CN107289327A - 一种多通道控速的液氮缓冲补液装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温技术领域，涉及一种多通道控速的液氮缓冲补液装置。包括缓冲罐以及分别设置在所述缓冲罐的两侧底部的进液管道和出液管道，其中：进液管道一端设置有进液口，用于向缓冲罐引入液氮，另一端与缓冲罐入口相连接；缓冲罐内设置有缓冲挡板，缓冲挡板用于降低高速液氮的流速；缓冲罐顶端设置有排气降压口，排气降压口开口大小可调，用于控制液氮的流速，出液管道一端设置有出液口，用于输出液氮；另一端与缓冲罐出口相连接；出液管道有若干条，实现多通道液氮控速输出，由此解决现有技术对于极低温度的液氮缺乏成熟的缓冲装置和方法，大多依靠人工操作，直接从大型杜瓦罐流出时剧烈且流速不可控、不能持续稳定输出液氮的技术问题。

Description

一种多通道控速的液氮缓冲补液装置
技术领域
本发明涉及低温技术领域，更具体地，涉及一种多通道控速的液氮缓冲补液装置。
背景技术
在常压下，液氮的温度为-196℃，属于制冷剂。液氮由于其温度低，稳定性强，无毒无污染等特点被广泛应用于工业、医疗、生物等诸多领域，例如：迅速冷冻食品，储存和冷冻生物组织，医学实验切除病态组织及冷冻治疗等等。液氮一般储存在容量百升的大型杜瓦罐中，使用液氮时需要将杜瓦罐中的液氮引流到待使用的目标容器中。由于大型杜瓦罐内部压力高，液氮从其中流出时具有压力过大、反应剧烈、流速不可控等特点，无法实现对待使用容器进行稳定补液。对需添加指定容量液氮的待使用容器直接进行补液时，容易造成所添加的液氮超出指定容量，甚至由于液氮流速极快极易导致液氮与容器中非抗低温材料接触而损坏容器。因此需要建立一种液氮缓冲的方法，使得液氮的加液量以及流速均稳定可控。
目前市场上的成套的液体缓冲方法和控速装置绝大多数是针对常温液体，而在液氮-196℃的极低温度下，由于很多固体材料以及电子元器件无法承受这样的低温，因此还没有成熟的液氮缓冲方法与装置的出现。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道控速的液氮缓冲装置，其目的在于通过在缓冲罐内设置缓冲挡板，用于缓冲高速、高压液氮；通过在缓冲罐顶部设置排气降压口，降低缓冲罐内液氮的压力，并通过设置多条出液管道，实现多通道液氮控速输出，由此解决现有技术对于极低温度的液氮缺乏成熟的缓冲装置和方法，大多依靠人工操作，直接从大型杜瓦罐流出时剧烈且流速不可控、不能持续稳定输出液氮的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道控速的液氮缓冲补液装置，包括缓冲罐以及分别设置在所述缓冲罐的两侧底部的进液管道和出液管道，其中：
所述进液管道一端设置有进液口，用于向所述缓冲罐引入液氮，另一端与缓冲罐入口相连接；
所述缓冲罐内设置有缓冲挡板，所述缓冲挡板用于降低高速液氮的流速；所述缓冲罐顶端设置有排气降压口，所述排气降压口处设置有可调阀门，所述可调阀门用于调节排气降压口开口大小；
所述出液管道一端设置有出液口，用于输出液氮；另一端与缓冲罐出口相连接；所述出液管道有若干条，所述若干条出液管道由所述缓冲罐出口引出并分为若干条分支管道，或者由若干个设置在所述缓冲罐上的缓冲罐出口分别各自引出一条出液管道。
优选地，所述缓冲挡板包括第一挡板、第二挡板以及第三挡板，所述第一挡板设置于所述缓冲罐入口附近，且垂直于所述缓冲罐底面，所述第一挡板的上方水平设置有第二挡板，所述第二挡板的一端连接在所述缓冲罐的侧壁上，另一端连接有向下垂直设置的第三挡板；所述第三挡板的底部高于所述缓冲罐出口的高度，且低于所述第一档板顶部的高度。
优选地，所述进液口与所述缓冲罐入口之间、所述缓冲罐出口与所述出液口之间均设置有电控单元，所述电控单元用于实现进液口和出液口的开关控制。
优选地，所述缓冲罐外围设置有隔热夹层，所述隔热夹层内的填充材料为聚氨酯。
优选地，所述缓冲罐为铝合金材质。
优选地，所述缓冲挡板为铝合金材质。
运用上述液氮缓冲补液装置进行液氮缓冲补液的方法，包括如下步骤：
将盛有液氮的容器与进液管道的进液口连接，将需要补液的目标容器与所述出液口连接；通过设置在所述进液管道和所述出液管道上的电控单元，实现液氮缓冲补液的开关控制，使液氮进入缓冲罐，在缓冲罐内缓冲挡板的作用下，高速液氮的流速得以降低，通过调节缓冲罐顶端排气降压口的开口大小，释放缓冲罐内的压力，同时控制从缓冲罐出口流出、进入各出液管道的出液口以及最终进入目标容器内的液氮的流量和流速。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明的多通道控速的液氮缓冲补液装置，包括进液管道、缓冲罐和出液管道，缓冲罐以及其内部设置的缓冲挡板，用于对高速液氮进行缓冲减速，而设置在缓冲罐顶部的排气降压口，开口大小可调，通过调节其开口大小从而对液氮的流速进行控制，出液通道可以设置多个，从而实现分别或者同时对多个目标容器的控速补液。
(2)本发明通过在缓冲罐内设置三块缓冲挡板，通过三次改变液氮流向，局部压力损失使得液氮流速显著降低，达到缓冲效果。
(3)本发明的液氮缓冲补液装置，由于液氮进入缓冲罐以后在缓冲罐内与缓冲罐侧壁或缓冲挡板产生碰撞，挥发的气体会使缓冲罐内压力骤升，通过在缓冲罐顶部设置排气降压口，从而释放缓冲罐内部压力，并可通过调整此排气降压口的大小，来调整缓冲罐内部压力，达到控制液氮流速的目的。
(4)本发明的液氮缓冲补液装置通过采用聚氨酯材料作为缓冲装置的绝热夹层，大大减少容器内部与外部的热交换，减少液氮损耗。
(5)本发明的液氮缓冲补液装置进液口和出液口均设置有电控单元，该电控单元用于实现进液口和出液口的开关控制，无需人工开关操作；而且该电控单元为精心设计挑选的低温电控单元，如低温电磁阀，在液氮温度-197℃仍工作良好。
(6)本发明的液氮缓冲补液装置的出液管道为若干条，可以同时实现多个目标容器的液氮可控速输出补液，提高效率。
(7)本发明的液氮缓冲补液方法操作简单方便，且体积小，便于携带，能够根据需要移动位置，大大减少人工操作，操作更安全，而且实现了持续、稳定、多通道地向目标容器中输出液氮。
附图说明
图1是本发明多通道的液氮缓冲补液装置主视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-进液口；2-缓冲罐；21-缓冲罐入口；22-第一挡板；23-第二挡板；24-第三挡板；25-缓冲罐出口；3-排气降压口；4-出液口；5-电控单元；6-隔热夹层；7-可调阀门。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种多通道控速的液氮缓冲补液装置，该装置包括缓冲罐2以及分别设置在缓冲罐2的两侧底部的进液管道和出液管道，其中：
进液管道一端设置有进液口1，用于向缓冲罐2引入液氮，另一端连接缓冲罐入口21。
缓冲罐2内设置有若干个缓冲挡板，缓冲挡板用于降低高速液氮的流速；作为优选的方案，缓冲挡板包括第一挡板22、第二挡板23以及第三挡板24，第一挡板22设置于缓冲罐入口21附近，且垂直于缓冲罐2底面，第一挡板的上方水平设置有第二挡板23，第二挡板23的一端连接在缓冲罐2的侧壁上，另一端连接有向下垂直设置的第三挡板24；第三挡板24的底部高于缓冲罐出口25的高度，且低于所述第一档板22顶部的高度。缓冲减速原理基于增大液氮的局部压力损失来减少液氮的总动能，通过缓冲挡板多次改变高速液氮的流向，从而大大降低流速。
缓冲罐2顶端设置有排气降压口3，排气降压口3处设置有可调阀门7，可调阀门7用于调节排气降压口3的开口大小。由于液氮进入缓冲罐2以后在缓冲罐2内与缓冲罐2侧壁或缓冲挡板产生碰撞，挥发的气体会使缓冲罐2内压力骤升，通过在缓冲罐2顶部设置排气降压口3，可以释放缓冲罐2内部压力，并可通过调节可调阀门7来调整排气降压口3的开口大小，进而调节缓冲罐2内部压力，达到控制液氮流速的目的。
出液管道包括若干条，出液管道一端设置有出液口4，用于向需要补充液氮的目标容器输出液氮，另一端连接缓冲罐出口25。若干条出液管道由缓冲罐出口25引出并分为若干条分支管道，或者由若干个设置在缓冲罐2上的缓冲罐出口25分别各自引出一条出液管道。
进液口1与缓冲罐入口21之间、缓冲罐出口25与出液口4之间均设置有电控单元5，电控单元5为低温电控单元，比如低温电磁阀，能够在-197℃的温度下正常工作，电控单元用于实现进液口1和出液口4的开关控制。该电控单元5由上位机控制开断通道加液，上位机即计算机，免去了人工操作。
出液通道即补液通道可以为若干条，若干条出液通道分别设置有低温电控单元5，由上位机控制可以同时或分别进行不同通道的补液。
缓冲罐2外围设置有隔热夹层6，该隔热夹层6内充满了填充材料聚氨酯。该隔热夹层6可极大降低装置内部与外界的热交换，减少液氮的损耗。
缓冲罐2和缓冲挡板均可为铝合金材质。
使用上述液氮缓冲补液装置进行液氮缓冲补液的方法，包括如下步骤：
1将盛有液氮的容器与进液管道的进液口1连接，将需要补液的目标容器与出液口4连接；
2通过控制设置在进液管道和出液管道上的电控单元5，实现液氮缓冲补液的开关控制，使液氮进入缓冲罐2，在缓冲罐2内缓冲挡板的作用下，高速液氮的流速得以降低，通过调节缓冲罐2顶端排气降压口3的开口大小，释放缓冲罐2内的压力，同时控制从缓冲罐出口25流出、进入各出液管道的出液口4以及最终进入目标容器内的液氮的流量和流速。
相比于常温液体的缓冲装置，-197℃沸点的液氮缓冲装置所要求的特别的难点：1.各电控装置需在该低温下工作；2.液氮从大型杜瓦罐中出来时，流速快，如何迅速缓冲降速；3.液氮进入容器后，产生剧烈碰撞并会剧烈挥发，产生气体使得容器内部压力骤升，容器内压力大便会导致缓冲效果不好，如何有效减压(减容器内气压，常温下一般液体并无此顾虑)；4.如何对液氮缓冲容器做好保温措施，最大程度降低液氮的损耗。
本发明的多通道液氮缓冲补液装置解决相对应难点采取的方法有：1.采用市面上专用的低温电控单元(例如低温电磁阀)；2.装置内部采用了多块金属缓冲板，通过多次改变液氮流向，这样增大局部压力损失使得液氮流速显著降低；3.由于液氮在容器内产生碰撞，挥发的气体会使容器内压力骤升，在容器上部设置排气降压口，从而释放容器内部压力。并可通过调整此降压口的大小，来调整容器内部压力，达到控制液氮流速的目的。4.采用聚氨酯材料作为缓冲装置的绝热夹层，大大减少容器内部与外部的热交换，减少液氮损耗。
以下为实施例：
一种多通道控速的液氮缓冲补液装置，如图1所示，其包括进液管道、缓冲罐2以及出液管道，进液管道和出液管道分别设置在缓冲罐2的两侧底部，其中：
进液管道一端设置有进液口1，用于向缓冲罐2引入液氮。进液口设有低温电控单元5，并由上位机控制，是杜瓦罐液氮进入缓冲装置的总开关；进液管道另一端与缓冲罐入口21相连接。
缓冲罐2为铝合金方形金属壳，长宽高分别为25cm，20cm，15cm；缓冲罐2内设置有3个铝合金缓冲挡板，缓冲挡板用于降低高速液氮的流速；缓冲挡板包括第一挡板22、第二挡板23以及第三挡板24，第一挡板22设置于缓冲罐入口21附近，且垂直于缓冲罐2底面，第一挡板的上方水平设置有第二挡板23，第二挡板23的一端连接在缓冲罐2的侧壁上，另一端连接有向下垂直设置的第三挡板24；第三挡板24的底部高于缓冲罐出口25的高度。缓冲减速原理基于增大液氮的局部压力损失来减少液氮的总动能，通过铝合金缓冲挡板多次改变高速液氮的流向，从而大大降低流速。液氮进入缓冲装置后的行进路线依次撞击缓冲金属板改变流向从而被降速，并在指定的位置进行气液分离，即在第三挡板24的下面，液氮蒸发出的氮气向上从排气降压口3流出，而液氮向下从缓冲罐出口25流出。
缓冲罐2顶端设置有排气降压口3，排气降压口3处设置有可调阀门7，可调阀门7用于调节排气降压口3开口大小。由于液氮进入缓冲罐2以后在缓冲罐2内与缓冲罐2侧壁或缓冲挡板产生碰撞，挥发的气体会使缓冲罐2内压力骤升，通过在缓冲罐2顶部设置排气降压口3，可以释放缓冲罐2内部压力，并可通过调节可调阀门7来调整排气降压口3的开口大小，进而调节缓冲罐2内部压力，达到控制液氮流速的目的。该排气降压口3开口最大时内径为8cm。
缓冲罐2外围设置有隔热夹层6，绝热夹层6充满发泡剂聚氨酯，导热系数很低，约是常用保温材料聚苯乙烯泡沫的一半；该隔热夹层可极大降低装置内部与外界的热交换，减少液氮的损耗。
出液管道为两条，其为铝合金材质，两条出液管道上分别设置有出液口4，用于向需要补充液氮的目标容器输出液氮。两条出液管道由缓冲罐出口25引出并分为两条分支管道，每一条分支管道上均设置有低温电控单元，用于实现出液口4的开关控制，可以实现同时或分别对两个目标容器进行补液。该电控单元5由上位机控制开断通道加液，上位机即计算机，免去了人工操作。
使用上述液氮缓冲补液装置进行液氮缓冲补液的方法，按照如下步骤执行：将盛有液氮的容器与进液管道的进液口1连接，将需要补液的目标容器与出液口4连接；通过控制设置在进液管道和出液管道上的电控单元，实现液氮缓冲补液的开关控制，使液氮进入缓冲罐2，在缓冲罐2内缓冲挡板的作用下，高速液氮的流速得以降低，通过调控可调阀门7来调节缓冲罐2顶端排气降压口3的开口大小，释放缓冲罐2内的压力，同时控制从缓冲罐出口25流出、进入各出液管道的出液口4以及最终进入目标容器内的液氮的流量和流速。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多通道控速的液氮缓冲补液装置，其特征在于，包括缓冲罐(2)以及分别设置在所述缓冲罐(2)的两侧底部的进液管道和出液管道，其中：
所述进液管道一端设置有进液口(1)，用于向所述缓冲罐(2)引入液氮，另一端与缓冲罐入口(21)相连接；
所述缓冲罐(2)内设置有缓冲挡板，所述缓冲挡板用于降低液氮的流速；所述缓冲罐(2)顶端设置有排气降压口(3)，所述排气降压口(3)处设置有可调阀门(7)，所述可调阀门(7)用于调节排气降压口(3)的开口大小；
所述出液管道一端设置有出液口(4)，用于输出液氮；另一端与缓冲罐出口(25)相连接；所述出液管道有若干条，所述若干条出液管道由所述缓冲罐出口(25)引出并分为若干条分支管道，或者由若干个设置在所述缓冲罐(2)上的缓冲罐出口(25)分别各自引出一条出液管道。
2.如权利要求1所述的液氮缓冲补液装置，其特征在于，所述缓冲挡板包括第一挡板(22)、第二挡板(23)以及第三挡板(24)，所述第一挡板(22)设置于所述缓冲罐入口(21)附近，且垂直于所述缓冲罐(2)底面，所述第一挡板的上方水平设置有第二挡板(23)，所述第二挡板(23)的一端连接在所述缓冲罐(2)的侧壁上，另一端连接有向下垂直设置的第三挡板(24)；所述第三挡板(24)的底部高于所述缓冲罐出口(25)的高度，且低于所述第一档板(22)顶部的高度。
3.如权利要求1所述的液氮缓冲补液装置，其特征在于，所述进液口(1)与所述缓冲罐入口(21)之间、所述缓冲罐出口(25)与所述出液口(4)之间均设置有电控单元(5)，所述电控单元用于实现进液口(1)和出液口(4)的开关控制。
4.如权利要求1所述的液氮缓冲补液装置，其特征在于，所述缓冲罐(2)外围设置有隔热夹层(6)，所述隔热夹层(6)内的填充材料为聚氨酯。
5.如权利要求1所述的液氮缓冲补液装置，其特征在于，所述缓冲罐(2)为铝合金材质。
6.如权利要求1所述的液氮缓冲补液装置，其特征在于，所述缓冲挡板为铝合金材质。
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