CN109806612B - 一种基于运动部件的机械式低温冷阱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运动部件的机械式低温冷阱，包括：冷头；具有弹性的干燥管和富集管；机械手，该机械手具有在低温冷阱处于低温模式时将干燥管和富集管推至冷头处并将干燥管和富集管保持在该位置的第一工作位，以及在低温冷阱处于高温模式下，释放所述干燥管和富集管的第二工作位；在低温冷阱处于高温模式时，所述干燥管和富集管与冷头之间留有间隙。本发明通过设置运动部件，使得该低温冷阱在不同工作模式下，其干燥管和富集管相对于冷头的位置实时改变，降低了漏热损失和制冷机热负荷，提高了冷头能效和低温冷阱的富集效率。

Description

一种基于运动部件的机械式低温冷阱

技术领域

本发明属于低温冷阱设计技术领域，具体是涉及一种基于运动部件的机械式低温冷阱。

背景技术

近年来随着政策对于大气污染治理，尤其是城市雾霾治理的重视，细分污染物如挥发性有机物VOCs的监测和治理也被频频提上日程。VOCs(volatile organic compounds)挥发性有机物，是指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物。然而，VOCs监测环节薄弱，方法体系不完善，影响VOCs治理工作开展和对治理设施的有效监管。相关专家建议，近期国家应该进一步加大投入，进行检测分析设备研发，尽快完善VOCs检测分析方法体系。

目前市面上存在的VOCs检测分析方法主要包含总量分析法和多组分分析方法，顾名思义，总量分析法仅能检测出环境中所有挥发性有机物总含量，而多组分分析方法虽然可以得到环境中所有气体组分类别和浓度，由于成本限制，目前市面上多采用气相色谱(GC)和质谱(MS)联用的方法，获得气体各组分类别和含量，这种方法称为GC-MS。环境中单组分的气体浓度可能达到ppb级别，由于检测器功能限制，GC-MS中仅能检测到ppm级别浓度，那么在检测前，需要首先对取样气体进行富集才能完成有效检测。活性炭吸附的方法不可避免的会污染采样气体，低温冷凝富集则不会存在这样的问题，只要富集冷阱达到-150℃的深低温度，就可以捕集C2以下几乎所有VOCs。

VOCs检测前处理装置(低温冷阱)包括干燥管和富集管(如图1所示)，图2是低温冷阱的运行时序图。工作流程如下：

1.干燥管和富集管分别冷却至-20℃左右、-150℃；

2.采样气体经干燥管去除水分后进入富集管，通过冷凝的方式，采样气体在富集管中被富集；

3.富集一段时间后，停止采集，快速对干燥管和富集管加热至约200℃，样气快速蒸发解吸后被送入检测器中检测分析，至此完成一个采样周期。

目前一般选择复叠式焦汤制冷机为低温冷阱提供超低温冷源，但是这种方法却有较大局限性。首先，焦汤制冷机在普冷温区拥有较高制冷效率，但是这种制冷机需要通过多级复叠的方式获得较低制冷温度，导致其制冷效率低下，能耗较高且体积庞大。其次由于制冷温区跨度较大，往往需要使用复合制冷剂才能获得-150℃以下的极低温，复合制冷剂轻微泄漏就能够导致制冷机失效，这无疑会增加操作难度。

总之，目前市面上-150℃低温冷阱产品稀缺，且现有产品采用均使用自复叠制冷法提供冷源，体积笨重，能耗较高，存在较大不足。

另外，目前的低温冷阱结构均是采用静止不动的机构，即不管是在低温模式，还是在高温模式下，干燥管和富集管相对于冷头的距离和位置是不变的，这就导致在两种模式交替工作时，能耗和漏热较大，且制冷或者制热效率较低。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于运动部件的机械式低温冷阱，该低温冷阱通过机械手在不同工作模式下调整干燥管和富集管相对于冷头的位置，降低了漏热损失和制冷机热负荷，提高了冷头能效和低温冷阱的富集效率。

一种基于运动部件的机械式低温冷阱，包括：

冷头；

具有弹性的干燥管和富集管；

机械手，该机械手具有在低温冷阱处于低温模式时将干燥管和富集管推至冷头处并将干燥管和富集管保持在该位置的第一工作位，以及在低温冷阱处于高温模式下，释放所述干燥管和富集管的第二工作位；

在低温冷阱处于高温模式时，所述干燥管和富集管与冷头之间留有间隙。

低温冷阱中干燥管和富集管需要不断在高、低温模式下切换运行模式，通常在低温模式运行时，使用制冷机对管路直接进行冷却，高温模式运行时，在不关闭制冷机的情况下直接通过施加更大功率加热量，使管路温度升高至约200℃高温。尽管这种方法比较简便，由于制冷机直接与加热器相连，导致系统漏热较多，对低温制冷机制冷量提出极高要求，同样，高温模式运行时，加热器同时需要将较大热容蒸发器加热至200℃，需要消耗额外的加热量。通过这种非机械方式制作的冷阱能效比较低，非常不经济。我们通过增加运动部件解决制冷量需求高、能效比低下的弊端。

通过机械手设置，在低温模式下，将干燥管和富集管推至冷头处并将干燥管和富集管保持在该位置，通过冷头将干燥管和富集管维持在低温状态下。在高温模型下，为了防止漏热，机械手释放所述干燥管和富集管，此时干燥管和富集管与冷头之间保持间隙。

作为优选，所述冷头为斯特林制冷机的冷头。斯特林制冷机已经历约150年发展，其在军事航天、超导磁体、医疗卫生及空分领域均有成功的应用先例。相比于复叠式焦汤制冷机，低温区运行时，斯特林制冷机具有效率高，运行可靠，工质环保，轻便等优点，应用于低温冷阱中具有巨大优势。

作为优选，所述干燥管和富集管为设置在冷头附近的金属毛细管。采用金属毛细管一方面满足了干燥管和富集管弹性的要求，同时可以在干燥管和富集管的两端接通电接头，可以直接通过对干燥管和富集管进行通电加热，完成对干燥管和富集管的升温。采用直接通电加热的方式，高温模式时仅需要消耗极小电功即可完成毛细管的加热。

作为优选，干燥管和富集管均为不锈钢毛细管，为增加毛细管弹性，将毛细管按照设定方式多次折弯后悬空安装在冷阱中，此时毛细管与铜块不接触。

作为优选，所述干燥管和富集管中部为U型的传热段，所述干燥管和富集管两端为迂回设置的连接段。其中在低温模式时，使得U型的传热段与冷头贴合，实现传热。连接段的设置，增加了干燥管和富集管的柔性，避免在两个模式转换过程中对干燥管和富集管的损坏。所述干燥管和富集管为一体结构，实际加工时，利用金属毛细管直接弯折而成。

作为优选，所述机械手为正对所述冷头设置的压板，该压板受气缸驱动；所述干燥管和富集管为设置在冷头与压板之间的一组或多组。采用该技术方案，可根据需要将多台检测设备连用。或者根据需要将多组干燥管和富集管连接，以增加干燥管和富集管的长度，满足特殊场合的需求。或者也可以将本发明的低温冷阱应用于两种不同检测温度体系中。

作为优选，所述冷头具有板面结构，该板面结构与所述压板正对设置，干燥管和富集管设于两者之间。采用板状结构的冷头和压板，方便了干燥管和富集管的设置，同时保证了干燥管和富集管温控的稳定性。

作为优选，所述机械手正对所述干燥管和富集管的一侧端面上设有隔热凹槽。即所述机械手用于推动干燥管和富集管的一侧设有隔热凹槽。这里机械手使用硬质绝热材料，制冷模式时为尽量减少铜块与机械手之间的导热漏热，机械手应该布置有多个所述凹槽，减少机械手与毛细管的直接接触面积。或者所述机械手正对所述干燥管和富集管的一侧端面上设有凸起。利用凸起与干燥管和富集管接触，其他部分与干燥管和富集管隔离，同时起到减少导热漏热的功能。

作为优选，在所述机械手处于第一工作位时，所述富集管与所述冷头贴合。便于实现对富集管的快速冷却。

作为优选，所述干燥管外壁包覆有耐高温隔热保温层，在所述机械手处于第一工作位时，所述耐高温隔热保温层与所述冷头贴合。若直接将干燥管与冷头(铜块)贴合，极易导致干燥管温度过低，同时增加了斯特林制冷机热负荷，通过在干燥管外壁缠绕一层耐高温隔热保温层(比如耐高温胶布)，即可使干燥管工作温度轻松维持在特定温度(比如-20℃左右)，这种方法也可以减小制冷机热负荷。为增加系统可靠性，减小漏热损失，冷阱使用真空绝热。

干燥管和富集管可以通过多种方式获得高温环境，一般使用加热片加热或直接在干燥管和富集管两端施加大电流获得较快温升。作为优选，所述干燥管和富集管两端设有通电接头。实际加工时，所述通电接头可以选择铜鼻子，实现与外加电源的连接。

作为优选，所述冷头、干燥管、富集管和机械手设置在一真空罩中。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明通过设置运动部件，使得该低温冷阱在不同工作模式下，其干燥管和富集管相对于冷头的位置实时改变，降低了漏热损失和制冷机热负荷，提高了冷头能效和低温冷阱的富集效率。

本发明采用斯特林制冷机的冷头提供冷量，大大减小了整个装置的体积；且相比于复叠式焦汤制冷机，低温区运行时，斯特林制冷机具有效率高，运行可靠，工质环保，轻便等优点，应用于低温冷阱中具有巨大优势。

在高温模式下，本发明直接采用对干燥管和富集管进行直接电加热，提高了加热效率，且简化了装置的结构。

附图说明

图1为VOCs检测前处理装置(低温冷阱)的组成原理图；

图2为低温冷阱的运行时序图；

图3为本发明的基于运动部件的机械式低温冷阱；

图4为本发明的于运动部件的机械式低温冷阱的干燥管、富集管结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图3和图4所示，一种基于运动部件的机械式低温冷阱，包括：冷头301、干燥管302、富集管303、机械手304、电动气缸305和真空罩306。冷头301、干燥管302、富集管303、机械手304、电动气缸305均设于真空罩306内。

冷头301利用斯特林制冷机307提供冷源，可以直接采用现有斯特林制冷机的冷头。斯特林制冷机307通过真空法兰308与真空罩306密封连接。冷头301可以直接采用铜块，冷却面为具有板面结构，便于对干燥管302、富集管303进行冷却。

干燥管302和富集管303均为不锈钢毛细管。为增加毛细管弹性，将毛细管按照图示方式多次折弯后悬空安装在冷阱中，毛细管与铜块不接触。作为一种具体的实施方式，干燥管302和富集管303均为对称结构，中部为U型的传热段401，两端为迂回设置的连接段402。在低温模式下，中部U型的传热段401部分与冷头贴合传热。连接段402一端与传热段401的一端对接，另一端设有管接头403。干燥管302和富集管303均可采用整体结构，由毛细管直接弯折加工成型。通过管接头403与检测源连接。

干燥管302外壁包覆有耐高温隔热保温层，在所述机械手处于第一工作位时，所述耐高温隔热保温层与所述冷头贴合。实际上耐高温隔热保温层可以是在干燥管外壁缠绕的一层耐高温材料，比如可以采用耐高温胶布，或者是耐高温保温棉。在低温模式下，富集管303外壁直接与冷头贴合，干燥管302的耐高温隔热保温层外壁与冷头贴覆，这样即可使干燥管工作温度轻松维持在-20℃左右，同时也可以减小制冷机热负荷。

机械手304使用硬质绝热材料，制冷模式(或低温模式)时为尽量减少铜块(冷头)与机械手之间的导热漏热，机械手应该布置有多个凹槽，减少机械手与毛细管的直接接触面积。机械手304与电动气缸305的输出轴固定，受电动气缸305的驱动实现移动。该机械手具有在低温冷阱处于低温模式时将干燥管和富集管推至冷头处并将干燥管和富集管保持在该位置的第一工作位，以及在低温冷阱处于高温模式下，释放所述干燥管和富集管的第二工作位；在低温冷阱处于高温模式时，所述干燥管和富集管与冷头之间留有间隙。机械手为正对所述冷头设置的压板，压板用于推动干燥管302和富集管303的一侧设有上述的多个凹槽，以减少漏热。或者也可以在机械手用于推动干燥管302和富集管303的一侧设置多个凸起，利用这些凸起与干燥管302和富集管303接触，进而实现推力的传动，实现减少漏热。

干燥管和富集管为设置在冷头与压板之间的一组或多组。干燥管和富集管两端设有通电接头404，实际过程中，可以选择安装铜鼻子，作为通电接头使用。可以在铜鼻子两端施加低电压大电流直接对不锈钢毛细管加热，这样，高温模式时仅需要消耗极小电功即可完成毛细管的加热。低温模式时，停止加热，同时通过图3所示机械手，推动毛细管运动直至与被冷却的铜冷头完全贴合。

图4是干燥管302和富集管303的布置结构示意图，每根毛细管两端均安装了铜鼻子，在铜鼻子两端施加低电压大电流直接对不锈钢毛细管加热，这样，高温模式时仅需要消耗极小电功即可完成毛细管的加热。低温模式时，停止加热，同时通过图3所示机械手，推动毛细管运动直至与被冷却的铜冷头完全贴合。这里机械手使用硬质绝热材料，制冷模式时为尽量减少铜块与机械手之间的导热漏热，机械手应该布置有多个凹槽，减少机械手与毛细管的直接接触面积。

制冷模式时，干燥管的工作温度略低于0℃(-20℃)即可，若直接将干燥管与铜块贴合，极易导致干燥管温度过低，同时增加了斯特林制冷机热负荷，通过在干燥管外壁缠绕一层耐高温胶布，即可使干燥管工作温度轻松维持在-20℃左右，这种方法也可以减小制冷机热负荷。为增加系统可靠性，减小漏热损失，冷阱使用真空绝热。

本实施例的低温冷阱工作工程为：打开真空泵，将真空罩内大气抽出，保持真空罩内气压为负压。启动斯特林制冷机，待铜块(即冷头)温度降至-150℃以下时，打开电动气缸，机械手推动毛细管向前运动直至毛细管与铜块贴合。这样干燥管、富集管可分别维持在-20℃、-150℃工作环境，采样气体先后通过干燥管和富集管，采样满足要求后，关闭电动气缸，机械手释放干燥管和富集管，由于毛细管的弹性作用，毛细管会自动悬空，脱离铜块，此时在毛细管两端通电，使干燥管和富集管迅速升温至200℃，将富集后的采样气体泵入检测器。重复上面步骤，即可完成多次循环检测。

Claims (7)

1.一种基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，包括：

冷头；

具有弹性的干燥管和富集管；

机械手，该机械手具有在低温冷阱处于低温模式时将干燥管和富集管推至冷头处并将干燥管和富集管保持在该位置的第一工作位，以及在低温冷阱处于高温模式下，释放所述干燥管和富集管的第二工作位；

在低温冷阱处于高温模式时，所述干燥管和富集管与冷头之间留有间隙；

所述冷头为斯特林制冷机的冷头；

所述干燥管和富集管为设置在冷头附近的金属毛细管；

所述干燥管和富集管中部为U型的传热段，所述干燥管和富集管两端为迂回设置的连接段。

2.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，所述机械手为正对所述冷头设置的压板，该压板受气缸驱动；所述干燥管和富集管为设置在冷头与压板之间的一组或多组。

3.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，所述机械手正对所述干燥管和富集管的一侧端面上设有隔热凹槽；或者所述机械手正对所述干燥管和富集管的一侧端面上设有凸起。

4.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，在所述机械手处于第一工作位时，所述富集管与所述冷头贴合。

5.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，所述干燥管外壁包覆有耐高温隔热保温层，在所述机械手处于第一工作位时，所述耐高温隔热保温层与所述冷头贴合。

6.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，所述干燥管和富集管两端设有通电接头。

7.根据权利要求1所述的基于运动部件的机械式低温冷阱，其特征在于，所述冷头、干燥管、富集管和机械手设置在一真空罩中。

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