CN109318044A - 一种超临界二氧化碳供给调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳供给调控系统，包括超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置，超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置之间还设有超临界二氧化碳流量调节装置，超临界二氧化碳输出装置包括出料管，超临界二氧化碳流量调节装置包括中转管路，超临界二氧化碳流量调节装置通过切换中转管路以调节流量，中转管路的内径小于出料管的内径，在输送超临界二氧化碳之前，通过切换中转管路至其符合超临界二氧化碳的流量加工要求，通过改变中转管路的内径值和长度值，即可实现系统的超临界二氧化碳流量调节，不仅输出稳定，而且成本低廉、容易维护，此发明用于金属加工领域。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳供给调控系统。
背景技术
随着现代先进制造技术的突飞猛进，各类新材料、新工艺应运而生，对机床切削速度，刀具寿命以及加工效率提出了更高的要求。清洁生产、绿色制造已成为发展先进制造技术的主题之一。采用低温冷却润滑切削技术，已被证实为解决高硬高强度材料强烈切削热冲击和振动以及塑性材料切削易产生加工毛刺等难加工特性有效方案。
目前常用的低温切削技术主要为：低温冷风(-30℃)冷却技术、液氮(-179℃)冷却技术、液态二氧化碳(-78.5℃)冷却技术等。其中液态二氧化碳冷却技术采用压力为5.0-6.5MPa的液态二氧化碳经管路输送并在喷嘴前端释放，可在喷嘴处迅速膨胀吸热产生-78.5℃(理论值)低温，被成功应用于难加工材料切削冷却。为尽可能接近其理论低温值，需严格控制输送管路内部的液态二氧化碳压降速率，并且需对输送管路进行有效保温，以避免液态二氧化碳在管路内部因快速压降而结冰堵塞管路。由于液态二氧化碳冷却技术上述缺点，目前该技术尚未实现大面积推广应用。
针对上述问题，近年来采用超临界二氧化碳流体进行切削加工的冷却润滑获得了关注。将低压的二氧化碳气体通过增压系统增压至7.4MPA以上并将其升温至31.7℃以上，二氧化碳即可处于超临界状态。将超临界状态的二氧化碳喷射出去，由于超临界二氧化碳流体的快速压降而瞬间吸热膨胀，从而使喷射区域达到瞬间低温(-78.5℃)的效果。
虽然超临界二氧化碳已在制药工业、化学工程和半导体工业萃取、蚀刻和清洁过程中广泛应用，但将超临界二氧化碳应用于加工冷却，实现加工过程高效降温尚处于深入开发阶段。专利ZL200680022912.2公布了一种基于超临界二氧化碳的金属加工润滑方法，该方法涉及在超临界二氧化碳流体中掺入润滑剂以及在金属加工过程施加超临界二氧化碳的系统组成。专利201710867324.9公布了一种超临界二氧化碳集中供液系统，并描述了集中供液系统组成及集中供液方式。不同于液态二氧化碳冷却技术，超临界二氧化碳在输送管路内部需始终维持压力大于或等于7.4MPa以及温度大于或等于31.7℃，以确保超临界二氧化碳流体快速压降形成低温介质。
现有超临界二氧化碳系统多涉及获得超临界二氧化碳流体方式，证实了超临界二氧化碳可有效应用于金属加工，对于如何控制超临界二氧化碳输出、如何确保管路中二氧化碳始终处于超临界状态以及如何控制超临界二氧化碳喷射流量等均未涉及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流量控制精准、输送稳定性强的超临界二氧化碳供给调控系统。
本发明所采取的技术方案是：
一种超临界二氧化碳供给调控系统，包括超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置，超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置之间还设有超临界二氧化碳流量调节装置，超临界二氧化碳输出装置包括用于输送超临界二氧化碳流体的出料管，超临界二氧化碳流量调节装置包括中转管路，超临界二氧化碳流量调节装置通过切换中转管路以调节流量，中转管路的内径小于出料管的内径。
进一步作为本发明技术方案的改进，超临界二氧化碳流量调节装置还包括进料转接模块和出料转接模块，进料转接模块连接超临界二氧化碳生成装置，出料转接模块连接超临界二氧化碳输出装置，还包括两端分别与进料转接模块和出料转接模块活动连接的中转管路。
进一步作为本发明技术方案的改进，中转管路为定量毛细管，中转管路的内孔直径D的取值范围为0.05～2mm。
进一步作为本发明技术方案的改进，进料转接模块和出料转接模块上各设有一卡孔，中转管路的两端均设有与卡孔可拆卸连接的卡头。
进一步作为本发明技术方案的改进，卡头呈阶梯轴状，卡头中设有与中转管路相通的通孔。
进一步作为本发明技术方案的改进，超临界二氧化碳输出装置包括与出料转接模块相连的出料管，出料管的末端设有喷嘴，还包括套设在出料管外的气管，气管的一端与喷嘴相连，气管与出料管之间留有空腔，气管的另一端设有气流入口。
进一步作为本发明技术方案的改进，出料管为毛细管。
进一步作为本发明技术方案的改进，还包括辅助气流装置，辅助气流装置包括辅助气源，辅助气源通过管路连接气流入口，辅助气源与气流入口之间还设有阀门和加热装置。
进一步作为本发明技术方案的改进，辅助气源与气流入口之间还设有过滤装置。
进一步作为本发明技术方案的改进，气管的一端与出料转接模块相连，出料转接模块上设有与气流入口相连通的气流转接口。
本发明的有益效果：此超临界二氧化碳供给调控系统，在输送超临界二氧化碳之前，通过超临界二氧化碳流量调节装置切换中转管路至其符合超临界二氧化碳的流量加工要求，通过改变中转管路的内径值或长度值，即可实现系统的超临界二氧化碳流量调节，不仅输出稳定，而且成本低廉、容易维护。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的超临界二氧化碳输出装置和超临界二氧化碳流量调节装置的示意图；
图3是本发明实施例的超临界二氧化碳流量调节装置的结构示意图；
图4是本发明实施例的超临界二氧化碳输出装置和超临界二氧化碳流量调节装置的爆炸示意图。
具体实施方式
参照图1～图4，本发明为一种超临界二氧化碳供给调控系统，包括超临界二氧化碳生成装置1和超临界二氧化碳输出装置2，超临界二氧化碳生成装置1和超临界二氧化碳输出装置2之间还设有超临界二氧化碳流量调节装置3，超临界二氧化碳输出装置2包括用于输送超临界二氧化碳流体的出料管21，超临界二氧化碳流量调节装置3包括中转管路31，超临界二氧化碳流量调节装置3通过切换中转管路31以调节流量，中转管路31的内径小于出料管21的内径。
具体的，超临界二氧化碳生成装置1用于将低压的二氧化碳转变为超临界二氧化碳流体，主要包括二氧化碳源11、增压装置12、储存容器13、加热器14、输送管路及设置在输送管路上的开关阀门等。增压装置12用于对低压二氧化碳进行增压动作。为保证超临界二氧化碳流体状态及性质，二氧化碳增压上限值设定在7.5～30MPa，且增压上限值依据实际切削应用需求可调。加热器14用于对增压后的二氧化碳进行加温动作。为保证超临界二氧化碳冷却润滑系统所需超临界二氧化碳流体状态及性质，加热器14加热温度上限设定在31.7～100℃，且加热温度上限值依据实际切削应用需求可调。
作为本发明优选的实施方式，超临界二氧化碳流量调节装置3还包括进料转接模块32和出料转接模块33，进料转接模块32连接超临界二氧化碳生成装置1，进料转接模块32具体是与超临界二氧化碳生成装置1的输送管路连接，进料转接模块32和出料转接模块33中均设有用于导通超临界二氧化碳的流道，且流道的两端分别设有用于连接其他部件的连接结构，连接结构可为螺纹。进料转接模块32具体是与超临界二氧化碳生成装置1的输送管路之间还设有密封接头34，用于防止超临界二氧化碳泄漏。
出料转接模块33连接超临界二氧化碳输出装置2，出料转接模块33和超临界二氧化碳输出装置2之间也设有密封接头34，还包括两端分别与进料转接模块32和出料转接模块33活动连接的中转管路31。
作为本发明优选的实施方式，中转管路31为定量毛细管，定量毛细管具有保压的功能，中转管路31的内孔直径D的取值范围为0.05～2mm，定量毛细管路调节超临界二氧化碳流量方式是通过更换不同内径和长度的定量毛细管实现，超临界二氧化碳流量可调范围为：0.1～20kg/h。
中转管路31的内径约定0.05～2mm，而液体状态下的二氧化碳黏度约等于0.0127。结合超临界二氧化碳密度计算可知，此时的雷诺数较小，粘滞力对流场的影响大于惯性，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流。且该层流在流动中会产生较大内摩擦，导致能量损耗，从而降低流体流速。运用这个定理，可以实现超临界二氧化碳的流速控制，继而通过控制流速实现超临界二氧化碳输出流量控制。
作为本发明优选的实施方式，进料转接模块32和出料转接模块33上均设有一卡孔，卡孔均连通各自的流道，中转管路31的两端均设有与卡孔可拆卸连接的卡头311。
作为本发明优选的实施方式，卡头311呈阶梯轴状，卡头311中设有与中转管路31相通的通孔，卡头311的一端呈圆锥状，便于安拆及与进料转接模块32和出料转接模块33中的通道的对中。
具体的，卡头311主要起到转接部位的密封作用，且卡头311可直接嵌入卡孔中，与卡孔过盈或过渡配合，从而实现卡头311的插拔，或者是卡头311和卡孔设有相互配合的螺纹，从而实现可拆卸连接，以实现不同规格的定量毛细管的切换，增加定量毛细管的长度，可以使得流体和定量毛细管的管壁接触面积变大，从而降低流体的动能，达到降低流速的效果。
作为本发明优选的实施方式，超临界二氧化碳输出装置2包括与出料转接模块33相连的出料管21，出料管21的末端设有喷嘴22，喷嘴22采用多流道结构，既能允许通入超临界二氧化碳流体，同时还能接入微量润滑油路及辅助气体。还包括套设在出料管21外的气管41，气管41的一端与喷嘴22相连，气管41与出料管21之间留有空腔，气管41的另一端设有气流入口。
具体的，气流入口可通入辅助气体，辅助气体预先加热后具备一定的温度，辅助气体进入气管41当中，包裹着出料管21，目的是防止出料管21中的超临界二氧化碳在传输过程中热量有损失，避免超临界二氧化碳的压力改变，进而改变二氧化碳的超临界状态。辅助气体保证超临界二氧化碳输出管路中的高压二氧化碳经专用喷嘴22喷射出去之前，其温度值始终处于或者靠近超临界态所需温度值范围内，保证了超临界二氧化碳流体性质及超临界二氧化碳性能发挥。而辅助气体最终在喷嘴22处向外喷出，也可以防止超临界二氧化碳在喷射的过程中，在喷嘴22处结冰，进而堵塞喷嘴22。辅助气体除了用压缩空气外，也可以用其他气体，如氮气、惰性气体等。
作为本发明优选的实施方式，出料管21为毛细管，出料管21的内孔直径取值范围为0.05～2mm，相比于常规的耐压冷媒管或者钢管，毛细管实现了超临界二氧化碳输出时的压降速率有效控制。
作为本发明优选的实施方式，还包括辅助气流装置4，辅助气流装置4包括辅助气源42，辅助气源42通过管路连接气流入口，辅助气源42与气流入口之间还设有阀门43和加热装置44，加热装置44用于对辅助气体进行加热。辅助气源42与气流入口之间还设有过滤装置。
作为本发明优选的实施方式，气管41的一端与出料转接模块33相连，出料转接模块33上设有与气流入口相连通的气流转接口，气流转接口的一端连接气流入口，另一端连接辅助气流装置4的出气管路，实现辅助气流的转接。
此外，本发明中还设有控制装置5，控制装置5和超临界二氧化碳生成装置1、超临界二氧化碳输出装置2、辅助气流装置4均电性连接，控制装置5用于控制加热器14、加热装置44及管路中的电磁阀等，控制装置5还能实时监测各个位置的超临界二氧化碳的状态，如压强和温度等。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：包括超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置，所述超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置之间还设有超临界二氧化碳流量调节装置，所述超临界二氧化碳输出装置包括用于输送超临界二氧化碳流体的出料管，所述超临界二氧化碳流量调节装置包括中转管路，所述超临界二氧化碳流量调节装置通过切换所述中转管路以调节流量，所述中转管路的内径小于出料管的内径。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳流量调节装置还包括进料转接模块和出料转接模块，所述进料转接模块连接超临界二氧化碳生成装置，所述出料转接模块连接超临界二氧化碳输出装置，还包括两端分别与进料转接模块和出料转接模块活动连接的中转管路。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述中转管路为定量毛细管，所述中转管路的内孔直径D的取值范围为0.05～2mm。
4.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述进料转接模块和出料转接模块上各设有一卡孔，所述中转管路的两端均设有与所述卡孔可拆卸连接的卡头。
5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述卡头呈阶梯轴状，所述卡头中设有与中转管路相通的通孔。
6.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述出料管与出料转接模块相连，所述出料管的末端设有喷嘴，还包括套设在所述出料管外的气管，所述气管的一端与所述喷嘴相连，所述气管与出料管之间留有空腔，所述气管的另一端设有气流入口。
7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述出料管为毛细管。
8.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：还包括辅助气流装置，所述辅助气流装置包括辅助气源，所述辅助气源通过管路连接气流入口，所述辅助气源与气流入口之间还设有阀门和加热装置。
9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述辅助气源与气流入口之间还设有过滤装置。
10.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳供给调控系统，其特征在于：所述气管的一端与出料转接模块相连，所述出料转接模块上设有与所述气流入口相连通的气流转接口。
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| WO2020244473A1 (zh) * | 2019-06-01 | 2020-12-10 | 上海颐柏科技股份有限公司 | 一种超临界二氧化碳深冷处理方法及其装置和气体回用系统 |
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2018
- 2018-10-29 CN CN201811269672.7A patent/CN109318044A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Address after: 510663 First and Second Floors of the Portal Machine Building (Block C) of Product Yao Electronic Industry Park, No. 8, Nanyun No. 2 Road, Science City, Guangzhou High-tech Industrial Development Zone, Guangdong Province Applicant after: CONPROFE GREEN TOOLS Co.,Ltd. Applicant after: CONPROFE TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. Address before: 510663 First and Second Floors of the Portal Machine Building (Block C) of Product Yao Electronic Industry Park, No. 8, Nanyun No. 2 Road, Science City, Guangzhou High-tech Industrial Development Zone, Guangdong Province Applicant before: GUANGZHOU HUIZHUAN TOOLS Co.,Ltd. Applicant before: CONPROFE TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Effective date of registration: 20200201 Address after: 510663 No. 6, Yuner Road, Science City, Guangzhou high tech Industrial Development Zone, Guangzhou, Guangdong Province Applicant after: CONPROFE TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. Applicant after: SMARTGUY INTELLIGENT EQUIPMENT Co.,Ltd. GUANGZHOU BRANCH Address before: 510663, Guangdong, Guangzhou hi tech Industrial Development Zone, science, South Road, No. two, No. 8, Yao electronics industrial park gate building (C block), first and two floors Applicant before: CONPROFE GREEN TOOLS Co.,Ltd. Applicant before: CONPROFE TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. |
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