒸發的氣體冷凝成液體帶出熱量，液體狀態的冷卻介質8回流到儲液箱2內。當電動振動臺中的冷卻介質8隨著冷凝過程，內部的壓強降低，通過單向閥自吸儲液箱2內的液體冷卻介質，重復上述過程，所以蒸發冷卻的系統無需外加動力，就能自循環。
實施例二參見圖5所示，一種大推力電動振動試驗臺的蒸發冷卻系統，由冷卻介質8和循環冷卻回路兩部分組成。與實施例一的不同之處在于勵磁線圈冷卻通道采用浸泡式設計(適用于特大功率的電動臺，F＞30T)。浸泡式設計是將電動臺的勵磁線圈11采用普通的線圈形式密封在一個裝有冷卻介質8的腔體內，如圖6所示，即勵磁線圈11整體浸泡在一個密閉腔體16中，密閉腔體16作為冷卻通道。另外在密閉腔體16外圍設有夾層，夾層中通有冷卻水，以提高冷卻效果。此種結構可運用于特大型電動振動臺(例如推力F＞40T)，關鍵在于保持腔內冷卻介質8的工作壓力在0.1MP左右。密封腔體的材料應采用耐腐蝕的順磁體或者是工程塑料等，以免改變磁場的方向以及磁場強度。
其它結構與實施例一相同，這里不再重復描述。
上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，由冷卻介質和循環冷卻回路兩部分組成，其特征在于冷卻介質采用沸點為50～60℃的氟碳化合物；循環冷卻回路由冷卻通道、熱交換器、儲液箱、單向閥依次經管道串聯構成，其中，冷卻通道至少由勵磁線圈冷卻通道和驅動線圈冷卻通道并聯構成，驅動線圈冷卻通道為空心驅動線圈的內管，勵磁線圈冷卻通道為空心勵磁線圈的內管或浸泡勵磁線圈的腔體；熱交換器由冷卻水散熱通道和冷卻介質通道構成；儲液箱為一與空氣連通的容器，容器設有冷卻介質進口和出口；儲液箱的介質出口經單向閥連接冷卻通道進口，冷卻通道出口連接熱交換器的冷卻介質通道進口，熱交換器的冷卻介質通道出口連接儲液箱的介質進口，以此構成自循環蒸發冷卻回路。
2.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述冷卻通道還包括并聯的短路環冷卻通道，短路環冷卻通道為設在短路環位置上的管道。
3.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述整個空心驅動線圈管體作為線圈繞組，內管作為一條冷卻通道。
4.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述整個空心驅動線圈分成至少兩段，各段管體串聯構成線圈繞組，各段內管并聯構成冷卻通道。
5.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述整個空心勵磁線圈分成至少兩段，各段管體串聯構成線圈繞組，各段內管并聯構成冷卻通道。
6.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述勵磁線圈整體浸泡在一個密閉腔體中，腔體作為冷卻通道。
7.根據權利要求6所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述密閉腔體外圍設有夾層，夾層中通有冷卻水。
8.根據權利要求1所述的電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，其特征在于所述氟碳化合物選自R-113、FLA、FF31-阿、FF31L之一。
全文摘要
一種電動振動試驗臺蒸發冷卻系統，以沸點為50～60℃的氟碳化合物作為冷卻介質，通過勵磁線圈和驅動線圈(動圈)冷卻通道充入電動振動臺的勵磁線圈和驅動線圈，利用介質沸騰吸收潛熱來冷卻電動振動臺。冷卻介質在勵磁線圈和驅動線圈部位受熱蒸發后不必壓縮即可由熱交換器(冷凝器)冷凝，在常溫條件下經二次冷卻水將熱量散出。吸熱沸騰后的介質改變了密度，利用吸熱量和介質密度的變化，產生壓差，形成自循環動力。因此不需要外加動力，就可使介質在冷卻系統的回路中循環工作，實現電動振動臺的自循環蒸發冷卻。本發明適合于大推力電動振動臺，是一種新型、高效、安全、可靠的冷卻系統，解決了長期以來困擾本領域技術人員的難題。
文檔編號G12B15/02GK1885001SQ200610088169
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月28日 優先權日2006年6月28日
發明者朱江峰, 鐘瓊華 申請人:蘇州試驗儀器總廠