CN102310516B - 一种超临界流体注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界流体注入装置，由气体冷却预压部分，超临界流体形成部分，以及压力温度流量反馈部分与控制部分组成，压力流量温度反馈部分由两个压力传感器、两个温度传感器和一个计数器组成，压力温度流量控制部分由微控制器和固态继电器组成。待注气体经制冷机冷却后通过两个增压泵进行二级增压，然后通过加热器加热，形成超临界流体注入到待注气物体中。压力温度流量反馈部分将检测到的流体的压力、温度、流量信号输入到微控制器，由微控制器控制固态继电器调节两个空压机、制冷机以及加热器，完成压力、温度、流量的精确控制，从而实现超临界流体的恒压恒流量注入，可应用于如聚合物CO₂超临界发泡等对气体注入有严格要求的系统中。

Description

一种超临界流体注入装置

技术领域

本发明涉及气体流体注入装置，尤其涉及一种超临界流体的恒压恒流量注入装置，用于聚合物超临界微孔发泡等对气体注入压力、流量等有严格要求的系统中。

背景技术

发泡技术已有一段历史，20年代的泡沫胶木、30年代的聚苯乙烯泡沫、40年代的聚乙烯、50年代的聚苯乙烯泡沫等-基本以热塑性塑料为基体，通过物理注入或化学反应，使塑料内部充满气体，最终形成发泡。物理发泡具有较多的优势，物理发泡剂成本相对较低，尤其是二氧化碳和氮气的成本低，而且能阻燃、无污染，因此应用价值较高；另外，物理发泡剂发泡后无残余物，对发泡塑料性能的影响不大。

在物理发泡过程中，气体的定量均匀注入并且能够比较容易溶合是微孔发泡的关键技术，气体注入量的大小以及溶合的程度直接导致发泡后制品中泡孔的大小与分布密度，泡孔的大小和分布的密度又直接反应了产品的最终质量。

超临界流体是一种状态介于气体和液体之间的流体，具有许多独特的性质，如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感，粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。

目前国内有部分企业已开始研究和使用超临界物理微孔发泡，但受限于超临界流体注入设备的不足而发展缓慢。因此，目前急需研发一种能够实现超临界流体的恒压恒流量注入系统，以满足聚合物超临界物理微孔发泡等应用中的要求。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种超临界流体的注入装置，能够方便、连续、均匀、稳定地进行超临界流体的恒压恒流量注入。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种超临界流体注入装置，由气体冷却预压部分，超临界流体形成部分，压力、温度、流量反馈部分以及压力、温度、流量控制部分组成；

所述的气体冷却预压部分包括储气罐、制冷机、第一增压泵，用于驱动第一增压泵的第一空压机以及第一储罐；

所述的超临界流体形成部分包括第二增压泵、用于驱动第二增压泵的第二空压机、第二储罐、加热器以及流体缓冲器；

储气罐中的待注气体经制冷机冷却后进入第一增压泵进行增压，预压后储存在第一储罐中，然后经第二增压泵增压后储存在第二储罐中，再经加热器进行加热，形成超临界流体后经流体缓冲器注入待注气物体中；

所述的压力反馈部分由设置在第一增压泵后，用于检测气体经第一增压泵增压后的压力的第一压力传感器，以及设置在加热器后，用于检测气体经第二增压泵增压后的压力的第二压力传感器组成；

所述的温度反馈部分由设置在制冷机后，用于检测冷却后气体温度的第一温度传感器，以及设置在加热器后，用于检测加热后流体温度的第二温度传感器组成；

所述的流量反馈控制部分包括设置在第二空压机与第二增压泵之间，用于检测第二增压泵的启动频率的计数器，所述的第二增压泵的启动频率与压力反馈部分检测的压力变化以及整体管路容积相配合，以检测流体的流量；

所述的压力、温度、流量控制部分由微控制器和固态继电器组成，微控制器接收压力、温度、流量反馈部分检测的压力、温度、流量信号，然后控制固态继电器调节第一空压机、第二空压机、制冷机以及加热器，完成压力、温度、流量的精确控制。

上述技术方案中：

所述的第一增压泵的输出压力优选为0～32MPa，第二增压泵的输出压力优选为0～32MPa。

所述的第一空压机的输出压力优选为0～0.8MPa，第二空压机的输出压力优选为0～0.8MPa。

所述的压力控制范围优选为0～32MPa，流量控制范围优选为0～100mL。

所述的流体缓冲器部分包含有螺旋形不锈钢管。

流体缓冲器的出口位置优选设置高压安全阀与高压针阀。

所述的第一空压机与第二空压机优选采用微型静音无油空气压缩机。

所述的加热器优选为铸铝加热器，其功率优选为500w。

所述的制冷机优选为选配冰箱或自制制冷机。

所述的待注气体包括但不限于CO₂等气体。

与现有技术相比，本发明提供的超临界流体注入装置包括了压力、温度、流量反馈部分与压力、温度、流量控制部分，实现了超临界流体压力、温度、流量的控制输出。待注气体首先经制冷机进行冷却，然后通过第一增压泵进行一级预压，再通过第二增压泵进行二级增压，之后通过加热器加热，形成超临界流体注入到待注气物体中。压力、温度、流量反馈部分检测流体的压力、温度、流量信号，然后将该压力、温度、流量信号输入到压力、温度、流量控制部分的微控制器，由微控制器控制固态继电器调节第一空压机、第二空压机、制冷机以及加热器，完成压力、温度、流量的精确控制，从而实现方便、连续、均匀、稳定地进行超临界流体的恒压恒流量注入，可广泛应用于如聚合物CO₂超临界发泡、高压CO₂萃取等对气体注入有严格要求的系统中。

附图说明

图1是本发明超临界流体注入装置的结构示意图；

图2是本发明超临界流体注入装置中压力、温度、流量控制部分的控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1和图2中的附图标记为：储气罐1、制冷机2、第一空压机3、第一增压泵4、第二增压泵5、第二空压机6、第一储罐7、第二储罐8、加热器9，第一压力传感器10、第二压力传感器11、第一温度传感器12、第二温度传感器13、计数器14、安全阀15、流体缓冲器17、微控制器19，高压针阀20。

实施例1：

如图1所示，本实施例的超临界流体注入装置由气体冷却预压部分，超临界流体形成部分，压力、温度、流量反馈部分以及压力、温度、流量控制部分组成。

其中，气体冷却预压部分包括储气罐1、制冷机2、第一增压泵4，用于驱动第一增压泵4的第一空压机3以及第一储罐7。超临界流体形成部分包括第二增压泵5、用于驱动第二增压泵5的第二空压机6、第二储罐8、加热器9以及流体缓冲器17，流体缓冲器17的出口位置设有高压安全阀15与高压针阀20。

压力反馈部分由设置在第一增压泵4后，用于检测气体经第一增压泵4增压后的压力的第一压力传感器10，以及设置在加热器9后，用于检测气体经第二增压泵5增压后的压力的第二压力传感器11组成。

温度反馈部分由设置在制冷机2后，用于检测冷却后气体温度的第一温度传感器12，以及设置在加热器9后，用于检测加热后流体温度的第二温度传感器13组成。

流量反馈控制部分是设置在第二空压机6与第二增压泵5之间，用于检测第二增压泵5的启动频率的计数器14，所述的第二增压泵5的启动频率与压力反馈部分检测的压力变化以及整体管路容积相配合，以检测流体的流量。

如图2所示，压力、温度、流量控制部分由微控制器19和固态继电器组成，微控制器19接收压力、温度、流量反馈部分检测的压力、温度、流量信号，然后控制固态继电器调节第一空压机3、第二空压机6、制冷机2以及加热器9，完成压力、温度、流量的精确控制。

储气罐1中的待注气体，例如CO₂，经制冷机2进行冷却，通过第一温度传感器12进行冷却气体温度检测，微控制器19判断该冷却气体温度的高低，通过固态继电器控制制冷机2电源的开启和关闭进行温度控制。冷却后的气体进入第一增压泵4进行增压预压，第一增压泵4由第一空压机3驱动，第一空压机3采用微型静音无油空气压缩机，第一空压机3产生的压缩空气驱动第一增压泵4对冷却后的气体进行增压，微控制器19通过第一压力传感器10的信号反馈，判断气体增压后的压力大小，并通过固态继电器控制第一空压机3电源的开启和关闭，第一空压机3产生的压缩空气推动第一增压泵4进行增压，气体经冷却预压后进入储罐7进行存储，完成气体冷却预压阶段。

气体经冷却预压后，通过第二增压泵5进行二次精确增压控制，第二增压泵5由第二空压机6驱动，第二空压机6采用微型静音无油空气压缩机。

微控制器19通过第二压力传感器11的反馈信号，判断压力的大小，当压力小于设定压力后，通过固态继电器控制第二空压机6的开启，由第二空压机6产生的压缩空气推动第二增压泵5进行增压，当压力达到设定压力后，通过固态继电器控制第二空压机6的关闭，完成精确的压力控制，同时设置在第二空压机6与第二增压泵5之间的计数器14记录了第二增压泵5的启动频率。

气体经二次增压后进入第二储罐8进行储存，然后进入加热器9进行加热，通过第二温度传感器13检测加热后的温度，微控制器19接收该温度信号，并且通过固态继电器控制加热器9的开关，完成温度的精确控制。气体经过精确的压力控制和温度控制后形成超临界流体，该超临界流体通过流体缓冲器17注入待注物体中，流体缓冲器17部分设有螺旋形不锈钢管，对超临界流体进行缓冲。

固定储气罐1、第一储罐7、第二储罐8、以及气体流经的各管路的容积大小，微控制器19通过该固定容积大小、第一压力传感器10与第二压力传感器11反馈的压力细微的变化，以及计数器14反馈的第二增压泵5的启动频率，综合计算当前整体超临界流体输出的流量。

高压安全阀15连接在流体缓冲器17的出口位置，保证整体的超临界流体注入装置得到可靠的安全保护，防止气体压力过高导致出现各类意外。

流体缓冲器17的出口位置还设置有高压针阀20，通过手动调整该高压针阀20能够从微控制器19流量显示部分得到大概的预计流量，然后通过微控制器19的自动细微调整，得到合适稳定的流量。

Claims (8)

1.一种超临界流体注入装置，其特征是：由气体冷却预压部分，超临界流体形成部分，压力、温度、流量反馈部分以及压力、温度、流量控制部分组成；所述的气体冷却预压部分包括储气罐（1）、制冷机（2）、第一增压泵（4），用于驱动第一增压泵（4）的第一空压机（3）以及第一储罐（7）；所述的超临界流体形成部分包括第二增压泵（5）、用于驱动第二增压泵（5）的第二空压机（6）、第二储罐（8）、加热器（9）以及流体缓冲器（17）；储气罐（1）中的气体经制冷机（2）冷却后进入第一增压泵（4）进行增压，预压后储存在第一储罐（7）中，然后经第二增压泵（5）增压后进入第二储罐（8）储存，再经加热器（9）进行加热，形成超临界流体后经流体缓冲器（17）注入被注气物体中，所述的流体缓冲器（17）的出口位置设置高压安全阀（15）与高压针阀（20）；所述的压力反馈部分由设置在第一增压泵（4）后，用于检测气体经第一增压泵（4）增压后的压力的第一压力传感器（10），以及设置在加热器（9）后，用于检测气体经第二增压泵（5）增压后的压力的第二压力传感器（11）组成；所述的温度反馈部分由设置在制冷机（2）后，用于检测冷却后气体温度的第一温度传感器（12），以及设置在加热器（9）后，用于检测流体输出温度的第二温度传感器（13）组成；所述的流量反馈控制部分包括设置在第二空压机（6）与第二增压泵（5）之间，用于检测第二增压泵（5）的启动频率的计数器（14），所述的第二增压泵（5）的启动频率与压力反馈部分检测的压力变化以及整体管路容积相配合，以检测流体的流量；所述的压力、温度、流量控制部分由微控制器（19）和固态继电器组成，微控制器（19）接收压力、温度、流量反馈部分检测的压力、温度、流量信号，然后控制固态继电器调节第一空压机（3）、第二空压机（6）、制冷机（2）以及加热器（9），完成压力、温度、流量的精确控制。

2.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的第一增压泵（4）的输出压力为0～32MPa，第二增压泵（5）的输出压力为0～32MPa。

3.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的第一空压机（3）的输出压力为0～0.8MPa，第二空压机（6）的输出压力为0～0.8MPa。

4.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的压力控制范围为0～32MPa，流量控制范围为0～100mL。

5.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的流体缓冲器（17）包含有螺旋形不锈钢管。

6.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的第一空压机（3）与第二空压机（6）采用微型静音无油空气压缩机。

7.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的加热器（9）为铸铝加热器。

8.根据权利要求1所述的一种超临界流体注入装置，其特征是：所述的待注气体是CO₂。

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