本发明涉及一种基于液氮的冷凝器制冷系统，属于低温工程技术领域。
背景技术：
随着我国科研水平的提高，深冷温区的大功率制冷需求越来越多，对于温控的精度也提出了更高的要求。但是由于热力学基本定律的限制，制冷的温度越低，耗费的电能越高，制冷机体积和价格也会随之增加。由于场地大小和设备成本的限制，大功率制冷机的能耗问题和稳定性问题一直难以解决。
除了使用专门的制冷机进行制冷外，另一种替代方案是使用制冷工质(液氮、液氢、液氦)制冷。将所需制冷的部件浸没于制冷工质中，既可达到制冷目的。氮气作为大气中最主要的成分之一，其制冷温度低(77k)，成本低廉，其应用非常广泛。
但是单纯利用制冷工质，其制冷效果难以保证，包括：制冷的功率难以控制、制冷温度难以精确控制、温度区间受工质限制大。液氮随着容器内压力的变化和波动，其蒸发温度也会随之改变，对于需要稳定制冷功率，可控制冷温度的科研领域以及精细化工生产场景，传统方法并不适用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于液氮的冷凝器制冷系统，它能够在一定范围内精确调节制冷的功率和温度，降低设备的制造成本和运行成本，增加设备长期使用的稳定性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于液氮的冷凝器制冷系统，它包括依次连接的液氮传输模块、液氮蒸发模块和液氮排气模块，所述液氮传输模块包括液氮杜瓦和液氮传输管，所述液氮蒸发模块包括浸没式液氮存储器和液氮冷头，所述排气模块包括排气管路，所述液氮杜瓦与浸没式液氮存储器之间通过液氮传输管相连接，所述排气管路连接于浸没式液氮存储器上。
优选的，所述液氮传输管上设置有液氮流量控制阀门。
优选的，所述浸没式液氮存储器上设置有液氮液位计。
优选的，所述液氮冷头上设置有温度控制器。
优选的，所述排气管路上设置有排气阀门。
优选的，所述液氮杜瓦内压力为0.4～0.6mpa。
优选的，所述浸没式液氮存储器内压力为0.1～0.4mpa。
优选的，所述液氮冷头自上而下依次布置的蒸发扩展区、导热区和冷凝扩展区。
优选的，所述液氮冷头的材质选择无氧铜。
优选的，蒸发扩展区和冷凝扩展区选择200mm直径的圆盘，并配有高10mm的翅片；导热区为50mm直径、40mm高度的圆柱。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明能够在一定范围内精确调节制冷的功率和温度，降低设备的制造成本和运行成本，增加设备长期使用的稳定性；
2、本发明流程简单，设备数量少，不需要额外大型制冷设备，制冷效果稳定，对于深冷区附近的大功率制冷需求有较强适应性。
附图说明
图1为本发明一种基于液氮的冷凝器制冷系统的结构示意图。
图2为图1中液氮冷头的结构示意图。
其中：
液氮杜瓦1
液氮传输管2
液氮流量控制阀门3
浸没式液氮存储器4
液氮冷头5
液氮液位计6
温度控制器7
排气管路8
排气阀门9
蒸发扩展区10
导热区11
冷凝扩展区12。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，它包括依次连接的液氮传输模块、液氮蒸发模块和液氮排气模块，所述液氮传输模块包括液氮杜瓦1和液氮传输管2，所述液氮蒸发模块包括浸没式液氮存储器4和液氮冷头5，所述排气模块包括排气管路8，所述液氮杜瓦1与浸没式液氮存储器4之间通过液氮传输管2相连接，所述排气管路8连接于浸没式液氮存储器4上，氮从传输模块进入蒸发模块，在蒸发模块中气化为气氮，随后经排气模块排入大气；
所述液氮传输管2上设置有液氮流量控制阀门3，液氮流量控制阀门3用于控制液氮蒸发模块中的液氮液位；
所述浸没式液氮存储器4上设置有液氮液位计6；
所述液氮冷头5上设置有温度控制器7，温度控制器7通过电加热的方式控制冷头温度；
所述排气管路8上设置有排气阀门9，排气阀门9用于控制液氮蒸发压力，稳定液氮蒸发温度；
所述液氮冷头5设置于浸没式液氮存储器4底部；
所述液氮液位计6设置于浸没式液氮存储器4顶部；
所述液氮杜瓦1内压力为0.4～0.6mpa；
所述浸没式液氮存储器4内压力为0.1～0.4mpa。
实施例：
冷凝器的制冷温度要求为150k，制冷功率为1000w。基于液氮的冷凝器制冷系统具体设计步骤如下：
液氮在液氮杜瓦1中增压至0.5mpa，经过液氮传输管路2进入浸没式液氮存储器4。浸没式液氮存储器总高大于200mm；液氮的液位通过液氮流量控制阀3调节，并稳定在100mm以上。
液氮冷头5的大小和高度取决于所需的制冷温区和制冷功率。其详细结构如图2所示，包括自上而下依次布置的蒸发扩展区10、导热区11和冷凝扩展区12。
针对150k、1000w的需求，液氮冷头5的材质选择无氧铜；蒸发扩展区10和冷凝扩展区12选择200mm直径的圆盘，并配有高10mm的翅片；导热区11为50mm直径，40mm高度的圆柱；温度控制器加热功率为300w。通过温度控制器7精确控制冷头温度。
蒸发后的氮气经排气管路8和排气阀门9排出。排气阀门9可调节液氮的蒸发压力为0.2mpa，此时液氮的蒸发温度为83.6k。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：它包括依次连接的液氮传输模块、液氮蒸发模块和液氮排气模块，所述液氮传输模块包括液氮杜瓦(1)和液氮传输管(2)，所述液氮蒸发模块包括浸没式液氮存储器(4)和液氮冷头(5)，所述排气模块包括排气管路(8)，所述液氮杜瓦(1)与浸没式液氮存储器(4)之间通过液氮传输管(2)相连接，所述排气管路(8)连接于浸没式液氮存储器(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述液氮传输管(2)上设置有液氮流量控制阀门(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述浸没式液氮存储器(4)上设置有液氮液位计(6)。
4.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述液氮冷头(5)上设置有温度控制器(7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述排气管路(8)上设置有排气阀门(9)。
6.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述液氮杜瓦(1)内压力为0.4～0.6mpa。
7.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述浸没式液氮存储器(4)内压力为0.1～0.4mpa。
8.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述液氮冷头(5)自上而下依次布置的蒸发扩展区(10)、导热区(11)和冷凝扩展区(12)。
9.根据权利要求1所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：所述液氮冷头(5)的材质选择无氧铜。
10.根据权利要求8所述的一种基于液氮的冷凝器制冷系统，其特征在于：蒸发扩展区(10)和冷凝扩展区(12)选择200mm直径的圆盘，并配有高10mm的翅片；导热区(11)为50mm直径、40mm高度的圆柱。
技术总结