CN115405846A - 一种液氮超低温冷井的自动补液装置 - Google Patents

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CN115405846A CN202211042205.7A CN202211042205A CN115405846A CN 115405846 A CN115405846 A CN 115405846A CN 202211042205 A CN202211042205 A CN 202211042205A CN 115405846 A CN115405846 A CN 115405846A
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宗曦华
陈志越
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黄逸佳
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余静薇
张智勇
田祥
张大义
王天龙
王轶楠
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Abstract

本发明提供一种液氮超低温冷井的自动补液装置，包括控制系统、充气泵、用于盛放液氮的液氮罐、第一液位监测器、以及液氮超低温冷井，液氮超低温冷井包括具有液氮容置腔的内腔体、密封设置在内腔体外部的外腔体、以及形成在内腔体和外腔体之间的抽空腔体，充气泵和液氮罐之间通过补气管接通，液氮罐与液氮超低温冷井的液氮容置腔之间通过补液管接通，第一液位监测器设置在液氮容置腔内、用于监测液氮容置腔内的液氮实时液位，充气泵和第一液位监测器都与控制系统通讯连接。本申请中，控制系统根据第一液位监测器来判断液氮容置腔内的液氮实时液位，进而实现了液氮超低温冷井的自动补充液氮，大幅简化了液氮超低温冷井的维护过程。

Description

一种液氮超低温冷井的自动补液装置
技术领域
本发明涉及抽真空技术领域，特别是涉及一种液氮超低温冷井的自动补液装置。
背景技术
冷井是提升抽真空效率的有效手段，而采用液氮作为冷却介质的超低温冷井，对抽真空的效率的提升更为明显。但是，由于液氮在冷井工作期间会持续挥发，导致冷井在工作一段时间后就需要对其进行补充液氮(即补液)。若补液不及时，冷井将会失效，甚至有可能导致已吸附在冷井冷壁面上的冰液化后反流到抽空腔体内，影响抽空效果。目前，液氮超低温冷井一般是采用手动补液的方式进行液氮的补充，该维护过程比较麻烦。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液氮超低温冷井的自动补液装置，实现自动补液，简化液氮超低温冷井的维护过程。
为实现上述目的，本发明提供一种液氮超低温冷井的自动补液装置，包括控制系统、充气泵、用于盛放液氮的液氮罐、第一液位监测器、以及液氮超低温冷井，所述液氮超低温冷井包括具有液氮容置腔的内腔体、密封设置在内腔体外部的外腔体、以及形成在内腔体和外腔体之间的抽空腔体，所述充气泵和液氮罐之间通过补气管接通，所述液氮罐与液氮超低温冷井的液氮容置腔之间通过补液管接通，所述第一液位监测器设置在液氮容置腔内、用于监测液氮容置腔内的液氮实时液位，所述充气泵和第一液位监测器都与控制系统通讯连接。
进一步地，所述液氮超低温冷井的自动补液装置还包括与所述补气管接通的排气管、以及安装在排气管上的排气阀，所述排气阀与控制系统通讯连接。
进一步地，所述补液管包括竖直插设在液氮罐中的第一补液管段、竖直插设在液氮超低温冷井的液氮容置腔中的第二补液管段、以及连接在第一补液管段和第二补液管段之间的第三补液管段，所述第一补液管段和第二补液管段都为硬直管，所述第三补液管段为可弯曲的柔性管。
进一步地，所述第一补液管段的下端插入至液氮罐的底部，所述第二补液管段的下端插入至内腔体的底部。
进一步地，所述第二补液管段的下端开口为斜切口。
进一步地，所述液氮超低温冷井的自动补液装置还包括与所述控制系统通讯连接的第二液位监测器，所述第二液位监测器设置在液氮罐内、用于监测液氮罐内的液氮实时液位；所述第二液位监测器安装在第一补液管段上，所述第一液位监测器安装在第二补液管段上。
进一步地，所述液氮超低温冷井还包括连接在内腔体上端、并与液氮容置腔相通的补液插接管，所述补液插接管向上延伸至外腔体的外部，所述第二补液管段穿设在补液插接管中。
进一步地，所述液氮超低温冷井还包括法兰密封结构，所述外腔体包括容纳内腔体的腔本体部，所述法兰密封结构包括固定连接在腔体本部上端的密封法兰、盖合在腔体本部上端开口处的密封法兰盖、以及设置在密封法兰和密封法兰盖之间的密封圈；所述补液插接管包括分布在密封法兰盖上部的第一管段、以及分布在密封法兰盖与内腔体之间的第二管段，所述第一管段为上下延伸的硬直管，所述第二管段为上下延伸的弹性波纹管。
进一步地，所述液氮超低温冷井的自动补液装置还包括防水罩，所述防水罩扣合在第一管段的上端开口处，所述防水罩和第一管段之间还填充有过滤部件，所述防水罩的上端与第二补液管段密封连接。
如上所述，本发明涉及的液氮超低温冷井的自动补液装置，具有以下有益效果：
本申请中，控制系统根据第一液位监测器来判断液氮容置腔内的液氮实时液位：当液氮容置腔内的液氮实时液位达到其下限时，控制系统触发补液流程开启，控制充气泵动作，促使液氮罐内的液氮经补液管流入至液氮超低温冷井的液氮容置腔中；当液氮容置腔内的液氮实时液位达到其上限时，控制系统触发补液流程关闭。因此，本申请实现了液氮超低温冷井的自动补充液氮，大幅简化了液氮超低温冷井的维护过程。
附图说明
图1为本申请中液氮超低温冷井的自动补液装置的结构示意图。
图2为本申请中液氮超低温冷井实施例一的结构示意图。
图3为本申请中液氮超低温冷井实施例二的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为本申请中液氮超低温冷井实施例三的结构示意图。
图6为本申请中液氮超低温冷井的自动补液装置的工作流程图。
元件标号说明
10 充气泵
20 液氮罐
30 液氮超低温冷井
31 内腔体
311 液氮容置腔
312 第一圆锥面
313 第一圆弧面
314 尖角部
315 冷壁面
32 外腔体
321 抽空进气口
322 抽空出气口
323 排液口
324 排液管
325 第二圆锥面
326 第二圆弧面
327 腔体本部
328 密封法兰
329 观察窗
33 抽空腔体
34 补液插接管
341 第一管段
342 第二管段
35 加热部件
36 排液阀
37 密封圈
38 密封法兰盖
40 补气管
50 补液管
51 第一补液管段
52 第二补液管段
53 第三补液管段
54 斜切口
60 排气管
70 排气阀
80 防水罩
90 过滤部件
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种液氮超低温冷井的自动补液装置，如图1所示，该自动补液装置包括控制系统、充气泵10、用于盛放液氮的液氮罐20、第一液位监测器、以及液氮超低温冷井30；其中，液氮超低温冷井30用于抽真空系统，液氮超低温冷井30包括具有液氮容置腔311的内腔体31、密封设置在内腔体31外部的外腔体32、以及形成在内腔体31和外腔体32之间的抽空腔体33，外腔体32上开设有都与抽空腔体33相通的抽空进气口321和抽空出气口322，抽空进气口321与被抽空工件连接，抽空出气口322与抽空泵连接，抽空进气口321和抽空出气口322构成液氮超低温冷井30的抽空口；充气泵10和液氮罐20之间通过补气管40接通，液氮罐20与液氮超低温冷井30的液氮容置腔311之间通过补液管50接通；第一液位监测器设置在液氮容置腔311内、用于监测液氮容置腔311内的液氮实时液位；充气泵10和第一液位监测器都与控制系统通讯连接。
上述液氮超低温冷井的自动补液装置的工作过程如下：如图6所示，控制系统根据第一液位监测器来判断液氮容置腔311内的液氮实时液位：当判断液氮容置腔311内的液氮实时液位达到其下限时，控制系统触发补液流程开启，则控制系统控制充气泵10动作、开启，充气泵10通过补气管40向液氮罐20内充气增压，进而促使液氮罐20内的液氮经补液管50流入至液氮超低温冷井30的液氮容置腔311中，向液氮超低温冷井30内注入液氮，进行液氮的补充；当判断液氮容置腔311内的液氮实时液位达到其上限时，控制系统触发补液流程关闭，则控制系统控制充气泵10停止动作，充气泵10停止向液氮罐20内充气增压，也就停止液氮罐20向液氮超低温冷井30补液。因此，本申请实现了液氮超低温冷井30的自动补充液氮，大幅简化了液氮超低温冷井30的维护过程。
优选地，液氮罐20的瓶口设有密封结构；自动补液装置在工作过程中，液氮罐20的瓶口保持密封，液氮罐20仅通过补气管40和补液管50与外界相通。
进一步地，如图1所示，液氮超低温冷井的自动补液装置还包括与补气管40接通的排气管60、以及安装在排气管60上的排气阀70，则补气管40和排气管60的相接处为三通管结构，排气阀70与控制系统通讯连接。当控制系统根据第一液位监测器的反馈判断液氮容置腔311内的液氮实时液位达到其下限时，控制系统控制充气泵10开启的同时，控制系统还控制排气阀70关闭。当控制系统根据第一液位监测器的反馈判断液氮容置腔311内的液氮实时液位达到其上限时，控制系统控制充气泵10停止动作、关闭的同时，控制系统还控制排气阀70开启，给液氮罐20泄压，从而停止补液。另外，排气管60与从排气管60处连通至液氮罐20中的这段补气管40连通为一段上下延伸的竖直管。
进一步地，如图1所示，补液管50包括竖直插设在液氮罐20中的第一补液管段51、竖直插设在液氮超低温冷井30的液氮容置腔311中的第二补液管段52、以及连接在第一补液管段51和第二补液管段52之间的第三补液管段53，第一补液管段51和第二补液管段52都为硬直管，第三补液管段53为可弯曲的柔性管，通过柔性管的设置，能够方便液氮罐20和液氮超低温冷井30的搬运。优选地，第一补液管段51的下端插入至液氮罐20的底部，能够充分利用液氮罐20内的液氮；第二补液管段52的下端插入至内腔体31的底部，将补充的液氮输送至内腔体31内的底部，提高第一液位监测器监测液氮容置腔311内的液氮实时液位的准确性。另外，第二补液管段52的下端开口为斜切口54，避免因内腔体31底部结冰而导致第二补液管段52的下端开口堵住。
进一步地，液氮超低温冷井的自动补液装置还包括与控制系统通讯连接的第二液位监测器，第二液位监测器设置在液氮罐20内、用于监测液氮罐20内的液氮实时液位；当控制系统根据第二液位监测器来判断液氮罐20内的液氮实时液位过低时，控制系统触发报警，提醒用户向液氮罐20内补充液氮。本实施例中，第二液位监测器安装在第一补液管段51上，容易调整第二液位监测器的安装高度，方便液氮罐20内的液氮实时液位的监测获取；第一液位监测器安装在第二补液管段52上，容易调整第一液位监测器的安装高度，方便内腔体31内的液氮实时液位的监测获取。
进一步地，如图1所示，液氮超低温冷井30还包括连接在内腔体31上端、并与液氮容置腔311相通的补液插接管34，补液插接管34向上延伸至外腔体32的外部，第二补液管段52穿设在补液插接管34中。补液插接管34包括分布在外腔体32外的第一管段341、以及分布在外腔体32与内腔体31之间的第二管段342，第一管段341为上下延伸的硬直管，第二管段342为上下延伸的弹性波纹管。如此，可在弹性波纹管上安装检测器，检测器用于测量弹性波纹管的变形，进而获取内腔体31内的液氮重量，也就更加准确地获取内腔体31内的液氮实时液位，最终更加准确控制内腔体31内的液氮的补给。优选地，液氮超低温冷井的自动补液装置还包括防水罩80，防水罩80扣合在第一管段341的上端开口处，防水罩80的上端与第二补液管段52为密封连接，优选为焊接密封连接或粘接密封连接；防水罩80和第一管段341之间还填充有过滤部件90，过滤部件90可以为纤维状物质，防止因水汽等进入液氮超低温冷井30而堵住补液插接管34的上端开口。
进一步地，液氮超低温冷井30中，内腔体31的外壁面为冷壁面315。如图2、或图3、或图5所示，内腔体31的主体部分和外腔体32的主体部分都为圆柱筒结构，抽空进气口321和抽空出气口322沿外腔体32的周向180°间隔分布，则抽空进气口321和抽空出气口322在外腔体32的径向上相对设置。液氮超低温冷井30可以是同心结构，即内腔体31和外腔体32同轴设置，如图2所示。优选地，液氮超低温冷井30为偏心结构，即内腔体31和外腔体32偏心设置，如图3或图5所示，且内腔体31相对于外腔体32向远离抽空进气口321、靠近抽空出气口322的方向偏心设置，使得内腔体31更加靠近外腔体32上的抽空出气口322。如此，一方面增加内腔体31的冷壁面315与抽空进气口321之间的距离，给抽空进气口321侧的水气凝结提供充足的冷凝空间，另一方面又减少内腔体31的冷壁面315与抽空出气口322之间的距离，保证抽出气体可以与内腔体31的冷壁面315充分接触，故能有效缓解凝结物堵住抽空进气口321的问题，使得液氮超低温冷井30的清理频次降低、清理效率提高、易维护，从而提升液氮超低温冷井30在抽空过程中的使用效果，最终有效提升抽空效率。
优选地，如图3和图4所示，内腔体31略微偏心：冷壁面315与抽空进气口321之间的距离L1是冷壁面315与抽空出气口322之间的距离L2的1.1～1.25倍，即距离L1为距离L2的110％～125％，距离L1和距离L2都为径向间距，避免内腔体31的过大偏心导致冷壁面315朝向抽空出气口322侧的流阻过大、而冷壁面315朝向抽空进气口321侧的流阻过小，也即使得内腔体31的冷壁面315朝向抽空进气口321和抽空出气口322的两侧流阻能达到均衡，充分发挥内腔体31的所有冷壁面315的冷凝作用。另外，如图3或图5所示，空进气口分布在外腔体32的下段部分上、靠近外腔体32的底部，抽空出气口322分布在外腔体32的上段部分上、靠近外腔体32的顶部，从而使抽空进气口321低于抽空出气口322。水汽密度低于空气，抽空进气口321偏下、抽空出气口322偏上的结构设计，有利于水汽向上飘冷凝，也能充分利用内腔体31的冷壁面315。
进一步地，如图3或图5所示，液氮超低温冷井30还包括加热部件35，加热部件35固定在内腔体31的内壁面上。本实施例中，加热部件35为电热丝，电热丝的外部包裹有绝缘隔离层，使得加热部件35与内腔体31的内壁面之间保持电隔离。加热部件35开启后，可使内腔体31的冷壁面315和外腔体32的内壁面上的冷凝水融化，简化清理流程，降低液氮超低温冷井30的清理频次和清理效率，提升液氮超低温冷井30的效率。
进一步地，如图3或图5所示，液氮超低温冷井30还包括排液阀36，内腔体31的外壁下端设有第一引流结构，外腔体32的内壁下端设有第二引流结构、开设在第二引流结构底部的排液口323、以及从排液口323处向外延伸的排液管324，第一引流结构分布在第二引流结构的正上方，排液阀36安装在排液管324上。加热部件35和排液阀36都开启后，内腔体31的冷壁面315上融化的冷凝水沿第一引流结构滑落、并滴落在外腔体32的第二引流结构上，外腔体32的第二引流结构上的冷凝水滑落至排液口323处，经排液管324排出。
优选地，第一引流结构和第二引流结构有下述两种优选结构：结构一、如图3所示，第一引流结构包括构成内腔体31底部外壁面的第一圆弧面313和设置在第一圆弧面313底部且朝下的尖角部314，尖角部314与排液口323上下正对设置，第一圆弧面313与尖角部314之间为平滑过渡，第二引流结构包括构成外腔体32底部内壁面的第二圆弧面326。抽空进气口321设置在第二圆弧面326的45°位置附近，朝向第一圆弧面313的冷壁面315。结构二、如图5所示，内腔体31的主体部分和外腔体32的主体部分都为圆柱筒结构，第一引流结构包括构成内腔体31底部外壁面的第一圆锥面312和设置在第一圆锥面312底部且朝下的尖角部314，尖角部314与排液口323上下正对设置，第一圆锥面312与尖角部314之间为平滑过渡，第二引流结构包括构成外腔体32底部内壁面的第二圆锥面325。这两个结构中，内腔体31的主体部分的下端与第一引流结构之间平滑过渡，尖角部314分布在内腔体31外壁面的最低端；外腔体32的主体部分的下端与第二引流结构之间也平滑过渡，排液口323分布在外腔体32内壁面的最低端。
进一步地，如图3或图5所示，外腔体32上开设有观察窗329，观察窗329连通抽空腔体33和外腔体32的外部；通过观察窗329可以方便地观察液氮超低温冷井30内的冷凝程度，再决定是否需要清理。观察窗329设置在外腔体32的主体部分的下端处，观察窗329高于抽空进气口321、但低于抽空出气口322。另外，观察窗329还对准抽空进气口321的中心轴线与内腔体31的焦点。
进一步地，如图2或图3或图5所示，液氮超低温冷井30还包括法兰密封结构，外腔体32包括容纳内腔体31的腔本体部327，法兰密封结构包括固定连接在腔体本部327上端的密封法兰328、盖合在腔体本部327上端开口处的密封法兰盖38、以及设置在密封法兰328和密封法兰盖38之间的密封圈37，补液插接管34密封穿设在密封法兰盖38中。密封法兰328为环形结构，密封法兰328与密封法兰盖38之间可以通过数个螺栓固定连接；在设置加热部件35的前提下，密封法兰328与密封法兰盖38之间也可以直接焊接密封。补液插接管34的第一管段341分布在密封法兰盖38上部，补液插接管34的第二管段342分布在密封法兰盖38下部，也即为密封法兰盖38与内腔体31之间。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：包括控制系统、充气泵(10)、用于盛放液氮的液氮罐(20)、第一液位监测器、以及液氮超低温冷井(30)，所述液氮超低温冷井(30)包括具有液氮容置腔(311)的内腔体(31)、密封设置在内腔体(31)外部的外腔体(32)、以及形成在内腔体(31)和外腔体(32)之间的抽空腔体(33)，所述充气泵(10)和液氮罐(20)之间通过补气管(40)接通，所述液氮罐(20)与液氮超低温冷井(30)的液氮容置腔(311)之间通过补液管(50)接通，所述第一液位监测器设置在液氮容置腔(311)内、用于监测液氮容置腔(311)内的液氮实时液位，所述充气泵(10)和第一液位监测器都与控制系统通讯连接。
2.根据权利要求1所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：还包括与所述补气管(40)接通的排气管(60)、以及安装在排气管(60)上的排气阀(70)，所述排气阀(70)与控制系统通讯连接。
3.根据权利要求1所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：所述补液管(50)包括竖直插设在液氮罐(20)中的第一补液管段(51)、竖直插设在液氮超低温冷井(30)的液氮容置腔(311)中的第二补液管段(52)、以及连接在第一补液管段(51)和第二补液管段(52)之间的第三补液管段(53)，所述第一补液管段(51)和第二补液管段(52)都为硬直管，所述第三补液管段(53)为可弯曲的柔性管。
4.根据权利要求3所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：所述第一补液管段(51)的下端插入至液氮罐(20)的底部，所述第二补液管段(52)的下端插入至内腔体(31)的底部。
5.根据权利要求4所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：所述第二补液管段(52)的下端开口为斜切口(54)。
6.根据权利要求4所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：还包括与所述控制系统通讯连接的第二液位监测器，所述第二液位监测器设置在液氮罐(20)内、用于监测液氮罐(20)内的液氮实时液位；所述第二液位监测器安装在第一补液管段(51)上，所述第一液位监测器安装在第二补液管段(52)上。
7.根据权利要求3所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：所述液氮超低温冷井(30)还包括连接在内腔体(31)上端、并与液氮容置腔(311)相通的补液插接管(34)，所述补液插接管(34)向上延伸至外腔体(32)的外部，所述第二补液管段(52)穿设在补液插接管(34)中。
8.根据权利要求7所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：所述液氮超低温冷井(30)还包括法兰密封结构，所述外腔体(32)包括容纳内腔体(31)的腔本体部(327)，所述法兰密封结构包括固定连接在腔体本部(327)上端的密封法兰(328)、盖合在腔体本部(327)上端开口处的密封法兰盖(38)、以及设置在密封法兰(328)和密封法兰盖(38)之间的密封圈(37)；所述补液插接管(34)包括分布在密封法兰盖(38)上部的第一管段(341)、以及分布在密封法兰盖(38)与内腔体(31)之间的第二管段(342)，所述第一管段(341)为上下延伸的硬直管，所述第二管段(342)为上下延伸的弹性波纹管。
9.根据权利要求8所述的液氮超低温冷井的自动补液装置，其特征在于：还包括防水罩(80)，所述防水罩(80)扣合在第一管段(341)的上端开口处，所述防水罩(80)和第一管段(341)之间还填充有过滤部件(90)，所述防水罩(80)的上端与第二补液管段(52)密封连接。
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