CN113739514A - 氖气液化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氖气液化技术领域，公开了氖气液化装置。该氖气液化装置包括：二级制冷机，具有一级冷头和二级冷头；一级换热器，与所述一级冷头连接，由所述一级冷头为所述一级换热器提供冷量；进气管，用于将外部氖气输送至所述一级换热器进行预冷至设定温度；冷凝器，与所述二级冷头连接，由所述二级冷头为所述冷凝器提供冷量；输气管，与所述进气管连通，用于将预冷后的氖气输送至所述冷凝器，通过所述冷凝器将预冷后的氖气降温至沸点温度，液化为液氖；杜瓦罐，用于储存所述液氖；输液管，连接所述冷凝器与所述杜瓦罐，用于将所述液氖输送至所述杜瓦罐。本发明能够有效的冷却氖气，增大氖的液化率。

Description

氖气液化装置
技术领域
本发明涉及氖气液化技术领域，特别是涉及一种氖气液化装置。
背景技术
在许多研究工作中，比如高纯物质低温下霍尔系数的测量、莱塞的冷却、计算控制元件的冷却以及在高真空和超高真空的获得中，都需要制冷剂。过去使用液氢做制冷剂，由于使用不慎，致使液氢爆炸，造成严重事故。氖(Ne)是一种无色、无嗅、非易燃的稀有气体。液氖可获得24～43K范围内的使用温度，因此液氖可用来替代液氢。液氖的蒸发潜热很大，是液氢的3.3倍，即同体积液体蒸发时，从液氖获得的冷量比从液氢所获得的冷量多2.3倍。使用液氖的研究工作，可在没有附加液氮保护的普通杜瓦瓶中进行，连续工作时间可比液氢增加好几倍。且由于氖气具有惰性，氖的液化和它在冷却系统中的应用十分安全。
目前，氖气液化设备较少，较为相近的氖气液化装置为采用斯特林循环制冷机的氖液化设备，这个流程采用双极回热式制冷机做冷源，使用低温电磁阀自动排出液氖，然而低温电磁阀会产生冷损问题，其设计正确与否直接影响到液氖能否及时排出。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种氖气液化装置，能够有效的冷却氖气，增大氖的液化率。
根据本发明实施例的一种氖气液化装置，包括：
二级制冷机，具有一级冷头和二级冷头；
一级换热器，与所述一级冷头连接，由所述一级冷头为所述一级换热器提供冷量；
进气管，用于将外部氖气输送至所述一级换热器进行预冷至设定温度；
冷凝器，与所述二级冷头连接，由所述二级冷头为所述冷凝器提供冷量；
输气管，与所述进气管连通，用于将预冷后的氖气输送至所述冷凝器，通过所述冷凝器将预冷后的氖气降温至沸点温度，液化为液氖；
杜瓦罐，用于储存所述液氖；
输液管，连接所述冷凝器与所述杜瓦罐，用于将所述液氖输送至所述杜瓦罐。
根据本发明的一个实施例，还包括控温装置，所述控温装置设于所述二级冷头处，用于控制所述二级冷头的温度在沸点温度和三相点温度之间。
根据本发明的一个实施例，所述控温装置为加热丝、加热片或加热棒中的任一种。
根据本发明的一个实施例，还包括真空罩，所述一级冷头、二级冷头、一级换热器、进气管、冷凝器以及输气管均设于所述真空罩中。
根据本发明的一个实施例，还包括辐射屏，所述辐射屏设于所述真空罩内，所述一级冷头、二级冷头、一级换热器、冷凝器以及输气管均设于所述辐射屏中。
根据本发明的一个实施例，所述一级换热器内构造有环状翅片，所述环状翅片间形成约束气体流动方向的流道。
根据本发明的一个实施例，所述冷凝器内构造有若干散热翅片。根据本发明的一个实施例，所述进气管、一级冷头、一级换热器、输气管、二级冷头、冷凝器、输液管以及杜瓦罐按照氖气流向从上至下依次设置。
根据本发明的一个实施例，所述二级制冷机还包括制冷机本体，所述制冷机本体安装在所述真空罩的顶部，所述制冷机本体、所述一级冷头以及所述二级冷头依次连接。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案至少具有以下有益效果：
本发明实施例的氖气液化装置，充分利用了二级制冷机一级和二级冷量，一级换热器中换热面积足够大，使得制冷机一级冷量能够有效的冷却氖气，将其充分预冷至设定温度例如60K左右，减小二级冷头负载，增大了氖的液化率；实现了常压下使用制冷机直接做冷源进行了氖气的液化。
进一步地，由于常压下氖气的沸点温度和三相点温度相近，在制冷机二级冷头处添加控温装置，如放置加热片，精确控制二级冷头温度在沸点温度和三相点温度之间，既可以使氖气液化，又不至于使其固化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例氖气液化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例氖气液化装置中一级换热器的轴向剖视图。
附图标记：
1、制冷机本体；2、进气管；3、一级冷头；4、一级换热器；41、环状翅片；5、输气管；6、二级冷头；7、冷凝器；8、辐射屏；9、真空罩；10、输液管；11、杜瓦罐。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1所示，为本发明实施例提供的氖气液化装置，本实施例主要适用于小型氖液化装置，主要包括二级制冷机、一级换热器4、进气管2、冷凝器7、输气管5、杜瓦罐11以及输液管10。
具体地，二级制冷机具有一级冷头3和二级冷头6，二级冷头6的最低制冷温度在20K(开尔文)以下，常压下为液化氖气提供足够的冷量。冷头为制冷机向外界集中提供冷量的部位，可以视为制冷机向外界输出冷量的部件；一级冷头和二级冷头存在一个温度梯度，假设一级冷头温度为60K，二级冷头温度会低于一级冷头，相当于二级冷头的温度是在一级冷头温度的基础上又降低了一些，两个冷头的区别在于温度不同。
由于氖气具有高粘度、高密度、低热导率、汽化潜热大等特点，在传热过程中，现有技术在制冷机冷量利用方面不够完善，本实施例通过设置二级制冷机，充分利用二级制冷机一级和二级冷量，利用一级冷量对氖气预冷，利用二级冷量将预冷后的氖气冷却至沸点，为氖气顺利液化为液氖提供可靠保障。
其中，一级换热器4与所述一级冷头3连接，由所述一级冷头3为所述一级换热器4提供冷量，先将一级换热器4冷却至60K左右。
其中，进气管2将外部氖气输送至所述一级换热器4进行预冷，主要带走氖气自身的显热，并预冷至设定温度例如60K。
其中，冷凝器7与所述二级冷头6连接，由所述二级冷头6为所述冷凝器7提供冷量，温度控制在25K左右。
其中，输气管5与所述进气管2连通，用于将预冷后的氖气输送至所述冷凝器7，通过所述冷凝器7将预冷后的氖气由60K降温至沸点温度，并进一步带走氖气的相变潜热，将氖气成功液化为液氖。
其中，杜瓦罐11用于储存所述液氖，具有优良的保温性能。
其中，输液管10连接所述冷凝器7与所述杜瓦罐11，用于将经过所述冷凝器7冷却后形成的液氖输送至所述杜瓦罐11。
根据本发明的一个实施例，氖气液化装置还包括控温装置，所述控温装置设于所述二级冷头6处，用于控制所述二级冷头6的温度在沸点温度和三相点温度之间，即控制二级冷头6温度在24.4K-27.17K之间。
由于常压下氖气的沸点温度和三相点温度相近，在制冷机二级冷头6处添加该控温装置，如放置加热片，精确控制二级冷头6温度在沸点温度和三相点温度之间，既可以使氖气液化，又不至于使其固化。
根据本发明的一个实施例，所述控温装置为加热丝(图中未示出)、加热片或加热棒中的任一种，进一步地，加热丝、加热片或加热棒连接至电控设备，由电控设备控制加热温度，实现精确控温。
根据本发明的一个实施例，氖气液化装置还包括真空罩9，所述一级冷头3、二级冷头6、一级换热器4、进气管2、冷凝器7以及输气管5均设于所述真空罩9中。通过真空罩9为上述各部件提供真空环境，最大程度保证二级制冷机的制冷性能。
根据本发明的一个实施例，氖气液化装置还包括辐射屏8，所述辐射屏8设于所述真空罩9内，所述一级冷头3、二级冷头6、一级换热器4、冷凝器7以及输气管5均设于所述辐射屏8中，辐射屏8由二级制冷机的一级冷头3提供冷量，可以有效减小辐射漏热。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，所述一级换热器4内构造有环状翅片41，所述环状翅片41间形成约束气体流动方向的流道，翅片产生的流道具有约束气体流动方向的作用，图2中箭头所示方向为气体流动方向，使得氖气流在与一级换热器4壁面充分换热的同时，通过上下方向的流动，对气流进行了纯化，气体中混杂的微量杂质(如氮气)在逐步冷却的过程中固化为固体，遗留在该一级换热器4底部，不会随着气流下行继续进行下一步操作。即环状翅片41的设置不仅能够提供足够的换热面积对氖气预冷，还可以起到氖气纯化的功能。
根据本发明的一个实施例，所述冷凝器7内构造有若干散热翅片，以保证足够的换热面积，对散热翅片的形状没有特殊要求。
根据本发明的一个实施例，所述进气管2、一级冷头3、一级换热器4、输气管5、二级冷头6、冷凝器7、输液管10以及杜瓦罐11按照氖气流向从上至下依次设置，流通路径短，冷量损失小。
根据本发明的一个实施例，所述二级制冷机还包括制冷机本体1，所述制冷机本体1安装在所述真空罩9的顶部，所述制冷机本体1、所述一级冷头3以及所述二级冷头6依次连接，通过真空罩9对制冷机本体1起到固定作用，由制冷机本体1对一级冷头3以及二级冷头6起到安装固定作用。
一个具体实施例，氖气液化的过程大致为：氖气经进气管2进入一级换热器4预冷，预冷后的60K的气体通过输气管5输送至冷凝器7进行进一步冷却，由60K冷却降温至沸点温度，并相变为液氖，通过输液管10输送至杜瓦罐11中保存使用。
本发明实施例充分利用了二级制冷机一级和二级冷量，一级换热器4中换热面积足够大，使得制冷机一级冷量能够有效的冷却氖气，将其充分预冷至设定温度例如60K左右，减小二级冷头6负载，增大了氖的液化率；实现了常压下使用制冷机直接做冷源进行了氖气的液化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氖气液化装置，其特征在于，包括：
二级制冷机，具有一级冷头和二级冷头；
一级换热器，与所述一级冷头连接，由所述一级冷头为所述一级换热器提供冷量；
进气管，用于将外部氖气输送至所述一级换热器进行预冷至设定温度；
冷凝器，与所述二级冷头连接，由所述二级冷头为所述冷凝器提供冷量；
输气管，与所述进气管连通，用于将预冷后的氖气输送至所述冷凝器，通过所述冷凝器将预冷后的氖气降温至沸点温度，液化为液氖；
杜瓦罐，用于储存所述液氖；
输液管，连接所述冷凝器与所述杜瓦罐，用于将所述液氖输送至所述杜瓦罐。
2.根据权利要求1所述的氖气液化装置，其特征在于，还包括控温装置，所述控温装置设于所述二级冷头处，用于控制所述二级冷头的温度在沸点温度和三相点温度之间。
3.根据权利要求2所述的氖气液化装置，其特征在于，所述控温装置为加热丝、加热片或加热棒中的任一种。
4.根据权利要求1所述的氖气液化装置，其特征在于，还包括真空罩，所述一级冷头、二级冷头、一级换热器、进气管、冷凝器以及输气管均设于所述真空罩中。
5.根据权利要求4所述的氖气液化装置，其特征在于，还包括辐射屏，所述辐射屏设于所述真空罩内，所述一级冷头、二级冷头、一级换热器、冷凝器以及输气管均设于所述辐射屏中。
6.根据权利要求1所述的氖气液化装置，其特征在于，所述一级换热器内构造有环状翅片，所述环状翅片间形成约束气体流动方向的流道。
7.根据权利要求1所述的氖气液化装置，其特征在于，所述冷凝器内构造有若干散热翅片。
8.根据权利要求1所述的氖气液化装置，其特征在于，所述进气管、一级冷头、一级换热器、输气管、二级冷头、冷凝器、输液管以及杜瓦罐按照氖气流向从上至下依次设置。
9.根据权利要求4所述的氖气液化装置，其特征在于，所述二级制冷机还包括制冷机本体，所述制冷机本体安装在所述真空罩的顶部，所述制冷机本体、所述一级冷头以及所述二级冷头依次连接。
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