CN103983067A - 智能液氮冷冻机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能液氮冷冻机，包括冷冻管和冷源控制箱，冷源控制箱包括冷源控制箱壳体、控制器和气液混合室，冷源控制箱壳体上设有用于检测气液混合室温度的温度传感器，控制器根据温度控制气液混合室的液氮和氮气输入量，气液混合室的出气管与内管外的冷源介质夹层相通连接。本发明还公开了一种智能液氮冷冻机的控制方法，进气电磁阀的开启时间S和进液电磁阀L的开启时间满足以下条件：Q={(T-t)×S+(t-T)×L}×D，其中，D为电磁阀内径，t为温度传感器的测量温度，T为气液混合室的设定温度，Q为气液混合室的冷气总量。本发明采用输入液氮和氮气并通过气液混合室得到相比液氮压力更高、分布更均匀的低温氮气，能提高冷冻效果和成品质量。

Description

智能液氮冷冻机及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于为管体或条形体提供急速冷冻环境的冷冻机，尤其涉及一种为胶管提供急速冷冻环境的智能液氮冷冻机及控制方法。 

背景技术

工业生产中，某些情况下需要对管体或条形体提供急速冷冻环境，以使产品满足足够的强度要求，确保质量。 

比如，在高压胶管行业，长胶管编织与缠绕过程中出现的擀胶现象是一直困扰生产厂家的问题。为了提高高压胶管的质量，需要在高压胶管生产过程中，对胶管管胚进行急速冷冻，再进行钢丝缠绕和编制。目前，生产厂家通常采用压缩机制冷、干冰制冷等方式来对胶管管胚进行急速冷冻，以解决擀胶问题，这种方式存在冷冻温度不够低、冷冻速度不够快的问题，而且投资成本和运行成本都非常高，后续维护复杂，不利于环保。 

目前也有部分企业采用液氮冷冻机来对胶管管胚进行急速冷冻，比如专利号为“ZL 201320148072.1”、名称为“一种自动控温的高压胶管液氮冷冻装置”的实用新型专利，该装置包括液氮管道、控制系统和冷冻室，所述控制系统包括气动控制阀门、温度传感器、温度控制器、时间控制器；所述液氮管道通过所述气动控制阀门连接所述冷冻室；所述温度传感器连接所述温度控制器；所述温度控制器连接所述时间控制器；所述时间控制器连接所述气动控制阀门；所述温度传感器位于所述冷冻室内。该装置只用到液氮作为冷源，但液氮在冷冻室内的分布均匀性不好控制，所以存在冷冻温度均匀度不高的问题；而且由于液氮对胶管管坯表面的压力很小且不均匀，所以冷源介质对胶管的渗透力不足，降低了冷冻效果，降低了高压胶管的质量。另外，上述冷冻装置也没有对冷冻室的具体结构以及控制方法进行说明，难以实现最佳的冷冻效果。 

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种冷冻温度均匀度高、压力均匀的智能液氮冷冻机及控制方法。 

本发明通过以下技术方案来实现上述目的： 

一种智能液氮冷冻机，包括冷冻管和冷源控制箱，所述冷冻管包括内管，所述内管的中心通孔用作胶管通道，所述内管的管壁上设有多个小孔，所述内管外为冷源介质夹层，所述冷源控制箱的冷源出管与所述冷源介质夹层相通连接；所述冷源控制箱包括冷源控制箱壳体以及安装于所述冷源控制箱壳体内的控制器和气液混合室，所述冷源控制箱壳体上设有氮气进气管、液氮进液管和用于检测所述气液混合室温度的温度传感器，所述氮气进气管的内端和所述液氮进液管的内端分别与所述气液混合室的入口连接，所述气液混合室的出气管为所述冷源控制箱的冷源出管，所述氮气进气管上安装有进气电磁阀，所述液氮进液管上安装有进液电磁阀，所述温度传感器的信号输出端与所述控制器的温度信号输入端连接，所述进气电磁阀的控制输入端和所述进液电磁阀的控制输入端分别与所述控制器的控制输出端连接。

上述结构中，冷源控制箱用于控制输送到内管外的冷源介质夹层和内管内的氮气量和氮气温度，气液混合室用于将液氮和氮气进行混合，实现液氮的气化，从而确保气液混合室送出的为氮气（即使气液混合室送出极少量的液氮，在进入冷源介质夹层后也会气化为氮气），根据液氮输入量的多少不同，最后送出氮气的温度会不同，所以通过对气液混合室内输入液氮量和输入氮气量的控制能够控制冷源控制箱送出的氮气温度和氮气量；控制器、温度传感器、进气电磁阀和进液电磁阀则形成一套自动控制系统，根据检测气液混合室的实时温度，通过进气电磁阀和进液电磁阀实现对气液混合室内输入液氮量和输入氮气量的自动控制。 

优选地，所述冷冻管还包括中管和外管，所述内管与所述中管之间为冷源介质层，所述中管与所述外管之间为真空层，所述外管的管壁上设有真空接口。真空层的设置能尽量减少冷源介质夹层内的冷量流失，以节约成本。 

为了防止在温度变化时拉裂焊缝，所述中管上间隔设有用于补偿热胀冷缩的波纹管。 

为了便于安装控制器及其它部件，所述冷源控制箱壳体内设有隔板，所述隔板的一侧与所述冷源控制箱壳体的内壁形成低温腔，所述气液混合室位于所述低温腔内，所述低温腔内位于所述气液混合室外的空间内填充有橡塑海绵。控制器及其它内部部件安装于隔板的另一侧与冷源控制箱壳体的内壁形成的常温腔体内。 

进一步，所述冷源控制箱壳体上还设有分别与所述控制器对应连接的进气按钮、进液按钮、电源指示灯、进气电磁阀指示灯、进液电磁阀指示灯和液晶显示器。其中，进气按钮和进液按钮用于对进气电磁阀和进液电磁阀进行手动控制，其优先级别高于自动控制，其它指示灯和液晶显示器则用于显示对应的运行状态。 

作为优选，所述内管的管壁上的小孔满足以下条件： 

Δt=(q/d×l)×n，Δt1=Δt2=…=Δtn 

上式中，q为冷源介质夹层的氮气量，d为小孔直径，l为孔间距，n为圆周开孔数量，Δt为孔位温度分布值，Δt根据应用需求而定。这种设计使内管内的氮气分布更加均匀。

一种智能液氮冷冻机的控制方法，所述进气电磁阀和所述进液电磁阀的开启时间满足以下条件： 

Q={(T-t)×S+(t-T)×L}×D

上式中，D为进气电磁阀和进液电磁阀的内径，t为温度传感器的测量温度，T为气液混合室的设定温度，S为进气电磁阀的开启时间，L为进液电磁阀的开启时间，Q为气液混合室的冷气总量，其中，Q根据冷冻所需温度和设备结构确定，为已知数。

本发明的有益效果在于： 

本发明所述智能液氮冷冻机采用输入液氮和氮气两种不同温度的冷源介质，并通过气液混合室得到温度比一般氮气低但比液氮高的氮气，在满足零下一百多摄氏度的低温冷冻要求的前提下，采用相比液氮压力更高、分布更均匀的氮气与被冷冻物件如胶管管坯的表面接触，使被冷冻物件各部位表面温度均匀，其温度均匀度能达到正负3℃，同时氮气具有足够的渗透力，提高了冷冻效果和被冷冻物件成品质量；本发明所述控制方法能够根据气液混合室的温度自动控制进气电磁阀和进液电磁阀的开启时间，确保气液混合室送出的氮气温度和流量满足冷冻需求。本发明尤其适用于高压胶管的冷冻硬化，能有效解决编织和缠绕过程中出现的擀胶现象，同时不会对胶管产生任何副作用。

附图说明

图1是本发明所述智能液氮冷冻机的局剖主视结构示意图，图中下部的冷冻管为轴向剖视效果，上部的冷源控制箱为主视效果； 

图2是本发明所述智能液氮冷冻机去掉温度传感器后的立体结构示意图；

图3是本发明所述智能液氮冷冻机去掉温度传感器后的主视结构示意图；

图4是本发明所述智能液氮冷冻机去掉温度传感器后的俯视结构示意图，图中示出了冷源控制箱的内部结构；

图5是本发明所述智能液氮冷冻机去掉温度传感器后的左视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明： 

如图1-图5所示，本发明所述智能液氮冷冻机包括冷冻管24和冷源控制箱1，冷冻管24包括内管17、中管16和外管14，内管17的中心通孔21用作胶管通道，内管17的管壁上设有多个用于输送氮气的小孔20，内管17与中管16之间为冷源介质层19，中管16与外管14之间为真空层15，外管14的管壁上设有真空接口23，中管16上间隔设有用于补偿热胀冷缩的波纹管18；冷源控制箱1包括冷源控制箱壳体（图中未标记）以及安装于冷源控制箱壳体内的控制器27和气液混合室25，冷源控制箱壳体内设有隔板26，隔板26的一侧与冷源控制箱壳体的内壁形成低温腔28，气液混合室25位于低温腔28内，低温腔28内位于气液混合室25外的空间内填充有橡塑海绵（图中未示出），控制器27及其它内部部件安装于隔板26的另一侧与冷源控制箱壳体的内壁形成的常温腔体（图中未标记）内，冷源控制箱壳体上设有氮气进气管10、液氮进液管12和用于检测气液混合室25温度的温度传感器6，氮气进气管10的内端和液氮进液管12的内端分别与气液混合室25的入口连接，气液混合室25的出气管13为冷源控制箱1的冷源出管且与冷源介质夹层19相通连接，氮气进气管10上安装有进气电磁阀9，液氮进液管12上安装有进液电磁阀11，温度传感器6的信号输出端与控制器27的温度信号输入端连接，进气电磁阀9的控制输入端和进液电磁阀11的控制输入端分别与控制器27的控制输出端连接。

如图1-图3所示，冷源控制箱壳体上还设有分别与控制器27对应连接的进气按钮7、进液按钮5、电源指示灯3、进气电磁阀指示灯2、进液电磁阀指示灯8和液晶显示器4。其中，进气按钮7和进液按钮5用于对进气电磁阀9和进液电磁阀11进行手动控制，其优先级别高于自动控制，其它指示灯和液晶显示器4则用于显示对应的运行状态。 

图1-图5中还示出了安装于冷冻管24两端的法兰22，图4还示出了用于安装温度传感器的安装孔29。 

结合图1，内管17的管壁上的小孔20满足以下条件： 

Δt=(q/d×l)×n，Δt1=Δt2=…=Δtn 

上式中，q为冷源介质夹层19的氮气量，d为小孔20的直径，l为孔间距，n为圆周开孔数量，Δt为孔位温度分布值，Δt根据应用需求而定。

结合图1和图4，本发明所述智能液氮冷冻机的控制方法中，进气电磁阀9和进液电磁阀11的开启时间满足以下条件： 

Q={(T-t)×S+(t-T)×L}×D

上式中，D为进气电磁阀9和进液电磁阀11的内径，t为温度传感器6的测量温度，T为气液混合室25的设定温度，S为进气电磁阀9的开启时间，L为进液电磁阀11的开启时间，Q为气液混合室25的冷气总量，其中，Q根据冷冻所需温度和设备结构确定，为已知数。

结合图1-图5，使用时，通过法兰22将冷冻管24与其它被冷冻物件输送设备连接，将氮气进气管10、液氮进液管12和真空接口23分别外接氮气源、液氮源和真空泵，启动冷源控制箱1后，控制器27根据预定控制方法控制进气电磁阀9和进液电磁阀11的通断时间，液氮和氮气均进入气液混合室25内进行混合，混合后，液氮气化并形成温度高于液氮并低于输入氮气的低温氮气，氮气经气液混合室25的出气管13送到冷源介质夹层19内，再经小孔20进入内管17内。在内管17内充满低温氮气后，被冷冻物件如胶管管坯匀速通过内管17的中心通孔21，低温氮气与被冷冻物件的表面均匀接触并保持均衡压力，被冷冻物件急速冷冻实现硬化，不会出现擀胶现象，同时不会产生任何副作用。 

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，比如：真空层15可以用其它保温层代替；波纹管18也可以用其它用于补偿热胀冷缩的温度补偿器代替；低温腔28内也可不填充橡塑海绵，而采用真空隔热结构；只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。 

Claims (7)

1.一种智能液氮冷冻机，包括冷冻管和冷源控制箱，所述冷冻管包括内管，所述内管的中心通孔用作胶管通道，所述内管的管壁上设有多个小孔，所述内管外为冷源介质夹层，所述冷源控制箱的冷源出管与所述冷源介质夹层相通连接；其特征在于：所述冷源控制箱包括冷源控制箱壳体以及安装于所述冷源控制箱壳体内的控制器和气液混合室，所述冷源控制箱壳体上设有氮气进气管、液氮进液管和用于检测所述气液混合室温度的温度传感器，所述氮气进气管的内端和所述液氮进液管的内端分别与所述气液混合室的入口连接，所述气液混合室的出气管为所述冷源控制箱的冷源出管，所述氮气进气管上安装有进气电磁阀，所述液氮进液管上安装有进液电磁阀，所述温度传感器的信号输出端与所述控制器的温度信号输入端连接，所述进气电磁阀的控制输入端和所述进液电磁阀的控制输入端分别与所述控制器的控制输出端连接。

2.根据权利要求1所述的智能液氮冷冻机，其特征在于：所述冷冻管还包括中管和外管，所述内管与所述中管之间为冷源介质层，所述中管与所述外管之间为真空层，所述外管的管壁上设有真空接口。

3.根据权利要求2所述的智能液氮冷冻机，其特征在于：所述中管上间隔设有用于补偿热胀冷缩的波纹管。

4.根据权利要求1所述的智能液氮冷冻机，其特征在于：所述冷源控制箱壳体内设有隔板，所述隔板的一侧与所述冷源控制箱壳体的内壁形成低温腔，所述气液混合室位于所述低温腔内，所述低温腔内位于所述气液混合室外的空间内填充有橡塑海绵。

5.根据权利要求1或4所述的智能液氮冷冻机，其特征在于：所述冷源控制箱壳体上还设有分别与所述控制器对应连接的进气按钮、进液按钮、电源指示灯、进气电磁阀指示灯、进液电磁阀指示灯和液晶显示器。

6.根据权利要求1所述的智能液氮冷冻机，其特征在于：所述内管的管壁上的小孔满足以下条件：

Δt=(q/d×l)×n，Δt1=Δt2=…=Δtn 

上式中，q为冷源介质夹层的氮气量，d为小孔直径，l为孔间距，n为圆周开孔数量，Δt为孔位温度分布值。

7.一种如权利要求1所述的智能液氮冷冻机的控制方法，其特征在于：所述进气电磁阀和所述进液电磁阀的开启时间满足以下条件：

Q={(T-t)×S+(t-T)×L}×D

上式中，D为进气电磁阀和进液电磁阀的内径，t为温度传感器的测量温度，T为气液混合室的设定温度，S为进气电磁阀的开启时间，L为进液电磁阀的开启时间，Q为气液混合室的冷气总量，其中，Q根据冷冻所需温度和设备结构确定，为已知数。