一种液氮在线制备与在线切换式调控系统

摘要

本发明属于低温加工技术领域，提供一种液氮在线制备与在线切换式调控系统，包括液氮制备单元、液氮存储单元、液氮调控单元、监控单元。液氮制备单元负责液氮的制备；液氮存储单元负责液氮的存储和持续供给；液氮调控单元根据加工时切削用量对液氮的流量、压力进行调控；监控单元通过低温液位计对两个自增压液氮储罐中液氮的储量进行实时监测，并通过控制液氮制备单元及自增压液氮储罐的进、出液口低温电磁阀控制液氮的在线制备及在线切换。本发明实现了超低温冷却加工过程中冷却介质的长时间、稳定、按需供给，为超低温冷却加工提供了支持。

权利要求

1.一种液氮在线制备与在线切换式调控系统，其特征在于，该液氮在线制备与在线切换式调控系统包括液氮制备单元(1)、液氮存储单元(2)、液氮调控单元(3)和监控单元(5)，其中液氮制备单元(1)负责液氮的制备，液氮存储单元(2)负责液氮的存储和持续供给，液氮调控单元(3)负责对液氮的压力、流量进行调节，监控单元(5)负责传感器数据的采集以及控制指令的传递；

所述液氮制备单元(1)出口连接液氮泵(2‑7)入口；

所述液氮存储单元(2)包括：液氮泵(2‑7)、第一真空隔热管路(2‑6)、排气管路(2‑3)、排气管路低温电磁阀(2‑4)、排气管路温度传感器(2‑5)、第一自增压液氮储罐(2‑2)、第二自增压液氮储罐(2‑9)和第二真空隔热管路(2‑d)；所述第一自增压液氮储罐(2‑2)进一步包括：第一进液口低温电磁阀(2‑c)、第一压差式低温液位计(2‑1)和第一出液口低温电磁阀(2‑e)；所述第二自增压液氮储罐(2‑9)进一步包括：第二进液口低温电磁阀(2‑a)、第二压差式低温液位计(2‑8)和第二出液口低温电磁阀(2‑b)；液氮泵(2‑7)出口通过第一真空隔热管路(2‑6)分别连接第一自增压液氮储罐(2‑2)的第一进液口低温电磁阀(2‑c)及第二自增压液氮储罐(2‑9)的第二进液口低温电磁阀(2‑a)，可将液氮以一定压力输入到自增压液氮储罐中；在第一真空隔热管路(2‑6)上开设一条排气管路(2‑3)，排气管路(2‑3)上安装有排气管路低温电磁阀(2‑4)及排气管路温度传感器(2‑5)；第一自增压液氮储罐(2‑2)的第一出液口低温电磁阀(2‑e)及第二自增压液氮储罐(2‑9)的第二出液口低温电磁阀(2‑b)通过第二真空隔热管路(2‑d)连接液氮调控装置(3)入口；

所述液氮调控装置(3)实时获取加工参数，根据加工需求自动调节液氮的压力、流量并实时监测液氮的压力、流量、气液相比例，将液氮输送至中空隔热主轴(4)；

所述监控单元(5)进一步包括：液氮自动灌装控制模块和在线切换控制模块；

所述液氮自动灌装控制模块，用于接收第一压差式低温液位计(2‑1)和第二压差式低温液位计(2‑8)的液位信息，当对应的自增压液氮储罐中液氮液位低于预定值时，开启液氮制备单元(1 )、液氮泵(2‑7)和排气管路低温电磁阀(2‑4)，关闭连接到各自增压液氮储罐的进液口电磁阀，对传输管路进行预冷，当排气口温度传感器(2‑5)显示排气口温度达到‑

190℃时；开启需灌装的自增压液氮储罐进液口电磁阀，关闭排气管路低温电磁阀，对自增压液氮储罐加注，当储罐内液氮液位达到一定值后，关闭液氮制备单元(1 )、液氮泵(2‑7)、自增压液氮储罐进液口低温电磁阀，开启排气管路低温电磁阀(2‑4)，排出管路中剩余液氮；

所述在线切换控制模块，用于当需要供给液氮时，工控机(5‑1)根据第一压差式低温液位计(2‑1)和第二压差式低温液位计(2‑8)的液位信息选择液氮储备多的自增压液氮储罐进行液氮供给，开启其出液口低温电磁阀和液氮调控单元(3)，液氮调控单元(3)根据加工需求对液氮的压力、流量进行自动调控，工作一段时间后，自增压液氮储罐液位低于预定值后，关闭其出液口低温电磁阀，开启另一自增压液氮储罐的出液口低温电磁阀，继续进行液氮供给。

说明书

一种液氮在线制备与在线切换式调控系统

技术领域

[0001] 本发明属于低温加工技术领域，具体涉及一种液氮在线制备与在线切换式调控系统。

背景技术

[0002] 超低温冷却加工以液氮作为冷却介质，利用液氮沸点低，汽化潜热小等特性，实现刀具于加工区域强化冷却，在提高加工质量与加工效率、延长刀具寿命、降低综合加工成
本、绿色环保等方面具有独特的优势。

[0003] 要实现超低温加工高质、高效进行，需要保证加工过程有大量液氮长时间稳定输出，对加工区域持续冷却。同时，液氮的流量、压力和气体质量分数等参数的变化关系着刀
具‑工件交互作用区域的冷却强度，其传输调控也是影响超低温加工效果的关键因素。目前
多采用独立式液氮罐的方式进行液氮供给，这种供给方式可用于少量单次的加工过程，无
法实现液氮大量、长时间的稳定供给。因此，需要一种液氮供给长期稳定、制备过程智能化
水平高和对液氮射流调控精准的调控系统。

[0004] 2017年，华中科技大学在发明专利201710099659.0中公开了“一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统”，该系统采用氮气杜瓦瓶及液氮杜瓦瓶供给冷却介质
并依靠主动调节气液相分离器中液面上方气压值来实现液氮的自动化流量控制；2018年，
济南大学在发明专利201811181076.3中公开了“一种适用于低温切削的液氮流量智能调控
冷却系统”，该系统通过液氮杜瓦瓶供给液氮，采用红外测温仪在线检测前后刀面温度并反
馈给中央处理器，中央处理器再通过控制低温电磁阀对管路液氮流量进行控制，最终达到
设定温度；2019年，大连理工大学在发明专利201910800798.0中公开了“一种面向超低温冷
却加工的独立式液氮供给与调控系统”，该方法同样采用独立式液氮罐进行液氮供给，并通
过调节阀、减压阀等执行单元实现压力、流量、温度的联合控制。以上发明专利中，均采用独
立式液氮罐进行冷却介质供给，由于液氮罐的容积有限，无法实现冷却介质的持续输出。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术的缺陷和改进需求，发明了一种液氮在线制备与在线切换式调控系统，实现液氮的在线制备及长时间供给，同时对液氮实现多变量、大范围、定量的调
控。

[0006] 本发明的技术方案：

[0007] 一种液氮在线制备与在线切换式调控系统，包括液氮制备单元1、液氮存储单元2、液氮调控单元3和监控单元5，其中液氮制备单元1负责液氮的制备，液氮存储单元2负责液
氮的存储和持续供给，液氮调控单元3负责对液氮的压力、流量进行调节，监控单元5负责传
感器数据的采集以及控制指令的传递；

[0008] 所述液氮制备单元1出口连接液氮泵2‑7入口；

[0009] 所述液氮存储单元2包括：液氮泵2‑7、第一真空隔热管路2‑6、排气管路2‑3、排气管路低温电磁阀2‑4、排气管路温度传感器2‑5、第一自增压液氮储罐2‑2、第二自增压液氮
储罐2‑9和第二真空隔热管路2‑d；所述第一自增压液氮储罐2‑2进一步包括：第一进液口低
温电磁阀2‑c、第一压差式低温液位计2‑1和第一出液口低温电磁阀2‑e；所述第二自增压液
氮储罐2‑9进一步包括：第二进液口低温电磁阀2‑a、第二压差式低温液位计2‑8和第二出液
口低温电磁阀2‑b；液氮泵2‑7出口通过第一真空隔热管路2‑6分别连接第一自增压液氮储
罐2‑2的第一进液口低温电磁阀2‑c及第二自增压液氮储罐2‑9的第二进液口低温电磁阀2‑
a，可将液氮以一定压力输入到自增压液氮储罐中；在第一真空隔热管路2‑6上开设一条排
气管路2‑3，排气管路2‑3上安装有排气管路低温电磁阀2‑4及排气管路温度传感器2‑5；第
一自增压液氮储罐2‑2的第一出液口低温电磁阀2‑e及第二自增压液氮储罐2‑9的第二出液
口低温电磁阀2‑b通过第二真空隔热管路2‑d连接液氮调控装置3入口；

[0010] 所述液氮调控装置3实时获取加工参数，根据加工需求自动调节液氮的压力、流量并实时监测液氮的压力、流量、气液相比例，将液氮输送至中空隔热主轴4；

[0011] 所述监控单元5进一步包括：液氮自动灌装控制模块和在线切换控制模块；

[0012] 所述液氮自动灌装控制模块，用于接收第一压差式低温液位计2‑1和第二压差式低温液位计2‑8的液位信息，当对应的自增压液氮储罐中液氮液位低于预定值时，开启液氮
制备单元2、液氮泵2‑7和排气管路低温电磁阀2‑4，关闭连接到各自增压液氮储罐的进液口
电磁阀，对传输管路进行预冷，当排气口温度传感器2‑5显示排气口温度达到‑190℃时；开
启需灌装的自增压液氮储罐进液口电磁阀，关闭排气管路低温电磁阀，对自增压液氮储罐
加注，当储罐内液氮液位达到一定值后，关闭液氮制备单元2、液氮泵2‑7、自增压液氮储罐
进液口低温电磁阀，开启排气管路低温电磁阀2‑4，排出管路中剩余液氮；

[0013] 所述在线切换控制模块，用于当需要供给液氮时，工控机5‑1根据第一压差式低温液位计2‑1和第二压差式低温液位计2‑8的液位信息选择液氮储备多的自增压液氮储罐进
行液氮供给，开启其出液口低温电磁阀和液氮调控单元3，液氮调控单元3根据加工需求对
液氮的压力、流量进行自动调控，工作一段时间后，自增压液氮储罐液位低于预定值后，关
闭其出液口低温电磁阀，开启另一自增压液氮储罐的出液口低温电磁阀，继续进行液氮供
给。

[0014] 本发明的有益效果：两个并联的自增压液氮储罐为加工区域提供超低温冷却介质，并且监控单元能实时监测自增压液氮储罐的液位，可以进行随时的补充，实现了超低温
冷却介质的长时间连续输出；整个超低温介质传输管路全部采用真空隔管路及保冷措施，
避免超低温介质在传输过程产生过多热交换；液氮调控单元可根据加工需求对液氮压力、
流量进行调控，实现超低温冷却介质的按需稳定输出。

附图说明

[0015] 图1为液氮在线制备与在线切换式调控系统图。

[0016] 图中：1液氮在线制备单元，2液氮存储单元，2‑1第一压差式低温液位计，2‑2第一自增压液氮储罐，2‑3排气管路，2‑4排气管路低温电磁阀，2‑5排气管路温度传感器，2‑6第
一真空隔热管路，2‑7液氮泵，2‑8第二压差式低温液位计，2‑9第二自增压液氮储罐，2‑a第
二进液口低温电磁阀，2‑b第二出液口低温电磁阀，2‑c第一进液口低温电磁阀，2‑d第二真
空隔热管路，2‑e第一出液口低温电磁阀，3液氮调控单元，4中空隔热主轴，5监控单元，5‑1
工控机，5‑2PLC。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

[0018] 实例中，液氮制备单元液氮的产量为20L/h，产出液氮压力为1.8Mpa；第一自增压液氮储罐2‑2和第二自增压液氮储罐2‑9的容积均为200L，最大工作压力为2.3Mpa；第一压
差式低温液位计和第二压差式低温液位计的量程均为0～200L，输出信号为4～20mA；第一
真空隔热管路和第二真空隔热管路内径均为5mm，外径为40mm；液氮调控单元长宽高为
1000*600*1200；工控机的型号为ACP2010；PLC的型号为西门子S7‑1500。

[0019] 液氮在线制备与在线切换式调控系统具体安装过程如下：

[0020] 液氮制备单元1出口连接液氮泵2‑3入口，液氮泵2‑7出口通过第一真空隔热管路2‑6分别连接第一自增压液氮储罐2‑2的第一进液口低温电磁阀2‑c及第二自增压液氮储罐
2‑9的第二进液口低温电磁阀2‑a，可将液氮以一定压力输入到自增压液氮储罐中；在第一
真空隔热管路2‑6开设一条排气管路2‑3，排气管路上安装有排气管路低温电磁阀2‑6及排
气管路温度传感器2‑7；第一自增压液氮储罐2‑2的第一出液口低温电磁阀2‑e及第二自增
压液氮储罐2‑9的第二出液口低温电磁阀2‑b通过第二真空隔热管路2‑d连接液氮调控装置
3入口，液氮调控装置3出口连接中空隔热主轴4进液口，将液氮输送到加工区域。

[0021] 当开展超低温加工需要提供冷却介质时，操作人员将加工所需液氮量输入工控机，工控机通过第一压差液位计2‑1及第二压差液位计2‑8显示数值判断两个自增压液氮储
罐中的液氮储备，工控机5‑1优先开启液氮储备更多的自增压液氮罐，待此液氮罐中液氮液
位低于预设值后，自动切换到另一个自增压液氮储罐，继续供给液氮，同时，开启液氮制备
单元2、液氮泵3和排气管路低温电磁阀2‑4，关闭连接到各自增压液氮储罐的进液口电磁
阀，对传输管路进行预冷，当排气口温度传感器2‑5显示排气口温度达到‑190℃时；开启自
增压液氮储罐进液口电磁阀，关闭排气管路低温电磁阀，对液位低于预设值的自增压液氮
储罐加注。

[0022] 应该说的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性阐述本发明的原理和流程，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明精神和范围的情况下所做的任何修改和
等同替换，都应包含在本发明的保护范围内。