CN112129040A - 一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置，该装置将液氙使用场合蒸发氙气和剩余液氙作为原料，生产循环液氙，所述液氙使用场合剩余液氙出口连接剩余液氙截止阀进口，剩余液氙截止阀出口分别连接回真空贮槽截止阀进口、压缩泵进口截止阀进口，回真空贮槽截止阀出口连接真空贮槽进液口，压缩泵进口截止阀出口连接压缩泵进口，本发明装置可实现液氙的循环使用，减少了贵重稀有气体氙的损失。
Description
技术领域
本发明涉及的一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置及其方法，属于再生气体技术领域。
背景技术
氙气是一种贵重稀有气体，在大气中含量极低（小于1ppm），因此氙气价格十分昂贵。目前， 氙气已经广泛用于国民经济各个领域，包括电子、光电源工业、气体激光器和等离子流等。用氙气充的灯泡与相同功率的充氩灯泡相比具有发光率高、体积小、寿命长、省电等优点。氙气也被用作屏蔽X射线。此外，在原子核反应堆和高能物理方面也有很多用途。氙气不但在民用领域得到了广泛应用，在国防、科研等领域也具有意义深远的应用。本发明装置可实现液氙的循环使用，通过将液氙使用场合中的剩余液氙直接输送回真空储槽；或是剩余液氙加压后通过斯特林制冷机过冷，过冷后液氙与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；或是剩余液氙加压后直接与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量，上述三种方式减少稀有气体氙的损失，本发明装置还可以利用液氮冷井，将瓶装氙气纯化，纯化后氙气既可作为系统氙气补充，也可以调整液氙出真空储槽压力。
发明内容
本发明公开了一种液氙冷却、氙气再液化技术及撬装装置，本发明将液氙使用场合中的剩余液氙直接输送回真空储槽；或是剩余液氙加压后通过斯特林制冷机过冷，过冷后液氙与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；或是剩余液氙加压后直接与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为原料氙气蒸发氙气液化提供冷量；本发明装置还可以利用液氮冷井，将瓶装氙气纯化，纯化后氙气既可作为系统氙气补充，也可以调整液氙出真空储槽压力。本发明装置可实现液氙的循环使用，减少了贵重稀有气体氙的损失。为实现本发明的目的：一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置，该装置将液氙使用场合蒸发氙气和剩余液氙作为原料，生产循环液氙，所述液氙使用场合剩余液氙出口连接剩余液氙截止阀进口，剩余液氙截止阀出口分别连接回真空贮槽截止阀进口、压缩泵进口截止阀进口，回真空贮槽截止阀出口连接真空贮槽进液口，压缩泵进口截止阀出口连接压缩泵进口，剩余液氙截止阀出口与回真空贮槽截止阀进口之间设置温度计和压力表，所述压缩泵出口分别连接截止阀进口、换热器热端进口，所述压缩泵出口与截止阀进口之间设置温度计和压力表，截止阀出口分别连接出真空储槽液氙截止阀出口和换热器冷端进口，出真空储槽液氙截止阀进口连接真空储槽出液口。
作为优选：所述换热器热端出口分别连接过滤器进口、截止阀进口。换热器冷端进口连接截止阀出口，截止阀进口连接斯特林制冷机冷头出口。换热器冷端出口连接斯特林制冷机冷端进口，所述过滤器出口和截止阀出口共同连接出真空储槽液氙截止阀出口、换热器冷端进口。过滤器和截止阀共同出口设置温度计。换热器热端出口分别连接换热器冷端出口、真空贮槽进液截止阀进口、液氙使用场合进液口。换热器热端进口分别连接液氙使用场合蒸发氙气出口、氙气截止阀出口。真空贮槽进液截止阀出口连接真空贮槽进液口。
作为优选：所述换热器冷端进口分别连接出真空储槽液氙截止阀出口、过滤器出口、截止阀出口，出真空储槽液氙截止阀出口设置压力表，换热器冷端出口设置温度计，液氙使用场合蒸发氙气出口设置温度计，所述换热器冷端进口连接截止阀出口，截止阀进口连接GM制冷机冷头出口，GM制冷机冷头进口连接换热器冷端出口。
作为优选：所述真空贮槽气体出口分别连接着氙气截止阀进口和截止阀出口，所述截止阀进口连接低温吸附器出口，低温吸附器进口连接截止阀出口，截止阀进口连接原料氙气出口。
作为优选：所述低温吸附器放置于液氮杜瓦内。液氮罐出口连接液氮截止阀进口，液氮截止阀出口连接液氮杜瓦液氮进口，液氮杜瓦氮气出口分别连接氮气安全阀进口、氮气排空阀进口。氮气安全阀出口连接大气，氮气排空阀出口连接大气。
一种液氙冷却、氙气再液化方法为：
步骤1：启动前，需对整个装置管道抽真空，保证系统真空度不大于1Pa。抽真空完成后，关闭系统所有阀门。测试系统仪表，保证测量的准确性。
步骤2：液氙使用场合使用液氙，蒸发氙气和剩余液氙作为本发明装置的循环原料主要来源。缓慢打开阀门，液氙使用场合的剩余液氙进入本发明装置。根据剩余液氙的温度和压力，存在两条流路：① 当剩余液氙温度、压力变化较小时，缓慢打开阀门，剩余液氙回真空储槽；② 当剩余液氙温度上升较大、压力减小较大时，阀门保持关闭，缓慢打开阀门，启动压缩泵，剩余液氙加压；
步骤3：开启斯特林制冷机，打开阀门，为换热器提供冷量。加压剩余液氙出压缩机后，有两条流路：① 当加压剩余液氙温度上升不大时，可缓慢打开阀门，部分加压剩余液氙不经过换热器，直接进入换热器冷端进口；② 当加压剩余液氙温度上升显著时，保持阀门关闭，剩余液氙通过换热器热端冷却。
步骤4：冷却后加压剩余液氙存在两条流路：① 冷却后加压剩余液氙纯度合格，缓慢打开阀门，冷却后加压剩余液氙直接进入换热器冷端进口；② 冷却后加压剩余液氙纯度下降，保持阀门关闭，冷却后加压剩余液氙通过低温过滤器纯化后直接进入换热器冷端进口。
步骤5：，阀门（或者低温过滤器）出口设置温度计用来监控冷却后加压剩余液氙温度。缓慢打开阀门，真空储槽液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门的加压液氙）汇流，进入换热器冷端进口。阀门出口温度计监控真空储槽液氙温度。
步骤6：打开阀门，启动GM制冷机，给换热器提供冷量。真空储槽液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门的加压液氙）的汇流液经过换热器冷却后从换热器冷端出口流出，出口温度由温度计计量。与此同时，液氙使用场合蒸发氙气（温度由温度计监测）进入换热器热端进口，冷却液化后出换热器热端出口。液氙使用场合蒸发氙气液化后与出换热器冷端出口的液氙汇流，而后分成两股流路： 一股返回液氙使用场合；另一股进入真空储槽。需要指出，阀门控制进入真空储槽的液氙量，当液氙使用场合所需液氙量下降时，可增大阀门阀口开度，进入真空储槽的液氙量随着增大；反之，可减小阀门阀口开度直至关闭，以减小进入真空储槽的液氙量。
步骤7：当需要补充系统液氙量时，打开阀门，原料氙气进入低温吸附器，纯化原料氙气。缓慢打开阀门和阀门，纯化后原料氙气分为两股，一股进入真空储槽，另一股通过阀门与液氙使用场合蒸发氙气汇流，共同进入换热器热端进口。
步骤8： 纯化后原料氙气进入真空储槽有两个作用：1. 一方面真空储槽可作为氙气缓冲罐，缓冲来自原料钢瓶的高压氙气；2.可增加出真空储槽液氙的压力。
本发明公开了一种液氙冷却、氙气再液化技术及撬装装置，本发明将液氙使用场合中的剩余液氙直接输送回真空储槽；或是剩余液氙加压后通过斯特林制冷机过冷，过冷后液氙与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；或是剩余液氙加压后直接与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；本发明装置还可以利用液氮冷井，将瓶装氙气纯化，纯化后氙气既可作为系统氙气补充，也可以调整液氙出真空储槽压力。本发明装置可实现液氙的循环使用，减少了贵重稀有气体氙的损失。
附图说明
图1为本发明构成示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍，如图1所示本发明设计一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置，该装置将液氙使用场合蒸发氙气和剩余液氙作为原料，生产循环液氙，所述液氙使用场合1剩余液氙出口连接剩余液氙截止阀2进口，剩余液氙截止阀2出口分别连接回真空贮槽截止阀4进口、压缩泵进口截止阀3进口，回真空贮槽截止阀4出口连接真空贮槽35进液口，压缩泵进口截止阀3出口连接压缩泵5进口，剩余液氙截止阀2出口与回真空贮槽截止阀4进口之间设置温度计27和压力表28，所述压缩泵5出口分别连接截止阀9进口、换热器8热端进口，所述压缩泵5出口与截止阀9进口之间设置温度计30和压力表29，截止阀9出口分别连接出真空储槽液氙截止阀12出口和换热器14冷端进口37，出真空储槽液氙截止阀12进口连接真空储槽出液口。
所述换热器8热端出口分别连接过滤器11进口、截止阀10进口。换热器8冷端进口连接截止阀7出口，截止阀7进口连接斯特林制冷6机冷头出口。换热器8冷端出口连接斯特林制冷机6冷端进口，所述过滤器11出口和截止阀10出口共同连接出真空储槽液氙截止阀12出口、换热器14冷端进口37。过滤器11和截止阀10共同出口设置温度计34。换热器14热端出口36分别连接换热器14冷端出口38、真空贮槽进液截止阀13进口、液氙使用场合1进液口。换热器14热端进口39分别连接液氙使用场合1蒸发氙气出口、氙气截止阀17出口。真空贮槽进液截止阀13出口连接真空贮槽35进液口。
所述换热器14冷端进口37分别连接出真空储槽液氙截止阀12出口、过滤器11出口、截止阀10出口，出真空储槽液氙截止阀12出口设置压力表33，换热器14冷端出口38设置温度计31，液氙使用场合1蒸发氙气出口设置温度计32，所述换热器14冷端进口连接截止阀16出口，截止阀16进口连接GM制冷机15冷头出口，GM制冷机15冷头进口连接换热器14冷端出口。
所述真空贮槽35气体出口分别连接着氙气截止阀17进口和截止阀18出口，所述截止阀18进口连接低温吸附器21出口，低温吸附器21进口连接截止阀20出口，截止阀20进口连接原料氙气19出口。
所述低温吸附器21放置于液氮杜瓦26内。液氮罐22出口连接液氮截止阀23进口，液氮截止阀23出口连接液氮杜瓦26液氮进口，液氮杜瓦26氮气出口分别连接氮气安全阀25进口、氮气排空阀24进口。氮气安全阀25出口连接大气，氮气排空阀24出口连接大气。
一种液氙冷却、氙气再液化方法为：
步骤1：启动前，需对整个装置管道抽真空，保证系统真空度不大于1Pa。抽真空完成后，关闭系统所有阀门。测试系统仪表，保证测量的准确性。
步骤2：液氙使用场合1使用液氙，蒸发氙气和剩余液氙作为本发明装置的循环原料主要来源。缓慢打开阀门2，液氙使用场合1的剩余液氙进入本发明装置。根据剩余液氙的温度27和压力28，存在两条流路：① 当剩余液氙温度、压力变化较小时，缓慢打开阀门4，剩余液氙回真空储槽35；② 当剩余液氙温度上升较大、压力减小较大时，阀门4保持关闭，缓慢打开阀门3，启动压缩泵5，剩余液氙加压；
步骤3：开启斯特林制冷机6，打开阀门7，为换热器8提供冷量。加压剩余液氙出压缩机5后，有两条流路：① 当加压剩余液氙温度上升不大时，可缓慢打开阀门9，部分加压剩余液氙不经过换热器8，直接进入换热器14冷端进口37；② 当加压剩余液氙温度上升显著时，保持阀门9关闭，剩余液氙通过换热器4热端冷却。
步骤4：冷却后加压剩余液氙存在两条流路：① 冷却后加压剩余液氙纯度合格，缓慢打开阀门10，冷却后加压剩余液氙直接进入换热器14冷端进口37；② 冷却后加压剩余液氙纯度下降，保持阀门10关闭，冷却后加压剩余液氙通过低温过滤器11纯化后直接进入换热器14冷端进口37。
步骤5：，阀门10（或者低温过滤器11）出口设置温度计34用来监控冷却后加压剩余液氙温度。缓慢打开阀门12，真空储槽35液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门9的加压液氙）汇流，进入换热器14冷端进口37。阀门12出口温度计33监控真空储槽35液氙温度。
步骤6：打开阀门16，启动GM制冷机15，给换热器14提供冷量。真空储槽35液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门9的加压液氙）的汇流液经过换热器14冷却后从换热器14热端出口38流出，出口温度由温度计31计量。与此同时，液氙使用场合1蒸发氙气（温度由温度计32监测）进入换热器14热端进口39，冷却液化后出换热器14热端出口36。液氙使用场合1蒸发氙气液化后与出换热器14冷端出口38的液氙汇流，而后分成两股流路： 一股返回液氙使用场合1；另一股进入真空储槽35。需要指出，阀门13控制进入真空储槽35的液氙量，当液氙使用场合所需液氙量下降时，可增大阀门13阀口开度，进入真空储槽的液氙量随着增大；反之，可减小阀门13阀口开度直至关闭，以减小进入真空储槽35的液氙量。
步骤7：当需要补充系统液氙量时，打开阀门20，原料氙气19进入低温吸附器21，纯化原料氙气。缓慢打开阀门18和阀门17，纯化后原料氙气分为两股，一股进入真空储槽35，另一股通过阀门17与液氙使用场合1蒸发氙气汇流，共同进入换热器14热端进口39。
步骤8： 纯化后原料氙气进入真空储槽35有两个作用：1. 一方面真空储槽35可作为氙气缓冲罐，缓冲来自原料钢瓶19的高压氙气；2.可增加出真空储槽35液氙的压力。
本发明一种液氙冷却、氙气再液化技术及撬装装置，将液氙使用场合中的剩余液氙直接输送回真空储槽；或是剩余液氙加压后通过斯特林制冷机过冷，过冷后液氙与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；或是剩余液氙加压后直接与来自真空储槽液氙混合，与GM制冷机一起，为蒸发氙气液化提供冷量；本发明装置还可以利用液氮冷井，将瓶装氙气纯化，纯化后氙气既可作为系统氙气补充，也可以调整液氙出真空储槽压力。本发明装置可实现液氙的循环使用，减少贵重稀有气体氙的损失。
Claims (6)
1.一种液氙冷却、氙气再液化撬装装置，该装置将液氙使用场合蒸发氙气和剩余液氙作为原料，生产循环液氙,其特征在于所述液氙使用场合（1）剩余液氙出口连接剩余液氙截止阀（2）进口，剩余液氙截止阀（2）出口分别连接回真空贮槽截止阀（4）进口、压缩泵进口截止阀（3）进口，回真空贮槽截止阀（4）出口连接真空贮槽（35）进液口，压缩泵进口截止阀（3）出口连接压缩泵（5）进口，剩余液氙截止阀（2）出口与回真空贮槽截止阀（4）进口之间设置温度计（27）和压力表（28），所述压缩泵（5）出口分别连接截止阀（9）进口、换热器（8）热端进口，所述压缩泵（5）出口与截止阀（9）进口之间设置温度计（30）和压力表（29），截止阀（9）出口分别连接出真空储槽液氙截止阀（12）出口和换热器（14）冷端进口（37），出真空储槽液氙截止阀（12）进口连接真空储槽出液口。
2.根据权利要求1所述的液氙冷却、氙气再液化撬装装置，其特征在于所述换热器（8）热端出口分别连接过滤器（11）进口、截止阀（10）进口，换热器（8）冷端进口连接截止阀（7）出口，截止阀（7）进口连接斯特林制冷机（6）冷头出口，换热器（8）冷端出口连接斯特林制冷机（6）冷端进口，所述过滤器（11）和截止阀（10）共同出口连接出真空储槽液氙截止阀（12）出口、换热器（14）冷端进口（37），过滤器（11）出口和截止阀（10）共同出口设置温度计（34），换热器（14）热端出口（36）分别连接换热器（14）冷端出口（38）、真空贮槽进液截止阀（13）进口、液氙使用场合（1）进液口，换热器（14）热端进口（39）分别连接液氙使用场合（1）蒸发氙气出口、氙气截止阀（17）出口，真空贮槽进液截止阀（13）出口连接真空贮槽（35）进液口。
3.根据权利要求2所述的液氙冷却、氙气再液化撬装装置，其特征在于所述换热器（14）冷端进口（37）分别连接出真空储槽液氙截止阀（12）出口、过滤器（11）出口、截止阀（10）出口，出真空储槽液氙截止阀（12）出口设置压力表（33），换热器（14）冷端出口（38）设置温度计（31），液氙使用场合（1）蒸发氙气出口设置温度计（32），所述换热器（14）冷端进口连接截止阀（16）出口，截止阀（16）进口连接GM制冷机（15）冷头出口，GM制冷机（15）冷头进口连接换热器（14）冷端出口。
4.根据权利要求2所述的液氙冷却、氙气再液化撬装装置，其特征在于所述真空贮槽（35）气体出口分别连接着氙气截止阀（17）进口和截止阀（18）出口，所述截止阀（18）进口连接低温吸附器（21）出口，低温吸附器（21）进口连接截止阀（20）出口，截止阀（20）进口连接原料氙气（19）出口。
5.根据权利要求4所述的液氙冷却、氙气再液化撬装装置，其特征在于所述低温吸附器（21）放置于液氮杜瓦（26）内，液氮罐（22）出口连接液氮截止阀（23）进口，液氮截止阀（23）出口连接液氮杜瓦（26）液氮进口，液氮杜瓦（26）氮气出口分别连接氮气安全阀（25）进口、氮气排空阀（24）进口，氮气安全阀（25）出口连接大气，氮气排空阀（24）出口连接大气。
6.一种根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的液氙冷却、氙气再液化方法为：
步骤1：启动前，需对整个装置管道抽真空，保证系统真空度不大于1Pa，抽真空完成后，关闭系统所有阀门，测试系统仪表，保证测量的准确性；
步骤2：液氙使用场合（1）使用液氙，蒸发氙气和剩余液氙作为本发明装置的循环原料主要来源，缓慢打开阀门（2），液氙使用场合（1）的剩余液氙进入本发明装置，根据剩余液氙的温度（27）和压力（28），存在两条流路：① 当剩余液氙温度、压力变化较小时，缓慢打开阀门（4），剩余液氙回真空储槽（35）；② 当剩余液氙温度上升较大、压力减小较大时，阀门（4）保持关闭，缓慢打开阀门（3），启动压缩泵（5），剩余液氙加压；
步骤3：开启斯特林制冷机（6），打开阀门（7），为换热器（8）提供冷量，加压剩余液氙出压缩机（5）后，有两条流路：① 当加压剩余液氙温度上升不大时，可缓慢打开阀门（9），部分加压剩余液氙不经过换热器（8），直接进入换热器（14）冷端进口（37）；② 当加压剩余液氙温度上升显著时，保持阀门（9）关闭，剩余液氙通过换热器（4）热端冷却；
步骤4：冷却后加压剩余液氙存在两条流路：① 冷却后加压剩余液氙纯度合格，缓慢打开阀门（10），冷却后加压剩余液氙直接进入换热器（14）冷端进口（37）；② 冷却后加压剩余液氙纯度下降，保持阀门（10）关闭，冷却后加压剩余液氙通过低温过滤器（11）纯化后直接进入换热器（14）冷端进口（37）；
步骤5：，阀门（10）（或者低温过滤器（11））出口设置温度计（34）用来监控冷却后加压剩余液氙温度，缓慢打开阀门（12），真空储槽（35）液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门（9）的加压液氙）汇流，进入换热器（14）冷端进口（37），阀门（12）出口温度计（33）监控真空储槽（35）液氙温度；
步骤6：打开阀门（16），启动GM制冷机（15），给换热器（14）提供冷量，真空储槽（35）液氙，与冷却后加压剩余液氙（或者冷却后加压剩余液氙与经过阀门（9）的加压液氙）的汇流液经过换热器（14）冷却后从换热器（14）冷端出口（38）流出，出口温度由温度计（31）计量，与此同时，液氙使用场合（1）蒸发氙气（温度由温度计（32）监测）进入换热器（14）热端进口（39），冷却液化后出换热器（14）热端出口（36），液氙使用场合（1）蒸发氙气液化后与出换热器（14）冷端出口（38）的液氙汇流，而后分成两股流路： 一股返回液氙使用场合（1）；另一股进入真空储槽（35），需要指出，阀门（13）控制进入真空储槽（35）的液氙量，当液氙使用场合所需液氙量下降时，可增大阀门（13）阀口开度，进入真空储槽的液氙量随着增大；反之，可减小阀门（13）阀口开度直至关闭，以减小进入真空储槽（35）的液氙量；
步骤7：当需要补充系统液氙量时，打开阀门（20），原料氙气（19）进入低温吸附器（21），纯化原料氙气，缓慢打开阀门（18）和阀门（17），纯化后原料氙气分为两股，一股进入真空储槽（35），另一股通过阀门（17）与液氙使用场合（1）蒸发氙气汇流，共同进入换热器（14）热端进口（39）；
步骤8：纯化后原料氙气进入真空储槽（35）有两个作用：1. 一方面真空储槽（35）可作为氙气缓冲罐，缓冲来自原料钢瓶（19）的高压氙气；2.可增加出真空储槽（35）液氙的压力。
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