CN117230439A - 一种冷喷涂用氦气循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷喷涂用氦气循环系统，属于气体加工技术领域，其技术方案要点是：包括密封加工腔、气流调节系统、过滤系统、回收系统；密封加工腔中设有冷喷涂系统；气流调节系统包括电磁阀、真空泵和控制器；过滤系统包括依次设置的粉末过滤器、吸附装置和膜分离装置；粉末过滤器包括主体部、进口端、出口端；回收系统包括依次设置的氦气缓存区、高压储气罐。本发明通过密封加工腔、气流调节系统、过滤系统、回收系统等机构的共同协作，能够将氦气限制在特定轨迹中，并进行过滤回收，能够有效减少氦气损耗、降低成本；且气流经过粉末过滤器、增压泵等装置，能够获得较高纯度的氦气，并获得可供冷喷涂设备直接使用的高压气体，便于循环使用。
Description
技术领域
本发明涉及气体加工技术领域，尤其涉及一种冷喷涂用氦气循环系统。
背景技术
冷喷涂技术，高压工作气体通过拉瓦尔喷管加速至超音速，带动金属、陶瓷粉末以极高的速度冲击基材，当粉末速度超过临界速度时，粉末对基材的冲蚀作用消失，转而沉积在基材表面。其中，高压工作气体一般为氦气、氮气、空气中的一种或多种，对于不同气体，比热容越大，相对分子质量越小，可以使气流加速更加显著，因此，使用氦气时的加速效果相较于使用氮气或空气时的加速效果具有更大的优势，氦气能将大部分材料颗粒加速到临界速度，并实现有效沉积。
但是，氦气作为一种不可再生的稀有气体，在半导体、航空航天、石油化工等领域都具有无可替代的作用，同时，我国氦气资源量非常少、开采提取成本高，也就提高了氦气的使用成本，因此，氦气回收对于冷喷涂等工业技术领域具有重要意义。
为了解决上述问题，在现有技术的基础上提供了一种冷喷涂用氦气循环系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种冷喷涂用氦气循环系统，本发明通过密封加工腔、气流调节系统、过滤系统、回收系统等机构的共同协作，能够将氦气限制在特定轨迹中，并进行过滤回收，能够有效减少氦气损耗、降低成本；并且，气流经过粉末过滤器、吸附级联装置和膜分离装置层层过滤，能够获得较高纯度的氦气，并进一步通过增压泵，获得可供冷喷涂设备直接使用的高压气体，便于循环使用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本发明提供了一种冷喷涂用氦气循环系统，包括：
密封加工腔，所述密封加工腔中设有冷喷涂系统；
气流调节系统，所述气流调节系统包括电磁阀、真空泵和控制器；所述电磁阀和真空泵分别与所述控制器相连，且所述电磁阀和真空泵分别与所述密封加工腔连通；
过滤系统，所述过滤系统包括依次设置的粉末过滤器、吸附装置和膜分离装置；所述粉末过滤器包括主体部、与主体部相连的进口端、与主体部相连的出口端；所述主体部由顶部至底部依次设有筒部、斗部、颈部和收集部，所述筒部、斗部、颈部和收集部相互连通；
回收系统，所述回收系统包括依次设置的氦气缓存区、高压储气罐、增压泵，所述高压储气罐和冷喷涂系统相连通；
其中，所述密封加工腔、气流调节系统、过滤系统和回收系统依次相连；
所述气流调节系统和粉末过滤器之间、所述粉末过滤器和吸附装置之间、所述吸附装置和膜分离装置之间、所述膜分离装置和氦气缓存区之间、所述氦气缓存区和高压储气罐之间均设有单向阀，5个所述单向阀均与控制器相连。
通过采用上述技术方案，能够有效、快速的回收高纯的氦气；通过密封加工腔，能够限制氦气的逸散范围；利用冷喷涂系统，能够在密封加工腔中完成目标产品的生产。
工作环境中的温度、气压对于冷喷涂工艺是否能按预设技术路线制造产品具有重要作用，且喷涂过程需要释放大量的气体，同时，氦气回收与冷喷涂同时进行，既需要使密封加工腔中的工作环境保持一定程度的静态，也需要将部分气体抽出，并使其进入过滤、回收系统；因此，利用气流调节系统，一方面有助于将密封加工腔内的气体导向过滤系统和回收系统，另一方面还能够维持工作环境状态和气体导出二者的动态平衡。
气流调节系统中，真空泵能够在冷喷涂工艺开始之初，使密封加工腔形成真空环境，尽可能避免不必要的气体干扰，便于氦气回收的进行；控制器主要用于处理系统中的设备、电磁阀门和单向阀的电信号，并对其运行进行调节控制；电磁阀能够调节从密封加工腔中导出的气体流量、流速以及以及导出的时间间隔，以便能有效实现待处理气体的导出功能，并协助完成密封加工腔内工作环境的动态平衡。
过滤系统包括粉末过滤器、吸附级联装置和膜分离装置，有助于依次过滤掉待处理气体中的粉末、水、氧气、二氧化碳、氮气等成分，最终回收到高纯的氦气；粉末过滤器中，当含粉气体沿进口端切线方向进入主体部后，气流在主体部内做旋转运动气流中的粉体在离心作用下箱外壁移动，到达筒部的壁面，并在气流和重力作用下沿斗部、颈部的壁面落入收集部而达到分离粉体颗粒的作用。
回收系统中的氦气缓存区主要用于处理后的氦气的暂时存储，待冷喷涂系统中需补充氦气时，将氦气缓存区的氦气泵入高压储气罐；再利用增压泵，获得可供冷喷涂设备直接使用的高压气体。
进一步的，所述密封加工腔的外围设有冷却系统，且所述密封加工腔内还设有气压传感器，所述气压传感器与所述控制器相连。
通过采用上述技术方案，冷却系统为水冷系统，能够有效控制工作环境中的温度；气压传感器能够监控密封加工腔内的气压，有助于保证安全生产。
进一步的，在工作过程中，所述冷却系统与冷喷涂系统保持同时工作，且密封加工腔的温度不高于60℃。
进一步的，所述吸附装置包括：
第一级吸附塔，所述第一级吸附塔中填充有吸附剂一；
第二级吸附塔；所述第二级吸附塔中填充有吸附剂二；
其中，所述一级吸附塔和第二级吸附塔依次设置。
通过采用上述技术方案，在第一级吸附塔中填充硅胶吸附剂，有助于去除二氧化碳等含碳气体；在第二级吸附塔中填充沸石吸附剂，能够进一步吸附其他小分子杂质，一般冷喷废气常见气体成分中，其在吸附剂上的吸附能力排行为H2O>CO2>N2>Ar>H2>He，因此利用各成分吸附能力差距，能够有效将氦气与其他气体分开，从而能够有效提高氦气的浓度。
进一步的，所述膜分离装置包括依次设置的第一级膜分离器、第二级膜分离器和第三级膜分离器；所述第一级膜分离器、第二级膜分离器和第三级膜分离器内均设有有机膜。
通过采用上述技术方案，在第一级膜分离器、第二级膜分离器和第三级膜分离器中均设置有甲级丙烯酸甲酯膜，该有机膜中对冷喷废气常见气体的渗透速率为He>H2>CO2>N2等，能够有效将氦气与氮气等干扰气体分离开。
此外，膜分离装置有两种可选的运行路线；其中，路线一为：废气依次经过第一级膜分离器、第二级膜分离器和第三级膜分离器，从而能够获得高纯的氦气；路线二为：将第一级膜分离器的渗透气送入第三级膜分离器，第三级膜分离器的渗透气进入氦气缓存区 ；第一级膜分离器的未渗透气送入第二级膜分离器，第二级膜分离器的未渗透气排出本系统，第二级膜分离器的渗透气和第三级膜分离器的未渗透气均返回至第一级膜分离器的入口，以便能提高氦气的收率。
进一步的，过滤系统还包括：
集气部一，所述集气部一与所述吸附装置连通；
集气部二，所述集气部二与所述膜分离装置连通。
通过采用上述技术方案，吸附装置时通过物理吸附实现，待氦气过滤处理结束后，还可以通过解吸附的方式，释放氦气处理过程中吸附的杂质气体，并通过集气部一将杂质气体进行收集，有助于保证吸附装置的长期有效；膜分离装置中，氦气穿过有机膜进入氦气缓存区，未能穿透有机膜的杂质气体则进入集气部二，便于氦气回收循环的再次进行。
进一步的，所述集气部一与所述吸附装置之间、所述膜分离装置和集气部二之间均设有控制阀；2个所述控制阀均与所述控制器相连。
通过采用上述技术方案，通过控制器和控制阀，能够控制过滤系统和外界的连通或封闭，一方面能够在氦气处理时关闭控制阀维持封闭环境，另一方面能在氦气处理结束后打开控制阀收集、转移杂质气体。
进一步的，所述粉末过滤器和吸附装置之间依次设有压缩机一和水雾过滤器。
通过采用上述技术方案，利用压缩机一将废气进行压缩，并通过水雾过滤器将液化的水过滤掉，便于废气的下一步处理。
进一步的，所述回收系统还设有：
气体浓度测量仪，所述气体浓度测量仪与所述氦气缓存区的进口端连通；
压力传感器，所述压力传感器与所述高压储气罐连通；且所述气体浓度测量仪和压力传感器均与所述控制器相连。
通过采用上述技术方案，利用气体浓度测量仪，有助于监测进入下一轮循环使用的氦气浓度是否达到要求，并将相应的电信号发送至控制器；利用压力传感器，能够感应高压储气罐内的氦气量，以便能根据储气瓶的状态对其进行充气、停止充气、更换储气瓶的操作，一般来说，储气瓶内压力达到10MPa就达到充满状态。
进一步的，所述气体浓度测量仪包括氦气浓度仪、氮气浓度仪和/或氧气浓度仪。
通过采用上述技术方案，利用氦气浓度仪、氮气浓度仪和/或氧气浓度仪有助于实现对回收系统中的气体浓度进行监测。
进一步的，所述氦气缓存区和高压储气罐之间设有压缩机二，所述压缩机二的出口端的氦气压力≥10MPa。
通过采用上述技术方案，利用压缩机二，有助于进一步将处理后的氦气压缩至相应水平，便于后续将氦气泵入高压储气罐。
进一步的，所述筒部的横截面直径不小于所述斗部的最大直径，所述颈部的横截面直径不大于所述斗部的最小直径；所述出口端内设有滤网。
通过采用上述技术方案，将筒部和颈部设置为中空圆筒形、将斗部设置为漏斗形，有助使气流与筒部的壁面碰撞，气流中的粉末则由于重力沿壁面下落，同时，出口端位于粉末过滤器主体部内的端面安装有滤网，气流中的粉末会进一步被滤网限制，以便能有效将粉末和气体分离。
进一步的，所述冷喷涂系统还包括喷管、机械臂、供粉装置和夹具部。
通过采用上述技术方案，利用喷管、机械臂、供粉装置和夹具部等部件，有助于协调完成工件的冷喷涂工作，其中，夹具部用于夹持加工工件。
进一步的，根据权利要求1所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：在工作过程中，当所述氦气缓存区的压力≥0.5MPa时，所述压缩机二开始启动工作；且当所述氦气缓存区的压力≤0.01MPa时，所述压缩机二停止工作。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明利用密封加工腔、气流调节系统、过滤系统、回收系统等机构的共同协作，能够将氦气限制在一定轨迹中，并进行过滤回收，能够有效减少氦气损耗、降低成本；并且，气流经过粉末过滤器、吸附级联装置和膜分离装置层层过滤，能够获得较高纯度的氦气，并进一步通过增压泵，获得可供冷喷涂设备直接使用的高压气体，便于循环使用。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的粉末过滤器的结构示意图；
图3是本发明实施例1的密封加工腔的内部结构示意图。
图中：1、密封加工腔；11、冷喷涂系统；111、喷管；112、机械臂；113、供粉装置；114、夹具；
2、气流调节系统；21、电磁阀；22、真空泵；23、控制器；
3、过滤系统；31、粉末过滤器；311、主体部；3111、筒部；3112、斗部；3113、颈部；3114、收集部；312、进口端；313、出口端；314、滤网；
32、吸附装置；321、第一吸附塔；322、第二吸附塔；323、集气部一；
33、膜分离装置；331、第一级膜分离器；332、第二级膜分离器；333、第三级膜分离器；334、集气部二；
4、回收系统；41、氦气缓存区；42、高压储气罐；43、气体浓度测量仪；44、压力传感器；
5、单向阀；6、控制阀；7、压缩机一；8、水雾过滤器；9、压缩机二。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：一种冷喷涂用氦气循环系统，包括密封加工腔1、气流调节系统2、过滤系统3、回收系统4，密封加工腔1、气流调节系统2、过滤系统3、回收系统4依次相连；密封加工腔1中设有冷喷涂系统11；所述密封加工腔1的外围设有冷却系统；且冷却系统为水冷系统，能够有效控制工作环境中的温度，在工作过程中，所述冷却系统与冷喷涂系统11保持同时工作，且密封加工腔1的温度不高于60℃，有助于维护冷喷涂系统11、设备的正常运转。密封加工腔1内还设有气压传感器，所述气压传感器与所述控制器23相连，有助于监控密封加工腔1内的气压状态，有助于保证安全生产。
气流调节系统2包括电磁阀21、真空泵22和控制器23；电磁阀21和真空泵22分别与控制器23相连，且电磁阀21和真空泵22分别与密封加工腔1连通。
过滤系统3包括依次设置的粉末过滤器31、吸附装置32和膜分离装置33；粉末过滤器31包括主体部311、与主体部311相连的进口端312、与主体部311相连的出口端313；主体部311由顶部至底部依次设有筒部3111、斗部3112、颈部3113和收集部3114，筒部3111、斗部3112、颈部3113和收集部3114相互连通。
回收系统4包括依次设置的氦气缓存区41、高压储气罐42、增压泵，增压泵和冷喷涂系统11相连通。
气流调节系统2和粉末过滤器31之间、粉末过滤器31和吸附装置32之间、吸附装置32和膜分离装置33之间、膜分离装置33和氦气缓存区41之间、氦气缓存区41和高压储气罐42之间均设有单向阀5，5个单向阀5均与控制器23相连。
吸附装置32包括依次设置的第一级吸附塔和第二级吸附塔；第一级吸附塔中填充有吸附剂一，第二级吸附塔中填充有吸附剂二；在第一级吸附塔中填充硅胶吸附剂，有助于去除二氧化碳等含碳气体；在第二级吸附塔中填充沸石吸附剂，能够进一步吸附其他小分子杂质，一般冷喷废气常见气体成分中，其在吸附剂上的吸附能力排行为H2O>CO2>N2>Ar>H2>He，因此利用各成分吸附能力差距，能够有效将氦气与其他气体分开，从而能够有效提高氦气的浓度。
膜分离装置33包括依次设置的第一级膜分离器331、第二级膜分离器332和第三级膜分离器333；第一级膜分离器331、第二级膜分离器332和第三级膜分离器333内均设有有机膜，第一级膜分离器331、第二级膜分离器332和第三级膜分离器333中的有机膜为甲级丙烯酸甲酯膜，该有机膜中对冷喷废气常见气体的渗透速率为He>H2>CO2>N2等，能够有效将氦气与氮气等干扰气体分离开。
过滤系统3还设有集气部一323和集气部二334；集气部一323与吸附装置32连通；集气部二334与膜分离装置33连通。
集气部一323与吸附装置32之间、膜分离装置33和集气部二334之间均设有控制阀6；2个控制阀6均与控制器23相连。
粉末过滤器31和吸附装置32之间依次设有压缩机一7和水雾过滤器8。
回收系统4还设有气体浓度测量仪43和压力传感器44，气体浓度测量仪43包括氦气浓度仪、氮气浓度仪和/或氧气浓度仪，气体浓度测量仪43与氦气缓存区41的进口端312连通，利用气体浓度测量仪43，有助于监测进入下一轮循环使用的氦气浓度、氧气浓度和/或氮气浓度是否达到要求，并将相应的电信号发送至控制器23；压力传感器44与高压储气罐42连通；且气体浓度测量仪43和压力传感器44均与控制器23相连。
氦气缓存区41和高压储气罐42之间设有压缩机二9，压缩机二9要将氦气压力增压≥10MPa以上后，灌入到高压储气罐42；在工作过程中，当氦气缓存区的压力≥0.5MPa时，压缩机二9开始启动工作，当氦气缓存区的压力≤0.01MPa时，压缩机二9停止工作。
筒部3111的横截面直径不小于斗部3112的最大直径，颈部3113的横截面直径不大于斗部3112的最小直径；出口端313内设有滤网314。
冷喷涂系统11包括喷管111、机械臂112、供粉装置113和夹具114部，夹具114部用于夹持加工工件。
本发明的另一种实施方式为：将本发明的冷喷涂用氦气回收系统4用于回收氮气。
工作原理：待回收气体从冷喷涂系统11的设备中释放，进入密封加工腔1，然后通过气流调节系统2将待处理气体导入过滤系统3进行处理，过滤系统3依次过滤掉待处理气体中的粉末、水、氧气、二氧化碳、氮气等成分，最终回收到高纯的氦气；然后通过回收系统4中缓存氦气，待冷喷涂系统11中需补充氦气时，将氦气缓存区41的氦气泵入高压储气罐42，再经过增压泵的工作，获得高压氦气，可直接供给冷喷涂设备使用，实现氦气的循环使用，节约生产成本。
本发明通过密封加工腔1、气流调节系统2、过滤系统3、回收系统4等机构的共同协作，能够将氦气限制在一定轨迹中，并进行过滤回收，能够有效减少氦气损耗、降低成本；并且，气流经过粉末过滤器31、吸附级联装置和膜分离装置33层层过滤，能够获得较高纯度的氦气，并进一步通过增压泵，获得可供冷喷涂设备直接使用的高压气体，便于循环使用，便于循环使用。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (13)
1.一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是，包括：
密封加工腔(1)，所述密封加工腔(1)中设有冷喷涂系统(11)；
气流调节系统(2)，所述气流调节系统(2)包括电磁阀(21)、真空泵(22)和控制器(23)；所述电磁阀(21)和真空泵(22)分别与所述控制器(23)相连，且所述电磁阀(21)和真空泵(22)分别与所述密封加工腔(1)连通；
过滤系统(3)，所述过滤系统(3)包括依次设置的粉末过滤器(31)、吸附装置(32)和膜分离装置(33)；所述粉末过滤器(31)包括主体部(311)、与主体部(311)相连的进口端(312)、与主体部(311)相连的出口端(313)；所述主体部(311)由顶部至底部依次设有筒部(3111)、斗部(3112)、颈部(3113)和收集部(3114)，所述筒部(3111)、斗部(3112)、颈部(3113)和收集部(3114)相互连通；
回收系统(4)，所述回收系统(4)包括依次设置的氦气缓存区(41)、高压储气罐(42)、增压泵，所述高压储气罐(42)和冷喷涂系统(11)相连通；
其中，所述密封加工腔(1)、气流调节系统(2)、过滤系统(3)和回收系统(4)依次相连；
所述气流调节系统(2)和粉末过滤器(31)之间、所述粉末过滤器(31)和吸附装置(32)之间、所述吸附装置(32)和膜分离装置(33)之间、所述膜分离装置(33)和氦气缓存区(41)之间、所述氦气缓存区(41)和高压储气罐(42)之间均设有单向阀(5)，5个所述单向阀(5)均与控制器(23)相连。
2.根据权利要求1所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述密封加工腔(1)的外围设有冷却系统，且所述密封加工腔(1)内还设有气压传感器，所述气压传感器与所述控制器(23)相连。
3.根据权利要求2所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是，所述吸附装置(32)包括：
第一级吸附塔，所述第一级吸附塔中填充有吸附剂一；
第二级吸附塔；所述第二级吸附塔中填充有吸附剂二；
其中，所述一级吸附塔和第二级吸附塔依次设置。
4.根据权利要求3所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述膜分离装置(33)包括依次设置的第一级膜分离器(331)、第二级膜分离器(332)和第三级膜分离器(333)；所述第一级膜分离器(331)、第二级膜分离器(332)和第三级膜分离器(333)内均设有有机膜。
5.根据权利要求4所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是，过滤系统(3)还包括：
集气部一(323)，所述集气部一(323)与所述吸附装置(32)连通；
集气部二(334)，所述集气部二(334)与所述膜分离装置(33)连通。
6.根据权利要求5所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述集气部一(323)与所述吸附装置(32)之间、所述膜分离装置(33)和集气部二(334)之间均设有控制阀(6)；2个所述控制阀(6)均与所述控制器(23)相连。
7.根据权利要求2所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述粉末过滤器(31)和吸附装置(32)之间依次设有压缩机一(7)和水雾过滤器(8)。
8.根据权利要求2所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是，所述回收系统(4)还设有：
气体浓度测量仪(43)，所述气体浓度测量仪(43)与所述氦气缓存区(41)的进口端(312)连通；
压力传感器(44)，所述压力传感器(44)与所述高压储气罐(42)连通；且所述气体浓度测量仪(43)和压力传感器(44)均与所述控制器(23)相连。
9.根据权利要求8所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是，所述气体浓度测量仪(43)包括氦气浓度仪、氮气浓度仪和/或氧气浓度仪。
10.根据权利要求2所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述氦气缓存区(41)和高压储气罐(42)之间设有压缩机二(9)，所述压缩机二（9）的出口端的氦气压力≥10MPa。
11.根据权利要求2所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述筒部(3111)的横截面直径不小于所述斗部(3112)的最大直径，所述颈部(3113)的横截面直径不大于所述斗部(3112)的最小直径；所述出口端(313)内设有滤网(314)。
12.根据权利要求1所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：所述冷喷涂系统(11)还包括喷管(111)、机械臂(112)、供粉装置(113)和夹具(114)部。
13.根据权利要求1所述的一种冷喷涂用氦气循环系统，其特征是：在工作过程中，所述氦气缓存区的压力≥0.5MPa时，压缩机二（9）开始启动工作；所述氦气缓存区的压力≤0.01MPa时，压缩机二（9）停止工作。
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| CN202311163616.6A CN117230439A (zh) | 2023-09-11 | 2023-09-11 | 一种冷喷涂用氦气循环系统 |
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