CN110170340A - 一种用于快速调节封闭空间内的温度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于快速调节封闭空间内的温度的系统及方法。系统设有管路系统、多个容器和加压装置。管路系统内可借由加压装置注入液氮等液态惰性气体。液态惰性气体由支路的开口端排出并下落至装有干冰的容器内。液态惰性气体可快速冷却实验舱，干冰可维持实验舱内的低温环境。

Description

一种用于快速调节封闭空间内的温度的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种温度调节系统及方法，特别是涉及一种用于快速调节封闭空间内的温度的系统及方法。

背景技术

目前，高、低温环境实验在各行业产品性能测试中是必不可少的实验项目，需要对被测对象所处环境实现高温与低温之间进行快速切换。现有的技术通常使用液氦或液氮作为冷源，电加热装置作为热源。具体地，通过控制阀门的开度控制液氦或液氮的流速和加热装置的功率，从而实现匀速升温或者降温，实现升降温循环的过程。虽然这种方法可以实现匀速升降温过程，但是所涉及的系统结构复杂，液氦、液氮消耗量大，成本较高，升降温过程波动较大。

为了实现迅速降温的能力，在工业中采用由压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器和膨胀节流阀串联而成的系统。系统中冲注适量冷媒。冷媒在系统的上述多个组件内循环流动，经历压缩、冷凝等过程实现吸热而使得环境温度降低。

工业中还采用水冷式或风冷式的冷冻机。根据环境的需求，操作人员可通过控制压缩机的运转情况而达到制冷传热的目的。

上述两种冷却系统占用的空间较大、设备费用较高，对于仅有有限空间条件的实验环境而言，其并不适用。此外，对于科研机构而言，即便实验室的空间满足上述冷却系统的安装条件，安装该冷却系统后还存在其他问题。例如，由于实验室内进行实验的次数有限、以及单次实验时间较短，因此实验人员需要反复开关机、长时间闲置冷却系统，这些因素会加速冷却系统的损坏，并使其效率降低、能耗增加、寿命缩短。倘若未设有专人管理维护，长期运转会导致设备被水垢堵塞，若不能被及时地清除，就会面临设备维修、停机或者报废更换的危险，这不仅是对人才资源的浪费，同时也会造成大量不必要的经费支出。尤其是在航空设备测试的特定条件下，为了测定某个在高低温环境中的参数，通常只需做几组实验即可获取相应数据，在相对较短的项目周期内，为测得这样的几组数据而购置新设备，在时间上和经费上显然都是极大的浪费。

发明内容

针对现有的冷却系统的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种采购成本以及维护成本均较低的系统及方法，其尤其适用于调节封闭空间内的温度。

该目的通过本发明的用于快速调节封闭空间内的温度的系统来实现。该系统包括管路系统、多个容器和加压装置。其中，所述管路系统铺设于所述空间内部，且具有由所述空间外引入的主管路和逐级分支的多条支路。所述支路的末端为开口端。容器安置于每个所述支路的开口端处，其用于存放干冰。容器被配置成能够接收经由所述管路系统释放的液态惰性气体。加压装置用于从所述空间外的管路系统入口处加压注入所述液态惰性气体。当管路系统释放所述液态惰性气体而使得所述空间内的温度降至预定温度后，所述加压装置停止加注所述液态惰性气体以经由干冰保持恒温。

根据上述形式的系统，操作人员将液态惰性气体加注到管路系统后，液态惰性气体流动至支路的末端后下落至其下方的容器内。液态惰性气体下落过程中开始快速吸热汽化，并在下落至容器内的较短时间内快速汽化，操作人员即可实现快速降低实验舱温度的目的。相较于液态惰性气体的吸热速度，存放在容器内的干冰的吸热速度较慢，在液态惰性气体快速降低实验舱内的温度后，干冰相对缓慢地吸热汽化，使得空间的温度随后保持在低温环境内。

根据一种优选实施方式，所述开口端被构造成滴管的形式，所述滴管设置在所述支路末端的朝下的管壁上，所述液态惰性气体经由所述滴管释放至所述容器。滴管优选地设置成满足以下条件：2mm≤D≤5mm，其中，所述D为所述滴管的外径。

根据一种优选实施方式，所述管路系统为各并联管路路径长度相同的同程管路系统。在同程管路系统中，液态惰性气体由加注口进入管路系统后的流动路径长度相同，操作人员进行加注作业后，系统的各个支路的开口端同时排出液态惰性气体并冷却该区域。由于实验舱内的各个区域位置在同一时刻实现等效的降温效果，实验舱各区域不存在明显温差，各区域空气之间不需要花费较长时间流动混合既可以使得实验舱内各处的温度保持均一，实验人员可在很短的时间内进行实验。

根据一种优选实施方式，所述空间的壁面设有多个宽度不小于0.2厘米且不大于1厘米的长条形贯通开口。在设置开口后，实验舱内外环境连通，在排出液态惰性气体进行快速降温的过程中，实验舱内的高温气体会被迅速排出，由此实验舱内的温度得以快速下降。同时，发明人发现，设置宽度0.2厘米至1厘米的长条形开口可以保证在实验舱内的干冰保持吸热汽化的过程中，外界的高温气体较少地进入实验舱内，因此实验舱能够保持在低温环境中。

根据一种优选实施方式，所述开口的宽度为0.5厘米。

根据一种优选实施方式，多个所述开口的总横截面积S₁满足以下条件：S₂×1％≤S₁≤S₂×2％，所述S₂为所述舱室的内壁的总面积。

根据一种优选实施方式，所述空间内侧的壁面上铺设有保温材料板，所述保温材料板与所述开口错位设置。

根据一种优选实施方式，所述保温材料板为泡沫保温材料板。

根据一种优选实施方式，所述液态惰性气体为液氮。

根据一种优选实施方式，所述滴管与所述支路的主体部分相互垂直地布置。在此情况下，管路系统内的液态惰性气体可以更为充分地排出，避免滞留。

根据一种优选实施方式，所述干冰为直径不大于1立方厘米的碎干冰。

根据一种优选实施方式，所述管路系统包括设有所述滴管的16个支路。

根据一种优选实施方式，所述管路系统由覆盖所述空间的底面的管路组成。

此外，本申请还涉及一种上述任一项的系统的调温方法。所述调温方法包括以下步骤：

1.干冰存放步骤，向所述容器加入干冰；

2.液氮充注步骤，向所述管路系统充入液氮以快速降低所述空间内的温度；

3.保持恒温步骤，当所述空间内的温度降至预定温度之后，停止所述液氮充注步骤以保持恒温。

根据一种优选实施方式，所述预定温度T满足以下条件：-5℃≤T≤15℃。

根据本发明的用于快速调节封闭空间内的温度的系统及方法。系统设有管路系统、多个容器和加压装置。管路系统内可借由加压装置注入液氮等液态惰性气体。液态惰性气体由支路的开口端排出并下落至装有干冰的容器内。液态惰性气体可快速冷却环境，干冰可维持实验空间内的低温环境。

附图说明

为了更好地理解本公开的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本公开的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的一个优选实施方式的管路系统的结构示意图；

图2是根据本发明的一个优选实施方式的管路系统的支路的结构示意图；

图3是根据本发明的一个优选实施方式的调温方法的流程图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本公开的构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。

在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本公开的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

图1示出了根据本公开的管路系统1。管路系统1铺设于实验舱的底面，其具有由实验舱外引入的主管路和逐级分支的多条支路2。支路2的末端为开口端。

在图1所示管路系统1的起始端设有未示出的加压系统，其用于从实验舱外的管路系统1的入口处加压诸如液氮等的液态惰性气体。管路系统1的各个支路2的开口端下方安置有未示出的容器。

根据上述形式的系统，操作人员将液态惰性气体加注到管路系统1后，液态惰性气体按照图1所示的箭头方向流动至支路2的开口端后下落至其下方的容器内。液态惰性气体下落过程中开始快速吸热汽化，并在下落至容器后的较短时间内快速汽化。实验舱在此过程中实现迅速下降温度的目的。

当实验舱的温度降低至预定温度时，加压系统停止加注液态惰性气体，实验舱的低温环境由容器上的干冰来维持。相较于液态惰性气体的吸热速度，存放在容器内的干冰的吸热汽化速度较慢，在液态惰性气体快速降低实验舱内的温度后，干冰相对缓慢地吸热汽化，因此试验舱随后能够保持在低温状态。

在图1所示的管路系统1中，其设有16个支路2。支路2均匀布置并覆盖在实验舱的底面上，由此系统可以更为快速地降低实验舱的温度。可以理解的是，根据实验舱的大小，支路2的数量可据此更改，其他数量的支路2亦在本发明的保护范围之中。

进一步参见图1，其示出的管路系统1为各并联管路路径长度相同的同程管路系统1。在同程管路系统1中，液态惰性气体流动至各支路2的开口端的流动路径长度相同，因此，操作人员进行加注作业后，系统的各个支路2的开口端能够同时排出液态惰性气体并冷却该区域。由于实验舱内的各个区域位置在同一时刻实现等效的降温效果，实验舱各区域不存在明显温差，各区域的空气之间不需要花费较长时间流动混合既可以使得实验舱内各处的温度保持均一，实验人员可在很短的时间内进行实验。

图2示出了管路系统1的支管的开口端。如图2所示，该开口端被构造成滴管3的形式，滴管3设置在支路2末端的朝下的管壁上，液态惰性气体经由滴管3释放至容器。

滴管3优选地设置成满足以下条件：2mm≤D≤5mm，其中，D为滴管3的外径。滴管3的长度可任选地设置成15mm、20mm、25mm等。加注系统停止加注作业后，管路系统1内还存有的液态惰性气体还可以通过滴管3滴落，协助干冰维持实验舱的低温环境。

根据一种优选实施方式，空间的壁面设有多个宽度不小于0.2厘米且不大于1厘米的长条形贯通开口。优选地，开口的宽度为0.5厘米。在设置开口后，实验舱内外环境连通，在排出液态惰性气体进行快速降温的过程中，实验舱内的高温气体会被迅速排出，由此实验舱内的温度得以快速下降。同时，发明人发现，设置宽度0.2厘米至1厘米的长条形开口可以保证在实验舱内的干冰保持吸热汽化的过程中，外界的高温气体较少地进入实验舱内，因此实验舱能够稳定地保持在低温环境中。

此外，多个开口的总横截面积S₁应优选地满足以下条件：S₂×1％≤S₁≤S₂×2％，S₂为舱室的内壁的总面积。根据以上设置，开口的形式可以使得系统在实现快速排出舱内环境以降温的目的和避免外界环境过多干扰实验舱内环境的目的之间获得均衡效果。

当实验舱舱内温度被降低后，舱内外之间的温差迅速增大，为了避免实验舱不必要地通过舱壁与外界进行热交换，实验舱内侧的壁面上铺设有保温材料板。其中，保温材料板与开口错位设置。保温材料板为泡沫保温材料板。

进一步参见图2，优选地，滴管3与支路2的主体部分相互垂直地布置。在此情况下，管路系统1内的液态惰性气体可以更为充分地排出，避免滞留。

根据本发明的干冰优选为直径不大于1立方厘米的碎干冰。将干冰设为碎干冰后，舱内的容器数量适当减少亦可满足维持实验舱低温环境的要求。而容器数量适当减少后，对应地，实验舱内的支路2数量，支路2总长度均可显著减少，调温系统的成本可由此显著减少。

图3示出了根据本发明的调温方法的步骤。在系统测得实验舱内的温度降低至所需温度时，加压系统自动停止加注液态惰性气体的作业。

根据图3所述调温方法，当将实验舱设定为2200mm×2300mm×2000mm，实验舱设有宽度为0.5厘米且总面积为实验舱内壁面积的1％的长条形开口，并设有4mm的泡沫保温材料板后，在实验舱内外温度为30℃的条件下，根据本发明的调温方法可以在10分钟内将实验舱内的温度降至预定的0℃。

以上实验将实验舱内的预定温度T设为0℃，事实上，根据实验要求，预定温度T可任选地设置为-5℃、0℃、5℃、10℃和15℃等任意值。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种用于快速调节封闭空间内的温度的系统，其特征在于，所述系统包括：

管路系统，所述管路系统铺设于所述空间内部，且具有由所述空间外引入的主管路和逐级分支的多条支路，所述支路的末端为开口端；

多个容器，所述容器安置于每个所述支路的开口端处，用于存放干冰，并被配置成能够接收经由所述管路系统释放的液态惰性气体；

加压装置，所述加压装置用于从所述空间外的管路系统入口处加压注入所述液态惰性气体；

其中，当管路系统释放所述液态惰性气体而使得所述空间内的温度降至预定温度后，所述加压装置停止加注所述液态惰性气体以经由干冰保持恒温。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开口端被构造成滴管的形式，所述滴管设置在所述支路末端的朝下的管壁上，所述液态惰性气体经由所述滴管释放至所述容器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述管路系统为各并联管路路径长度相同的同程管路系统。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空间的壁面设有多个宽度不小于0.2厘米且不大于1厘米的长条形贯通开口。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述开口的宽度为0.5厘米。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，多个所述开口的总横截面积S₁满足以下条件：S₂×1％≤S₁≤S₂×2％，所述S₂为所述舱室的内壁的总面积。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述空间内侧的壁面上铺设有保温材料板，所述保温材料板与所述开口错位设置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述保温材料板为泡沫保温材料板。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液态惰性气体为液氮。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述滴管满足以下条件：2mm≤D≤5mm，其中，所述D为所述滴管的外径。

11.根据权利要求2或9所述的系统，其特征在于，所述滴管与所述支路的主体部分相互垂直地布置。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干冰为直径不大于1立方厘米的碎干冰。

13.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述管路系统包括设有所述滴管的16个支路。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管路系统由覆盖所述空间的底面的管路组成。

15.一种利用根据权利要求1-14中任一项所述的用于快速调节封闭空间内的温度的系统的调温方法，其特征在于，所述调温方法包括以下步骤：

干冰存放步骤，向所述容器加入干冰；

液氮充注步骤，向所述管路系统充入液氮以快速降低所述空间内的温度；

保持恒温步骤，当所述空间内的温度降至预定温度之后，停止所述液氮充注步骤以保持恒温。

16.根据权利要求15所述的调温方法，其特征在于，所述预定温度T满足以下条件：-5℃≤T≤15℃。