专利名称：基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统。
技术背景深冷处理又称超低温处理，通常是指在-13(TC以下对材料进行处理的一种 方法，它是常规热处理的一种延伸。深冷处理可以提高某些黑色金属、有色金 属、金属合金、碳化物、塑料(包括尼龙，特氟龙)、硅酸盐等材料的力学性能(提 高强度和耐磨性等)、延长使用寿命、稳定尺寸等，并且具有操作简便、不易破 坏工件、无污染和成本低等优点，具有可观的经济效益和市场前景。目前，深 冷处理广泛应用于工业生产、航空航天事业、军事工程等领域，主要用于处理 刀具、模具、量具、摩擦偶件、低温机械零件、精密仪器仪表零件等。深冷处理系统中的深冷处理室为材料的深冷处理提供封闭、隔热的环境。 为了向深冷处理室输送冷却介质，深冷处理系统需要输送动力。目前为深冷处理系统提供输送动力的方式有设置加热器汽化低温液体实现增压输送，以及使用低温液体泵输送等，这两种方式都需要消耗外部能量。由于液氮来源广、价格便宜且无污染，是目前深冷处理工艺最常采用的冷 源。深冷处理根据所使用冷却介质物态的不同可以分为液体法(液态冷却介质) 和气体法(气态冷却介质)。液体法就是将材料直接放到液态冷却介质中，如液氮中，利用低温液体沸腾的汽化潜热冷却工件；气体法则是将材料置于低温 气态冷却介质中，如低温氮气中，利用低温气体的显热来对材料进行处理。液 体法热冲击较大、冷却速率快，容易使得某些脆性部件发生断裂，而气体法热 冲击小，冷却速率相对较慢。这两中方法各有优缺点，都有各自的应用场合。冷却速率是深冷工艺中的一个关键因素，冷却速率的快慢将直接影响工件 深冷处理的效果。另外深冷处理室温度场的均匀性也是深冷处理工艺中的一个 重要因素。处理室温度场的均匀性影响着工件整体温度的均匀性，工件局部存 在温度差可能会引起收縮不均而产生温度应力。当应力低于材料的弹性极限时， 仅使零件产生可逆性的弹性扭曲，但当某一部分的温度应力超过了材料的屈服 极限时，零件则将发生不可逆转的扭曲变形。因此对于深冷处理来说，合理控 制处理室内部温度场的均匀性也是至关重要的。 发明内容本发明的目的是提供一种基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统。它包括液氮储罐、输液管、注液管、汽化器、自增压回路、输气管、自增 压调节阀、注液阀、安全阀、手动泄压阀、输液阀、输气阀、压力传感器P1、三通管、压力传感器P2、数据采集仪、计算机、深冷处理室顶盖、液位计、排 气管、温度计、深冷处理室箱体、待处理工件、搁物架、支撑结构、移动轮、 多孔挡板、冷却介质输送管、深冷处理室；深冷处理室的箱体为内外壁双层结 构，内外壁都是不锈钢，两壁之间填充珠光砂绝热材料，深冷处理室的箱体内 壁底部设有支撑结构，上部设有排气管，顶部设有深冷处理室顶盖，箱体底部 安装移动轮，注液管、输液管和输气管从液氮储罐顶部插入，注液管和输液管 的下端开口靠近储罐底部，而输气管的下端开口靠近储罐顶部，处于低温氮气 中；自增压回路从储罐底部引出，经汽化器和自增压调节阀后回到储罐的上部； 注液管和输液管上分别设有注液阀和输液阔；输气管路上设有安全阀、手动泄 压阀和输气阀；输液管和输气管通过三通管与冷却介质输送管连接，冷却介质 输送管伸入到深冷处理室的底部，其开口竖直朝上，开口处设有多孔挡板，深 冷处理室设有搁物架，搁物架上方设有温度计、液位计。本发明基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统可通过自增压 回路中的汽化器利用环境漏热使液氮汽化，从而提升液氮储罐中的压力来作为 输送低温流体(包括液氮和气氮)的动力，无需额外提供驱动能源，即所谓的 低温流体自增压输送技术；同时，可通过调整自增压调节阀的开度以及启闭手 动泄压阀等操作，方便地调节液氮储罐内的压力，控制输送低温流体的流速， 进而可通过改变待处理工件与冷却介质之间的传热状况而控制工件降温速率。 该系统可应用于液体法和气体法两种深冷处理工艺。具体来讲，当关闭输液阀、 输气阀、手动泄压阀以及安全阀(安全阀是常闭的)并打开自增压调节阀实现 液氮储罐自增压后，如果开启输液阀，储罐中的液氮可通过输液管和冷却介质 输送管进入深冷处理室，从而可实现利用液氮浸泡工件的液体法深冷处理。如 果进入深冷处理室的液氮液位被控制在待处理工件之下，则可利用环境通过箱 体向深冷处理室的漏热使液氮汽化而成的低温氮气对工件进行深冷处理，即气 体法深冷处理，但此时液氮的汽化过程是被动的，没有人为主动调节低温氮气 的流速，也就无法主动调控待处理工件的降温速率和处理温度。如果在完成液 氮储罐自增压后，开启输气阀，液氮储罐顶部的低温氮气则可通过输气管和冷 却介质输送管进入深冷处理室，通过前述调节液氮储罐内压力的方法，结合调 节输气阀的开度，可方便地控制输送低温氮气的流速，从而通过改变低温氮气与待处理工件的传热状况控制待处理工件的降温速率和处理温度，即可实现主 动控制的气体法深冷处理工艺，并且，主动强化的低温氮气流动以及冷却介质 输送管口处设置有多孔挡板，可较好的保证深冷处理室内温度的均匀性。但是， 该方案运行时，由于进入深冷处理室的冷却介质均为低温氮气，由低温氮气的 显热提供冷量，由于显热有限，不利于深冷处理室的快速降温。为了解决该问 题，可首先通过输液阀向深冷处理室底部加注一定量的液氮，保证液氮液面在待处理工件以下，利用液氮的汽化潜热冷却深冷处理箱体的热容；之后，再通 过输气阀向深冷处理室输送低温氮气，实现主动控制的气体法深冷处理工艺。 可见，本发明基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统，具有自身 增压、无需额外附加驱动源，可实现液体法和气体法两种深冷处理工艺，方便 调控降温速率和处理温度，深冷处理室温度场均匀等优点。
图1是基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统示意图； 图2是深冷处理室内温度测点位置示意图。
具体实施方式
如图1所示，自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统包括液氮储 罐l、输液管2、注液管3、汽化器4、自增压回路5、输气管6、自增压调节阀 7、注液阀8、安全阀9、手动泄压阀10、输液阀11、输气阀12、压力传感器 Pl 13、三通管14、压力传感器P2 15、数据采集仪16、计算机17、深冷处理室 顶盖18、液位计19、排气管20、温度计21、深冷处理室箱体22、待处理工件 23、搁物架24、支撑结构25、移动轮26、多孔挡板27、冷却介质输送管28、 深冷处理室29;深冷处理室的箱体22为内外壁双层结构，内外壁都是不锈钢， 两壁之间填充珠光砂绝热材料，深冷处理室的箱体内壁底部设有支撑结构25， 上部设有排气管20，顶部设有深冷处理室顶盖18，箱体底部安装移动轮26，注 液管3、输液管2和输气管6从液氮储罐1顶部插入，注液管3和输液管2的下 端开口靠近储罐底部，而输气管6的下端开口靠近储罐顶部，处于低温氮气中； 自增压回路5从储罐底部引出，经汽化器4和自增压调节阀7后回到储罐的上 部；注液管3和输液管2上分别设有注液阀8和输液阀11;输气管路6上设有 安全阀9、手动泄压阀10和输气阀12;输液管2和输气管6通过三通管14与 冷却介质输送管28连接，冷却介质输送管28伸入到深冷处理室29的底部，其 开口竖直朝上，开口处设有多孔挡板27，深冷处理室29设有搁物架24，搁物 架24上方设有温度计21、液位计19。该深冷处理系统可应用于液体法和气体法深冷处理工艺。当作为液体法深 冷处理装置运行时，首先在输液阔、输气阀、手动泄压阀以及安全阀处于关闭 的条件下，打开自增压调节阀，使得部分液氮从液氮储罐底部进入设于自增压 回路上的汽化器，由环境的漏热是该部分液氮汽化，汽化形成的低温氮气经自 增压调节阀进入液氮储罐上部的氮气空间，从而提升储罐内的压力。当储罐压 力达到预设要求时，开启输液阀，由于储罐内压力高于深冷处理室，因此液氮 从液氮储罐的底部经输液管、输液阀、三通管、低温冷却介质输送管进入深冷 处理室，当液氮液位达到预设要求后，关闭自增压调节阀和输液阀，停止加注。 之后，将待处理工件放入深冷处理室，浸没在液氮中，盖上深冷处理室的顶盖。 工件与液氮直接接触，由液氮汽化而实现对工件的冷却降温，汽化形成的氮气 充满身冷处理室中液氮以上空间，由排气管排出系统。由于工件、搁物价及深 冷处理室箱体的热容以及环境向深冷处理室的漏热等，深冷处理室中的液氮液 位会随时间推移而下降，为了保证液体法深冷处理的液位高度要求，在处理过 程中需要向深冷处理室中补充加注液氮。在液氮加注过程中，可以通过调节输 液阀来控制液氮的流速，通过调节自增压调节阀来调控液氮储罐内的压力。该深冷处理系统可应用于气体法深冷处理工艺时，有三种工作状态。第一 种是被动式的气体法深冷处理工作状态，其运行时如同前述液体法一样，在完 成液氮储罐自增压至预设压力后，开启输液阀，将液氮输送至深冷处理室底部， 当液氮液位达到预设高度时，关闭自增压调节阀和输液阀，停止液氮加注。之 后，将待处理工件放置于深冷处理室中的搁物价上，液氮液位低于搁物价的支 撑面，即工件处于低温氮气之中，由于环境向深冷处理室内的漏热，使得液氮 汽化而不断形成低温氮气，通过低温氮气与工件之间的传热使工件冷却降温， 从而实现气体法深冷处理。深冷处理室中的低温氮气通过设于其上部的排气管 排出系统。由于此时低温氮气的流动是环境向深冷处理室内的漏热汽化液氮促 成的，而不是人为调节的，因此是被动式的气体法深冷处理。此外，在深冷处 理过程中，可向深冷处理室中补充加注液氮，以保证深冷处理室的底部始终保 持一定量的液氮。第二种是主动式的气体法深冷处理工作状态，其运行时，首先在输液阀、 输气阀、手动泄压阀以及安全阀处于关闭的条件下，打开自增压调节阀，完成 液氮储罐的自增压。当储罐压力达到预设要求时，开启输气阀，由于储罐内压 力高于深冷处理室，因此液氮储罐上部的低温氮气经输气管、输气阀、三通管、 低温冷却介质输送管进入深冷处理室，与放置在其中的待处理工件进行换热，从而实现气体法深冷处理工艺。通过调节自增压调节阀来调控液氮储罐内的压 力，并调节输气阀的开度，可方便地控制低温氮气的流速，进而调控氮气与待 处理工件之间的传热强度，以达到控制工件降温速率和处理温度的目的。深冷 处理结束时，关闭自增压调节阀，停止增压，同时，关闭输气阀，停止向深冷 处理室输送低温氮气。第三种是气体法深冷处理工作状态是前两种的综合，其运行时，首先如同 第一种被动式气体法深冷处理工作状态的操作，在液氮储罐完成自增压后，通 过开启输液阀，向深冷处理室中输送一定量的液氮，保证液氮液面低于待处理 工件，主要利用液氮的汽化潜热冷却深冷处理室箱体的热容。之后，关闭输液 阀，开启输气阀，向深冷处理室输送低温氮气，操作与第二种主动式气体法深 冷处理工作状态相同。深冷处理结束时，关闭自增压调节阀，停止增压，同时， 关闭输气阀，停止向深冷处理室输送低温氮气。此外，在深冷处理过程中，可 以通过切换输气阀和输液阀，实现向深冷处理室中补充加注液氮，之后再切换 回主动式气体法深冷处理状态。基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统的测量系统包括温 度、压力以及液位数据的测量和采集。温度测量主要是监测深冷处理过程中，深冷处理室内部以及待处理工件的温度变化情况。图2为深冷处理室内温度计 Tl、 T2和T3位置示意图，其中Tl和T3安装在与放在搁物架上的待处理工件 处于同一平面，用与测量工件所处位置周围的温度，T2安装在待处理工件内部， 用于测量物体内部温度变化。两个压力测点分别布置在输气管和冷却介质输送 管上(见图1)，用于监测液氮储罐和输送管内的压力。液位计布置在深冷处理 室中，用于监测处理室中的液氮液位。所有温度、压力和液位测量信号由数据 采集仪采集，送入计算机进行用户界面显示，并完成数据自动保存等。此外，设置在冷却介质输送管口处的多孔挡板，可以防护低温冷却介质直 接喷射到待处理工件上，并有助于其在各方向上的均匀分配，以保证深冷处理 室中的温度均匀性。设置在输气管上的安全阀用于放置液氮储罐超压，同样设 置在输气管上的手动泄压阀，除了在系统正常运行工况下用于调节液氮储罐内 的压力外，还可在液氮储罐内压力异常升高，而安全阀失灵的情况下，实现手 动紧急泄压。
权利要求
1.一种基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统，其特征在于，它包括液氮储罐(1)、输液管(2)、注液管(3)、汽化器(4)、自增压回路(5)、输气管(6)、自增压调节阀(7)、注液阀(8)、安全阀(9)、手动泄压阀(10)、输液阀(11)、输气阀(12)、压力传感器P1(13)、三通管(14)、压力传感器P2(15)、数据采集仪(16)、计算机(17)、深冷处理室顶盖(18)、液位计(19)、排气管(20)、温度计(21)、深冷处理室箱体(22)、待处理工件(23)、搁物架(24)、支撑结构(25)、移动轮(26)、多孔挡板(27)、冷却介质输送管(28)、深冷处理室(29)；深冷处理室的箱体(22)为内外壁双层结构，内外壁都是不锈钢，两壁之间填充珠光砂绝热材料，深冷处理室的箱体内壁底部设有支撑结构(25)，上部设有排气管(20)，顶部设有深冷处理室顶盖(18)，箱体底部安装移动轮(26)，注液管(3)、输液管(2)和输气管(6)从液氮储罐(1)顶部插入，注液管(3)和输液管(2)的下端开口靠近储罐底部，而输气管(6)的下端开口靠近储罐顶部，处于低温氮气中；自增压回路(5)从储罐底部引出，经汽化器(4)和自增压调节阀(7)后回到储罐的上部；注液管(3)和输液管(2)上分别设有注液阀(8)和输液阀(11)；输气管路(6)上设有安全阀(9)、手动泄压阀(10)和输气阀(12)；输液管(2)和输气管(6)通过三通管(14)与冷却介质输送管(28)连接，冷却介质输送管(28)伸入到深冷处理室(29)的底部，其开口竖直朝上，开口处设有多孔挡板(27)，深冷处理室(29)设有搁物架(24)，搁物架(24)上方设有温度计(21)、液位计(19)。
全文摘要
本发明公开了一种基于自增压低温流体输送技术的可控温深冷处理系统。它包括液氮储罐、输液管、注液管、汽化器、自增压回路、输气管、自增压调节阀、注液阀、安全阀、手动泄压阀、输液阀、输气阀、压力传感器P1、三通管、压力传感器P2、数据采集仪、计算机、深冷处理室顶盖、液位计、排气管、温度计、深冷处理室箱体、待处理工件、搁物架、支撑结构、移动轮、多孔挡板、冷却介质输送管、深冷处理室。本发明具有自身增压输送低温冷却介质，无需额外附加驱动源，可实现液体法和气体法两种深冷处理工艺，可方便调控降温速率和处理温度，深冷处理室温度场均匀等优点。
文档编号F25D3/10GK101216233SQ20081005913
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者珂 汤, 洪剑平, 斌 许, 浩 郑, 滔 金 申请人:浙江大学