[发明专利]一种液氮自冻实现冷态真空的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷态真空的装置及方法，尤其是涉及一种液氮自冻实现冷态真空的装置及方法。

背景技术

一些物理实验或试验如结冰风洞试验，需要创造一个冷态的真空环境。即在相对密闭空间中，同时满足两个条件:环境温度较低，如达到-196℃；真空度较低,低真空或高真空。实现冷态的真空空间，传统做法是在一定的密闭空间内通过喷洒液氮，降低密闭空间温度和真空度，形成短时间的冷态真空空间，然后与真空容器连接，满足试验要求。由于每次试验均需喷洒液氮，液氮利用率低,且低温的氮气排放到大气中，易冻坏周围环境的植物。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种液氮自冻实现冷态真空的装置，其特征在于，包括：由外至内依次套入的形成的一个三层容器，分别是：

最外层V3：作为保冷防护；

中间夹层V2：该夹层与最外层V3形成的空间用于充入部分液氮，作为工作介质；

内层V1：待液化或凝固的气体；

其中，中间夹层V2该夹层与最外层V3形成的空间与通入外界的管线L3和L4连通，管线L4上设有阀门J6，管线L3上设有阀门J3，和低温真空泵P1组成，阀门J5和低温真空泵P1连接后接在阀门J4与阀门J5之间；中间夹层V2该夹层与最外层V3形成的空间内设有液位计H1，温度传感器T2；

内层V1的空间内设有温度传器T1，真空计K1，与内层V1内的空间相连有通入外界的管线L1和管线L2，管线L1与试验设备相连，管线L1上有设低温阀门J1，管线L2上有阀门J2，管线L2起排空作用；

所述中间夹层V2和内层V1之间通过若干中间夹层V2支座固定；所述中间夹层V2和内层V1之间通过最外层V3夹层隔热支座固定。

本发明创造性的利用氮气的物理特性:沸点-195.8℃,熔点是-210℃，从液氮降温到固态氮的温度区间较窄。设计一种三层容器，外层夹层V3是保温层,可通过填充多层绝热材料或高真空方式进行保温，夹层V2经氮气置换后充入部分液氮，由于充入的液氮温度为-196℃，在密闭常压夹层空间中，液氮是液相和气相两相共存。通过低温真空泵将V2上方的气相氮抽出，容器内真空度降低，液氮上表面附近的氮吸热产生汽化，气相的氮不断被真空泵抽走，不断带走液氮中的热量，加剧液氮降温，使V2空间内发生“自冻”，随之V2的液氮降温，至部分降至-210℃而凝固。通过相邻内壁传热作用，使内层空间V1温度降低，V1内气体迅速降温液化或凝固附于内表壁上，从而使V1压强下降，即在V1内实现冷态真空空间。

在上述的一种液氮自冻实现冷态真空的装置，所述中间夹层V2支座采用与罐壁一样的低温材料；支座分为固定支座和滑动支座两种形式，目是的消除降温或升温时因温度梯度变化较大而引起的应力变形；最外层V3采用高真空或多层绝热材料，起保冷隔热作用，使V2维持低温。

在上述的一种液氮自冻实现冷态真空的装置，最外层V3、中间夹层V2以及内层V1为三个体积不同的罐体，罐体形状可以为卧式结构，或球形结构，或两者组合。

在上述的一种液氮自冻实现冷态真空的装置，管路L1、管路L2、管路L3处于夹层间的部分采用波纹管连接形式。

一种液氮自冻实现冷态真空的方法，其特征在于，包括：

中间夹层V2空间氮气置换的步骤：常温常压下，通入纯净氮气将中间夹层V2内空气置换；关闭J5，开启J3、J4、J6，从管路L3充入液态，从管线L4排气，充入液氮降温后，并使V2内保持设定容积的液氮，液面要低于管路L3与V2的接口；

中间夹层V2抽真空降温的步骤：待中间夹层V2内热交换结束，气相和液相平衡，关闭J6；开启阀门J3和阀门J5；关闭阀门J4，并开启低温真空泵P1开始抽真空，使中间夹层V2内的液氮上空的气相空间降压，使液态气在低真空态下发生自冻；根据真空度的不同，低温真空泵P1可以分为多级并联；

内层V1降温的步骤：此时阀门J1为关闭态，V2内的低温通过内壁传热作用，使内层V1内的气体不断被液化或凝固，迅速降温降压，实现冷态真空；真空计K1测量内层V1内的真空度，温度传器T1测量内层V1内的温度；

当形成稳定的冷态真空V1后，此时，J1、J2、J3关闭；工作时，开启J1，使V1与试验机构连通。