CN114441235A - 液态金属取样装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种液态金属取样装置，包括：操作箱，接收容器，密封盖以及冷却件。操作箱内部限定有操作空间。接收容器限定有用于接收液态样品的容纳腔。接收容器具有位于顶部的开口、进液口以及出液口，其中出液口的高度高于进液口的高度，接收容器的开口位于操作空间内。密封盖位于操作空间内，用于打开或密封开口。冷却件设置于接收容器的上部周壁外表面，冷却件的顶部与操作箱的底壁外表面相接。本申请实施例的取样装置由于将冷却件的顶部与操作箱的底壁外表面相接，从而能够在对接收容器进行冷却的同时，还能够对操作箱进行冷却。

Description

液态金属取样装置

技术领域

本发明涉及液态金属取样技术领域，特别涉及一种用于液态金属取样装置。

背景技术

液态金属作为传热介质广泛地应用于化工、冶金、能源、医药及核能领域。在高温下，液态金属中的氧、氮及钙、铁等金属、非金属杂质的存在会影响其传热性能，对结构材料的力学性能、抗腐蚀性能产生不良影响。因此，需要对液态金属中的碳和氧杂质进行测量。

发明内容

本申请实施例提供了一种液态金属取样装置，其包括：

操作箱，其内部限定有操作空间；

接收容器，其限定有用于接收液态样品的容纳腔；所述接收容器具有位于顶部的开口、用于供液态样品流入所述容纳腔的进液口以及用于供液态样品流出所述容纳腔的出液口，其中所述出液口的高度高于所述进液口的高度，所述接收容器的开口位于所述操作空间内；

密封盖，位于所述操作空间内，用于打开或密封所述开口；以及

冷却件，设置于所述接收容器的上部周壁外表面，所述冷却件的顶部与所述操作箱的底壁外表面相接。

本申请实施例的取样装置由于将冷却件的顶部与操作箱的底壁外表面相接，从而能够在对接收容器进行冷却的同时，还能够对操作箱进行冷却。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的取样装置的结构示意图；

图2是图1所示取样装置的局部结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的防气溶胶件的结构示意图；以及

图4是根据本发明一个实施例的取样器的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

11、接收容器；110、容纳腔；111、进液口；112、出液口；113、进出气口；12、密封盖；13、防气溶胶件；131、本体部；132、安装部；14、冷却件；15、液位计；16、液位测量管路；

20、操作箱；201、操作空间；202、底壁；203、第一过渡箱；204、第二过渡箱；205、操作孔；21、提升件；22、取样器；221、本体；222、把手；

31、第一进出气管路；311、第一阀门；312、第二阀门；313、第三阀门；32、测压件；33、第一真空泵；34、第一惰性气体源；41、进液管路；411、进液阀门；42、出液管路；421、出液阀门。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明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发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

相关技术中，已存在对碱金属进行在线取样的取样装置。容易理解，此处的在线取样是指将碱金属回路中的碱金属通过管路引出至取样装置进行取样。相关技术中，为了防止碱金属气溶胶和热量对操作箱造成不良影响，在碱金属采样组件外部设置冷却件，同时在碱金属采样组件内腔内通过设置挡板以及隔离件减少金属气溶胶和热量传递。然而，为了安装挡板和隔离件使得碱金属采样组件内腔内部结构复杂，容易导致碱金属滞留在内腔的内壁上。

本申请的发明人发现，如果将冷却件设置为与操作箱相接，则一方面会对操作箱进行冷却，降低液态金属对操作箱的不利影响，另一方面由于远离液态金属，从而可提高冷却效果，使得仅设置一个防气溶胶件即可起到减少金属气溶胶和热量传递的作用。因此，本申请对相关技术中的碱金属取样装置进行了改进。

图1是根据本发明一个实施例的液态金属取样装置的结构示意图；图2是图1所示取样装置的局部结构示意图。参见图1和图2，本发明实施例的取样装置包括：操作箱20，接收容器11，密封盖12以及冷却件14。

操作箱20内部限定有操作空间201。

接收容器11限定有用于接收液态样品的容纳腔110。接收容器11具有位于顶部的开口、用于供液态样品流入容纳腔110的进液口111以及用于供液态样品流出容纳腔110的出液口112。其中出液口112的高度高于进液口111的高度，接收容器11的开口位于操作空间201内。

密封盖12位于操作空间201内，用于打开或密封开口。

冷却件14设置于接收容器11的上部周壁外表面，冷却件14的顶部与操作箱20的底壁202外表面相接。

本申请实施例的取样装置由于将冷却件14的顶部与操作箱20的底壁202外表面相接，从而能够在对接收容器11进行冷却的同时，还能够对操作箱20进行冷却。

容易理解，当冷却件14的上表面为沿水平面延伸的平面时，冷却件14的整个上表面均与操作箱20的底壁202外表面(即底壁202的下表面)接触，从而将冷量更好地传递至操作箱20的底壁202。当冷却件14的上表面为弧面时，弧面的部分表面与操作箱20的底壁202外表面接触。

本申请实施例由于在接收容器11的上部周壁设置冷却件14，使得接收容器11的上部周壁以及密封盖12的温度较低，从而有利于容纳腔110内的气凝胶降温冷凝。而由于液态金属的蒸气压较低，加之冷却件14的作用，即使液态金属的温度较高，液态金属气溶胶也可在冷却件14充分冷凝。

冷却件14可以为环形的冷却套。冷却套具有供冷却液流动的进口和出口，其进口和出口分别通过管路与循环冷却装置相连。从而，可利用循环的冷却液对操作箱20和接收容器11进行冷却。冷却液可以为水或其他常见的冷却介质。

密封盖12可以为密封法兰，在操作箱20内通过法兰实现将容纳腔110密封。

取样装置还可包括：防气溶胶件13。防气溶胶件13设置于容纳腔110内，且至少部分位于冷却件14的径向内侧，用于减少容纳腔110内的气溶胶的产生。

容易理解，在本申请一些实施例中，防气溶胶件13可以整个均位于冷却件14的径向内侧。即，防气溶胶件13的最上端不高于冷却件14的最上端，防气溶胶件13的最下端不低于冷却件14的最下端。

在另一些实施例中，防气溶胶件13的一部分位于冷却件14的径向内侧，其余部分延伸至高于冷却件14的最上端和/或低于冷却件14的最下端。具体地，在一些实施例中，防气溶胶件13的最上端高于冷却件14的最上端，防气溶胶件13的最下端低于冷却件14的最下端。在另一些实施例中，防气溶胶件13的最上端高于冷却件14的最上端，防气溶胶件13的最下端低于冷却件14的最上端且高于冷却件14的最下端。在另一些实施例中，防气溶胶件13的最下端低于冷却件14的最下端，防气溶胶件13的最上端低于冷却件14的最上端且高于冷却件14的最下端。

图3是根据本发明一个实施例的防气溶胶件13的结构示意图。参见图3，防气溶胶件13可以包括本体部131和安装部132。本体部131位于安装部132下方。本体部131的至少部分位于冷却件14的径向内侧。

在一些实施例中，安装部132的直径可大于容纳腔110的内直径，以使安装部132悬挂在设于容纳腔110的周壁的凸缘上。在一些实施例中，安装部132也可安装在接收容器11的开口处。从而，既便于操作，同时又使得容纳腔110的结构简单，无需额外设置承载防气溶胶件13的凸缘结构。

本体部131的直径小于容纳腔110的内直径，从而本体部131置于容纳腔110内时，与容纳腔110的周壁之间存在间隙。由于本体部131的至少部分位于冷却件14的径向内侧，相应地本体部131的周壁与容纳腔110的周壁之间的间隙部分位于冷却件14的径向内侧。因此，在本申请实施例中，由于防气溶胶件13占据容纳腔110内部一部分空间，能够防止容纳腔110内部产生大量液态金属气溶胶；并且气溶胶在沿着上述间隙向上运动的过程中，能够吸收冷却件14提供的冷量，在接收容器11的周壁和防气溶胶件13的周壁液化，并沿着接收容器11的周壁和防气溶胶件13的周壁向下流动，而不会渗入操作空间201内。

在一些实施例中，防气溶胶件13的本体部131的体积可以占容纳腔110位于出液口112上方空间(即液态金属液面上方的空间)的二分之一以上。由于本体部131占据容纳腔110中液态金属液面以上空间的一半以上，能够大大减少气溶胶的产生。

在一些实施例中，安装部132上可设置把手，便于人工将防气溶胶件13从容纳腔110中取出，或利用如下文提到的提升件21将防气溶胶件13从容纳腔110中取出。

防气溶胶件13、接收容器11以及密封盖12可均采用不锈钢材料制成。从而，冷却件14的冷量可以通过接收容器11的周壁传递至防气溶胶件13和密封盖12。

本申请实施例通过将冷却件14设置为与操作箱20相接，一方面会对操作箱20进行冷却，防止操作箱20底板过热，降低液态金属对操作箱20的不利影响，另一方面由于远离液态金属，从而可提高冷却效果，使得仅设置一个防气溶胶件13即可起到减少金属气溶胶和热量传递的作用。

在一些实施例中，本体部131的底部为自上向下渐缩的圆锥面。圆锥面可起到导流的作用，可引导金属气溶胶沿着圆锥面向上流动至上述间隙处进行冷却，之后部分气凝胶可在本体部131的周壁液化，并沿本体部131的周壁向下流动至圆锥面，并汇集在圆锥面的最低点，而后下落至液体中。

在进一步的实施例中，防气溶胶件13的底部的圆锥面部分位于冷却件14的径向内侧，以便于提高圆锥面的导流效果和冷却件14的冷却效果。

在一些实施例中，操作箱20可设置有操作孔205，该操作孔205与手套密封连接，操作者可以通过手套将手穿过操作孔205并在操作空间201内部进行操作。

在一些实施例中，接收容器11具有用于供气体进出容纳腔110的进出气口113。其中，进出气口113的高度高于出液口112的高度，冷却件14的底部高于进出气口113的高度。

相关技术中的采样装置中仅设置一组气氛调节组件，即通过同一气氛调节组件来调节操作箱20和碱金属采样组件内腔的气氛。如此设置虽然能够通过适当的布置气路合理利用资源(如真空泵和气源)，但由于气路布置在一起，容易发生误操作的问题。由于操作箱20和碱金属采样组件内腔内的气氛并不相同，误操作将会导致严重的不良后果。

因此，在本申请一些实施例中，取样装置包括：第一气氛调节组件和第二气氛调节组件。第一气氛调节组件用于调节容纳腔110内的气氛。第二气氛调节组件用于调节操作空间201内的气氛。

在一些实施例中，第二气氛调节组件与第一气氛调节组件相互独立。容易理解，此处相互独立是指第一气氛调节组件和第二气氛调节组件既没有共用的管路，也没有共用的抽气或充气的仪器。

本申请实施例的取样装置由于为容纳腔110和操作空间201设置相互独立的两套气氛调节组件，从而能够独立地调节容纳腔110和操作空间201中的气压，既降低了操作失误的概率，同时也保证了容纳腔110和操作空间201中的气压互不影响。

第一气氛调节组件包括第一进出气管路31、第一真空泵33以及第一惰性气体源34。第一进出气管路31与进出气口113相接，用于在密封盖12密封开口时向容纳腔110中供应气体或将容纳腔110中的气体抽离。第一真空泵33通过第二管路与第一进出气管路31相接。第一真空泵33配置成在打开密封盖12之前将容纳腔110中的气压抽至与操作空间201内的气压基本相同。此处的气压基本相同可以理解为容纳腔110中的气压与操作空间201内的气压的气压差不超过操作空间201内的气压的20％。

第一惰性气体源34通过第三管路与第一进出气管路31相接。第一惰性气体源34配置成在密封盖12封闭开口之后，向容纳腔110中充入气体以使容纳腔110中的气压达到工作气压。此处的工作气压与下文提及的液态金属工作回路中的压力基本相同。此处的压力基本相同可以理解为容纳腔110中的气压与液态金属工作回路中的压力的压差不超过液态金属工作回路中的压力的20％。

第一进出气管路31上设有第一阀门311，用于控制第一进出气管路31的通断。第二管路上设有第二阀门312。第三管路上设有第三阀门313。

第一进出气管路31上设置有用于测量容纳腔110内的气压的测压件32。

相关技术中，测压件32设置于操作箱20的操作空间201内，对操作空间201内的操作有干扰。因此，在本申请实施例中，将测压件32设置于操作箱20外的第一进出气管路31上，既能够满足压力监测的需要，又可减少测压件32对操作箱20内的操作的干扰。

在一些实施例中，第二气氛调节组件包括：第二进出气管路(图中未示出)、第二真空泵(图中未示出)以及第二惰性气体源(图中未示出)。第二进出气管路用于供气体进出操作空间201。第二真空泵通过管路与第二进出气管路相接。第二惰性气体源通过管路与第二进出气管路相接。

在另一些实施例中，第一气氛调节组件可以与第二气氛调节组件共用一个惰性气体源，第一气氛调节组件与第二气氛调节组件各自使用不同的真空泵。

第二真空泵用于对操作箱20的内部进行抽真空处理。第二惰性气体源用于向操作箱20的内部充注惰性气体。

第一惰性气体源34和第二惰性气体源可以为氩气源或氦气源。

容易理解，当操作箱20为市售的手套箱时，第二气氛调节组件可以为手套箱自带的循环净化装置。可以通过第二气氛调节组件对操作箱20的操作空间201进行循环净化，比如用于净化其中的水、氧气、二氧化碳、有机气体等。

在一些实施例中，操作箱20的箱体为密封性箱体，内部填充氩气。箱体正面为视窗，箱内背面为物品架，箱体侧面为第一过渡箱203和第二过渡箱204，用于将操作箱20内的物品进行转移。操作箱20还包括控制系统，用于控制操作箱20内部的气氛。

操作箱20内部设有提升件21和取样器22，提升件21用于牵引取样器22以从容纳腔110盛取液态样品。

提升件21安装于操作箱20内部顶板上，提升件21可正对接收容器11的开口。提升件21可包括一端固定的牵引绳和位于牵引绳自由端的挂钩。取样器22可固定在挂钩上，随着牵引绳伸入接收容器11内并浸入液态金属液面以下，之后在牵引绳的牵引下上升返回操作箱20内。牵引绳可以为软绳。

图4是根据本发明一个实施例的取样器22的结构示意图。参见图4，本申请实施例的取样器22可以包括：本体221和自本体221向上延伸的把手222。

由于取样器22无需长期置于容纳腔110内，因此，对取样器22无特殊材质要求。

在一些实施例中，也可由操作人员手持把手222提取液体样品。

取样装置还包括：进液管路41和出液管路42。进液管路41与进液口111相接，用于供液态样品进入容纳腔110。出液管路42与出液口112相接，用于供液态样品流出容纳腔110。

进液管路41例如可以与液态金属工作回路连通。进液管路41上设置有进液阀门411，当进液阀门411开启时，进液管路41被导通，液态金属工作回路中的液态金属流向进液管路41；当进液阀门411关闭时，进液管路41被断开，液态金属工作回路中的液态金属停止向进液管路41流动。

通过调节进液阀门411的开度可以调节金属的流量。当金属为钠时，进液阀门411可以为钠调节阀。

出液管路42用于供容纳腔110中的液态金属流出。出液管路42上设置有出液阀门421，当出液阀门421开启时，出液管路42被导通，容纳腔110中的液态金属通过出液口112流出；当出液阀门421关闭时，出液管路42被断开，容纳腔110中的液态金属停止通过出液口112流出。

出液管路42可以与液态金属工作回路连通，用于将从容纳腔110流出的液态金属送回液态金属工作回路。

取样装置还可包括液位计15，用于检测容纳腔110中液态样品的液位。接收容器11还包括液位测量管路16，其具有两个均与容纳腔110连通的端口，出液口112的高度位于液位测量管路16的两个端口的高度之间；液位计15设置在液位测量管路16中。

在一些实施例中，容纳腔110的底部形成自上向下渐缩的漏斗结构，进液口111位于漏斗结构的底部。从而，在一些情况下，可通过第一惰性气体源34向容纳腔110中充入气体，利用气压将容纳腔110中的液态样品通过进液口111全部压出容纳腔110。

在一些实施例中，接收容器11下部外壁设有加热器(图中未示出)，用于对接收容器11进行加热，以保证容纳腔110内的金属处于液态。接收容器11下部外壁还设有测温件(图中未示出)，用于测量接收容器11下部外壁的温度，以控制加热器和冷却件14的工作，防止冷却件14过冷以及防止加热器加热不足或过热。

下面以操作箱20为手套箱为例，简单描述采用本发明实施例的取样装置进行取样的方法。

a、打开第一阀门311和第三阀门313，利用第一惰性气体源34向容纳腔110内充入气体，使容纳腔110内气体的压力与液态金属工作回路中的压力基本相同。

b、打开进液阀门411和出液阀门421，将液态金属工作回路中的液体引入容纳腔110内。

c、关闭进液阀门411和出液阀门421，使接收容器11内的液态金属处于静止状态。

d、开启循环冷却装置，通过冷却件14对接收容器11上部进行冷却。

e、接通电源启动手套箱，启动手套箱的真空泵、手套箱循环净化系统、水氧检测器，将手套箱的水、氧含量净化至1μg/L以下；将手套箱内压力调节至0.05MPa(微正压)。

f、打开第一阀门311和第二阀门312，利用第一真空泵33将容纳腔110内的部分气体抽出，以使容纳腔110内的压力与手套箱内的压力大致相同，之后关闭第一真空泵33。

g、开启上部密封盖12，使用提升件21，将防气溶胶件13取出。

h、使用提升件21，将取样器22浸入接收容器11中。

i、将取样器22提升出接收容器11，待样品冷却后，通过第二过渡箱204将样品转移出手套箱。

j、将防气溶胶件13放回接收容器11，安装密封盖12。

k、与步骤a相同。

l、关闭手套箱电源和手套箱的真空泵；待接收容器11壁温降至40℃以下后，关闭循环冷却装置。

本发明实施例提供的液态金属取样装置能够安装于液态金属工作回路中，且在液态金属正常工况下接收液体样品，其获取的液体样品与液态金属工作回路的流体力学状态相似。由于取样装置采用惰性气体手套箱式结构，有效避免高温液态金属对工作人员的暴露性伤害以及环境因素对取样过程的影响，能够方便地取得有代表性的样品。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种液态金属取样装置，其特征在于，包括：

操作箱，其内部限定有操作空间；

接收容器，其限定有用于接收液态样品的容纳腔；所述接收容器具有位于顶部的开口、用于供液态样品流入所述容纳腔的进液口以及用于供液态样品流出所述容纳腔的出液口，其中所述出液口的高度高于所述进液口的高度，所述接收容器的开口位于所述操作空间内；

密封盖，位于所述操作空间内，用于打开或密封所述开口；以及

冷却件，设置于所述接收容器的上部周壁外表面，所述冷却件的顶部与所述操作箱的底壁外表面相接。

2.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，还包括：防气溶胶件，设置于所述容纳腔内，且至少部分位于所述冷却件的径向内侧，用于减少所述容纳腔内的气溶胶的产生。

3.根据权利要求2所述的取样装置，其特征在于，所述防气溶胶件包括：

本体部，其直径小于所述容纳腔的内直径，所述本体部的至少部分位于所述冷却件的径向内侧；和

安装部，位于所述本体部上方，所述安装部用于安装在所述接收容器的开口处或所述容纳腔的周壁。

4.根据权利要求3所述的取样装置，其特征在于，所述本体部的底部为自上向下渐缩的圆锥面，所述圆锥面部分位于所述冷却件的径向内侧。

5.根据权利要求3所述的取样装置，其特征在于，所述本体部的体积占所述容纳腔位于所述出液口上方空间的二分之一以上。

6.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述接收容器具有用于供气体进出所述容纳腔的进出气口，

其中，所述进出气口的高度高于所述出液口的高度，所述冷却件的底部高于所述进出气口的高度。

7.根据权利要求6所述的取样装置，其特征在于，还包括：

第一气氛调节组件，用于调节所述容纳腔内的气氛；和

第二气氛调节组件，用于调节所述操作空间内的气氛。

8.根据权利要求7所述的取样装置，其特征在于，所述第一气氛调节组件包括：

第一进出气管路，与所述进出气口相接；

第一真空泵，通过管路与所述第一进出气管路相接，配置成在打开所述密封盖之前将所述容纳腔中的气压抽至与所述操作空间内的气压基本相同；以及

第一惰性气体源，通过管路与所述第一进出气管路相接，配置成在所述密封盖封闭所述开口之后，向所述容纳腔中充入气体以使所述容纳腔中的气压达到工作气压。

9.根据权利要求8所述的取样装置，其特征在于，所述第一进出气管路上设置有用于测量所述容纳腔内的气压的测压件。

10.根据权利要求7所述的取样装置，其特征在于，所述第二气氛调节组件包括：

第二进出气管路，用于供气体进出所述操作空间；

第二真空泵，通过管路与所述第二进出气管路相接；以及

第二惰性气体源，通过管路与所述第二进出气管路相接。

11.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述容纳腔的底部形成自上向下渐缩的漏斗结构，所述进液口位于所述漏斗结构的底部。

12.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述操作箱内部设有提升件和取样器，

所述提升件用于牵引所述取样器以从所述容纳腔盛取液态样品。

13.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，还包括：

进液管路，与所述进液口相接，用于供液态样品进入所述容纳腔；和

出液管路，与所述出液口相接，用于供液态样品流出所述容纳腔。

14.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，还包括液位计，用于检测所述容纳腔中液态样品的液位；

所述接收容器还包括液位测量管路，其具有两个均与所述容纳腔连通的端口，所述出液口的高度位于所述液位测量管路的两个端口的高度之间；

所述液位计设置在所述液位测量管路中。

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