CN111622925B - 一种用于液氦杜瓦的自加压装置及加压方法 - Google Patents

Abstract

一种用于液氦杜瓦的自加压装置及加压方法，旨在解决现有技术中液氦杜瓦加压方式容易造成氦气浪费，加压操作的成本较高的技术问题。本发明包括用以储存低温液化气体的杜瓦，杜瓦通过第一管道与外设的换热活塞连通，第一管道上设有增压阀门，换热活塞包括换热腔室和可在换热腔室中往复滑动的活塞杆，第一管道包括外管和内管，外管和内管中的气体流动相互独立，换热腔室包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设有进气阀门，第二侧壁上设有排气阀门，进气阀门与外管远离杜瓦的一端通过第二管道相连，排气阀门与内管远离杜瓦的一端通过第三管道相连，内管的另一端与设在杜瓦内部的换热气囊相连。

Description

一种用于液氦杜瓦的自加压装置及加压方法

技术领域

本发明涉及液氦增压技术领域，特别是涉及一种用于液氦杜瓦的自加压装置及加压方法。

背景技术

在低温领域开展科学研究的过程中，将液氦输送到实验仪器中是一项不可或缺的环节，目前常用的输送方法是将处于室温（300K）的输液管插入杜瓦中（4.2K)，液氦遇热汽化，杜瓦瓶中的压强升高，将液氦从输液管中挤压出来，从而完成液氦的输送，其问题在于，随着输液的进行，杜瓦中液氦的液面高度不断下降，输液管与液氦也逐渐达到热平衡，杜瓦中的压强随之不断下降，当杜瓦中的压强下降至某一阈值时，杜瓦中的液氦无法继续输出。针对上述问题，传统的解决方法是打开增压阀门，从外部接入高压氦气，为避免引入杂质，通常先用氦气将加压管道中的空气排尽，再接入杜瓦瓶中，这种方法简单便捷、加压效果明显；但是部分工况下由于管道较长，加压过程中氦气的浪费量较大，氦气昂贵的价格兼合高压钢瓶较高的维护费用，导致这种加压方式的成本很高，此外，高压氦气在运输、使用过程中易发生泄露、爆炸等安全事故，危害人类生命健康。

基于上述缺陷，人们对加压方式进行不断改进，以一种气囊加压装置为例，气囊和增压阀门通过软管相连接，打开增压阀门，杜瓦中的低温氦气会流动到气囊中，低温氦气在管道和气囊中被加热至室温，通过挤压气囊把加热后的氦气重新压回杜瓦中，反复操作杜瓦瓶内部温度升高，压强也随之升高。上述加压方式成本很低，然而在实际应用中却有很大的局限性，具体如下：

加压装置没法把自身空气排尽，造成回气纯化成本增加；

为了降低纯化成本，气囊在装上以后，基于密封性的考量，气囊安装后一般不会取下，在回气管道因某些原因导致不畅时，气压升高，气囊有爆炸的风险；

当杜瓦瓶中压强过小时，气囊无法膨胀，该装置便无法工作；

由于气囊的材质限制，导致传热较慢，效率不够高。

申请号为CN201710693360.8的中国专利公开了一种火箭氧箱冷氦加温增压系统，包括液氧储箱、增压用冷氦气瓶组、过滤器、电磁阀、控制器、减压器、压力信号器、节流圈和加热器；其中，所述液氧贮箱内安装所述增压用冷氦气瓶组，所述增压用冷氦气瓶组包括多个增压用冷氦气瓶，多个所述冷氦气瓶布置在所述液氧储箱的内壁表面；所述冷氦气瓶组通过第一管路连接所述过滤器；所述过滤器通过第二管路连接所述电磁阀；所述电磁阀的两端分别连接所述控制器和所述减压器；所述控制器通过安装在所述液氧储箱中的所述压力信号器来控制所述电磁阀的通断；所述减压器通过第三管路连接所述加热器，并且所述减压器和所述加热器之间设有所述节流圈；所述加热器出口通过第四管路连接所述液氧储箱。上述系统可实现液氧的增压排放，其问题在于，液氧储箱上需要开设多个通孔，液氧储箱的密封性能较差。

发明内容

本发明为了克服现有技术中液氦杜瓦加压方式容易造成氦气浪费，加压操作的成本较高的技术问题，提供一种用于液氦杜瓦的自加压装置及加压方法，该装置可实现液氦杜瓦的持续增压，加压操作便捷高效。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种用于液氦杜瓦的自加压装置，包括用以储存低温液化气体的杜瓦，杜瓦通过第一管道与外设的换热活塞连通，第一管道上设有增压阀门，换热活塞包括换热腔室和可在换热腔室中往复滑动的活塞杆，第一管道包括外管和内管，外管和内管中的气体流动相互独立，换热腔室包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设有进气阀门，第二侧壁上设有排气阀门，进气阀门与外管远离杜瓦的一端通过第二管道相连，排气阀门与内管远离杜瓦的一端通过第三管道相连，内管的另一端与设在杜瓦内部的换热气囊相连。本发明提供一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其中，第一管道包括套设的外管和内管，外管与第二管道的一端相连，第二管道的另一端与换热活塞上的进气阀门相连，内管与第三管道的一端相连，第三管道的另一端与换热活塞上的排气阀门相连，内管的另一端与杜瓦中的换热气囊相连，外管的另一端与杜瓦连通，当需要将杜瓦中的液氦排出时，打开第一管道上的增压阀门，杜瓦中的低温氦气会经外管和第二管道扩散至换热活塞中，低温的氦气在换热活塞中与周围环境发生热交换，氦气温度升高，此过程中可通过反复多次抽拉活塞杆来提升低温氦气的升温效率，待换热活塞中的氦气基本与室温一致时，打开排气阀门，压动活塞杆经换热活塞中的常温氦气经第三管道和内管压入杜瓦中的换热气囊中，此时，换热气囊因常温氦气的压入而发生膨胀，换热气囊对杜瓦中空间的占据导致杜瓦内部的压强升高，同步的，换热气囊中的常温氦气与杜瓦中的低温液氦及氦气混合物发生热量交换，杜瓦内部的温度升高，导致杜瓦内部压强升高，从而实现液氦的排放，上述两种加压操作叠加，使得杜瓦内部的压强快速升高，从而使得液氦可持续排出，本发明所述用于液氦杜瓦的自加压装置在加压过程中避免了高压氦气的使用，极大地降低了使用成本和安全成本，此外，本发明中的换热活塞导热快，在减少输液时间的同时可降低工作强度。

作为优选，换热活塞由铝合金制成，截面呈T型的活塞杆包括本体和推杆，本体和换热腔室配合构成密封腔，进气阀门和排气阀门均靠近密封腔远离本体的一端。本发明中的换热活塞使用铝合金制备，其目的是利用铝合金的高导热率来提升换热效率，从而缩短换热活塞中低温氦气的升温时间，进而提升整个装置的加压效率。

作为优选，杜瓦的一端设有长管状的注料管，注料管远离杜瓦的一端设有注料阀，注料管包括第一外管和第一内管，外管靠近杜瓦的一端与第一外管相连通，内管靠近杜瓦的一端与第一内管相连通，第一内管靠近注料阀的一端封闭，第一内管的另一端与换热气囊相连。布置第一内管和第一外管的目的是对氦气的流道进行独立，即低温氦气自第一外管、外管和第二管道扩散入密封腔中，待密封腔中的低温氦气升温至常温后，经第三管道、内管和第一内管被压入换热气囊中，升温后的氦气不会直接被压入杜瓦中，即杜瓦中的液氦不会快速升温导致杜瓦中的压强急剧升高，而是通过换热气囊的缓和式热交换逐步增压，一方面提升了增压过程的安全性，另一方面可维持液氦的持续性输出。

作为优选，第三管道包括第一分段和第二分段，第一分段远离第一管道的一端与排气阀门相连，第一分段的另一端设有单向阀，第二分段的一端与内管相连，单向阀与第二分段的另一端之间可拆卸连接有快速接头，单向阀对自第二分段流入第一分段的气体进行截止。在进行增压操作时，先不安装快速接头，此时第一分段经单向阀与环境连通，待杜瓦中的低温氦气扩散至密封腔中后，将密封腔中的气体排出若干次，混有空气的氦气被排至大气中，此过程中需保证第二分段的密封，避免空气进入换热气囊中，几次操作后密封腔中充盈的气体为纯净的氦气，此时安装快速接头且关闭排气阀门，待密封腔中的氦气升温后打开排气阀门将氦气压入换热气囊中；上述技术方案的目的是保证换热气囊中氦气的纯净，以实现换热气囊中氦气的重复利用，毕竟换热气囊与密封腔连通，密封腔与杜瓦连通，当换热气囊中有空气混入时，杜瓦中的液氦也有被空气污染的风险。

作为优选，换热气囊由柔性介质制备，所述介质为聚酰亚胺、尼龙聚乙烯共聚物或纤维树脂复合材料。上述设计的目的是平衡换热气囊的导热性能和膨胀性能，从而通过热交换和空间压缩的综合实现杜瓦增压。

作为优选，第一管道、第二管道和第三管道均为PU管。

作为优选，第一外管的管壁外侧设有绝缘包覆层。其目的是降低杜瓦与周围环境的热交换，避免杜瓦中的液氦在不排放时发生升温现象。

作为优选，第一外管上设有压力表。

一种利用所述用于液氦杜瓦的自加压装置的加压方法，包括以下步骤：

（1）将增压阀门、进气阀门和排气阀门保持在关闭状态，快速接头处于未安装状态，拉动活塞杆远离进气阀门运动以在密封腔中形成负压，此过程中需避免空气进入密封腔中；

（2）打开增压阀门和进气阀门，待杜瓦中的低温氦气扩散至密封腔中后，打开排气阀门，按压活塞杆将密封腔中的氦气和空气的混合气体排出，关闭排气阀门，待低温氦气再次扩散至密封腔中后，打开排气阀门，重复按压活塞杆将密封腔中的气体排出；

（3）待密封腔中装满纯净的低温氦气后，再次按压活塞杆，在排气过程中安装快速接头以将第一分段和第二分段连通；

（4）关闭增压阀门、进气阀门和排气阀门，重复往复拉动活塞杆，测量换热活塞的壁面温度T1，测量室温T2；

（5）当T1与T2差值的绝对值小于5℃时，打开排气阀门和增压阀门，杜瓦中的压强上升，从而实现液氦的排放。

综上所述，本发明具有如下有益效果：（1）该装置避免了高压氦气的使用，极大降低了使用成本与安全成本；（2）该装置减少了氦气的损耗，避免了空气对氦气的污染，节约了氦气资源，同时减小了氦气回收成本；（3）该装置导热快，可减少工作强度与输液时间，极大提高工作效率。

附图说明

图1是本发明整体的一个结构示意图。

图2是本发明整体的另一个结构示意图。

图3是本发明第一管道、第二管道和第三管道的连接示意图。

图中：

杜瓦1，第一管道2，外管2a，内管2b，换热活塞3，换热腔室31，第一侧壁31a，第二侧壁31b，活塞杆32，本体32a，推杆32b，增压阀门4，进气阀门5，排气阀门6，第二管道7，第三管道8，第一分段8a，第二分段8b，换热气囊9，密封腔10，注料管11，第一外管11a，第一内管11b，注料阀12，单向阀13，快速接头14，压力表15。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1至图3所示，一种用于液氦杜瓦的自加压装置，包括用以储存低温液化气体的杜瓦1，杜瓦通过第一管道2与外设的换热活塞3连通，第一管道上设有增压阀门4，换热活塞包括换热腔室31和可在换热腔室中往复滑动的活塞杆32，第一管道包括外管2a和内管2b，外管和内管的中的气体流动相互独立，换热腔室包括第一侧壁31a和第二侧壁31b，第一侧壁上设有进气阀门5，第二侧壁上设有排气阀门6，进气阀门与外管远离杜瓦的一端通过第二管道7相连，排气阀门与内管远离杜瓦的一端通过第三管道8相连，内管的另一端与设在杜瓦内部的换热气囊9相连；换热活塞由铝合金制成，截面呈T型的活塞杆包括本体32a和推杆32b，本体和换热腔室配合构成密封腔10，进气阀门和排气阀门均靠近密封腔远离本体的一端；杜瓦的一端设有长管状的注料管11，注料管远离杜瓦的一端设有注料阀12，注料管包括第一外管11a和第一内管11b，外管靠近杜瓦的一端与第一外管相连通，内管靠近杜瓦的一端与第一内管相连通，第一内管靠近注料阀的一端封闭，第一内管的另一端与换热气囊相连；第三管道包括第一分段8a和第二分段8b，第一分段远离第一管道的一端与排气阀门相连，第一分段的另一端设有单向阀13，第二分段的一端与内管相连，单向阀与第二分段的另一端之间可拆卸连接有快速接头14，单向阀对自第二分段流入第一分段的气体进行截止；换热气囊由柔性介质制备，所述介质为聚酰亚胺、尼龙聚乙烯共聚物或纤维树脂复合材料；第一管道、第二管道和第三管道均为PU管；第一外管的管壁外侧设有绝缘包覆层；第一外管上设有压力表15。

如图1和图2所示，左侧为换热活塞，右侧为杜瓦，换热活塞包括活塞杆和换热腔室，换热腔室的断面呈U字型，截面呈倒T型的活塞杆本体和设在本体上端的推杆，本体的下端面和换热腔室配合构成密封腔，换热腔室包括左右对称布置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设有进气阀门，第二侧壁上设有排气阀门，进气阀门和排气阀门均靠近换热腔室的下端面，杜瓦的上端设有注料管，注料管的上端设有注料阀，注料管包括第一外管和布设第一外管内部的第一内管，第一内管通过支架与杜瓦内腔相连，图中未画出，具体的，可在杜瓦中布置带有环形凸台面的支架，安装第一内管时将其插入第一外管中，凸台面对第一内管的下端进行限位，第一内管的下端连接有换热气囊，第一内管的上端封闭，即经注料管向杜瓦中注入液氦时，液氦不会流入换热气囊中，第一管道包括外管和内管，外管的右端经第一外管与杜瓦内腔连通，内管的右端与第一内管连通，第一管道、第二管道和第三管道的连接如图3所示，外管与第二管道相连，内管与第三管道相连，第二管道经进气阀门与密封腔相连，第三管道经排气阀门与密封腔相连，第三管道自下而上包括第一分段、单向阀和第二分段，单向阀对自上而下流动的气体进行截止，单向阀与第二分段之间可拆卸连接有快速接头；在进行液氦的灌注和外输液氦的操作时，均通过沿注料管插入带真空夹层的管道实现杜瓦与外接容器的连通。

本发明所述用于液氦杜瓦的自加压装置在进行加压操作时，包括以下步骤：

（1）将增压阀门、进气阀门和排气阀门保持在关闭状态，快速接头处于未安装状态，拉动活塞杆远离进气阀门运动以在密封腔中形成负压，此过程中需避免空气进入密封腔中；

（2）打开增压阀门和进气阀门，待杜瓦中的低温氦气扩散至密封腔中后，打开排气阀门，按压活塞杆将密封腔中的氦气和空气的混合气体排出，关闭排气阀门，待低温氦气再次扩散至密封腔中后，打开排气阀门，重复按压活塞杆将密封腔中的气体排出；

（3）待密封腔中装满纯净的低温氦气后，再次按压活塞杆，在排气过程中安装快速接头以将第一分段和第二分段连通；

（4）关闭增压阀门、进气阀门和排气阀门，重复往复拉动活塞杆，测量换热活塞的壁面温度T1，测量室温T2；

（5）当T1与T2差值的绝对值小于5℃时，打开排气阀门和增压阀门，杜瓦中的压强上升，从而实现液氦的排放。

Claims (7)

1.一种用于液氦杜瓦的自加压装置，包括用以储存低温液化气体的杜瓦，其特征在于，杜瓦通过第一管道与外设的换热活塞连通，第一管道上设有增压阀门，换热活塞包括换热腔室和可在换热腔室中往复滑动的活塞杆，第一管道包括外管和内管，外管和内管中的气体流动相互独立，换热腔室包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设有进气阀门，第二侧壁上设有排气阀门，进气阀门与外管远离杜瓦的一端通过第二管道相连，排气阀门与内管远离杜瓦的一端通过第三管道相连，内管的另一端与设在杜瓦内部的换热气囊相连，换热活塞由铝合金制成，截面呈T型的活塞杆包括本体和推杆，本体和换热腔室配合构成密封腔，进气阀门和排气阀门均靠近密封腔远离本体的一端，第三管道包括第一分段和第二分段，第一分段远离第一管道的一端与排气阀门相连，第一分段的另一端设有单向阀，第二分段的一端与内管相连，单向阀与第二分段的另一端之间可拆卸连接有快速接头，单向阀对自第二分段流入第一分段的气体进行截止；利用所述用于液氦杜瓦的自加压装置的加压方法，包括以下步骤：

（1）将增压阀门、进气阀门和排气阀门保持在关闭状态，快速接头处于未安装状态，拉动活塞杆远离进气阀门运动以在密封腔中形成负压，此过程中需避免空气进入密封腔中；

（2）打开增压阀门和进气阀门，待杜瓦中的低温氦气扩散至密封腔中后，打开排气阀门，按压活塞杆将密封腔中的氦气和空气的混合气体排出，关闭排气阀门，待低温氦气再次扩散至密封腔中后，打开排气阀门，重复按压活塞杆将密封腔中的气体排出；

（3）待密封腔中装满纯净的低温氦气后，再次按压活塞杆，在排气过程中安装快速接头以将第一分段和第二分段连通；

（4）关闭增压阀门、进气阀门和排气阀门，重复往复拉动活塞杆，测量换热活塞的壁面温度T1，测量室温T2；

（5）当T1与T2差值的绝对值小于5℃时，打开排气阀门和增压阀门，杜瓦中的压强上升，从而实现液氦的排放。

2.根据权利要求1所述的一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其特征在于，杜瓦的一端设有长管状的注料管，注料管远离杜瓦的一端设有注料阀，注料管包括第一外管和第一内管，外管靠近杜瓦的一端与第一外管相连通，内管靠近杜瓦的一端与第一内管相连通，第一内管靠近注料阀的一端封闭，第一内管的另一端与换热气囊相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其特征在于，换热气囊由柔性介质制备，所述介质为聚酰亚胺、尼龙聚乙烯共聚物或纤维树脂复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其特征在于，第一管道、第二管道和第三管道均为PU管。

5.根据权利要求2所述的一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其特征在于，第一外管的管壁外侧设有绝缘包覆层。

6.根据权利要求2所述的一种用于液氦杜瓦的自加压装置，其特征在于，第一外管上设有压力表。

7.一种利用权利要求1至6任意一项所述的用于液氦杜瓦的自加压装置的加压方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将增压阀门、进气阀门和排气阀门保持在关闭状态，快速接头处于未安装状态，拉动活塞杆远离进气阀门运动以在密封腔中形成负压，此过程中需避免空气进入密封腔中；

（2）打开增压阀门和进气阀门，待杜瓦中的低温氦气扩散至密封腔中后，打开排气阀门，按压活塞杆将密封腔中的氦气和空气的混合气体排出，关闭排气阀门，待低温氦气再次扩散至密封腔中后，打开排气阀门，重复按压活塞杆将密封腔中的气体排出；

（3）待密封腔中装满纯净的低温氦气后，再次按压活塞杆，在排气过程中安装快速接头以将第一分段和第二分段连通；

（4）关闭增压阀门、进气阀门和排气阀门，重复往复拉动活塞杆，测量换热活塞的壁面温度T1，测量室温T2；

（5）当T1与T2差值的绝对值小于5℃时，打开排气阀门和增压阀门，杜瓦中的压强上升，从而实现液氦的排放。

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