CN116272241A - 一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法 - Google Patents

一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法，所述气路包括进气和回气管路，进气管路上装第二阀门，进气管路一端为进气管路入口，另一端为进气管路出口；回气管路上装第五阀门，一端为回气管路入口，另一端为回气管路出口；回气管路出口与进气管路入口间接循环泵；回气管路入口与进气管路出口间接低温系统；纯化器一端通过第三阀门接进气管路出口，通过第六阀门接回气管路入口，其另一端通过第一阀门与进气管路入口连接，通过第四阀门与回气管路出口连接，形成旁通气路。本发明在低温系统运行过程中，更换纯化器，防止由于再生或者更换纯化器导致系统停机，同时保证循环用稀有气体在更换过程中无损，保障低温系统的超长时间稳定运行。

Description

一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法
技术领域
本发明属于低温制冷技术，具体涉及一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法。
背景技术
低温恒温器是一类通过将低三相点(<77K，例如氦气、氢气、氩气、氙气等，)气体液化，形成稳定低温冷源的系统。传统系统液体温度由于低于77K，因此由系统密封性或者使用者操作不当导致的空气容易与循环气体混合，使空气在低温条件下固化形成传输管路的堵塞。
现有低温系统为了防止此类堵塞的发生，常用的一种方法是在低温系统进气管路加气体纯化系统，例如将活性炭或者分子筛浸泡在液氮中，对空气中的氧气、氮气以及水进行吸附，例如专利JP4791894B2、CN104471328B所提及。一旦纯化器吸附较多空气接近饱和时，纯化器需要进行再生，或者直接更换。这类系统在纯化器再生或者更换过程中，因为内部仍存有大量气体，直接排空会造成无法挽回的经济损失。
另一种方法是在低温系统内将类似的拥有大表面积的吸附系统(活性炭或者管套管)安装在小型低温制冷机的冷端，对进气进行纯化，例如CN106488792B；CN105765320B所提及。但是这类系统，因为纯化器属于低温系统的一部分，因此纯化器再生只能通过将系统温度升高(最高至室温)处理纯化器，需要停止气体循环，导致低温系统的温度发生波动。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种稀有气体低温纯化气路及其控制方法，该方案能够实现在低温系统运行的过程中，对纯化器进行更换，防止由于再生或者更换纯化器导致系统停机，同时保证循环用稀有气体在更换过程中总量无损。
技术方案：本发明的稀有气体低温纯化气路，采用稀有气体作为循环介质，包括进气管路和回气管路，所述进气管路上安装第二阀门，进气管路的一端为进气管路入口，其另一端为进气管路出口；所述回气管路上安装第五阀门，回气管路的一端为回气管路入口，其另一端为回气管路出口；所述回气管路出口与进气管路入口之间连接循环泵，形成压力差；所述回气管路入口与进气管路出口之间连接低温系统，形成压力差；还包括纯化器，所述纯化器一端通过第三阀门与进气管路出口连接，通过第六阀门与回气管路入口连接，其另一端通过第一阀门与进气管路入口连接，通过第四阀门与回气管路出口连接，形成旁通气路。
所述纯化器一端安装第七阀门，另一端安装第八阀门，纯化器通过第七阀门与第三阀门、第六阀门连接，通过第八阀门与第一阀门、第四阀门连接，通过第七阀门和第八阀门实现对纯化器的控制。
所述第一阀门、第八阀门、纯化器、第七阀门、第三阀门替代第二阀门形成旁通进气路，在旁通进气路通过纯化器对气体进行纯化。
所述第六阀门、第七阀门、纯化器、第八阀门、第四阀门形成旁通回气路，在旁通回气路对循环气体进行纯化，之后通过回气管路出口出口处的循环泵对纯化器进行排空，形成纯化器内的真空。
所述纯化器两端均外接一第九阀门和一抽空口，能够在纯化器再生或更换后将纯化器内部空气排出。
所述稀有气体为氦气、氙气、氩气或氢气中的一种。
所述纯化器采用填装有吸附材料的密封容器，并将纯化器浸泡在液氮或液氦中，或者用低温制冷机对纯化器进行降温至77K以下。
本发明还包括一种稀有气体低温纯化气路的控制方法，该方法应用于稀有气体低温纯化气路；正常循环时，打开第五阀门、第一阀门、第八阀门、第七阀门、第三阀门，从低温系统抽出的稀有气体由回气管路入口进入，经第五阀门至回气管路出口，进入循环泵，再进入进气管路入口，经过第一阀门和第八阀门进入纯化器，再由第七阀门和第三阀门至进气管路出口，进入低温系统。
当进气管路入口和进气管路出口之间的压力差大于预设值时，需要更换纯化器，具体步骤如下：
(a)关闭第一阀门、第三阀门，同时打开第二阀门，将循环转至第二阀门所在的管路；再打开第六阀门和第四阀门，将纯化器内部残余的稀有气体通过循环泵抽空；
(b)待回气管路入口和回气管路出口压力稳定在帕级别，关闭第四阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门；
(c)进行纯化器再生，采用复温再生方式处理纯化器或直接更换已经完成再生的纯化器；然后，在抽空口处外接排空泵，同时打开第九阀门，将纯化器内的空气排出；
(d)关闭第二阀门和第九阀门，打开第一阀门、第三阀门、第七阀门和第八阀门，重新实现稀有气体经过纯化器循环。
有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：(1)能够在低温系统运行的过程中，对纯化器进行更换，防止由于再生或者更换纯化器导致系统停机，同时循环泵将纯化器内的稀有气体抽空，保证纯化器内的稀有气体完全抽回系统，保证稀有气体总量无损，保障低温系统的超长时间稳定运行；(2)能够分别稀有气体在出气管路或者进气管路两路的纯化需求。
附图说明
图1为稀有气体低温纯化气路的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明的稀有气体低温纯化气路采用稀有气体作为循环介质，包括进气管路和回气管路，涉及的部件如下：第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5、第六阀门6、纯化器7、第七阀门8、第八阀门9、第九阀门10、回气管路入口11、回气管路出口12、进气管路出口13、进气管路入口14、循环泵15、低温系统16、抽空口17。进气管路上安装第二阀门2，进气管路的一端为进气管路入口14，其另一端为进气管路出口13，回气管路上安装第五阀门5，回气管路的一端为回气管路入口11，其另一端为回气管路出口12。回气管路出口12和进气管路入口14之间连接循环泵15，形成压力差。回气管路入口11和进气管路出口13之间连接低温系统16，形成压力差；本方案采用的低温系统16为现有技术，因此不再对其进行详细描述。纯化器7一端通过第三阀门3与进气管路出口13连接，通过第六阀门6与回气管路入口11连接，纯化器7另一端通过第一阀门1与进气管路入口14连接，通过第四阀门4与回气管路出口12连接，形成旁通气路。为了实现对纯化器7两端气路的控制，在纯化器7安装第七阀门8，另一端安装第八阀门9，纯化器7通过第七阀门8与第三阀门3、第六阀门6连接，通过第八阀门9与第一阀门1、第四阀门4连接。所有管路间均采用阀门隔断，实现对气路的控制，阀门采用手动阀门、电磁阀门、或者启动阀门等有截至功能的阀门。纯化器7采用填装活性炭或者分子筛等有吸附材料的密封容器，并将纯化器7浸泡在液氮或液氦中，或者用小型低温制冷机对纯化器7进行降温至77K以下。小型低温制冷机采用吉福德-麦克马洪制冷机或脉冲管制冷机。
本方案中，第一阀门1、第八阀门9、纯化器7、第七阀门8、第三阀门3替代第二阀门2形成旁通进气路，在旁通进气路通过纯化器7对气体进行纯化。
第六阀门6、第七阀门8、纯化器7、第八阀门9、第四阀门4形成旁通回气路，在旁通回气路对循环气体进行纯化，之后通过回气管路出口12出口处的循环泵15对纯化器7进行排空，形成纯化器7内的真空。
为了实现在纯化器再生或更换后将纯化器内部空气排出，在纯化器7两端均外接一第九阀门10和一抽空口17。
本方案中，采用的稀有气体可以为氦气、氙气、氩气或氢气等。
本发明还包括一种稀有气体低温纯化气路的控制方法，该方法应用于稀有气体低温纯化气路；正常循环时，打开第五阀门5、第一阀门1、第八阀门9、第七阀门8、第三阀门3，从低温系统16抽出的稀有气体由回气管路入口11进入，经第五阀门5至回气管路出口12，进入循环泵15，再进入进气管路入口14，经过第一阀门1和第八阀门9进入纯化器7，再由第七阀门8和第三阀门3至进气管路出口13，进入低温系统16。
当进气管路入口14和进气管路出口13之间的压力差大于预设值(>5千帕)时，说明纯化器7基本饱和，需要更换，具体步骤如下：
(a)关闭第一阀门1、第三阀门3，同时打开第二阀门2，将循环转至第二阀门所在的管路；由于回气管路压力较进气管路压力低，再打开第六阀门6和第四阀门4(第五阀门5因循环已经处于打开状态)，将纯化器7内部残余的稀有气体通过循环泵15抽空；
(b)待回气管路入口11和回气管路出口压力稳定在帕级别，关闭第四阀门4、第六阀门6、第七阀门8和第八阀门9；
(c)进行纯化器再生，采用复温再生方式处理纯化器7或直接更换已经完成再生的纯化器；然后，在抽空口17处外接排空泵，同时打开第九阀门10，将纯化器7内的空气排出；
(d)关闭第二阀门2和第九阀门10，打开第一阀门1、第三阀门3、第七阀门8和第八阀门9，重新实现稀有气体经过纯化器7循环。
基于本发明的气路连接方式，一方面能够构实现进气管路或者回气管路的气体纯化需求；另一方面能够实现在系统运行过程中，需要再生或者更换的纯化器内无稀有气体损失，大大降低系统运行、维护成本。

Claims (9)

1.一种稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述气路采用稀有气体作为循环介质，包括进气管路和回气管路，所述进气管路上安装第二阀门(2)，进气管路的一端为进气管路入口(14)，其另一端为进气管路出口(13)；所述回气管路上安装第五阀门(5)，回气管路的一端为回气管路入口(11)，其另一端为回气管路出口(12)；
所述回气管路出口(12)与进气管路入口(14)之间连接循环泵(15)，形成压力差；所述回气管路入口(11)与进气管路出口(13)之间连接低温系统(16)，形成压力差；
还包括纯化器(7)，所述纯化器(7)一端通过第三阀门(3)与进气管路出口(13)连接，通过第六阀门(6)与回气管路入口(11)连接，其另一端通过第一阀门(1)与进气管路入口(14)连接，通过第四阀门(4)与回气管路出口(12)连接，形成旁通气路。
2.根据权利要求1所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述纯化器(7)一端安装第七阀门(8)，另一端安装第八阀门(9)，纯化器(7)通过第七阀门(8)与第三阀门(3)、第六阀门(6)连接，通过第八阀门(9)与第一阀门(1)、第四阀门(4)连接。
3.根据权利要求2所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述第一阀门(1)、第八阀门(9)、纯化器(7)、第七阀门(8)、第三阀门(3)替代第二阀门(2)形成旁通进气路，在旁通进气路通过纯化器(7)对气体进行纯化。
4.根据权利要求2所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述第六阀门(6)、第七阀门(8)、纯化器(7)、第八阀门(9)、第四阀门(4)形成旁通回气路，在旁通回气路对循环气体进行纯化，之后通过回气管路出口(12)出口处的循环泵(15)对纯化器(7)进行排空，形成纯化器(7)内的真空。
5.根据权利要求1所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述纯化器(7)两端均外接一第九阀门(10)和一抽空口(17)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述稀有气体为氦气、氙气、氩气或氢气中的一种。
7.根据权利要求1至5任一项所述的稀有气体低温纯化气路，其特征在于：所述纯化器(7)采用填装有吸附材料的密封容器，并将纯化器(7)浸泡在液氮或液氦中，或者用低温制冷机对纯化器(7)进行降温至77K以下。
8.一种稀有气体低温纯化气路的控制方法，其特征在于：该方法应用于权利要求2所述的稀有气体低温纯化气路；正常循环时，打开第五阀门(5)、第一阀门(1)、第八阀门(9)、第七阀门(8)、第三阀门(3)，从低温系统(16)抽出的稀有气体由回气管路入口(11)进入，经第五阀门(5)至回气管路出口(12)，进入循环泵(15)，再进入进气管路入口(14)，经过第一阀门(1)和第八阀门(9)进入纯化器(7)，再由第七阀门(8)和第三阀门(3)至进气管路出口(13)，进入低温系统(16)。
9.根据权利要求8所述的稀有气体低温纯化气路的控制方法，其特征在于：当进气管路入口(14)和进气管路出口(13)之间的压力差大于预设值时，需要更换纯化器(7)，具体步骤如下：
(a)关闭第一阀门(1)、第三阀门(3)，同时打开第二阀门(2)，将循环转至第二阀门所在的管路；再打开第六阀门(6)和第四阀门(4)，将纯化器(7)内部残余的稀有气体通过循环泵(15)抽空；
(b)待回气管路入口(11)和回气管路出口(12)压力稳定在帕级别，关闭第四阀门(4)、第六阀门(6)、第七阀门(8)和第八阀门(9)；
(c)进行纯化器再生，采用复温再生方式处理纯化器(7)或直接更换已经完成再生的纯化器；然后，在抽空口(17)处外接排空泵，同时打开第九阀门(10)，将纯化器(7)内的空气排出；
(d)关闭第二阀门(2)和第九阀门(10)，打开第一阀门(1)、第三阀门(3)、第七阀门(8)和第八阀门(9)，重新实现稀有气体经过纯化器(7)循环。
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