CN116966751A - 一种钯合金管净化器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气净化设备技术领域，具体为一种钯合金管净化器组件。钯管焊接法兰（9）设置在分离外套管（5）内，并将分离外套管（5）分隔成净化气腔以及进气腔，钯合金管（6）的一端封闭设置，钯合金管（6）设置在净化气腔内，钯合金管（6）敞口端与钯管焊接法兰（9）固定连接，且钯合金管（6）的敞口端与进气腔连通，毛细金属管（7）的一端封闭设置，毛细金属管（7）的封闭端伸入到钯合金管（6）内，在钯合金管（6）的敞口端外套设有过渡管（12），过渡管（12）与钯管焊接法兰（9）固定连接。本发明避免焊接过程中改变钯合金管局部的元素配比，在使用过程中容易过早产生裂纹或者脆化的问题，提高钯合金管的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及氢气净化设备技术领域，具体为一种钯合金管净化器组件。
背景技术
钯合金净化器一般用于半导体电子行业超高纯氢的制取和氢同位素的分离纯化，其结构一般由钯合金管、壳体、管路、加热器、保温层、冷却水夹套等构成。钯合金管多以管束的形式钎焊在不锈钢基座上，其余结构组装后采用熔焊的形式形成密封结构。超纯氢的净化过程对于组件的密封性能和寿命周期内的稳定性要求十分苛刻，钯合金管一般壁厚小于10微米，在钎焊过程中容易受温度、峰值持续时间的变化造成熔蚀和过度合金化，上述变化将严重影响钯合金管的工作性能和寿命，并且在焊接过程中钯合金容易与氧、氢、水等杂质成分形成氧化钝化层，这对钯合金管后续的净化效率影响较大。焊接时，如果钎料不能对钯合金管形成良好润滑，将造成泄漏率增高甚至漏气报废的后果，而钎料中的成分多采用金、银、铜等中温熔点的合金成分，这些元素和钯合金管常用元素配比十分接近，容易在焊接过程中造成过度元素扩散，改变钯管局部的元素配比，在使用过程中容易过早产生裂纹或者脆化。
国内目前对钯合金管钎焊的研究资料十分稀少，相关专利只是对加热方法和气氛提出解决方法，对解决材料本身防止过度合金化或者熔蚀没有专门的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种钯合金管净化器组件，以解决钯合金管在焊接过程中因熔蚀、合金元素过度扩散、对焊接气要求过度苛刻等技术难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该钯合金管净化器组件，包括分离外套管、耙合金管、钯管焊接法兰以及毛细金属管，分离外套管的两端均封闭设置，钯管焊接法兰设置在分离外套管内，并将分离外套管分隔成净化气腔以及进气腔，钯合金管的一端封闭设置，钯合金管设置在净化气腔内，钯合金管敞口端与钯管焊接法兰固定连接，且钯合金管的敞口端与进气腔连通，毛细金属管的一端封闭设置，毛细金属管的封闭端伸入到钯合金管内，毛细金属管的敞口端外用于杂质气输出，分离外套管外设置有分离加热装置；
在钯合金管的敞口端外套设有过渡管，过渡管与钯管焊接法兰固定连接。
优选的，所述的过渡管的热膨胀性系数为12-13ppm。
优选的，所述的耙合金管的敞口端外壁设置有由钛、铌、钽、铬、钨中的一种形成的单质层，或由任意两种或两种以上以任意比例混合的形成的合金层，以在钯合金管的敞口端外壁形成防扩散层。
优选的，在所述的钯合金管的敞口端外壁气相沉积或者电镀镍，形成所述过渡管。
优选的，在所述的镍层外气相沉积或者电镀金。
优选的，所述的钯合金管与过渡管之间通过银基焊片或焊丝焊接。
优选的，还包括毛细管焊接法兰，钯管焊接法兰和毛细管焊接法兰均设置在分离外套管内，并将分离外套管内腔分割成净化气腔、进气腔和排气腔，毛细金属管的敞口端与排气腔连通，分离外套管上设置有与排气腔连通的杂质气排气管。
优选的，还包括预热盘管，预热盘管环绕分离外套管设置，预热盘管的输出口与进气腔连通。
优选的，还包括氢气外套管，氢气外套管的两端均封闭设置，分离外套管设置在氢气外套管内，氢气外套管的两端分别设置有吹扫进气管和吹扫出气管。
优选的，还包括净化装置以及净化加热装置，净化装置设置在净化加热装置内，净化装置的输出口与进气腔连通。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本钯合金管净化器组件的钯合金管的敞口端外套设有过渡管，通过过渡管与钯管焊接法兰之间实现连接，由于过渡管的存在，能够避免钯合金管在焊接过程中因熔蚀、合金元素过度扩散、对焊接气氛要求过度苛刻等技术难题，避免焊接过程中改变钯合金管局部的元素配比，在使用过程中容易过早产生裂纹或者脆化的问题，提高钯合金管的使用寿命。
附图说明
图1为钯合金管净化器组件的主视剖视示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为钯合金管与钯管焊接法兰连接的主视剖视示意图。
图中：1、加热体；2、净化装置；3、加热炉；4、氢气外套管；5、分离外套管；6、钯合金管；7、不锈钢毛细管；8、预热盘管；9、钯管焊接法兰；10、毛细管焊接法兰；11、热带耦；12、过渡管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。
图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。
一种钯合金管净化器组件，包括分离外套管5、耙合金管6、钯管焊接法兰9以及毛细金属管7，分离外套管5的两端均封闭设置，钯管焊接法兰9设置在分离外套管5内，并将分离外套管5分隔成净化气腔以及进气腔，钯合金管6的一端封闭设置，钯合金管6设置在净化气腔内，钯合金管6敞口端与钯管焊接法兰9固定连接，且钯合金管6的敞口端与进气腔连通，毛细金属管7的一端封闭设置，毛细金属管7的封闭端伸入到钯合金管6内，毛细金属管7的敞口端外用于杂质气输出，分离外套管5外设置有分离加热装置；在钯合金管6的敞口端外套设有过渡管12，过渡管12与钯管焊接法兰9固定连接。本钯合金管净化器组件的钯合金管6的敞口端外套设有过渡管12，通过过渡管12与钯管焊接法兰9之间实现连接，由于过渡管12的存在，能够避免钯合金管6在焊接过程中因熔蚀、合金元素过度扩散、对焊接气氛要求过度苛刻等技术难题，避免焊接过程中改变钯合金管6局部的元素配比，在使用过程中容易过早产生裂纹或者脆化的问题，提高钯合金管6的使用寿命。
具体的，如图1-2所示：本钯合金管净化器组件还包括氢气外套管4、预热盘管8以及毛细管焊接法兰10。
分离加热装置为加热炉3，在本实施例中，加热炉3采用开放式加热炉。氢气外套管4的两端均封闭设置，氢气外套管4设置在加热炉3内。分离外套管5的两端均封闭设置，分离外套管5设置在氢气外套管4内，并在氢气外套管4与分离外套管5之间形成净化腔，在氢气外套管4的两端分别设置有吹扫进气管和吹扫出气管，能够避免氢气泄漏而发生爆炸事故。
毛细管焊接法兰10和钯管焊接法兰9均设置在分离外套管5内，钯管焊接法兰9和毛细管焊接法兰10由左至右间隔设置，并在分离外套管5内形成由左至右依次设置的净化气腔、进气腔和排气腔。
钯合金管6的一端封闭设置，钯合金管6设置在净化气腔内，钯合金管6的敞口端套设有过渡管12，过渡管12贯穿钯管焊接法兰9设置，钯合金管6的敞口端与进气腔连通。钯合金管6整体位于净化气腔内，钯合金管6能够对氢气进行净化，使净化后的氢气进入到净化气腔内。钯合金管6并排且间隔设置有若干根。
毛细金属管7的一端封闭设置，毛细金属管7与钯合金管6一一对应，毛细金属管7的敞口端与排气腔连通，毛细金属管7的封闭端依次穿过毛细管焊接法兰10和钯管焊接法兰9并伸入到对应的钯合金管6内，毛细金属管7和钯合金管6间隔设置。
在分离外套管5的左侧设置有氢气输出管，氢气输出管与分离外套管5的净化气腔连通。在分离外套管5的右侧设置有杂质气排气管，杂质气排气管与排气腔连通。
钯合金管净化器组件还包括热电偶11，热电偶11的测温端伸入到排气腔内，从而实现了对分离外套管5的测温，以保证分离外套管5维持恒温。
预热盘管8设置在氢气外套管4与分离外套管5之间，预热盘管8环绕分离外套管5设置，预热盘管8的输出端与进气腔连通，预热盘管8的输入端伸出氢气外套管4。
本钯合金管净化器组件还包括净化加热装置以及净化装置2，净化装置2设置在净化加热装置内，净化装置2的出气口与预热盘管8的进气口连通。在本实施例中，净化加热装置为加热体1，加热体1为电加热器，可以采用电热板或电热管。
净化装置2包括净化罐以及设置在净化罐内氢净化合金，氢净化合金一般由钛、锆、钒、铝、镁、铁等其中一种或几种构成吸气组分，猛等构成有机化合物原位催化氧化或催化分解元素，外观为块状、片状、丝状等其中的一种或几种。
过渡管12为由钛、钽、铬、钨中的一种形成的单质管，或由任意两种或两种以上以任意比例混合的形成的合金管，为了增强钯合金管的可焊接性，在第一步的过渡管12表面进一步气相沉积后电镀镍，为了达到更佳的焊接效果，可以在镍层表面进一步气相沉积金层或者电镀金。
采用气相沉积的工艺在钯合金管6待焊接区域沉积具有增强不同金属间扩散融合又能防止钎料和钯合金管6在高温状态下过渡扩散的钛、铌、钽、铬、钨等熔点较高能增强钎料和钯合金管6连接性能的防扩散层。为了增强钯合金管6的可焊接性，在第一步的过渡层表面进一步气相沉积或者电镀镍，为达到更加的焊接效果，可以在镍层表面进一步气相沉积金层或者电镀金，形成过渡管12。
在钯合金管6和钯管焊接法兰9的焊接结构中，不同结构材间的焊接应力不匹配是影响后续冷热循环寿命的主要因素之一。钯合金管6热膨胀系数一般在12.5-12.8ppm之间，钯管焊接法兰9为不锈钢材质，不锈钢材料的热膨胀系数一般在16ppm左右。为了解决这一技术问题，在钯合金管6的焊接部分套接膨胀系数12-13ppm膨胀系数的单质或者合金管，该材料的膨胀系数选定的原则之一是与钯合金管的热膨胀系数匹配，过渡管12和钯合金管6结合的外表面保护分，通过机械或者激光等工艺加工有一定形状，一定深度的半凹微坑，用来进一步缓解应力。
在钯合金管6和过渡管12套接的焊接处装配银基焊片或者焊丝，为了保持钯合金管6的纯净不优先使用锡膏。
在800-900摄氏度的温度区间内，在真空或者氩气、氦气保护气氛下进行加热，实现焊接，峰值加热时间一般在5-10秒为最佳，过短或者过长就会容易造成焊接不良或者加重过度合金化轻向。
本钯合金管净化器组件在工作时，在氢气首先进入到净化装置2内，加热体1对净化装置2进行加热，加热温度一般在800摄氏度以上，氢净化合金一般由钛、锆、钒、铝、镁、铁等其中一种或几种构成吸气组分，猛等构成有机化合物原位催化氧化或催化分解元素，外观为块状、片状、丝状等其中的一种或几种。加热体1采用集成的加热器，为绕丝、加热片、加热棒等其中的一种或混合加热。其技术原理为，在远高于钛、锆等吸气合金析氢问问度（400摄氏度开始）的温度下，合金的组成元素对原料氢气中的微量有机化合物、氧等进行原位催化，形成更容易吸附的水、碳、硫等杂质元素状态，从而延长了钯合金管6的使用寿命和工作性能。同时在本环节加热后的氢气减轻了后续钯合金管6的热量消耗，总体上没有增加能量消耗。
净化后的氢气进入到预热盘管8内，并经过预热盘管8预热后进入到进气腔内，并通过进气腔进入到把合金管6内，氢气经过钯合金管6净化后进入到净化气腔内，并通过氢气输出管送出，杂质气经过毛细金属管7进入到排气腔内，并经杂质气排气管排出。
在整个过程中，通过吹扫进气管对氢气外套管4内腔进行吹气，进而避免氢气泄漏发生爆炸的风险。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种钯合金管净化器组件，其特征在于：包括分离外套管（5）、耙合金管（6）、钯管焊接法兰（9）以及毛细金属管（7），分离外套管（5）的两端均封闭设置，钯管焊接法兰（9）设置在分离外套管（5）内，并将分离外套管（5）分隔成净化气腔以及进气腔，钯合金管（6）的一端封闭设置，钯合金管（6）设置在净化气腔内，钯合金管（6）敞口端与钯管焊接法兰（9）固定连接，且钯合金管（6）的敞口端与进气腔连通，毛细金属管（7）的一端封闭设置，毛细金属管（7）的封闭端伸入到钯合金管（6）内，毛细金属管（7）的敞口端外用于杂质气输出，分离外套管（5）外设置有分离加热装置；
在钯合金管（6）的敞口端外套设有过渡管（12），过渡管（12）与钯管焊接法兰（9）固定连接。
2.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：所述的过渡管（12）的热膨胀性系数为12-13ppm。
3.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：所述的耙合金管（6）的敞口端外壁设置有由钛、铌、钽、铬、钨中的一种形成的单质层，或由任意两种或两种以上以任意比例混合的形成的合金层，以在钯合金管（6）的敞口端外壁形成防扩散层。
4.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：在所述的钯合金管（6）的敞口端外壁气相沉积或者电镀镍，形成所述过渡管（12）。
5.根据权利要求4所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：在所述的镍层外气相沉积或者电镀金。
6.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：所述的钯合金管（6）与过渡管（12）之间通过银基焊片或焊丝焊接。
7.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：还包括毛细管焊接法兰（10），钯管焊接法兰（9）和毛细管焊接法兰（10）均设置在分离外套管（5）内，并将分离外套管（5）内腔分割成净化气腔、进气腔和排气腔，毛细金属管（7）的敞口端与排气腔连通，分离外套管（5）上设置有与排气腔连通的杂质气排气管。
8.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：还包括预热盘管（8），预热盘管（8）环绕分离外套管（5）设置，预热盘管（8）的输出口与进气腔连通。
9.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：还包括氢气外套管（4），氢气外套管（4）的两端均封闭设置，分离外套管（5）设置在氢气外套管（4）内，氢气外套管（4）的两端分别设置有吹扫进气管和吹扫出气管。
10.根据权利要求1所述的钯合金管净化器组件，其特征在于：还包括净化装置（2）以及净化加热装置，净化装置（2）设置在净化加热装置内，净化装置（2）的输出口与进气腔连通。
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