一种液氮加注和回收装置及液氮液位控制系统

1.本发明属于低温技术领域，具体涉及一种液氮加注和回收装置及液氮液位控制系统。


背景技术：

2.在常压下，液氮的温度为-196℃，属于制冷剂，由于其温度低，稳定性强，无毒无污染等特点被广泛应用于工业、医疗、生物等诸多领域，例如：迅速冷冻食品，储存和冷冻生物组织，医学实验切除病态组织及冷冻治疗等等。
3.目前，常用的将液氮从储罐转移至待冷却环境的方式通常是利用杜瓦瓶压力泵送或直接手动倾倒，其中，直接手动倾倒费时费力；依靠杜瓦瓶压力泵送低温液体需要额外压力源，如智能液氮泵，需要内部加热棒实现增压，液氮从中流出时具有压力过大、出液喷溅、流速不可控、启停有延时的问题，并且液氮输送管路难以避免漏热，喷溅出来的流体气体含量较大，喷溅加剧，导致其更加不能稳定地出液，且现有技术中在使用结束后，由于液氮回收工艺流程复杂，回收成本高，因此使用过的液氮大都被放空，很难实现液氮回收和重复利用。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种液氮加注和回收装置及液氮液位控制系统，用以解决现有技术中手动倾倒费时费力的问题以及压力泵送加液过程中液氮喷溅、启停有延时的问题，以实现外部容器内较为快速稳定的补液和抽液过程。
5.本发明提供的具体解决方案如下：
6.本发明提供了一种液氮加注和回收装置，包括：缓冲罐、出液管、抽液管和抽气装置，所述缓冲罐为密封设置，其顶部设置有排气口，所述排气口用于调节所述缓冲罐内为常压，所述抽气装置设置于所述缓冲罐顶部，用于调节所述缓冲罐内为负压；所述出液管一端与所述缓冲罐连通，另一端位于所述缓冲罐外，所述抽液管一端位于所述缓冲罐内且高于所述缓冲罐内的液面高度，另一端位于所述缓冲罐外。
7.基于本发明的技术方案，具有如下有益效果：
8.(1)基于本发明的液氮加注装置，采用缓冲罐作为补液和回收装置，可实现外部容器内液氮的补液和抽液，实现液氮回收，提高液氮利用率。
9.(2)通过出液管对外部容器进行加液，通过抽液管进行抽液，通过加液和抽液严格控制外部容器内的液氮量以及温度，以满足具体实验需求。
10.(3)缓冲罐采用开放式的结构，在缓冲罐向外部容器补液时，整个缓冲罐内部可通过排气口维持常压，利用重力出液，外部容器内补液可在常压下进行，使得液氮即出即停减少延时、出液平稳、减少沸腾，减少或者避免加液时的喷溅；现有技术中，常用的将液氮从储罐转移至实验冷却设备的方式通常是利用杜瓦瓶压力泵送至样本容器，杜瓦瓶需要外部提供压力源或内部加热增压，喷溅出来的流体气体含量较大，不能稳定地出液，且采用加热增
压的方式开始加液或停止加液时有一定的延时，而采用缓冲罐体可避免通过长管道直接加液，减少喷溅出来的流体中的气体含量，同时减少启停的延时。
11.本发明还提供了一种液氮液位控制系统，包括如上所述的液氮加注和回收装置，还包括位置固定的温度传感器、外部容器以及液氮储罐，所述液氮储罐与所述缓冲罐连通，用于向所述缓冲罐供给液氮，所述温度传感器的高度高于所述抽液管位于缓冲罐外的一端高度。
12.温度传感器的固定位置视具体应用而定。该液氮液位控制系统中通过温度传感器和抽液管的高度对向外部容器内加注液氮和抽吸液氮时的液面高度进行控制，与传统的液面传感器相比，精度更高。并且，在进行液面高度控制过程中，缓冲罐内液氮不足时，还可通过液氮储罐进行补充，相比于直接使用液氮储罐进行液氮液位控制，使用缓冲罐更加便捷、灵活。
附图说明
13.图1为基于本发明液氮加注和回收装置的结构示意图一。
14.图2为基于本发明液氮加注和回收装置的结构示意图二。
15.图3为基于本发明液氮液位控制系统的结构示意图。
16.图4为液氮储罐向缓冲罐内补液的流程示意图。
17.图5为缓冲罐向外部容器加液的流程示意图。
18.图6为不同液位下样本的荧光成像图。
19.附图中，各标号所代表的部件如下：1、缓冲罐；11、液位计；2、出液管；21、气动阀；22、喷嘴；3、抽液管；31、主管；32、端管；33、抽液口；34、过滤器；4、抽气装置；41、软管；411、抽气电磁阀；42、换热器；43、抽气泵；5、排气口；51、排气电磁阀；6、温度传感器；7、外部容器；8、液氮储罐；81、补液电磁阀；9、三维平移台。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.下面结合图1-4并参考具体实施例描述本发明。
22.如图1所示，基于本发明的液氮加注和回收装置，包括：缓冲罐体、抽液管和抽气装置，缓冲罐为密封设置，其顶部设置有排气口，排气口用于调节缓冲罐内为常压，抽气装置设置于缓冲罐顶部，用于调节缓冲罐内为负压；出液管一端与缓冲罐连通，另一端位于缓冲罐外，抽液管一端位于缓冲罐内且高于缓冲罐内的液面高度，另一端位于缓冲罐外。
23.基于本发明的液氮加注和回收装置，采用缓冲罐作为补液和回收装置，可实现外部容器内液氮的补液和抽液，实现液氮回收，提高液氮利用率；通过出液管对外部容器进行加液，通过抽液管进行抽液，可以严格控制外部容器内的液氮液位。并且，在加液过程中，缓冲罐内部可通过排气口维持常压，利用重力出液，外部容器内补液可在常压下进行，使得液氮即出即停减少延时、出液平稳、减少沸腾，减少或者避免加液时的喷溅；抽液过程中，则可关闭排气口，利用抽气装置使缓冲罐内保持负压，实现对液氮的抽吸。现有技术中，常用的
将液氮从储罐转移至实验冷却设备的方式通常是利用杜瓦瓶压力泵送至样本容器，杜瓦瓶需要外部提供压力源或内部加热增压，喷溅出来的流体气体含量较大，不能稳定地出液，且采用加热增压的方式开始加液或停止加液时有一定的延时，而采用缓冲罐可避免通过长管道直接加液，减少喷溅出来的流体中的气体含量，同时减少启停的延时。
24.如图2所示，基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，抽气装置包括软管、换热器和抽气泵，软管依次连接缓冲罐、换热器和抽气泵。采用抽气泵降低罐内压强实现抽液，为避免过冷气体损坏抽气泵，在抽气阀门后用软管连接换热器后再与抽气泵相连。
25.基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，排气口处设置有排气电磁阀，软管上设置有抽气电磁阀，出液管上设置有气动阀，出液管位于缓冲罐外的一端可拆卸设置有喷嘴。液氮储存在缓冲罐中，通过出液口的气动阀实现出液，工业上常用的低温电磁阀使用时需要带压启动，且隔热效果不好、使用时液氮气化量大，在出液管设置气动阀，可以实现在常压下控制出液，出液平稳，减少漏热和气化量，响应迅速。进一步地，出液管远离缓冲罐的一端设置有喷嘴，喷嘴与出液管之间螺纹连接。常用补液方式由于管路长，安装调压阀流量计等零件，导致漏热量大，液氮气化较厉害，多为喷溅出液，不适合实验室小流量补液。基于本发明的液氮加注装置，在常压下通过重力出液，出液管路短漏热量小，故液氮气化量小，沸腾不严重，出液较为平稳，可通过装不同内径的喷嘴调整出液流量，适用于实验室敞口小体积容器补液。
26.更具体的，排气口和抽气装置设置于缓冲罐体顶部，出液管、抽液管设置于缓冲罐体下部。关闭抽气电磁阀，打开排气电磁阀以及气动阀，缓冲罐体内的液氮便可通过重力出液，流速小且可控，液氮出液平稳，避免液氮喷溅。关闭排气电磁阀以及气动阀，打开抽液电磁阀以及抽气装置，外部容器内抽液端以上的液氮便可抽入缓冲罐体内。
27.基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，抽液管的抽液端的高度低于出液管位于缓冲罐外的一端高度。由此，加液时，出液管位于外部容器内液氮液面的上方，便于重力出液，抽液时，抽液管位于液氮液面下方，尽可能减少外部容器和缓冲罐体的移动，更加方便外部容器内液氮抽液和加液。
28.优选的，抽液管位于缓冲罐外的一端设置有过滤器，用于过滤抽入缓冲罐体内的液氮，减少杂质。
29.如图3所示，本发明还提出一种液氮液位控制系统，包括前述的液氮加注和回收装置，还包括位置固定的温度传感器、外部容器以及液氮储罐，液氮储罐与缓冲罐连通，用于向缓冲罐供给液氮，温度传感器的高度高于抽液管位于缓冲罐外的一端高度。温度传感器的固定位置视具体应用而定，通过温度传感器固定的位置高度来判断加注液氮时的液面是否达到温度传感器的位置高度，从而实现对加注液氮时的液面控制。
30.进一步地，缓冲罐上开设有抽液口，抽液管包括主管和端管，主管位于缓冲罐内且与抽液口固定，端管位于缓冲罐外且与抽液口可拆卸连接，抽液端为端管远离抽液口的一端。排液端与抽液口通过螺纹可拆卸连接，抽液管的抽液端高度低于出液口。由此，可通过更换不同长度的抽液管端管以方便控制抽液的高度，从而实现对抽吸液氮时的液面控制。现有技术中使用液位传感器等方案进行液氮的液位控制，需要较大的液面变化差才可进行检测，而本发明中通过温度传感器与可拆卸的端管之间配合，仅需要对二者的位置高度进行设置就可以实现精准的液氮液面控制，且位置高度的设置可以达到毫米级别，例如将温
度传感器高度固定后，再设置抽液端低于温度传感器4mm-6mm的高度时，在外部容器高度不变的情况下，可以实现4mm-6mm内的液氮高低液位切换；或者使外部容器配合抽液端的高度进行使用，将温度传感器的高度固定，再将抽液端设置为低于温度传感器的高度，然后通过调整外部容器的高度来实现加液/抽液时的液面位置控制，也能达到毫米级别的精度控制，能满足例如生物医学领域中对样本块进行超低温多层铣削与成像时的液氮液位控制需求。
31.具体地，基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，出液口与抽液管相邻设置。当温度传感器读取的外部容器内指定位置温度过高于设定值时，表明外部容器内的液氮液位较低，则需要从出液口向外部容器内加液氮提升液位，当温度传感器读取的外部容器内指定位置温度低于或等于设定值时，表明外部容器内的液氮液位满足要求，则无需再加液氮，可进行后续低温实验，出液与抽液管相邻设置，使得二者可同时尽可能靠近外部容器，减少外部容器的移动，满足实时加液或抽液需要，还可以减少相应的出液管长度、抽液管长度，使得加液或抽液操作方便且可避免管道较长造成的漏热问题。第三设定值范围为-190℃～-196℃
32.基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，缓冲罐体采用真空夹层保温结构，缓冲罐包括罐体和可拆卸且密封连接于罐体上端的盖板，盖板上设置有保温层。例如上端的盖板通过法兰和垫片与罐体密封连接。缓冲罐体采用真空夹层保温和外部容器采用真空夹层隔热，可减少液氮气化量，减少液氮沸腾以及液氮损失。外部容器为敞口常压容器，外部容器下设置有三维平移台。三维平移台可带动外部容器在出液管、抽液管下方直接三维来回移动，更加灵活，敞口常压容器则更加有利于配合排气口实现重力加液。
33.基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，缓冲罐上还设置有液位计，液氮储罐与缓冲罐之间的连通处可设置补液电磁阀。液位计可实时监测缓冲罐体内液位高度，方便直观地读取缓冲罐内的液氮液位以便及时通过液氮储罐和补液电磁阀向缓冲罐体内补液，以满足长时间的液氮液位控制需求。优选的，液位计为压差式液位计，也可使用电容式液位计、雷达液位计、磁致伸缩液位计等。
34.如图4所示，基于本发明实施例的液氮加注和回收装置，还包括控制装置(图中未示出)，控制装置分别电连接温度传感器、液位计、补液电磁阀、气动阀、排气电磁阀、抽气电磁阀和抽气装置。由此，可通过液位计判断缓冲罐体内是否需要补液，当液位计发送的值过低时，表明缓冲罐体内液氮液位低，则需要进行补液；可通过温度传感器判断外部容器内是否需要加注液氮，当温度传感器发送的值过高时，表明外部容器内的液氮液位低，则需要从出液口向外部容器内加液氮提升液位。由此，当需要对缓冲罐进行加液时，液位计获取液氮液位发送给控制装置，当缓冲罐体内的液氮液位低于第一设定值时，控制排气电磁阀以及补液电磁阀打开，控制抽气电磁阀和气动阀关闭，液氮储罐向缓冲罐体内补充液氮，直到缓冲罐体内的液氮液位不低于第二设定值，当缓冲罐体内的液氮液位不低于第二设定值时，控制补液电磁阀关闭，停止加液。第一设定值的取值范围为缓冲罐体高度的百分之十到百分之十五，第二设定值的取值范围为缓冲罐体高度的百分之七十到百分之七十五。
35.如图5所示，当需要对外部容器进行加液时，温度传感器获取外部容器内指定位置的温度发送给控制装置，当温度高于第三设定值时，控制排气电磁阀和气动阀打开，控制补液电磁阀和抽气电磁阀关闭，出液管向外部容器内加注液氮，直到外部容器内指定位置的温度不高于第三设定值，当外部容器内温度不高于第三设定值，控制气动阀关闭，停止加
液。
36.当需要抽液回收时，控制装置控制关闭排气电磁阀、补液电磁阀、气动阀，控制定时打开抽气电磁阀以及抽气装置，外部容器内抽液端高度以上的液氮通过抽液管抽入缓冲罐体。从而实现缓冲罐体内加液、外部容器内加液/抽液以及外部容器内液氮回收自动化进行。
37.优选地，温度传感器为t型热电偶测温线传感器。具体的，为有效控制样本槽内液位高度，将t型热电偶测温线传感器放置于指定高度，当液位到达指定位置，控制模块控制气动阀关闭。由于采用热电偶定点测量外部容器内液位，响应时间在0.1s以内，适用于精确控制液氮液位，比如荧光成像时，如图6所示，为不同液氮液位下的样本荧光成像图，可知，高液氮液位下荧光成像强度更强(图6中b)，低液氮液位下荧光成像强度更弱(图6中a)，因此，为避免温度变化影响荧光强度造成扰动噪声，需要精确控制液位在毫米级别。
38.尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。