CN113446216B - 高纯流体介质增压装置 - Google Patents

Abstract

一种高纯气体的增压装置，包括制冷系统、载冷剂储罐及循环系统、高纯介质通路和液体增压泵，高纯气体进入本发明增压装置后，首先被输出介质冷却，然后被制冷系统进一步冷却，确保液化及一定的过冷度，防止齿轮泵工作过程出现气蚀，增压后的高纯液体介质被输入介质加热气化，气化过程压力不变，实现了气体介质的增压。本发明把液体增压泵的应用范围从液体扩展到气体，可以获得大流量高压力的气体。本发明使用方便，寿命长，适用于高纯气体的增压场合。

Description

高纯流体介质增压装置

技术领域

本发明涉及高纯气体介质，特别是一种高纯流体介质增压装置。

背景技术

在PandaX为代表的液氙暗物质探测实验中，需要用到纯度为99.9995％以上的氙气，特别是氙气中的氪气含量需要控制到1ppt甚至0.1ppt，必须严防空气的污染，对整个管路及存储系统有严格的密封性要求。暗物质探测器中的光电倍增管、电缆、结构材料等表面吸附的杂质或者自身会释放微量的C、N、O、 H等元素，这些微量元素对暗物质探测器有明显的负面影响，必须经氙气进行持续循环提纯。

为了保证可靠性，现在氙气循环所用的泵为隔膜泵，无动密封。但随着探测器规模的扩大，氙气循环提纯所要求的流量、压力都急剧增加，隔膜泵已经逐渐难以胜任上述要求。并且隔膜泵工作时振动与噪声严重，影响实验室工作人员的健康与效率，隔膜泵所用的膜片受交变应力，寿命有限，需要定期更换，更换期间需要暂停隔膜泵的运行，给暗物质实验探测器的持续运行带来一定的负面影响。

采用屏蔽电机驱动叶片对气体加压的屏蔽泵所要求的叶片转速非常高，单级叶片加压能力不足，目前国内尚无成熟产品，国外的屏蔽气体加压泵的流量、压力也不足，同时面临禁运的可能。所以必须立足于国产设备开发高纯流体介质的增压装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，优化PandaX暗物质探测实验系统的运行稳定性、可靠性，本发明提出一种高纯气体增压装置，该装置可方便的对高纯气体介质增压而不影响高纯气体的纯度，以满足其他工艺需求。后文将以氙气为例说明本发明的工作原理。

本发明的技术解决方案如下：

一种高纯气体的增压装置，其特点在于，包括制冷系统、载冷剂储罐及循环系统、高纯介质通路和液体增压泵：

所述的制冷系统、载冷剂储罐及循环系统包括第一温度计、第二温度计、载冷剂大储罐和载冷剂小储罐、制冷剂返回管道、蒸发器盘管、节流阀、制冷剂输入管道、载冷剂循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门，

所述的载冷剂储罐包括上下两部分，即载冷剂大储罐和载冷剂小储罐，所述的载冷剂大储罐和载冷剂小储罐相通并分别设有第二温度计和第一温度计，在所述的载冷剂小储罐内设有所述的蒸发器盘管，制冷剂储罐输出的制冷剂依次经所述的制冷剂输入管道、节流阀、蒸发器盘管、制冷剂返回管道返回所述的制冷剂储罐；

所述的制冷剂经所述的第三阀门通过管道与所述的载冷剂大储罐的入口相连，在所述的载冷剂小储罐下端的输出口通过管道经所述的循环泵后分别与所述的第一阀门、第二阀门相连，所述的第一阀门的输出端经管道返回所述的制冷剂罐；

所述的高纯介质通路和液体增压泵包括进气管、第一压力传感器、出气管、第二压力传感器、换热器、第一连接管道、第二连接管道、液化盘管、第三连接管道和增压泵，所述的液化盘管设在所述的载冷剂小储罐内，在所述的进气管上设有第一压力传感器，所述的进气管经所述的换热器、第一连接管道进入所述的载冷剂小储罐内并与所述的液化盘管相连，该液化盘管的输出端经所述的第三连接管道、管道增压泵、第二连接管道进入所述的换热器，换热后由所述的换热器的输出口接所述的出气管输出，在所述的出气管设有第二压力传感器。.

所述的液化盘管被所述的制冷系统直接冷却或通过载冷剂冷却。

所述的增压泵和循环泵为齿轮泵，无动密封。

所述的制冷系统包括压缩机制冷、半导体制冷、或者低温介质制冷。

本发明工作原理如下：

高纯气体进入增压装置后，首先被输出介质冷却，然后被制冷系统进一步冷却，确保液化及一定的过冷度，防止齿轮泵工作过程出现气蚀。增压后的高纯液体介质被输入介质加热气化，气化过程压力不变，实现了气体介质的增压。

与现有技术相比，本发明的优势是：

第一，克服了隔膜泵振动剧烈、噪声强、寿命有限的问题；

第二，可获得比隔膜泵更高的输出压力输出流量，实验装置提纯设备时有更大的选择空间；

第三，本发明把液体增压泵的应用范围从液体扩展到气体，可以获得大流量高压力的气体。

第四，本发明使用方便，寿命长，适用于高纯气体的增压场合。

第五，本发明装置可增压的介质不限于高纯氙气，对其液化点不太低的高纯气体都可以使用本发明的装置增压。

附图说明

图1为本发明高纯流体介质增压装置工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例及使用方法进行详细说明，但本发明可以由权利要求限定和覆盖多种不同方式实施。

先请参阅图1，图1为本发明高纯流体介质增压装置工作原理图，由图可见，本发明一种高纯气体的增压装置，包括制冷系统、载冷剂储罐及循环系统、高纯介质通路和液体增压泵。

所述的制冷系统、载冷剂储罐及循环系统包括第一温度计21、第二温度计 22、载冷剂大储罐23和载冷剂小储罐24、制冷剂返回管道25、蒸发器盘管26、节流阀27、制冷剂输入管道28、载冷剂循环泵29、第一阀门30、第二阀门31、第三阀门32，所述的载冷剂储罐包括上下两部分，即载冷剂大储罐23和载冷剂小储罐24，所述的载冷剂大储罐23和载冷剂小储罐24相通并分别设有第二温度计22和第一温度计21，在所述的载冷剂小储罐24内设有所述的蒸发器盘管 26，制冷剂储罐(图中未示)输出的制冷剂依次经所述的制冷剂输入管道28、节流阀27、蒸发器盘管26、制冷剂返回管道25返回所述的制冷剂储罐；

所述的制冷剂经所述的第三阀门32通过管道与所述的载冷剂大储罐23的入口相连，在所述的载冷剂小储罐24下端的输出口通过管道经所述的循环泵29 后分别与所述的第一阀门30、第二阀门31相连，所述的第一阀门30的输出端经管道返回所述的制冷剂罐。

所述的高纯介质通路和液体增压泵包括进气管1、第一压力传感器2、出气管3、第二压力传感器4、换热器5、第一连接管道6、第二连接管道7、液化盘管8、第三连接管道9和增压泵10，所述的液化盘管8设在所述的载冷剂小储罐24内，在所述的进气管1上设有第一压力传感器2，所述的进气管1经所述的换热器5、第一连接管道6进入所述的载冷剂小储罐24内并与所述的液化盘管8相连，该液化盘管8的输出端经所述的第三连接管道9、管道增压泵10、第二连接管道7进入所述的换热器5，换热后由所述的换热器5的输出口接所述的出气管3输出，在所述的出气管3设有第二压力传感器4。

所述的液化盘管8被所述的制冷系统直接冷却或通过载冷剂冷却。所述的增压泵10和循环泵29为齿轮泵，无动密封。所述的制冷系统包括压缩机制冷、半导体制冷、或者低温介质制冷。

实施例

本实施例中高纯气体是高纯氙，氙气的三相点温度为-111.74℃，三相点压力0.0816MPa，低于这个温度，氙气会直接变为固态氙，失去流动能力。实际上氙凝固点受气压影响不大，在0.08MPa～0.5MPa范围内熔点变化不超过0.1℃，所以控制乙醇制冷剂的温度不低于-110℃即可避免固态氙的产生。

因为PandaX暗物质探测器的设计绝对压力为0～0.35MPa，实际工作时绝对压力一般为0.1～0.25MPa，所对应的氙气沸点如表格1所列。可见在较大的压力范围内都可以实现氙气的可靠液化。

表格1不同压力的氙气沸点

本实施例采用压缩机式低温制冷系统提供冷源，液化氙气，同时采用换热器提高了冷量的使用效率。高纯氙气首先进入板式换热器与增压后的低温液态氙进行热交换，降低氙气温度甚至液化的同时加热输出介质，以充分利用液态氙的冷量并确保输出的氙为气态。如果需要对其他高纯气体增压，可根据实际气体的相图及输入压力等条件确定制冷系统的额定工作温度，或者采用其他原理的制冷系统。

低温制冷系统采用乙醇载冷剂，载冷剂储罐分为上下两部分，上储罐直径大容积大，可盛放较多乙醇；下储罐直径小，盛放的乙醇也较少，在低温制冷系统开启后可迅速到达期望的温度。下储罐内有制冷系统蒸发器盘管、氙气液化盘管以及测量载冷剂温度的传感器，蒸发器盘管通过乙醇冷却氙气液化盘管，使氙气在盘管内液化，乙醇既作为导热介质，又作为热容介质避免氙气盘管外侧温度剧烈变化，以适应压缩机不能频繁启停及氙气进口压力不稳定的工况。在蒸发器输出的冷量长时间大于氙气液化所需要的冷量时，可以开启载冷剂循环泵，多余的冷量用于冷却大储罐内的制冷剂。氙气盘管具有较大的长度及直径，同时作为液态氙的存储缓冲容器。

在氙气盘管内出现液态氙时，可以开启液体增压泵，增压之后的液态氙与液化前的常温气态氙换热后气化，此时气态氙仍然能维持较高的压力，可把氙气通入气体纯化器等设备进行提纯。

使用前预处理：本发明装置中，高纯氙进入的部分包括进气管1、出气管3、板式换热器5、连接管道6、连接管道7、冷却盘管8、连接管道9及齿轮泵10。为了避免其中的空气污染高纯氙，需要事先抽真空至1E-4Pa。考虑到温度的影响，尽量在抽真空结束后开启制冷系统。

开机及初期运行工况：

在本发明的增压装置接入上述系统的管路后，进气管1、出气管3、板式换热器5、连接管道6、连接管道7、冷却盘管8、连接管道9及齿轮泵10各处均为氙气并且压力相等，从第一压力传感器2、第二压力传感器4可分别获得进气管1、出气管2的实时压力。此时开启制冷系统，制冷剂进入管道28经节流阀 27节流后，气化后的低温制冷剂进入所述的蒸发器盘管26，冷却载冷剂小储罐 24内的乙醇，乙醇温度逐渐降低，从所述的第一温度计21即可获得此处乙醇的温度，乙醇同时作为导热介质逐渐冷却氙气盘管8。当氙气盘管8内壁的温度到氙气的露点时，开始出现液态氙并逐渐增多，其重力超出表面张力后会沿盘管内壁流向下方的第二连接管9，并在其中汇集，如果液态氙较多，其液面可能上升至氙气盘管8内。在第二连接管9内出现液态氙时，说明增压装置已经准备完毕。

增压运行工况：

当第一温度计21显示载冷剂小储罐24内的乙醇温度低于-105℃且持续时间 15分钟以上时，开启由伺服电机(图中未示)驱动的增压泵齿轮泵10，低速启动为宜，液态氙缓慢从第二连接管9进入第三连接管7直至进入换热器5与进入的常温氙气换热后气化，气化的氙气压力不会低于齿轮泵10的输出压力，氙气可实现增压。随后逐步提高齿轮泵10驱动伺服电机的转速提高流量，从而增加排气管3内高纯氙气的流量与压力直至到达额定工况。所述的齿轮泵10的输出峰值压力可达2MPa，从而高纯氙气的输出压力也可以保证2MPa。在第二压力传感器4超压报警时，可降低齿轮泵10的驱动伺服电机的转速甚至停止驱动。

载冷剂小储罐24内的乙醇温度冷却到-105℃且持续温度持续下降时，可关第一闭阀门30和第三阀门32，开启第二阀门31后，开启所述的循环泵齿轮泵29，齿轮泵29的流量根据第2温度计22测量的载冷剂大储罐23内的乙醇温度确定，温度越高，流量越小。当大储罐23、小储罐24内的乙醇温度都到-110℃时可临时关闭压缩机以节省电力，用乙醇载冷剂储存的冷量液化氙气，如果第一温度计21、第二温度计22显示载冷剂温度都升温到-103℃时，则再次开启压缩机(图中未示)进行制冷。

制冷机运行工况：

本发明装置的制冷系统可独立运行，此时没有高纯气体加压，制冷系统在装置内部没有热载荷，可关闭第二阀门31，打开第一阀门30、第三阀门32，开启循环泵29，对外输出低温乙醇。

本发明装置可增压的介质不限于高纯氙气，对其液化点不太低的高纯气体都可以使用本发明的装置增压。

实验表明，本发明先把氙气降温液化，用液体增压泵增压后再通过热交换器与输入的氙气热交换，并同时降低了对冷却模块的制冷功率需求，气化后输出。因为液态氙密度约为标准状态氙气密度的500倍，避免了气体增压泵对高转速的要求，所用的液体增压泵为齿轮泵，单级增压能力强，可达2MPa甚至更高压力。所用的齿轮泵用磁联轴器驱动，没有动密封，不会带来额外污染。本发明的关键是在不同的输入工况时都能高效、可靠的液化氙气。本发明克服了隔膜泵振动剧烈、噪声强、寿命有限的问题；可获得比隔膜泵更高的输出压力输出流量，选择实验装置提纯设备时有更大的选择空间；本发明装置可增压的介质不限于高纯氙气，对其液化点不太低的高纯气体都可以使用本发明的装置增压。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高纯气体的增压装置，其特征在于，包括制冷系统、载冷剂储罐和循环系统，以及高纯介质通路和液体增压泵：

所述的制冷系统、载冷剂储罐及循环系统包括第一温度计(21)、第二温度计(22)、载冷剂大储罐(23)和载冷剂小储罐(24)、制冷剂返回管道(25)、蒸发器盘管(26)、节流阀(27)、制冷剂输入管道(28)、载冷剂循环泵(29)、第一阀门(30)、第二阀门(31)、第三阀门(32)，

所述的载冷剂储罐包括上下两部分，即载冷剂大储罐(23)和载冷剂小储罐(24)，所述的载冷剂大储罐(23)和载冷剂小储罐(24)相通并分别设有第二温度计(22)和第一温度计(21)，在所述的载冷剂小储罐(24)内设有所述的蒸发器盘管(26)，制冷剂储罐输出的制冷剂依次经所述的制冷剂输入管道(28)、节流阀(27)、蒸发器盘管(26)、制冷剂返回管道(25)返回所述的制冷剂储罐；

所述的制冷剂经所述的第三阀门(32)通过管道与所述的载冷剂大储罐(23)的入口相连，在所述的载冷剂小储罐(24)下端的输出口通过管道经所述的循环泵(29)后分别与所述的第一阀门(30)、第二阀门(31)相连，所述的第一阀门(30)的输出端经管道返回所述的制冷剂罐；

所述的高纯介质通路和液体增压泵包括进气管(1)、第一压力传感器(2)、出气管(3)、第二压力传感器(4)、换热器(5)、第一连接管道(6)、第二连接管道(7)、液化盘管(8)、第三连接管道(9)和增压泵(10)，所述的液化盘管(8)设在所述的载冷剂小储罐(24)内，在所述的进气管(1)上设有第一压力传感器(2)，所述的进气管(1)经所述的换热器(5)、第一连接管道(6)进入所述的载冷剂小储罐(24)内并与所述的液化盘管(8)相连，该液化盘管(8)的输出端经所述的第三连接管道(9)、管道增压泵(10)、第二连接管道(7)进入所述的换热器(5)，换热后由所述的换热器(5)的输出口接所述的出气管(3)输出，在所述的出气管(3)设有第二压力传感器(4)。

2.根据权利要求1所述的高纯气体的增压装置，其特征在于，所述的液化盘管(8)被所述的制冷系统直接冷却或通过载冷剂冷却。

3.根据权利要求1所述的高纯气体的增压装置，其特征在于，所述的增压泵(10)为齿轮泵，无动密封。

4.根据权利要求1所述的高纯气体的增压装置，其特征在于，所述的制冷系统包括压缩机制冷、半导体制冷、或者低温介质制冷。