本發(fā)明涉及制冷低溫，具體為一種過冷液氮循環(huán)冷卻裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人們對生命科學(xué)和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究不斷深入，比如超導(dǎo)和量子計(jì)算等領(lǐng)域，以及電子、半導(dǎo)體和精密儀器等行業(yè)的發(fā)展，需要更多的液氮供應(yīng)設(shè)備為其提供持續(xù)穩(wěn)定的低溫環(huán)境。智能液氮循環(huán)機(jī)組作為一種液氮供應(yīng)設(shè)備，它可以根據(jù)用戶需求自動控制液氮的供應(yīng)流量和設(shè)定液氮流體的溫度。其主要功能包括：制冷、低溫儲存和輸送、液氮供應(yīng)、安全控制等，可以為各種實(shí)驗(yàn)、測試、提供穩(wěn)定可靠的低溫環(huán)境，同時也可用于醫(yī)學(xué)、生物科技等領(lǐng)域的冷凍保存和運(yùn)輸。

2、比如其可以將生物樣品凍結(jié)在極低溫度下，從而實(shí)現(xiàn)長期保存和保持樣品的原初狀態(tài)，這對于生物醫(yī)學(xué)研究、種質(zhì)保存和動植物遺傳資源保護(hù)等領(lǐng)域具有重要意義。智能液氮循環(huán)機(jī)組具有優(yōu)異的性能和安全保障，不僅在科學(xué)研究中具有廣泛應(yīng)用，還能夠?yàn)楣I(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域帶來實(shí)際效益和應(yīng)用價值，可以保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的正常運(yùn)行并延長其使用壽命，是現(xiàn)代化研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)備中必不可少的一部分。但現(xiàn)有技術(shù)中的液氮循環(huán)機(jī)組存在如下缺點(diǎn)：

3、1.現(xiàn)有裝置中的液氮在換熱過程中會出現(xiàn)氣化，導(dǎo)致流速增加，流動阻力增大，同時換熱效果變差。

4、2.液氮供應(yīng)溫度波動性較大，不利于低溫需求設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

5、3.現(xiàn)有裝置中吹掃與抽空功能單一，穩(wěn)壓方式與調(diào)節(jié)流量方式單一，無法適應(yīng)多種需求，且自動化程度低。

6、4.液氮循環(huán)機(jī)的蓋板會因?yàn)闇囟鹊投霈F(xiàn)冷凝結(jié)露，產(chǎn)生冷凝水，連接的負(fù)載都是精密儀器，不能與水接觸，否則損壞儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于：解決現(xiàn)有的液氮循環(huán)機(jī)組調(diào)節(jié)流量方式單一、蓋板冷凝結(jié)露，產(chǎn)生的冷凝水會損壞緊密儀器的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種過冷液氮循環(huán)冷卻裝置，包括：杜瓦罐100和循環(huán)管路組件200；杜瓦罐100內(nèi)存儲有冷液氮，循環(huán)管路組件200部分位于杜瓦罐100內(nèi)，部分凸出杜瓦罐100外，并循環(huán)流通冷液氮進(jìn)行換熱；

4、其中，杜瓦罐100內(nèi)設(shè)置有多層輻射擋板，位于杜瓦罐100的蓋板110和冷液氮的液面之間；

5、循環(huán)管路組件200包括換熱器210、供液管路、回液管路和旁路管路；換熱器210的兩端分別與供液管路和回液管路連通，以及供液管路和回液管路的另一端部連通；旁路管路的兩端分別與供液管路、回液管連通；

6、按照冷液氮循環(huán)冷卻方向，供液管路上依次設(shè)置有流量計(jì)一221、低溫開關(guān)閥一222、溫度傳感器一223；以及，回液管路上依次設(shè)置有溫度傳感器二231、低溫開關(guān)閥二232、流量計(jì)二233和變頻液氮循環(huán)泵234；旁路管路上設(shè)置有低溫調(diào)節(jié)閥一241和溫度傳感器三242。

7、優(yōu)點(diǎn)：通過在液氮供給管路上增加一路旁通管路，旁通管路連接在液氮回路上，旁通管路上安裝有調(diào)節(jié)閥，通過低溫需求設(shè)備出口的液氮溫度監(jiān)測實(shí)時反饋調(diào)節(jié)旁通管路流量，從而控制進(jìn)入設(shè)備的液氮流量，此外，液氮循環(huán)泵采用變頻設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)備出口溫度也可以調(diào)節(jié)液氮流量，實(shí)現(xiàn)了兩種流量調(diào)節(jié)功能，因此設(shè)備可以獲得穩(wěn)定的低溫運(yùn)行條件，避免了因溫度波動對設(shè)備產(chǎn)生的影響。

8、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，多層輻射擋板中，相鄰輻射擋板之間以及輻射擋板與蓋板110之間，填充有發(fā)泡型絕熱材料。

9、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，循環(huán)管路組件200包括供液吹掃真空管路和回液吹掃真空管路；

10、供液吹掃真空管路的一端位于杜瓦罐100內(nèi)與供液管路連通，且連通在低溫開關(guān)閥一222與溫度傳感器一223之間的管路上；供液吹掃真空管路的另一端凸出杜瓦罐100外，并連接有壓力傳感器一251，以及供液吹掃真空管路的旁支分管上設(shè)置有球閥一252，末端設(shè)置有吹掃與抽真空接口一253；

11、回液吹掃真空管路的一端位于杜瓦罐100內(nèi)與回液管路連通，且連通在溫度傳感器二231與低溫開關(guān)閥二232之間的管路上；回液吹掃真空管路的另一端凸出杜瓦罐100外，并設(shè)置有球閥二261，末端設(shè)置有吹掃與抽真空接口二262。

12、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，過冷液氮循環(huán)冷卻裝置還包括供液狀態(tài)穩(wěn)定輔助組件3456；供液狀態(tài)穩(wěn)定輔助組件3456包括補(bǔ)液、穩(wěn)壓組件；其中，補(bǔ)液組件和穩(wěn)壓組件共用緩沖罐300，緩沖罐300用于存儲待補(bǔ)充的冷液氮，以及緩沖罐300的底部與回液管路連通，并連通在低溫開關(guān)閥二232與變頻液氮循環(huán)泵234之間的管路上。

13、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，補(bǔ)液組件包括液氮供給管410、補(bǔ)液過濾器420、補(bǔ)液溫度傳感器430、補(bǔ)液低溫調(diào)節(jié)閥440、補(bǔ)液低溫開關(guān)閥一450、補(bǔ)液壓力傳感器460、緩沖罐液位計(jì)470和補(bǔ)液低溫開關(guān)閥二480；

14、液氮供給管410的一端位于杜瓦罐100內(nèi)，另一端位于杜瓦罐100外；補(bǔ)液過濾器420設(shè)置在液氮供給管410上，并處于位于杜瓦罐100內(nèi)的管段上，再通過三通管將液氮供給管410分支，一條分支管通入緩沖罐300內(nèi)，補(bǔ)液低溫開關(guān)閥一450設(shè)置在該分支管路上，補(bǔ)液低溫調(diào)節(jié)閥440和補(bǔ)液溫度傳感器430設(shè)置在另一條分支管路上；

15、補(bǔ)液壓力傳感器460和緩沖罐液位計(jì)470分別檢測緩沖罐300內(nèi)冷液氮的壓力和液位；以及，補(bǔ)液低溫開關(guān)閥二480設(shè)置在連通緩沖罐300的排氣管路上。

16、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，穩(wěn)壓組件包括穩(wěn)壓管、低溫加熱電阻510、充氣穩(wěn)壓電動閥520和排氣穩(wěn)壓電動閥530；

17、低溫加熱電阻510的加熱端位于緩沖罐300內(nèi)；穩(wěn)壓管一端伸入緩沖罐300內(nèi)，以及穩(wěn)壓管上設(shè)置有連通的第一穩(wěn)壓分支管和第二穩(wěn)壓分支管；

18、充氣穩(wěn)壓電動閥520設(shè)置在第一穩(wěn)壓分支管上，并在第一穩(wěn)壓分支管的末端設(shè)置氦氣接入口521；

19、排氣穩(wěn)壓電動閥530設(shè)置在第二穩(wěn)壓分支管上，并在第二穩(wěn)壓分支管的末端設(shè)置氦氣排出口531。

20、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，供液狀態(tài)穩(wěn)定輔助組件3456包括球閥三610、安全爆破膜二620和安全閥三630；

21、穩(wěn)壓管上設(shè)置有連通的第三穩(wěn)壓分支管和第四穩(wěn)壓分支管；

22、球閥三610設(shè)置在第三穩(wěn)壓分支管上，且在第三穩(wěn)壓分支管的末端設(shè)置有吹掃與抽真空接口三611；

23、安全閥三630設(shè)置在第四穩(wěn)壓分支管上；以及安全爆破膜二620與穩(wěn)壓管的另一端連接。

24、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，過冷液氮循環(huán)冷卻裝置包括汽化排氣組件，汽化排氣組件包括氮?dú)馀懦龉?、氮?dú)馀懦黾訜崞?10和汽化溫度計(jì)720；

25、氮?dú)馀懦龉芘c杜瓦罐100連通，用以排出杜瓦罐100內(nèi)的氮?dú)?，以及氮?dú)馀懦黾訜崞?10和汽化溫度計(jì)720設(shè)置在氮?dú)馀懦龉苌稀?/p>

26、在本發(fā)明的一實(shí)施例中，循環(huán)管路組件200包括回溫組件，回溫組件設(shè)置在杜瓦罐100內(nèi)，包括液氮內(nèi)排出管和液氮排出低溫開關(guān)閥280；其中，液氮內(nèi)排出管與回液管路連通，連通位置處于溫度傳感器二231和低溫開關(guān)閥二232之間的管路上，以及液氮排出低溫開關(guān)閥280設(shè)置在液氮內(nèi)排出管上。

27、本發(fā)明還以提供一種過冷液氮循環(huán)冷卻裝置的使用方法，包括：將負(fù)載設(shè)備a的進(jìn)、出液口分別與供液管路、回液管路的另一端連通；

28、供液管路、回液管路中的過冷液氮經(jīng)過換熱器210冷卻后，借助變頻液氮循環(huán)泵234送到負(fù)載設(shè)備a中，過冷液氮吸收完負(fù)載設(shè)備a的熱量后再回到換熱器210中，過冷液氮基本循環(huán)完成；

29、當(dāng)負(fù)載設(shè)備a的熱負(fù)荷發(fā)生變化時，根據(jù)溫度傳感器二231反饋的溫度信號，以對供液管路、回液管路的流量進(jìn)行調(diào)整，包括：

30、流量調(diào)整方式一：

31、當(dāng)需要降低供液流量時，開大低溫調(diào)節(jié)閥一241的開度，讓供液管路中的一部分過冷液氮直接流入回液管路中，減少供液管路的流量；反之，增大供液流量時，調(diào)小低溫調(diào)節(jié)閥一241的開度；

32、流量調(diào)整方式二：

33、控制變頻液氮循環(huán)泵234的輸出頻率，以控制變頻液氮循環(huán)泵234的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對供液管路和回液管路的流量進(jìn)行控制；

34、調(diào)節(jié)時，記錄流量計(jì)一221、溫度傳感器一223、溫度傳感器二231、流量計(jì)二233、溫度傳感器三242的數(shù)據(jù)以及低溫開關(guān)閥一222、低溫開關(guān)閥二232、低溫調(diào)節(jié)閥一241的開度以及變頻液氮循環(huán)泵234的頻率數(shù)據(jù)，以用于分析系統(tǒng)狀態(tài)。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

36、為了保證液氮在管道中換熱中始終維持液體狀態(tài)，提高管道壓力高于2bar，保證液氮在循環(huán)管路中始終維持一個過冷狀態(tài)，循環(huán)管道中液氮吸熱后通過換熱器與罐體的常壓液氮進(jìn)行換熱，換熱器浸泡在液氮中，熱量通過罐體中常壓液氮汽化帶走，產(chǎn)生的低溫氮?dú)馔ㄟ^加熱后排出的環(huán)境中。循環(huán)系統(tǒng)的液氮壓力可以通過緩沖罐進(jìn)行控制，壓力調(diào)節(jié)有兩種方式，一種通過低溫加熱絲加熱緩沖罐的液體，使之汽化加壓，另外一種方式是通過通入氦氣進(jìn)行加壓。

37、通過液位傳感器采集液位信息，并將液位信息上傳至控制系統(tǒng)，從而控制補(bǔ)液管閥門的開啟與關(guān)閉，常壓罐體中的液位計(jì)保證了換熱器完全浸沒在常壓液氮中，從而實(shí)現(xiàn)良好的換熱效果；高壓緩沖罐中的液位計(jì)保證確保緩沖罐中的液位不足時及時進(jìn)行補(bǔ)液。當(dāng)機(jī)組開始加注液氮時，需要用99.999％的高純氮?dú)鈱苈分羞M(jìn)行吹掃，排出管道中的空氣和水分，再利用真空泵對管道進(jìn)行抽真空，確保管道中沒有空氣進(jìn)入。

38、可以實(shí)現(xiàn)不同的吹掃與抽真空模式，在系統(tǒng)不回溫情況下，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)對負(fù)載設(shè)備進(jìn)行回溫，更換負(fù)載設(shè)備，有效減少了液氮消耗與時間成本。

39、可以在每次工作之前運(yùn)行自檢，可靠之后再接入負(fù)載設(shè)備中，防止對負(fù)載設(shè)備造成損壞。

40、多種流量調(diào)節(jié)方式，流量調(diào)節(jié)高效，過冷液氮波動小，保證了負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。多種穩(wěn)壓方式，壓力調(diào)節(jié)高效，過冷液氮壓力波動小，保證負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

41、在罐體內(nèi)部采用了隔熱設(shè)計(jì)，可以有效保證蓋板在運(yùn)行過程中無冷凝水產(chǎn)生，可以降低裝置中液氮的損耗?；刈中螐澒艿脑O(shè)計(jì)，可以降低液氮的損耗，保證傳感器可以在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

42、自動化程度高，運(yùn)行高效穩(wěn)定，可靠性高，安全系數(shù)高，可行性強(qiáng)，有很強(qiáng)的實(shí)用價值。