CN108592461A - 一种超低温冷凝富集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种超低温冷凝富集系统，包括：除水管路系统、富集解析管路系统，制冷系统、冷源分配系统，绝热系统、以及控制系统，其中控制系统通过控制除水管路系统、富集解析管路系统，制冷系统、冷源分配系统工作实现采样气体除水模式、采样气体中目标物质冷凝富集模式、采样气体中目标物质加热解析模式，以及除水管加热干燥模式。本发明的超低温冷凝富集系统不仅高性能的集除水、富集、解析功能于一体，而且体积小、功耗低。

Description

一种超低温冷凝富集系统

技术领域

本发明涉及气体富集技术领域，具体涉及一种超低温冷凝富集系统。

背景技术

在大气监测及VOCs即挥发性有机化合物(volatile organic compounds)监测治理领域中，需要对监测目标气体进行富集及浓缩以提高监测精度和监测效率。目前的富集浓缩技术主要有吸附和低温冷凝两种。其中吸附技术是通过将采样气体通入填充有吸附介质的管道中，用吸附作用将采样气体中的目标物质进行富集。这种方式的优势是设备结构相对简单，成本较低，劣势是对吸附介质的要求较高，同时需要定期更换吸附介质，且不同的物质需要用不同的吸附介质，部分物质难以有效富集，同时在脱附时易残留，影响检验结果。低温冷凝技术是通过将采样气体通入低温冷阱，使其中的目标物质温度降低至露点或凝固点以下，并凝结在冷阱表面进行富集。其优势是无需填充吸附剂，生产成本和维护成本相对降低，同时富集效果更加优良，光管热脱附不易残留，使监测结果更加准确。

在气体富集领域，常采用对石英管降温以对流经石英管内部的气体进行冷却富集。由于VOCs自身的浓度极低，因此当VOCs流经石英管内部时，需要确保石英管的管体与外界环境之间不产生物质交换，以免外界的杂质流入石英管内部对最终的测量结果造成影响。现有技术中，常采用在石英管外侧设置不锈钢层，由于不锈钢的致密度要远高于石英管，因此通过不锈钢可以很好地防止杂质流入石英管中。

当VOCs经过富集后，需要对石英管进行再次加热，以使已经富集的VOCs气化后流出，进行浓度测量。CN105043846A公开了一种挥发性有机物样气捕集系统及捕集方法，包括依次相连的进气装置、除水装置、捕集装置，所述除水装置包括冷凝头，该冷凝头包括：与除水装置冷阱相连的除水管座，缠绕于除水管座上的钝化金属除水管；该钝化金属除水管的进气端与进气装置相连，出气端与捕集装置相连；所述捕集装置包括捕集头，该捕集头包括与捕集装置冷阱相连的捕集管座，缠绕于捕集管座上的钝化金属捕集管；所述钝化金属捕集管的进气端与除水装置相连，出气端与气体分析仪装置相连；所述钝化金属捕集管的两端与加热电源相连。该现有技术中钝化金属除水管缠绕在除水管座上，除水管没有与冷阱直接接触，钝化金属捕集管缠绕在捕集管座上，捕集管没有与冷阱直接接触，冷量损失较大，冷凝效率较低，为弥补损失的冷量则需提供更大冷量的冷源，导致整体结构体积庞大、功耗大。且除水管与捕集管上不同位置处的制冷温度不同，气体在除水管或捕集管内的冷凝不均匀，捕集效率较低。此外，除水管与捕集管的冷凝各需要一套冷凝系统，从而导致整个挥发性有机物样气捕集系统的体积大，造价高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中挥发性有机物样气捕集系统的体积较大、冷量损失较大的缺陷，从而提供一种体积较小、可减少冷量损失的超低温冷凝富集系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种超低温冷凝富集系统，包括：

除水管路系统，包括除水管，以及除水管加热装置，其中除水管包括第一管路层，设置在所述第一管路层的外侧的第二管路层，所述第二管路层用于将冷量传递至所述第一管路层上，对所述第一管路层制冷，使通过所述第一管路层内的采样气体中的水蒸气冷凝在所述第一管路层的内壁上，实现采样气体除水，所述除水管加热装置用于对所述第一管路层加热使冷凝在所述第一管路层内的水蒸气蒸发，实现除水管干燥；

富集解析管路系统，包括富集解析管，以及富集解析管加热装置，其中富集解析管包括第三管路层，套设在所述第三管路层的外侧的第四管路层，所述第三管路层的进气端与所述第一管路层的出气端连通，所述第四管路层用于将冷量传递至所述第三管路层上，对所述第三管路层制冷，使通过所述第三管路层内的采样气体中的目标物质冷凝在所述第三管路层的内壁上，实现目标物质富集，所述富集解析管加热装置用于对所述第三管路层加热使冷凝在所述第三管路层的目标物质进行加热解析；

冷源提供装置，与所述第二管路层、所述第四管路层分别连接，为所述第二管路层、所述第四管路层提供所需冷量；

控制系统，分别与所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置电连接，通过控制所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置工作实现采样气体除水模式、采样气体中目标物质冷凝富集模式、目标物质加热解析模式，以及除水管加热干燥模式。

还包括用于检测气体的检测仪器，所述检测仪器与所述第三管路层的出气端连通，所述控制系统与所述检测仪器电连接，控制所述检测仪器工作。

所述第一管路层、所述第三管路层均为导体，所述除水管加热装置包括分别与所述第一管路层的两端电连接的两除水管电源接触端子，以及分别与除水管电源电连接的两个除水管加热电源接触器，所述第二管路层冷凝时，所述除水管加热电源接触器与对应的所述除水管电源接触端子断开连接，所述第一管路层加热时，所述除水管加热电源接触器与对应的所述除水管电源接触端子接通形成闭合回路；

所述富集解析管加热装置包括分别与所述第三管路层的两端电连接的两富集解析管电源接触端子，以及分别与所述富集解析管电源电连接的两个富集解析管加热电源接触器，所述第四管路层冷凝富集时，所述富集解析管加热电源接触器与对应的所述富集解析管电源接触端子断开连接，所述第三管路层加热解析时，所述富集解析管加热电源接触器与对应的所述富集解析管电源接触端子接通形成闭合回路。

所述除水管加热电源接触器包括

除水管连接端，与除水管电源连接，两个所述除水管加热电源接触器的两个所述除水管连接端其中一个连接除水管电源的正极，另一个连接除水管电源的负极；

除水管电磁继电器，包括除水管滑动杆及缠绕于所述除水管滑动杆上的除水管电磁线圈，所述除水管电磁线圈通电时，产生使所述除水管滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述除水管滑动杆上端的所述除水管连接端与所述除水管电源接触端子连通；

除水管偏压件，连接在所述除水管滑动杆上，在所述除水管滑动杆向上运动时，所述除水管偏压件产生偏压力，在所述除水管电磁线圈断电时，所述除水管滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述除水管滑动杆上端的所述除水管连接端与所述除水管电源接触端子分离；

和/或

所述富集解析管加热电源接触器包括

富集解析管连接端，与富集解析管电源连接，两个所述富集解析管加热电源接触器的两个所述富集解析管连接端其中一个连接富集解析管电源的正极，另一个连接富集解析管电源的负极；

富集解析管电磁继电器，包括富集解析管滑动杆及缠绕于所述富集解析管滑动杆上的富集解析管电磁线圈，所述富集解析管电磁线圈通电时，产生使所述富集解析管滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述富集解析管滑动杆上端的所述富集解析管连接端与所述富集解析管电源接触端子连通；

富集解析管偏压件，连接在所述富集解析管滑动杆上，在所述富集解析管滑动杆向上运动时，所述富集解析管偏压件产生偏压力，在所述富集解析管电磁线圈断电时，所述富集解析管滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述富集解析管滑动杆上端的所述富集解析管连接端与所述富集解析管电源接触端子分离。

所述控制系统包括：

传感器，包括用于监测所述除水管的温度的除水管温度传感器，以及用于监测所述富集解析管的温度的富集解析管温度传感器；

中央控制单元，对监测的所述除水管温度传感器的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器，所述除水管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管的精确控温；所述中央控制单元对监测的所述除水管温度传感器的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器，所述除水管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管的精确控温；所述中央控制单元对所述富集解析管传感器检测到的数据进行处理，通过PID算法输出PWM信号给所述富集解析管电磁继电器，所述富集解析管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现精确控温；

人机界面，与所述中央控制单元通讯连接。

所述第一管路层与所述第二管路层之间设有绝缘层，和/或所述第三管路层与所述第四管路层之间设有绝缘层。

所述第一管路层和/或所述第三管路层为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管。

所述第一管路层内和/或第三管路层内设有吸附性涂层。

所述第二管路层和/或所述第四管路层为铜管。

所述第一管路层、所述第三管路层的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头。

所述冷源提供装置包括制冷系统，以及冷源分配系统；

所述制冷系统的制冷冷头适于与第四管路层连接，为第四管路层提供冷量；所述冷源分配系统为导热结构，其一端与所述制冷系统连接，另一端与一个第二管路层连接，为所述第二管路层提供的制冷温度高于所述制冷冷头为所述第四管路层提供的制冷温度；

或所述冷源分配系统具有第一导热结构，第二导热结构，其中所述第一导热结构的一端与所述制冷系统的制冷冷头连接，另一端与所述第二管路层连接，所述第二导热结构的一端与所述制冷系统的制冷冷头连接，另一端与所述第四管路层连接，所述第一导热结构为所述第二管路层提供的制冷温度高于所述第二导热结构为所述第四管路层提供的制冷温度。

所述制冷系统包括热声低温制冷机，所述制冷冷头与所述制冷机的回热器的低温端连接、所述导热结构与所述制冷机的回热器的低温端与高温端之间的部分连接。

所述导热结构包括导热环，所述导热环套接在所述回热器外部，且所述导热环与所述回热器的连接位置与所述回热器的低温端间距设置。

所述导热结构还包括导热支架，所述导热支架的一端与所述导热环连接，另一端与副冷头连接，所述副冷头适于与所述第二管路层连接。

所述导热结构包括热阻机构，所述热阻机构的一端与所述制冷冷头连接，另一端与所述第二管路层连接。

所述制冷系统包括混合工质节流超低温制冷机，所述导热结构包括与所述第二管路层连接的副冷头，以及在将所述制冷机的回热器与所述副冷头连通的冷介质循环管路。

所述制冷冷头通过第一固定器与所述第四管路层连接，所述导热结构通过第二固定器与所述第二管路层对象连接。

还包括绝热系统，所述除水管、所述富集解析管设置于所述绝热系统内，所述绝热系统用于隔绝所述除水管、所述富集解析管与外界热交换。

所述绝热系统包括真空密闭容器，设置在所述真空密闭容器外的真空泵，控制所述真空泵抽真空的电磁阀，所述真空密闭容器上预留有密封的电气接口、管路接口，所述除水管路系统、所述富集解析管路系统安装于所述真空密闭容器中，所述控制系统通过所述电磁阀控制所述真空泵工作。

所述绝热系统包括密闭容器，以及填充在所述密闭容器内的绝热材料，所述除水管、所述富集解析管安装于所述密闭容器中，所述密闭容器上设有充气口，以及预留有密封的电气接口、管路接口。

所述密闭容器内设有干燥剂。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、在本发明中，除水管和富集解析管均为多层结构设计，具体为在不锈钢管外套一层铜管，利用铜的良好导热性，一方面能够加强换热，实现管子的迅速降温，另一方面能够实现整段管路的温度均衡，利用这种设计，第一固定器不需要与整段第二管路层、第二固定器不需要与整段第四管路层完全贴合，而只需要进行部分接触，即可实现对整段除水管、富集解析管的制冷，尤其是在除水管、富集解析管较长的时候，这种设计能够大大减小中间换热结构的体积，一方面缩小了整个设备的体积，另一方面减小了系统热容，减少了冷量损失。

2、在本发明中，冷源分配系统的设计实现了一台制冷系统同时提供两种不同温度的冷源，分别满足除水和富集不同温度的需要。这样避免使用多套制冷系统分别进行富集和除水，大大缩小了系统体积和功耗。

3、在本发明中，采用真空绝热或用于航空航天领域的绝热材料进行绝热，并且均采用密闭容器对各进行封闭，杜绝了除水管路系统、富集解析管路系统与空气的对流换热，减少了系统的冷量损失，从而实现制冷系统的小型化，减少了系统体积和功耗，同时杜绝了凝露问题。

4、在本发明中，由于加热电源需要使用铜质导线，而铜质导线同时具有良好的导热性，在进行管路制冷时，容易延导线产生冷量损失。因此本发明独特设计的加热电源接触器，在制冷时接触器断开，避免冷量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的超低温冷凝富集系统的原理图；

图2为本发明的富集解析管路系统的结构示意图；

图3为图2所示的富集解析管路系统在加热时的结构示意图；

图4为图2所示的富集解析管路系统的第三管路层、第二管路层、绝缘层所形成的富集解析管的剖面图；

图5为本发明的除水管路系统在加热时的结构示意图；

图6为图5所示的除水管路系统的第一管路层、第二管路层、绝缘层所形成的除水管的剖面图；

图7为本发明所提供的一种冷源分配系统的结构示意图；

图8为本发明所提供的另一种冷源分配系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-制冷系统；2-制冷冷头；3-散热风机；4-风道；5-绝热系统；6-除水管；7-富集管；8-除水管温度传感器；9-富集解析管温度传感器；10-冷源分配系统；11-电气接口；12-除水管加热电源接触器；13-除水管电磁继电器；14-除水管电源；15-密封接头；16-富集解析管电源接触器；17-富集解析管电磁继电器；18-富集解析管电源；19-电磁阀；20-真空泵；21-中央控制单元；22-人机界面；

100-第三管路层；101-第四管路层；102-绝缘层；103-富集解析管电源接触端子；105-富集解析管电磁线圈；106-富集解析管滑动杆；107-富集解析管连接端；108-富集解析管偏压件；

201-回热器；204-导热环；205-导热支架；206-副冷头；208-第一固定器；209-第二固定器；210-热阻机构；

300-第一管路层；301-第二管路层；302-绝缘层；303-除水管电源接触端子；305-除水管电磁线圈；306-除水管滑动杆；307-除水管连接端；308-除水管偏压件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1-6所示，本发明的一种超低温冷凝富集系统，包括：

除水管路系统，包括除水管6，以及除水管加热装置，其中除水管6包括第一管路层300，设置在所述第一管路层300的外侧的第二管路层301，所述第二管路层301用于将冷量传递至所述第一管路层300上，对所述第一管路层300制冷，使通过所述第一管路层300内的采样气体中的水蒸气冷凝在所述第一管路层300的内壁上，实现采样气体除水，所述除水管加热装置用于对所述第一管路层300加热使冷凝在所述第一管路层300内的水蒸气蒸发，实现除水管6干燥；

富集解析管路系统，包括富集解析管7，以及富集解析管加热装置，其中富集解析管7包括第三管路层100，套设在所述第三管路层100的外侧的第四管路层101，所述第三管路层100的进气端与所述第一管路层300的出气端连通，所述第四管路层101用于将冷量传递至所述第三管路层100上，对所述第三管路层100制冷，使通过所述第三管路层100内的采样气体中的样气冷凝在所述第三管路层100的内壁上，实现采样气体中的目标物质富集，所述富集解析管加热装置用于对所述第三管路层100加热使冷凝在所述第三管路层100的目标物质加热解析；

冷源提供装置，与所述第二管路层301、所述第四管路层101分别连接，为所述第二管路层301、所述第四管路层101提供所需冷量；

控制系统，分别与所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置电连接，通过控制所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置工作实现采样气体除水模式、采样气体中目标物质冷凝富集模式、目标物质加热解析模式，以及除水管加热干燥模式。

在本发明中，除水管6和富集解析管7均为多层结构设计，第二管路层301可以将冷量均匀传递到第一管路层300上，对第一管路层300制冷，第四管路层101可以将冷量均匀传递到第三管路层100上，对第三管路层100制冷，因此，不仅能够实现整段管路的温度均衡，利用这种设计，第一固定器不需要与整段第二管路层301完全贴合、第二固定器不需要与整段第四管路层101完全贴合，而只需要进行部分接触，即可实现对整段除水管6、富集解析管7的制冷，尤其是在除水管6、富集解析管7较长的时候，这种设计能够大大减小中间换热结构的体积，一方面缩小了整个设备的体积，另一方面减小了系统热容，减少了冷量损失。

如图2-6所示，所述第一管路层300、所述第三管路层100均为导体，所述除水管加热装置包括分别与所述第一管路层300的两端电连接的两除水管电源接触端子303，以及分别与除水管电源电连接的两个除水管加热电源接触器12，所述第二管路层301冷凝时，所述除水管加热电源接触器12与对应的所述除水管电源接触端子303断开连接，所述第一管路层300加热时，所述除水管加热电源接触器12与对应的所述除水管电源接触端子303接通形成闭合回路；

所述富集解析管加热装置包括分别与所述第三管路层100的两端电连接的两富集解析管电源接触端子103，以及分别与所述富集解析管电源18电连接的两个富集解析管加热电源接触器16，所述第四管路层101冷凝富集时，所述富集解析管加热电源接触器16与对应的所述富集解析管电源接触端子103断开连接，所述第三管路层100加热解析时，所述富集解析管加热电源接触器16与对应的所述富集解析管电源接触端子103接通形成闭合回路。所述除水管加热电源接触器12、富集解析管加热电源接触器16的设计使在冷凝时所述除水管加热电源接触器12与对应的所述电源接触端子断开连接，或富集解析管加热电源接触器16与对应的电源接触端子断开连接，从而避免冷量沿着与电源相连接的导线产生冷量损失。

具体的，如图5-6所示，所述除水管加热电源接触器12包括

除水管连接端307，与除水管6电源连接，两个所述除水管加热电源接触器12的两个所述除水管连接端307其中一个连接除水管电源14的正极，另一个连接除水管电源14的负极；

除水管电磁继电器13，包括除水管滑动杆306及缠绕于所述除水管滑动杆306上的除水管电磁线圈305，所述除水管电磁线圈305通电时，产生使所述除水管滑动杆306向上运动的电磁力以使连接在所述除水管滑动杆306上端的所述除水管连接端307与所述除水管电源接触端子303连通；

除水管偏压件308，连接在所述除水管滑动杆306上，在所述除水管滑动杆306向上运动时，所述除水管偏压件308产生偏压力，在所述除水管电磁线圈305断电时，所述除水管滑动杆306在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述除水管滑动杆306上端的所述除水管连接端307与所述除水管电源接触端子303分离。

如图2-4所示，所述富集解析管加热电源接触器16包括

富集解析管连接端107，与富集解析管电源18连接，两个所述富集解析管加热电源接触器16的两个所述富集解析管连接端107其中一个连接富集解析管电源18的正极，另一个连接富集解析管电源18的负极；

富集解析管电磁继电器17，包括富集解析管滑动杆106及缠绕于所述富集解析管滑动杆106上的富集解析管电磁线圈105，所述富集解析管电磁线圈105通电时，产生使所述富集解析管滑动杆106向上运动的电磁力以使连接在所述富集解析管滑动杆106上端的所述富集解析管连接端107与所述富集解析管电源18接触端子103连通；

富集解析管偏压件108，连接在所述富集解析管滑动杆106上，在所述富集解析管滑动杆106向上运动时，所述富集解析管偏压件108产生偏压力，在所述富集解析管电磁线圈105断电时，所述富集解析管滑动杆106在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述富集解析管滑动杆106上端的所述富集解析管连接端107与所述富集解析管电源18接触端子103分离。

如图4、6所示所述第一管路层300与所述第二管路层301之间设有绝缘层302，所述第三管路层100与所述第四管路层101之间设有绝缘层102。绝缘层302的设置可防止电源在对所述第一管路层300进行通电加热的时候加热电流向其他部件传导，导致短路，另外绝缘层302具有一定的隔热作用，减少第一管路层300的热量向第二管路层301传导，可使第一管路层300温度能快速上升。绝缘层102的设置可防止电源在对所述第三管路层100进行通电加热的时候加热电流向其他部件传导，导致短路，另外绝缘层102具有一定的隔热作用，减少第三管路层100的热量向第四管路层101传导，可使第三管路层100温度能快速上升。

特别的，所述第一管路层300、所述第三管路层100为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管，可以很好的避免外界的杂质流入所述第一管路层300内部、第三管路层100内部而对最终的测量结果产生影响，从而提高测量结果的精确性。

进一步的，所述第一管路层300、第三管路层100内均设有吸附性涂层。吸附性涂层的设置能够使第一管路层300、第三管路层100对气体的吸附作用更好。

优选所述第二管路层301、所述第四管路层101均为铜管，铜管导热性高，能快速均匀的将制冷系统1的冷量传递给第二管路层301、第四管路层101迅速制冷，保证整段管路的温度均衡，并且不需要整段管路均与制冷系统1连接，在管路比较长的时候，这种设计缩小了整个设备的体积，减小了系统热容，减小了冷量损失。

所述第一管路层300、所述第三管路层100的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头15。密封接头15的设置方便与外界采样气路的连接。

进一步的，本发明的超低温冷凝富集系统还包括用于检测气体的检测仪器，所述检测仪器与所述第三管路层100的出气端连通，所述控制系统与所述检测仪器电连接，控制所述检测仪器工作，这样、样气除水、样气中目标物质的富集、目标物质解析、除水管除水、样气检测等步骤都可以通过控制系统控制，使用更方便。

实施例2

由于富集解析管7和除水管6的制冷温度不同，富集解析管7一般需要-150℃左右，而除水管6温度需在-50℃左右，因此需要从制冷系统1同时获取两种不同温度的冷源。为了进一步减少超低温冷凝富集系统所占的空间、以及降低能耗，本发明的所述冷源提供装置采用了特殊的结构，下面具体介绍一下冷源提供装置的结构：

如图7和8所示，本发明的冷源提供装置包括制冷系统1，以及冷源分配系统10；

所述制冷系统1的制冷冷头2适于与第四管路层101连接，为第四管路层101提供冷量；所述冷源分配系统10为导热结构，其一端与所述制冷系统1连接，另一端与一个第二管路层301连接，为所述第二管路层301提供的制冷温度高于所述制冷冷头2为所述第四管路层101提供的制冷温度。这样的结构可以实现一台制冷系统同时提供两种不同温度的冷源，分别满足除水和富集不同温度的需要。这样避免使用多套制冷系统分别进行富集和除水，大大缩小了系统体积和功耗。

在本实施例2中，所述制冷系统1包括热声低温制冷机，所述制冷冷头2与所述制冷机的回热器201的低温端连接、所述导热结构与所述制冷机的回热器201的低温端与高温端之间的部分连接。

所述导热结构包括导热环204，所述导热环204套接在所述回热器201外部，且所述导热环204与所述回热器201的连接位置与所述回热器201的低温端间距设置。

在使用时，制冷机的制冷冷头202为所述第四管路层101提供冷量，由于导热环204连接的位置与所述回热器201的低温端间距设置，所述导热环204及导热支架205向所述副冷头206所传递的冷量的温度高于所述制冷冷头202所提供的冷量的温度，所述副冷头206向所述第二管路层301提供冷量。通过一个制冷系统即可满足第四管路层101和第二管路层301的冷量需求，从而降低了整个系统的体积，功耗较低。

在可替换的实施方式中，所述热声低温制冷机可替换为脉冲管制冷机、斯特林制冷机或者GM制冷机。所述制冷冷头2通过第一固定器208与所述第四管路层101连接，所述导热结构通过第二固定器209与所述第二管路层301对象连接。

实施例3

本实施例3与实施例2不同之处在于：所述导热结构还包括导热支架205，所述导热支架205的一端与所述导热环204连接，另一端与副冷头206连接，所述副冷头206适于与所述第二管路层301连接。

所述导热结构包括热阻机构210，所述热阻机构210的一端与所述制冷冷头2连接，另一端与所述第二管路层301连接。

由于所述热阻机构210具有热阻性，因此所述热阻机构210向所述第二管路层301传递的冷量的温度高于所述制冷冷头202向所述第四管路层101所提供的冷量的温度。

实施例4

本实施例4与实施例2不同之处在于：

所述制冷系统1包括混合工质节流超低温制冷机，所述导热结构包括与所述第二管路层301连接的副冷头206，以及在将所述制冷机的回热器201与所述副冷头206连通的冷介质循环管路。

在可替换的实施方式中，所述混合工质节流超低温制冷机可替换为J-T制冷机。

实施例5

当然，作为可替换的实施方式，如图1所示，冷源分配系统10的结构还可以这样：所述冷源分配系统10具有第一导热结构，第二导热结构，其中所述第一导热结构的一端与所述制冷系统1的制冷冷头2连接，另一端与所述第二管路层301连接，所述第二导热结构的一端与所述制冷系统1的制冷冷头2连接，另一端与所述第四管路层101连接，所述第一导热结构为所述第二管路层301提供的制冷温度高于所述第二导热结构为所述第四管路层101提供的制冷温度。

实施例6

下面具体介绍一下控制系统的结构，如图1所示，在本实施例中，优选所述控制系统包括：

传感器，包括用于监测所述除水管6的温度的除水管温度传感器8，以及用于监测所述富集解析管的温度的富集解析管温度传感器9；

中央控制单元21，对监测的所述除水管温度传感器8的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器13，所述除水管电磁继电器13通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管6的精确控温；所述中央控制单元21对监测的所述除水管温度传感器8的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器13，所述除水管电磁继电器13通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管6的精确控温；所述中央控制单元21对所述富集解析管传感器检测到的数据进行处理，通过PID算法输出PWM信号给所述富集解析管电磁继电器17，所述富集解析管电磁继电器17通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现精确控温；

人机界面22，与所述中央控制单元21通讯连接。

除水管和富集管的加热电源为低电压大电流的恒压源，直接加载在不锈钢管两端，对其通电，利用不锈钢管本身的电阻将电能转化为热能，使其升温。通过控制电源接触器与富集管和除水管两端的电源接触端子的连接和断开来控制加热电源的通断，需要执行加热时，电源接触器与端子联通，加热电路闭合，不需要加热时，电源接触器与端子断开，加热电路断路，同时避免接触带来的热传导，产生冷量损失。中央控制单元监控管路温度数据，并通过PID算法输出PWM信号给除水管电磁继电器13或富集解析管电磁继电器17，除水管电磁继电器13或富集解析管电磁继电器17通过控制闭合占空比控制加热功率输出，进而实现精确控温。人机界面为触摸屏或控制开关，中央控制单元为PLC或单片机，控制软件包括系统的整体运行逻辑及温度控制算法。

实施例7

为了减少热损失，本发明的超低温冷凝富集系统还包括绝热系统5，下面具体介绍一下绝热系统的结构：

如图1所示，本发明的超低温冷凝富集系统还包括绝热系统5，所述除水管6、所述富集解析管7设置于所述绝热系统5内，所述绝热系统5用于隔绝所述除水管6、所述富集解析管7与外界热交换。绝热系统5的设置可以对除水管路系统、富集解析管路系统进行绝热保护，阻隔其与外界的热交换，减少热损失。

绝热系统的结构有多种，在本实施例中，优选所述绝热系统5包括真空密闭容器，设置在所述真空密闭容器外的真空泵20，控制所述真空泵20抽真空的电磁阀19，所述真空密闭容器上预留有密封的电气接口11、管路接口，所述除水管路系统、所述富集解析管路系统安装于所述真空密闭容器中，所述控制系统通过所述电磁阀19控制所述真空泵20工作。真空密闭容器通过真空法兰与制冷冷头2密封连接，除水管路系统、富集解析管路通过管路接口从真空容器中穿出，加热电源、温度传感器、接触器等的接线通过电气接口从真空容器中穿出，真空泵20用于将空气从真空容器中抽出，保持容器内的真空状态，电磁阀19用于控制抽真空气路的通断。

实施例8

作为实施例7的可替换的实施方式，本实施例8的绝热系统的结构还可以为：所述绝热系统5包括密闭容器，以及填充在所述密闭容器内的绝热材料，所述除水管6、所述富集解析管7安装于所述密闭容器中，所述密闭容器上设有充气口，以及预留有密封的电气接口11、管路接口。进一步的所述密闭容器内设有干燥剂。绝热材料优选使用导热系数极小的用于航空航天领域的绝热材料，这样可以对除水管路系统、富集解析管路系统及冷源分配系统进行良好包裹进行绝热。充气口，用于向容器内灌注干燥氮气，使容器内保持一定的正压，防止空气进入，导致空气中的水蒸气在容器内凝结。

此外，在以上实施例中，本发明的超低温冷凝富集系统还包括对制冷系统1进行散热的散热结构，如图1所示，该散热结构包括散热风机3，以及用于连接散热风机3与制冷系统1的热端或冷凝器的风道4，散热结构的设置可以确保空气与制冷机的热端或冷凝器进行充分对流换热。

本发明的工作过程：

本发明的超低温冷凝富集系统可根据用户指令实现以下功能：

1、采样气体除水

收到指令后，制冷系统1开始工作，制冷冷头2温度逐渐降低，除水管6通过冷源分配系统10放热，温度逐渐降低，同时由于冷源分配系统10的存在，除水管6温度高于制冷冷头2温度，再通过PID控制加热输出，使其稳定在-50℃左右，避免采样气体中较高沸点的目标物质即VOCs在除水管中凝结，影响检出结果。将采样气体送入除水管6，其中的水蒸气在管壁上凝结，实现干燥除水。

2、冷凝富集

收到指令后，制冷系统1开始工作，制冷冷头2温度逐渐降低，富集解析管7由于直接和制冷冷头2接触换热，其温度可降低至-150℃以下，再通过PID控制加热输出，使其温度稳定在-150℃左右。将除水后的采样气体送入富集解析管7，其中的目标物质即气态VOCs在管壁上凝结，实现富集浓缩。

3、加热解析

收到指令后，富集解析管电源接触器16上电，与富集管电源接触端子103闭合，电源接通，电流通过富集解析管7中的不锈钢管，使其产生热量，由于电压足够高，加热功率足够大，富集解析管7温度能够迅速上升，在10秒内从-150℃上升至指定的解析温度后，通过PID算法进行加热占空比控制，使其温度稳定在指定解析温度。由于富集解析管7的迅速升温，其内壁上冷凝的VOCs迅速气化，此时向富集解析管7中送入干燥惰性的载气，将气态的VOCs带出，并输送至检测仪器中。

3、除水管加热干燥

收到指令后，除水管加热电源接触器12上电，与除水管电源接触端子303闭合，电源接通，电流通过除水管6中的不锈钢管，使其产生热量，温度迅速上升至指定温度，上升至指定的解析温度后，通过PID算法进行加热占空比控制，使其温度稳定在指定温度。除水管6内壁上附着的冰晶迅速气化，此时向除水管6中通入干燥惰性的载气，将水蒸气带出，实现除水管干燥。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (21)

1.一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，包括：

除水管路系统，包括除水管，以及除水管加热装置，其中除水管包括第一管路层，设置在所述第一管路层的外侧的第二管路层，所述第二管路层用于将冷量传递至所述第一管路层上，对所述第一管路层制冷，使通过所述第一管路层内的采样气体中的水蒸气冷凝在所述第一管路层的内壁上，实现采样气体除水，所述除水管加热装置用于对所述第一管路层加热使冷凝在所述第一管路层内的水蒸气蒸发，实现除水管干燥；

富集解析管路系统，包括富集解析管，以及富集解析管加热装置，其中富集解析管包括第三管路层，套设在所述第三管路层的外侧的第四管路层，所述第三管路层的进气端与所述第一管路层的出气端连通，所述第四管路层用于将冷量传递至所述第三管路层上，对所述第三管路层制冷，使通过所述第三管路层内的采样气体中的目标物质冷凝在所述第三管路层的内壁上，实现目标物质的富集，所述富集解析管加热装置用于对所述第三管路层加热使冷凝在所述第三管路层的目标物质进行加热解析；

冷源提供装置，与所述第二管路层、所述第四管路层分别连接，为所述第二管路层、所述第四管路层提供所需冷量；

控制系统，分别与所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置电连接，通过控制所述冷源提供装置、所述除水管加热装置、所述富集解析管加热装置工作实现采样气体除水模式、采样气体中目标物质冷凝富集模式、目标物质加热解析模式，以及除水管加热干燥模式。

2.根据权利要求1所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，还包括用于检测气体的检测仪器，所述检测仪器与所述第三管路层的出气端连通，所述控制系统与所述检测仪器电连接，控制所述检测仪器工作。

3.根据权利要求1所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第一管路层、所述第三管路层均为导体，所述除水管加热装置包括分别与所述第一管路层的两端电连接的两除水管电源接触端子，以及分别与除水管电源电连接的两个除水管加热电源接触器，所述第二管路层冷凝时，所述除水管加热电源接触器与对应的所述除水管电源接触端子断开连接，所述第一管路层加热时，所述除水管加热电源接触器与对应的所述除水管电源接触端子接通形成闭合回路；

所述富集解析管加热装置包括分别与所述第三管路层的两端电连接的两富集解析管电源接触端子，以及分别与所述富集解析管电源电连接的两个富集解析管加热电源接触器，所述第四管路层冷凝富集时，所述富集解析管加热电源接触器与对应的所述富集解析管电源接触端子断开连接，所述第三管路层加热解析时，所述富集解析管加热电源接触器与对应的所述富集解析管电源接触端子接通形成闭合回路。

4.根据权利要求3所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述除水管加热电源接触器包括

除水管连接端，与除水管电源连接，两个所述除水管加热电源接触器的两个所述除水管连接端其中一个连接除水管电源的正极，另一个连接除水管电源的负极；

除水管电磁继电器，包括除水管滑动杆及缠绕于所述除水管滑动杆上的除水管电磁线圈，所述除水管电磁线圈通电时，产生使所述除水管滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述除水管滑动杆上端的所述除水管连接端与所述除水管电源接触端子连通；

除水管偏压件，连接在所述除水管滑动杆上，在所述除水管滑动杆向上运动时，所述除水管偏压件产生偏压力，在所述除水管电磁线圈断电时，所述除水管滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述除水管滑动杆上端的所述除水管连接端与所述除水管电源接触端子分离；

和/或

所述富集解析管加热电源接触器包括

富集解析管连接端，与富集解析管电源连接，两个所述富集解析管加热电源接触器的两个所述富集解析管连接端其中一个连接富集解析管电源的正极，另一个连接富集解析管电源的负极；

富集解析管电磁继电器，包括富集解析管滑动杆及缠绕于所述富集解析管滑动杆上的富集解析管电磁线圈，所述富集解析管电磁线圈通电时，产生使所述富集解析管滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述富集解析管滑动杆上端的所述富集解析管连接端与所述富集解析管电源接触端子连通；

富集解析管偏压件，连接在所述富集解析管滑动杆上，在所述富集解析管滑动杆向上运动时，所述富集解析管偏压件产生偏压力，在所述富集解析管电磁线圈断电时，所述富集解析管滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述富集解析管滑动杆上端的所述富集解析管连接端与所述富集解析管电源接触端子分离。

5.根据权利要求4所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述控制系统包括：

传感器，包括用于监测所述除水管的温度的除水管温度传感器，以及用于监测所述富集解析管的温度的富集解析管温度传感器；

中央控制单元，对监测的所述除水管温度传感器的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器，所述除水管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管的精确控温；所述中央控制单元对监测的所述除水管温度传感器的数据，通过PID算法输出PWM信号给所述除水管电磁继电器，所述除水管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现对所述除水管的精确控温；所述中央控制单元对所述富集解析管传感器检测到的数据进行处理，通过PID算法输出PWM信号给所述富集解析管电磁继电器，所述富集解析管电磁继电器通过控制闭合占空比控制加热功率输出，实现精确控温；

人机界面，与所述中央控制单元通讯连接。

6.根据权利要求1所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第一管路层与所述第二管路层之间设有绝缘层，和/或所述第三管路层与所述第四管路层之间设有绝缘层。

7.根据权利要求6所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第一管路层和/或所述第三管路层为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管。

8.根据权利要求7所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第一管路层和/或第三管路层内设有吸附性涂层。

9.根据权利要求6所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第二管路层和/或所述第四管路层为铜管。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述第一管路层、所述第三管路层的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头。

11.根据权利要求1-8中任一项所述的超低温冷凝富集系统，其特征在于，

所述冷源提供装置包括制冷系统，以及冷源分配系统；

所述制冷系统的制冷冷头适于与第四管路层连接，为第四管路层提供冷量；所述冷源分配系统为导热结构，其一端与所述制冷系统连接，另一端与一个第二管路层连接，为所述第二管路层提供的制冷温度高于所述制冷冷头为所述第四管路层提供的制冷温度；

或所述冷源分配系统具有第一导热结构，第二导热结构，其中所述第一导热结构的一端与所述制冷系统的制冷冷头连接，另一端与所述第二管路层连接，所述第二导热结构的一端与所述制冷系统的制冷冷头连接，另一端与所述第四管路层连接，所述第一导热结构为所述第二管路层提供的制冷温度高于所述第二导热结构为所述第四管路层提供的制冷温度。

12.根据权利要求11所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述制冷系统包括热声低温制冷机，所述制冷冷头与所述制冷机的回热器的低温端连接、所述导热结构与所述制冷机的回热器的低温端与高温端之间的部分连接。

13.根据权利要求12所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述导热结构包括导热环，所述导热环套接在所述回热器外部，且所述导热环与所述回热器的连接位置与所述回热器的低温端间距设置。

14.根据权利要求13所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述导热结构还包括导热支架，所述导热支架的一端与所述导热环连接，另一端与副冷头连接，所述副冷头适于与所述第二管路层连接。

15.根据权利要求12所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述导热结构包括热阻机构，所述热阻机构的一端与所述制冷冷头连接，另一端与所述第二管路层连接。

16.根据权利要求11所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述制冷系统包括混合工质节流超低温制冷机，所述导热结构包括与所述第二管路层连接的副冷头，以及在将所述制冷机的回热器与所述副冷头连通的冷介质循环管路。

17.根据权利要求11所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述制冷冷头通过第一固定器与所述第四管路层连接，所述导热结构通过第二固定器与所述第二管路层对象连接。

18.根据权利要求1-9中任一项所述的超低温冷凝富集系统，其特征在于，还包括绝热系统，所述除水管、所述富集解析管设置于所述绝热系统内，所述绝热系统用于隔绝所述除水管、所述富集解析管与外界热交换。

19.根据权利要求18所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述绝热系统包括真空密闭容器，设置在所述真空密闭容器外的真空泵，控制所述真空泵抽真空的电磁阀，所述真空密闭容器上预留有密封的电气接口、管路接口，所述除水管路系统、所述富集解析管路系统安装于所述真空密闭容器中，所述控制系统通过所述电磁阀控制所述真空泵工作。

20.根据权利要求18所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述绝热系统包括密闭容器，以及填充在所述密闭容器内的绝热材料，所述除水管、所述富集解析管安装于所述密闭容器中，所述密闭容器上设有充气口，以及预留有密封的电气接口、管路接口。

21.根据权利要求20所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述密闭容器内设有干燥剂。