CN111692514A - 一种多层颈口结构的液氮生物容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液氮生物容器领域，公开了一种多层颈口结构的液氮生物容器，包括外壳、内容器和冻存托盘，内容器通过其上端的颈口部件和吊装管与外壳固定连接使内容器吊装在外壳之内，外壳和内容器之间形成真空夹层，颈口部件为可延长导热路径的多层结构；外壳与内容器之间的真空夹层中设有底部支撑结构和多个侧向支撑结构，底部支撑结构和侧向支撑结构用于保持外壳与内容器的同轴性。本发明解决了现有液氮生物容器颈口漏冷量大的问题，还可解决液氮生物容器外壳和内容器之间同轴性差的问题。

Description

一种多层颈口结构的液氮生物容器

技术领域

本发明涉及液氮生物容器领域，具体是指一种多层颈口结构的液氮生物容器。

背景技术

液氮，是氮气在低温下形成的液体形态。液氮用途广泛，可以迅速冷冻食品、制作冰品、可保存活体组织、进行低温物理学研究等。液氮生物容器，是指利用液氮的低温性质进行生物样本保存的生物容器。

现有液氮生物容器其结构主要分为外壳、内容器(包括颈口)及冻存托盘三大部分，其中内容器中填充有液氮以提供低温保存的温度场，冻存托盘则布置在内容器底部为生物样本提供冻存空间，外壳的作用是套在内容器之外并与内容器之间形成真空夹层用于屏蔽内容器与外壳的对流换热，以使内容器中的冷量尽可能不外泄，从而使液氮生物容器具有优良的绝热性能。但现有液氮生物容器仍存在以下问题：

其一，现有液氮生物容器颈口漏冷量大，从而导致液氮维持温度场的周期降低和液氮利用率降低。且由于漏热量大，颈口及外壳上封头靠近颈口的区域温度较低可能造成颈口区域形成结水或结霜的现象，影响罐体外形的美观；

其二，现有液氮生物容器的外壳与内容器之间的同轴性差，因此可能会使得颈口因偏心力矩出现应力集中的情况，导致液氮生物容器的安全性降低。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了一种多层颈口结构的液氮生物容器，解决了现有液氮生物容器颈口漏冷量大的问题，还可解决液氮生物容器外壳和内容器之间同轴性差的问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种多层颈口结构的液氮生物容器，包括外壳、内容器和冻存托盘，内容器通过其上端的颈口部件和吊装管与外壳固定连接使内容器吊装在外壳之内，外壳和内容器之间形成真空夹层，颈口部件为可延长导热路径的多层结构；外壳与内容器之间的真空夹层中设有底部支撑结构和多个侧向支撑结构，底部支撑结构和侧向支撑结构用于保持外壳与内容器的同轴性。

在本发明中，内容器通过颈口部件及吊装管悬吊在外壳外上封头上，悬吊的内容器与外壳之间留有夹层，此夹层经抽真空后形成真空夹层用于屏蔽内容器与外界进行对流换热，从而使液氮生物容器整体结构具备优良的绝热性能。其中，多层结构的颈口部件可有效延长颈口处的导热路径，减小颈口处的漏冷量，从而提高液氮利用率。再通过底部支撑结构和多个侧向支撑结构用于保持外壳与内容器的同轴性，同轴布置外壳和内容器可降低颈口部件在工况下因偏心力矩而造成的颈口部件应力集中的情况确保液氮生物容器结构的安全性。

作为一种优选的方式，颈口部件包括与外壳和内容器密封焊接的第一颈管，第一颈管与第二颈管焊接形成具有颈口夹层的多层结构，第一颈管开设有与真空夹层连通的第一环形槽口。

作为一种优选的方式，第二颈管上设有与颈口夹层连通的第二环形槽口，第二环形槽口上端与位于颈口夹层内的第三颈管下端焊接，第二环形槽口下端与位于颈口夹层内的第四颈管上端焊接；颈口夹层内设有第五颈管，第五颈管上下两端分别与第三颈管上端、第五颈管下端焊接；第五颈管与第一颈管、第三颈管、第四颈管之间留有夹层间隙，第三颈管、第四颈管与第二颈管之间留有夹层间隙。

作为一种优选的方式，侧向支撑结构包括设在内容器外壁上的安装座，安装座与支撑板一端固定连接，支撑板另一端与外壳内壁摩擦接触。

作为一种优选的方式，支撑板与外壳接相抵的接触端为弧形面结构，弧形面结构与外壳内壁线接触。

作为一种优选的方式，支撑板与外壳接相抵的接触端为球形面结构，球形面结构与外壳内壁点接触。

作为一种优选的方式，安装座为两个间隔设置的U形槽，支撑板呈拱桥状，拱桥状支撑板的俩支脚卡入两U形槽内。

作为一种优选的方式，底部支撑结构包括竖向设置在外壳底部中央的支撑柱和竖向设置在内容器底端中央并与支撑柱适配的套筒，支撑柱伸入套筒内并与套筒底面相抵。

作为一种优选的方式，套筒外侧设有用于撑起冻存托盘的支座，支座顶端设有轴承，轴承内圈与设于冻存托盘底端的转轴固定连接。

作为一种优选的方式，内容器和外壳上端一侧通过防转销连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中颈口部件为多层结构，利用其多层结构可有效延长颈口部件处内容器和外壳之间的有效导热路径，减小颈口处的漏冷量，提高液氮利用率和液氮维持温度场的周期，同时还能杜绝容器在使用情况下外壳出现结水结霜的情况。

(2)本发明通过底部支撑结构和侧向支撑结构确保装配后的内容器和外壳保持同轴布置，且支撑轴和套筒、支撑板和外壳之间为摩擦接触，支撑板与外壳之间并非固定连接，可在内容器低温收缩时产生滑动，从而释放低温应力。此外，底部支撑结构和侧向支撑结构通过确保内容器和外壳的同轴性，还可降低颈口部件在工况下因偏心力矩而造成的颈口应力集中的情况确保液氮生物容器结构的安全性。

(3)本发明的侧向支撑结构通过支撑板与外壳内壁线接触或点接触，减小了支撑板与外壳之间的导热面积，增大了接触热阻，可有效降低绝热支撑结构的导热量，从而在利用侧向支撑结构保持外壳和内容器同轴性的同时减小内容器通过支撑板产生的漏冷量。

附图说明

图1为液氮生物容器结构示意图。

图2为图1中局部a放大示意图。

图3为图1中局部b放大示意图。

图4为图1中局部c放大示意图。

图5为图1中局部d放大示意图。

图6为颈口部件多层结构示意图。

图7为侧向支撑结构与液氮生物容器装配示意图。

图8为支撑板结构示意图。

图9为图8正视图。

图10为内容器和外壳结构示意图。

图11为内容器上封头结构示意图。

图12为图11正视图。

图13为外壳上封头结构示意图。

图14为图13正视图。

其中，1颈口部件，101第一颈管，102第五颈管，103第三颈管，104第二颈管，105第二环形槽口，106第四颈管，107第一环形槽口，2吊装管，3侧向支撑结构，301安装座，302支撑板，303接触端，304支脚，4外壳，5真空夹层，6内容器，7冻存托盘，8底部支撑结构，801支撑柱，802套筒，9防转销，10转轴，11轴承，12支座，13上封头，14加强筋，1401环形加强筋，1402径向加强筋，1403开孔加强筋，15筒体，16下封头，17同心套，18通孔。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1：

参见图1～14，一种多层颈口结构的液氮生物容器，包括外壳4、内容器6和冻存托盘7，内容器6通过其上端的颈口部件1和吊装管2与外壳4固定连接使内容器6吊装在外壳4之内，外壳4和内容器6之间形成真空夹层5，颈口部件1为可延长导热路径的多层结构；外壳4与内容器6之间的真空夹层5中设有底部支撑结构8和多个侧向支撑结构3，底部支撑结构8和侧向支撑结构3用于保持外壳4与内容器6的同轴性。

在本实施例中，内容器6通过颈口部件1及吊装管2悬吊在外壳4外上封头13上，悬吊的内容器6与外壳4之间留有夹层，此夹层经抽真空后形成真空夹层5用于屏蔽内容器6与外界进行对流换热，从而使液氮生物容器整体结构具备优良的绝热性能。其中，多层结构的颈口部件1可有效延长颈口处的导热路径，减小颈口处的漏冷量，从而提高液氮利用率。再通过底部支撑结构8和多个侧向支撑结构3用于保持外壳4与内容器6的同轴性，同轴布置外壳4和内容器6可降低颈口部件1在工况下因偏心力矩而造成的颈口部件1应力集中的情况确保液氮生物容器结构的安全性。

进一步的，颈口部件1包括与外壳4和内容器6密封焊接的第一颈管101，第一颈管101与第二颈管104焊接形成具有颈口夹层的多层结构，第一颈管101开设有与真空夹层5连通的第一环形槽口107。

利用第一颈管101和第二颈管104形成的具有颈口夹层的多层结构与第一环形槽口107配合，使得颈口夹层亦是与真空夹层5连通的真空结构，从而有效延长了颈口处内容器6和外壳4之间的有效导热路径，减少了颈口处的漏冷量。

更进一步的，第二颈管104上设有与颈口夹层连通的第二环形槽口105，第二环形槽口105上端与位于颈口夹层内的第三颈管103下端焊接，第二环形槽口105下端与位于颈口夹层内的第四颈管106上端焊接；颈口夹层内设有第五颈管102，第五颈管102上下两端分别与第三颈管103上端、第五颈管102下端焊接；第五颈管102与第一颈管101、第三颈管103、第四颈管106之间留有夹层间隙，第三颈管103、第四颈管106与第二颈管104之间留有夹层间隙。

由于第五颈管102与第一颈管101、第三颈管103、第四颈管106之间留有夹层间隙，第三颈管103、第四颈管106与第二颈管104之间留有夹层间隙。其中夹层A、C、E(如图6所示)经第一环形槽口107与真空夹层5连通为真空结构，起到隔绝热量的作用。再由于在内容器6中其底部为液氮，但其颈口处为液氮气化形成的氮气，氮气经第二环形槽口105进入夹层B、D(如图6所示)后由于氮气导热系数小，其亦可起到隔绝热量的作用。且颈口部件1处氮气是由液氮气化形成，氮气温度较低，再由温度与导热系数的关系可知，温度降低，导热系数亦降低，颈口部件1处的低温氮气有着更小的导热系数，能够增强其隔热效果。通过氮气夹层与真空层配合所形成的多层结构，进一步延长了颈口处内容器6和外壳4之间的有效导热路径，减少了颈口处的漏冷量，从而提高液氮利用率和液氮维持温度场的周期，同时还能杜绝容器在使用情况下外壳4出现结水结霜的情况。

进一步的，内容器6和外壳4上端一侧通过防转销9连接。利用防转销9可放置内容器6和外壳4在周向产生相对位移破坏液氮生物容器的罐体结构，提高液氮生物容器整体结构的安全性。

优选的，内容器6表面缠绕有导热系数小的绝热材料屏蔽辐射传热。

优选的，真空夹层5中填充有绝热材料和吸附剂。

以上绝热材料和吸附剂的目的在于屏蔽内容器6与外界的对流换热，从而进一步增强液氮生物容器的绝热性能。

实施例2：

参见图1～14，本实施例是在实施例1的基础上做进一步优化，具体是：

侧向支撑结构3包括设在内容器6外壁上的安装座301，安装座301与支撑板302一端固定连接，支撑板302另一端与外壳4内壁摩擦接触。

在本实施例中，通过侧向支撑结构3确保内容器6和外壳4的同轴性，可降低颈口在工况下因偏心力矩而造成的颈口应力集中的情况确保液氮生物容器结构的安全性。此外，侧向支撑结构3除了确保装配后的内容器6和外壳4保持同轴布置，由于支撑板302和外壳4之间为摩擦接触，支撑板302与外壳4之间并非固定连接，还可在内容器6低温收缩时产生滑动，从而释放低温应力。

此外，侧向支撑结构3还可提高液氮生物容器的整体结构强度，而在传统液氮生物容器中是采用增加外壳4、内容器6壁厚的方式来增加其结构强度的。与传统液氮生物容器相比，采用绝热支撑结构提升结构强度之后，可减少外壳4和内容器6壁厚，降低外壳4或内容器6原材料成本。且随着壁厚的减少，还会再一定程度上减小液氮生物容器的外形尺寸，减低其重量，从而方便其运输并可减低其运输成本。

优选的，支撑板302采用环氧玻璃钢制成，从而减小内容器6经支撑板302到外壳4的导热量。

进一步的，支撑板302与外壳4相抵的接触端303为弧形面结构，弧形面结构与外壳4内壁线接触。

进一步的，支撑板302与外壳4相抵的接触端303为球形面结构，球形面结构与外壳4内壁点接触。

通过支撑板302与外壳4内壁线接触或点接触，减小了支撑板302与外壳4之间的导热面积，增大了接触热阻，可有效降低绝热支撑结构的导热量，从而在利用绝热支撑结构保持外壳4和内容器6同轴性的同时减小内容器6通过支撑板302产生的漏冷量。

进一步的，安装座301为两个间隔设置的U形槽，支撑板302呈拱桥状，拱桥状支撑板302的俩支脚304卡入两U形槽内。

U形槽结构的安装座301其结构简单、材料用量小，且支撑板302呈拱桥状利用支撑板302的支脚304卡入两U形槽内，拱桥状的支撑板302其拱形结构在使用更少的材料便满足承载的强度要求下，可减小支撑板302与内容器6之间的导热面积，增大了接触热阻，可有效降低绝热支撑结构的导热量。

本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

实施例3：

参见图1～14，本实施例是在实施例1的基础上做进一步优化，具体是：

底部支撑结构8包括竖向设置在外壳4底部中央的支撑柱801和竖向设置在内容器6底端中央并与支撑柱801适配的套筒802，支撑柱801伸入套筒802内并与套筒802底面相抵。

利用支撑柱801和套筒802相互配合作为底部支撑结构8用于保持内容器6和外壳4的同轴性，增强液氮生物容器整体结构的牢固性、稳定性。优选的，支撑柱801和套筒802均采用环氧玻璃钢制成，从而减小内容器6经套筒802和支撑柱801到外壳4的传热量。

进一步的，套筒802外侧设有用于撑起冻存托盘7的支座12，支座12顶端设有轴承11，轴承11内圈与设于冻存托盘7底端的转轴10固定连接。由于颈口部件1设置在内容器6的一侧，利用轴承11和转轴10使冻存托盘7可转动，可方便转动冻存托盘7拿取冻存托盘7中存放的生物样。

本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

实施例4：

参见图1～14，本实施例是在实施例1的基础上做进一步优化，具体是：

内容器6和外壳4包括上封头13、筒体15和下封头16，上封头13底面设有加强筋14。

在本实施例中，由于现有液氮生物容器其外壳4和内容器6大多是通过内容器6上端的颈口和吊装管2与外壳4焊接固定使内容器6吊装在外壳4之内，此种结构的液氮生物容器工况下为立置，内容器6、冻存的生物样本及低温介质的重力载荷全部通过颈口及吊装管2从内容器6内上封头13传递到外壳4外上封头13上，因而内容器6内上封头13及外壳4外上封头13为整个液氮生物容器主要的承载零部件。再加上两个封头还有供颈口通过的大开孔极易导致外壳4承载后造成结构失稳及因大变形导致应力集中造成结构失效。

利用加强筋14可有效的将上封头13上的载荷均匀分布，避免造成局部应力集中导致液氮生物容器的结构被破坏，最终达到防失稳并同时控制应力范围的目的。加强筋14可将上封头13的变形量及应力控制在理想的范围，获得相对较为一致的变形及均匀化的应力分布，消除应力集中带来的强度失效隐患及失稳隐患。

此外，由于加强筋14对上封头13的加固作用，与现有液氮生物容器通过增加上封头13壁厚来增强其强度的方式相比，使用加强筋14结构可一定程度上减小外壳4和内容器6的上封头13的壁厚，将其轻量化。

进一步的，上封头13中央处设有与吊装管2连接的同心套17，上封头13一侧设有用于与颈口部件1连接的通孔18；加强筋14包括以同心套17为圆心的径向加强筋1402，径向加强筋1402之间通过环形加强筋1401连接；通孔18周围设有多条开孔加强筋1403，开孔加强筋1403与通孔18相邻的两条径向加强筋1402将通孔18合围。

以上的径向加强筋1402、环形加强筋1401和开孔加强筋1403的位置、尺寸等可通过有限元仿真分析得到拓扑结构的加强筋14，并有针对性的调整拓扑结构的加强筋14的结构参数，从而对上封头13上的应力进行重新分布及理想分布。使用拓扑结构的加强筋14可更加有效的将上封头13的变形量及应力控制在理想的范围内，获得相对较为一致的变形及均匀化的应力分布，从而消除应力集中带来的强度失效隐患及失稳隐患。

本实施例的其他部分与实施例1相同，这里就不再赘述。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多层颈口结构的液氮生物容器，包括外壳(4)、内容器(6)和冻存托盘(7)，其特征在于：所述内容器(6)通过其上端的颈口部件(1)和吊装管(2)与外壳(4)固定连接使内容器(6)吊装在外壳(4)之内，所述外壳(4)和内容器(6)之间形成真空夹层(5)，所述颈口部件(1)为可延长导热路径的多层结构；所述外壳(4)与内容器(6)之间的真空夹层(5)中设有底部支撑结构(8)和多个侧向支撑结构(3)，所述底部支撑结构(8)和侧向支撑结构(3)用于保持外壳(4)与内容器(6)的同轴性。

2.根据权利要求1所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述颈口部件(1)包括与外壳(4)和内容器(6)密封焊接的第一颈管(101)，所述第一颈管(101)与第二颈管(104)焊接形成具有颈口夹层的多层结构，所述第一颈管(101)开设有与真空夹层(5)连通的第一环形槽口(107)。

3.根据权利要求2所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述第二颈管(104)上设有与颈口夹层连通的第二环形槽口(105)，所述第二环形槽口(105)上端与位于颈口夹层内的第三颈管(103)下端焊接，所述第二环形槽口(105)下端与位于颈口夹层内的第四颈管(106)上端焊接；所述颈口夹层内设有第五颈管(102)，所述第五颈管(102)上下两端分别与第三颈管(103)上端、第五颈管(102)下端焊接；所述第五颈管(102)与第一颈管(101)、第三颈管(103)、第四颈管(106)之间留有夹层间隙，所述第三颈管(103)、第四颈管(106)与第二颈管(104)之间留有夹层间隙。

4.根据权利要求1所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述侧向支撑结构(3)包括设在内容器(6)外壁上的安装座(301)，所述安装座(301)与支撑板(302)一端固定连接，所述支撑板(302)另一端与外壳(4)内壁摩擦接触。

5.根据权利要求4所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述支撑板(302)与外壳(4)相抵的接触端(303)为弧形面结构，所述弧形面结构与外壳(4)内壁线接触。

6.根据权利要求4所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述支撑板(302)与外壳(4)相抵的接触端(303)为球形面结构，所述球形面结构与外壳(4)内壁点接触。

7.根据权利要求4所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述安装座(301)为两个间隔设置的U形槽，所述支撑板(302)呈拱桥状，拱桥状支撑板(302)的俩支脚(304)卡入两U形槽内。

8.根据权利要求1所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述底部支撑结构(8)包括竖向设置在外壳(4)底部中央的支撑柱(801)和竖向设置在内容器(6)底端中央并与支撑柱(801)适配的套筒(802)，所述支撑柱(801)伸入套筒(802)内并与套筒(802)底面相抵。

9.根据权利要求8所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述套筒(802)外侧设有用于撑起冻存托盘(7)的支座(12)，所述支座(12)顶端设有轴承(11)，所述轴承(11)内圈与设于冻存托盘(7)底端的转轴(10)固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种多层颈口结构的液氮生物容器，其特征在于：所述内容器(6)和外壳(4)上端一侧通过防转销(9)连接。

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