CN112629073A - 一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微流动系统领域，公开了一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其中：入口端容器和出口端容器用于存储工作介质，入口端容器、进气管路、冷端容器、石英微管、热端容器、出气管路、出口端容器顺次串联成为微流体通道；恒温冷水源通过冷水输入管连接至冷端容器外部，以对冷端容器进行水浴降温，维持冷端容器恒温；恒温热水源通过热水输入管连接至热端容器外部，以对热端容器进行水浴加热，维持热端容器恒温；由此，在石英微管两端获得稳定的温差，驱动工作介质由冷端向热端流动，从而在热端增压。本发明可实现通过努森压缩机在冷热水温差驱动下对气体进行增压的目的。

Description

一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统
技术领域
本发明属于微流动系统领域，更具体地，涉及一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统。
背景技术
微电子机械系统(MEMS)指由电子和微机械元件组成的集成化的微器件或系统。近年来，随着微机电系统的加工技术和材料技术日渐成熟，微机电系统显示出了蓬勃的发展潜力，其在生物医疗、航空航天以及化工机械等领域都得到了越来越广泛的应用。其中，努森压缩机是一种以微/纳尺度下的热流逸效应为工作原理的元器件，其由温度梯度来驱动介质流动，主要结构由微通道与连接通道组成。相比常规压缩机，努森压缩机可在无运动部件下实现流体介质传输，具有可靠性高、寿命长、传输过程精确可控等优点，在微机械和微流控系统中极具应用前景。随着微电子机械系统(MEMS)以及材料科学的发展，努森压缩机的实际制备和应用潜力越来越受到重视。本发明则致力于提供一种新型结构的努森压缩机增压系统，为努森压缩机的发展提供一个新的方向。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其目的在于，提供一种全新结构形式的努森压缩机增压系统，其利用冷热水形成的温差驱动气体进行增压，易于进行实时控制，保持工作状态稳定。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，包括恒温热水源、热水输入管、恒温冷水源、冷水输入管、冷端容器、热端容器、石英微管、入口端容器、进气管路、出口端容器以及出气管路，其中：
入口端容器和出口端容器用于存储工作介质，入口端容器、进气管路、冷端容器、石英微管、热端容器、出气管路、出口端容器顺次串联成为微流体通道；
恒温冷水源通过冷水输入管连接至冷端容器外部，以对冷端容器进行水浴降温，维持冷端容器恒温；恒温热水源通过热水输入管连接至热端容器外部，以对热端容器进行水浴加热，维持热端容器恒温；由此，在石英微管两端获得稳定的温差，驱动工作介质由冷端向热端流动，从而在热端增压。
进一步地，还包括冷端外套管、热端外套管、冷水输出管以及热水输出管；冷端外套管套于冷端容器外部，冷端外套管的入水口连接冷水输入管，冷端外套管的出水口通过冷水输出管连接恒温冷水源以进行回流；热端外套管套于热端容器外部，热端外套管的入水口连接热水输入管，热端外套管的出水口通过热水输出管连接恒温热水源以进行回流。
进一步地，还包括冷端温度传感器、热端温度传感器、微压差传感器以及压力传感器；冷端温度传感器用于监测冷端温度Tc，热端温度传感器用于监测热端温度Th；微压差传感器的高压端与热端容器连接，低压端与冷端容器连接，从而监测冷热端的压力差，压力传感器用于监测冷端工作介质的初始压力。
进一步地，还包括冷水温度传感器和热水温度传感器；冷水温度传感器用于监测冷端外套管的温度TL，热水温度传感器用于监测热端外套管的温度TH。
进一步地，还包括冷端压力传感器和热端压力传感器，冷端压力传感器用于监测石英微管冷端压力P1，热端压力传感器用于监测石英微管热端压力P2。
进一步地，还包括质量流量计，设于入口端容器和冷端容器之间，用于监测工作介质质量流量。
进一步地，还包括控制器，该控制器连接恒温热水源、恒温冷水源、质量流量计、冷端温度传感器、热端温度传感器、压力传感器以及微压差传感器。
进一步地，冷端容器和热端容器均为铜管构造。
进一步地，还包括热水阀门、冷水阀门入口端阀门和出口端阀门；热水阀门设于热水输入管上，冷水阀门设于冷水输入管上；入口端阀门设于入口端容器和冷端容器之间，出口端阀门设于出口端容器和热端容器之间。
进一步地，工作介质为气体。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的冷热水温差驱动的新型努森压缩机装置，努森压缩机作为一种使用热能驱动的微传输机械，其利用冷热水形成的温差驱动工作介质进行增压。其可直接利用低品位热能(如地热、余热及太阳能等)，且具有结构简单、无运动部件等优点，该工作介质可以为气体，在气体运输、气体分离领域有广阔的应用前景。
2、本发明针对努森压缩机，设计了一种可实时控制的冷热水温差驱动努森压缩机增压系统，主要通过水浴对努森压缩机两端进行温度调节，并使用温度传感器对水浴温度进行监控，使努森压缩机两端容器保持恒定温差，从而对气体进行增压。同时，使用微压差传感器对努森压缩机两端容器内部压差进行测量，得到努森压缩机两端压力差，从而对努森压缩机增压性能进行实时监测。
附图说明
图1是本发明优选实施例的努森压缩机增压系统原理图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-恒温热水源，2-热水阀门，3-热水输入管，4-恒温冷水源，5-冷水阀门，6-冷水输入管，7-冷端温度传感器，8-热端温度传感器，9-冷端容器，10-石英微管，11-热端容器，12-冷水输出管，13-热水输出管，14-微压差传感器，15-控制器，16-入口端容器，17-入口端阀门，18-质量流量计，19-出口端阀门，20-出口端容器，21-压力传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的优选实施例公开了一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其工作内容包括：实时监测努森压缩机试验系统的增压性能；通过温控对冷水浴与热水浴的水温进行控制，可以通过冷热两端容器内气体温度差值实现对流体介质增压的努森压缩机系统。
本发明可实现在无运动部件下对流体介质实现增压目的，优选地，本发明的系统结构如图1所示，其包括：核心部件努森压缩机装置(即实线方框内的装置)，该装置包括依次串联的冷端容器9、石英微管10以及热端容器11，内部流动介质为气体介质，冷端容器9和热端容器11均选为铜管结构。
努森压缩机装置中的冷端容器9外壁设置冷端外套管，冷端外套管与冷端容器9的外壁之间为水浴部分，该部分包括进水口与出水口，分别与恒温冷水源4本实施例优选为恒温冷水泵的冷水输入管6与冷水输出管12连接；装置中的热端容器11外壁也设置热端外套管，热端外套管与热端容器11的外壁之间为水浴部分，其包括进水口与出水口，分别与恒温热水源1本实施例优选为恒温热水泵的热水输入管3与热水输出管13连接。
冷水输入管6，前端通过冷水阀门5与恒温冷水源4连接，使得冷水在冷端容器9的冷端外套管内形成努森压缩机冷端，使得冷端容器9内气体介质维持相对应的恒定低温；冷水输入管6与冷端外套管的进水口连接，冷端外套管出水口的冷水通过冷水输出管12回流到恒温冷水源4，进行恒温处理；热水输入管3，前端通过阀门2与恒温热水泵1连接，使得热水在热端容器外套管内形成努森压缩机热端，使得热端容器11内的气体介质维持相对应的恒定高温；热水输出管13，与热端容器外套管出口连接，使得热水回流到恒温热水源1，进行恒温处理。
本实施例中工作介质为气体，在增压过程开始前储存在入口端容器16中，由入口端阀门17控制气流流通。在增压开始时，打开入口端阀门17，使气体流入被测努森压缩机中，并由质量流量计18监测气体介质的质量流量。通过努森压缩机的气体由出口端阀门19控制流入出口端容器20内。
石英微管，是本发明的努森压缩机的核心工作部件，一端插入冷端容器9，另一端插入热端容器11，内部在两端恒温作用下产生稳定温差；冷端温度传感器7与上述冷端容器9接触，热端温度传感器8与上述热端容器11接触，从而分别监测两个端部容器的温度；微压差传感器14的低压端与冷端容器9进口连接，其高压端与热端容器11出口连接，用以实时监测冷热两端容器内气体压差，即努森压缩机的增压性能。
本实施例还设有无纸记录仪，其与低温端温度传感器7、高温端温度传感器8以及微压差传感器14相连接，用以实时记录气体压差值与气体温度。
本发明的主要工作原理如下：本发明提出的由冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其核心部分主要包括冷端容器9、热端容器11以及连接两容器的石英微管10三部分。努森压缩机通过热能进行驱动，通过水浴方式，给努森压缩机两端容器9、11分别构造高温及低温条件，让两端容器形成温度差。同时由于努森压缩机石英微管10特征尺寸较小，在其内部，气流会在热流逸作用下由冷端向热端流动，导致热端容器11内部压力逐渐升高，最后在努森压缩机冷热容器两端形成压力差，其压力由热端容器11向冷端容器9减小。通过上述方法，实现本系统对气体进行增压的目的。
在上述优选实施例中，本系统通过水浴装置，分别在努森压缩机冷热容器外壁设置外套管，通过对外套管内注入冷水及热水，使努森压缩机两端容器9、11形成温度差，从而使努森压缩机内部气体在热流逸效应的作用下由冷端向热端流动，最终在两端容器9、11形成压力差，达到对气体进行增压的目的。再使用微压差传感器14对努森压缩机两端容器内部压力进行实时监测。
本实施例的主要工作流程如下：开始前，检测温度传感器示数与室温一致，两端容器内气体介质温度差值为零，微压差传感器的示数为零，即努森压缩机此时不具备增压性能。系统连接电源，设定恒温热水源及恒温冷水源的温度，然后开启增压过程，将热水阀门2与冷水阀门5打开，恒温冷水与恒温热水通过输水管道3、6进入端部容器外套管内，分别对端部容器进行恒温处理，一段时间后，温度传感器显示对应的恒定温度，微压差传感器显示恒定压差值，读取结果，即为该努森压缩机在此温差条件下的增压性能。关闭热水阀门2与冷水阀门5，切断电源，增压结束。
通过改变设定的恒温热水源和冷水源间的温度差，即可控制努森压缩机两端温差大小，实现针对流体介质的形成不同的增压效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，包括恒温热水源(1)、热水输入管(3)、恒温冷水源(4)、冷水输入管(6)、冷端容器(9)、热端容器(11)、石英微管(10)、入口端容器(16)、进气管路、出口端容器(20)以及出气管路，其中：
入口端容器(16)和出口端容器(20)用于存储工作介质，入口端容器(16)、进气管路、冷端容器(9)、石英微管(10)、热端容器(11)、出气管路、出口端容器(20)顺次串联成为微流体通道；
恒温冷水源(4)通过冷水输入管(6)连接至冷端容器(9)外部，以对冷端容器(9)进行水浴降温，维持冷端容器(9)恒温；恒温热水源(1)通过热水输入管(3)连接至热端容器(11)外部，以对热端容器(11)进行水浴加热，维持热端容器(11)恒温；由此，在石英微管(10)两端获得稳定的温差，驱动工作介质由冷端向热端流动，从而在热端增压。
2.如权利要求1所述的一种冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括冷端外套管、热端外套管、冷水输出管(12)以及热水输出管(13)；冷端外套管套于冷端容器(9)外部，冷端外套管的入水口连接冷水输入管(6)，冷端外套管的出水口通过冷水输出管(12)连接恒温冷水源(4)以进行回流；热端外套管套于热端容器(11)外部，热端外套管的入水口连接热水输入管(3)，热端外套管的出水口通过热水输出管(13)连接恒温热水源(1)以进行回流。
3.如权利要求2所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括冷端温度传感器(7)、热端温度传感器(8)、微压差传感器(14)以及压力传感器(21)；冷端温度传感器(7)用于监测冷端温度Tc，热端温度传感器(8)用于监测热端温度Th；微压差传感器(14)的低压端与冷端容器(9)进口连接，微压差传感器(14)的高压端与热端容器(11)出口连接，从而监测冷热端的压力差；压力传感器(21)用于监测冷端工作介质的初始来流压力。
4.如权利要求2所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括冷水温度传感器和热水温度传感器；冷水温度传感器用于监测冷端外套管的温度TL，热水温度传感器用于监测热端外套管的温度TH。
5.如权利要求4所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括冷端压力传感器和热端压力传感器，冷端压力传感器用于监测石英微管(10)冷端压力P1，热端压力传感器用于监测石英微管(10)热端压力P2。
6.如权利要求5所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括质量流量计(18)，设于入口端容器(16)和冷端容器(9)之间，用于监测工作介质质量流量。
7.如权利要求6所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括控制器，该控制器连接恒温热水源(1)、恒温冷水源(4)、质量流量计(18)、冷端温度传感器(7)、热端温度传感器(8)、压力传感器(21)以及微压差传感器(14)。
8.如权利要求1～7任一项所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，冷端容器(9)和热端容器(11)均为铜管构造。
9.如权利要求1～7任一项所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，还包括热水阀门(2)、冷水阀门(5)、入口端阀门(17)和出口端阀门(19)，热水阀门(2)设于热水输入管(3)上，冷水阀门(5)设于冷水输入管(6)上；入口端阀门(17)设于入口端容器(16)和冷端容器(9)之间，出口端阀门(19)设于出口端容器(20)和热端容器(11)之间。
10.如权利要求1～7任一项所述的冷热水温差驱动的努森压缩机增压系统，其特征在于，工作介质为气体。
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Application publication date: 20210409