一种基于斯特林制冷机的低温液氮系统

本实用新型属于制冷系统技术领域，具体涉及一种基于斯特林制冷机的低温液氮系统。

背景技术：

液氮是一种常用的冷源，高纯度的液氮具有安全性高等优点，在医疗、食品、电子、冶金、航天以及机械制造等领域被广泛应用。但液氮在常温下不易保存，通常在需要时再使用液氮机制造。但传统的低温空分液氮系统往往以大中型制冷机为基础，这类制冷机虽然制造液氮的量大、纯度高，但体积大、占地面积大、成本高且使用流程复杂，不适用于高纯度液氮需求量小或使用场合较小的情况。

技术实现要素：

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于斯特林制冷机的低温液氮系统。

本实用新型提供了一种基于斯特林制冷机的低温液氮系统，具有这样的特征，包括：氮气液化系统以及液氮罐，其中，氮气液化系统包括：依次连通的一级制冷机、二级制冷机以及三级制冷机，一级制冷机为自由活塞式斯特林制冷机，以氢气为制冷剂，用于将输入一级制冷机的氮气降低一定温度；二级制冷机为自由活塞式斯特林制冷机，以体积比为1：1的氦气和氢气为制冷剂，用于将一级制冷机输出的氮气再降低一定温度；三级制冷机为自由活塞式斯特林制冷机，与液氮罐连接，以氦气为制冷剂，用于将二级制冷机输出的氮气再降低一定温度，转化为液氮，液氮罐用于承接三级制冷机输出的液氮。

在本实用新型提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统中，还可以具有这样的特征：其中，一级制冷机的制冷温度为-60℃。

在本实用新型提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统中，还可以具有这样的特征：其中，二级制冷机的制冷温度为-150℃。

在本实用新型提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统中，还可以具有这样的特征：其中，三级制冷机的制冷温度为-200℃。

在本实用新型提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统中，具有这样的特征：其中，氮气由空气处理系统制得，空气处理系统除去空气中的水、二氧化碳以及氧气，从而制得氮气，空气处理系统包括依次连接的空气压缩机、第一过滤器、冷干机、第二过滤器、第三过滤器、空气罐、变压吸附制氮装置以及氮气纯化装置，氮气由氮气纯化装置排出进入一级制冷机。

在本实用新型提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统中，还可以具有这样的特征：其中，空气处理系统的氮气纯化装置输出的氮气纯度大于99.5％。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的基于斯特林制冷机的低温液氮系统，因为采用串联的三级自由活塞斯特林制冷机分级制冷，逐级降低氮气温度最终得到液氮，使得每台制冷机仅需分担部分制冷，使用三级小型斯特林制冷机即能将氮气转化为液氮。用串联方法连接小型斯特林制冷机，使得整个液氮系统结构紧凑，设备占地面积小，噪音降低；同时由于小型制冷机结构简单，使设备操作容易，降低了生产成本和维修维护难度。使用空气处理系统处理后的氮气浓度更高，再通过三级斯特林制冷机得到的液氮纯度也更高。

所以，本实用新型的基于斯特林制冷机的低温液氮系统，设备结构紧凑，占地面积小，噪声小，操作容易，维护简单，且制取的液氮纯度高，洁净度高。

附图说明

图1是本实用新型的实施例中基于斯特林制冷机的低温液氮系统；

图2是本实用新型的实施例中基于斯特林制冷机的空气处理系统；

图3是本实用新型的实施例中基于斯特林制冷机的自由活塞斯特林制冷机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本实用新型一种基于斯特林制冷机的低温液氮系统作具体阐述。

<实施例>

本实施例描述基于斯特林制冷机的低温液氮系统的具体结构和使用方法。

图1是本实施例中的基于斯特林制冷机的低温液氮系统的工作过程示意图。

如图1所示，基于斯特林制冷机的低温液氮系统100(以下简称低温液氮系统100)包括空气处理系统10、氮气液化系统20、液氮罐30。

空气处理系统10与周振华在《装备维修技术》2020年第10期，282-283页《变压吸附制氮系统应用分析》一文中的变压吸附制氮系统一致。

图2是本实施例中基于斯特林制冷机的空气处理系统。

如图2所示，空气处理系统10依次连接的空气压缩机11、第一过滤器12、冷干机13、第二过滤器14、第三过滤器15、空气罐16、变压吸附制氮装置17以及氮气纯化装置18。

空气压缩机11将进入其中的空气压缩为0.8mpa的空气，通过第一过滤器12粗滤掉空气中的颗粒物和水，然后空气进入冷干机13，被冷却干燥到-5℃后，再依次经过第二过滤器14和第三过滤器15除去空气中的微小颗粒物、油和水后送入空气罐16暂时储存。

当需要制备氮气时，空气罐16中的洁净压缩空气进入变压吸附制氮装置17，压缩空气中的氧分子被变压吸附制氮装置17内置的碳分子筛吸附，而未被吸附的氮气穿过吸附床进入氮气纯化装置18，纯化后，0.7mpa的99.5％的氮气从氮气纯化装置18的排气口排出。

氮气液化系统20包括一级制冷机21、二级制冷机22以及三级制冷机23。一级制冷机21、二级制冷机22以及三级制冷机23均为自由活塞斯特林制冷机。

图3是本实施例中自由活塞斯特林制冷机的结构示意图。

如图3所示，自由活塞斯特林制冷机采用整体式结构，下部分为线性压缩机201，上部分为膨胀机202，线性压缩机采用动磁式直线电机驱动，板弹簧203支承压缩活塞204，压缩活塞204和气缸之间具有静压气体轴承。膨胀机202中的膨胀活塞205与膨胀气缸206之间为间隙密封，膨胀机202中的回热器207为环形结构。

一级制冷机21包括第一氮气入口和第一氮气出口，第一氮气入口通过管道与氮气纯化装置18的排气口连通。一级制冷机21以氢气为制冷剂，将空气处理系统10排出的99.5％的氮气降温至-60℃。在实际应用中，一级制冷机21可采用sc-ue15型制冷机。

二级制冷机22包括第二氮气入口与第二氮气出口，第二氮气入口通过管道与一级制冷机21的第一氮气出口连通。二级制冷机22以体积比为1：1的氦气和氢气为制冷剂，将一级制冷机21排出的-60℃的99.5％的氮气温度降至-150℃。在实际应用中，二级制冷机22可采用m600型制冷机。

三级制冷机23包括第三氮气入口和第三氮气出口，第三氮气入口通过管道与二级制冷机22的第二氮气出口连通。三级制冷机23以氦气为制冷剂，将二级制冷机22排出的-150℃的99.5％的氮气温度降至-200℃，从而液化为液氮。在实际应用中，三级制冷机23可采用cryotelgt型制冷机。

液氮罐为罐体，具有液体入口。液体入口与第三氮气出口连通，承接三级制冷机23排出的液氮。

本实施例提供的基于斯特林制冷机的低温液氮系统100的具体工作过程如下：

首先，使用者将压力为0.8mpa的干空气通过气体入口输入空气处理系统10，空气处理系统10除去压力为0.8mpa的干空气中含有的水、二氧化碳以及氧气，使干空气转化为压力为0.7mpa的99.5％的氮气。氮气从气体出口排出后，通过第一氮气入口进入一级制冷机21，氮气温度下降至-60℃后，从第一氮气出口排出。-60℃的氮气通过第二氮气入口进入二级制冷机22，-60℃的氮气的温度在二级制冷机22中下降到-150℃后，从第二氮气出口排出。-150℃的氮气通过第三氮气入口进入三级制冷机23中，温度下降至-200℃，继而液化为液氮后，从第三氮气出口排入液氮罐30中。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的基于斯特林制冷机的低温液氮系统，因为采用串联的三级自由活塞斯特林制冷机分级制冷，逐级降低氮气温度最终得到液氮，使得每台制冷机仅需分担部分制冷，使用三级小型斯特林制冷机即能将氮气转化为液氮，用串联方法连接小型斯特林制冷机，使得整个液氮系统结构紧凑，设备占地面积小，噪音降低；同时由于小型制冷机结构简单，使设备操作容易，降低了生产成本和维修维护难度。使用空气处理系统处理后的氮气浓度更高，再通过三级斯特林制冷机得到的液氮纯度也更高。

另外，使用空气处理系统去除空气中的水、二氧化碳以及氧气，使输出的氮气纯度大于99.5％，从而得到纯度极高的液氮。

所以，本实用新型的基于斯特林制冷机的低温液氮系统，设备结构紧凑，占地面积小，噪声小，操作容易，维护简单，且制取的液氮纯度高，洁净度高。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。