一种超低液氮消耗低温冻存系统及其控制方法与流程

本发明属于液氮罐冻存，具体涉及一种超低液氮消耗低温冻存系统及其控制方法。

背景技术：

1、液氮罐是一种用来存储液态氮的容器，采用低温贮存的方式来保存生物样品，例如细胞、组织、血液、精子等，液氮罐通常由内罐和外罐组成，两者之间有一层真空绝缘，以防止液氮的过度蒸发，内罐中储存着液态氮，保持极低的温度，通常在-196℃左右，以确保生物样品的长期保存，在使用过程中，由于液氮的蒸发损耗，液氮罐会逐渐降低液位，当液位下降到一定程度时，就需要定期添加液氮来补充，以保证样品的安全；

2、在添加液氮时，工作人员需佩戴好防护手套、护目镜等个人防护装备，打开液氮罐的盖子，将液氮加入到内罐中，添加液氮时要小心操作，避免液氮的溅出或溅入眼睛等危险情况的发生，同时需要注意添加完液氮后，及时关闭液氮罐的盖子，并确保密封；

3、现有存冻系统在使用时存在如下弊病：

4、1.人工添加液氮的过程不仅需要注意个人安全而且需要注意液氮罐的密封性，才能保证人员和样品的安全，而每次进行液氮的添加都会造成对工作人员和样品的安全隐患；2.现有存冻系统每次存取样品时都会发生液氮的溢出，造成液氮的损耗；3.现有存冻系统的可靠性较弱，当遭遇补液阀门损坏或因特殊情况（如地震灾害等情况）引起系统升温风险时，无其余应对措施，从而导致样本损坏。

技术实现思路

1、本发明提供一种超低液氮消耗低温冻存系统及其控制方法，用以解决上述提出的至少一项技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种超低液氮消耗低温冻存系统，包括样品存储液氮罐和自增压液氮罐，样品存储液氮罐和自增压液氮罐均与制冷组件相通，样品存储液氮罐和自增压液氮罐之间设有输送管路和回气管路，自增压液氮罐与氮气制造组件连通，样品存储液氮罐内设有环境监控模块，控制器与环境监控模块、输送管路和回气管路电连接。

3、优选的，制冷组件包括水冷循环系统、制冷机一和制冷机二，水冷循环系统与制冷机一和制冷机二相通，制冷机一和制冷机二分别与样品存储液氮罐和自增压液氮罐相通。

4、优选的，制冷机一的冷量通过虹吸管通入样品存储液氮罐中。

5、优选的，氮气制造组件包括空压机和氮气发生器，空压机安装在氮气发生器内，氮气发生器与自增压液氮罐相通。

6、优选的，输送管路和回气管路均采用耐超低温，并且保温性能绝佳的软管或者硬管。

7、优选的，环境监控模块包括：

8、若干温度传感器，若干温度传感器从下到上均匀布置的样品存储液氮罐内罐内壁上；

9、液位传感器，液位传感器设置在样品存储液氮罐用于检测样品存储液氮罐内液氮为液位；

10、液氮供给提示单元，液氮供给提示单元用于基于温度传感器和液位传感器的检测值进行液氮供给提示；

11、控制器与温度传感器、液位传感器和液氮供给提示单元电连接。

12、优选的，液氮供给提示单元基于温度传感器和液位传感器的检测值进行液氮供给提示包括：

13、计算样品存储液氮罐内的实际温度不均匀度：

14、（1）；

15、其中，为样品存储液氮罐内的实际温度不均匀度，为液氮与样品之间的换热滞后系数，n为温度传感器的总个数，为第i个温度传感器的检测值，为自然数，取值为2.71，为液氮对样品的冷却系数，为液氮对样品冷却过程中的基准响应时长；

16、当样品存储液氮罐内的实际温度不均匀度大于样品存储液氮罐内的基准温度不均匀度，或液位传感器的实际检测值小于样品存储液氮罐的基准液面高度时，液氮供给提示单元给出液氮供给提示至控制器。

17、优选的，还包括管路控制模块，管路控制模块用于基于环境监控模块和控制器控制输送管路和回气管路工作；

18、步骤一：基于环境监控模块的温度传感器，计算制冷组件在液氮供给期间带走的热量：

19、（2）；

20、其中，为制冷组件在液氮供给期间带走的热量，为制冷组件的虹吸管在液氮供给期间的质量流量，t为液氮供给预设时长，为虹吸管内换热介质的比热容，n为温度传感器的总个数，为液氮供给前第i个温度传感器的检测值，为液氮供给结束后第i个温度传感器的检测值，为液氮汽化后生成的氮气的预设温度，为输送管路输入的液氮的预设温度；

21、步骤二：基于环境监控模块和步骤一，计算输送管路和回气管路在液氮供给过程中需保持的液氮体积流量差：

22、（3）；

23、其中，为输送管路和回气管路在液氮供给过程中需保持的液氮体积流量差，为被存储样品的比热容，为被存储样品的质量，为进行液氮供给前环境监控模块监测到的被存储样品液面处的温度值，为被存储样品的目标最大存储温度，为被存储样品的目标最小存储温度，为样品存储液氮罐内罐的截面积，为样品存储液氮罐的液氮目标液位高度，即环境监控模块的液位传感器的检测值，为进行液氮供给前环境监控模块监测到的样品存储液氮罐内液氮的液面高度，为单位体积液氮具有的能量，为液氮供给时回气管路内氮气的温度随时间变化的函数，为液氮供给时输送管路内液氮的温度随时间变化的函数，为液氮的比热容，为输送管路输入的液氮的密度；

24、步骤三：控制器基于计算出的输送管路和回气管路在液氮供给过程中需保持的液氮体积流量差，控制输送管路和回气管路进行液氮的输送和氮气的回流，由此保证样品存储液氮罐的温度始终保持在样品适宜存储的温度范围内。

25、优选的，还包括氮气制造组件故障监测模块，氮气制造组件故障监测模块用于监测氮气制造组件的工作状态；

26、氮气制造组件故障监测模块包括检测单元、计算单元、控制单元和报警单元，计算单元用于基于检测单元的检测结果计算氮气制造组件的氮气发生器内分离膜的当前氮分离系数，控制单元用于基于计算单元的计算结果控制报警单元工作；

27、检测单元包括：

28、氮气浓度传感器一，氮气浓度传感器一用于检测分离膜进气侧氮气的浓度；

29、氮气浓度传感器二，氮气浓度传感器二用于检测分离膜出气侧氮气的浓度；

30、气压传感器一，气压传感器一用于检测分离膜进气侧的气压值；

31、气压传感器二，气压传感器二用于检测分离膜出气侧的气压值；

32、流速传感器一，流速传感器一用于检测分离膜进气侧的流速；

33、流速传感器二，流速传感器二用于检测分离膜出气侧的流速；

34、计算单元基于检测单元，计算氮气发生器内分离膜的当前氮分离系数：

35、（4）；

36、其中，为氮气发生器内分离膜的当前氮分离系数，为以10为底的对数，为氮气浓度传感器一的检测值，为氮气浓度传感器二的检测值，为分离膜两侧氮气的基准浓度差，为气压传感器二的检测值，为气压传感器一的检测值，为流速传感器一的检测值，为流速传感器二的检测值，为氮气制造组件故障监测模块的检测周期，为氮气发生器内分离膜的数量，为分离膜的厚度，为分离膜的表面积；

37、控制单元比较氮气发生器内分离膜的当前氮分离系数与氮气发生器内分离膜的预设氮分离系数，当氮气发生器内分离膜的当前氮分离系数小于氮气发生器内分离膜的预设氮分离系数时，控制单元控制报警单元进行报警提示。

38、一种控制方法，包括以下步骤：

39、s1：样品存储液氮罐初次使用时，通过氮气制造组件和自增压液氮罐进行液氮的制造，并将其输送至样品存储液氮罐中，为样品创造-196℃的低温环境；

40、s2：氮气制造组件通过空压机将空气送至氮气发生器内，通过氮气发生器将氮气分离出来，并输送至自增压液氮罐，通过自增压液氮罐的增压配合制冷组件的降温，实现液氮的制造，制造的液氮存储在自增压液氮罐中；

41、s3：环境监控模块实时监测样品存储液氮罐内环境，当需要供给液氮时通过液氮供给提示单元进行提示；

42、s4：管路控制模块基于环境监控模块的检测值计算输送管路和回气管路在液氮供给过程中需保持的液氮体积流量差；

43、s5：计算完毕后，控制器控制输送管路和回气管路按计算出的液氮体积流量差进行液氮的供给，保证液氮供给过程中样品存储液氮罐内环境的稳定性，确保生物样本的安全。

44、与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

45、1、本发明避免了人工添加液氮对工作人员和样品造成的安全隐患，自增压液氮罐和回气管路的设计，可以实现氮气的回收再冷凝，降低液氮的损耗，同时增压液氮罐的设计增加了冻存系统的可靠性，可以在遭遇补液阀门损坏或因特殊情况（如地震灾害等情况）引起系统升温风险时，保证样品存储液氮罐的内部环境时刻处于低温状态；

46、2、本发明液氮供给提示单元可在样品存储液氮罐温度不符合样品存储温度前就进行液氮供给提示，保证在液氮提示给出到液氮供给完毕的时间段内样品存储液氮罐内的温度始终满足样品的存储条件，不会因为响应不及时而造成样品发生不可逆损坏的危险；

47、3、本发明管路控制模块通过控制器控制输送管路和回气管路在液氮供给过程中始终保持该液氮体积流量差，从而保证在液氮供给过程温度发生波动的过程中，也不会造成样品存储液氮罐内的温度环境不利于存储样品的时刻，由此避免样品在液氮供给过程中由于存储环境波动造成样品发生不可逆损坏的情况，增加超低液氮消耗低温冻存系统的可靠性。