一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器的制作方法

本发明涉及液体存储容器技术领域。更具体地，涉及一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器。

背景技术：

低温液体尤其是液氢、液氦等，由于其存储温度很低，需采取各种措施减少漏热，以延长存储时间。

考虑到低温液体受热蒸发后，形成冷气体，具有一定显冷(即显热)的冷气体直接排放到室温环境会造成很大的冷量损失和浪费，尤其对于具有较大显冷的4.2K的冷氦气，这种冷能不加以利用会使得低温液体的储存时间大大缩短，系统工作效率降低。为此，一般会在冷气体的排放管道外壁焊接或机械连接换热器，用于回收冷气体的显热。如将换热器与包围低温储槽的冷屏连接，可以屏蔽外界进入低温液体的辐射热；将换热器与低温储槽的固体支撑连接则可阻挡室温至低温液体的传导热。

现有的冷量回收方式主要是在杜瓦颈管外侧焊接冷屏，这种方式的冷量回收效果差；此外也有将回气管道盘在冷屏表面，冷气体通过盘管冷却冷屏，这种方式的冷量回收效果较好，但制作工艺复杂，杜瓦容器笨重；冷屏内外采用多层绝热材料包裹。

因此，本发明提出在冷气体排放管道的内部安装换热器的思路，设计出一种带有冷屏的狭缝式内翅式换热器，使得冷量回收效率大大增加，在此基础上研制出高效低温液体储存容器。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器。

本发明的另一个目的在于提供一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器，包括法兰、真空罐体、储液内胆、进液管路、排气管路和换热装置；

所述真空罐体上端连接法兰，内部设有储液内胆和换热装置；所述储液内胆外部套设换热装置；

所述换热装置包括底座、冷屏、折管和狭缝内翅式换热器；所述冷屏套设在储液内胆外部，下端连接设于储液内胆下方的底座，上端连接狭缝内翅式换热器；所述狭缝内翅式换热器通过折管与储液内胆的上端连接；

所述进液管路的上端穿出法兰，下端穿过狭缝内翅式换热器的一侧伸入储液内胆；

所述排气管路的上端穿出法兰，下端连接狭缝内翅式换热器。

优选地，所述真空罐体、储液内胆、冷屏均为圆筒形。

优选地，所述真空罐体通过螺母与法兰连接，所述法兰与所述真空罐体之间形成真空腔体；所述法兰上设有KF真空接头。

优选地，所述冷屏和狭缝内翅式换热器之间填充铟膜，并通过螺母连接。

优选地，所述进液管路包括球阀、密封座、进液隔热管、进液直管、进液过渡件和进液螺旋管；

所述进液螺旋管下端伸入储液内胆内部，上端穿出储液内胆连接进液过渡件的下端；所述进液螺旋管采用不锈钢管，至少盘绕一周；

所述进液过渡件的上端连接进液直管的下端；所述进液直管穿过狭缝内翅式换热器和法兰，上端连接密封座的下端，外部套设有进液隔热管；进液隔热管下端边沿与法兰内壁齐平，上端边沿与密封座的下端边沿齐平；所述密封座的上端连接球阀；所述进液管路与狭缝内翅式换热器之间热接触良好。更优选地，所述球阀和密封座通过螺纹连接。进液管路设置球阀，当输液结束后，可关闭输液管路，防止液体回流。

优选地，所述排气管路包括排气颈管，排气隔热管和水平排气管；所述排气颈管的下端伸入真空罐体中连接狭缝内翅式换热器，上端穿出法兰并连接水平排气管；所述排气隔热管套设在排气颈管外部，下端边沿与法兰外表面齐平，上端边沿不超出水平排气管的下边沿。

优选地，所述换热装置为多级，第二级换热装置套设在第一级换热装置外部，依次类推；第一级狭缝内翅式换热器通过折管与储液内胆的上端连接；多级狭缝内翅式换热器之间通过换热器接管连接。

优选地，所述换热装置为两级。第一级换热器温度较低，主要用于屏蔽储液内胆冷量辐射漏出，第二级换热器主要用于屏蔽外界辐射热量进入；两级换热器结构较为紧凑，可满足便携式要求；单级换热器屏蔽辐射效果不佳，三级或以上其屏蔽效果虽然会更好，但是机械加工以及整体系统结构则会变得繁杂，故采用两级换热装置。

优选地，所述狭缝内翅式换热器包括盘面、换热器筒和狭缝结构；所述盘面通过周边设置的螺纹孔连接冷屏，通过一侧设置的进液管孔连接进液管路；盘面中心垂直贯穿有换热器筒；所述换热器筒内部设有狭缝结构；所述盘面通过套设在换热器筒外部的折管与储液内胆的上端连接；所述折管上端与盘面连接，下端与储液内胆的上端连接；

所述狭缝结构包括内翅片和矩形狭缝；所述内翅片是许多沿圆周以一定规律均匀分布的截面为矩形的换热片，翅片根部与换热器筒连成一体；所述内翅片之间形成矩形狭缝，所述矩形狭缝为气体通道，气体沿换热器轴向流动；

优选地，所述矩形狭缝的宽度为0.4mm～0.8mm，既可以减少流动阻力，又能满足充分换热的需求；

优选地，所述内翅片数量为30～60，以增加换热面积，提高冷量回收效率；

优选地，所述换热器筒的轴向长度为15mm～60mm，以保证冷气体与换热器翅片之间有充分的热交换，提高冷量回收效率；

优选地，所述换热器盘面厚度为3mm～5mm；

优选地，所述矩形狭缝中心留有圆形通孔，在往容器输入低温液体过程时会有大量液体汽化，该通孔可以用作大流量气体的通道，在输液过程结束后，在通孔内插入实验需要的样品导管或由聚四氟乙烯棒封住，此时，小流量气体经翅片式狭缝内流出；如果储液内胆内需要安放实验样品，实验样品会通过换热器中部通孔插入的样品导管进入到储液内胆里面；如果单纯储存液体而不安放实验样品，为了防止蒸发气体通过换热器中部通孔排出，而不经过换热翅片，则需要在换热器中部通孔内放入聚四氟乙烯棒封住中部通孔，迫使气体流经换热器狭缝进行换热。

优选地，所述换热器材料为纯铜；纯铜不仅具有高热导率，且与不锈钢管能够焊接；

优选地，所述冷屏材料为纯铜或者纯铝；纯铜或者纯铝具有高热导率，因此用作冷屏材料。

优选地，所述真空罐体内装置的表面均涂有防辐射多层绝热材料；

优选地，所述储液主体置于所述法兰和真空罐体形成的真空腔体内；换热器外部包括储液主体置于真空腔体内，以减少对流漏热，换热器内筒与储液内胆均与排气颈管连接，由于存在冷气体的流动，不存在真空环境。

优选地，所述进液管路与狭缝内翅式换热器之间热接触良好；

优选地，所述进液螺旋管采用不锈钢管，至少盘绕一周。不锈钢管具有低热导率，因此可作为进液螺旋管。进液管路通过进液过渡件形成管路截面积的转换，输液螺旋管既减少输液时液体对储液内胆的冲击，同时由于其螺旋缠绕，又可减少热应力对储液内胆的影响。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器的应用，包括如下步骤：

1)利用KF真空接头对真空罐体抽取真空，待真空罐内的真空度降到1×10^-2Pa以内后，将球阀打开，同时将所需储存的低温液体通过进液管路注入储液内胆内；外界低温液体依次通过进液直管、进液过渡件、进液螺旋管，最终均匀流入储液内胆内；开始输液时可减少输液流量，针对液氮而言，流量控制在10L/min以下，主要利用低温液体潜热和冷气体显热给整个储液系统预冷；

2)刚输入到储液内胆的低温液体会因为相对温度较高的储液内胆及排出管路而汽化成为冷气体，冷气体依次流经折管、第一级换热器狭缝、换热器接管、第二级换热器狭缝、排气颈管和水平排气管后，排出系统，冷气体的显冷会依次冷却第一级换热器、第一级换热器冷屏、第一级换热器冷屏底座以及第二级换热器、第二级换热器冷屏和第二级换热器冷屏底座；

3)当储液内胆底部温度达到低温液体温度时说明储液内胆内已有低温液体存储，继续输入低温液体，将流量加至开始流量的1.5倍，待两级换热器温度达到平衡不在变化后，停止输液，将外界低温液体断开输送后，关闭球阀，利用低温液体储存容器储存低温液体。

低温储液容器的漏热会引起储液内胆内低温液体汽化，由于球阀关闭后，冷气体只能通过排气管路排出，所以汽化形成的冷气体流经换热器狭缝，冷却换热器以及与其相连接的冷。换热器及冷屏温度的降低会减少储液内胆的漏热，最终达到一个平衡状态，使得储液内胆内低温液体得以长时间存储。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过设置狭缝内翅式换热器和冷屏，大大增加冷量的回收效率，狭缝内翅式换热器中间通孔由样品导管或聚四氟乙烯棒堵死，迫使冷气体只流经换热器狭缝，保证换热充分。

(2)进液管路设置球阀，当输液结束后，可关闭输液管路，防止液体回流。

(3)进液管路通过进液过渡件形成管路截面积的转换，输液螺旋管既减少输液时液体对储液内胆的冲击，同时由于其螺旋缠绕，又可减少热应力对储液内胆的影响。

(4)通过设置两级带有冷屏的狭缝式内翅式换热器，可充分回收冷气体显热冷量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例1中低温液体储存容器结构的剖视图。

图2示出实施例1中狭缝内翅式换热器结构的俯视图(a)和剖视图(b)，以及狭缝内翅式换热器中不同形式的狭缝结构俯视图，其中图2(c)示出内辐射式狭缝结构，图2(d)示出扇形式狭缝结构。

图3示出现有技术盘管冷屏杜瓦结构的剖视图。

其中：

1-球阀，2-密封座，3-进液隔热管，4-进液直管，5-换热器接管，6-进液过渡件，7-折管，8-进液螺旋管，9-储液内胆，10-真空罐体，11-第一级底座，12-第二级底座，13-第一级冷屏，14-第二级冷屏，15-第一级狭缝翅片式换热器，16-第二级狭缝式翅片换热器，17-排气颈管，18-法兰，19-排气隔热管，20-KF真空接口，21-样品导管，22-水平排气管，23-螺纹孔，24-进液管孔，25-圆形盘面，26-换热器筒，27-狭缝结构，2701-内翅片，2702-矩形狭缝，2703-中心圆形通孔

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1和图2所示，一种带有狭缝内翅式换热器冷屏的低温液体储存容器，包括法兰18、圆筒形真空罐体10、圆筒形储液内胆9、进液管路、排气管路和两级换热装置；

进液管路包括球阀1、密封座2、进液隔热管3、进液直管4、进液过渡件6和进液螺旋管8；

排气管路包括排气颈管17、排气隔热管19和水平排气管22；

两级换热装置包括第一级圆形底座11、第二级圆形底座12、第一级圆筒形冷屏13、第二级圆筒形冷屏14、第一级狭缝内翅式换热器15和第二级狭缝内翅式换热器16；狭缝内翅式换热器包括圆形盘面25、换热器筒26和狭缝结构27；圆形盘面25周边设有螺纹孔23，一侧设有进液管孔24；如图2所示，狭缝结构27包括内翅片2701、矩形狭缝2702和中心圆形通孔2703；内翅片2701是许多沿圆周以一定规律均匀分布的截面为矩形的换热片，翅片根部与换热器筒26连成一体；内翅片2701之间形成矩形狭缝2702，矩形狭缝2702为气体通道；

第一级圆筒形冷屏13套设在圆筒形储液内胆9外部，下端连接设于储液内胆9下方的第一级圆形底座11，上端通过螺纹孔23连接第一级狭缝内翅式换热器15的圆形盘面；第二级圆筒形冷屏14套设在第二级圆筒形冷屏13外部，下端连接第二级圆形底座12，上端通过螺纹孔23连接第二级狭缝内翅式换热器16的圆形盘面；第一级狭缝内翅式换热器15上方通过换热器接管5连接第一级狭缝内翅式换热器16，下方通过折管7连接储液内胆9的上端；换热器接管5和折管7均套设在换热器筒26外部；

储液内胆9和两级换热装置外部套设真空罐体10；真空罐体10上端通过螺母与法兰18连接，法兰18与真空罐体10之间形成真空腔体；法兰18上设有KF真空接头20；

进液螺旋管8下端伸入储液内胆9内部，上端穿出储液内胆连接进液过渡件6的下端；进液过渡件6的上端连接进液直管4的下端；进液直管4穿过第一级狭缝内翅式换热器15和第二级狭缝内翅式换热器16的圆形盘面的进液通孔24，并穿出法兰18，上端连接密封座2的下端，外部套设有进液隔热管3；进液隔热管3下端边沿与法兰18内壁齐平，上端边沿与密封座2的下端边沿齐平；密封座2的上端通过螺纹连接球阀1；

排气颈管17的下端伸入真空罐体10中连接第二级狭缝内翅式换热器16的圆形盘面，上端穿出法兰18并连接水平排气管22，外部套设有排气隔热管19，中间插有样品导管21；排气隔热管19下端边沿与法兰18外表面齐平，上端边沿不超出水平排气管22的下边沿；样品导管21下端伸入储液内胆9，上端通过狭缝结构27的中心圆形通孔2703穿出真空罐体10直至排气颈管17的顶端；

图2还示出不同形式的狭缝结构俯视图，其中图2(c)示出内辐射式狭缝结构，图2(d)示出扇形式狭缝结构。内辐射式狭缝结构包括内辐射式内翅片2701′、矩形狭缝2702′和中心圆形通孔2703′；扇形式狭缝结构包括扇形式内翅片2701"、矩形狭缝2702"和中心圆形通孔2703"。

换热器的狭缝的宽度范围为0.4mm～0.8mm；内翅片数量为30～60；换热器筒的轴向长度为15mm～60mm；换热器盘面厚度为3mm～5mm；

换热器材料为纯铜；冷屏材料为纯铜或者纯铝；真空罐体10内装置的表面均涂有防辐射多层绝热材料；储液主体置于法兰18和真空罐体10形成的真空腔体内；进液螺旋管8采用不锈钢管，至少盘绕一周。

实施例2

采用如实施例1所述的容器，进行低温液体储存

实验开始前，利用所述KF真空接头对真空罐抽取真空，待实验系统显示真空罐内的真空度降到1×10^-2Pa以内后，将球阀打开，同时将所需储存的低温液体通过输液管路注入储液内胆内。刚输入到储液内胆内的低温液体会因为相对温度较高的储液内胆及排出管路而汽化成为冷气体，冷气体流经换热器狭缝，冷却换热器及冷屏；开始输液时可减少输液流量，主要利用低温液体潜热和冷气体显热给整个储液系统预冷。当储液内胆底部温度达到低温液体温度时说明储液内胆内已有低温液体存储，此后可将输液流量调大；当第一级换热器温度达到低温液体温度时，说明储液内胆内已注满低温液体。待两级换热器温度达到平衡不在变化后，停止输液，关闭球阀，利用储液容器储存低温液体。

低温储液容器的漏热会引起储液内胆内低温液体汽化，汽化形成的冷气体流经换热器狭缝，冷却换热器以及与其相连接的冷屏。换热器及冷屏温度的降低会减少储液内胆的漏热，最终达到一个平衡状态，使得储液内胆内低温液体得以长时间存储。

对比例1

采用如图3所示的容器，进行低温液体储存：

冷气体通过盘在冷屏外面的盘管冷却冷屏，由于盘管需要通过焊接等加工工艺固定在冷屏上，其制作工艺复杂，同时会造成杜瓦容器的笨重，不利于携带。使用时，先将真空腔体内抽取真空，待真空度降到1×10^-2Pa以内后，通过输液管路将低温液体输入储液杜瓦内。开始输液时，流量调小，防止由于蒸发气体量太大而造成管路内阻力大，使得储液杜瓦内压强过高，超过储液杜瓦材料的许用应力而被破坏。待冷气体排放稳定时，可加大输液流量，直至输满为止。

结果表明，低温液体虽然能在储液杜瓦内存储较长时间，但是盘管结构的设计造成制作工艺复杂，杜瓦容器笨重；为保证盘管回收冷量充足，需要加长其缠绕圈数，这样容易使得蒸发气体流动阻力加大，储液杜瓦内压力升高，无法正常储存低温液体。

对比例2

采用实施例2中所述的容器，进行低温液体储存，不同之处在于不设置冷屏。

实验结果表明，换热器温度的降低会减少储液内胆通过排气颈管的导热漏热，但由于没有冷屏的存在，其辐射漏热较大，特别对于4.2K的液氦而言，由于其潜热较小，无法在储液内胆内正常存储。

对比例3

采用实施例2中所述的容器，进行低温液体储存，不同之处在于不设置球阀。

实验结果表明，停止输液后，低温储液容器的漏热会引起储液内胆内低温液体汽化，汽化形成的冷气体一部分流经换热器狭缝，冷却换热器，另一部分则会存储于储液内胆内，造成储液内胆内存储的低温液体通过输液管路回流出，无法满足正常存储低温液体的目的。

对比例4

采用实施例2中所述的容器，进行低温液体储存，不同之处在于不设置进液过渡件。

结果表明，没有设置进液过渡件的系统，由于外界低温液体输入时，流量不均匀，而储液系统内没有输液管截面积的转换，液体无法均匀稳定输入到储液内胆内，难以保证储液内胆存储的液体是均匀不含气体的，进而影响其保温性能。

对比例5

采用实施例2中所述的容器，进行低温液体储存，不同之处在于不设置进液螺旋管。

实验结果表明，由于没有进液螺旋管的存在，外界低温液体直接通过进液组件对储液内胆冲击，这样不仅不能实现低温液体的均匀输入，同时，由于刚开始输入低温液体时，储液内胆与输液组件之间存在较大温差，容易在连接处产生较强热应力，没有了进液螺旋管的过渡，热应力容易造成连接处的结构损坏。

结论：本发明中换热器和冷屏之间相互配合，协同作用，使其低温储存液体的作用效果最优，采用球阀防止液体回流，采用进液过渡件形成管路截面积的转换，采用进液螺旋管既减少输液时液体对储液内胆的冲击，又可减少热应力对储液内胆的影响，缺少任一组件都会使得低温储存的效果在某些方面有不同程度的减弱。本发明的产品冷量回收效率高，输液结束后液体不回流，可充分回收冷气体显热冷量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。