CN105498566A - 气液两相流混合式低温氮气射流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开气液两相流混合式低温氮气射流发生装置。该装置包括自增压液氮供给系统、耐高压低温软管、往复式低温增压泵、常温氮气供给系统、耐高压常温软管、内混腔、截留阀、三通阀和喷嘴。自增压液氮供给系统输出低压液氮，经往复式低温增压泵增压后输出高压液氮，然后输出高压液氮至内混腔。常温氮气供给系统输出常温高压氮气并输送高压氮气至内混腔；高压液氮与常温高压氮气在内混腔中形成低温氮气，低温氮气输送至三通阀与喷嘴而形成低温氮气射流。本发明通过控制低温液氮与常温氮气的流量及其比例，可实现低温氮气射流的温度在室温~-196℃范围内可调，射流压力和射流流量可调。

Description

气液两相流混合式低温氮气射流发生装置

技术领域

本发明涉及低温气体发生装置，尤其涉及气液两相流混合式低温氮气射流发生装置。

背景技术

进入21世纪，以精密、高效、低成本、绿色为特征的先进切削技术，如高速切削、高效切削、高性能切削、强力复合切削等，正在世界范围内得到推广应用。然而，在切削过程中，刀/工摩擦接触区的高温、高压、高频冲击等对刀具性能提出了严峻考验，刀具的急剧磨损往往是制约先进切削技术应用的关键性因素。大量的研究与应用实例表明，合理有效的冷却润滑方式，以改善刀/工摩擦状态和抑制刀具磨损，从而提高加工质量和加工效率。

应用与切削加工的冷却润滑技术有多种分类，根据切削介质施加方式的不同，可以分为：外喷式冷却润滑（外冷）和内喷式冷却润滑（内冷）；根据切削介质状态的不同，可以分为：气体冷却，液体冷却润滑，固体润滑，以及气（汽）液、气固、液固、气液固多态混合冷却润滑等；根据切削介质作用时的温度，又可以分为：高温、常温、低温、超低温等冷却润滑；而根据切削介质中液体切削介质使用量的多少，切削加工又可分为：干式切削，微量润滑（MQL）切削，喷雾切削以及采用大流量切削液冷却润滑的湿式切削等。已有研究表明，对于钛合金、高温合金、高强度钢等难加工材料的切削加工，采用低温切削技术（低温冷风、低温MQL、液氮浇注、低温二氧化碳等）可以有效降低切削区的温度，改善刀/工摩擦接触状态，因而能够有效延长刀具寿命和改善已加工表面质量。其中，以液氮、氮气、低温氮气、氮气MQL以及低温氮气MQL等为切削介质加工钛合金等化学活性较高的难加工材料，切削介质的冷却、润滑、排屑以及隔氧保护等作用效果十分显著。如美国洛克希德·马丁公司与MAG公司合作，开发了一种面向钛合金高效加工的低温切削工艺技术,将温度为-196℃的液氮输送到距加工剪切面不到1mm处，充分冷却切削区及刀片，据报道刀具寿命可延长10倍。

虽然氮气来源丰富，但向切削区喷射温度、压力以及流量均可调的低温氮气射流或液氮却十分困难。多年来，在低温气体发生装置研发领域，相继涌现了多种发明与创新，在制冷方法方面，如化学制冷、使用低沸点介质的直接或间接冷却、涡流管直接制冷、空气绝热膨胀直接制冷、循环压缩式间接制冷、半导体制冷等。

在发明专利申请方面，CN00813690.4提出了一种采用化学方式以获得低温氮气的发声方法与发生器，但该方法与装置难以用于切削加工过程冷却，且制气过程并不绿色环保；CN200510057344.7提出了一种利用专用制冷装置冷却常温氮气以获得低温氮气的方法，但该方法制冷效果差，且低温气体射流管道容易结冰堵塞，不具备实用性；CN200710022439.4与CN201010547692.3分别提出了一种循环式超低温冷风机和一种低温冷风双级制冷及其冷风射流机，但上述两种方法产生的冷风温度均仅能达到-60℃；CN201110152095.5提出了一种低温气体供气装置，其利用低温液体常温气化成常温气体，再将常温气体通过蛇形管道浸泡在低温液体中实施冷却以获得低温气体射流的方法，可获得-150℃的低温气体，但该装置的起源来自于低温液体自身吸热气化，因而低温气体射流的温度、流量以及压力很难实现协调控制。

在实现用新型专利申请方面，CN200620094982.6提出了一种低温冷风装置，通过鼓风机将环境空气加压后通过送风管吹响液氮表面，对液氮实施扰动，以获得氮和空气混合物，实现低温供气气源，该方法产生的低温气体压力与温度控制难度高，很难实现超低温射流，且主要用于地理地质环境模拟高寒气候的场合，无法用于切削过程冷却润滑；CN201020220174.6与CN201020611043.0分别提出了一种用于金属磨削加工过程中的低温冷风发生装置和一种自动调温低温冷风射流机，上述两种制冷装置的核心是均是利用蒸汽循环压缩制冷，因而制冷效果有限；CN201320088413.0提出了一种低温加工用低温氮气供气系统，将液氮气化产生的-196℃低温氮气通过恒温器加热至预期温度，以实现温度可控的低温氮气射流，但对低温氮气预热以获得预期低温氮气射流的方法并不可取，且无法实现对温度、压力、流量的协调控制。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术无法对低温气体射流的温度、流量以及压力很难实现协调控制的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，该装置包括自增压液氮供给系统、耐高压低温软管、往复式低温增压泵、常温氮气供给系统、耐高压常温软管、内混腔、截留阀、三通阀和喷嘴，其中，所述自增压液氮供给系统通过耐高压低温软管连接于往复低温增压泵的入口，产生低压液氮并通过耐高压低温软管输送给往复式低温增压泵；所述往复式低温增压泵对低温液氮增压而产生高压液氮并通过出口输出高压液氮至内混腔；所述常温氮气供给系统通过耐高压常温软管连接于内混腔，产生常温高压氮气，输出该常温高压氮气至内混腔；所述内混腔与所述截留阀、三通阀和喷嘴串联，混合所述常温高压氮气和高压液氮而产生低温氮气，该低温氮气在所述截留阀和三通阀打开的状态下通过所述喷嘴向外喷出低温氮气射流。

在进一步方案中，所述自增压液氮供给系统由存储有液氮的自增压液氮罐、增压阀、放空阀、安全泄压阀、压力表和进/排液截止阀构成，其中，所述增压阀连接于自增压液氮罐，所述放空阀连接于增压阀和自增压液氮罐，所述安全泄压阀连接于压力表和自增压液氮罐，所述进/排液截止阀连接于所述自增压液氮罐和所述耐高压低温软管。

在进一步方案中，所述常温氮气供给系统由存储有常温高压氮气的氮气瓶、压力表和进/排气截止阀构成，该进/排气截止阀通过连接有压力表的管路连接于所述氮气瓶。

在进一步方案中，所述内混腔由高压液氮入口组件、常温高压氮气入口组件、左端盖、气液通道盘、缸体、右端盖和低温氮气出口组件构成，其中，所述高压液氮入口组件连接于往复式低温增压泵的出口和所述左端盖且具有高压液氮进入通道，所述常温高压氮气入口组件连接于常温氮气供给系统和所述左端盖且具有高压氮气进入通道，所述左端盖具有连通所述高压氮气进入通道的气体容纳腔且连接于所述气液通道盘，所述气液通道盘具有连通所述高压液氮进入通道的液氮通道和连通所述气体容纳腔的斜向氮气通道，该斜向氮气通道相对于液氮通道倾斜且与液氮通道轴线相交，所述左端盖、气液通道盘、缸体和右端盖围成空腔且所述低温氮气出口组件与该空腔相通。

在进一步方案中，所述斜向氮气通道相对于液氮通道的倾角范围是30~45^o。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明利用低温液氮与常温氮气的气液两相流混合物理降温方式，实现低温氮气射流的生成，通过控制低温液氮与常温氮气的流量及其比例，可实现低温氮气射流的温度在室温~-196℃范围内可调，射流压力≥0.6MPa、可调，射流流量可调。因此，可以满足对氮气射流的温度、压力以及流量有大范围变化需求或特定需求的工况场合。

（2）本发明采用往复式低温泵对自增压液氮罐中输出的低压液氮进行增压，可以避免内混腔中液氮气化后形成的低温高压氮气，因压力增大而使得液氮输送不稳定，进而影响低温氮气射流的温度、压力以及流量控制。

（3）本发明内混腔中的气液通道盘采用三通道气液通道盘结构，单一液氮通道居中间，斜向氮气通道分列两侧并与液氮通道轴线相交，可使得液氮与常温氮气充分接触、混合，瞬时形成低温氮气射流，因而低温氮气射流的生成时间快。

（4）本发明中的常温高压氮气起源亦可更换成常温高压空气，与液氮混合后亦可形成低温气体射流，低温气体射流输出后置部分可采用单通道喷嘴或双通道喷嘴对目标区域进行冷却，亦可结合微量润滑形成低温微量润滑。因此，应用灵活性大，实用性高。

（5）本发明结构简洁、操作便利、功能齐全、工作可靠、可调性高，可用于钛合金、高温合金、高强度钢等难加工材料切削加工中的冷却润滑，亦可应用于其它一些需要低温氮气射流的工业作业，且施加过程绿色环保。

附图说明

图1是本发明气液两相流混合式低温氮气射流发生装置的结构示意图；

图2是图1所述的发生装置的内混腔的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1,，本发明气液两相流混合式低温氮气射流发生装置包括自增压液氮供给系统1、耐高压低温软管2、往复式低温增压泵3、常温氮气供给系统4、耐高压常温软管5、干燥过滤器6、内混腔7、压力表8、截留阀9、三通阀10和喷嘴11。

请继续参阅图1，所述自增压液氮供给系统1通过耐高压低温软管2连接于往复低温增压泵3的入口，产生低压液氮（≤0.1MPa）并通过耐高压低温软管2输送给往复式低温增压泵3，在本实施方式中，自增压液氮供给系统1由存储有液氮的自增压液氮罐19、增压阀20、放空阀21、安全泄压阀22、压力表23、进/排液截止阀24构成，其中，所述增压阀20连接于自增压液氮罐19，所述放空阀21连接于增压阀20和自增压液氮罐19，所述安全泄压阀22连接于压力表23和自增压液氮罐19，所述进/排液截止阀24连接于所述自增压液氮罐19和所述耐高压低温软管2，其产生低压液氮的过程如下：关闭放空阀21，旋松增压阀20，自增压液氮罐中19的表层液氮会瞬时气化并形成压力环境，此时观测压力表23，当压力指示满足要求时旋松进/排液截止阀24，即可输出一定压力和流量的低压液氮。其中，当自增压液氮罐中19中的压力高于许可容限时，安全阀22可起到泄流保护作用。

请继续参阅图1，所述往复式低温增压泵3对低温液氮增压而产生高压液氮（≥0.6MPa）并通过出口输出高压液氮至内混腔7。所述常温氮气供给系统4通过耐高压常温软管5连接于内混腔7（在本实施方式中，通过耐高压常温软管5和干燥过滤器6连接于内混腔7，产生常温高压氮气（≥0.6MPa），输出该常温高压氮气至内混腔7，在本实施方式中，常温氮气供给系统4由存储有常温高压氮气的氮气瓶25、压力表26和进/排气截止阀27构成，其中，进/排气截止阀27通过连接有压力表26的管路连接于所述氮气瓶25，其产生常温高压氮气的过程如下：旋松进/排气截止阀27上的阀门，氮气瓶25即可输出常温高压氮气，观测压力表26并通过控制阀门大小以调节输出气体的压力和流量。

请参阅图1和图2，所述内混腔7与所述截留阀9、三通阀10和喷嘴11串联，混合所述常温高压氮气和高压液氮而产生低温氮气，该低温氮气在所述截留阀9和三通阀10打开的状态下通过所述喷嘴11向外喷出低温氮气射流，在本实施方式中，所述内混腔7由高压液氮入口组件12、常温高压氮气入口组件13、左端盖14、气液通道盘15、缸体16、右端盖17和低温氮气出口组件18构成，其中，所述高压液氮入口组件12连接于往复式低温增压泵3的出口和所述左端盖14且具有高压液氮进入通道121，所述常温高压氮气入口组件13连接于常温氮气供给系统4和所述左端盖14且具有高压氮气进入通道131，所述左端盖14具有连通所述高压氮气进入通道131的气体容纳腔141且连接于所述气液通道盘15，所述气液通道盘15具有连通所述高压液氮进入通道121的液氮通道151和连通所述气体容纳腔141的斜向氮气通道152，该斜向氮气通道152相对于液氮通道151倾斜且与液氮通道151轴线相交，所述左端盖14、气液通道盘15、缸体16和右端盖17围成空腔且所述低温氮气出口组件18的排出通道181与该空腔相通。上述内混腔7的输出射流温度（室温~-196℃）、压力（≥0.6MPa）、流量的调节，可通过协调控制增压阀20、进/排液截止阀24、进/排气截止阀27、截止阀9得以实现。本发明内混腔7中的气液通道盘15采用三通道气液通道盘结构，单一液氮通道151居中间，斜向氮气通道152分列两侧并与液氮通道轴线相交，可使得液氮与常温氮气充分接触、混合，瞬时形成低温氮气射流，因而低温氮气射流的生成时间快，更进一步的，所述斜向氮气通道相对于液氮通道的倾角范围是30~45^o，这样，氮气和液氮接触更充分，低温液氮射流的生成时间更快。

在上述方案中，所述自增压液氮供给系统1输出低压液氮（≤0.1MPa），经往复式低温增压泵3增压后输出高压液氮（≥0.6MPa），然后与内混腔7相连；所述常温氮气供给系统4输出常温高压氮气（≥0.6MPa），经干燥过滤器5后与内混腔7相连；高压液氮与常温高压氮气在内混腔7中形成低温氮气，可根据压力表23、压力表26和压力表8的指示，协调控制增压阀20、进/排液截止阀24、进/排气截止阀27和截止阀9，并通过标定试验，进而实现对内混腔7的输出射流温度（室温~-196℃）、压力（≥0.6MPa）、流量的综合调节，由此，本发明提供的低温氮气射流温度在室温~-196℃可调，射流压力≥0.6MPa且可调，流量可调，可用于钛合金、高温合金、高强度钢等难加工材料的切削加工，以实现对切削区的冷却、润滑、排屑以及隔氧保护等作用，且施加过程绿色环保。此外，本发明还可用于其它一些需要低温氮气射流的工业作业。

Claims (5)

1.气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，其特征是：该装置包括自增压液氮供给系统、耐高压低温软管、往复式低温增压泵、常温氮气供给系统、耐高压常温软管、内混腔、截留阀、三通阀和喷嘴，其中，

所述自增压液氮供给系统通过耐高压低温软管连接于往复低温增压泵的入口，产生低压液氮并通过耐高压低温软管输送给往复式低温增压泵；

所述往复式低温增压泵对低温液氮增压而产生高压液氮并通过出口输出高压液氮至内混腔；

所述常温氮气供给系统通过耐高压常温软管连接于内混腔，产生常温高压氮气，输出该常温高压氮气至内混腔；

所述内混腔与所述截留阀、三通阀和喷嘴串联，混合所述常温高压氮气和高压液氮而产生低温氮气，该低温氮气在所述截留阀和三通阀打开的状态下通过所述喷嘴向外喷出低温氮气射流。

2.根据权利要求1所述气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，其特征是：所述自增压液氮供给系统由存储有液氮的自增压液氮罐、增压阀、放空阀、安全泄压阀、压力表和进/排液截止阀构成，其中，所述增压阀连接于自增压液氮罐，所述放空阀连接于增压阀和自增压液氮罐，所述安全泄压阀连接于压力表和自增压液氮罐，所述进/排液截止阀连接于所述自增压液氮罐和所述耐高压低温软管。

3.根据权利要求1所述气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，其特征是：所述常温氮气供给系统由存储有常温高压氮气的氮气瓶、压力表和进/排气截止阀构成，该进/排气截止阀通过连接有压力表的管路连接于所述氮气瓶。

4.根据权利要求1所述气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，其特征是：所述内混腔由高压液氮入口组件、常温高压氮气入口组件、左端盖、气液通道盘、缸体、右端盖和低温氮气出口组件构成，其中，所述高压液氮入口组件连接于往复式低温增压泵的出口和所述左端盖且具有高压液氮进入通道，所述常温高压氮气入口组件连接于常温氮气供给系统和所述左端盖且具有高压氮气进入通道，所述左端盖具有连通所述高压氮气进入通道的气体容纳腔且连接于所述气液通道盘，所述气液通道盘具有连通所述高压液氮进入通道的液氮通道和连通所述气体容纳腔的斜向氮气通道，该斜向氮气通道相对于液氮通道倾斜且与液氮通道轴线相交，所述左端盖、气液通道盘、缸体和右端盖围成空腔且所述低温氮气出口组件与该空腔相通。

5.根据权利要求4所述气液两相流混合式低温氮气射流发生装置，其特征是：所述斜向氮气通道相对于液氮通道的倾角范围是30~45^o。