一种自维持液氮式生物保存容器的制作方法

1.本发明涉及液氮生物样品保存，尤其涉及一种自维持液氮式生物保存容器。


背景技术：

2.现市场生产的液氮生物保存容器是使用液氮作为制冷源，依靠液氮自然挥发带来的低温来维持罐内的深低温环境，随着液氮的消耗，罐内的液氮量在逐渐减少，需要定期的进行液氮补给。有些偏远地区或者高端保密场景，不便于液氮的定期补给。
3.目前市场上的液氮罐，均需要依靠传统的液氮补给罐或者管道进行液氮的定期补给，这样带来的不便捷如下：1.需要客户拥有长期稳定的液氮供应商；2.偏远地区无液氮供应渠道；3.补给罐需要频繁更换，有大量人员频繁进入到样本管理区域；4.科研、保密单位不允许外来人员的出入；5.液氮补给罐多为压力容器，需要备案登记，使用极为不便捷；6.操作人员有与液氮相接触的风险，如液氮满溢等危险事故；7.加液电磁阀、液位计等均为易损件，故障率较高。8.对于多地震国家和地区，地震后首个恢复的能源是电能，因此迫切希望有一款使用电能维持液氮温度的容器


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，而提供一种自维持液氮式生物保存容器。本发明依靠电能就能实现液氮自补给的液氮罐(依靠斯特林闭式循环制冷)，本发明不仅可以解决用户端的痛点，还打破传统长期液氮补给的制冷方式，实现液氮罐行业的革新，为我国高新技术添砖加瓦。本发明采用的技术手段如下：
5.一种自维持液氮式生物保存容器，包括液氮罐主体、斯特林机组和液氮补给系统，所述液氮罐主体包括液氮储罐、套接在液氮储罐外的内容器和套接在内容器外的外容器，所述内容器和外容器之间的空间内设有用于保存生物样本的取物口，所述斯特林机组通过法兰连接在液氮罐主体上，所述斯特林机组的端口与液氮储罐的顶端相连，所述液氮储罐与液氮补给系统相连，其间设有阀门，所述液氮补给系统用于向液氮储罐内供给预设量的液氮，所述斯特林机组用于将挥发的氮气冷凝液化为液氮，所述斯特林机组与液氮储罐连接的储罐排气接管上设有压力传感器，所述内容器上设有温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均与控制器相连，所述控制器与所述阀门相连，所述控制器还与所述斯特林机组相连，所述控制器用于判断液氮余量达到设定值或者存储空间的温度值与设定值的关系后，控制阀门和斯特林机组的启闭。
6.进一步地，所述外容器包括外容器筒体、外容器下封头、外容器上封头、脚轮和内外容器支撑，所述外容器筒体的下方连接所述外容器下封头，上方连接所述外容器上封头，所述外容器下封头的下方连接有脚轮，所述外容器下封头上设置用于固定内容器的内外容器支撑。
7.进一步似，所述内外容器支撑包括外容器下封头支撑件和与其相连的加强筋板，所述外容器下封头支撑件的上端与内下封头支撑相连，其间设有玻璃钢隔热层。
8.进一步地，所述内容器包括内容器筒体、内容器下封头、内容器上封头、储罐下支撑件、内转体和内转体旋转件，所述内容器筒体的下方连接所述内容器下封头，上方连接所述内容器上封头，所述内容器下封头上设置用于安装内转体的内下封头内转体支撑件，所述内下封头内转体支撑件上设有用于固定所述液氮储罐的储罐下支撑件，所述内转体通过内转体旋转件连接在所述液氮储罐的外部。
9.进一步地，所述阀门为电磁阀，当温度传感器检测的温度非设定值时，所述液氮补给系统通过自增压原理将液氮输送到液氮储罐中；当温度传感器检测的温度达到设定值时，电磁阀关闭。
10.进一步地，所述斯特林机组包括冷头、散热支撑板、斯特林机、散热风机、散热器、刀口法兰和减震器，所述冷头与斯特林机相连，所述所述冷头的底端通过刀口法兰与液氮罐体组装，其间设有用于密封的无氧铜垫圈，所述斯特林机所在空间上设置所述散热支撑板，所述散热风机和散热器均以预设数量和预设位置设置在所述散热支撑板上，在两个刀口法兰之间设置所述减震器。
11.进一步地，所述内容器和外容器之间做抽真空处理，二者之间设有真空夹层，所述液氮补给系统的加液管设置在该区域中，所述外容器上设有真空封堵。
12.进一步地，所述内容器的外表面设有绝热材料。
13.进一步地，所述压力传感器所在的压力检测口连接有连通外界的安全阀，当液氮储罐的压力过高时，所述安全阀自动打开，对罐体进行保护，泄压至安全值时，安全阀自动关闭。
14.进一步地，所述液氮补给系统的加液管还连接有手动加液口。
15.本发明具有以下优点：
16.1.对于液氮运输不便等偏远地区，仅通过一次性加入液氮和长期的电能，就能实现液氮的制冷，提供更低更稳定的深低温储存场景。
17.2.无需液氮补给罐充装、运输的等待时间，节省人力和物力。
18.3.提供双选择可能性，对于电能不充足、液氮运输便捷的场景，可通过配备液氮补给罐自动加液方式，实现液氮的深低温储存环境。
19.4、本发明结构可靠，还可应用在其他使用液氮制冷的环境，如航空探测器、无人机等领域，符合智能化发展的理念。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明外部结构示意图。
22.图2为本发明内部结构主视图的剖视图。
23.图3为图2的a-a剖面图。
24.图4为本发明俯视图。
25.图5为图2的b-b剖面图。
26.图中：111、内下封头支撑；112、内容器下封头；113、内下封头内转体支撑件；12、内容器筒体；131、储罐下支撑件；132、储罐筒体；133、储罐排气接管；141、内转体外筒；142、内转体下旋转件；143、内转体上旋转件； 144、内转体内筒；145、内转体隔板；151、内容器上封头；152、取物口下缩口；153、取物口；154、取物口上缩口；155、取物口盖子；156、套管； 157、刀口法兰；211、玻璃钢隔热层；212、外容器下封头支撑件；213、加强筋板；214、脚轮；215、外容器下封头；22、真空封堵；23、外容器上封头；24、外容器筒体；25、绝热材料；26、真空夹层；31、冷头；32、散热支撑板；33、斯特林机(型号tc4187)；34、风机；35、散热器；36、刀口法兰；37、减震器；38、无氧铜垫圈；41、温度传感器组件；42、压力传感器组件；421、压力检测口；422、管夹；423、压力传感器；424、安全阀； 43、手动加液口；431、加液管；432、截止阀；433、加液管管夹；434、加液口；5、控制器(型号ct5505)。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1～4所示，本发明实施例公开了一种自维持液氮式生物保存容器，包括液氮罐主体、斯特林机组和液氮补给系统，所述液氮罐主体包括液氮储罐、套接在液氮储罐外的内容器和套接在内容器外的外容器，所述内容器和外容器之间的空间内设有用于保存生物样本的取物口，所述斯特林机组通过法兰连接在液氮罐主体上，所述斯特林机组的端口与液氮储罐的顶端相连，所述液氮储罐与液氮补给系统相连，其间设有阀门，所述液氮补给系统用于向液氮储罐内供给预设量的液氮，所述斯特林机组用于将挥发的氮气冷凝液化为液氮，所述斯特林机组与液氮储罐连接的储罐排气接管133上设有压力传感器423，所述内容器上设有温度传感器41，所述压力传感器和温度传感器均与控制器5相连，所述控制器与所述阀门相连，所述控制器还与所述斯特林机组相连，用于判断液氮余量达到设定值或者存储空间的温度值与设定值的关系后，控制阀门和斯特林机组的启闭。151内容器上封头与取物口下缩口152、取物口153、取物口上缩口154、取物口盖子155、套管156、刀口法兰157组焊成内上封头组合件。
29.所述外容器包括外容器筒体24、外容器下封头215、外容器上封头23、脚轮214和内外容器支撑，所述外容器筒体的下方连接所述外容器下封头，上方连接所述外容器上封头，所述外容器下封头的下方连接有脚轮，所述外容器下封头上设置用于固定内容器的内外容器支撑。所述内外容器支撑包括外容器下封头支撑件212和与其相连的加强筋板213，所述外容器下封头支撑件的上端与内下封头支撑111相连，其间设有玻璃钢隔热层211。
30.所述内容器包括内容器筒体12、内容器下封头112、内容器上封头151、储罐下支撑件131、内转体和内转体旋转件，所述内容器筒体的下方连接所述内容器下封头，上方连接所述内容器上封头，所述内容器下封头上设置用于安装内转体的内下封头内转体支撑件113，所述内下封头内转体支撑件上设有用于固定所述液氮储罐132的储罐下支撑件，所述内转体包括内转体内筒144、内转体外筒141，所述内转体内筒144通过内转体上旋转件143、内转体下旋转件142连接在所述液氮储罐的外部，内转体即可以通过套管156 为中心进行
手动旋转。内转体俯视图(布局图)为圆环形，见图5，本实施例中，由5块内转体隔板145将内转体内筒和内转体外筒之间的区域分成5 个区域(a、b、c、d、e)，并在隔板上作出区域标识，每个区域可单独储存生物样本。当出入库操作时，将取物口盖子155打开，手伸入到内转体中拨动隔板145，直至找到存储的区域，进行出入库操作，操作完毕后，盖上盖板，在其他可选的实施方式中，内转体隔板145的数量根据要求设置。内下封头支撑111与内下封头112、内下封头内转体支撑件组装焊接成内容器下封头组合件；储罐下支撑件131与储罐筒体132、储罐排气接管件组合成液氮储罐组合件。
31.将液氮储罐组合件放置在件内容器下封头组合件上并完成焊接，再组装件内容器筒体12、内转体，使内转体能够自由旋转；安装内上封头组合件，并完成焊接，清理外表面后，将绝热材料缠绕在内容器的外表面，形成物理绝热层，此时形成内容器。
32.所述液氮补给系统包括加液管431和连接在其上的阀门，所述阀门为电磁阀，具体为截止阀432，所述加液管通过加液管管夹433固定在外容器顶部的预设位置，所述加液管的端部为加液口434。
33.当温度传感器检测的温度非设定值时，所述液氮补给系统通过自增压原理将液氮输送到液氮储罐中；当温度传感器检测的温度达到设定值时，电磁阀关闭。
34.所述斯特林机组包括冷头31、散热支撑板32、斯特林机33、散热风机 34、散热器35、刀口法兰36和减震器37，所述冷头与斯特林机相连，所述所述冷头的底端通过刀口法兰与液氮罐体组装，其间设有用于密封的无氧铜垫圈38，所述斯特林机所在空间上设置所述散热支撑板，所述散热风机和散热器均以预设数量和预设位置设置在所述散热支撑板上，左右各安装一个轴流风机34进行风冷，用于冷却斯特林机活塞运动带来的热量，所述散热器 35具体为翅片散热器(件35)，翅片是增加换热面，用于斯特林机更快的散热，以维持斯特林机上部温度在合理的范围内。该散热器由夹紧铜块、热管及铝翅片构成。夹紧铜块与低温制冷机热端铜块配合前，需在夹紧铜块的内圆面上均匀涂抹一层导热膏，以降低两者之间的导热热阻，再通过夹紧铜块的四个锁紧螺钉锁紧。
35.在两个刀口法兰之间设置所述减震器，所述减震器为膨胀节式波纹管减震器，连接罐体与斯特林机，当斯特林制冷机工作时，压缩机将引起一定的震动，该振幅传递给减震器，减震器上的波纹管将发生弹性变形，抵消掉斯特林机引起的震动，从而保护罐内储存的生物样本不受斯特林震动的影响。通过螺栓、平垫、弹垫、螺母将两个对接法兰紧固，同时法兰处的刀口面进入到无氧铜垫圈中，形成密封面，最终形成一个斯特林液氮罐的密封空间。
36.作为可选的实施方式，本实施例中使用的斯特林制冷机型号为tc4187，这是一款双电机对置的脉管型制冷机，该制冷机除电机活塞外，并无其他运动部件，相对于传统斯特林型制冷机具有运动部件少、机械故障率低的优点，加之对置电机振动相互抵消，具有振动小的优点。低温制冷机由以下部分组成：冷指、两台对置的直线压缩机、气库及其他一些零件组成。其中对置的两台直线压缩机均采用气浮支撑，活塞和气缸作相对直线运动时，两者并不直接接触，两者之间的气膜作为气体轴承起到气浮作用，该设计能有效延长产品的寿命。足够的活塞位移是保证气浮作用的关键，而决定活塞位移的条件是制冷机的输入电压，所以对于tc4187低温制冷机而言，在低于最低电压下长期运行会严重影响产品的使用寿命，足够大运行电压是保证产品寿命的重要因素。
37.因此本发明需要严格控制输入电压，故选取ct5505作为控制器。控制器能够为
tc4187斯特林制冷机提供稳定的24v电源输入，在温度控制模式下，根据监测到的冷头温度与目标温度对比后自动调节tc4187斯特林制冷机的输入功率；同时监测热端温度，当监测温度超出范围，自动报警或者自动关机，避免制冷机受到不可恢复的损坏。
38.所述内容器的外表面设有绝热材料25。
39.压力传感器组件42包括所述压力传感器，所述压力传感器所在的压力检测口421连接有连通外界的安全阀424，当液氮储罐的压力过高时，所述安全阀自动打开，对罐体进行保护，泄压至安全值时，安全阀自动关闭，所述安全阀通过管夹422安装在便于固定的预设位置。
40.所述液氮补给系统的加液管还连接有手动加液口43。
41.在使用前，需要对所述内容器和外容器之间做抽真空处理，所述液氮补给系统的加液管设置在该区域中，所述外容器上设有真空封堵22。具体地，在安装过程中，将内容器放置在外容器下封头组合件中，再分别组装、焊接外容器筒体24、真空封堵22、外容器上封头23、温度传感器组件41、压力传感器组件42、手动加液口43，连接氦质谱检漏仪，对夹层进行氦检漏，要求泄漏率≤1.0*10-9
pa.m3/s，检漏合格后，打开真空封堵，通过真空机组对罐体进行抽真空，达到2*10-5
pa，形成一个真空隔热夹层26，最终形成一个完成的罐体。
42.本发明具体使用方法如下：
43.通过加液口与液氮补给系统连接，打开截止阀，液氮罐将通过自增压原理自动填充到液氮储罐组合件中，液位逐渐上升，同时温度逐渐下降，通过储罐筒体罐壁冷热交换，将冷量传递至内转体的储存空间中，并通过温度传感器组件将温度传递至控制器中并显示，直至温度达到设定值后，关闭截止阀。
44.由于自然换热，液氮会持续挥发，1l的液氮能挥发出680l的氮气，随着液氮升华成氮气，液氮储罐中的气体压力将增大，通过气压值可以换算出液氮的余量，并通过压力传感器组件将液位值传递至控制器中，实时监控罐内的液氮余量。
45.储罐中的氮气自然向上流通，达到斯特林冷头时冷凝成液氮(斯特林制冷技术)，滴落回液氮储罐中；最终形成一个液氮的闭式循环。
46.当液氮余量低至设定值，或者存储空间的温度值高于设定值，控制器将控制斯特林制冷机组开始工作，当液氮余量达到设定值或者存储空间的温度值低于设定值，控制器将控制斯特林制冷机组停止工作。
47.当液氮储罐的压力过高，安全阀(弹簧全启式)将自动打开，对罐体进行保护，泄压至安全值时，安全阀自动关闭。
48.当斯特林机组出现故障或者电能不充足的场合，可以采用手动加液口进行手动补液，进行双重保护。
49.罐体可以使用脚轮自由推行和锁紧。
50.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。