CN116105417A - 一种自动加液/自维持液氮生物保存容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动加液/自维持液氮生物保存容器，包括：液氮罐本体、电气控制系统、加液控制系统、制冷机组控制系统，其中，制冷机组控制系统通过控制器连接线连接电气控制系统，通过液氮罐本体、电气控制系统、加液控制系统、制冷机组控制系统能够实现罐底加液运行模式和自维持运行模式。本发明可以使得生物容器在单或双制冷条件下满足客户低温保存样本，如发生某一种制冷时方式无法运行时还可提供低温保存环境，如某地只有稳定的电源供电液氮供应会出现供应不足该设备即可满足纯电模式下的正常工作。本发明提供了一种稳定的、可靠的、安全的液氮供给方式代替传统的罐底加液方式，降低了罐底加液的风险。

Description

一种自动加液/自维持液氮生物保存容器

技术领域

本发明涉及液氮生物样品保存技术领域，具体而言，尤其涉及一种自动加液/自维持液氮生物保存容器。

背景技术

现有市场生产的液氮生物保存容器其制冷方式均为单一式，并且目前这种制冷方式均不可控制容器温度，在用户使用过程不能控制温度很不便捷，且单一制冷来源损坏不能及时维系低温造成样品损坏的风险。

液氮罐在初始使用时，由于频繁的进行冻存样本存储，需要消耗大量液氮进行迅速冷冻到-190℃，此时上盖频繁的打开、关闭，也需要制冷效率高的罐底加液方式，同时需要一个稳定的液氮补给来源，可以是自增压补给罐，也可以是液氮塔，但是无论哪种方式，都需要监控补给系统的液氮充足量，以及加液系统的有效性，在加液过程中，由于补给系统顶部是氮气，这部分氮气会先加入到液氮生物容器中，这就引来相对高温的氮气进入到-196℃的液氮生物容器中，引起液氮的沸腾、飞溅以及振动，对冻存样本的长期存储带来影响；当加液阀门出现无法关闭故障时，液氮会不停的加入，将样本侵泡在液氮中，容易造成交叉感染的风险。因此随着冻存样本的批量存入，对于罐底加液的风险就越来越大，需要一种稳定的、可靠的、安全的液氮供给代替传统的罐底加液方式。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种自动加液/自维持液氮生物保存容器。本发明可以使得生物容器在单或双制冷条件下满足客户低温保存样本，如发生某一种制冷时方式无法运行时还可提供低温保存环境，如某地只有稳定的电源供电液氮供应会出现供应不足该设备即可满足纯电模式下的正常工作。

本发明采用的技术手段如下：

一种自动加液/自维持液氮生物保存容器，包括：液氮罐本体、电气控制系统、加液控制系统、制冷机组控制系统，其中，制冷机组控制系统通过控制器连接线连接电气控制系统，通过液氮罐本体、电气控制系统、加液控制系统、制冷机组控制系统能够实现罐底加液运行模式和自维持运行模式。

进一步地，所述液氮罐本体包括液氮存储罐、样本存储室、内罐、外罐以及上盖体；其中：

液氮存储罐，包括储罐加液管、与储罐加液管连接的储罐罐体以及与储罐罐体连接的储罐气体口；

样本存储室设置在内罐的内部，内罐设置在外罐的内部，外罐的顶部设置有上盖体；

上盖体，包括取物口、上盖以及上盖电子锁。

进一步地，所述电气控制系统包括罐口温度传感器、液位传感器、电源进口、保险丝、开关电源、继电器、PLC控制器、液位计处理器、蜂鸣器以及触摸屏，其中：

罐口温度传感器，设置在内罐的内部，用于检测内罐的温度；

液位传感器，设置在储罐罐体的内部，用于监测储罐罐体的液位；

电源进口、保险丝、开关电源、继电器、PLC控制器、液位计处理器、蜂鸣器以及触摸屏电性连接，形成电气控制控制电路。

进一步地，所述加液控制系统包括连接管、储罐加液手阀、罐底加液手阀、自动加液电磁阀、安全阀、加液口、高温热氮气排除口、高温热氮气排出电磁阀、加液温度探头，其中：

连接管连接储罐加液手阀；罐底加液手阀连接自动加液电磁阀；安全阀连接在与加液口连通的加液管上；高温热氮气排除口连接高温热氮气排出电磁阀；加液温度探头连接在自动加液电磁阀的后端加液管上。

进一步地，所述制冷机组控制系统包括制冷机冷头、气库、导气管、气库支架、压缩机、风扇、外壳、制冷机控制器、引压管、压力传感器以及储罐排气手阀；其中：

制冷机冷头连接储罐气体口；气库连接制冷机冷头；导气管连接气库；气库支架连接气库；压缩机连接风扇并放置在外壳内；制冷机控制器通过控制器连接线连接电气控制系统；引压管连接压力传感器；储罐排气手阀连接与高温热氮气排除口连通的高温热氮气排除管道。

进一步地，所述罐底加液运行模式具体为：当需要频繁出入库操作时，启动自动加液模式，制冷机组不启动，包括以下控制功能及控制逻辑：

自动充液控制逻辑：当罐口温度实际值大于罐内温度设定值的条件下，且满足自动加液周期或者达到开始充液液位，自动填充控制逻辑启动；当启动自动填充功能后，PLC控制器检测进液控制温度，当进液温度实际值大于等于热氮气排出温度设定值，打开高温热氮气排出阀，排除高温气体；当进液温度实际值小于热氮气排出温度设定值，关闭高温热氮气排出阀，打开进液电磁阀，开始供液；

停止充液条件：罐口温度实际值小鱼停止充液设定值，或实际液位值大于等于停止充液液位且延时60s，停止自动填充；

手动填充条件：启动充液，通过触摸屏手动填充按钮，如果不满足停止填充条件，启动自动充液逻辑，包含高温热氮气排出；停止充液，充液期间通过触摸屏手动停止充液按钮，或满足停止充液条件，自动停止填充；

除雾：上电后，检测到罐盖打开，开启自动除雾，时间为自动除雾时长，经过自动除雾时长后，自动停止除雾；自动除雾后，手动按住触摸屏功能键或者除雾按钮，进行手动除雾，松开停止；

防液氮满溢：

第一级、进液电磁阀故障：当“进液电磁阀故障是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时后，比较两次液位差，第二次检测值减去第一次检测值大于50mm，则启动进液电磁阀故障报警，表示电磁阀未有效关闭；

第二级、液氮满溢报警：当“液氮满溢是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时，如果灌口温度实际值小于等于液氮满溢温度设定值，则触发液氮满溢报警，表示液氮已经接近罐口温度探头位置；

快速制冷：上电后，罐口温度传感器无故障，罐盖打开时间超过快速制冷延时，且罐口温度大于罐内温度设定值，开启快速制冷；当罐口温度小于“快速制冷停止温度”时，停止加液。

进一步地，所述自维持运行模式具体为：当罐内进行了大量的冻存样本，或者用户补给端供液不便捷，需要采用电能制冷时，开启“自维持模式”，包括：

首次加液手工操作：

打开排气手阀，手动打开进液电磁阀，缓慢打开罐底加液手阀进行内罐的空气外排及预冷，待罐内有少量液氮后，缓慢打开进液手阀，此时排气口将有氮气排出，为正常现象，排气压力稳定后或罐内液氮由内转体平台溢出，关闭罐底加液手阀，继续加液，直至储罐液位达到设定值时，关闭供给系统出液阀门，完成首次加液；罐体预冷24h，预冷过程中，排气手阀为开启状态；关闭排气手阀，手动启动制冷机；

开启自动运行模式：

制冷机进行PID算法运行控制，通过储罐的压力传感器将电压值输出给PLC控制器，PLC控制器进行PID运算，计算出需求的电压值给制冷机控制器，制冷机执行命令，控制压缩机的功率。

进一步地，所述自维持运行模式下，制冷机制冷原理如下：

所述制冷机组控制系统中的压缩机通过连接管与气库连接，气库内的介质为氦气，液化后的温度可低至-272.2℃；

压缩机通过电能转换成机械能进行往复运动，气库内的氦气被热能加热而温度上升，受热气体体积膨胀，膨胀过程也同时被推入温度较低的区域而又会失热收缩；

同时，膨胀气体产生压力波以声速向外传播，在连接管、气库中产生声波反射，反射回波将受冷失热的气体再次推回到加热区域，进而再次膨胀，以此循环往复形成一个热-声自激过程；

制冷机的冷头产生液氦温度-272.2℃，当储罐内的液氮挥发出氮气，遇到-272.2℃的更低温度液化成液氮低落回储罐内部，最终实现电能转换成化学能的过程。

进一步地，在所述罐底加液运行模式和自维持运行模式下，均会触发报警提示以及蜂鸣器鸣叫，具体包括：

高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值时，则触发报警；

超高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值，则触发报警；

高液位报警：当检测的液位高度大于高液位报警值，则触发报警；

低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

超低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

长时间开盖报警：当检测的开盖时间大于上时间开盖报警值，则触发报警；

罐口温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

进液温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

液位传感器故障报警：当传感器断路，700mm≤测量值≤-50mm时，则触发报警；

断电报警：断电后，支持蜂鸣器报警，触摸屏低电量显示。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的自动加液/自维持液氮生物保存容器，能够实现罐底加液运行模式和自维持运行模式，可以使得生物容器在单或双制冷条件下满足客户低温保存样本，如发生某一种制冷时方式无法运行时还可提供低温保存环境，如某地只有稳定的电源供电液氮供应会出现供应不足该设备即可满足纯电模式下的正常工作。

2、本发明提供的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其自维持功能运行适用于以下场景：a.城市中心、偏远地区无液氮供应渠道；b.提高存储效率，减少液氮补给的繁琐性；c.液氮供应价格昂贵；d.科研、军工单位不允许加液人员的频繁出入；e.人工成本大，无法监管加液人员的操作；f.杜绝加液振动对细胞的损伤；g.杜绝样本浸泡在液氮中；h.保护操作人员，避免有与液氮相接触的风险；h.多地震国家对电能的依赖。

基于上述理由本发明可在液氮生物样品保存等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明液氮生物保存容器的主视图。

图2为本发明液氮生物保存容器的内部结构图。

图3为本发明液氮生物保存容器的侧视图。

图4为本发明液氮生物保存容器的俯视图

图5为本发明图4的A-A剖面图。

图中：1、液氮罐本体；1-1、储罐加液管；1-2、储罐罐体；1-3、储罐气体口；2、样本存储室；3、内罐(含保温材料、真空层)；4、外罐；5、上盖体；5-1、取物口；5-2、上盖；5-3、上盖电子锁；6、电气控制系统；6-1、罐口温度传感器；6-2、液位传感器；6-3、电源进口；6-4、保险丝；6-5、开关电源；6-6、继电器；6-7、PLC控制器；6-8、液位计处理器；6-9、蜂鸣器；6-10、触摸屏；7、加液控制系统；7-1、连接管；7-2、储罐加液手阀；7-3、罐底加液手阀；7-4、自动加液电磁阀；7-5、安全阀；7-6、加液口；7-7、高温热氮气排除口；7-8、高温热氮气排出电磁阀；7-9、加液温度检测口；8、制冷机组控制系统；8-1、制冷机冷头；8-2、气库；8-3、导气管；8-4、气库支架；8-5、压缩机；8-6、风扇；8-7、外壳；8-8、制冷机控制器；8-9、引压管；8-10、压力传感器；8-11、储罐排气手阀；9、控制器连接线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-5所示，本发明提供了一种自动加液/自维持液氮生物保存容器，包括：液氮罐本体1、电气控制系统6、加液控制系统7、制冷机组控制系统8，其中，制冷机组控制系统8通过控制器连接线9连接电气控制系统6，通过液氮罐本体1、电气控制系统6、加液控制系统7、制冷机组控制系统8能够实现罐底加液运行模式和自维持运行模式。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图2，所述液氮罐本体1包括液氮存储罐、样本存储室2、内罐3、外罐4以及上盖体5；其中：

液氮存储罐，包括储罐加液管1-1、与储罐加液管1-1连接的储罐罐体1-2以及与储罐罐体1-2连接的储罐气体口1-3；

样本存储室2设置在内罐3的内部，内罐3设置在外罐4的内部，外罐4的顶部设置有上盖体5；

上盖体5，包括取物口5-1、上盖5-2以及上盖电子锁5-3。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图4，所述电气控制系统6包括罐口温度传感器6-1、液位传感器6-2、电源进口6-3、保险丝6-4、开关电源6-5、继电器6-6、PLC控制器6-7、液位计处理器6-8、蜂鸣器6-9以及触摸屏6-10，其中：

罐口温度传感器6-1，设置在内罐3的内部，用于检测内罐3的温度；

液位传感器6-2，设置在储罐罐体1-2的内部，用于监测储罐罐体1-2的液位；

电源进口6-3、保险丝6-4、开关电源6-5、继电器6-6、PLC控制器6-7、液位计处理器6-8、蜂鸣器6-9以及触摸屏6-10电性连接，形成电气控制控制电路。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图4，所述加液控制系统7包括连接管7-1、储罐加液手阀7-2、罐底加液手阀7-3、自动加液电磁阀7-4、安全阀7-5、加液口7-6、高温热氮气排除口7-7、高温热氮气排出电磁阀7-8、加液温度探头7-9其中：

连接管7-1连接储罐加液手阀7-2；罐底加液手阀7-3连接自动加液电磁阀7-4；安全阀7-5连接在与加液口7-6连通的加液管上；高温热氮气排除口7-7连接高温热氮气排出电磁阀7-8；加液温度探头7-9连接在自动加液电磁阀7-4的后端加液管上。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图4，所述制冷机组控制系统8包括制冷机冷头8-1、气库8-2、导气管8-3、气库支架8-4、压缩机8-5、风扇8-6、外壳8-7、制冷机控制器8-8、引压管8-9、压力传感器8-10以及储罐排气手阀8-11；其中：

制冷机冷头8-1连接储罐气体口1-3；气库8-2连接制冷机冷头8-1；导气管8-3连接气库8-2；气库支架8-4连接气库8-2；压缩机8-5连接风扇8-6并放置在外壳8-7内；制冷机控制器8-8通过控制器连接线9连接电气控制系统6；引压管8-9连接压力传感器8-10；储罐排气手阀8-11连接与高温热氮气排除口7-7连通的高温热氮气排除管道。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述罐底加液运行模式具体为：当需要频繁出入库操作时，启动自动加液模式，制冷机组不启动，包括以下控制功能及控制逻辑：

自动充液控制逻辑：当罐口温度实际值大于罐内温度设定值的条件下，且满足自动加液周期或者达到开始充液液位，自动填充控制逻辑启动；当启动自动填充功能后，PLC控制器6-7检测进液控制温度，当进液温度实际值大于等于热氮气排出温度设定值，打开高温热氮气排出阀7-8，排除高温气体；当进液温度实际值小于热氮气排出温度设定值，关闭高温热氮气排出阀7-8，打开进液电磁阀7-4，开始供液；

停止充液条件：罐口温度实际值小鱼停止充液设定值，或实际液位值大于等于停止充液液位且延时60s，停止自动填充；

手动填充条件：启动充液，通过触摸屏手动填充按钮，如果不满足停止填充条件，启动自动充液逻辑，包含高温热氮气排出；停止充液，充液期间通过触摸屏6-10手动停止充液按钮，或满足停止充液条件，自动停止填充；

除雾：上电后，检测到罐盖打开，开启自动除雾，时间为自动除雾时长，经过自动除雾时长后，自动停止除雾；自动除雾后，手动按住触摸屏功能键或者除雾按钮，进行手动除雾，松开停止；

防液氮满溢：

第一级、进液电磁阀故障：当“进液电磁阀故障是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时后，比较两次液位差，第二次检测值减去第一次检测值大于50mm，则启动进液电磁阀故障报警，表示电磁阀未有效关闭；

第二级、液氮满溢报警：当“液氮满溢是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时，如果灌口温度实际值小于等于液氮满溢温度设定值，则触发液氮满溢报警，表示液氮已经接近罐口温度探头位置；

快速制冷：上电后，罐口温度传感器6-1无故障，罐盖打开时间超过快速制冷延时，且罐口温度大于罐内温度设定值，开启快速制冷；当罐口温度小于“快速制冷停止温度”时，停止加液。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述自维持运行模式具体为：当罐内进行了大量的冻存样本，或者用户补给端供液不便捷，需要采用电能制冷时，开启“自维持模式”，包括：

首次加液手工操作：

打开排气手阀8-11，手动打开进液电磁阀7-4，缓慢打开罐底加液手阀7-3进行内罐3的空气外排及预冷，待罐内有少量液氮后，缓慢打开进液手阀7-2，此时排气口7-7将有氮气排出，为正常现象，排气压力稳定后或罐内液氮由内转体平台溢出，关闭罐底加液手阀7-3，继续加液，直至储罐液位达到设定值时，关闭供给系统出液阀门，完成首次加液；罐体预冷24h，预冷过程中，排气手阀8-11为开启状态；关闭排气手阀8-11，手动启动制冷机；

开启自动运行模式：

制冷机进行PID算法运行控制，通过储罐的压力传感器8-10(4～20mA模拟量信号)将电压值输出给PLC控制器6-7，PLC控制器6-7进行PID运算，计算出需求的电压值给制冷机控制器8-8，制冷机执行命令，控制压缩机8-5的功率。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述自维持运行模式下，制冷机制冷原理如下：

采用热声效应，实质上是热能和机械能通过声波(或称为“压力波”)进行的能量转换过程。在本实施例中，所述制冷机组控制系统8中的压缩机8-5通过连接管8-3与气库8-2连接，气库8-2内的介质为氦气，液化后的温度可低至-272.2℃；

压缩机8-5通过电能转换成机械能进行往复运动，气库8-2内的氦气被热能加热而温度上升，受热气体体积膨胀，膨胀过程也同时被推入温度较低的区域而又会失热收缩；

同时，膨胀气体产生压力波(即声波)以声速向外传播，在连接管8-3、气库8-2中产生声波反射，反射回波将受冷失热的气体再次推回到加热区域，进而再次膨胀，以此循环往复形成一个热-声自激过程；

因为声波的纵波特性，气体在不同空间位置因相位的不同而压缩或膨胀，结合机械结构的声学谐振特性，不同区域形成不对秤的膨胀与压缩，也就导致温场分布发生变化，形成泵热效应，利用逆热声效应，通过合理的声学设计，由压力波发生器、回热器和调相机构可以构造出制冷机，制冷机的冷头8-1产生液氦温度-272.2℃，当储罐内的液氮挥发出氮气，遇到-272.2℃的更低温度液化成液氮低落回储罐内部，最终实现电能转换成化学能的过程。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，在所述罐底加液运行模式和自维持运行模式下，均会触发报警提示以及蜂鸣器鸣叫，具体包括：

高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值时，则触发报警；

超高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值，则触发报警；

高液位报警：当检测的液位高度大于高液位报警值，则触发报警；

低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

超低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

长时间开盖报警：当检测的开盖时间大于上时间开盖报警值，则触发报警；

罐口温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

进液温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

液位传感器故障报警：当传感器断路，700mm≤测量值≤-50mm时，则触发报警；

断电报警：断电后，支持蜂鸣器报警，触摸屏低电量显示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，包括：液氮罐本体(1)、电气控制系统(6)、加液控制系统(7)、制冷机组控制系统(8)，其中，制冷机组控制系统(8)通过控制器连接线(9)连接电气控制系统(6)，通过液氮罐本体(1)、电气控制系统(6)、加液控制系统(7)、制冷机组控制系统(8)能够实现罐底加液运行模式和自维持运行模式。

2.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述液氮罐本体(1)包括液氮存储罐、样本存储室(2)、内罐(3)、外罐(4)以及上盖体(5)；其中：

液氮存储罐，包括储罐加液管(1-1)、与储罐加液管(1-1)连接的储罐罐体(1-2)以及与储罐罐体(1-2)连接的储罐气体口(1-3)；

样本存储室(2)设置在内罐(3)的内部，内罐(3)设置在外罐(4)的内部，外罐(4)的顶部设置有上盖体(5)；

上盖体(5)，包括取物口(5-1)、上盖(5-2)以及上盖电子锁(5-3)。

3.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述电气控制系统(6)包括罐口温度传感器(6-1)、液位传感器(6-2)、电源进口(6-3)、保险丝(6-4)、开关电源(6-5)、继电器(6-6)、PLC控制器(6-7)、液位计处理器(6-8)、蜂鸣器(6-9)以及触摸屏(6-10)，其中：

罐口温度传感器(6-1)，设置在内罐(3)的内部，用于检测内罐(3)的温度；

液位传感器(6-2)，设置在储罐罐体(1-2)的内部，用于监测储罐罐体(1-2)的液位；

电源进口(6-3)、保险丝(6-4)、开关电源(6-5)、继电器(6-6)、PLC控制器(6-7)、液位计处理器(6-8)、蜂鸣器(6-9)以及触摸屏(6-10)电性连接，形成电气控制控制电路。

4.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述加液控制系统(7)包括连接管(7-1)、储罐加液手阀(7-2)、罐底加液手阀(7-3)、自动加液电磁阀(7-4)、安全阀(7-5)、加液口(7-6)、高温热氮气排除口(7-7)、高温热氮气排出电磁阀(7-8)、加液温度探头(7-9)其中：

连接管(7-1)连接储罐加液手阀(7-2)；罐底加液手阀(7-3)连接自动加液电磁阀(7-4)；安全阀(7-5)连接在与加液口(7-6)连通的加液管上；高温热氮气排除口(7-7)连接高温热氮气排出电磁阀(7-8)；加液温度探头(7-9)连接在自动加液电磁阀(7-4)的后端加液管上。

5.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述制冷机组控制系统(8)包括制冷机冷头(8-1)、气库(8-2)、导气管(8-3)、气库支架(8-4)、压缩机(8-5)、风扇(8-6)、外壳(8-7)、制冷机控制器(8-8)、引压管(8-9)、压力传感器(8-10)以及储罐排气手阀(8-11)；其中：

制冷机冷头(8-1)连接储罐气体口(1-3)；气库(8-2)连接制冷机冷头(8-1)；导气管(8-3)连接气库(8-2)；气库支架(8-4)连接气库(8-2)；压缩机(8-5)连接风扇(8-6)并放置在外壳(8-7)内；制冷机控制器(8-8)通过控制器连接线(9)连接电气控制系统(6)；引压管(8-9)连接压力传感器(8-10)；储罐排气手阀(8-11)连接与高温热氮气排除口(7-7)连通的高温热氮气排除管道。

6.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述罐底加液运行模式具体为：当需要频繁出入库操作时，启动自动加液模式，制冷机组不启动，包括以下控制功能及控制逻辑：

自动充液控制逻辑：当罐口温度实际值大于罐内温度设定值的条件下，且满足自动加液周期或者达到开始充液液位，自动填充控制逻辑启动；当启动自动填充功能后，PLC控制器(6-7)检测进液控制温度，当进液温度实际值大于等于热氮气排出温度设定值，打开高温热氮气排出阀(7-8)，排除高温气体；当进液温度实际值小于热氮气排出温度设定值，关闭高温热氮气排出阀(7-8)，打开进液电磁阀(7-4)，开始供液；

停止充液条件：罐口温度实际值小鱼停止充液设定值，或实际液位值大于等于停止充液液位且延时60s，停止自动填充；

手动填充条件：启动充液，通过触摸屏手动填充按钮，如果不满足停止填充条件，启动自动充液逻辑，包含高温热氮气排出；停止充液，充液期间通过触摸屏(6-10)手动停止充液按钮，或满足停止充液条件，自动停止填充；

除雾：上电后，检测到罐盖打开，开启自动除雾，时间为自动除雾时长，经过自动除雾时长后，自动停止除雾；自动除雾后，手动按住触摸屏功能键或者除雾按钮，进行手动除雾，松开停止；

防液氮满溢：

第一级、进液电磁阀故障：当“进液电磁阀故障是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时后，比较两次液位差，第二次检测值减去第一次检测值大于50mm，则启动进液电磁阀故障报警，表示电磁阀未有效关闭；

第二级、液氮满溢报警：当“液氮满溢是否报警”开启，控制发出“关闭进液电磁阀”指令后，经过延时，如果灌口温度实际值小于等于液氮满溢温度设定值，则触发液氮满溢报警，表示液氮已经接近罐口温度探头位置；

快速制冷：上电后，罐口温度传感器(6-1)无故障，罐盖打开时间超过快速制冷延时，且罐口温度大于罐内温度设定值，开启快速制冷；当罐口温度小于“快速制冷停止温度”时，停止加液。

7.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述自维持运行模式具体为：当罐内进行了大量的冻存样本，或者用户补给端供液不便捷，需要采用电能制冷时，开启“自维持模式”，包括：

首次加液手工操作：

打开排气手阀(8-11)，手动打开进液电磁阀(7-4)，缓慢打开罐底加液手阀(7-3)进行内罐(3)的空气外排及预冷，待罐内有少量液氮后，缓慢打开进液手阀(7-2)，此时排气口(7-7)将有氮气排出，为正常现象，排气压力稳定后或罐内液氮由内转体平台溢出，关闭罐底加液手阀(7-3)，继续加液，直至储罐液位达到设定值时，关闭供给系统出液阀门，完成首次加液；罐体预冷24h，预冷过程中，排气手阀(8-11)为开启状态；关闭排气手阀(8-11)，手动启动制冷机；

开启自动运行模式：

制冷机进行PID算法运行控制，通过储罐的压力传感器(8-10)将电压值输出给PLC控制器(6-7)，PLC控制器(6-7)进行PID运算，计算出需求的电压值给制冷机控制器(8-8)，制冷机执行命令，控制压缩机(8-5)的功率。

8.根据权利要求7所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，所述自维持运行模式下，制冷机制冷原理如下：

所述制冷机组控制系统(8)中的压缩机(8-5)通过连接管(8-3)与气库(8-2)连接，气库(8-2)内的介质为氦气，液化后的温度可低至-272.2℃；

压缩机(8-5)通过电能转换成机械能进行往复运动，气库(8-2)内的氦气被热能加热而温度上升，受热气体体积膨胀，膨胀过程也同时被推入温度较低的区域而又会失热收缩；

同时，膨胀气体产生压力波以声速向外传播，在连接管(8-3)、气库(8-2)中产生声波反射，反射回波将受冷失热的气体再次推回到加热区域，进而再次膨胀，以此循环往复形成一个热-声自激过程；

制冷机的冷头(8-1)产生液氦温度-272.2℃，当储罐内的液氮挥发出氮气，遇到-272.2℃的更低温度液化成液氮低落回储罐内部，最终实现电能转换成化学能的过程。

9.根据权利要求1所述的自动加液/自维持液氮生物保存容器，其特征在于，在所述罐底加液运行模式和自维持运行模式下，均会触发报警提示以及蜂鸣器鸣叫，具体包括：

高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值时，则触发报警；

超高温报警：当检测的罐口温度值大于高温报警值，则触发报警；

高液位报警：当检测的液位高度大于高液位报警值，则触发报警；

低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

超低液位报警：当检测的液位高度小于低液位报警值，则触发报警；

长时间开盖报警：当检测的开盖时间大于上时间开盖报警值，则触发报警；

罐口温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

进液温度传感器故障报警：当传感器断路，50℃≤测量值≤-210℃时，则触发报警；

液位传感器故障报警：当传感器断路，700mm≤测量值≤-50mm时，则触发报警；

断电报警：断电后，支持蜂鸣器报警，触摸屏低电量显示。

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