CN114017283A - 一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，包括压缩机和冷阱管路，压缩机出口端连接有油分离器，油分离器油出口端上连接有回油管路，回油管路另一端连接压缩机进口端；油分离器气出口端通过一三通电磁阀连接有加热管路和制冷管路；加热管路另一端连接冷阱管路进口端并通过冷阱管路出口端连接压缩机进口端；制冷管路另一端依次经过水冷冷凝器、干燥器和五级制冷组件后连接冷阱管路进口端并通过冷阱管路出口端连接压缩机进口端；本技术方案的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，过对管路进行改进，提高换热器换热制冷效率，获得超低温冷媒，通过油气分离组件结构的改进，提高油分离器油气分离率。
Description
技术领域
本发明属于超低温水汽捕集技术领域，更具体的说涉及一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵。
背景技术
在使用油扩散泵、分子泵抽真空的过程中，空间中80％以上的残余气体是水蒸气、油蒸气以及一些高沸点的蒸汽，这类残余气体在高真空状态下，抽取难度大、速度慢，而且残余气体的存在不仅会影响真空度也会污染生产实验工件，为解决这一问题，现有技术中提出了超低温捕集泵。
超低温捕集泵的工作原理是将一个低温的制冷盘管放置在真空室中，通过其表面的低温冷凝效应，迅速捕集真空系统中的残余气体，从而大大缩短抽真空的时间并获得洁净的真空环境，为实验提供条件，被广泛应用于航天领域外太空真空低温环境模拟试验、高真空度镀膜、深低温环境营造等，适用于真空镀膜、科研院所、军事航空及生物制药等行业。
超低温水汽捕集泵通常由压缩机和若干换热元件等器件组成，现有技术中，为获得超低温，换热元件及其管路复杂，且冷媒经过多个换热元件换热后往往难以达到预期或理想的低温，换热组件换热率低，严重影响超低温捕集泵的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，解决现有技术中存在的问题。
本发明技术方案一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，包括压缩机和置于真空区内的冷阱管路，其特征在于，压缩机的出口端连接有油分离器，油分离器的油出口端上连接有回油管路，回油管路的另一端连接压缩机的进口端；
油分离器的气出口端通过一三通电磁阀连接有加热管路和制冷管路；
加热管路的另一端连接冷阱管路的进口端并通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端；
制冷管路的另一端依次经过水冷冷凝器、干燥器和五级制冷组件后连接冷阱管路的进口端并通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端；五级制冷组件包括与干燥器的出口端连接的一级换热器和依次设置在一级换热器后部的二级换热器、三级换热器、四级换热器和五级换热器；一级换热器的热端入口与干燥器的出口端连接；
一级换热器的热端出口上连接有一级气液分离器，一级气液分离器的气出口端与二级换热器的热端入口连接，一级气液分离器的液出口端与三级换热器的热端入口连接；二级换热器的热端出口上连接有二级气液分离器，二级气液分离器的气出口端与三级换热器的热端入口连接，二级气液分离器的液出口端与四级换热器的热端入口连接；三级换热器的热端出口上连接有三级气液分离器，三级气液分离器的气出口端与四级换热器的热端入口连接，三级气液分离器的液出口端与五级换热器的热端入口连接；
五级换热器的热端出口连接有一三通控制阀，三通控制阀的一出口连接冷阱管路的进口端，三通控制阀的另一出口上连接有循环回路，循环回路的另一端连接五级换热器的冷端入口，并通过五级换热器的冷端出口连接四级换热器的冷端入口，然后通过四级换热器的冷端出口连接三级换热器的冷端入口，再通过三级换热器的冷端出口连接二级换热器的冷端入口，再后通过二级换热器的冷端出口连接一级换热器的冷端入口，最后通过一级换热器的冷端出口连接压缩机的进口端；冷阱管路的出口端与四级换热器的冷端入口连接。
优选地，一级气液分离器的气出口端上还连接有平衡管路，平衡管路包括气体暂存罐，气体暂存罐的入口通过三通换向阀与压缩机的进口端连接。
优选地，油分离器包括柱形的密封箱体、设置在密封箱体上的气体入口、气体出口、油出口和设置在密封箱体内的油气分离组件，气体出口设置在密封箱体顶部并位于油气分离组件上部，气体入口和油出口均设置在密封箱体底部且位于油气分离组件下部；
油气分离组件包括呈上下位置且相间设置的外环分离筛网和内环分离筛网，内环分离筛网呈半球形，外环分离筛网呈环状且内径小于内环分离筛网外径，外环分离筛网外径与密封箱体内径相适应；
外环分离筛网的横截面包括呈轴对称状的两圆弧和连接在两圆弧之间的直线段，圆弧的顶点朝向呈半球形的内环分离筛网的边沿；内环分离筛网和外环分离筛网之间留有间距且内环分离筛网和外环分离筛网的凸面均朝向密封箱体底部设置。
优选地，油气分离组件的最底层和最顶层均为内环分离筛网，气体入口和气体出口分别朝向最底层的内环分离筛网的凸面和最顶层的内环分离筛网的凹面。
优选地，密封箱体内侧面上焊接有挂环，外环分离筛网和内环分离筛网的外边沿均焊接有与挂环相适应的挂钩。
本发明技术方案的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵的有益效果是：
1、通过对管路进行改进，提高换热器换热制冷效率，获得超低温冷媒。
2、通过油气分离组件结构的改进，提高油分离器油气分离率。
附图说明
图1为本技术方案的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵的结构示意图，
图2为本发明技术方案中的油分离器横截面示意图，
图3为外环分离筛网和内环分离筛网结构示意图，
图4为内环分离筛网安装示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明技术方案一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，包括压缩机1和置于真空区内的冷阱管路5。压缩机的出口端连接有油分离器2，油分离器的油出口端上连接有回油管路01，回油管路的另一端连接压缩机的进口端。经过压缩机压缩出的高温高压冷媒中含有少量的压缩机机油，通过油分离器2进行油气分离，获得纯净无油的冷媒进入冷阱管路5，一方面便于后续对冷媒进行降温，另一方方面对冷阱管路5进行保护，还确保压缩机中的机油不损失，确保压缩机的正常工作。
上述技术方案中，油分离器2包括柱形的密封箱体21、设置在密封箱体21上的气体入口22、气体出口24、油出口23和设置在密封箱体21内的油气分离组件20。气体出口24设置在密封箱体21顶部并位于油气分离组件20上部，气体入口22和油出口23均设置在密封箱体21底部且位于油气分离组件20下部。由压缩机输出的油气混合冷媒经过气体入口22进入密封箱体21内，并向上运动，气体穿过油气分离组件20由气体出口24排出，油在上升过程中附着在油气分离组件20上，最后在自身重力作用下滴落，并由油出口排出循环回流至压缩机内。
本技术方案中，油气分离组件20包括呈上下位置且相间设置的外环分离筛网26和内环分离筛网25。内环分离筛网25呈半球形，如图3中所示结构。外环分离筛网26呈环状且内径小于内环分离筛网外径，外环分离筛网外径与密封箱体内径相适应，如图3中所述结构。外环分离筛网26的横截面包括呈轴对称状的两圆弧和连接在两圆弧之间的直线段，圆弧的顶点朝向呈半球形的内环分离筛网的边沿。内环分离筛网和外环分离筛网之间留有间距且内环分离筛网和外环分离筛网的凸面均朝向密封箱体底部设置。
基于上述技术方案，油气混合物经过气体入口22后上升并与最低层的内环分离筛网25的凸面接触，与内环分离筛网25碰撞后，混合气向外扩散，部分混合气穿过内环分离筛网25并继续向上运动，部分混合气由内环分离筛网25边上继续上述并被上部的外环分离筛网26拦截。混合气被拦截后，冷气气体分子能够穿过筛网继续上升，而油气分子为有机分子，直径较大，油气在碰撞后减速或反向向下运动，部分减速向上的油气分子被上部的外环分离筛网26或内环分离筛网25再次拦截，最终实现油气分子的全部拦截。
本发明技术方案的油气分离组件20结构，通过外环分离筛网26和内环分离筛网25结构的设置，一方面实现油气分子的最大限度拦截，同时也能够确保冷媒气体分子的快速无障碍上升，实现油气的快速的彻底的分离。且外环分离筛网26和内环分离筛网25结构的设置大大降低了每一层分离筛网的拦截压力，提高了油分离器2分离效率且延长了油分离器2的使用寿命。
油气分离组件的最底层和最顶层均为内环分离筛网，气体入口和气体出口分别朝向最底层的内环分离筛网的凸面和最顶层的内环分离筛网的凹面。本技术方案的设置，最大限度的实现混合气的分散和拦截，提高分离效率和分离率。
如图2和天图4所示，密封箱体21内侧面上焊接有挂环27，外环分离筛网和内环分离筛网的外边沿均焊接有与挂环相适应的挂钩28。在外环分离筛网和内环分离筛网安装时，首先由密封箱体21顶部向下放置，轴线将外环分离筛网或内环分离筛网旋转，避免挂环和挂钩相对，在外环分离筛网或内环分离筛网到达指定位置上部一点点距离后，旋转外环分离筛网或内环分离筛网，使得挂钩和挂环相对，然后继续将外环分离筛网和内环分离筛网向下放置，使得挂钩挂于挂环上，即实现了外环分离筛网或内环分离筛网的安装。综上安装过程快速简单，且安装后的外环分离筛网和内环分离筛网稳定性好，不会因气流作用出现晃动或倾斜的问题。
如图1所示，本发明技术方案中，油分离器的气出口端通过一三通电磁阀连接有加热管路02和制冷管路03。加热管路02的另一端连接冷阱管路的进口端并通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端。在真空区需要回复压力前，首先通过加热管路和冷阱管路对真空区进行加热，提高真空区温度，避免因真空区温度过低导致的水气凝结出现水珠等问题，确保真空区的干燥。
如图1所示，制冷管路03的另一端依次经过水冷冷凝器3、干燥器14和五级制冷组件后连接冷阱管路5的进口端，然后通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端。五级制冷组件包括与干燥器14的出口端连接的一级换热器7和依次设置在一级换热器6后部的二级换热器7、三级换热器8、四级换热器9和五级换热器10。一级换热器6的热端入口与干燥器14的出口端连接。通过连续串接的5级换热器实现对冷媒进行制冷，获得需要的超低温冷媒。
如图1所示，一级换热器的热端出口上连接有一级气液分离器11，一级气液分离器的气出口端与二级换热器的热端入口连接，一级气液分离器的液出口端与三级换热器的热端入口连接。二级换热器的热端出口上连接有二级气液分离器12，二级气液分离器的气出口端与三级换热器的热端入口连接，二级气液分离器的液出口端与四级换热器的热端入口连接三级换热器的热端出口上连接有三级气液分离器13，三级气液分离器的气出口端与四级换热器的热端入口连接，三级气液分离器的液出口端与五级换热器的热端入口连接。本技术方案中，将经过一级换热器降温获得是冷媒输入一级气液分离器，一级气液分离器将液体冷媒直接进入三级换热器，而气体冷媒进入二级换热器，使得二级换热器对气体冷媒进行最大限度的降温，依次类推，通过三级气液分离器实现冷媒的最大限度换热降温，获得超低温冷媒。通过三个气液分离器设置，提高换热器换热制冷效率，获得超低温冷媒。
如图1所示，本技术方案中，五级换热器10的热端出口连接有一三通控制阀，三通控制阀的一出口连接冷阱管路的进口端，三通控制阀的另一出口上连接有循环回路04。循环回路04的另一端连接五级换热器的冷端入口，并通过五级换热器的冷端出口连接四级换热器的冷端入口，然后通过四级换热器的冷端出口连接三级换热器的冷端入口，再通过三级换热器的冷端出口连接二级换热器的冷端入口，再后通过二级换热器的冷端出口连接一级换热器的冷端入口，最后通过一级换热器的冷端出口连接压缩机的进口端；冷阱管路的出口端与四级换热器的冷端入口连接。本技术方案的设置，将经过对真空区进行制冷的冷媒重复利用至换热器内，提高冷媒利用效率，节能降本。
本技术方案中，五级换热器10的五级换热器的冷端入口连接有补充管路05，通过向五级换热器10内外补制冷介质，进一步实现确保五级换热器10输出且进入冷阱管路5达到需要的低温。
本技术方案中，如图1所示，一级气液分离器11的气出口端上还连接有平衡管路06，平衡管路包括气体暂存罐4，气体暂存罐的入口通过三通换向阀与压缩机的进口端连接。当压缩机或一级气液分离器11中输出的气体压力过大时，可以通过平衡管路将气体暂存在气体暂存罐4内，确保整个泵系统的正常工作。
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，包括压缩机和置于真空区内的冷阱管路，其特征在于，压缩机的出口端连接有油分离器，油分离器的油出口端上连接有回油管路，回油管路的另一端连接压缩机的进口端；
油分离器的气出口端通过一三通电磁阀连接有加热管路和制冷管路；
加热管路的另一端连接冷阱管路的进口端并通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端；
制冷管路的另一端依次经过水冷冷凝器、干燥器和五级制冷组件后连接冷阱管路的进口端并通过冷阱管路的出口端连接压缩机的进口端；五级制冷组件包括与干燥器的出口端连接的一级换热器和依次设置在一级换热器后部的二级换热器、三级换热器、四级换热器和五级换热器；一级换热器的热端入口与干燥器的出口端连接；
一级换热器的热端出口上连接有一级气液分离器，一级气液分离器的气出口端与二级换热器的热端入口连接，一级气液分离器的液出口端与三级换热器的热端入口连接；二级换热器的热端出口上连接有二级气液分离器，二级气液分离器的气出口端与三级换热器的热端入口连接，二级气液分离器的液出口端与四级换热器的热端入口连接；三级换热器的热端出口上连接有三级气液分离器，三级气液分离器的气出口端与四级换热器的热端入口连接，三级气液分离器的液出口端与五级换热器的热端入口连接；
五级换热器的热端出口连接有一三通控制阀，三通控制阀的一出口连接冷阱管路的进口端，三通控制阀的另一出口上连接有循环回路，循环回路的另一端连接五级换热器的冷端入口，并通过五级换热器的冷端出口连接四级换热器的冷端入口，然后通过四级换热器的冷端出口连接三级换热器的冷端入口，再通过三级换热器的冷端出口连接二级换热器的冷端入口，再后通过二级换热器的冷端出口连接一级换热器的冷端入口，最后通过一级换热器的冷端出口连接压缩机的进口端；冷阱管路的出口端与四级换热器的冷端入口连接。
2.根据权利要求1的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，其特征在于，一级气液分离器的气出口端上还连接有平衡管路，平衡管路包括气体暂存罐，气体暂存罐的入口通过三通换向阀与压缩机的进口端连接。
3.根据权利要求1的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，其特征在于，油分离器包括柱形的密封箱体、设置在密封箱体上的气体入口、气体出口、油出口和设置在密封箱体内的油气分离组件，气体出口设置在密封箱体顶部并位于油气分离组件上部，气体入口和油出口均设置在密封箱体底部且位于油气分离组件下部；
油气分离组件包括呈上下位置且相间设置的外环分离筛网和内环分离筛网，内环分离筛网呈半球形，外环分离筛网呈环状且内径小于内环分离筛网外径，外环分离筛网外径与密封箱体内径相适应；
外环分离筛网的横截面包括呈轴对称状的两圆弧和连接在两圆弧之间的直线段，圆弧的顶点朝向呈半球形的内环分离筛网的边沿；内环分离筛网和外环分离筛网之间留有间距且内环分离筛网和外环分离筛网的凸面均朝向密封箱体底部设置。
4.根据权利要求3的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，其特征在于，油气分离组件的最底层和最顶层均为内环分离筛网，气体入口和气体出口分别朝向最底层的内环分离筛网的凸面和最顶层的内环分离筛网的凹面。
5.根据权利要求3的一种单级压缩混合工质的超低温捕集泵，其特征在于，密封箱体内侧面上焊接有挂环，外环分离筛网和内环分离筛网的外边沿均焊接有与挂环相适应的挂钩。
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