CN106546688B - 一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置，由顶板、底板、支撑柱、隔热筒和风扇组成。用低热导系数的顶板和底板将色谱柱筒内空腔半密封住，对色谱柱筒内壁有一定保温作用。故可将色谱柱筒内壁的保温层减薄，这会使色谱柱功耗稍有增加。散热时，风扇开启，冷空气由外部被吸入，经隔热筒拐弯后，被风扇吸出。由于内壁保温层减薄，创新的风道设计使色谱柱筒内壁的散热速度倍增。整个散热装置简单、可靠、实用。

Description

一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置

技术领域

本发明涉及气相色谱分析仪器领域，具体地说是一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置。该装置用来与便携式气相色谱柱筒结合使用，简单、实用地提高色谱柱的降温速度。

背景技术

气相色谱仪(GC)广泛应用于筒保、化工等众多领域，传统的GC由于体积和功耗较大，一般放在实验室使用。传统的气相色谱柱箱，色谱柱缠绕在金属支架上，工作时，加热装置升温，使得柱箱内整个气体筒境升温，升温后，气体筒境与色谱柱进行热交换，从而使得色谱柱升温；分析完成后，散热风扇开启，使得柱箱内气体筒境和色谱柱的热量迅速被带走，实现快速降温。上述过程总结为空气浴加热与降温。但上述色谱柱箱装置结构复杂、体积大，功耗在千瓦量级。

近年来，科学仪器包括分析仪器的小型化、便携化已经成为重要的发展方向。小型化和便携化要求仪器的体积和功耗要很小。气相色谱仪的加热柱箱是整机功耗和体积最大的部分。因此，降低加热柱箱的功耗和体积会显著降低整机的功耗和体积，尤其是对便携式仪器和现场检测设备，功耗和体积都是非常重要的指标。因此，开发功耗低、体积小的微型化色谱柱箱装置是本领域技术人员急需解决的技术问题。到目前为止，国内外科学家们研发了各种微型气相色谱柱箱。其中，研究和使用较多的是圆筒式加热柱箱(即色谱柱筒)，由金属薄圆筒、加热丝、色谱柱和保温材料组成。将Pt100温度传感器或热电偶包埋在色谱柱绕组中，内外壁用保温材料进行保温(相关技术参见一种均温的色谱柱加热装置，专利申请号：201310145577.7；气相色谱仪及其色谱柱装置，专利申请号：201310698961.X；色谱柱加热体及柱箱结构，ZL201420078155.2)。

程序升温结束后，色谱柱温度需要降低到初始值，才能开始对下一个样品进行分析。色谱柱的降温速度越快，两次分析之间的等待时间越短，分析效率越高(中国发明专利，申请号：201310357213.5)。专利201310698961.X提出在圆筒式加热柱箱内安装风扇用于散热，因风扇向内吹风，新风和热风混和并产生内循筒，不利于热量被快速带走。专利201310357213.5的散热方式虽新颖，但装置的整机设计较复杂，且其实施例中并未给出详实数据证实其散热效果。因此，研究简单、实用和可靠的便携式色谱柱箱/筒的散热装置十分重要，是本领域技术人员深入研究较少但是急需解决的技术问题。

发明内容

为了改进现有技术的不足，本发明提供一种新型的用于便携式气相色谱柱筒的散热装置，采用抽风式散热原理，通过对装置整体和风道的深入研究和设计，外部冷空气被抽入，经过色谱柱筒内壁并被迅速抽出，避免风流混流和内循筒，使色谱柱筒内壁的热量被迅速带走，实现快速降温。该散热装置简单、实用、可靠。

本发明的技术方案是：

一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置，其特征在于：由顶板、底板、支撑柱、隔热筒和风扇组成；需要进行散热的色谱柱筒置于二相对平行设置的顶板与底板之间，且色谱柱筒下表面与底板压接固定；3至6根支撑柱垂直于顶板并均匀围绕腔体的中心轴分布在色谱柱筒腔内，支撑柱上端顶部和下端底部均设有带内螺纹的固定孔，通过固定孔用螺钉将顶板、支撑柱和底板固定为一体；支撑柱和色谱柱筒内壁间设有一隔热筒用来隔热；隔热筒与色谱柱筒同轴放置，隔热筒与支撑柱紧密接触，隔热筒的高度小于支撑柱的高度，隔热筒上端与顶板接触；色谱柱筒内壁和隔热筒之间留有缝隙形成空气通道；顶板中心设有一开口作为出风道；风扇固定在顶板的下方中部与出风道对应位置处；出风道直径小于等于风扇的排风口直径，并大于风扇的转动轴直径，出风道与风扇的排风口相对应设置；风扇位于3至6根支撑柱的所合围的区域内，放置方向为从3至6根支撑柱的所合围的区域内抽风、向外部吹风；

顶板与色谱柱筒的上表面贴接或非贴接；当顶板与色谱柱筒的上表面贴接时，顶板上与色谱柱筒内壁和隔热筒之间的缝隙对应处均匀、间隔地设有弧形通孔风槽作为进风道；当顶板与色谱柱筒的上表面非贴接时，顶板下表面高出色谱柱筒上表面一定距离，外面冷空气通过顶板与色谱柱筒间高度差所形成的缝隙进入色谱柱筒内壁和隔热筒之间的空气通道。

顶板、底板、支撑柱和隔热筒的材料均为低热导率的高分子材料，包括电木或聚酰亚胺；色谱柱筒的外壁保温层比内壁保温层厚。

散热时，风扇开启向里抽风、向外吹风；外部冷空气由顶板上的进风道或顶板下表面与色谱柱筒上表面间的缝隙被吸入，流经色谱柱筒内壁与隔热筒外壁之间的空气通道，然后绕过隔热筒下端和内部，最终由顶板中心开孔的出风道吹出；色谱柱筒内壁的热量被迅速带走，实现色谱柱快速降温。

所述隔热筒的材料为聚酰亚胺，厚度为0.1-1mm；所述支撑柱为台阶式结构，即于支撑柱下部外壁面上沿径向设有环状凸台，隔热筒下端放置在环状凸台上并与支撑柱紧密接触，环状凸台的上方台阶表面距离支撑柱底部10-20mm。

所述顶板与色谱柱筒上表面压接时，弧形通孔风槽沿色谱柱筒的径向宽度为5-10mm；所述顶板与色谱柱筒上表面非压接时，顶板下表面高出色谱柱筒上表面5-10mm。

所述风扇的下表面距离隔热筒的下表面高度大于5mm。

所述底板与色谱柱筒的下表面之间设有保温层，保温层为气凝胶毡、聚酰亚胺毡或超细玻璃纤维。

本发明依据物理学上的保温和散热原理，色谱柱筒要想功耗小，则其内外壁需包裹较厚的保温棉，但这阻止了散热过程。使用本发明后，色谱柱筒外壁保温层可厚些，内壁保温层可减薄些。因为本发明用低热导系数的顶板和底板，将色谱柱筒内空间半密封，且底板上垫有保温层；顶板上虽有风道，但孔隙并不大。色谱柱筒升温和维持恒温时，风扇叶片不转，对色谱柱筒的内壁具有一定的保温作用。散热时，风扇开启，冷空气由外部被吸入，经隔热筒转向后，被风扇吸出。由于内壁保温层较薄，风道设计使色谱柱筒内壁的散热速度倍增。而且散热时关闭了色谱柱加热系统，整机功耗仅为风扇运转功耗。可使用较大功率、大风量风扇，如1m³/min风量、10W功耗风扇或抽风机。整个散热装置简单、实用、可靠。

采用上述方案时，色谱柱筒外壁保温层厚、内壁保温层薄，但具体厚度取决于功耗和降温速度指标。若对功耗要求严格，对降温速度要求不高，则内壁保温层可厚些，散热速度慢；若对降温速度要求严格，对功耗要求不高，内壁保温层可薄甚至不加保温层，散热速度快。具体使用时按照满足功耗和降温速度来设计。

与现有技术相比，本发明的散热装置具有如下优点：

1、创新性的设计了绝热顶板和底板密封色谱柱筒内部空间的方式，使得色谱柱筒的内部空间得以保温，内壁保温层可以减薄；以略微增加功耗的代价大幅度提高了散热降温速度。

2、新的拐弯式抽风风道设计，使筒内壁的热量被迅速带走，色谱柱筒的散热速度加倍，降温速度快而缩短分析周期。

3、隔热筒设计使得筒内空间与筒外空间的热量被有效地隔离开，使得热量有序地被由外部抽入的冷空气携带后，由中部被抽走，提高了散热效率。

4、整个散热装置简单、可靠、实用，只需关闭色谱柱加热后额外开启一个小风扇功耗(散热时关闭了色谱柱加热系统，整机功耗仅为风扇功耗，不增加整机峰值功耗)。

附图说明

图1为本发明散热装置的顶板俯视示意图(a)和剖面示意图(b)。图中：1-顶板，2-色谱柱筒，3-支撑柱，4-隔热筒，5-风扇，6-保温层，7-底板，8-进风道，9-出风道。箭头方向为风路方向。

图2为本发明装置实施例2的剖面示意图。图中：1-顶板，2-色谱柱筒，3-支撑柱，4-隔热筒，5-风扇，6-保温层，7-底板，8-进风道，9-出风道。箭头方向为风路方向。

具体实施方式

一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置，由顶板1、底板7、支撑柱3、隔热筒4和风扇5组成；色谱柱筒2位于顶板1和底板7之间，且其下表面与底板7压接固定；3至6根支撑柱3垂直于顶板1并均匀围绕分布在色谱柱筒2腔内，其顶部和底部均有内螺纹，用螺钉将顶板1、支撑柱3和底板7固定。支撑柱3和色谱柱筒2内壁间设有一隔热筒4用来隔热；隔热筒4与色谱柱筒2同轴放置并安放在支撑柱3的底部凸台上，隔热筒4的上端与顶板1接触；色谱柱筒2内壁和隔热筒4之间有一定缝隙形成空气通道；顶板1中心设有一作为出风道9的开口；风扇5固定在顶板1的下方中部与出风道9对应的位置处；出风道9直径小于等于风扇5的排风口直径，并大于风扇5的转动轴直径，出风道9与风扇5的排风口相对应设置；风扇5位于3至6根支撑柱3的合围区内，放置方向为向内(从内)抽风、向外吹风。

顶板1与色谱柱筒2的上表面压接(抵接)或非压接(留有间隙)；当顶板1与色谱柱筒2的上表面压接时，顶板1与色谱柱筒2内壁和隔热筒4之间的缝隙对应处均匀、间隔地设有一圈风槽(风槽底部设有通孔)作进风道8；当顶板1与色谱柱筒2的上表面非压接时，顶板1高出色谱柱筒2上表面一定距离，外面冷空气通过高度差缝隙进入色谱柱筒2内壁和隔热筒4之间的空气通道；

顶板1、底板7、支撑柱3和隔热筒4的材料均为热导率较低的高分子材料，如电木、聚酰亚胺；色谱柱筒2的外壁保温层比内壁保温层厚；

散热时，风扇5开启向里抽风、向外吹风；外部冷空气由顶板1上的风槽8或顶板1与色谱柱筒2上表面间的缝隙被吸入，流经色谱柱筒2内壁与隔热筒4之间的缝隙，然后绕过隔热筒4，最终由顶板1中心开孔9吹出；色谱柱筒2内壁的热量被迅速带走，实现色谱柱快速降温。

隔热筒4的材料为聚酰亚胺，厚度为0.1-1mm；支撑柱3为台阶式结构，隔热筒4放置在台阶上并与支撑柱3紧密接触，台阶高距离底部10-20mm。

顶板1与色谱柱筒2上表面压接时，风槽8宽度为5-10mm；顶板1与色谱柱筒2上表面非压接时，顶板1高出色谱柱筒2上表面5-10mm。

风扇5的下表面距离隔热筒4的下表面大于5mm。

底板7与色谱柱筒2的下表面之间设有保温层6，保温层6为气凝胶毡、聚酰亚胺毡或超细玻璃纤维。

实施例1

本发明研制的色谱柱筒的散热装置，其剖面示意图如图1(b)所示，由顶板1、底板7、支撑柱3、隔热筒4和风扇5组成。顶板1和底板7的材料为PCB板、支撑柱3为聚酰亚胺棒，隔热筒4为聚酰亚胺胶带制成。色谱柱筒2内径95mm、外径115mm、高45mm。4个8mm直径的支撑柱3沿圆周均匀分布，其顶部和底部均有内螺纹，用螺钉将顶板1、支撑柱3和底板7固定；隔热筒4放置在支撑柱3的下部凸台上，并与顶板1紧密粘接；隔热筒的厚度为0.3mm，与色谱柱筒2底面的距离为10mm，与色谱柱筒2内壁间的缝隙为8mm，用来作为空气通道；风扇5用螺钉固定在顶板的中部，放置方向为向外排风；风扇40mm×40mm×28mm、转速13000转/分，风量27CFM；顶板1紧压色谱柱筒2的上表面，与色谱柱筒2内壁和隔热筒4之间的缝隙对应处间隔、均匀地设有一圈宽6mm的风槽8作风道，顶板1的俯视示意图如图1(a)所示；散热时，风扇5开启向里抽风，外部冷空气由顶板1上的一圈风槽8被吸入，流经色谱柱筒2内壁与隔热筒4之间的缝隙，然后绕过隔热筒4，最终由风扇5的中部被吸出；色谱柱筒2内壁的热量被迅速带走，实现色谱柱快速降温。底板7与色谱柱筒2的下表面之间设有气凝胶毡保温层6。

实验结果：(1)色谱柱筒2无散热装置，色谱柱筒2的保温情况为：外壁保温2层6mm厚气凝胶毡，内壁保温一层6mm厚气凝胶毡。色谱柱筒2由300℃降低至40℃的时间为30min。(2)色谱柱筒2采用图1所用散热装置，色谱柱筒2的保温情况为：外壁保温2层6mm厚气凝胶毡，内壁保温一层3mm厚气凝胶毡。色谱柱筒2由300℃降低至40℃的时间为15min。

实施例2

如实施例1所述的散热装置和保温方式，其顶板1改为非压紧结构，剖面示意图如图2所示。顶板1上不设风槽，高出色谱柱筒上表面8mm，外部冷空气通过高度差缝隙与色谱柱筒2内壁和隔热筒4之间的缝隙相通；散热时，冷空气由顶板1与色谱柱筒2上表面间的缝隙处被吸入，流经色谱柱筒2内壁与隔热筒4之间的缝隙，然后绕过隔热筒4，最终由风扇5的中部被吸出。

实验结果：色谱柱筒2由300℃降低至40℃的时间为14.5min。

由实验结果知，本发明先用低热导系数的PCB顶板和底板将色谱柱筒的内空腔半密封住，且底板上垫有气凝胶毡层保温；顶板上虽有风道，但空隙并不大。故本发明设计对色谱柱筒的内壁具有一定的保温作用。所以，本发明可将色谱柱筒内壁的保温材料减薄，由6mm厚气凝胶毡减薄至3mm，但这会使色谱柱筒的功耗稍有增加，由33W增至38W。散热时，风扇开启，冷空气由外部被吸入，经隔热筒拐弯后，被风扇吸出。由于内壁保温层变薄了，本创新性的风道设计使色谱柱筒内壁的散热速度倍增，散热时间由30min减至14.5-15min。

可见，采用本发明的技术方案后，可减薄色谱柱筒的内壁保温层厚度，色谱柱筒的功耗会稍有增加，但色谱柱筒的散热速度倍增。

本发明不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文公开的一般原理和新颖特点相一致的最宽范围。凡依据本发明设计思想所做的任何无创造性劳动的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于便携式气相色谱柱筒的散热装置，其特征在于：由顶板(1)、底板(7)、支撑柱(3)、隔热筒(4)和风扇(5)组成；需要进行散热的色谱柱筒(2)置于二相对平行设置的顶板(1)与底板(7)之间，且色谱柱筒下表面与底板(7)压接固定；3至6根支撑柱(3)垂直于顶板(1)并均匀围绕腔体的中心轴分布在色谱柱筒(2)腔内，支撑柱(3)上端顶部和下端底部均设有带内螺纹的固定孔，通过固定孔用螺钉将顶板(1)、支撑柱(3)和底板(7)固定为一体；支撑柱(3)和色谱柱筒(2)内壁间设有一隔热筒(4)用来隔热；隔热筒(4)与色谱柱筒(2)同轴放置，隔热筒(4)与支撑柱(3)紧密接触，隔热筒(4)的高度小于支撑柱(3)的高度，隔热筒(4)上端与顶板(1)接触；色谱柱筒(2)内壁和隔热筒(4)之间留有缝隙形成空气通道；顶板(1)中心设有一开口作为出风道(9)；风扇(5)固定在顶板(1)的下方中部与出风道(9)对应位置处；出风道(9)直径小于等于风扇(5)的排风口直径，并大于风扇(5)的转动轴直径，出风道与风扇的排风口相对应设置；风扇(5)位于3至6根支撑柱(3)的所合围的区域内，放置方向为从3至6根支撑柱(3)的所合围的区域内抽风、向外部吹风；

顶板(1)与色谱柱筒(2)的上表面贴接或非贴接；当顶板(1)与色谱柱筒(2)的上表面贴接时，顶板(1)上与色谱柱筒(2)内壁和隔热筒(4)之间的缝隙对应处均匀、间隔地设有弧形通孔风槽作为进风道(8)；当顶板(1)与色谱柱筒(2)的上表面非贴接时，顶板(1)下表面高出色谱柱筒(2)上表面一定距离，外面冷空气通过顶板(1)与色谱柱筒(2)间高度差所形成的缝隙进入色谱柱筒(2)内壁和隔热筒(4)之间的空气通道；顶板(1)、底板(7)、支撑柱(3)和隔热筒(4)的材料均为低热导率的高分子材料。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述低热导率的高分子材料为电木或聚酰亚胺；色谱柱筒(2)的外壁保温层比内壁保温层厚。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

散热时，风扇(5)开启向里抽风、向外吹风；外部冷空气由顶板(1)上的进风道(8)或顶板(1)下表面与色谱柱筒(2)上表面间的缝隙被吸入，流经色谱柱筒(2)内壁与隔热筒(4)外壁之间的空气通道，然后绕过隔热筒(4)下端和内部，最终由顶板(1)中心开孔的出风道(9)吹出；色谱柱筒(2)内壁的热量被迅速带走，实现色谱柱快速降温。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述隔热筒(4)的材料为聚酰亚胺，厚度为0.1-1mm；所述支撑柱(3)为台阶式结构，即于支撑柱(3)下部外壁面上沿径向设有环状凸台，隔热筒(4)下端放置在环状凸台上并与支撑柱(3)紧密接触，环状凸台的上方台阶表面距离支撑柱(3)底部10-20mm。

5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述顶板(1)与色谱柱筒(2)上表面压接时，弧形通孔风槽沿色谱柱筒的径向宽度为5-10mm；所述顶板(1)与色谱柱筒(2)上表面非压接时，顶板(1)下表面高出色谱柱筒(2)上表面5-10mm。

6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述风扇(5)的下表面距离隔热筒(4)的下表面高度大于5mm。

7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：所述底板(7)与色谱柱筒(2)的下表面之间设有保温层(6)，保温层(6)为气凝胶毡、聚酰亚胺毡或超细玻璃纤维。