유동하는 액체질소 가스의 저온 제어에 비례 압력 조절기 및 비례 유량 제어 밸브 적용

자세한 세부 사항

액체질소 온도 범위 내 극저온 제어를 위해 현재 일반적으로 사용되는 다음 두 가지 방법이 사용됩니다.

(1) 직접 침지형: 즉, 냉각 및 해당 온도 제어를 위해 시험편을 액체 질소에 완전히 담그지만 이러한 방식으로 시험편의 냉각 온도를 넓은 저온 범위에서 제어 및 조정할 수 없습니다. -196°C에 가까운 온도에서 액체질소의 압력을 제어함으로써 작은 범위에서만 조정 및 제어할 수 있습니다.

또한, 직접 침지 방식은 시험편이 냉각 및 유지 시간에 도달할 때까지 기다리지 않는 경우가 많으며, 액체 질소는 기본적으로 완전히 휘발됩니다. 동시에 이러한 조작 방법은 상대적으로 간단하고 실제 작업자에 대한 요구 사항이 높기 때문에 조금만 부주의하면 안전 사고가 발생할 수 있습니다.


(2) 액체질소 퍼징 방법: 즉, 유량 제어가 가능한 액체질소 또는 액체질소 가스를 퍼징용으로 직접 사용하여 시험편의 저온 온도를 조정 및 제어하는 것입니다. 극저온 제어를 위해 퍼징 방법을 사용하는 경우 액체 질소 또는 액체 질소 가스의 유량은 시편 온도의 안정성 및 신뢰성과 직접적인 관련이 있습니다.

동시에 저온 매체의 흐름 제어는 항상 업계에서 어렵고 고통스러운 지점이었습니다.KAOLU 의 비례 압력 조절기저온 파이프라인에는 우수한 저온 저항 특성이 필요하며 가격이 매우 비쌉니다. 일부 기초적인 저온 제어에서는 온-오프 제어를 위해 저온 스위치 밸브를 사용합니다. 밸브 비용은 절감되지만 이 스위치 제어 모드의 제어 정확도는 매우 낮습니다.


또한, 저온매체의 출구는 시험편이나 열교환기 내의 공기와 직접 접촉하게 되어 공기 중의 수증기가 냉각되면 급속히 동결됩니다. 냉각시간이 길어질수록 저온매체의 출구가 동결되어 쉽게 막히게 됩니다. 핵심제어장치를 상온에서 초저온 제어할 수 있는 시험장치의 개발이 시급하다.


위에서 언급한 액체 질소 퍼지 방법의 문제를 해결하기 위해 이 기사에서는 서로 다른 정밀도로 액체 질소 온도 범위의 광범위한 온도 제어를 위한 세 가지 솔루션을 제공합니다. 솔루션의 기술적 핵심은 상온에서 가스 소스의 유량이나 압력을 조절하여 저온 온도를 정밀하게 제어하는 것입니다.KAOLU 의 비례 압력 조절기저온 저항성을 갖습니다. 동시에 위의 두 가지 기술 솔루션을 기반으로 전기 가열 형태의 세 번째 솔루션을 추가하여 보다 정밀한 저온 온도 제어에 도달할 것입니다.

원리와 분석

전통적인 액체 질소 극저온 제어 퍼지 방법에서는 액체 질소 극저온 매체의 퍼지 유량을 직접 조정하는 동시에 온도 센서와 PID 컨트롤러를 결합하여 폐쇄 루프 제어 루프를 형성하는 것이 일반적입니다. 유량을 제어하여 극저온 제어에 도달합니다.


위에서 언급한 전통적인 액체 질소 퍼지 방법을 분석하면 저온 매체 퍼지의 기본 원리는 액체 질소 탱크(극저온 저장 듀어)에서 더 높은 공기압을 형성하여 액체 질소 또는 액체 질소 가스를 강제로 배출하는 것임을 알 수 있습니다. 설정된 파이프라인으로 오버플로되어 저온 매체가 흐르고 마지막으로 유속을 조정하여 저온 제어가 수행됩니다. 그러므로 이 모든 것의 핵심은 액체질소 탱크의 고압가스입니다.


가스 압력을 조정할 수 있는 한 고정 파이프라인에 유속이 다른 저온 매체를 형성하여 온도 제어 목적에 도달할 수도 있습니다. 동시에 액체질소 탱크의 가스 압력을 조정하는 이 방법은 실온에서 도달할 수 있으므로 직접 극저온 매체 흐름 제어에 특수하고 값비싼 전기 극저온 조절 밸브를 사용할 필요가 없습니다.

위의 분석을 바탕으로 이 기사에서는 다음과 같은 세 가지 저온 제어 방식을 설계하고 다양한 제어 정밀도를 달성할 수 있습니다.

공기 흡입 흐름 제어 방식

특정 공간 크기를 가진 컨테이너의 경우 내부 압력은 흡입 및 배출 흐름에 의해 도달된 동적 평형 상태에 기인할 수 있습니다. 따라서 액체질소 탱크의 가스 압력을 제어해야 하는 경우 효과적인 방법 중 하나는 액체질소 탱크 안팎의 가스 흐름을 조정하여 동적 균형에 도달하는 것입니다.


실제 저온 제어 시스템에서 액체 질소 탱크의 액체 출구 또는 가스 출구는 종종 시험편의 냉각 파이프라인에 직접 연결된다는 점에 유의해야 합니다. 저온 매체의 흐름이 액체 질소 탱크의 출구에서 직접 제어되는 경우 극저온 밸브가 필요합니다. 이때, 유량 조절 없이 공기 배출구를 일정하게 유지할 수 있으며, 액체질소 탱크의 흡입 유량만 조절할 수 있습니다. 구체적인 계획은 그림 1에 나와 있습니다.




그림 1에서 볼 수 있듯이 고압기체(일반적으로 질소)가 감압밸브를 통과하여 정압기체를 형성하고, 전동니들밸브와 흡입관을 통해 상온고압기체가 흐르는 것을 알 수 있다 듀어 병의 액체 질소에 넣습니다. 상온의 고압 가스가 액체 질소에 들어간 후 액체 질소가 증발하여 휘발하여 가스로 변합니다. 휘발성 가스는 밀봉된 듀어 플라스크의 압력을 점차적으로 높이면서 가스 출구 파이프를 통해 테스트 장치의 열교환기를 통과합니다.


교환기 후 방전. 공기 흡입 파이프라인에 설치된 전기 니들 밸브를 조정하면 니들 밸브의 개방이 클수록 공기 흡입구의 유속이 빨라지고 액체 질소의 휘발이 강해질수록 압력이 높아지는 것을 알 수 있습니다. Dewar 병에서 최종적으로 흐름을 통과합니다. 열 교환기에서 저온 매체의 유속이 빠를수록 해당 냉각 속도도 빨라집니다. 이 솔루션의 또 다른 주요 특징은 전기 니들 밸브가 실온에서 작동할 수 있다는 것입니다.


실내 온도에서 흡입 공기 흐름을 조정하는 솔루션은 전기 니들 밸브, 온도 센서 및 PID 프로그램 컨트롤러를 통해 저온 폐쇄 루프 제어 루프를 형성하여 고정 소수점 제어 또는 프로그램이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 저온 온도 제어가 가능합니다. 그러나 이 솔루션의 문제점은 온도 제어 정확도가 좋지 않고 일반적으로 2~5°C의 온도 변동이 발생한다는 것입니다. 주요 이유는 다음과 같습니다.

(1) 고압 가스의 특정 유량으로 인해 Dewar 병의 압력이 변하고 압력의 변화에 따라 냉각 매체의 유량이 변경됩니다. 승화 과정과 압력 변화 과정이 더 복잡해 흡입 유량과 압력이 높아집니다. 이는 온도와의 단순한 선형 관계가 아니며, 이는 부정확한 온도 제어를 일으키는 주요 요인입니다. 전체 컨디셔닝 프로세스의 속도가 매우 빠르지 않는 한, 실제로는 프로세스가 느리게 진행되는 경우가 많습니다.

(2) 온도 조절을 위해 저온 매체만을 사용하는 기술 방식은 냉각 속도가 빠르고 가열 속도가 느린 단점이 있습니다. 실제 온도가 설정 온도를 초과하면 온도 회복에 도달하기 위해 시험편을 천천히 냉각해야 하는 경우가 많습니다. 이는 저압 제어가 더 높은 정확도에 도달하기 어려운 또 다른 이유입니다.


공기 흡입 압력 제어 방식

위에서 언급한 유량 제어 공정의 압력 불안정성 문제를 해결하기 위해 본 논문에서 제안하는 또 다른 해결책은 듀어 병의 압력을 직접 제어하는 것, 즉 높은 압력을 조절 및 제어하여 듀어 압력에 도달하는 것이다. -병 내부의 압력 가스 입구. 구체적인 계획은 그림 2에 나와 있습니다.



그림 2에서 볼 수 있듯이 고압가스의 압력은 비례압력조절기를 통해 공기입구에서 설정값에 따라 제어되어 듀어병 내부의 압력이 항상 정확하게 제어된 상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 비례 압력 조절기, 온도 센서 및 PID 프로그램 컨트롤러로 구성된 이중 폐쇄 루프 캐스케이드 제어 루프(비례 압력 조절기는 보조 제어 루프이며 PID 컨트롤러는 온도 센서 및 비례 압력 조절기 메커니즘과 메인 제어 장치에 연결됨) 고리).

비례 압력 조절기의 출력 압력을 조정하여 듀어 용기의 가스 압력을 제어할 수 있습니다. 듀어 용기의 압력이 높을수록 열교환기를 통해 흐르는 저온 매체의 유속이 빨라지고 해당 냉각 속도도 빨라집니다. 더 빠르게.

따라서 PID 제어기는 설정점 또는 설정 프로그램에 따라 Dewar 용기의 가스 압력을 자동으로 조정하므로 극저온의 보다 정확한 제어가 가능하고 복잡한 승화 과정으로 인한 제어 불확실성을 피할 수 있습니다. 앞서 언급한 유량 제어 방식에 비해 압력 제어 방식의 구조도 매우 간단하여 온도 제어 시스템의 온도 제어 정확도가 향상되는 동시에 상온에서 조정할 수 있다는 장점도 유지합니다.

압력 제어 방식의 또 다른 뛰어난 장점은 대형 액체 질소 Dewar 병의 압력 제어가 유량 제어보다 훨씬 편리하고 정확하기 때문에 대형 시험편의 저온 제어가 가능하다는 것입니다. 비례 압력 조절기의 구경에 따른 유량 조정 범위의 제한으로 인한 유량 제어 방식, 대구경 비례 압력 조절기의 느린 응답 속도는 온도 제어에 오류를 가져옵니다.

압력 제어 방식은 유량 제어 방식의 업그레이드이며 온도 제어 정확도도 향상됩니다. 단일 냉각 방식에서는 여전히 빠른 냉각의 단점을 해결하지 못하고 온도 회복이 느리며, 온도 제어 정확도가 제한적이고 온도 제어 속도가 느린 문제가 여전히 존재합니다.

전기난방 보조흡입압력 제어방식

단일 냉각 모드에서 냉각 블록으로 인해 발생하는 저온 제어 정확도 및 속도 저하 문제를 완전히 해결하기 위해 온도 회복 속도가 느립니다. 본 논문에서는 흡입압력 제어 방식을 기반으로 한 또 다른 최적화 방식을 제안한다.

난방 기능을 제공하기 위해 전기 히터를 추가함으로써 냉방과 난방의 이중 작용 시스템을 형성하기 위해 냉각 시스템과 협력하는 능동형 난방 장치를 제공합니다. 시험편의 온도가 설정값보다 낮을 경우 자동 활성 가열이 미세 조정을 형성하여 온도를 설정값으로 빠르게 되돌릴 수 있습니다. 또한 온도 제어 정확도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 구체적인 계획은 그림 3에 나와 있습니다.



그림 3에 표시된 것처럼 최적화 방식은 그림 2에 표시된 방식을 기반으로 전기 히터를 추가하는 것입니다. 즉, 순수 가열 기능을 갖춘 온도 제어 채널을 추가하는 것입니다. 동시에 이 가열 기능의 실현을 지원하기 위해 온도 센서를 추가하는 것 외에도KAOLU 의 QKL 시리즈사용되기도 합니다.

결과적으로 두 개의 독립적인 제어 루프가 형성되며, 하나의 루프는 흡입 압력을 제어하여 저온의 대략적인 조정에 도달하고, 다른 루프는 난방을 제어하여 저온의 미세 조정에 도달함으로써 온도 제어의 속도와 정확성을 보장합니다. 같은 시간.

본 논문에서 제안한 해결책은 과거 액체질소 온도대의 저온 제어에서 고가의 전기 저온 조절 밸브를 장착해야 했던 문제를 완전히 해결하고, 온도 제어 정확도가 떨어지는 문제도 해결했습니다. 저온 전환 밸브.

이 기사에 설명된 세 가지 솔루션은 광범위한 액체 질소 온도 범위에서 다양한 요구 사항의 온도 제어에 적용 가능하고 이를 충족하며 실제 응용 분야의 특정 상황에 따라 선택하고 사용할 수 있습니다. 그 중 제어 유량 및 압력 제어 방식의 적용 가능한 온도 제어 범위는 0°C~-150°C이며, 보조 히터 기능 후 압력 제어 방식의 제어 가능한 온도 범위는 150°C~-150°C입니다. , 여기서 상한 온도는 주로 히터의 저온 저항에 의해 결정됩니다.

위에서 언급한 모든 저온 제어 방식은 퍼지 형태의 액체 질소 가스에만 적용 가능하므로 온도가 그다지 낮지는 않지만 저온 액체 질소 매체의 직접 흐름 냉각 및 온도 제어에 대한 기술 참조를 제공합니다.

KAOLU 의 QKL 시리즈 비례 압력 레귤레이터에 대한 자세한 내용은 당사를 방문하십시오.웹사이트!