CN116540794A - 一种温差控制气体压力和传输的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体传输技术领域，具体提供了一种温差控制气体压力和传输的系统，包括：热泵装置，其包括热泵本体；温控装置，用于给热泵本体的冷端降温，并给热泵本体的热端升温，当气体流过水平方向的多组并联微通道时，通过热流逸效应实现气体沿多组并联微通道由冷端流向热端，当气体流过水平方向的较大通道时，气体满足宏观流动，气体沿较大通道由热端流向冷端；稳压输气装置，用于调节热泵气体出口管流出的气体压力及流量。通过热泵装置、温差控制装置、稳压输气装置配合各阀门联动作用实现无增压和有增压气体的精确传输。每个模块可拆分，可根据工程实际需要对热泵装置进行改造和替换，与已有模块组装，从而提高工程应用量程范围。

Description

一种温差控制气体压力和传输的系统

技术领域

本发明涉及气体传输技术领域，更具体地，涉及一种温差控制气体压力和传输的系统。

背景技术

随着微加工技术的快速发展，基于微加工技术的气体传输系统在能源、化工、生物医疗及航空航天等多领域得到广泛应用。气体传输系统可为各种应用提供精确可控的气体输运，例如传感器、气体分离、气相色谱仪、真空系统。此外，气体输运系统还可用作驱动气体流动的控制引擎，如燃烧器、燃料电池。

通常在微加工技术的气体输运系统中气体输运单元内的流动属于微尺度流动和微传热，气体流动往往伴随着热流逸效应。热流逸效应定义为稀薄气体沿微通道壁面切向温度梯度方向流动。基于热流逸效应的气体输运系统具有无运动部件、使用寿命长、可靠性高等优点，通过控制气体输运系统的温差可以为各种应用提供精确的气体输运。可见，基于微加工技术的气体传输系统具有令人振奋的应用前景。如何设计热泵以精确控制气体传输系统是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明提供了一种温差控制气体压力和传输的系统，包括：

热泵装置，其包括热泵本体、热泵气体进口管及热泵气体出口管，气体从热泵气体进口管进入到热泵本体，然后从热泵气体出口管排出；

温控装置，用于给热泵本体的冷端降温，并给热泵本体的热端升温，当气体流过水平方向的多组并联微通道时，通过热流逸效应实现气体沿多组并联微通道由冷端流向热端，当气体流过水平方向的较大通道时，气体满足宏观流动，气体沿较大通道由热端流向冷端；

稳压输气装置，用于调节热泵气体出口管流出的气体压力及流量。

优选地，所述热泵本体装置由多组微通道和较大通道串联而成回形通道，气体从热泵气体进口管依次流经微通道、较大通道后再经过微通道流入到回形通道中心处，然后依次流经微通道、较大通道后再经过微通道流出，经过热泵气体出口管排出。

优选地，所述微通道由多个并列的小通道组成，小通道的直径小于较大通道直径。

优选地，所述温控装置包括可调直流电源A、半导体制冷机、可调直流电源B、加热膜片；

可调直流电源A用于给半导体制冷机提供所需电源，通过控制可调直流电源A的电流或电压来控制半导体制冷机的冷面温度，半导体制冷机位于热泵本体左侧(靠近进口管一侧)，用于维持热泵本体左侧的低温，以确保热泵本体左端气体为低温气体。

可调直流电源B用于给加热膜片提所需电源，通过控制可调直流电源B的电流或电压来控制加热膜片热面温度，加热膜片位于热泵本体右侧(靠近出口管一侧)，用于维持热泵本体右侧的高温，以确保热泵本体右侧气体为高温气体。

优选地，所述温控装置还包括低温温度传感器和高温温度传感器，低温温度传感器用于半导体制冷机冷端温度的实时监测，以反馈调节半导体制冷机的温度，高温温度传感器用于加热膜片温度的实时监测，以反馈调节加热膜片的温度。

优选地，所述稳压输气装置包括稳压罐，稳压罐进气逆止调节阀，稳压罐出气逆止调节阀，稳压罐压力传感器；

在有增压气体的输运中，从热泵气体出口管排出的气体从稳压罐进气逆止调节阀进入稳压罐，随后从稳压罐出气逆止调节阀流出。

优选地，所述稳压输气装置还包括稳压罐压力传感器用于实时监测稳压罐压力，在气体压力达到工程用气需求时，对稳压罐进气逆止调节阀，稳压罐出气逆止调节阀进行实时联动调节，保证有增压气体的精确输运。

优选地，所述稳压罐进气逆止调节阀与稳压罐出气逆止调节阀之间还设有出气流量调节阀，所述出气流量调节阀用于无增压气体的精确输运，当需要无增压气体输运时为开启状态，当需要有增压气体的精确输运时处于关闭状态。

优选地，所述稳压罐出气逆止调节阀的排出管道上设有出气压力传感器，热泵气体进口管的前端设有进气压力传感器，在无增压气体输运情况下，保证进气压力传感器和出气压力传感器数值相等即可。

优选地，所述热泵装置的外侧设有隔热层。

有益效果：本发明提供的一种温差控制气体压力和传输的系统，包括：热泵装置，其包括热泵本体、热泵气体进口管及热泵气体出口管，气体从热泵气体进口管进入到热泵本体，然后从热泵气体出口管排出；温控装置，用于维持热泵本体的冷端温度和热端温度，当气体流过水平方向的多组并联微通道时，通过热流逸效应实现气体沿多组并联微通道由冷端流向热端，当气体流过水平方向的较大通道时，气体满足宏观流动，气体沿较大通道由热端流向冷端；稳压输气装置，用于调节热泵气体出口管流出的气体压力及流量。通过热泵装置、温差控制装置、稳压输气装置配合各阀门联动作用实现有无增压和有增压气体的精确传输。每个模块可拆分，可根据工程实际需要对热泵装置进行改造和替换，与已有模块组装，从而提高工程应用量程范围。

附图说明

图1是根据本发明温差控制气体压力和传输的系统的结构示意图。

图2是根据本发明的热泵装置的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-进气压力传感器，2-质量流量计，3-进气流量调节阀，4-可调直流电源A，5-半导体制冷机，6-低温温度传感器，7-热泵装置，8-可调直流电源B，9-加热膜片，10-高温温度传感器，11-无增压出气流量调节阀，12-稳压罐进气逆止调节阀，13-稳压罐，14-稳压罐压力传感器，15-稳压罐出气逆止调节阀，16-出气压力传感器，17-绝热层，18-热泵气体进口管，19-热泵气体出口管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1，工作气体由来流起源进入温差控制气体压力和传输的系统，进气压力传感器1用于实时监测进口气源压力。质量流量计2对整个工作过程的气体流量进行实时监测。进气流量调节阀3在整个温差控制气体压力和传输的系统承担气体流量的输入管控器件。

参考图1，温控装置包括可调直流电源A4，半导体制冷机5，低温温度传感器6，可调直流电源B8，加热膜片9，高温温度传感器10。可调直流电源A4用于给半导体制冷机5进行供电制冷，可根据气体流量和增压需要对可调直流电源A4进行调控，调整半导体制冷机冷端温度。其中，半导体制冷机5位于热泵气体进口管18一侧，用于维持热泵本体左侧热泵本体左侧的低温，以确保热泵本体左端即冷端的气体为低温气体；加热膜片9位于热泵气体出口管19的一侧，用于维持热泵本体右侧即热端的高温，以确保热泵本体右侧气体为高温气体；这样便可以实现热泵本体左右两侧形成温差，便于实现内部气体输运。

低温温度传感器6用于半导体制冷机冷端温度的实时监测。可调直流电源B8用于给加热膜片9进行供电加热，可根据气体流量和增压需要对直流电源进行调控，调整加热膜片温度，高温温度传感器10用于加热膜片温度的实时监测。通过温控装置和监测设备联动，可实现温差实时调整，以满足温差控制气体压力和传输的系统所需的精确温控。

参考图2，热泵装置7包括热泵本体、绝热层17，热泵气体进口管18，热泵气体出口管19。热泵本体由多组并联微通道和较大通道串联而成回形通道。

在热泵本体内，当气体流过水平方向的多组并联微通道时，通过热流逸效应实现气体沿多组并联微通道由冷端流向热端(即图2中的箭头a、c、e、g的流动方向)；当气体流过水平方向的较大通道时，气体满足宏观流动，气体沿较大通道由热端流向冷端(即图2中的箭头b、d、f的流动方向)。因此，气体沿热泵气体进口管18进入热泵本体后，依次沿a、b、c、d、e、f、g箭头方向流动，最后气体沿热泵气体出口管19流出。回型结构的设计可使温度控制简单，热泵本体上端和下端的绝热层可减少热泵装置热能损失。其中，隔热层17起到隔热的作用。

需指明的是，增加多组并联微通道的串联数可提高热泵装置的增压性能；增加多组并联微通道的并联数可提高热泵装置的传输性能；增加温差可同时提高热泵装置的增压和传输性能。气体由热泵气体进口管18进入热泵，气体在热流逸效应的驱动下沿流道依次流动，最后沿热泵气体出口管19流出热泵装置，详情可见图2的箭头流向。

继续参考图1，稳压输气装置包括稳压罐进气逆止调节阀12，稳压罐13，稳压罐压力传感器14，稳压罐出气逆止调节阀15。在有增压气体的输运中，气体从稳压罐进气逆止调节阀12进入稳压罐13，随后从稳压罐出气逆止调节阀15流出。稳压罐的作用在于稳定气体流动过程中带来的压力扰动。稳压罐压力传感器14用于实时监测稳压罐压力，在气体压力达到工程需求时，对稳压罐进气逆止调节阀12，稳压罐出气逆止调节阀15进行实时联动调节。

继续参考图1，稳压罐进气逆止调节阀12与稳压罐出气逆止调节阀15之间还设有出气流量调节阀11，出气流量调节阀11用于无增压气体的精确输运。当需要无增压气体输运时出气流量调节阀11为开启状态，稳压罐进气逆止调节阀12和稳压罐出气逆止调节阀15为关闭状态。当需要有增压气体的精确输运时出气流量调节阀11处于关闭状态，稳压罐进气逆止调节阀12和稳压罐出气逆止调节阀15为开启状态。

出气压力传感器16实时监测气体最终输出的压力，需要说明的是，该系统在无增压气体输运情况下，进气压力传感器1和出气压力传感器16数值相等，各监测值为本发明各装置提供核心反馈调节数据，以满足工程实际需求。

本发明的主要工作流程分为无增压气体和有增压气体的精确输运。本发明的无增压气体的精确输运主要工作流程如下：首先，关闭稳压罐进气逆止调节阀12、稳压罐出气逆止调节阀15，打开进气流量调节阀3、出气流量调节阀11，使稳压罐13隔离，保持无增压气体管路与热泵连通，并开启温控装置。一段时间后，当低温温度传感器6和高温温度传感器10维持设定温度后，进气压力传感器1、质量流量计2、出气压力传感器16数值保持稳定，质量流量计2数据即为当前温差下无增压气体的质量流量。

需要指出的是，如需改变无增压气体的质量流量，需要根据工程需求调整温控装置所输出的温差，并对进气流量调节阀3、出气流量调节阀11进行联动调节。本发明无增压气体的精确输运停止时，最先停止温控装置，待温度恢复至室温时，再关闭各管路上的调节阀。

本发明的有增压气体的精确输运主要工作流程如下：首先，关闭出气流量调节阀11，打开进气流量调节阀3、稳压罐进气逆止调节阀12、稳压罐出气逆止调节阀15，使气体管路、热泵装置7、稳压罐13连通，并开启温控装置。当低温温度传感器6和高温温度传感器10维持设定温度后，按照气体输出压力要求调节进气流量调节阀3、稳压罐进气逆止调节阀12、稳压罐出气逆止调节阀15的阀门开度，即可满足输出气体的压力与流量需求。

需要指出的是，如需改变输出气体的压力或流量，需按输出气体要求从新调节进气流量调节阀3、稳压罐进气逆止调节阀12、稳压罐出气逆止调节阀15的阀门开度。若需获得输出气体的较大压力或流量可调节温控装置的温差，并重复各阀门调节过程。本发明有增压气体的精确输运停止时，最先停止温控装置，待温度恢复至室温时，再关闭各管路上的调节阀。

总体而言，本发明与已有技术方案相比，具有以下有益效果：

1、本发明的温差控制气体压力和传输的系统均为模块化设计，每个模块可拆分，可根据工程实际需要对热泵装置进行改造和替换，与已有模块组装，从而提高工程应用量程范围。

2、本发明的热泵系统设计为全新设计，回型结构的设计可使温度控制简单，解决了多级热泵温控级间温控难题，热泵本体上端和下端的绝热层可减少热泵装置热能损失。

3、本发明设有稳压输气装置，稳压罐的作用在于稳定气体流动过程中带来的压力扰动，可根据工程需要，在气体压力达到工程需求时，对稳压罐进气逆止调节阀和稳压罐出气逆止调节阀进行实时联动调节，确保有增压气体的精确输运。如需获得无增压气体的精确输运，仅需对部分调节阀进行切换。

4、本发明的进气可为单一气体或混合气体，运行过程中，进气温度可以不一致，但进气温度不能超过加热膜片所能提供的最大温度。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，包括：

热泵装置，其包括热泵本体、热泵气体进口管及热泵气体出口管，气体从热泵气体进口管进入到热泵本体，然后从热泵气体出口管排出；

温控装置，用于给热泵本体的冷端降温，并给热泵本体的热端升温，当气体流过水平方向的多组并联微通道时，通过热流逸效应实现气体沿多组并联微通道由冷端流向热端，当气体流过水平方向的较大通道时，气体满足宏观流动，气体沿较大通道由热端流向冷端；

稳压输气装置，用于调节热泵气体出口管流出的气体压力及流量。

2.根据权利要求1所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述热泵本体装置由多组微通道和较大通道串联而成回形通道，气体从热泵气体进口管依次流经微通道、较大通道后再经过微通道流入到回形通道中心处，然后依次流经微通道、较大通道后再经过微通道流出，经过热泵气体出口管排出。

3.根据权利要求2所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述微通道由多个并列的小通道组成，小通道的直径小于较大通道直径。

4.根据权利要求1所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述温控装置包括可调直流电源A、半导体制冷机、可调直流电源B、加热膜片；

可调直流电源A用于给半导体制冷机提供所需电源，通过控制可调直流电源A的电流或电压来控制半导体制冷机的冷面温度，半导体制冷机位于热泵本体的冷端靠近进口管一侧，用于维持热泵本体冷端的低温，以确保热泵本体冷端的气体为低温气体；

可调直流电源B用于给加热膜片提所需电源，通过控制可调直流电源B的电流或电压来控制加热膜片热面温度，加热膜片位于热泵本体的热端靠近出口管一侧，用于维持热泵本体右侧的高温，以确保热泵本体热端的气体为高温气体。

5.根据权利要求4所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述温控装置还包括低温温度传感器和高温温度传感器，低温温度传感器用于半导体制冷机冷端温度的实时监测，以反馈调节半导体制冷机的温度，高温温度传感器用于加热膜片温度的实时监测，以反馈调节加热膜片的温度。

6.根据权利要求1所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述稳压输气装置包括稳压罐，稳压罐进气逆止调节阀，稳压罐出气逆止调节阀，稳压罐压力传感器，无增压出气流量调节阀；

在有增压气体的工作方式中，无增压出气流量调节阀关闭，从热泵气体出口管排出的气体从稳压罐进气逆止调节阀进入稳压罐，随后从稳压罐出气逆止调节阀流出；

在无增压气体的工作方式中，从热泵气体出口管排出的气体从无增压出气流量调节阀直接流出。

7.根据权利要求6所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述稳压输气装置还包括稳压罐压力传感器用于实时监测稳压罐压力，在气体压力达到工程用气需求时，对稳压罐进气逆止调节阀，稳压罐出气逆止调节阀进行实时联动调节，保证有增压气体的精确输运。

8.根据权利要求6所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述稳压罐出气逆止调节阀的排出管道上设有出气压力传感器，热泵气体进口管的前端设有进气压力传感器，在无增压气体的工作方式中，保证进气压力传感器和出气压力传感器数值相等即可。

9.根据权利要求1所述的温差控制气体压力和传输的系统，其特征在于，所述热泵装置的外侧设有隔热层。