CN101337135B - 一种低温冷阱 - Google Patents

Abstract

一种低温冷阱，其特征在于：它包括一箱体，低温冷阱装置放置在箱体中；低温冷阱装置包括制冷系统、冷阱部件和加热部件；制冷系统包括两级闭路循环系统，两级闭路循环系统分别循环有制冷效率不同的制冷剂；冷阱部件为设置在第二级闭路循环系统中的蒸发器，蒸发器中设置有多个蒸发器管，各蒸发器管中穿设有冷阱管；蒸发器外部由有机玻璃板的箱体密封，蒸发器和有机玻璃板之间填充有保温除湿材料；加热部件包括电源、控制芯片和多条加热炉丝，每一个冷阱管中设置一条加热炉丝。本发明有效地解决了制冷剂的损耗问题，并可提高热能传递的效率，缩短降温时间，还可以解决冷阱的冰堵问题。

Description

一种低温冷阱

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，特别是关于一种用于捕集可凝性气体的低温冷阱。

背景技术

在干燥、冻干等生产过程中，均需要使用冷阱对可凝性气体进行捕集或冷却回收。冷阱又称冷凝捕集器，被广泛应用于生化石油实验，低温液浴，药品冻干和气体捕集等多种用途。目前低温冷阱的制冷方式有两种：半导体制冷和液氮制冷。

半导体冷阱的制冷器件使用特种半导体材料，通电后直接制冷，不用制冷剂。半导体制冷具有可连续工作，无回转效应，工作时没有震动、噪音，寿命长，安装容易的优点。又因为它是电流换能型器件，通过电控，可实现高精度的温度控制，同时很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。但是半导体制冷有一个较大的缺点就是制冷所能达到的温度较高，最低一般只能达到-30℃，不能实现对气体的完全捕集。因此半导体制冷的应用范围受到了较大的限制。

液氮作为一种常用的冷却剂，其原理就是液氮在气化过程中会吸收大量的热量，从而使周围环境的温度迅速降低。其最大的优势就是最低温度可达-196℃，气体可在这个温度下基本实现完全捕集。液氮冷阱的一种实现方法是将液氮直接喷入冷阱外部的蒸发器中，通过液氮的气化使冷阱的温度迅速下降，以达到较低的温度。对于这种实现方法，国外已经开展了广泛深入的研究，目前已有商品化的液氮低温冷阱问世。但由于这种方法是将液氮直接喷入冷阱外部的蒸发器中，因此液氮的消耗量较大，制冷的成本较高。且操作过程中需要频繁补充液氮，为使用和维护带来较大不便。

我国对于低温冷阱的研发起步较晚，国内目前通用的是半导体制冷方式，所能达到的制冷温度较高，使其应用的领域受到了极大的限制。国内商品化的低温冷阱，一般仅用于在高真空和超高真空系统中，捕集来自蒸气流泵的返流蒸气和部分裂解物，从而抽除来自真空室内的可凝性蒸气。而用于实验用气体捕集的低温冷阱尚未有商品化的问世。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于户外长期监测和现场分析等灵活多变的实验环境，并且远低于半导体制冷的同时，更可以替代液氮制冷的低温冷阱。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低温冷阱，其特征在于：它包括一箱体，所述低温冷阱装置放置在所述箱体中；所述低温冷阱装置包括制冷系统、冷阱部件和加热部件；所述制冷系统包括两级闭路循环系统，所述两级闭路循环系统分别循环有制冷效率不同的制冷剂；所述冷阱部件为设置在第二级闭路循环系统中的蒸发器，所述蒸发器中设置有多个蒸发器管，各所述蒸发器管中穿设有冷阱管；所述蒸发器外部由有机玻璃板的箱体密封，所述蒸发器和所述有机玻璃板之间填充有保温除湿材料；所述加热部件包括电源、控制芯片和多条加热炉丝，每一个所述冷阱管中设置一条所述加热炉丝。

所述制冷系统中的第一级闭路循环系统包括一压缩机、冷凝器和蒸发冷凝器，压缩机连接冷凝器，冷凝器连接蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接压缩机。

所述制冷系统中的第二级闭路循环系统包括一压缩机和蒸发器，压缩机连接所述第一级闭路循环系统的蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接蒸发器，蒸发器连接压缩机，且所述蒸发器外部包裹有保温隔热材料。

所述制冷系统中的第二级闭路循环系统包括一压缩机和蒸发器，压缩机连接所述第一级闭路循环系统的蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接蒸发器，蒸发器连接压缩机。

所述多个蒸发器管包括多个平行串联相通的主蒸发器管和副蒸发器管，各所述主蒸发器管和副蒸发器管与所述冷阱管的结合处封闭。

设置在各所述冷阱管内的所述加热炉丝为并联连接。

所述第二级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率高于所述第一级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率。

所述保温除湿材料为硅胶。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于所有的制冷剂都是在闭路的系统中循环，相对于液氮制冷，有效地解决了制冷剂的损耗问题。2、本发明的蒸发器管和冷阱管均采用铜制管腔，可提高热能传递的效率，缩短降温时间。3、本发明由于在冷阱管腔中通过由控制芯片控制的加热炉丝，可以在短时间内改变冷阱的温度，还可以解决冷阱的冰堵问题。4、本发明由于在蒸发器外部包裹保温隔热材料，并在隔热材料外部进行密封，使得冷阱在制冷工作过程中不受外界环境的影响，达到保温除湿的效果。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图

图2是本发明蒸发器管和冷阱管的示意图

图3是本发明单根蒸发器管、冷阱管及其加热装置的示意图

图4时本发明加热装置的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明包括一有箱体，低温冷阱装置放置在箱体中。低温冷阱装置包括制冷系统、冷阱部件和加热部件。

制冷系统包括两级闭路循环系统，如图1所示，制冷系统的第一级闭路循环系统包括一级压缩机1，冷凝器3，一级热交换器5，毛细管7和蒸发冷凝器10。冷凝器3连接在一级压缩机1与一级热交换器5之间；毛细管7连接在一级热交换器5与蒸发冷凝器10之间；一级压缩机1与一级热交换器5相连，形成一级压缩机1→冷凝器3→一级热交换器5→毛细管7→蒸发冷凝器10→一级热交换器5→一级压缩机1的第一级闭路循环系统，其中循环有制冷剂A。第二级闭路循环系统包括：二级压缩机2，油分离器4，二级热交换器6，蒸发冷凝器10，毛细管8和蒸发器9。油分离器4与二级压缩机2并联，二级热交换器6连接在油分离器4与蒸发冷凝器10之间，蒸发冷凝器10连接在毛细管8上，蒸发器9连接在毛细管8与二级热交换器6之间，二级热交换器6又与二级压缩机2相连，形成二级压缩机2→油分离器4→二级热交换器6→蒸发冷凝器10→毛细管8→蒸发器9→二级热交换器6→二级压缩机2的第二级闭路循环系统，其中循环有制冷剂B。其中第一级闭路循环系统中的制冷剂A通过蒸发冷凝器10气化，为第二级闭路循环系统中的制冷剂B降温。

制冷系统的工作原理为：从一级热交换器5排出的低温低压气态制冷剂A，经过一级压缩机1，被压缩成高温高压的过热蒸气。过热蒸气通过冷凝器3，向周围空气散热降温，成为高压低温液体。此时高压低温液态制冷剂A经过一级热交换器5，与同时经过其中的气态制冷剂A进行热量交换，流入毛细管7进行节流降压。得到的低温低压液态制冷剂A进入蒸发冷凝器10中，与第二级闭路循环中的制冷剂B进行热交换，制冷剂A吸收热量气化，制冷剂B放热降温。制冷剂A由液态变为气态，经过一级热交换器5被一级压缩机1吸收。至此完成第一级闭路循环，为第二级闭路循环中的制冷剂B降温。从二级热交换器6排出的低温低压气态制冷剂B，经过二级压缩机2，被压缩成高温高压的过热蒸气。与二级压缩机2并联的油分离器4可以使过热蒸气在经过油分离器4时，由油分离器4分离去掉二级压缩机2的泵油残留，并使泵油残留回收到二级压缩机2中。而分离后得到的纯净过热蒸气则进入二级热交换器6与同时经过其中的气态制冷剂B进行热量交换。分离出的泵油残留经过管道回到二级压缩机2中。从二级热交换器6中出来的过热蒸气通过蒸发冷凝器10散热降温，成为高压低温液态制冷剂B。高压低温液体制冷剂B流入毛细管8进行节流降压，得到的低温低压液体制冷剂B进入蒸发器9中吸热气化，与蒸发器9中的被降温物质进行热量交换，达到降温的目的。气化后的气态制冷剂B通过二级热交换器6后，被二级压缩机2吸收，完成第二级闭路循环。其中第一级闭路循环中的制冷剂A用于为第二级闭路循环中的制冷剂B降温，因此制冷剂A的降温要求远低于制冷剂B的降温要求，也就是说制冷剂B的制冷效率要远远高于制冷剂A的制冷效率。

本发明的冷肼部件为第二级闭路循环系统中的蒸发器9，如图2所示，蒸发器9的内部包括平行串联的6个主蒸发器管91～96和1个副蒸发器管97。冷阱管从蒸发器管内部通过。蒸发器管91～97呈蛇形排列，平行串联相通，且各蒸发器管两端与冷阱管的结合处封闭，这样可以保证制冷剂B在蒸发器管内的流动性和密封性。制冷剂B的流动方向如图中箭头所示，由主蒸发器管91～96流向副蒸发器管97。6个主蒸发器管91～96的结构和材料相同，均为不同内径的铜管。本发明的主蒸发器管91～96为长230毫米，内径3毫米的铜管，副蒸发器管97为长230毫米，内径6毫米的铜管。主蒸发器管91～96中的冷阱管为长200毫米，外径3毫米，内径2毫米的铜管，副蒸发器管97中的冷阱管为长200毫米，内径4毫米的铜管。在蒸发器9外由有机玻璃板的箱体密封，蒸发器和有机玻璃板之间填充保温除湿材料，比如硅胶材料，以起到保温除湿的效果。这样使得蒸发器在工作过程中不受外界环境的影响。

如图3所示，主蒸发器管91内套冷阱管912。冷阱管912的外径必须小于蒸发器管91的内径，以使制冷剂可以在空腔中流通。这样制冷剂B可以在主蒸发器管91与冷阱管912之间的空间中循环导通，以同冷阱管912内的被冷却物质进行热量交换，达到制冷的目的。制冷剂B和被制冷物质分别在主蒸发器管91和冷阱管912中的流向可相同或不同，其降温效果不发生变化。

如图3、图4所示，本发明的加热部件包括设置在冷阱管912内部的加热炉丝913、控制芯片12和电源11。加热炉丝913用于对冷阱温度进行调节，电源11为开关电源，控制芯片12可以是单片机控制芯片，也可以是自行设计的控制芯片。设置在各条冷阱管内的加热炉丝913为并联连接，由芯片12控制调节温度。并且加热炉丝913需同冷阱管912绝缘。如果通过冷阱管的被降温物质没有充分干燥，其携带的水分在冷阱管腔中发生冰堵现象，则调节加热炉丝的温度就可以融化冰堵。

本发明由于每级闭路循环系统都有一压缩机和一热交换器，因此本发明的制冷方式叫做双压缩机复叠式制冷。第一级闭路循环系统的目的不是直接为被冷却物质降温，而是作为第二级闭路循环系统的冷却器，与第二级闭路循环系统中的制冷剂进行热交换，创造一个冷凝环境。两级闭路循环系统的原理大致相同：由压缩机对低温抵压气态制冷剂压缩，形成高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中；冷凝器通过散热，将过热蒸气转化为低温高压液态制冷剂；液态制冷剂经过蒸发器与被冷却物质进行热量交换；液态制冷剂蒸发变成气态，吸收被冷却物质的热量，从而达到降温的目的。冷阱部件由主、副蒸发器管的冷阱管组成，各冷阱管不相连通。冷阱管中的被制冷物质与在蒸发器管腔中的制冷剂进行热量交换。加热部件是由通过冷阱管内部的电热炉丝组成，电热炉丝的温度由一个控制芯片来控制。这样不但可以在短时间内改变冷阱的温度，还可以在低温冷阱的冷阱管腔中发生冰堵时，适当提高温度，使固态冰气化排出。

本发明的低温冷阱，制冷温度可达-170℃，远低于现有的半导体冷阱。同时，由于本发明使用环保的复合制冷剂在系统中闭路循环，工作过程中不会对制冷剂造成损耗，也就不会存在不断补充的问题。这样就使得本发明的低温冷阱与液氮冷阱相比，在制冷效果差别不大的前提下，极大地降低了成本。

Claims (10)

1.一种低温冷阱，其特征在于：它包括一箱体，所述低温冷阱装置放置在所述箱体中；所述低温冷阱装置包括制冷系统、冷阱部件和加热部件；所述制冷系统包括两级闭路循环系统，所述两级闭路循环系统分别循环有制冷效率不同的制冷剂；所述冷阱部件为设置在第二级闭路循环系统中的蒸发器，所述蒸发器中设置有多个蒸发器管，各所述蒸发器管中穿设有冷阱管；所述蒸发器外部由有机玻璃板围成的另一箱体密封，所述蒸发器和所述有机玻璃板之间填充有保温除湿材料；所述加热部件包括电源、控制芯片和多条加热炉丝，每一个所述冷阱管中设置一条所述加热炉丝。

2.如权利要求1所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述制冷系统中的第一级闭路循环系统包括一压缩机、冷凝器和蒸发冷凝器，压缩机连接冷凝器，冷凝器连接蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接压缩机。

3.如权利要求1所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述制冷系统中的第二级闭路循环系统包括一压缩机和蒸发器，压缩机连接所述第一级闭路循环系统的蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接蒸发器，蒸发器连接压缩机，且所述蒸发器外部包裹有保温隔热材料。

4.如权利要求2所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述制冷系统中的第二级闭路循环系统包括一压缩机和蒸发器，压缩机连接所述第一级闭路循环系统的蒸发冷凝器，蒸发冷凝器连接蒸发器，蒸发器连接压缩机。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述多个蒸发器管包括多个平行串联相通的主蒸发器管和一个副蒸发器管，各所述主蒸发器管和副蒸发器管与所述冷阱管的结合处封闭。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种低温冷阱，其特征在于：设置在各所述冷阱管内的所述加热炉丝为并联连接。

7.如权利要求5所述的一种低温冷阱，其特征在于：设置在各所述冷阱管内的所述加热炉丝为并联连接。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述第二级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率高于所述第一级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率。

9.如权利要求5所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述第二级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率高于所述第一级闭路循环系统中制冷剂的制冷效率。

10.如权利要求1所述的一种低温冷阱，其特征在于：所述保温除湿材料为硅胶。

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