CN104534811A - 低温液态流体制取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温液态流体制取装置，包括制冷机，还包括进气管、气流挡板和低温容器；制冷机的二级冷头位于制冷机的一级冷头下方，一级冷头和二级冷头连接处的外侧设有气流挡板，低温容器套设在一级冷头、二级冷头和气流挡板的外侧；低温容器、一级冷头和气流挡板围成的空间为一级冷头预冷腔，低温容器、二级冷头和气流挡板围成的空间为二级冷头预冷腔，气流挡板上设有通气口，通气口连通一级冷头预冷腔和二级冷头预冷腔；进气管与一级冷头预冷腔连通，二级冷头的下方设有冷凝器。本发明用冷头对冷头预冷腔中的气体直接制冷，致冷方式更直接，不会产生冷头间的热短路，装置的致冷效果好，低温液态流体在单位时间内的产量高。

Description

低温液态流体制取装置

技术领域

本发明涉及低温制备技术领域，更具体地说，涉及一种低温液态流体制取装置。

背景技术

随着物理学在现代科学技术中的发展和应用，试验和制备技术也随之得到了扩展和延伸，其中低温技术是现代物理学试验和应用的重要基础之一，很多试验和材料制备需在低温下才能进行，例如在超低温、超高压、强磁场等环境的实验研究。在低温环境下才能工作的超导体和高真空超低温环境下工作的空间探测装置都离不开低温技术的支撑。另一方面，装有超导磁体线圈的磁共振成像装置逐渐普及，也增加了对低温技术的依赖。所以，不论是物理学的研究，还是材料制备环境等方面，低温技术已经成为现代科技发展的重要基础。

低温流体为通过低温技术将气体凝结后得到具有流动性的液体。低温流体的标准沸点通常低于120K，例如空气、氧、氮、氩、氖、氢、氦等。低温流体的制取一般采用标准的大型和中型制冷机才能达到高效、低成本的目的，但这种大型和中型的制冷机不适用于低温流体的小规模用量场合。

以现有技术中液氦的液化装置为例，实验室小型低温实验装置的液氦每天挥发率不超过数升，如果配备中型和大型制冷机，按最小液化率20升每小时计算，每天将剩余300至400升液氦，而且制冷设备占地面积大、维护复杂，操作需要专门技术人员。除此之外，还需配备与上述设备相匹配的大型液氦储存容器，液氦的损耗量远远大于实际用量。所以，在实验室和小规模生产环境配备标准的液化器，对于人力和财力都是一种额外的损耗和浪费。

所以，小规模试验和生产环境应当配备小型的液化器进行液化。现有的小型液化器制取低温液态流体时，一般是利用盘管和小型制冷机发生热交换的，即气体是经过盘绕在冷头上的盘管通入液化器，并通过盘管与制冷机冷头间接发生热交换的。由于盘管直接连接一级冷头和二级冷头，会导致一级冷头和二级冷头的热短路。由于两级冷头所在的工作温区不同，二级冷头的冷凝功率会因热短路而下降，最终导致该制冷方式的制冷效率降低，进而导致液态流体产量降低。

综上所述，如何提高小型制冷机低温液态流体制取装置的制取效率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温液态流体制取装置，该装置可以显著提高低温液态流体制取装置的制取效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低温液态流体制取装置，包括制冷机，还包括进气管、气流挡板和低温容器；

所述制冷机的二级冷头位于所述制冷机的一级冷头下方，所述一级冷头和所述二级冷头相连接处的外侧设有气流挡板，所述低温容器套设在所述一级冷头、所述二级冷头和所述气流挡板的外侧；

所述低温容器、所述一级冷头和所述气流挡板围成的空间为一级冷头预冷腔，所述低温容器、所述二级冷头和所述气流挡板围成的空间为二级冷头预冷腔，所述气流挡板上设有通气口，所述通气口连通所述一级冷头预冷腔和所述二级冷头预冷腔；

所述进气管与所述一级冷头预冷腔连通，所述二级冷头的下方设有冷凝器。

优选地，还包括贮液罐，所述冷凝器位于所述贮液罐的顶部。

优选地，所述贮液罐和真空容器之间还设有冷屏，所述冷屏作为所述制冷机一级冷头的负载与所述制冷机热连接。

优选地，所述一级冷头预冷腔内设有阻滞气体强烈对流的填充物。

优选地，所述填充物为高分子织物。

优选地，所述通气口在所述气流挡板上对称设置。

优选地，所述通气口的面积为1至100平方毫米。

优选地，所述进气管上安装有进气控制阀门和压力传感器，用于控制由所述进气管导入的所述气体气压为一定值，该定值的范围为0.101兆帕至0.150兆帕。

优选地，所述制冷机的个数为两个或多于两个，所有所述制冷机在传热意义上并联连接。

本发明所提供的一种低温液态流体制取装置中，由一级冷头、低温容器和气流挡板围成的空间为一级冷头预冷腔，由二级冷头、低温容器和气流挡板围成的空间为二级冷头预冷腔。进气管与一级冷头预冷腔相连通，可将气体通入一级冷头预冷腔，用一级冷头预冷腔中的一级冷头对该气体直接进行冷却，相应地，当气体通入二级冷头预冷腔后，是由二级冷头直接对该气体进行冷却。比起现有技术中一级冷头和二级冷头分别与盘管进行热交换，从而间接对盘管中的气体进行冷却的方法，本发明所提供的装置对气体的冷却方式更直接，而且不会引起一级冷头和二级冷头的热短路，整个装置的制冷效果好，制液效率高，低温液态流体的单位时间产量高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供一种低温液态流体制取装置具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种低温液态流体制取装置，该装置可以显著提高低温液态流体制取装置的制取效率。

请参考图1，图1为本发明所提供一种低温液态流体制取装置具体实施例的结构示意图。

本发明所提供的低温液态流体制取装置主要包括制冷机1、进气管2、气流挡板6和低温容器12。

制冷机1的二级冷头位于制冷机1的一级冷头下方，两级冷头的工作温区不同，一级冷头用于对气体进行初步冷却，二级冷头用于对气体进行进一步的冷却及冷凝。一级冷头和二级冷头连接处的外侧设有水平放置的气流挡板6，气流挡板6套在该连接处，与该连接处紧密连接。

低温容器12为一个桶状的器皿，套设在一级冷头、二级冷头和气流挡板6的外侧，气流挡板6与低温容器12紧密接触，并将低温容器12的内部空间分隔为两部分；低温容器12、一级冷头和气流挡板6围成的腔体空间称为一级冷头预冷腔5，低温容器12、二级冷头和气流挡板6围成的腔体空间称为二级冷头预冷腔7。

在气流挡板6上设有若干通气口，该通气口为直径较小的通孔，连通了一级冷头预冷腔5和二级冷头预冷腔7。该气流挡板6结合一级冷头和二级冷头形成不同的预冷腔，并用于限制气体由一级冷头预冷腔5进入二级冷头预冷腔7的速度，使气体能在一级冷头预冷腔5内充分的冷却，保证冷却效果。

进气管2与一级冷头预冷腔5的上部连通，用于将气体通入一级冷头预冷腔5。一级冷头预冷腔5中设置有制冷机1的一级冷头，用于对气体进行初步冷却。

可选地，在进气管2上安装进气控制阀门3，并在进气控制阀门3和一级冷头预冷腔5之间安装压力传感器4，用于控制进气管2导入一级冷头预冷腔5的气体气压稳定在一个定值，该定值气压范围在0.101兆帕至0.150兆帕。

二级冷头预冷腔7连接在一级冷头预冷腔5的正下方，有助于使一级冷头预冷腔5内温度较低的气体冷却后下沉进入二级冷头预冷腔7。

可选地，二级冷头预冷腔7也可以在一级冷头预冷腔5的斜下方。

可选地，气流挡板6上的通气口设置在气流挡板6对称的位置上，每个通气口面积的范围由1至100平方毫米。

可选地，在一级冷头预冷腔5内设有阻滞气体的填充物。该填充物在一定程度上阻止进气口气流的扰动，使一级冷头预冷腔5内的气体保持一个稳定的温度梯度。例如在本实施例中，选用高分子织物作为该填充物，可以使一级冷头预冷腔5内的气体在腔内保持上热下冷的温度梯度，保证即将进入二级冷头预冷腔7的气体已经与一级冷头充分换热，且不会因进气管2处流入的常温气体的扰动而产生温升。可选地，也可以选用除高分子织物外的其他具有阻滞气体作用且导热系数小的填充物。

在二级冷头的下方设置有冷凝器8，用于将二级冷头预冷腔7中已充分冷却的气体进行冷凝，最终形成液体。

可选地，冷凝器8的下方设置贮液罐9，冷凝后的液体将流入贮液罐9中。

可选地，采用其他储存设备对低温液体进行存储，或者在冷凝器8的下方设置引流设备等，例如液体出口13，用于对液态流体进行引流或其他操作，根据装置的使用需求进行调整。

可选地，在贮液罐9和真空容器11之间还设有冷屏10，冷屏10作为制冷机1一级冷头的负载与制冷机1热连接，用来阻止外界的热辐射，起到隔绝辐射传热的作用。同样，真空容器11维持壳体内部的低真空，起到防止对流传热的作用。

可选地，上述装置中制冷机1的个数也可以为两个或者多个，制冷机的个数为两个或者多个时，所有制冷机1在传热意义上并联连接，通过增加制冷机1的方法可以增加单位时间液态流体产量。

可选地，上述制冷机1的类型包括G-M型制冷机、斯特林型制冷机或脉冲管型制冷机。

上述制冷机1可用于对多种气体进行液化处理，用于得到气体的低温液体状态，如氦气、氢气、氖气、氮气、氩气、氧气、甲烷和天然气等气体。

本实施例所提供的低温液态流体制取装置的使用过程如下，以制取氦气为例：

首先，将氦气从高压气瓶或储气装置中引入减压阀，减压阀设定为0.11兆帕至0.15兆帕之间的某一定值，然后使氦气通入进气管2，并进入进气控制阀门3，氦气通过进气控制阀门3后，通过安装在进气管2上的压力传感器4，进气控制阀门3通过对气体压力传感器4测量信号的反馈，将一级冷头预冷腔5内的压强控制在0.101兆帕至0.150兆帕范围内的一个定值；

接着，氦气进入一级冷头预冷腔5后，与一级冷头进行热交换，氦气温度逐渐降低，降温后的氦气因密度降低而下沉，在高分子织物的作用下，在一级冷头预冷腔5内形成一个具有上热下冷温度梯度的气团；

然后，初步冷却的氦气通过气流挡板6上的通气孔进入到二级冷头预冷腔7，氦气在二级冷头预冷腔7内与二级冷头对流换热，从而继续降温，并积累一定量的低温氦气气体；

最后，氦气因持续降温，体积减小并下沉，与设置在二级冷头预冷腔7下方的冷凝器8接触，最终得到液化，液体流入贮液罐9中，完成液化过程。

本实施例所提供的一种低温液态流体制取装置的进气管2与一级冷头预冷腔5相连通，将气体通入一级冷头预冷腔5，用一级冷头预冷腔5中的一级冷头对该气体直接进行冷却，相应地，当气体通入二级冷头预冷腔7后，也是由二级冷头直接对该气体进行制冷。相比起现有技术中一级冷头和二级冷头分别与盘管进行热交换，从而间接对盘管中的气体进行冷却的方法，本发明所提供的装置冷却方式更直接，而且不会引起一级冷头和二级冷头的热短路，整个装置的制冷效果好，制液效率高，低温液态流体的产量高。

本发明所提供的低温液态流体制取装置主要用于小型液化装置或小型液化环境中，在该环境中本发明提供的装置能够体现较为突出的气体冷凝效果，低温液态流体的产量得到大幅度提高。

以上对本发明所提供的一种低温液态流体制取装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低温液态流体制取装置，包括制冷机(1)，其特征在于，还包括进气管(2)、气流挡板(6)和低温容器(12)；

所述制冷机(1)的二级冷头位于所述制冷机(1)的一级冷头下方，所述一级冷头和所述二级冷头相连接处的外侧设有气流挡板(6)，所述低温容器(12)套设在所述一级冷头、所述二级冷头和所述气流挡板(6)的外侧；

所述低温容器(12)、所述一级冷头和所述气流挡板(6)围成的空间为一级冷头预冷腔(5)，所述低温容器(12)、所述二级冷头和所述气流挡板(6)围成的空间为二级冷头预冷腔(7)，所述气流挡板(6)上设有通气口，所述通气口连通所述一级冷头预冷腔(5)和所述二级冷头预冷腔(7)；

所述进气管(2)与所述一级冷头预冷腔(5)连通，所述二级冷头的下方设有冷凝器(8)。

2.根据权利要求1所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，还包括贮液罐(9)，所述冷凝器(8)位于所述贮液罐(9)的顶部。

3.根据权利要求2所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述贮液罐(9)和真空容器(11)之间还设有冷屏(10)，所述冷屏(10)作为所述制冷机(1)一级冷头的负载与所述制冷机(1)热连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述一级冷头预冷腔(5)内设有阻滞气体强烈对流的填充物。

5.根据权利要求4所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述填充物为高分子织物。

6.根据权利要求5所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述通气口在所述气流挡板(6)上对称设置。

7.根据权利要求6所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述通气口的面积为1至100平方毫米。

8.根据权利要求4至7任一项所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述进气管(2)上安装有进气控制阀门(3)和压力传感器(4)，用于控制由所述进气管(2)导入的所述气体气压为一定值，该定值的范围为0.101兆帕至0.150兆帕。

9.根据权利要求8所述的低温液态流体制取装置，其特征在于，所述制冷机(1)的个数为两个或多于两个，所有所述制冷机(1)在传热意义上并联连接。