CN105983293B - 用于净化气体的设备和方法及再生该气体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于净化气体的设备和方法及再生该气体的方法。具体涉及用于净化过程气体混合物的方法和设备，所述过程气体混合物例如是制冷剂气体，其中，通过低温冷凝经由去升华移除混合物的杂质成分。通过使气体混合物与位于装置第一区域中的冷却源直接热交换将气体混合物冷却至远低于杂质冷凝温度的温度。去升华或冻结的杂质聚集在冷却区域表面附近，并最终被转移到限定杂质存储区域的装置部分。输出的净化气体从杂质存储区域被转移出，可选地穿过第一微米尺寸过滤器，通过逆流换热器，并最终向上到达室温下的输出端口。还公开了清除收集的杂质和恢复装置的方法。

Description

用于净化气体的设备和方法及再生该气体的方法

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦赞助研究/开发的声明

不适用

技术领域

本发明涉及用于从制冷剂气体供给去除杂质的制冷剂气体净化器，更具体地，涉及被配置为通过低温冷凝(cryo-condensation)去升华(de-sublimate)的氦气净化器，其可选地采用过滤装置，以便进一步促进这类杂质的去除。本发明还包括用于清除这类杂质或以其他方式使净化器再生以便继续操作的方法。

背景技术

制冷剂气体由于它们在冷藏和冷却技术中的应用以及其他应用而需求量很大。例如，在制冷剂气体中，氦气通常被用于各种医疗和科学仪器，包括核磁共振成像仪器(MRI)、材料分析装置和其他仪器。为了获得用于冷藏技术的液相氦，通过将气体冷却至液化点在气体液化器整体液化气相氦。然后使液相氦蒸发，以产生用于冷却材料样本、超导磁体或其他材料或部件的气相氦流。

由于氦的稀缺性以及氦气的高消耗量，期望从医疗和科学仪器回收蒸发的液体，该蒸发的液体随后被净化和液化以供再次使用。例如，除其他之外，诸如脑磁图(MEG)设备、核磁共振(NMR)设备、综合物性测量系统(PPMS)和磁学测量系统(MPMS)的设备每天可消耗1至10L液态氦。

当诸如医院或科学实验室的场所的总消耗量在100L/天以下时，常规的氦回收和液化实践(即，基于Samuel C.Collins教授的开创性工作及衍生技术的那些实践)由于大量的氦蒸发(损失到大气中)而过大且效率低。作为替代方案，目前出现了一种基于低温冷却器回收和液化少量氦(＜100L/天)的可商购技术，其使液化适应消耗，并保持产生的液体不会损失，直到需要将氦转移到液态氦使用仪器。目前可购得的示例性系统包括加利福尼亚圣地亚哥的Quantum Design；纽约锡拉丘兹的Cryomech；和华盛顿布莱恩的QuantumTechnology。这种技术被证明胜任单个及多个医疗和科学器械的氦回收，从而最小化氦损失。

虽然当使用总杂质体积浓度小于1ppm的商业等级高纯度气体时小规格氦回收系统的液化技术合适地起效，但当使用杂质体积浓度大于1ppm的回收气体时效率立刻降低。然而，为了从单个或多个医疗和科学器械回收氦，液化之前的必要净化技术(即，产生总杂质含量远小于1ppm的纯净气体)不够有效。

因此，为了向液态氦装置或系统提供充分净化的气体，通常采用能够去除进入的原料气中的杂质的气体净化器。对此，气体净化是单独的过程，其唯一目的是去除过程气体中的不期望的微量或少量污染物，被称作杂质。在净化之后，经净化的制冷剂气体被移开(例如，被转移到液化器)，丢弃分离的污染物，并且用于净化的装置恢复使用。

目前，小规格氦回收装置使用三种不同的净化方法。这些方法如下：

1.化学气体吸收：气态氦混合物在高温下与固体产品(吸气剂)接触。通过与吸气剂发生化学反应使杂质(对于回收氦的情况主要是N₂和O₂)减少至10^-3ppm，无论它们在输入气体中的浓度是多少。此方法的主要限制时装置输入端的回收气体的杂质的最大量，该体积最大量必须保持在10ppm以下，以避免与杂质发生的放热很多的化学反应产生过多热量。然而，大多数回收系统，尤其是使用气囊的那些，在最好的情况下具有总计1.5×10^-4的最小体积比浓度。因此，此技术不能用于达到本发明的目的。此技术还导致压降随着反应产物的量而不期望地增加，即使在低流速(＜10sL/分钟)下也达到几巴，这使得这种方法更加不适用于低压回收系统(例如，＜2巴)。

2.低温气体吸收：气态氦与具有高表面-体积比的材料接触，然后利用液氮作为冷却剂被冷却至约80K的低温。由于这是表面效应，因此需要使得吸收材料与进气中存在的杂质的体积比率大，从而有效。当吸收材料饱和时，必须在高温下加热系统并通过泵送恢复系统。因此，持续的操作需要多个相同系统，并且需要进行液氮补充操作，以提供随后需要的冷却。此外，输出气体的杂质浓度通常取决于输入处的杂质浓度。对此，不容易达到10^-5以下的输出浓度水平。

3.低温冷凝：利用低温冷凝的净化通过使待去除的杂质发生相变来实现。在处于低温(在氦中存在氮的情形中，T<30K)的冷藏装置中冷却进入的原料气有助于冷凝易冷凝杂质。一旦混合物过饱和，相应的杂质就去升华并覆盖在容器的冷表面上和/或从原料气中沉淀出来。就是说，一旦混合物温度达到使得杂质的平衡蒸气压小于混合物中的杂质分压的温度值，杂质就开始去升华。当在低压(<2巴)和低温(<30K)下工作时，在氦中可容易地达到0.1ppm或更小的总N₂和O₂输出杂质水平。虽然利用具有两级低温冷却器的装置的这种方法已经有了一些改进，但保持过程气体中约30L/分钟的操作流速的长期(数月)持续操作仍是一种挑战。

在2013年7月8日提交的名称为“CRYOCOOLER-BASED GAS SCRUBBER”的美国专利申请序列号13/937,186中描述了用于从氦供给气体移除杂质的示例性的现有技术系统，其基于在非常高效的凝聚/去升华表面区域材料上低温冷凝和/或凝聚杂质。所公开的系统使用填充有玻璃棉的净化器筒，玻璃棉几乎占据整个杜瓦瓶杂质存储区域，以便在25L/分钟的最大流速下获得小于5×10^-6的N₂。其限制在于，一旦冷却装置(二级制冷机冷头)和相应的输出气体逆流换热器的表面被覆盖以霜，并非所有杂质都冻结并被捕获在深度冷却区域中，而是被迫“凝聚”接触高表面材料，如玻璃棉，其被致密地封装在筒中，占据杂质存储空间。该系统的主要缺点如下：

1.杂质存储有效体积仅是杜瓦瓶体积的一小部分，通常是10％，并因此仅能提供有限的杂质存储能力。

2.杜瓦瓶的颈部和杜瓦瓶的腹部(具有用于输入气体流的小通道)都易被霜阻塞。为了将此缺点程度降至最低，必须一直保持返回回收系统的最小流速约为5L/分钟，即使在液化器不需要任何气体流时也是这样。

3.需要定期恢复，通常每周一次，这需要将整个系统(即，冷头、换热器、筒、杜瓦瓶腹部)加热至120-150K以上，并完全排空系统。

4.致密封装的过滤器筒相当于热负载，使得恢复之后的冷却过程需进行最少3-6小时，因此在该额外时间内中断液化过程。

因此，本领域需要用于净化过程气体混合物的方法和装置，其异常有效并能够从气体混合物中移除杂质，其还能够提供大的杂质存储体积并进一步降低对频繁进行恢复过程的需要。根据这些原则，需要这种系统和方法，以及有效地恢复这种系统的方法，由此使得能够连续地进行制冷剂气体净化，而在延长的时间段内(例如，数月)不需要中断净化气体的供应。尤其需要能够达到这些目的的系统，具体适用于氦回收系统，由此能够高效且经济地净化合适量的制冷剂气体。

发明内容

本发明具体解决和缓解现有技术中的上述缺陷。对此，公开了用以净化气体混合物的方法和装置，更具体地，公开了用以在液化之前净化回收制冷剂气体，即氦气，的方法和装置，其中，净化气体含有占总体积约10^-3ppm的杂质(N₂、O₂、CO₂、CnHm)。

为此，本发明的方法和设备能够通过低温冷凝经由去升华移除混合物的杂质成分。所述设备优选包括竖直定向的外壳，更具体地，竖直定向的杜瓦瓶，其具有用于接纳待净化气体的入口和经净化气体的出口。杜瓦瓶包括限定多个区带的内部，包括由杜瓦瓶内的上部限定的第一和第二区带，其中放置有能够冷却进入的待净化的制冷剂气体并使得这类杂质去升华的冷却装置。第三区带朝向竖直定向的杜瓦瓶内部的底部，其能够限定杂质存储区域，去升华的杂质被隔离在其中并因此被从待净化的制冷剂气体中提取出来。与经净化气体的出口流体连接的收集装置或机构位于杜瓦瓶的第三区带内，其可包括过滤机构，优选是含有尼龙网或金属网薄层，由此回收经净化的氦气。为了更好地净化制冷剂气体，过滤机构被设置用以防止任何去升华或液化杂质再次被引入制冷剂气体流。

在使用时，通过利用位于竖直定向杜瓦瓶的第一区带中(即，杜瓦瓶颈部中)的冷却装置(通常是制冷机冷头)直接与气体混合物热交换，将待净化的进气混合物冷却至远低于杂质的冷凝温度的温度。在将气体从室温预冷却至使得平衡蒸气压小于气体混合物中指定杂质的分压的温度的过程中，杂质逐渐冷凝。最后，在杂质某一特定温度下(即当压力等于其在混合物中的分压时的杂质气-固饱和温度下)，杂质去升华。对此，在设备中杂质的分压超过饱和压力的位置处形成霜。即使温度进一步降低，霜的厚度也会快速下降。

在此第一区带(也被称作去升华区域)中沿气体处理流动方向最初发生气体混合物的深度冷却。去升华或冻结的杂质首先覆盖冷却装置的表面，以及杜瓦瓶内壁和第一和第二区带中的不同元件的表面，还可包括其他元件，诸如排气换热器、加热器和温度计。杂质形成的霜通常在限定去升华区域的第一和第二区带中出现，并可形成冻结杂质块和/或沿过程气体流动方向掉落到杜瓦瓶的第三区带或区域(即杜瓦瓶底部)，由此第三区带或区域限定净化设备的杂质存储区域。

在室温下，经净化的排气从第三区带的底部或杂质存储区域通过收集机构(漏斗、铂或其他类型的装置，可选地包括过滤器、逆流换热器)向上来到形成在杜瓦瓶之上的输出端口。用于微米尺寸的冻结杂质颗粒的过滤器避免在高流速下牵引固态杂质和霜。

所述方法进一步考虑“软”恢复过程，其中，定期停止，优选自动地停止(即，每天一次)，位于杜瓦瓶内的冷却装置，并且启用位于杜瓦瓶的去升华区域内的换热器表面上的第一加热器，直到位于冷却装置下端处的温度计显示已经达到特定杂质的最高升华温度(例如，对于主要杂质为O₂和N₂的He是100K)。冻结的杂质升华/液化，并从深度冷却区域的第一和第二区带被向下移至杂质存储区域中，在该处，一旦在杜瓦瓶底部某些位置处发现去升华温度条件，杂质就会再次冻结。在杜瓦瓶颈部被堵塞之前和/或在霜显著降低热交换效率之前可进行这种恢复过程。这种杂质升华-移置过程有利地仅占用约10-60分钟，并且优选可自动地执行，而不会中断过程气体流动，因此在任何时候都保持接近完美的性能，直到杂质存储体积变满。

经过一段时间，当第三区带或杂质存储区域充分地填充有去升华杂质时，或当前述“软”恢复过程不能充分消除去升华杂质造成的堵塞时，设备优选进一步设置有位于第三区带中的第二加热器，并优选在杜瓦瓶底部处，其能够升华、液化和蒸发该区域或杂质存储区域中存储的杂质。与上述第一加热器相反，这种第二加热器由此被设置用于标准高温(150K)恢复，其补充第一加热器提供的恢复或“软”恢复过程。

输出气体中指定杂质的浓度与固态杂质在其通过正规装置的路径中获得的最低温度下的平衡蒸气压和收入气体混合物工作压力之间的比例直接相关。因此，剩余的输出杂质不依赖于它们在收入气体混合物中的浓度，因而容易获得远小于0.1ppm的值。所述方法已经成功地用于在利用小规格液化器(加利福尼亚圣地亚哥的Quantum Design公司采用的商业ATL氦液化技术)进行液化之前从科学和医疗仪器净化回收的氦气。与本文公开的实施例相一致的样机已经供应三个加利福尼亚圣地亚哥的Quantum Design公司的ATL 160液化系统，而不需要在若干个月的操作期间中断以进行高温恢复。

因此，本发明的主要目的是提供通过冻结过程净化气体混合物(尤其是氦气混合物)的方法，其中，可消除用于此目的的在先过程和设备的缺点。

本发明的目的还在于提供在低温下从指定气体混合物去升华和捕获气体杂质的设备，在该设备中可获得改进的方法的优点。

本发明的另一目的是提供冻结气体混合物的杂质成分的方法和设备，使得该设备可操作相当长的时间，此外，可使输出的净化气体中总杂质的输出体积浓度可忽略(<10^-9)。

附图说明

参照以下描述和附图将更好地理解本文公开的各个实施例的这些和其他特征和优点，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中：

图1A是氦(He)、氮(N₂)、氧(O₂)和氢的体积恒定的压力-温度相图；

图1B是与图1A类似的压力-温度相图，但对应于图1A的绝对工作压力为2巴的特定情形，该情形包括水、Xe和Ne，并且图右侧包括明确各个温度下指定杂质的体积浓度的刻度；

图2A是根据本发明的优选实施例构造的气体净化器设备的剖视图，其中，示出了净化器设备接收待净化的制冷剂气体输入，并且示出了从室温冷却后者；

图2B是图2A的净化器设备的剖视图，其中，示出了制冷剂气体在最初冷却之后经历净化，这种净化由在设备内部的最上侧部分中形成的去升华杂质霜来表现；

图3A是图2A和2B的剖视图，其中，示出净化器经历“软”恢复过程；

图3B是图2A-2B和图3A的剖视图，其中，示出了在升华/杂质移置过程之后净化器正在净化气体；

图4A是描绘在杂质去升华过程期间若干参数(例如，流速、进气压力、排气压力和温度)随时间的波动的图表；

图4B是描绘在发生于软恢复期间的杂质去升华过程中若干参数(例如，流速、进气压力、排气压力和温度)随时间的示例性波动的图表；

图4C是描绘在两次N₂恢复(140K)期间本发明的样机一个月的操作，在此期间系统自动地执行11此软恢复过程；

图5是图2A-2B和3A-3B的剖视图，其中，示出了净化器经历恢复过程，这通过第一和第二加热器的共同作用实现，第一和第二加热器能够将杂质从去升华区域移到杂质存储区域(加热器1)并且杂质最终液化并蒸发(加热器2)，通过通向大气的通风阀排出；以及

图6是与根据优选实施例构造的本发明的气体净化器一起使用的过滤器机构的部分分解图。

具体实施方式

下述详细描述作为本发明目前优选的实施例的描述，并不代表可实现或执行本发明的唯一方式。所述描述陈述了实践本发明的步骤的功能和顺序。但是应该理解，通过不同的实施例可实现相同或等价的功能和顺序，并且这些不同的实施例也包括在本发明的范围内。

鉴于以上，本发明涉及用于净化过程气体混合物(即，制冷剂气体)的方法和装置，其中，通过去升华去除混合物的气态杂质成分。对此，本发明的工作原理是低温冷凝，这是本领域周知的方法，用以通过使混合物的温度远低于待去除的杂质的冷凝温度从指定气体混合物中冻结移除不期望的成分(即，杂质)。图1描绘了具有杂质N₂、O₂和H₂的氦气混合物的压力-温度相图。

考虑到室温(RT)下气体混合物中杂质(由下标“j”表示)的初始摩尔分数Y_j可近似等于其分压P_j与混合物的总压力P_m之比(此方法对于理想气体或小摩尔分数有效)Y_j＝P_j/P_m。

在低于杂质的冷凝温度T_cj的任何温度下，即，对于任何T＜T_cj(P_j)，冻结的杂质的分压都由温度T下冷凝物的蒸气压给出；换言之，它可由分离特定杂质的液(V)相和固(S)相的实线描绘。如图1所示，连续线对应于每个成分的饱和V-S、V-L线，混合物的总压力(P)通常为2巴。具有箭头的各个虚线指示混合物的各个成分在它们的冷却期间的分压。当指定的成分达到去升华V→S线时，它沿着此连续线前进，T下降，并且在升温时不会离开此线，直到所有冻结物质变成蒸气，或先变成液体再成为蒸气，取决于杂质的总冷凝量。如将明白的，一旦达到升华(V→S)线并且T进一步降低，Y_j(T)的数量级就会显著降低。

因此，对于处于室温和2巴压力下且具有小体积浓度(总计<1％)的(主要是)N₂和O₂的氦(He)来说，在混合物冷却至30K以下之后，气相的N₂和O₂的浓度将降低至0.5ppm以下，并且当混合物冷却至20K以下时降低至可忽略的值。

在图1所示的例子中，具有它们相应的箭头的虚线指示在最初冷却期间每个成分在气相的P_j-T轨迹(j＝N₂、O₂、H₂)。这是等压过程，直到温度达到指定成分的冷凝(去升华)值。然后，当达到升华S-V饱和线时，杂质立即冻结并且它们在混合物上的相应的分压由冷凝物的蒸气压决定。温度的进一步下降会使冻结杂质的蒸气压显著降低。

相同原理还可应用于清除或移除收集到的去升华杂质。在此背景下，在冻结杂质积累一定时间之后，系统被加热以便恢复(杂质的升华)，下面更全面地论述，由此每个冻结成分都将沿着第一S-V实线，后退直到所有冷凝物质变成蒸气(如果得到的分压小于三相点压力)或直到三相点压力首先通过S-V线，然后分压进一步升高通过L-V饱和线，直到杂质的所有积累物质最终变成蒸气。

现在参照图2A-3B和图5，首先参照图2A和2B，示出了根据本发明构造的用于净化气体的气体净化器或设备10的实施例。如图所示，设备10被配置为竖直定向的外壳，即，具有细长的大体圆柱形配置的竖直蒸气屏蔽氦杜瓦瓶12。更具体地，杜瓦瓶12包括用于接收待净化制冷剂气体的气体入口14和净化后气体出口16。当从图2A-3B所示的视角观看时，气体入口14和出口16靠近杜瓦瓶12的顶端，其中，气体入口14与杜瓦瓶12的细长的大体圆柱形内腔17流体连通。内腔17由杜瓦瓶12的内容器18限定，内容器18同轴地嵌在杜瓦瓶的外容器20内。杜瓦瓶12的真空腔22被限定在内容器18和外容器20之间。尽管图中未示出，但杜瓦瓶12还配备有在其规定的内部区域内的若干辐射屏蔽结构。

内腔17的靠近气体入口14和出口16的部分，其通常被称作杜瓦瓶12的“颈部”，接收并容纳设备10的冷却装置或冷头24。冷头24包括三个单独部段，包括第一部段24a、第二部段24b和第三部段或冷尖端24c。对此，如图2A-3B中标注的，冷头24的第一部段24a限定其第一级，第二部段24b和第三部段24c共同限定其第二级。冷头24是本领域已知部件，例子是吉福德-麦克马洪(GM)二级闭合循环制冷机(未示出制冷机压缩机)。冷头24的第一部段24a(即，第一级)与内容器18的相应部分一起限定内腔17内的深度冷却区的第一部分，在图2A-3B中被标注为区带1。冷头24的第二部段24b和第三部段24c(即，共同限定第二级)与内容器18的相应部分一起限定内腔17内的深度冷却区的第二部分，在图2A-3B中被标注为区带2。当从图2A-3B所示的角度观看时，在区带2以下延伸的被标注为区带3的内腔17的其余部分限定杂质存储区带或区域，由此冻结的杂质在去升华之后被收集在区带1和2中。如下面将更具体地描述的，在区带3内还安置有提供可选的过滤系统所必需的硬件部件，该可选过滤系统能够确保任何杂质(通常处于它们的固态去升华形式)不会被重新引入由本发明的设备10和方法所产生的经净化的制冷剂气体流中。

在设备10的优选实施方式中，设备10设置有逆流换热器26。换热器26包括由具有规定的热传导特性的材料制成的细长的管状区段，其以图2A-3B所示的方式盘绕。对此，换热器26形成为使得其线圈的外径小于内腔17的内径，容许换热器26前进到杜瓦瓶12的颈部区域中，尤其是其内腔17中。同时，换热器26的线圈的内径的尺寸形成为包围冷头24，因此容许冷头24有效地前进到换热器26的内部中。如在图2A-3B中可见的，在优选实施方式中，相对于冷头24确定换热器26的尺寸，使得最外侧的一对线圈大体上分别靠近第一部段24a和第三部段24c的远端中的一个，因此换热器26的最下侧线圈位于区带2和3之间的接合处附近。但是，本领域普通技术人员应该明白，冷头24和换热器26之间的此相对尺寸仅是示例性的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行修改。在设备10中，终止于第一部段24a的上端附近的换热器26的上端流体地联接到气体出口16。

在设备10中，靠近第三部段24c的换热器26的下端由大体沿内腔17的轴线延伸的平直部分限定。依据这些原则，根据优选的制造方法，换热器26由前述细长管状原料区段形成，其一个部段盘绕，一个部段保持大体平直配置。

优选地，设备10还包括第一加热器30。第一加热器30电连接到合适的电源，并且可位于冷头24和换热器26之间，靠近第一和第二级(区带1和2)之间的接合处。在优选实施方式中，第一加热器30可缠绕到换热器26的线圈部分的前述位置处。下文将更详细地描述第一加热器30的用途。此外，传感器32(例如，热敏二极管、温度计)被放置在冷头24的第三部段24c或冷尖端的规定位置上。传感器32与冷头24和第一加热器30电通信，并且由于一些原因而能够使冷头24和第一加热器30中的每个在开和关状态之间切换，下文将对此进行更详细的描述。

如在图2A-3B可进一步看出的，根据本发明，由换热器的平直部分的远端限定的换热器26的下端流体地联接到收集机构，收集机构能够接收区带3内的净化制冷剂气体，并经由换热器26将净化制冷剂气体转移到气体出口16，其中去升华的杂质留在区带3中。收集机构位于区带3中并可仅包括诸如漏斗、钵的装置或其他类似装置。在优选实施例中，收集机构包括过滤器筒组件34，具体在图6中示出。

在设备10内将过滤器筒组件34用作收集机构或用作收集机构的一部分是可选的。在图2A-3B和图5中，设备10被描绘为包括过滤器筒组件34作为收集机构。当从图2A-3B的视角观看时，这种过滤器筒组件34位于区带3内杜瓦瓶12所限定的内腔17的下部处。更具体地，过滤器筒组件34位于内腔17内，其方向足以确保氦气被收集和从中通过，之后按顺序通过换热器和气体出口16，而将去升华和/或液化的杂质留在区带3的杂质收集/存储区域，如下面将更详细地描述的。

在图6所描绘的实施例中，过滤器筒组件34包括圆柱形配置的中空收集构件36，经净化的气体流入其中。在进入收集构件36之后，气体穿过位于其内的过滤机构。可集成到过滤器筒组件34中的示例性过滤机构包括主体过滤器38和薄层过滤器40，这些过滤机构适于防止杂质被重新引入试图利用设备10进行净化的制冷剂气体内。过滤器筒组件34还包括漏斗42，其附接到收集构件并有效地将过滤机构封闭在其中。漏斗42流体漏接到细长的管状出口导管44(也包括在过滤器筒组件34中)的一端。如在图2A-3B中可见的，与附接到漏斗42的一端相反的出口导管44的端部流体连接到换热器26，更具体地，连接到其大体平直的非盘绕部段的远端。下面将更详细地描述基于集成在其中的特定过滤机构的优选材料选择的过滤器筒组件34(如果包括在设备10中的话)的功能。

优选地，设备10还包括第二加热器46。第二加热器46也电连接到合适的电源，并且当从图2A-3B所示的视角观看时，第二加热器优选位于内腔17的下端或底端和过滤器筒组件34之间。在设备10内，内腔17的邻近其下端的此特定区域被描绘为其前述杂质存储区域。下面将更详细地描述第二加热器46的用途。此外，传感器48(例如，热敏二极管、温度计)被放置在过滤器筒组件34(如果包括的话)的规定位置上，传感器48与冷头24和第一加热器30电通信。由于下文将详细描述的原因，传感器48能够监控过滤器筒组件34的温度。

在这样描述了设备10的结构特征之后，现在将参照图2A-3B描述利用设备10的示例性方法。图2A和2B描绘了接收室温下待净化的制冷剂气体和处于初始冷却之后的净化期间的设备10。气体混合物通过气体入口14进入区带1并被冷头24的第一级预冷却。通过与流过换热器26的线圈的输出气体直接进行热交换而实现的另一冷却，来补充冷头24对气体混合物的冷却。如本领域普通技术人员应该明白的，利用换热器26促进热交换会有利地帮助最小化从冷头24提取的冷却能量。

根据优选实施例，进气将被冷却至30K或更低的温度，优选10K。在操作设备10时，对于30L/分钟的典型输入流速，由于密度增加，气体分子的速度从几cm/s迅速下降至1-2cm/分钟。经由气体入口14被引入区带1的气体中的一些杂质可在区带1下部的一些点处立即达到过饱和，并将开始覆盖内腔17的该颈部部分内的至少部分表面。更详细地，这些冻结杂质(在图2B和3B中被标注以50a)可开始覆盖冷头24的第一部段24a(即，第一级)的一些部分、位于区带1内的换热器26的一个或多个线圈和/或限定区带1的内容器18的相应部分。之后，气体混合物到达区带2，在该处，它被深度冷却至所有剩余杂质成分都去升华并覆盖区带2中的若干不同表面的温度。更详细地，这些剩余的冻结杂质(在图2B和3B中被标注以50b)可开始覆盖冷头24的第二部段24b和第三部段24c(即，第二级)的至少一部分、位于区带2内的换热器26的一个或多个线圈和/或限定区带2的内容器18的相应部分。

为了使设备10以尽可能连续的方式运转，从而花费最少的时间和精力来去除或以其他方式转移收集在区带1和2内的去升华杂质50a、50b，本发明进一步考虑恢复过程，更具体地，“软”恢复构成，其能够将区带1和2中的这类杂质50a、50b移到区带3的前述杂质存储区域中。图3A图示了执行这种“软”恢复(即，升华)过程的设备10。如图所示，冷头24停止工作，同时启用第一加热器30，直到冷头24的第三部段24c或冷尖端达到区带1和2中冻结杂质50a、50b的升华和/或液化温度。这致使冻结杂质50a、50b升华和/或液化，并朝向内腔17的杂质存储区域落下。由于它们落下，因此杂质在此处于低去升华温度。因为杂质在气体混合物中再次过饱和，它们随后再次被冻结(在图3A和3B中用50c标注这种再次冻结的杂质)并可粘附到区带3内的表面和/或最终向下落入杂质存储区域。在恢复过程期间(此过程可根据需要重复多次)，区带3的下部中的温度，包括其中的过滤器筒组件34的温度，基本不改变，其温度保持低于20K，而冷头24的第三部段24c的温度升高至90-100K，确保区带1和2内的杂质完全升华/液化。

依据这些原则，在恢复或升华过程中，经由传感器48监控过滤器筒组件34的温度。预计当过滤器筒组件34的温度开始接近30K时，将中断恢复过程(停用第一加热器30并再次启用冷头24)，由此确保气体出口16处的杂质水平保持可忽略(小于0.05ppm)。对此，期望至少带3的下部的温度保持处于或低于杂质去升华温度，以确保恢复过程产生的升华杂质不会污染流入过滤器筒组件34并随后经由换热器26流到气体出口16的气体。由于换热器26非常高效，因为它通常不受霜和冷凝物影响，致使过滤器筒组件34(其流体联接到换热器26)的温度通常保持处于5K-20K的范围内。可选地，冷头24的外表面和/或换热器26的外表面可涂覆有抗冰材料，从而使得固体杂质和霜被获得的光滑涂覆表面排斥并直接落入杂质存储区域，由此最小化恢复过程的次数。

此“软”恢复过程(源于发现杂质被冻结和收集在区带1和2中)仅仅是冷头24的清洁过程，在此期间，冷头24“关闭”并且第一加热器30“开启”。此过程将杂质50a、50b向下移到区带3中，由此清洁换热器26和冷头24，从而恢复其冷却能力。可定期进行若干次这种过程，或在认为需要时进行，以增加两次恢复之间的净化时长。

更具体地，如上所示，预期可通过若干不同方式中的任何一种帮助“软”恢复过程的开始。一种方式可基于以规定的定时间隔(例如，每天一次)自动开始过程。另一种方式可基于附接到冷头24的第二级的第三部段24c或冷尖端的传感器32的功能。如上所示，传感器32优选是与冷头24和第一加热器30都电通信的热敏二极管或温度计。设备10的功效在很大程度上基于其热稳定性。依据这些原则，当筒组件34的温度达到最小阈值并开始升高时，这通常意味着冷头24和换热器26的效率降低，因此需要开始软恢复过程。彼此协作的传感器32、48有效地监控设备10的热稳定性，其中传感器32能够根据需要在开和关状态之间选择性地切换冷头24和第一加热器30，以帮助开始软恢复过程。依据这些原则，预期传感器32能够通过下述方式终止任何恢复过程，即，一旦感测到区带1和2中的温度已达到经由气体入口14进入内腔17的气体内的特定杂质的最高升华温度，就停用第一加热器30并再次启用冷头24。

在不那么常见的情况中，区带3中过量冻结杂质50c的积累可在内腔17内产生部分阻塞，这使得气体入口14和气体出口16之间的压降增加。对此，预期设备10还可配备有两个压力传感器，一个能够在监控区带1和2内的入口压力，另一个能够在与换热器26流体连通的气体出口16处监控出口压力。在示例性实施例中，这两个压力传感器在图2A中被标注为19和21，并且被放置为，使得压力传感器19位于气体入口14处并与气体入口14流体连通，压力传感器21位于气体出口16处并与气体出口16流体连通。在下述情况中，即，当这些传感器通过对比区带1和2内的压力与换热器26中的压力(其与由区带3内的完全或部分阻塞导致的区带3内降低的压力相对应)检测到前述压降时，压力传感器可用于触发恢复过程。之后，压力传感器还能够在检测到设备10内之前的不平衡压力水平已经均衡时终止这种恢复过程。图4A用图表描绘了此功能的示例性视图。

软恢复过程(清洁冷头24)容许高T(150K)恢复之间的时间段延长，由此容许净化时间段变长很多。能够利用软恢复至少部分是因为区带3中的可用体积大(尤其是当使用小过滤器筒组件34时)，并因此有更多的可用体积来收集从区带1和2移除的冻结杂质。此外，如上所述，区带3保持非常冷的事实确保了气体出口16处的纯度不受升华过程影响，从而使得设备10持续供给液化器或连接在设备输出端处的任何装置。对此，图3B描绘了下述情况，其中在恢复过程之后，杂质被存储在区带3中并且新的杂质在区带1和2中去升华。

当估计区带3中收集的固态杂质的量约为“腹部”体积(即，杂质存储区域中的可用体积)时，或者当霜引起的的任何阻塞变得频繁并且不能通过“软”恢复或升华过程消除时，设备10必须进行更强恢复过程。为了达到此目的，杂质存储区域中的第二加热器20可被启用，并用于升华、液化和蒸发存储的杂质(在图5中由52标注)，将整个系统加热至约120-150K确保了存储的所有杂质52都会蒸发，之后，利用泵排空内容器18，并在其中再次填充气体混合物，以开始新的精华循环。对此，并且为了清楚起见，第一加热器30和第二加热器46是实践本发明所必需的；第一加热器30在深度冷却区域中用于执行“软”恢复，并且第二加热器46在杜瓦瓶12底部或杂质存储区域中用于在标准高T恢复期间进行额外的加热。

然而，“软”恢复方法不能用于被设计用于凝聚杂质的任何实施例，如一些现有技术系统，诸如2013年7月8日提交的名称为“CRYOCOOLER-BASED GAS SCRUBBER”的美国专利申请序列号13/937,186中公开的那些。尽管如此，在利用小过滤器筒组件34的新实施例中，可执行此方法。所述方法显著改进现有技术，因为冷头24和换热器26都保持效率不变，并且可显著减少用于移除杂质的停机时间。实际上，通过合适地设计杜瓦瓶12的内部，可以存储杂质相当长的时间，可能如冷头24的保养周期那么长。

如前解释的，在本发明的某些实施例中，预期过滤器筒组件34可集成到设备10的收集机构中并能够确保保存在区带3或杂质存储区域内的任何杂质都不会以某种方式被再次引入经净化的制冷剂气体流，该经净化的制冷剂气体流最终从区带3被采集并向上穿过杜瓦瓶12，并且当从气体出口16输出时供再次使用。如上所述的集成为设备10的一部分的过滤器筒组件34被具体设计为具有压缩的薄剖面，其不仅提供优异的过滤能力，还摒弃了通常使用的体积过大的玻璃棉筒设计。

在操作配备有过滤器筒组件34的设备10时，净化气体(例如氦)被引入过滤器筒组件34的收集构件36，之后通过其过滤机构，即，主体过滤器38或薄层过滤器40。在穿过这些过滤机构中的任何一个之后，净化气体穿过漏斗42并向上通过出口导管44，最终经由换热器26来到气体出口16。在所示实施例中，由主体过滤器38和薄层过滤器40代表的过滤器机构代表另种供选择的过滤装置，主体过滤器38代表现有技术的玻璃棉或基于玻璃纤维的过滤机构，其能够提供足够大的表面积，以捕获可能以其他方式被再次引入制冷剂气体的任何杂质。替代性地，薄层过滤器40是具有多个微米尺寸孔的材料薄层，通过该薄层过滤气体。这种薄层过滤器40(下文更全面地论述)可优选由金属网材料形成或可由尼龙网材料形成，优选后者。

更具体地，用作薄层过滤器40的很小的2D尼龙网过滤器与大的玻璃棉筒起的相同作用，并且提供了可用于在必要且非常重要的软恢复过程期间存储杂质的更多空间，以长时间保持换热器的效率。实际上，目前认为未必需要通常构成主体过滤器38的玻璃棉筒，因为使用配备有薄层过滤器40的过滤器筒组件34会以下述方式起作用，即，当这种过滤器筒组件34靠近杜瓦瓶12的底部放置时，0.1ppm水平的杂质决不会到达气体出口16。过滤器筒组件34可容纳不同微米尺寸的薄层过滤器40，其可用于避免杂质被引向气体出口16。对此，可以预期的是，孔尺寸在1-25μm范围内且直径约为25mm的单个或结合的平面尼龙和/或金属网圆片可与孔尺寸在1-25μm范围内的尼龙网和孔尺寸为25μm的不锈钢网一起使用。其他类型的材料和孔尺寸将被本领域技术人员容易地理解并且容易地结合到本发明的实践中。

本领域普通技术人员应该明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可改变图2A-3B和图5所示的过滤器筒组件34的尺寸和/或形状(例如，可以比所描绘的小)。对此，至少在一定程度上，总体尺寸和形状由选择的待集成在其中的具体过滤机构决定。与过滤器筒组件34的具体尺寸或形状无关，可以预期的是，被限定在其直径最大的圆周表面和内容器18的内径之间的环形间隙将足以容许期望的升华杂质流入杂质存储区域并且容许净化气体流入收集构件36的下侧。

样机研制和测试结果

为验证本发明的构思而构建的样机设备由在4.2K下冷却功率为1.5W的二级冷头实现，与现有技术的系统类似，冷头被放置在10L容量的氦杜瓦瓶的颈部。设备具有缠绕在输出换热管之上的加热器和附接在所述管中的传感器，该传感器位于冷头第二级的冷尖端正下方，从而以受控方式实现升华/移置被困在深度冷却区域上(即，杜瓦瓶颈部区域中)的固态杂质。升华/移置过程包括停用冷头并启用加热器约10-60分钟，直到冷尖端传感器指示100K，在该温度下，收集在杜瓦瓶颈部区域中的杂质升华/液化，并传输到杂质存储区域，即，杜瓦瓶底部。

通过周期性地将固态杂质从深度冷却区域升华/移置到存储区域，输入气体流、冷头和输出气体流之间经由换热器进行的热交换的效率在任何时候都保持接近最优。因此，样机能够净化含有总体积比为100ppm至1000ppm的N₂和O₂的10⁶至10⁷sL氦气，而不会中断恢复。在软恢复之间，高达50sL/分钟的输出流速峰值和超过30L/分钟的平均流速可保持足够长的时间(>12小时)，而不会影响经处理气体的输出纯度。可调整整个设备及其部件的尺寸和功率，以具有更高的流速。

过滤器组件

如样机测试所揭示的，有力的证据证明用作过滤机构的玻璃棉筒的作用仅限于当输出流速突然增加时(>30L/分钟)避免引入固态杂质的可能。气体混合物的热力学也指示了杂质完全冻结直到水平对应于位于杜瓦瓶上部的冷头深度冷却区域上的蒸气压力和温度。因此结论是，在净化过程中过滤器筒组件的尺寸未必重要，越小越好。因此，如上所示，用作过滤器筒组件中的过滤机构的微米范围尺寸的简单小型平面2D过滤器可与用作过滤机构的任何尺寸的任何玻璃棉筒起相同作用。

为了在实验上证明，构建非常小的罐，其中安装有具有微米规格范围内(1、5、10、25μm)的不同孔尺寸和25mm的直径的单个或结合的平面尼龙和/或金属网圆片。使用的是孔尺寸为1、5和10μm的尼龙网圆片和孔尺寸为25μm的不锈钢网圆片。还加入具有1mm孔的两个25mm直径的不锈钢格网，在2D扁平过滤装置每侧上放置一个，以提供抵抗压差的机械强度。该设计容许简单地更换网，以便在需要时容易地测试不同结合。

参照图4C，在操作30天之后，净化了总计1,000,000L平均杂质浓度为300ppmV的气体。收集了约300cc固态杂质(1,000,000L*300ppm杂质/10⁶＝300L气体杂质＝>300L(气体)/1000(L(气体)/L(固体))＝0.300L(固体)＝300cc(固体))。在此期间，开始和结束于标准空气恢复(140K)，系统自动执行十一次软恢复。显然，仅当进气流超过20L/分钟时才需要进行该杂质水平(300ppmV)的软恢复。

在此期间，系统执行许多次自动软恢复。一旦由于罐温度升高而检测到效率下降，就开始这些过程。图4B描绘了在软恢复期间所发生的杂质去升华过程中若干参数(例如，流速、进气压力、排气压力和温度)随时间的示例性波动。数据很清晰，因此清楚地建立了冷头空间T和冷却期间出现的小压降(进气压力减去排气压力)之间的相关性。当固态杂质的摩尔体积达到最小恒定值时，这约为0.1psi/L/分钟并且当冷头空间T低于20K就变得可忽略。由于这是等同于使2个ATL 160连接到FAST模式(24L/分钟的流速)的ATP的受限情况，因此推断不需要降低样机的气流阻抗。根据这些原则，观察到的小压降不是由系统内的过滤组件导致的，而是发生在深度冷却区域中，并且是由固态杂质的体积随温度的变化引起的。在任何情形中，对于本领域普通技术人员来说显然的是，当需要时可容易地实现气流阻抗减小，例如通过增加冷头深度冷却空间(区带1和2)中和/或罐上方(区带3)的固态杂质的可用空间，因为压降出现在这些区域中，而非出现在输出过滤器上或换热器排气管的内部。

此外，此作用还限制输出流量并且可与相应的T增量一起用作系统的双重核查，以确定何时执行软恢复。此外，如果在过滤器处于低于10K的温度时产生压降，则表示开始在冷头深度冷却空间(区带1和2)或杂质存储区域(区带3)产生堵塞，并且应该执行标准恢复。

利用2D过滤器，区带3中可用于纯冷He相的空间远多于现有技术，因此容许在失去热稳定性之前在输出端处进行更长时间的高流速(>30L/分钟)瞬变。

可预见的修改

目前，认为可对现有技术进行一些较小的可预见的修改，以改进目前公开的本发明的实践。例如，不必设置当输出端没有流需求时保持5L/分钟的最小输入流速的旁路阀。实际上，即使存在超过10L/分钟的连续输入-输出流，深度冷却区域的部分堵塞-未堵塞也可自发出现，但这只针对高杂质浓度。软恢复将足以周期性地消除此问题，并且2D过滤器输出装置上不需要加热器。实际上，考虑进行进一步的改进，其中，可将过滤器热锚固到杜瓦瓶底部，从而使得过滤器传感器也感测底部的温度(T)，以便执行低温恢复，保持加热直到液相杂质完全蒸发，如现有技术中那样(Quantum Designs ATP模型)，诸如2013年7月8日提交的名称为“CRYOCOOLER-BASED GAS SCRUBBER”的美国专利申请序列号13/937,186中所描述的。

进一步预期仅此过滤器/杜瓦瓶底部传感器是严格必要的，因为如测试中证明的，可仅利用决不应该超过30K的过滤器温度来控制软恢复。冷头的尺寸/功率是重要的，用以确保在每次软恢复之前的较长时间内具有较大的最大流速。

因此，对本领域普通技术人员来说，本发明的其他修改和改进也是显而易见的。因此，本文描述和说明的零件和步骤的特定结合仅代表本发明的某些实施例，而非限制本发明的精神和范围内的替代性装置和方法。

Claims (17)

1.一种用于从制冷剂气体移除气态杂质的气体净化器，其包括：

外壳，其具有用于接收待净化制冷剂气体的入口和经净化气体的出口，所述外壳限定中空内部，该中空内部限定在其最上侧内部中的第一区域和在其下侧内部中的第二区域，第一区域限定第一区带和第二区带两者，第二区域限定第三区带，第三区带布置在第二区带下方、所述下侧内部内；

冷头，其位于第一区域的第一区带和第二区带中并且能够与通过入口接收的待净化制冷剂气体流接触，冷头能够通过引起制冷剂气体中的一些气态杂质过饱和使得它们涂覆第一区带的一些部分同时制冷剂气体中的剩余气态杂质涂覆第二区带的一些部分而将制冷剂气体冷却至足以去升华制冷剂气体中所存在的气态杂质的温度；

第一加热器，其布置在外壳的内部的所述第一区域内，第一加热器能够引起在第一区域中去升华的至少一种杂质的升华；以及

收集机构，其联接到经净化气体的出口，所述收集机构位于第二区域的第三区带内并且在第二区域的第三区带内选择性地定位，使得制冷剂气体穿过收集机构并穿过出口，同时将气态杂质以去升华的状态留在所述外壳的内部中；

第一加热器和冷头适于彼此协作地操作以将收集机构的温度维持低于预定最高温度。

2.如权利要求1所述的气体净化器，其中，所述外壳包括竖直定向的杜瓦瓶。

3.如权利要求2所述的气体净化器，其中，位于杜瓦瓶的内部的第二区域内的收集机构包括过滤机构。

4.如权利要求3所述的气体净化器，其中，所述过滤机构包括一片尼龙网。

5.如权利要求3所述的气体净化器，其中，所述过滤机构包括一片金属丝网。

6.如权利要求4所述的气体净化器，其中，所述尼龙网包括形成在其中的多个微孔，所述微孔的尺寸在1至25微米的范围内。

7.如权利要求5所述的气体净化器，其中，所述金属丝网包括形成在其中的多个微孔，所述微孔的尺寸在1至25微米的范围内。

8.如权利要求1所述的气体净化器，还包括位于所述外壳的内部的第二区域内的第二加热器，第二加热器能够液化并帮助蒸发位于所述外壳的内部的第二区域内的去升华的气态杂质。

9.如权利要求1所述的气体净化器，其中，待净化的制冷剂气体是氦气，并且所述至少一种杂质包括氧气。

10.如权利要求9所述的气体净化器，其中，所述至少一种杂质还包括氮气。

11.如权利要求2所述的气体净化器，还包括位于杜瓦瓶的内部中的至少一个传感器，所述传感器能够选择性地启用和停用冷头。

12.一种用于净化包含气态杂质的制冷剂气体的气体净化器，所述气体净化器包括：

杜瓦瓶，其具有用于接收待净化的制冷剂气体的入口和用于经净化的制冷剂气体的出口；

内腔，其被限定在杜瓦瓶内，所述内腔限定形成在其最上侧部分内的第一区带、邻近第一区带形成的第二区带和位于内腔的最下侧部分内、第二区带下方的第三区带；

冷却装置，其位于第一区带内并能够通过引起制冷剂气体中的一些气态杂质过饱和使得它们涂覆第一区带的一些部分同时制冷剂气体中的剩余气态杂质涂覆第二区带的一些部分而使通过入口引入的待净化的制冷剂气体中的气态杂质去升华；

第一加热器，其布置在杜瓦瓶的内腔的第一区带内，第一加热器能够选择性地引起第一区带中由冷却装置去升华的气态杂质的升华，第一加热器和冷却装置适于彼此协作地操作以将第三区带内的温度维持低于预定最高温度；

杂质存储区域，其被限定在第三区带内并能够接收在第一区带内由冷却装置产生的去升华的气态杂质；以及

收集装置，其位于杜瓦瓶的内腔的第三区带内并流体连接到经净化气体的出口，所述收集装置被配置为限定一流径，制冷剂气体能够流过该流径，从而从其中移除去升华的气态杂质。

13.如权利要求12所述的气体净化器，还包括并入位于杜瓦瓶的内腔的第三区带内的收集装置中的过滤机构，所述过滤机构包括从由尼龙网和金属网构成的组中选择的过滤器。

14.如权利要求13所述的气体净化器，其中，所述尼龙网限定尺寸为1微米至25微米的多个孔口，并且所述金属网限定孔口尺寸为1微米至25微米的多个孔口。

15.如权利要求12所述的气体净化器，其中，所述制冷剂气体包括氦气并且所述气态杂质包括氧气和氮气。

16.如权利要求12所述的气体净化器，还包括用于在冷却装置和第一加热器之间转化操作的传感器。

17.如权利要求16所述的气体净化器，还包括位于杜瓦瓶的内腔的第三区带内的第二加热器，该第二加热器能够液化并帮助蒸发收集在第三区带的杂质存储区域内的去升华的气态杂质。