CN112129136A - 一种稳温稳压的低温冷气产生装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳温稳压的低温冷气产生装置及控制方法，该产生装置包括用于放置液氮的液氮罐、混合容器、换热器、液氮输送管道、氮气输送管道、控制器、第一加热装置、第二加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、第一控制阀和第二控制阀。本发明通过在液氮输送管道上设置换热器可以提高系统换热稳定性，并能够快速地调节所需冷气压力和温度，使其达到所需要求。通过本发明的装置产生的冷气基本与低温空气相近，且不含水蒸气，无需太多压缩功；通过本发明的控制方法可提高输出冷气温度控制的精度，使误差在1.5℃以内。

Description

一种稳温稳压的低温冷气产生装置及控制方法

技术领域

本发明属于低温技术领域，具体涉及一种稳温稳压的低温冷气产生装置及控制方法。

背景技术

制冷系统广泛应用于科学研究和工业生产。根据制冷循环不同，可以设计不同的制冷循环。主要的制冷循环有：压缩式制冷循环、吸收式制冷循环、蒸汽喷射制冷循环以及半导体制冷等。压缩式制冷循环分为压缩空气制冷循环以及压缩蒸汽制冷循环，而后者广泛应用于制冷系统工业制造。压缩式制冷循环需要消耗压缩功，且结构复杂，要利用压缩式制冷循环产生低温(如-30℃)冷气需要消耗较多的压缩功。吸附式制冷循环虽然消耗功较小，但装置一般较大，且不易维护。利用气流引射器代替压缩机，就可以在压缩式制冷循环基础上形成蒸汽喷射制冷循环，但此循环一般能达到的温度不宜低于5℃。半导体制冷主要是基于珀尔贴效应，结构较简单，但制冷量较小。

现有技术中液氮冷却主要是将液氮作为冷源去冷却其他工作介质或空气，由于换热效率影响，难以产生温度较低的空气，而且在这些系统中，对温度精度要求较低，仅要求产生一定范围的冷气或者低温环境；另一方面，如果冷气是空气，在冷却空气前需要干燥空气去除水分。另外，在进行冷气输送时，当前被动式管路绝热技术难以保证小流量冷气输运较长距离后温度变化较小，精准温度难以实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种稳温稳压的低温冷气产生装置及控制方法，解决现有的液氮作为冷气源时产生冷气的系统较为复杂，且难以产生可调的稳定的冷气。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种稳温稳压的低温冷气产生装置，包括用于放置液氮的液氮罐、混合容器、换热器、液氮输送管道、氮气输送管道、控制器、第一加热装置、第二加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、第一控制阀和第二控制阀；

所述的液氮罐上设置有第一出气口和第二出气口，所述的混合容器上设置有第一进气口、第二进气口、第三出气口；所述的第一出气口与换热器入口之间、换热器出口与第一进气口之间均连接有所述的液氮输送管道；所述的第二出气口与第二进气口之间设置有所述的氮气输送管道；

所述的换热器内设置有第一加热装置和第一温度传感器，所述的混合容器内设置有第二加热装置、第二温度传感器和压力传感器；所述的第一控制阀设置在液氮输送管道上，所述的第二控制阀设置在氮气输送管道上；

所述的控制器的输入端连接第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器，控制器的输出端连接第一加热装置、第二加热装置、第一控制阀、第二控制阀。

具体的，所述的液氮输送管道和氮气输送管道均为双层管道结构，该双层管道结构包括中心管道和包裹在中心管道外的外管道，所述的中心管道与外管道之间形成环形通道，所述的环形通道上设置有隔温冷气入口和隔温冷气出口。

进一步的，所述的混合容器上还设置有第四出气口，所述的第四出气口上设置有排气管道，所述的排气管道上设置有第三控制阀，第三控制阀与控制器的输出端连接。

具体的，所述的换热器包括换热器壳体和设置在换热器内的液氮管道，所述的第一加热装置为呈蛇形分布的加热管，所述的液氮管道与在加热管交叉设置；所述的液氮管道在换热器壳体内也呈蛇形分布。

进一步的，所述的换热器内设置有第一风扇。

优选的，所述的第二加热装置为在混合容器内呈蛇形分布的加热管。

进一步的，所述的混合容器内设置有第二风扇。

进一步的，所述的第四出气口上设置有低温冷气管道，所述的低温冷气管道上设置有流量阀和流量计；所述的流量计与控制器输入端连接，流量阀与控制器输出端连接。

本发明还公开了一种稳温稳压的低温冷气控制方法，采用本发明的低温冷气产生装置产生冷气，在产生冷气过程中，通过以下方法控制冷气的压力和温度：

监测混合容器内气体的压力和温度；

若混合容器内气体的压力低于预先设定的压力，调节第二控制阀增大液氮的供气量；

若混合容器内的压力高于预先设定的压力，调节第二控制阀减小液氮的供气量；

若混合容器内气体温度高于预先设定的温度，调节第一控制阀增大液氮供应量，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀，使混合容器内气体满足压力要求；

若混合容器内气体温度低于预先设定的温度，调节第一控制阀减小液氮供应量，启动第一加热装置和第二加热装置对液氮进行加热，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀，使混合容器内气体满足压力要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过本发明的装置产生的冷气基本与低温空气相近，且不含水蒸气，无需太多压缩功；在液氮输送管道上设置换热器可以提高系统换热稳定性，并能够快速地调节所需冷气压力和温度，使其达到所需要求；

(2)本发明通过将液氮输送管道和氮气输送管道设置双层管道结构，尽可能的避免冷气与外界进行温度交换，保证冷气在出口满足温度要求。

(3)通过本发明的控制方法可提高输出冷气温度控制的精度，使误差在1.5℃以内。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例记载的低温冷气产生装置整体示意图。

图2是本发明实施例记载的换热器结构图。

图3是本发明实施例记载的混合容器结构图。

图4是本发明实施例记载的双层管道结构示意图。

图中各标号表示为：

1-液氮罐，2-混合容器，3-换热器，4-液氮输送管道，5-氮气输送管道，6-排气管道，7-控制器，8-第一加热装置，9-第二加热装置，10-第一温度传感器，11-第二温度传感器，12-压力传感器，13-第一控制阀，14-第二控制阀，15-第三控制阀，16-低温冷气管道，17-流量阀，18-流量计；

101-第一出气口，102-第二出气口；

201-第一进气口，202-第二进气口，203-第三出气口，204-第四出气口，205-容器壳体，206-第二风扇；

301-换热器壳体，302-液氮管道，303-第一风扇；

401-中心管道，402-外管道，403-环形通道，404-隔温冷气入口，405-隔温冷气出口。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

实施例1

本实施例公开了一种稳温稳压的低温冷气产生装置，如图1所示，该装置包括用于放置液氮的液氮罐1、混合容器2、换热器3、液氮输送管道4、氮气输送管道5、控制器7、第一加热装置8、第二加热装置9、第一温度传感器10、第二温度传感器11、压力传感器12、第一控制阀13和第二控制阀14。

液氮置于液氮罐1内，液氮在此液氮罐1可以初步汽化生成氮气。在液氮罐1上设置有第一出气口101和第二出气口102，其中，第一出气口101输出液氮，第二出气口输出氮气。生成的氮气可提供足够的压力将液氮输入到第一出气口101和第二出气口102处。本实施例中采用的液氮罐1为市面上购买的成熟产品，液氮罐1上还设置有气压计，用于显示液氮罐的压力。

在混合容器2上设置有第一进气口201、第二进气口202、第三出气口203，其中，第三出气口用于排出低温冷气。本发明还可在第一进气口201处设置一个液氮阀门，在第二进气口202处设置一个氮气阀门，这两处的阀门作为液氮和氮气流通的开启、关闭阀门。

在第一出气口101与换热器3入口之间、换热器3出口与第一进气口201之间均连接有液氮输送管道4，液氮输送管道4用于输送液氮。第二出气口102与第二进气口202之间设置氮气输送管道5，氮气输送管道5用于输送氮气。部分液氮在液氮罐1汽化后通过氮气输送管道5进入混合容器2，与混合容器2内的液氮进一步混合，液氮在混合容器2中进一步进行汽化，从而产生高压低温冷气。本实施例通过在液氮输送管道4上设置第一控制阀13，氮气输送管道5上设置第二控制阀14，控制液氮输出流量的大小。

本实施例通过在液氮罐1和混合容器2之间设置两路液氮输送管道，并在液氮输送管道4上设置有换热器3，一方面可以提高系统换热稳定性，另一方面在调节混合容器2内气体温度和压力时候，能够快速地调节所需冷气压力和温度，使其达到所需要求。

在换热器3内设置有第一加热装置8和第一温度传感器10，其中第一加热装置8用于加热液氮输送管道4上的液氮，第一温度传感器10用于监测第一加热装置8的温度。在本实施例中，如图2所示，换热器3包括换热器壳体301和设置在换热器301内的液氮管道302，液氮管道302两端与液氮输送管道4连接。因为液氮温度较低，不宜采用水等和液氮进行换热，因此直接采用空气进行换热。

作为本实施例的优选方案，第一加热装置8为呈蛇形分布的加热管，液氮管道302与在加热管交叉设置，且液氮管道302在换热器壳体301内也呈蛇形分布，这样增加了换热接触面积。

作为本实施例的另一优选方案，在换热器3内设置有第一风扇303，第一风扇303设置在换热器壳体301的底部，提高了换热效率。

在混合容器2内设置有第二加热装置9、第二温度传感器11和压力传感器12。在本实施例中，如图3所示，混合容器2包括容器壳体205，并在容器壳体205上设置有隔温结构或者外部包裹有保温材料。

作为本实施例的优选方案，第二加热装置9为在混合容器2内呈蛇形分布的加热管，增加了换热接触面积。

作为本实施例的另一优选方案，在混合容器2内设置有第二风扇206，第二风扇206设置在容器壳体205底部，提高换热效率。

本实施例中的控制器7的输入端连接第一温度传感器10、第二温度传感器11、压力传感器12，控制器7的输出端连接第一加热装置8、第二加热装置9、第一控制阀13、第二控制阀14。控制器7根据第一温度传感器10、第二温度传感器11以及压力传感器12的反馈情况，来控制第一加热装置8、第二加热装置9、第一控制阀13、第二控制阀14的开启和关闭。控制器7内安装有控制芯片。

作为本实施例的另一优选方案，混合容器2上还设置有第四出气口204，第四出气口204上设置有排气管道6，排气管道6上设置有第三控制阀15，第三控制阀15与控制器7的输出端连接。

本实施例中的第一控制阀13、第二控制阀14、第三控制阀15均为电磁阀，为可购买的成熟产品。

作为本实施例的另一优选方案，为了减少输送管道内的冷气与外界换热，将液氮输送管道4和氮气输送管道5均为双层管道结构，如图4所示。该双层管道结构包括中心管道401和包裹在中心管道401外的外管道402，中心管道401与外管道402之间形成环形通道403，环形通道403上设置有隔温冷气入口404和隔温冷气出口405。工作所需要的冷气从中心管道401流出，在环形通道403入口通有与工作冷气温度一样的冷气(即氮气)，并从环形通道403四周流出，由于流动中具有温度边界层，环形通道403中流动的冷气能够对内层的冷气起到一定的保温隔热作用，尽可能保证冷气在出口满足温度要求。

作为本实施例的另一优选方案，在第四出气口204上设置有低温冷气管道16，并在低温冷气管道16上设置流量阀17和流量计18；流量计18与控制器7输入端连接，流量阀17与控制器7输出端连接，控制器7根据流量计18以及需要流量调节流量阀17满足流量要求。

实施例2

本实施例公开了一种稳温稳压的低温冷气控制方法，该方法中采用实施例记载的低温冷气产生装置产生冷气，在产生冷气过程中，通过以下方法控制冷气的压力和温度：

监测混合容器2内气体的压力和温度，具体的，本实施例通过第二温度传感器11和压力传感器12监测混合容器2内的气体温度和压力。

若检测到的混合容器2内气体的压力低于预先设定的压力时，调节第二控制阀14增大液氮的供气量；若混合容器2内的压力高于预先设定的压力，调节第二控制阀14减小液氮的供气量；若调节第二控制阀14后，混合容器内的压力还高于预先设定的压力时，可开启第三控制阀15排气减压。

若混合容器2内气体温度高于预先设定的温度，调节第一控制阀13增大液氮供应量，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀14，使混合容器2内气体满足压力要求；若混合容器2内气体温度低于预先设定的温度，调节第一控制阀13减小液氮供应量，启动第一加热装置8和第二加热装置9对液氮进行加热，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀14，使混合容器内气体满足压力要求。

本实施例中，在对液氮进行加热时候，可以只启动第二加热装置8对液氮温度调节；若要快速满足温度要求，可同时启动第一加热装置8和第二加热装置9。

通过本实施例的控制方法，可以使冷气流量控制误差2％以内，输出冷气温度控制误差在1.5℃以内。

本发明的装置及其控制方法可广泛应用于需要大流量超低温度冷气的试验研究以及工业制造。

实施例3

本实施例公开了一种稳温稳压的低温冷气产生方法，包括以下步骤：

(1)打开控制器7，在控制器7上设定冷气的压力、温度和流量；本实施例的控制器7内存储有实施例2记载的控制程序。

(2)打开液氮罐1的液氮阀门以及氮气阀门；

(3)观察混合容器2内的压力和温度，此处需要注意的是，如果显示压力与温度与所需要的压力和温度相差太远，适当调整液氮罐1的第一出气口101处的液氮阀门和第二出气口102处的氮气阀门；

(4)继续观察混合容器内的压力和温度，待压力和温度满足要求后，让系统稳定运行一段时间；

(5)进行冷气方面的工作或试验等；

(6)结束后，关闭液氮罐1的液氮阀门；观察液氮罐1的压力，待其恢复到正常状态后，关闭液氮罐的氮气阀门；

(7)观察混合器2的压力和温度，等其恢复到起始状态时，关闭低温冷气管道16上的流量计18；

(8)关闭控制器7。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，包括用于放置液氮的液氮罐(1)、混合容器(2)、换热器(3)、液氮输送管道(4)、氮气输送管道(5)、控制器(7)、第一加热装置(8)、第二加热装置(9)、第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)、压力传感器(12)、第一控制阀(13)和第二控制阀(14)；

所述的液氮罐(1)上设置有第一出气口(101)和第二出气口(102)，所述的混合容器(2)上设置有第一进气口(201)、第二进气口(202)、第三出气口(203)；所述的第一出气口(101)与换热器(3)入口之间、换热器(3)出口与第一进气口(201)之间均连接有所述的液氮输送管道(4)；所述的第二出气口(102)与第二进气口(202)之间设置有所述的氮气输送管道(5)；

所述的换热器(3)内设置有第一加热装置(8)和第一温度传感器(10)，所述的混合容器(2)内设置有第二加热装置(9)、第二温度传感器(11)和压力传感器(12)；所述的第一控制阀(13)设置在液氮输送管道(4)上，所述的第二控制阀(14)设置在氮气输送管道(5)上；

所述的控制器(7)的输入端连接第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)、压力传感器(12)，控制器(7)的输出端连接第一加热装置(8)、第二加热装置(9)、第一控制阀(13)、第二控制阀(14)。

2.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的液氮输送管道(4)和氮气输送管道(5)均为双层管道结构，该双层管道结构包括中心管道(401)和包裹在中心管道(401)外的外管道(402)，所述的中心管道(401)与外管道(402)之间形成环形通道(403)，所述的环形通道(403)上设置有隔温冷气入口(404)和隔温冷气出口(405)。

3.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的混合容器(2)上还设置有第四出气口(204)，所述的第四出气口(204)上设置有排气管道(6)，所述的排气管道(6)上设置有第三控制阀(15)，第三控制阀(15)与控制器(7)的输出端连接。

4.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的换热器(3)包括换热器壳体(301)和设置在换热器(301)内的液氮管道(302)，所述的第一加热装置(8)为呈蛇形分布的加热管，所述的液氮管道(302)与在加热管交叉设置；所述的液氮管道(302)在换热器壳体(301)内也呈蛇形分布。

5.如权利要求1或4所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的换热器(3)内设置有第一风扇(303)。

6.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的第二加热装置(9)为在混合容器(2)内呈蛇形分布的加热管。

7.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的混合容器(2)内设置有第二风扇(206)。

8.如权利要求1所述的稳温稳压的低温冷气产生装置，其特征在于，所述的第四出气口(204)上设置有低温冷气管道(16)，所述的低温冷气管道(16)上设置有流量阀(17)和流量计(18)；所述的流量计(18)与控制器(7)输入端连接，流量阀(17)与控制器(7)输出端连接。

9.一种稳温稳压的低温冷气控制方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的低温冷气产生装置产生冷气，在产生冷气过程中，通过以下方法控制冷气的压力和温度：

监测混合容器(2)内气体的压力和温度；

若混合容器(2)内气体的压力低于预先设定的压力，调节第二控制阀(14)增大液氮的供气量；

若混合容器(2)内的压力高于预先设定的压力，调节第二控制阀(14)减小液氮的供气量；

若混合容器(2)内气体温度高于预先设定的温度，调节第一控制阀(13)增大液氮供应量，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀(14)，使混合容器(2)内气体满足压力要求；

若混合容器(2)内气体温度低于预先设定的温度，调节第一控制阀(13)减小液氮供应量，启动第一加热装置(8)和第二加热装置(9)对液氮进行加热，并按照上述压力调节过程调节第二控制阀(14)，使混合容器内气体满足压力要求。

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