CN107497243B - 气体纯化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体纯化装置，其包括：真空罩筒，其具有真空容纳腔，所述真空罩筒上安装有制冷机，所述制冷机具有伸入所述真空容纳腔内的冷头，所述制冷机通过制冷循环管路连接有制冷压缩机；纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第二换热器靠近所述冷头设置；再生器，其通过再生循环管路与所述制冷压缩机相连，所述再生器位于所述真空容纳腔中，所述再生器具有依次相连的回热换热器、加热器和换热管，所述换热管位于所述第一换热器内。本发明的气体纯化装置，不仅能进行纯化作业，同时具有快速再生功能。
Description
技术领域
本发明有关于一种纯化装置，尤其有关于一种制冷与低温工程领域中应用的气体纯化装置。
背景技术
随着技术的发展，基于制冷机的气体纯化器的原理通常为低温冷冻和低温吸附两种，无论哪种原理的纯化器，纯化器工作一段时间后都需进行再生处理，否则固化换热器堵塞，无法纯化，又或吸附器饱和，纯化器出口气体纯度不达标。
传统纯化器再生处理的方法是采用自然复温或者加热器加热。自然复温，回温速度很慢；加热器加热通过固化换热器自身传递热量或换热器内部调料传热，回温速度较自然回温快，但仍然不能满足快速再生的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体纯化装置，不仅能进行纯化作业，同时具有快速再生功能。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种气体纯化装置，其包括：
真空罩筒，其具有真空容纳腔，所述真空罩筒上安装有制冷机，所述制冷机具有伸入所述真空容纳腔内的冷头，所述制冷机通过制冷循环管路连接有制冷压缩机；
纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第二换热器靠近所述冷头设置；
再生器，其通过再生循环管路与所述制冷压缩机相连，所述再生器位于所述真空容纳腔中，所述再生器具有依次相连的回热换热器、加热器和换热管，所述换热管位于所述第一换热器内。
在本发明的实施方式中，所述第一换热器为固化换热器，其具有外壳体及设置在所述外壳体内的换热管，所述换热管与所述外壳体之间形成有进气通道，所述换热管具有出气通道，所述第二换热器的一端与所述进气通道相连通，所述第二换热器的另一端与所述出气通道相连通，所述换热管位于所述外壳体内。
在本发明的实施方式中，所述第一换热器为吸附器，所述吸附器具有吸附器壳体和填充在所述吸附器壳体内的吸附介质，所述吸附器壳体具有入口端和出口端，所述第二换热器的一端与所述出口端相连，所述第二换热器的另一端连接有位于所述吸附器壳体内的流出管，所述换热管位于所述吸附器壳体内。
在本发明的实施方式中，所述制冷循环管路包括制冷进气管和制冷出气管，所述制冷压缩机与所述制冷机之间通过所述制冷进气管和所述制冷出气管相连。
在本发明的实施方式中，所述再生循环管路具有再生进气管和再生出气管，所述再生进气管与所述制冷进气管之间连接有阀门，所述再生出气管与所述制冷出气管相连；所述换热管的一端与所述再生进气管相连，所述换热管的另一端与所述再生出气管相连。
在本发明的实施方式中，所述回热换热器为套管换热器，其具有内管和套设在所述内管外的外管，所述内管与所述外管之间形成有环空通道。
在本发明的实施方式中，所述再生进气管通过所述内管与所述加热器相连，所述再生出气管通过所述环空通道与所述制冷出气管相连；或者，所述再生进气管通过所述环空通道与所述加热器相连，所述再生出气管通过所述内管与所述制冷出气管相连。
在本发明的实施方式中，所述阀门为气动阀、电动阀、手动阀、球阀或针阀。
在本发明的实施方式中，所述加热器为加热棒、加热丝、加热带、加热片或加热膜。
在本发明的实施方式中，所述第二换热器为盘管换热器或翅片管换热器。
本发明的气体纯化装置的特点及优点是：本发明的气体纯化装置，具有快速再生功能，该气体纯化装置的制冷压缩机通过制冷循环管路与制冷机连接，其能够提供制冷机正常工作所需的循环氦气；同时，在制冷循环管路上增加一个旁路(也即，再生循环管路)，并通过阀门控制氦气的循环，当纯化器的第一换热器需要再生时，也即固化换热器堵塞或是吸附器吸附饱和，此时单独关闭制冷机，制冷机压缩机仍处于正常工作状态，打开阀门，制冷压缩机提供的循环氦气可用于第一换热器的再生加热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的气体纯化装置的一实施例的结构示意图。
图2为本发明的气体纯化装置的另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种气体纯化装置，其包括真空罩筒1、纯化器2和再生器3，其中：真空罩筒1具有真空容纳腔11，所述真空罩筒1上安装有制冷机4，所述制冷机4具有伸入所述真空容纳腔11内的冷头41，所述制冷机4通过制冷循环管路5连接有制冷压缩机6；纯化器2位于所述真空容纳腔11中，所述纯化器2具有依次相连的第一换热器21和第二换热器22，所述第二换热器22靠近所述冷头41设置；再生器3通过再生循环管路7与所述制冷压缩机6相连，所述再生器3位于所述真空容纳腔11中，所述再生器3具有依次相连的回热换热器31、加热器32和换热管33，所述换热管33位于所述第一换热器21内。
具体是，真空罩筒1大体为一密闭壳体，其具有真空容纳腔11，该真空容纳腔11可通过外部抽真空设备实现真空容纳腔11的真空状态。该真空罩筒1可以减小整体系统的漏热，在工作时，该真空容纳腔11内始终保持真空状态。
制冷机4安装在真空罩筒1的外侧，在本发明中，该制冷机4可为GM制冷机或脉管制冷机，该制冷机4具有冷头41，该冷头41位于真空容纳腔11中。在本发明中，冷头41的温度为5K～45K(K为开尔文，其中1K＝-272.15℃)。
在本发明中，制冷机4通过制冷循环管路5与制冷压缩机6相连，该制冷循环管路5包括制冷进气管51和制冷出气管52，在制冷进气管51和制冷出气管52上可分别设有高压气体软管，以供氦气循环使用，该制冷压缩机6与制冷机4之间通过制冷进气管51和制冷出气管52相连。该制冷压缩机6用于给制冷机4提供氦气，供制冷机4进行制冷，从制冷压缩机6输出的氦气经过制冷进气管51通入制冷机4内，制冷机4进行制冷，而后氦气通过制冷出气管52回流至制冷压缩机6，以实现制冷机4的制冷循环。
纯化器2设置在真空容纳腔11中，其具有依次相连的第一换热器21和第二换热器22，在本发明中，该第二换热器22可为盘管换热器或翅片管换热器，该第二换热器22设置在冷头41的一侧，以便能够吸收冷头41产生的冷量。
在本发明的一个可行实施方式中，如图1所示，第一换热器21为固化换热器，其具有外壳体211及设置在外壳体211内的换热管212，该换热管212与外壳体211之间形成有进气通道213，该换热管212具有出气通道，该第二换热器22的一端与进气通道213相连通，该第二换热器22的另一端与换热管212相连通。在本实施例中，换热管212为翅片管。
当该第一换热器21为固化换热器时，其纯化工作过程如下：污气从第一换热器21的进气通道213进入，与流经第一换热器21的换热管212的出气通道的纯化后的气体进行冷热量交换后，该通入的污气的温度可被预冷到65K～75K，此时，污气中的杂质介质被固化，固化后的物质残留在外壳体211内，随后纯化后的纯净气体进入第二换热器22，通过冷头41进行冷热量交换后，第二换热器22内的气体可进一步被冷却到5K～45K，随后纯化后的气体从第一换热器21的换热管212的出气通道排出纯化器2，完成污气的整个纯化过程。
在本发明的另一个可行实施方式中，如图2所示，该第一换热器21为吸附器，该吸附器具有吸附器壳体214，在吸附器壳体214内填充有吸附介质215，在本发明中该吸附介质215活性炭或分子筛，该吸附器用于吸附污气中的杂质介质。该吸附器具有入口端23和出口端24，该第二换热器22的一端与出口端24相连，该第二换热器22的另一端连接有流出管25，该流出管25位于吸附器壳体214内。
当该第一换热器21为吸附器时，其纯化工作过程如下：污气从第一换热器21的入口端23进入，与流经第一换热器21的流出管25的纯化后的气体进行冷热量交换后，该通入的污气的温度可被预冷到65K～75K，此时，污气中的杂质介质被吸附介质215吸附，为通入的污气进行纯化处理，随后纯化后的纯净气体进入第二换热器22，通过冷头41进行冷热量交换后，第二换热器22内的气体可进一步被冷却到5K～45K，随后纯化后的气体从位于第一换热器21内的流出管25排出纯化器2，完成污气的整个纯化过程。
本发明的气体纯化装置，通过制冷压缩机6与制冷机4连接的一个回路，实现制冷机4冷头41制冷的目的，该纯化器2充分利用制冷机4冷头41的冷量，以制冷机4的冷量做纯化器2的纯化冷源。其中，该纯化器2利用制冷机4冷头41的冷量将污气中的杂质介质全部固化，杂质介质降温后固化留在第一换热器21内，纯净的气体经过冷头41换热再次降温，经过第一换热器21后从纯化器2排出，该第一换热器21能够对回流的气体进行冷量回收。
如图1和图2所示，该再生器3通过再生循环管路7与制冷压缩机6相连，在本发明中，该再生循环管路7具有再生进气管71和再生出气管72，再生进气管71与制冷进气管51之间连接有阀门8，该再生出气管72与制冷出气管52相连。其中，在本实施例中，该阀门8可为气动阀、电动阀、手动阀、球阀或针阀。
该再生器3位于真空容纳腔11中，其具有依次相连的回热换热器31、加热器32和换热管33，该换热管33位于第一换热器21内。该换热管33的一端与再生进气管71相连，该换热管33的另一端与再生出气管72相连。
在本发明中，该回热换热器31可为套管换热器，其具有内管311和套设在内管311外的外管312，内管311与外管312之间形成有环空通道313。当然，在其他的实施例中，该回热换热器31也可为绕管换热器、板式换热器或翅片管式换热器等，在此不做限制。
在回热换热器31为套管换热器的一可行的实施方式中，该再生进气管71可通过内管311与加热器32相连，该再生出气管72可通过环空通道313与制冷出气管52相连；或者，在回热换热器31为套管换热器的另一可行实施方式中，该再生进气管71通过环空通道313与加热器32相连，该再生出气管72通过内管311与制冷出气管52相连。
进一步的，在本发明中，该加热器32可为缠绕或贴覆在再生进气管71上的加热棒、加热丝、加热带、加热片或加热膜等，只要能实现加热流入换热管33的氦气即可，在此不做限制。该加热器32的加热功率可为50W～200W。
该再生器3的工作过程如下：当第一换热器21需要再生时，打开阀门8，开启快速再生循环工作状态，此时，制冷压缩机6的氦气会经过再生循环管路7的再生进气管71流入回热换热器31，例如流入回热换热器31的内管311中，以加热从回热换热器31的环空通道313回流到制冷压缩机6的氦气，然后从回热换热器31的内管311流出的氦气经过加热器32后，流入位于第一换热器21的换热管33内，以对第一换热器21加热再生，之后氦气从换热管33流出后进入再生出气管72，最后自回热换热器31的环空通道313流出并回流至制冷出气管52。
该再生器3有效减少了纯化器2的第一换热器21的再生时间，提高了再生效率。当纯化器2的第一换热器21需要再生时，也即固化换热器堵塞或是吸附器吸附饱和，此时不需要制冷机4的制冷功能，单独关闭制冷机4，制冷压缩机6仍处于正常工作状态，打开阀门8，制冷压缩机6提供的循环氦气可用于第一换热器21的再生加热。由于流经再生器3的循环氦气能够在整个第一换热器21中循环流动，其加热更快，换热更均匀，效果更好；且该再生器3利用制冷压缩机6提供循环动力，无需外加循环压缩机，使得快速再生结构简单，工作可靠。
该气体纯化装置，当纯化器2处于降温或纯化状态时，制冷循环和气体纯化循环正常运行，此时阀门8关闭，快速再生循环处于未启动状态。制冷压缩机6为制冷机4提供氦气，在本发明中，制冷压缩机6为制冷机4提供的氦气为高压氦气，其压力可为20bar～25bar，制冷机4为纯化器2提供冷量，污气进入纯化器2的第一换热器21后降温，杂质介质降温后固化留在第一换热器21内，纯净的气体经过冷头41再次降温，经过第一换热器21后排出纯化器2，完成污气的纯化。
当纯化器2的第一换热器21需要再生时，采用快速再生循环，关闭气体纯化循环，开启阀门8，制冷压缩机6保持开启状态，制冷机4关闭，开启加热器32。制冷压缩机6的高压氦气经过阀门8后进入回热换热器31的高温侧，再经过加热器32将加热器32的热量带走后，进入第一换热器21内的换热管33，换热管33将其热量带给第一换热器21，完成对第一换热器21的加热再生，之后进入回热换热器31的低温侧，与回热换热器31的高温侧的进气换热，最后回流到制冷压缩机6。该第一换热器21的温度上升后，固化的杂质气体汽化后从第一换热器21排出。
本发明的气体纯化装置，具有快速再生功能，该气体纯化装置的制冷压缩机通过制冷循环管与制冷机连接，其能够提供制冷机正常工作所需的循环氦气；同时，在制冷循环管路上增加一个旁路(也即，再生循环管路)，并通过阀门控制氦气的循环，当纯化器的第一换热器需要再生时，也即固化换热器堵塞或是吸附器吸附饱和，此时单独关闭制冷机，制冷机压缩机仍处于正常工作状态，打开阀门，制冷压缩机提供的循环氦气可用于第一换热器的再生加热。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种气体纯化装置，其特征在于，包括：
真空罩筒，其具有真空容纳腔，所述真空罩筒上安装有制冷机，所述制冷机具有伸入所述真空容纳腔内的冷头，所述制冷机通过制冷循环管路连接有制冷压缩机；
纯化器，其位于所述真空容纳腔中，所述纯化器具有依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第二换热器靠近所述冷头设置；
再生器，其通过再生循环管路与所述制冷压缩机相连，所述再生器位于所述真空容纳腔中，所述再生器具有依次相连的回热换热器、加热器和换热管，所述换热管位于所述第一换热器内；
其中，所述制冷循环管路包括制冷进气管和制冷出气管，所述制冷压缩机与所述制冷机之间通过所述制冷进气管和所述制冷出气管相连，所述再生循环管路具有再生进气管和再生出气管，所述再生进气管与所述制冷进气管之间连接有阀门，所述再生出气管与所述制冷出气管相连；
在所述纯化器进行纯化的状态下，所述阀门关闭，所述制冷压缩机能为所述制冷机提供氦气；
在所述再生器进行再生的状态下，所述阀门打开，所述制冷机关闭，所述制冷压缩机的氦气经过所述再生进气管流入所述回热换热器。
2.如权利要求1所述的气体纯化装置，其特征在于，所述第一换热器为固化换热器，其具有外壳体及设置在所述外壳体内的换热管，所述换热管与所述外壳体之间形成有进气通道，所述换热管具有出气通道，所述第二换热器的一端与所述进气通道相连通，所述第二换热器的另一端与所述出气通道相连通，所述换热管位于所述外壳体内。
3.如权利要求1所述的气体纯化装置，其特征在于，所述第一换热器为吸附器，所述吸附器具有吸附器壳体和填充在所述吸附器壳体内的吸附介质，所述吸附器壳体具有入口端和出口端，所述第二换热器的一端与所述出口端相连，所述第二换热器的另一端连接有位于所述吸附器壳体内的流出管，所述换热管位于所述吸附器壳体内。
4.如权利要求1所述的气体纯化装置，其特征在于，所述换热管的一端与所述再生进气管相连，所述换热管的另一端与所述再生出气管相连。
5.如权利要求4所述的气体纯化装置，其特征在于，所述回热换热器为套管换热器，其具有内管和套设在所述内管外的外管，所述内管与所述外管之间形成有环空通道。
6.如权利要求5所述的气体纯化装置，其特征在于，所述再生进气管通过所述内管与所述加热器相连，所述再生出气管通过所述环空通道与所述制冷出气管相连；或者，所述再生进气管通过所述环空通道与所述加热器相连，所述再生出气管通过所述内管与所述制冷出气管相连。
7.如权利要求4所述的气体纯化装置，其特征在于，所述阀门为气动阀、电动阀、手动阀、球阀或针阀。
8.如权利要求1所述的气体纯化装置，其特征在于，所述加热器为加热棒、加热丝、加热带、加热片或加热膜。
9.如权利要求1所述的气体纯化装置，其特征在于，所述第二换热器为盘管换热器或翅片管换热器。
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