CN105299439B - 可拆卸低温流体可视化视窗、装置和容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸低温流体可视化视窗，包括外管、内管和透明板，所述外管通过可拆卸方式将所述透明板抵压固定在内管一端，将内管该端封堵；所述外管的热膨胀系数分别大于内管和透明板的热膨胀系数；低温下所述外管的收缩量大于内管和透明板的收缩量之和，保证外管将透明板与内管一端进一步紧密配合。本发明还公开了一种采用上述可视化视窗的低温流体可视化装置和带有液位观察功能的低温液体容器。本发明的透明板与内管、外管之间的连接方便，在低温流体引导的温度变化下能够实现自动密封的功能；螺纹连接使得装置可拆卸，便于更换透明玻璃，提高装置的使用寿命。整个装置结构简单，便于低温流体沸腾等现象的观察和研究。

Description

可拆卸低温流体可视化视窗、装置和容器

技术领域

本发明涉及航空航天与制冷低温工程技术领域，尤其涉及一种可拆卸低温流体可视化视窗及可视化装置和低温液体容器。

背景技术

在航空航天与制冷低温工程技术领域，液化天然气、液氮、液氧和液氢等得到广泛的使用，这些物质的液化分馏、运输和贮存都需要使用大量的低温设备，这些设备的性能和可靠性直接影响着相关成套设备的安全和经济运行。如空分装置中的主冷凝器是使下塔顶部氮气冷凝，上塔底部液氧蒸发，以提供下塔回流液和上塔上升蒸气的装置，一般采用板翅式换热器，其换热温差每降低0.5K，整套空分装置能耗即可下降2.46％。因此，对换热器内部的汽液相变及传热机理的深入研究具有重要的意义。

由于低温流体，如液氮、液氧和液氢等的温度低于120K，实验研究其沸腾机理时，需要将其与外部环境隔绝以防止外部导热干扰实验现象，常用方法是使用真空绝热夹层，在真空度为10^-3Pa时，气体分子导热可忽略不计。另外，沸腾过程的图像对沸腾机理的理解具有至关重要的作用，常用方式是在真空夹层两侧的管壁上装两个视窗，一个视窗为常温视窗，一侧接触空气，另一侧为真空夹层；另外一个视窗称为低温视窗，一侧接触低温流体，另一侧为真空。通过这两个视窗，可直接观察和拍摄液体内部的沸腾过程。常温视窗采用普通的螺栓和O型圈密封方式即可保证不漏。而对于低温视窗，若传统的O型圈密封以及法兰配合螺栓密封方式，由于材料的热胀冷缩作用以及低温对材料物性的影响(如低温下材料变脆等)，该方式密封效果较差甚至失效。为了解决低温视窗的密封问题，现在主要采用两种方法。一种方法是使用铜垫作为密封垫，但需要铜垫在被压紧的时候受力均匀，安装要求较高，成功率较低，同时铜垫只能使用一次，成本较高。第二种方法是直接将石英玻璃与不锈钢管通过科伐焊接，该方法虽然能良好密封，但制作过程中成品率低，价格昂贵，且透明材料不能使用有机玻璃等强度比石英玻璃强的其他材料，限制了其在更高压力下的使用范围。

因此，需要设计一种便于拆接并在低温下具有良好密封性能的低温视窗，使其能高效并快捷地和其他结构集成为低温测试装置进行低温流体沸腾现象的观察和研究。

目前的低温视窗主要存在如下问题：

1、现有的透明窗一般采用法兰结构固定，安装更换困难、结构普遍较为复杂，且仅能用于某一特定的场所使用，不具备普遍性；

2、透明窗的密封性很难得到保证，某些结构对透明窗本身的传热性能和机械强度有一定要求，这也大大限制了的对透明窗材质的选择；

3、若透明窗为圆柱形结构，由于透明窗侧壁较厚，会产生折射效应，对观察结果影响较大。

发明内容

本发明提供了一种可拆卸低温流体可视化视窗，内管和外管采用可拆卸方式固定，低温下能够自动密封，安装更换方便；同时其利用内外管之间的热膨胀性能差别将透明板与内管端部轴向密封。

本发明还提供了一种采用上述可视化视窗的低温流体可视化装置。

本发明同时提供了一种采用上述可视化视窗的带有液位观察功能的低温液体容器。

一种可拆卸低温流体可视化视窗，包括外管、内管和透明板，所述外管通过可拆卸方式将所述透明板抵压固定在内管一端，将内管该端封堵；所述外管的热膨胀系数大于内管和透明板的热膨胀系数之和；所述外管的热膨胀系数分别大于内管和透明板的热膨胀系数；低温下所述外管的收缩量大于内管和透明板的收缩量之和，保证外管将透明板与内管一端进一步紧密配合。

本发明中，所述外管的热膨胀系数大于内管和透明板的热膨胀系数之和，保证低温时，外管具有更大的收缩行程，将玻璃板紧紧的抵压在内管一端，将内管的一端封闭；温度升高到室温时，外管具有更大的膨胀行程，保证内管和外管的顺利分离。内管另一端与低温流体容器相连。选用本发明的技术方案，不要求透明板的热膨胀系数一定小于外管的热膨胀系数，增加了透明板的选择空间，降低了可拆卸低温流体可视化视窗的制作难度和成本。当然作为进一步优选，所述外管的热膨胀系数大于内管和透明板任一单独的热膨胀系数。采用该技术方案时，进一步增强了外管对内管的密封作用。另外，低温下实现密封的过程中，透明板从内管轴向实现对内管的密封，对透明板厚度等没有严格要求。

常温下，通过外管的作用力，可实现对内管的一般密封；低温下可实现高强度密封，本发明低温状态密封的原理是，根据两种不同材料在同一低温环境下热膨胀系数不同，将热膨胀系数高的材料套设在热膨胀系数低的材料周围，即使在常温下两种材料之间存在间隙，但由于热膨胀系数高的材料收缩率大于热膨胀系数小的材料，所以在低温时两种材料之间的间隙得以消除，可以达到低温下实现自动高强度密封的目的。本发明的可拆卸低温流体可视化视窗装置解决了真空夹层管壁上低温视窗密封性不好存在泄漏的问题。

所述透明板与内管和外管的间隙与透明板、内管和外管的材料相关，同时与实验时低温流体的温度相关。为了保证装置具有较高的密封性能，应使透明板和内管、外管之间的间隙尽量小，内管和外管在热膨胀系数上的差异尽量大。

作为优选，所述透明板为透明玻璃板，其材料为石英玻璃，所述内管为不锈钢管，所述外管为塑料管或者有机玻璃管，塑料材料为氟塑料、聚三氟氯乙烯等。

作为优选，所述内管外壁设有外螺纹，所述外管内部设有与所述外螺纹配合的内螺纹。所述内管插入外管；所述透明玻璃嵌于外管和内管端部之间。通过螺纹的旋进和旋出，实现内管和外管之间的装配和拆卸，从而可以方便地更换透明板。同时，采用螺纹连接有助于增大内外管之间的摩擦力，防止由于管内外压力差引起的管子脱落和松动，螺纹的存在还具有间隙密封的作用。

为了固定透明玻璃和内管、外管连接的位置且进一步增强密封效果，作为优选，所述内管一端设有与所述透明板形状适配的限位槽。该限位槽对透明板形成半包围结构，限位槽内壁和底面与透明板的一侧和周缘抵接。所述外管一端径向内垂直弯折形成限位环，该限位环将玻璃板抵压固定在内管一端。

所述内管端面与外管限位环内壁之间留有间隙，并不接触。当温度从室温降至低温时，由于外管材料的热膨胀系数明显大于内管以及透明玻璃，外管在轴向和径向的收缩量比内管以及透明板大，使得外管的内表面和内管的外表面紧密贴合，外限位环和透明板紧密贴合，形成有效密封。为了保证低温下的自密封效果，应该尽量保证限位槽和限位环与透明玻璃相互接触的这一部分面积足够大。

为了进一步增强透明玻璃与内管和外管之间的密封性能，优选地，所述内管、外管及透明板相互接触部分填充有低温密封脂。密封脂在低温下会固化，从而起到密封的作用。常温下融化，从而可以使透明玻璃和内管与外管方便拆卸。密封脂是一次性使用，每次更换透明玻璃后安装之前都要重新填充密封脂。

作为优选，所述内管或外管与透明板之间设有密封圈。此时可根据需要，增设密封槽等结构，以便于密封圈的固定，密封圈可选择耐低温的O型圈等。

作为优选，所述外管上设有扳手卡接口。扳手卡接口可选择正方形或者六角形，便于扳手安装和拆卸。

为了便于将所述可拆卸低温流体可视化视窗用于观察液氮或液氢等低温流体的沸腾现场，通过液氮或液氢等低温流体时可实现自密封，作为优选，所述低温指温度为230K以下。

本发明还提供了一种低温流体可视化装置，包括带有真空夹层结构的内壁和外壁，以及用于采集流体状态信息的摄影设备，内壁围成盛放低温流体的空间，所述内壁上设有低温视窗，所述外壁上设有常温视窗，低温视窗、常温视窗以及摄像设备相互对正，所述低温视窗为上述任一技术方案所述的可拆卸低温流体可视化视窗。

本发明还一种带有液位观察功能的低温液体容器，包括带有真空夹层结构的内壁和外壁，内壁围成盛放低温流体的空间，所述内壁和外壁靠近底部和顶部的位置分别设有开口；

还包括双层柔性管，双层柔性管的外管分别与外壁顶部和底部的开口密封固定，双层柔性管的内管分别与内壁顶部和底部的开口密封固定；

所述内管上设有低温视窗，所述外管上设有与低温视窗对正的常温视窗，所述低温视窗为上述任一技术方案所述的可拆卸低温流体可视化视窗。

本发明的有益效果在于：透明板与内管、外管之间的连接方便，而且在低温流体引导的温度变化下能够实现自动密封的功能；通过密封脂、限位槽、限位环等设计进一步增强密封效果；螺纹连接使得装置可拆卸，便于更换透明玻璃，提高装置的使用寿命。整个装置结构简单，便于低温流体沸腾等现象的观察和研究。

附图说明

图1为本发明的可拆卸低温流体可视化视窗的内部结构示意图。

图2为使用本发明的可拆卸低温流体可视化视窗的液氮沸腾可视化装置示意图。

图3为使用本发明的可拆卸低温流体可视化视窗的带有液位观察功能的低温液体容器示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本发明所述方位词“左”、“右”是以附图1为基准，方位词的使用并不限定本发明，仅为了便于描述和区分。

如图1所示，一种可拆卸低温流体可视化视窗装置，包括依次连接的内管1、外管2和透明玻璃3。外管2套设在内管1的外围，通过螺纹结构连接。外管2为筒状结构，外管2一端径向向内延伸，形成位于端部的限位环c，限位环c内径小于透明玻璃3的直径；内管1为筒状结构，内管1一端的端面设有向内凹陷的限位槽b。限位槽b一般为圆柱形凹槽。限位槽b用于容纳透明玻璃3，与透明玻璃3的形状适配，限位槽b槽底与透明玻璃3的左端面相抵接，限位槽b侧壁与透明玻璃3外周缘抵靠；限位环c的左表面与透明玻璃3的右端面相抵接，透明玻璃3通过限位槽b和限位环c固定在内管1、外管2的端部之间。内管1内盛放有低温流体，例如液氮等，内管1一端与外管2固定，另一端与液氮盛放装置相连，或者一体设置。液氮等低温流体4充满内管1，透过透明玻璃3可以观察低温流体的流动现象。内管1与外管2固定的端部的外表面加工有外螺纹A，外管2内表面加工有内螺纹a，内管1、外管2分别通过外螺纹A和内螺纹a实现螺纹连接，方便内管、外管拆卸更换透明玻璃；同时，采用螺纹连接有助于增大内外管之间的摩擦力，防止由于管内外压力差引起的管子脱落和松动，螺纹的存在还具有间隙密封的作用。透明玻璃3、限位槽b、限位环c相接触部分填充有密封脂，进一步增强密封效果。

作为一种进一步优选的方案，也可在透明玻璃3与内管接触的部位(比如)设置密封圈，例如可设置O型圈等。

作为优选，透明玻璃3的材料为石英玻璃，内管1的材料为不锈钢，外管2的材料为氟塑料、聚三氟氯乙烯或有机玻璃。外管2的热膨胀系数大于内管1的热膨胀系数，降低相同的温度时，无论在轴向还是径向，外管2的收缩量大于内管1和透明玻璃3的收缩量，从而将透明玻璃轴向压紧固定，并起到密封效果。由于透明玻璃3采用轴向密封，所以对透明玻璃3的厚度没有严格要求。常温时(25℃)，透明玻璃3与内管1和外管2之间具有一定间隙，便于拆装；低温时(例如液氮温度-196℃)，外管2紧密地包裹在内管1的外壁，限位环c左端面与透明玻璃3右端面紧密接触，形成密封。同时内管1中流体压力也可进一步增强透明玻璃3与外管2之间的密封作用。而当温度升高时，外管2又可与内管1及透明玻璃3分开。上面所述的温度变化来自低温流体，也就是当内管充入低温流体后，外管2、内管1以及透明玻璃3相互之间实现自动密封，当实验结束后，外管2和内管1以及透明玻璃实现自动松开。

具体实施例2

如图2所示，为使用本发明的液氮沸腾可视化装置示意图，用于观测液氮在不同温度下的沸腾状态。液氮沸腾可视化装置包括带有视窗的杜瓦瓶和用于拍摄液氮沸腾现象的摄像设备。杜瓦瓶内外壁分别装有一个视窗，其中内壁27某一位置上装有低温视窗21，外壁28上与内壁27相同的位置装有常温视窗22。常温视窗22一侧接触空气，另一侧为真空夹层24；低温视窗21一侧接触低温流体，另一侧为真空夹层24。通过这两个视窗，可直接观察和拍摄液氮内部的沸腾过程。常温视窗22采用普通的螺栓和O型圈密封方式即可保证不漏，可采用现有的材料和结构。低温视窗21采用本发明实施例1中公开的可拆卸低温流体可视化视窗。内外壁之间是真空夹层24，防止漏热。杜瓦瓶内装有进行液氮沸腾实验用的液氮26，液氮26中设有电加热装置25。远处设有一台拍摄液氮沸腾现象的摄影设备23，该设备正对着低温视窗21和常温视窗22并相距合适的距离，且和低温视窗21、常温视窗22处于同一水平高度。

电加热装置25给杜瓦瓶中的液氮加热，使液氮发生沸腾现象。摄影设备23透过常温视窗22和低温视窗21可以观察并记录杜瓦瓶中液氮的沸腾现象，同时根据设定进行拍照储存。

进行液氮沸腾实验时，常温下(25℃)在杜瓦瓶的内外壁上分别安装好低温视窗21和常温视窗22。常温视窗22采用普通的螺栓和O型圈密封方式，常温和低温下密封均良好。低温视窗21采用本发明可拆卸低温流体可视化视窗，常温下通过螺纹进行一般的密封。

在杜瓦瓶中加入液氮后，内壁温度急剧下降，由于外管的热膨胀系数大于内管及透明玻璃的热膨胀系数，外管的收缩量大于内管及透明玻璃的收缩量，外管在轴向和径向收缩并紧密地包裹在内管的外壁，同时在轴向上将透明玻璃压紧固定，并起到密封效果。因此低温视窗21在常温下进行一般的密封，在低温下自动进行增强密封。电加热装置25给杜瓦瓶中的液氮加热，使液氮发生沸腾现象。摄影设备23透过常温视窗22和低温视窗21可以观察并记录杜瓦瓶中液氮的沸腾现象。

液氮沸腾实验结束后，取出杜瓦瓶中的液氮，内壁温度迅速升高，直至常温。由于热胀冷缩现象，低温视窗21的外管和内管自动松开，重新回到一般密封的状态。外管和内管之间是螺纹连接，此时如若需要更换低温视窗21的透明玻璃，可以旋动外管，使外管从内管周围拆卸下来，更换透明玻璃，以供下一次实验使用。

低温视窗21、常温视窗22和摄影设备23处于同一水平面上。通过由透明玻璃的视窗可以观察杜瓦瓶中流体发生的沸腾现象。由于低温视窗21的外围为真空腔，外界的温度不会对杜瓦瓶内的流体沸腾产生影响。

具体实施例3

如图3所示，为使用本发明的带有液位观察功能的低温液体容器，此装置可作为一种低温液位计来使用，用于观测低温液体容器中的液位。带有液位观察功能的低温液体容器装置由低温液体容器39和带有可视化视窗的金属软管38组成。低温液体容器39有内壁39a和外壁39b两层，内、外壁之间是真空夹层37，以减少漏热。液体容器内装有低温液体36。低温液体容器39分别设有排气口31、进出液口32及真空抽口33。进出液口32的底端靠近低温液体容器底部，通过进出液口32加入或排出低温液体容器内的低温液体36从而改变液体容器内低温液体的高度。通过排气口31排出低温液体容器内的气体，可以控制低温液体容器内的压强。真空抽口33用于对低温液体容器内、外壁之间抽真空，保证低温液体容器内、外壁之间的真空度，尽量减少系统的漏热。排气口31、进出液口32和真空抽空33的开闭及开度大小分别由其上的阀门控制。在低温液体容器靠近瓶口的某一高度和接近瓶底的某一高度分别设有开口，两个开口用双层金属软管38连接并导通。双层金属软管38的外管38b和低温液体容器外壁39b相连，金属软管38的内管38a和低温液体容器的内壁39a相连。金属软管的内管38a直径很小，其中的液体体积相比液体容器中的液体体积可忽略不计。故内管38a中部分液体的存在对低温液体容器内液面高度的影响也可以忽略不计。在金属软管38的外管38b某一处上装有常温视窗35，金属软管38的内管相对应处装有低温视窗34。常温视窗35一侧接触空气，另一侧为真空夹层37；低温视窗34一侧接触低温液体，另一侧为真空夹层37。通过这两个视窗，可直接观察低温液体的液位高度。常温视窗35采用普通的螺栓和O型圈密封方式即可保证不漏。低温视窗34采用本发明实施例1公开的可拆卸低温流体可视化视窗。通过常温视窗35和低温视窗34，人眼可以直接观察低温液体容器内的液位高度，并且低温液体容器密封良好，液面稳定。

当经进出液口32加入或排出液体时，液体容器内的液位高度发生变化，可以上下移动金属软管38，改变可拆卸低温流体可视化视窗的高度来观察液面所在位置。若经进出液口32加入低温液体时，液体容器内液面升高，缓慢向上移动金属软管38，使可拆卸低温流体可视化视窗的位置逐渐升高，直至视窗内可以观察到液面位置；若经进出液口32排出低温液体时，液体容器内液面降低，缓慢向下移动金属软管38，使可拆卸低温流体可视化视窗的位置逐渐降低，直至视窗内可以观察到液面位置。

进行低温下流体实验时，常温下(25℃)在液体容器的内外壁上分别安装好低温视窗34和常温视窗35。常温视窗35采用普通的螺栓和O型圈密封方式，常温和低温下密封均良好。低温视窗34采用本发明可拆卸低温流体可视化视窗，常温下通过螺纹固定实现一般密封。

在液体容器中加入低温液体后，内壁温度急剧下降，由于低温视窗外管的热膨胀系数大于内管的热膨胀系数，外管的收缩量大于内管的收缩量，外管紧密地包裹在内管的外壁，从而将透明玻璃压紧固定，并起到密封效果。因此低温视窗34在常温下不能有效密封，在低温下自动密封。上下移动金属软管38的位置，改变可拆卸低温流体可视化视窗的位置，可以观察到液体容器内的液面所在位置。

低温下流体实验结束后，取出液体容器中的低温液体，内壁温度迅速升高，直至常温。由于热胀冷缩现象，低温视窗34的外管和内管自动松开，重新回到不能密封的状态。低温视窗34的外管和内管之间是螺纹连接，此时如若需要更换低温视窗34的透明玻璃，可以旋动外管，使外管从内管周围拆卸下来，更换透明玻璃，以供下一次实验使用。

本发明的可拆卸低温流体可视化视窗装置可与不同的供液系统(如液氮、液氧、液氢、液氦等)进行耦合，适用范围大，结构简单。同时，由于可拆卸低温流体可视化视窗装置的流体管路上没有加装阀门，可以避免流体流过阀门产生能量损失对流体沸腾产生的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可拆卸低温流体可视化视窗，包括外管、内管和透明板，其特征在于，所述外管通过可拆卸方式将所述透明板抵压固定在内管一端，将内管该端封堵；所述外管的热膨胀系数分别大于内管和透明板的热膨胀系数；低温下所述外管的收缩量大于内管和透明板的收缩量之和，保证外管将透明板与内管一端进一步紧密配合。

2.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述内管外壁设有外螺纹，所述外管内部设有与所述外螺纹配合的内螺纹。

3.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述内管一端设有与所述透明板形状适配的限位槽。

4.根据权利要求1或3所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述外管一端径向内垂直弯折形成限位环，该限位环将透明板抵压固定在内管一端。

5.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述内管、外管及透明板相互接触部分填充有低温密封脂。

6.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述内管或外管与透明板之间设有密封圈。

7.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述外管上设有扳手卡接口。

8.根据权利要求1所述的可拆卸低温流体可视化视窗，其特征在于，所述内管为不锈钢管，所述外管为塑料管或有机玻璃管；所述透明板为透明玻璃板。

9.一种低温流体可视化装置，包括带有真空夹层结构的内壁和外壁，以及用于采集流体状态信息的摄影设备，内壁围成盛放低温流体的空间，其特征在于，所述内壁上设有低温视窗，所述外壁上设有常温视窗，低温视窗、常温视窗以及摄像设备相互对正，所述低温视窗为权利要求1-8任一所述的可拆卸低温流体可视化视窗。

10.一种带有液位观察功能的低温液体容器，包括带有真空夹层结构的内壁和外壁，内壁围成盛放低温流体的空间，其特征在于，所述内壁和外壁靠近底部和顶部的位置分别设有开口；

还包括双层柔性管，双层柔性管的外管分别与外壁顶部和底部的开口密封固定，双层柔性管的内管分别与内壁顶部和底部的开口密封固定；

所述内管上设有低温视窗，所述外管上设有与低温视窗对正的常温视窗，所述低温视窗为权利要求1-8任一所述的可拆卸低温流体可视化视窗。