基于自然循环的可控温深冷处理系统的制作方法
专利名称：基于自然循环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然循环的可控温深冷处理系统。
背景技术：
深冷处理也称为超低温处理，是指在-130℃以下对材料进行热处理的方法，它是常规热处理的延续。深冷处理可提高某些材料的耐磨性和韧性，改善工件的尺寸稳定性，延长使用寿命，适用于渗碳钢、碳素钢、合金钢等黑色金属，也适用于铝合金、铜合金、硬质合金等有色金属，甚至可用于改善塑料的机械性能。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。
由于液氮来源广、价格便宜，是目前深冷处理工艺最常采用的冷源。采用液氮冷却剂的深冷处理系统，一般由外部热源加热使部分液氮汽化，提高液氮储罐的压力，从而实现液氮冷却剂的输送。外部热源的引入，会造成液氮消耗量的增加。
根据冷却方式的不同，采用液氮冷却剂的深冷处理工艺有浸泡冷却、喷淋冷却、辐射冷却以及强迫对流冷却等。相对于浸泡冷却法和喷淋冷却法，辐射冷却法和强迫对流冷却法更容易实现降温速率和处理温度的控制，但辐射冷却法由于传热速率较慢，难以实现快速降温的冷却过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自然循环的可控温深冷处理系统。
它包括液氮储罐、注液口、输液阀、输液管、绝热层、冷屏、深冷处理室、内盘管、外盘管、内盘管入口压力传感器、内盘管入口温度传感器、风扇、氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀、引射管、外盘管出口压力传感器、外盘管出口温度传感器、深冷处理室内温度传感器、回流调节阀、回流管和计算机数据采集及控制系统。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
本发明基于自然循环的可控温深冷处理系统运行时，使液氮汽化的热源主要来自被处理工件的热容以及环境通过绝热层向冷屏的漏热，换言之，在液氮冷却工件并阻断环境漏热的同时，自身汽化产生气氮，进而为自然循环流动的形成创造了必要的密度差条件；返回液氮储罐的两相氮流体，气氮排出系统，而液氮被继续循环利用，因而本发明具有节省循环动力和液氮消耗量的优点。此外，利用深冷处理室壁的辐射换热和由风扇驱动的对流换热来冷却被处理工件，容易实现深冷处理室内温度均匀分布，通过调节风扇转速以及利用回流调节阀和引射调节阀控制液氮的流量，可方便地实施工件降温速度和处理温度的调控。
图1是基于自然循环的可控温深冷处理系统示意图；图2是引射管在回流管中安装位置示意图；图3是处理室内温度测点位置示意图。
具体实施例方式
本发明利用液氮密度和气氮密度的不同形成压差，推动液氮冷却剂进行循环流动，即所谓自然循环，气氮由液氮冷却工件过程产生，无需外部热源。同时，采用辐射冷却和强迫对流冷却相结合的方法，实现降温速率和处理温度的控制，保证深冷处理室内温度的均匀分布。
如图1所示，基于自然循环的可控温深冷处理系统，其特征在于，它包括液氮储罐1、注液口2、输液阀3、输液管4、绝热层5、冷屏6、深冷处理室7、内盘管8、外盘管9、内盘管入口压力传感器(P1)10、内盘管入口温度传感器(T1)11、风扇12、氮气钢瓶13、减压阀14、引射调节阀15、引射管17、外盘管出口压力传感器(P2)18、外盘管出口温度传感器(T2)19、深冷处理室内温度传感器(T3-T7)20、回流调节阀21、回流管22和计算机数据采集及控制系统16。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管、液氮储罐气相空间相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
液氮储罐用于储存冷却剂液氮，储罐顶部设有加注口，用于向储罐中加注液氮，并且在深冷处理过程中排出液氮汽化后产生的气氮。输液管安装在液氮储罐下方，用于将液氮输送至深冷处理室。输液管上设有输液阀，深冷处理前，向储罐加注液氮时，输液阀为关闭状态；进行深冷处理时，打开输液阀，允许液氮通过。液氮经输液管被送至绕于深冷处理室外的内盘管，内盘管将冷量传递给深冷处理室壁，用于冷却被处理工件。汽化后的冷却剂进入绕于冷屏的外盘管，进一步将冷量传递给冷屏，用于阻断室温环境通过绝热层向深冷处理室的漏热。离开外盘管的气液两相氮流体由回流管经回流调节阀返回液氮储罐，液氮继续循环使用，气氮由储罐顶部注液口排出。回流调节阀开度的大小可以调节冷却剂自然循环流动的流量。当自然循环流动不足时，可通过引射系统增强循环流动。引射系统包括氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀和引射管。引射管在回流管中的安装位置如图2所示，引射管在回流管中的出流方向与自然循环流动方向相同，引射调节阀用于控制引射流量。深冷处理室中还设置风扇，以增强对流。
液氮储罐须具有良好的绝热性能，可减少来自环境的漏热对液氮的消耗；储罐安装在高于深冷处理室的位置，以便冷却剂形成自然循环流动。输液管同样需要良好的绝热，因为液氮与气氮的密度差是形成自然循环的根源，漏热将造成输液管中液氮的汽化，会减小输液管中冷却剂与内、外盘管以及回流管中两相冷却剂的密度差，进而削弱循环动力。输液阀为低温球阀，液氮通过时的流动阻力比较小。内、外盘管分别绕制并焊接在深冷处理室和冷屏外，保证热接触良好，以方便传热。此外，应该保证回流管出口在液氮储罐中处于气相，即气相回流，这有利于冷却剂形成自然循环流动，并且可避免液氮沿回流管倒流。
压力传感器P1、P2，温度传感器T1、T2被分别安装在内盘管的入口和外盘管的出口，用于监视自然循环流动情况和进出深冷处理室冷却剂的温度。如图3所示，温度传感器T3-T7置于深冷处理室内，用于监视深冷处理室内温度分布以及被处理工件的温度变化。所有压力和温度信号由计算机数据采集系统自动采集、显示和保存，风扇转速也通过计算机实现调控。
运行基于自然循环的可控温深冷处理系统时，首先关闭输液阀，对储罐进行液氮加注。完成液氮加注后，启动风扇，依次打开回流调节阀和输液阀，形成回路，在密度差导致的压力差的驱动下，冷却剂在回路中循环流动。液氮冷却剂由输液管经输液阀送至内盘管，冷量经深冷处理室壁传递给被处理工件，汽化后两相冷却剂进入外盘管冷却冷屏，以阻断环境经绝热层向深冷处理室的漏热。冷却剂离开外盘管后由回流管经回流调节阀返回液氮储罐，其中液氮部分继续循环利用，气氮部分则从注液口排出。深冷处理过程中，可通过调节回流调节阀的开度和风扇的转速来调节工件表面的换热系数，从而控制工件的降温速度和处理温度。当需要快速降温而单纯依靠自然循环无法满足冷量要求时，可启动引射系统，增强循环流动，提高冷量供给。引射流量由引射调节阀控制。深冷处理结束时，关闭输液阀，即可切断冷却剂的循环流动，停止供冷。
权利要求
1.一种基于自然循环的可控温深冷处理系统，其特征在于，它包括液氮储罐(1)、注液口(2)、输液阀(3)、输液管(4)、绝热层(5)、冷屏(6)、深冷处理室(7)、内盘管(8)、外盘管(9)、内盘管入口压力传感器(10)、内盘管入口温度传感器(11)、风扇(12)、氮气钢瓶(13)、减压阀(14)、引射调节阀(15)、引射管(17)、外盘管出口压力传感器(18)、外盘管出口温度传感器(19)、深冷处理室内温度传感器(20)、回流调节阀(21)、回流管(22)和计算机数据采集及控制系统(16)。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
全文摘要
本发明公开了一种基于自然循环的可控温深冷处理系统，它包括液氮储罐、注液口、输液阀、输液管、绝热层、冷屏、深冷处理室、内盘管、外盘管、内盘管入口压力传感器、内盘管入口温度传感器、风扇、氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀、引射管、外盘管出口压力传感器、外盘管出口温度传感器、深冷处理室内温度传感器、回流调节阀、回流管、计算机数据采集及控制系统。本发明涉及的自然循环可控温深冷处理系统依靠液氮密度和气氮密度的不同形成压差，推动液氮冷却剂进行循环流动；通过控制循环液氮的流量和处理室风扇的转速可方便地实现工件表面换热系数的调节。该系统具有节省循环动力和液氮耗量、便于控制深冷处理冷却速度和处理温度等优点。
文档编号C22F1/00GK1948516SQ200610154578
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月8日 优先权日2006年11月8日
发明者汤珂, 金滔, 夏雨亮, 许斌, 陈国邦 申请人:浙江大学
技术领域：
本发明涉及一种基于自然循环的可控温深冷处理系统。
背景技术：
深冷处理也称为超低温处理，是指在-130℃以下对材料进行热处理的方法，它是常规热处理的延续。深冷处理可提高某些材料的耐磨性和韧性，改善工件的尺寸稳定性，延长使用寿命，适用于渗碳钢、碳素钢、合金钢等黑色金属，也适用于铝合金、铜合金、硬质合金等有色金属，甚至可用于改善塑料的机械性能。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。
由于液氮来源广、价格便宜，是目前深冷处理工艺最常采用的冷源。采用液氮冷却剂的深冷处理系统，一般由外部热源加热使部分液氮汽化，提高液氮储罐的压力，从而实现液氮冷却剂的输送。外部热源的引入，会造成液氮消耗量的增加。
根据冷却方式的不同，采用液氮冷却剂的深冷处理工艺有浸泡冷却、喷淋冷却、辐射冷却以及强迫对流冷却等。相对于浸泡冷却法和喷淋冷却法，辐射冷却法和强迫对流冷却法更容易实现降温速率和处理温度的控制，但辐射冷却法由于传热速率较慢，难以实现快速降温的冷却过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自然循环的可控温深冷处理系统。
它包括液氮储罐、注液口、输液阀、输液管、绝热层、冷屏、深冷处理室、内盘管、外盘管、内盘管入口压力传感器、内盘管入口温度传感器、风扇、氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀、引射管、外盘管出口压力传感器、外盘管出口温度传感器、深冷处理室内温度传感器、回流调节阀、回流管和计算机数据采集及控制系统。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
本发明基于自然循环的可控温深冷处理系统运行时，使液氮汽化的热源主要来自被处理工件的热容以及环境通过绝热层向冷屏的漏热，换言之，在液氮冷却工件并阻断环境漏热的同时，自身汽化产生气氮，进而为自然循环流动的形成创造了必要的密度差条件；返回液氮储罐的两相氮流体，气氮排出系统，而液氮被继续循环利用，因而本发明具有节省循环动力和液氮消耗量的优点。此外，利用深冷处理室壁的辐射换热和由风扇驱动的对流换热来冷却被处理工件，容易实现深冷处理室内温度均匀分布，通过调节风扇转速以及利用回流调节阀和引射调节阀控制液氮的流量，可方便地实施工件降温速度和处理温度的调控。
图1是基于自然循环的可控温深冷处理系统示意图；图2是引射管在回流管中安装位置示意图；图3是处理室内温度测点位置示意图。
具体实施例方式
本发明利用液氮密度和气氮密度的不同形成压差，推动液氮冷却剂进行循环流动，即所谓自然循环，气氮由液氮冷却工件过程产生，无需外部热源。同时，采用辐射冷却和强迫对流冷却相结合的方法，实现降温速率和处理温度的控制，保证深冷处理室内温度的均匀分布。
如图1所示，基于自然循环的可控温深冷处理系统，其特征在于，它包括液氮储罐1、注液口2、输液阀3、输液管4、绝热层5、冷屏6、深冷处理室7、内盘管8、外盘管9、内盘管入口压力传感器(P1)10、内盘管入口温度传感器(T1)11、风扇12、氮气钢瓶13、减压阀14、引射调节阀15、引射管17、外盘管出口压力传感器(P2)18、外盘管出口温度传感器(T2)19、深冷处理室内温度传感器(T3-T7)20、回流调节阀21、回流管22和计算机数据采集及控制系统16。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管、液氮储罐气相空间相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
液氮储罐用于储存冷却剂液氮，储罐顶部设有加注口，用于向储罐中加注液氮，并且在深冷处理过程中排出液氮汽化后产生的气氮。输液管安装在液氮储罐下方，用于将液氮输送至深冷处理室。输液管上设有输液阀，深冷处理前，向储罐加注液氮时，输液阀为关闭状态；进行深冷处理时，打开输液阀，允许液氮通过。液氮经输液管被送至绕于深冷处理室外的内盘管，内盘管将冷量传递给深冷处理室壁，用于冷却被处理工件。汽化后的冷却剂进入绕于冷屏的外盘管，进一步将冷量传递给冷屏，用于阻断室温环境通过绝热层向深冷处理室的漏热。离开外盘管的气液两相氮流体由回流管经回流调节阀返回液氮储罐，液氮继续循环使用，气氮由储罐顶部注液口排出。回流调节阀开度的大小可以调节冷却剂自然循环流动的流量。当自然循环流动不足时，可通过引射系统增强循环流动。引射系统包括氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀和引射管。引射管在回流管中的安装位置如图2所示，引射管在回流管中的出流方向与自然循环流动方向相同，引射调节阀用于控制引射流量。深冷处理室中还设置风扇，以增强对流。
液氮储罐须具有良好的绝热性能，可减少来自环境的漏热对液氮的消耗；储罐安装在高于深冷处理室的位置，以便冷却剂形成自然循环流动。输液管同样需要良好的绝热，因为液氮与气氮的密度差是形成自然循环的根源，漏热将造成输液管中液氮的汽化，会减小输液管中冷却剂与内、外盘管以及回流管中两相冷却剂的密度差，进而削弱循环动力。输液阀为低温球阀，液氮通过时的流动阻力比较小。内、外盘管分别绕制并焊接在深冷处理室和冷屏外，保证热接触良好，以方便传热。此外，应该保证回流管出口在液氮储罐中处于气相，即气相回流，这有利于冷却剂形成自然循环流动，并且可避免液氮沿回流管倒流。
压力传感器P1、P2，温度传感器T1、T2被分别安装在内盘管的入口和外盘管的出口，用于监视自然循环流动情况和进出深冷处理室冷却剂的温度。如图3所示，温度传感器T3-T7置于深冷处理室内，用于监视深冷处理室内温度分布以及被处理工件的温度变化。所有压力和温度信号由计算机数据采集系统自动采集、显示和保存，风扇转速也通过计算机实现调控。
运行基于自然循环的可控温深冷处理系统时，首先关闭输液阀，对储罐进行液氮加注。完成液氮加注后，启动风扇，依次打开回流调节阀和输液阀，形成回路，在密度差导致的压力差的驱动下，冷却剂在回路中循环流动。液氮冷却剂由输液管经输液阀送至内盘管，冷量经深冷处理室壁传递给被处理工件，汽化后两相冷却剂进入外盘管冷却冷屏，以阻断环境经绝热层向深冷处理室的漏热。冷却剂离开外盘管后由回流管经回流调节阀返回液氮储罐，其中液氮部分继续循环利用，气氮部分则从注液口排出。深冷处理过程中，可通过调节回流调节阀的开度和风扇的转速来调节工件表面的换热系数，从而控制工件的降温速度和处理温度。当需要快速降温而单纯依靠自然循环无法满足冷量要求时，可启动引射系统，增强循环流动，提高冷量供给。引射流量由引射调节阀控制。深冷处理结束时，关闭输液阀，即可切断冷却剂的循环流动，停止供冷。
权利要求
1.一种基于自然循环的可控温深冷处理系统，其特征在于，它包括液氮储罐(1)、注液口(2)、输液阀(3)、输液管(4)、绝热层(5)、冷屏(6)、深冷处理室(7)、内盘管(8)、外盘管(9)、内盘管入口压力传感器(10)、内盘管入口温度传感器(11)、风扇(12)、氮气钢瓶(13)、减压阀(14)、引射调节阀(15)、引射管(17)、外盘管出口压力传感器(18)、外盘管出口温度传感器(19)、深冷处理室内温度传感器(20)、回流调节阀(21)、回流管(22)和计算机数据采集及控制系统(16)。液氮储罐设有注液口，液氮储罐依次与输液阀、输液管、内盘管、外盘管、回流调节阀、回流管相接；深冷处理室外设绝热层，绝热层内设有冷屏；内、外盘管分别绕制在深冷处理室和冷屏外；氮气钢瓶经减压阀、引射调节阀、引射管与回流管相接；在深冷处理室内设有风扇。
全文摘要
本发明公开了一种基于自然循环的可控温深冷处理系统，它包括液氮储罐、注液口、输液阀、输液管、绝热层、冷屏、深冷处理室、内盘管、外盘管、内盘管入口压力传感器、内盘管入口温度传感器、风扇、氮气钢瓶、减压阀、引射调节阀、引射管、外盘管出口压力传感器、外盘管出口温度传感器、深冷处理室内温度传感器、回流调节阀、回流管、计算机数据采集及控制系统。本发明涉及的自然循环可控温深冷处理系统依靠液氮密度和气氮密度的不同形成压差，推动液氮冷却剂进行循环流动；通过控制循环液氮的流量和处理室风扇的转速可方便地实现工件表面换热系数的调节。该系统具有节省循环动力和液氮耗量、便于控制深冷处理冷却速度和处理温度等优点。
文档编号C22F1/00GK1948516SQ200610154578
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月8日 优先权日2006年11月8日
发明者汤珂, 金滔, 夏雨亮, 许斌, 陈国邦 申请人:浙江大学
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