核热源功率测量装置的冷却及超温保护系统

摘要

本发明涉及一种核热源功率测量装置的冷却及超温保护系统。它由两个冷却系统、单个泵控制单元及两个石蜡蓄热盒组成，每个冷却系统由主泵、次泵、翅片换热器、风扇、冷却液箱、槽道换热器、阀门及管道组成。槽道换热器从敏感装置的康铜薄片吸收热量。主泵从冷却液箱中抽液，冷却液经内槽道换热器收集并带走热量，在翅片换热器处与空气发生强迫对流，将热量排至周围环境。次泵对冷却液流速进行微调。主泵控制器调节泵输入电压，从而调节回路流体流量，控制冷端温度，使系统快速稳定。石蜡蓄热盒利用石蜡相变对测量装置冷端温度进行控制及超温保护。该测量装置的冷却及超温保护系统有效控温以进行热功率测量，保证核热源贮存温度，结构简单可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核热源功率测量装置的冷却及超温保护系统，该系统装置 适用于核热源功率测量装置的冷却及超温保护。

背景技术

核热源利用同位素衰变产热，该热量在较短时间内变化较小，其核同位素 质量消耗少，可在超低温环境下实现电子设备的长期供热和供电，具有广阔的 应用前景。

核热源内部有核同位素燃料，外部有核屏蔽外壳。核热源内部的发热是不 可控的，核热源外部环境对核热源的使用寿命和储存期限有着重要影响。核热 源外表温度在160℃以下，可长期储存，直至核热源内部同位素燃料耗尽；外 表温度大于160℃，小于200℃，其储存时间减小至30天，外表温度大于200 ℃时，其储存时间小于7天，甚至更短。这对核热源测量装置内部形成的温度 环境要求较为苛刻。

同时，对于热工测量来说，通常达到热平衡所持续的时间很长，可达12 小时，甚至更长，因此很难在较短时间内测出核热源的热功率。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种方案，以克服外部环境对核热源表面温度 的影响，同时减短用于核热源功率测量的时间。

本发明的另一个目的，是提供在对核热源的发热功率进行测量时，对核热 源功率测量装置进行控温的解决方案。

本发明的又一个目的，是提供一种核热源功率测量装置的冷却及超温保护 系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种核热源功率测量装置的冷却及超温保 护系统，其特征在于包括：

并联的第一冷却系统和第二冷却系统，

泵控制单元，

分别包括在所述第一冷却系统和第二冷却系统中的第一石蜡蓄热盒和第二 石蜡蓄热盒。

本发明的优点包括：

（1）采用双回路冷端冷却系统、冷却回路闭环主动控制可以有效控制冷端 温度，同时可使核热源热功率测量装置快速达到稳定，缩短核热源热功率测量 的时间；

（2）采用双回路冷端冷却系统闭环主动控制与基于石蜡相变控温材料相结 合的复合型热控制系统，提高了系统的可靠度；

（3）石蜡相变控温材料能够吸收核中子，在此使用石蜡相变蓄热盒，使得 该核热源功率测量装置具有核防护功能。

附图说明

图1根据本发明的一个实施例的核热源功率测量装置的冷却及超温保护系 统的示意图。

图2是槽道换热器的结构示意图。

图3翅片换热器结构示意图。

图4石蜡蓄热盒结构示意图。

附图标号说明

1康铜薄片      100测试洞         101第一冷却系统 102第一主泵

103第一次泵      104第一翅片换热器   105第一风扇  106第一冷却液箱

107第一槽道换热器 108手动调节器                 109第一阀门

110第一管道       201第二冷却系统               202第二主泵

203第二次泵       204第二翅片换热器             205第二风扇

206第二冷却液箱   207第二槽道换热器             209第二阀门

210第二管道       301泵控制单元                 302温度传感器

303温度传感器     304信号转换器                 305泵驱动器

306电源           307控制器                     401第一石蜡蓄热盒

402石蜡                       403第一石蜡蓄热盒外壳

404第一石蜡蓄热盒肋片

405第一石蜡蓄热盒紫铜盖板

501第二石蜡蓄热盒

502石蜡                       503第二石蜡蓄热盒外壳

504第二石蜡蓄热盒肋片         505第二石蜡蓄热盒紫铜盖板

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步阐述。应理解，它们仅是对本发明的 进一步说明，而不是对本发明的限定。

图1是根据本发明的一个实施例的核热源功率测量装置的冷却及超温保护 系统示意图。如图1所示，该系统包括：第一和第二冷却系统101和201、泵 控制单元301、第一和第二石蜡蓄热盒401和501。

第一冷却系统101包括第一主泵102、第一次泵103、第一翅片换热器104、 第一风扇105、第一冷却液箱106、第一槽道换热器107、第一阀门109及第一 管道110。第二冷却系统201包括第二主泵202、第二次泵203、第二翅片换热 器204、第二风扇205、第二冷却液箱206、第二槽道换热器207、第二阀门209 及第二管道210。

进行核热源热功率测量时，将核热源放入测试洞100内，测试洞100的康 铜薄片1洞壁与核热源进行辐射换热，槽道换热器107和207（如图2所示） 从测试洞洞壁的康铜薄片1吸收热量。第一冷却系统101的第一主泵102和第 二冷却系统201的第二主泵202分别从第一冷却液箱106和第二冷却液箱206 中抽取冷却液，冷却液经第一槽道换热器107和第二槽道换热器207时，冷却 液体收集并带走第一槽道换热器107和第二槽道换热器207吸收的热量，在第 一翅片换热器104和第二翅片换热器204（如图3所示）处，与第一风扇105 和第二风扇205驱动的空气发生强迫对流，将热量排至周围环境。手动调节器 108用于调节第一次泵103和第二次泵203的输入电压，从而调节两个冷却系 统内冷却液的流量，进而调节翅片换热器与周围空气的对流换热热量，从而调 节槽道换热器的温度。

如图1所示，泵控制单元301包括温度传感器302和303、信号转换器304、 泵驱动器305、电源306、控制器307。温度传感器302和303采集第一槽道换 热器107和第二槽道换热器207的温度模拟信号，经过信号转换器304将温度 传感器302和303采集到的温度模拟信号转换为温度数字信号传送至控制器 307，预先设置控制器307的控制目标温度；控制器307对目标温度和采集到的 温度进行计算处理，输出低电压（如3伏特）脉冲宽度调制（PWM）控制信号， 该脉冲宽度调制信号输出至泵驱动器305。泵驱动器305将该脉冲宽度调制信 号进行放大调压（放大至如12伏特）处理，输出驱动电压（如12伏特），以对 第一主泵102和第二主泵202进行驱动，从而使第一主泵102和第二主泵202 的输入电压得到调节，此时，因第一主泵102和第二主泵202输入脉冲宽度调 制电压信号的占空比的变化，使得第一主泵102和第二主泵202输出的流体流 量发生改变，从而使冷却系统中的流体流量得到调节。第一冷却系统101中的 第一风扇105和第二冷却系统201中的第二风扇205分别与第一翅片换热器104 和第二翅片换热器204进行对流换热，在第一风扇105和第二风扇205的输出 风量基本不变的情况下，第一冷却系统101中的第一翅片换热器104和第二冷 却系统201中的第二翅片换热器204内的流体流量变化引起第一冷却系统101、 第二冷却系统201的散热热量变化，最终使第一槽道换热器107、第二槽道换 热器207的温度即测量装置的冷端温度被控制到目标温度附近。由于设计了双 回路冷系统和冷却回路的闭环主动控制（冷却系统中存在控制器的系统叫“主 动控制”。而没有控制器，依赖于物质特性（如石蜡相变）进行的控温的叫做“被 动控温”），使核热源热功率测量装置能够迅速达到热平衡状态，缩短了核热源 热功率的时间。

如图4和图1所示，在根据本发明的一个具体实施例中，第一石蜡蓄热盒 外壳403和第二石蜡蓄热盒外壳503的材质为紫铜，内部有材质为紫铜的第一 石蜡蓄热盒肋片404和第二石蜡蓄热盒肋片504，在第一石蜡蓄热盒肋片404 肋片之间放置石蜡402，第二石蜡蓄热盒肋片504肋片之间放置石蜡502，然后 分别用第一石蜡蓄热盒紫铜盖板405和第二石蜡蓄热盒紫铜盖板505焊接密封。 石蜡402、502不填满第一石蜡蓄热盒肋片404和第二石蜡蓄热盒肋片504间空 隙，以免石蜡402、502融化时胀破紫铜壳体。第一石蜡蓄热盒401、第二石蜡 蓄热盒501分别紧贴在第一槽道换热器107、第二槽道换热器207的外壁面上。 在核热源热功率测量过程中，若第一冷却系统101和/或第二冷却系统201故障 失控或控制系统不能达到控制目标，导致第一槽道换热器107和/或第二槽道换 热器207温度超过石蜡402、502的熔点时，石蜡402、502吸收热量，发生相 变融化吸热，从而实现控温和限温保护的功能。由于该第一石蜡蓄热盒401和 第二石蜡蓄热盒501的相变控温作用提高了核热源热功率测量装置的可靠性 能。同时因石蜡材料本身具有吸收核辐射中子的作用，此处采用石蜡蓄热盒 401、501使得该核热源热功率测量装置具备核防护功能。

功率测量时，核热源放入测试洞100内。第一槽道换热器107和第二槽道 换热器207吸收康铜薄片1接收到的辐射热。第一冷却系统101的第一主泵102 和第二冷却系统201的第二主泵202分别从第一冷却液箱106和第二冷却液箱 206中抽取冷却液，冷却液经第一槽道换热器107和第二槽道换热器207收集 并带走第一槽道换热器107和第二槽道换热器207吸收的热量，而后在第一翅 片换热器104和第二翅片换热器204处分别与第一风扇105和第二风扇205驱 动的空气发生强迫对流，将热量排至周围环境。温度传感器302和303分别采 集第一槽道换热器107和第二槽道换热器207的温度，经过信号转换器304转 换后变送至控制器307，进行计算处理后，输出控制信号至泵驱动器305，泵驱 动器305输出驱动电压驱动第一主泵102和第一主泵202，从而第一主泵102 和第二主泵202的输出回路循环流体流量得到调节，第一风扇105和第二风扇 205与第一翅片换热器104和第二翅片换热器204的对流换热量得到调节，最 终第一槽道换热器107和第二槽道换热器207的温度即测量装置冷端温度得到 控制。在热功率测量过程中，若第一冷却系统101和/或第二冷却系统201故障 失控导致第一槽道换热器107和第二槽道换热器207温度超过石蜡402和502 熔点时，石蜡402和502发生相变融化吸热，从而实现控温和限温保护的功能。

本核热源功率测量装置的冷却及超温保护系统能够用于核热源热功率测量 装置的冷端温度的控制和限温保护，冷却回路闭环主动控制与基于石蜡相变控 温材料相结合的复合型热控制系统，不但维持了热功率敏感装置的工作状态， 而且可以在测试过程种有效的将受测核热源的温度保持在理想的贮存条件，不 会因测量过程降低核热源的储存期限和使用寿命，本发明结构简单，性能可靠。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而 非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对 上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。