專利名稱：一種低溫冷阱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷設(shè)備，特別是關(guān)于一種用于捕集可凝性氣體的低溫冷阱。
背景技術(shù)：
在干燥、凍干等生產(chǎn)過程中，均需要使用冷阱對可凝性氣體進(jìn)行捕集或冷卻回 收。冷阱又稱冷凝捕集器，被廣泛應(yīng)用于生化石油實驗，低溫液浴，藥品凍干和 氣體捕集等多種用途。目前低溫冷阱的制冷方式有兩種半導(dǎo)體制冷和液氮制冷。
半導(dǎo)體冷阱的制冷器件使用特種半導(dǎo)體材料，通電后直接制冷，不用制冷劑。 半導(dǎo)體制冷具有可連續(xù)工作，無回轉(zhuǎn)效應(yīng)，工作時沒有震動、噪音，壽命長，安裝 容易的優(yōu)點。又因為它是電流換能型器件，通過電控，可實現(xiàn)高精度的溫度控制， 同時很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。但是半導(dǎo)體 制冷有一個較大的缺點就是制冷所能達(dá)到的溫度較高，最低一般只能達(dá)到-30°C ， 不能實現(xiàn)對氣體的完全捕集。因此半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用范圍受到了較大的限制。
液氮作為一種常用的冷卻劑，其原理就是液氮在氣化過程中會吸收大量的熱
量，從而使周圍環(huán)境的溫度迅速降低。其最大的優(yōu)勢就是最低溫度可達(dá)-196°C， 氣體可在這個溫度下基本實現(xiàn)完全捕集。液氮冷阱的一種實現(xiàn)方法是將液氮直接 噴入冷阱外部的蒸發(fā)器中，通過液氮的氣化使冷阱的溫度迅速下降，以達(dá)到較低 的溫度。對于這種實現(xiàn)方法，國外已經(jīng)開展了廣泛深入的研究，目前已有商品化 的液氮低溫冷阱問世。但由于這種方法是將液氮直接噴入冷阱外部的蒸發(fā)器中， 因此液氮的消耗量較大，制冷的成本較高。且操作過程中需要頻繁補充液氮，為 使用和維護(hù)帶來較大不便。
我國對于低溫冷阱的研發(fā)起步較晚，國內(nèi)目前通用的是半導(dǎo)體制冷方式，所 能達(dá)到的制冷溫度較高，使其應(yīng)用的領(lǐng)域受到了極大的限制。國內(nèi)商品化的低溫 冷阱， 一般僅用于在高真空和超高真空系統(tǒng)中，捕集來自蒸氣流泵的返流蒸氣和 部分裂解物，從而抽除來自真空室內(nèi)的可凝性蒸氣。而用于實驗用氣體捕集的低 溫冷阱尚未有商品化的問世。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種適用于戶外長期監(jiān)測和現(xiàn)場分析等 靈活多變的實驗環(huán)境，并且遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體制冷的同時，更可以替代液氮制冷的低 溫冷阱。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種低溫冷阱，其特征在于 它包括一箱體，所述低溫冷阱裝置放置在所述箱體中；所述低溫冷阱裝置包括制 冷系統(tǒng)、冷阱部件和加熱部件；所述制冷系統(tǒng)包括兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)，所述兩級 閉路循環(huán)系統(tǒng)分別循環(huán)有制冷效率不同的制冷劑；所述冷阱部件為設(shè)置在第二級 閉路循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器中設(shè)置有多個蒸發(fā)器管，各所述蒸發(fā)器管 中穿設(shè)有冷阱管；所述蒸發(fā)器外部由有機玻璃板的箱體密封，所述蒸發(fā)器和所述 有機玻璃板之間填充有保溫除濕材料；所述加熱部件包括電源、控制芯片和多條 加熱爐絲，每一個所述冷阱管中設(shè)置一條所述加熱爐絲。
所述制冷系統(tǒng)中的第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)冷凝器， 壓縮機連接冷凝器，冷凝器連接蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接壓縮機。
所述制冷系統(tǒng)中的第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機和蒸發(fā)器，壓縮機連接 所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接蒸發(fā)器，蒸發(fā)器連接壓 縮機，且所述蒸發(fā)器外部包裹有保溫隔熱材料。
所述制冷系統(tǒng)中的第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機和蒸發(fā)器，壓縮機連接 所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接蒸發(fā)器，蒸發(fā)器連接壓 縮機。
所述多個蒸發(fā)器管包括多個平行串聯(lián)相通的主蒸發(fā)器管和副蒸發(fā)器管，各所 述主蒸發(fā)器管和副蒸發(fā)器管與所述冷阱管的結(jié)合處封閉。 設(shè)置在各所述冷阱管內(nèi)的所述加熱爐絲為并聯(lián)連接。
所述第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的制冷效率高于所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng) 中制冷劑的制冷效率。
所述保溫除濕材料為硅膠。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于所有的制冷 劑都是在閉路的系統(tǒng)中循環(huán)，相對于液氮制冷，有效地解決了制冷劑的損耗問題。 2、本發(fā)明的蒸發(fā)器管和冷阱管均采用銅制管腔，可提高熱能傳遞的效率，縮短降 溫時間。3、本發(fā)明由于在冷阱管腔中通過由控制芯片控制的加熱爐絲，可以在短 時間內(nèi)改變冷阱的溫度，還可以解決冷阱的冰堵問題。4、本發(fā)明由于在蒸發(fā)器外 部包裹保溫隔熱材料，并在隔熱材料外部進(jìn)行密封，使得冷阱在制冷工作過程中 不受外界環(huán)境的影響，達(dá)到保溫除濕的效果。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明蒸發(fā)器管和冷阱管的示意圖 圖3是本發(fā)明單根蒸發(fā)器管、冷阱管及其加熱裝置的示意圖 圖4時本發(fā)明加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
本發(fā)明包括一有箱體，低溫冷阱裝置放置在箱體中。低溫冷阱裝置包括制冷 系統(tǒng)、冷阱部件和加熱部件。
制冷系統(tǒng)包括兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，制冷系統(tǒng)的第一級閉路循環(huán) 系統(tǒng)包括一級壓縮機l，冷凝器3， 一級熱交換器5，毛細(xì)管7和蒸發(fā)冷凝器10。 冷凝器3連接在一級壓縮機1與一級熱交換器5之間；毛細(xì)管7連接在一級熱交 換器5與蒸發(fā)冷凝器10之間； 一級壓縮機1與一級熱交換器5相連，形成一級壓 縮機1—冷凝器3——級熱交換器5—毛細(xì)管7—蒸發(fā)冷凝器10——級熱交換器5 —一級壓縮機1的第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)，其中循環(huán)有制冷劑A。第二級閉路循環(huán) 系統(tǒng)包括二級壓縮機2，油分離器4， 二級熱交換器6，蒸發(fā)冷凝器IO，毛細(xì)管 8和蒸發(fā)器9。油分離器4與二級壓縮機2并聯(lián)，二級熱交換器6連接在油分離器 4與蒸發(fā)冷凝器10之間，蒸發(fā)冷凝器10連接在毛細(xì)管8上，蒸發(fā)器9連接在毛細(xì) 管8與二級熱交換器6之間，二級熱交換器6又與二級壓縮機2相連，形成二級 壓縮機2—油分離器4—二級熱交換器6—蒸發(fā)冷凝器10—毛細(xì)管8—蒸發(fā)器9— 二級熱交換器6—二級壓縮機2的第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)，其中循環(huán)有制冷劑B。其 中第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑A通過蒸發(fā)冷凝器IO氣化，為第二級閉路循環(huán) 系統(tǒng)中的制冷劑B降溫。
制冷系統(tǒng)的工作原理為從一級熱交換器5排出的低溫低壓氣態(tài)制冷劑A，經(jīng) 過一級壓縮機l，被壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣。過熱蒸氣通過冷凝器3，向周圍 空氣散熱降溫，成為高壓低溫液體。此時高壓低溫液態(tài)制冷劑A經(jīng)過一級熱交換 器5，與同時經(jīng)過其中的氣態(tài)制冷劑A進(jìn)行熱量交換，流入毛細(xì)管7進(jìn)行節(jié)流降壓。 得到的低溫低壓液態(tài)制冷劑A進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器10中，與第二級閉路循環(huán)中的制冷 劑B進(jìn)行熱交換，制冷劑A吸收熱量氣化，制冷劑B放熱降溫。制冷劑A由液態(tài) 變?yōu)闅鈶B(tài)，經(jīng)過一級熱交換器5被一級壓縮機1吸收。至此完成第一級閉路循環(huán)， 為第二級閉路循環(huán)中的制冷劑B降溫。從二級熱交換器6排出的低溫低壓氣態(tài)制 冷劑B，經(jīng)過二級壓縮機2，被壓縮成高溫高壓的過熱^氣。與二級壓縮機2并聯(lián) 的油分離器4可以使過熱蒸氣在經(jīng)過油分離器4時，由油分離器4分離去掉二級 壓縮機2的泵油殘留，并使泵油殘留回收到二級壓縮機2中。而分離后得到的純 凈過熱蒸氣則進(jìn)入二級熱交換器6與同時經(jīng)過其中的氣態(tài)制冷劑B進(jìn)行熱量交換。
分離出的泵油殘留經(jīng)過管道回到二級壓縮機2中。從二級熱交換器6中出來的過 熱蒸氣通過蒸發(fā)冷凝器10散熱降溫，成為高壓低溫液態(tài)制冷劑B。高壓低溫液體 制冷劑B流入毛細(xì)管8進(jìn)行節(jié)流降壓，得到的低溫低壓液體制冷劑B進(jìn)入蒸發(fā)器9 中吸熱氣化，與蒸發(fā)器9中的被降溫物質(zhì)進(jìn)行熱量交換，達(dá)到降溫的目的。氣化 后的氣態(tài)制冷劑B通過二級熱交換器6后，被二級壓縮機2吸收，完成第二級閉 路循環(huán)。其中第一級閉路循環(huán)中的制冷劑A用于為第二級閉路循環(huán)中的制冷劑B 降溫，因此制冷劑A的降溫要求遠(yuǎn)低于制冷劑B的降溫要求，也就是說制冷劑B 的制冷效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制冷劑A的制冷效率。
本發(fā)明的冷肼部件為第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器9，如圖2所示，蒸發(fā)器 9的內(nèi)部包括平行串聯(lián)的6個主蒸發(fā)器管91 96和1個副蒸發(fā)器管97。冷阱管從 蒸發(fā)器管內(nèi)部通過。蒸發(fā)器管91 97呈蛇形排列，平行串聯(lián)相通，且各蒸發(fā)器管 兩端與冷阱管的結(jié)合處封閉，這樣可以保證制冷劑B在蒸發(fā)器管內(nèi)的流動性和密 封性。制冷劑B的流動方向如圖中箭頭所示，由主蒸發(fā)器管91 96流向副蒸發(fā)器 管97。 6個主蒸發(fā)器管91 96的結(jié)構(gòu)和材料相同，均為不同內(nèi)徑的銅管。本發(fā)明 的主蒸發(fā)器管91 96為長230毫米，內(nèi)徑3毫米的銅管，副蒸發(fā)器管97為長230 毫米，內(nèi)徑6毫米的銅管。主蒸發(fā)器管91 96中的冷阱管為長200毫米，外徑3 毫米，內(nèi)徑2毫米的銅管，副蒸發(fā)器管97中的冷阱管為長200毫米，內(nèi)徑4毫米 的銅管。在蒸發(fā)器9外由有機玻璃板的箱體密封，蒸發(fā)器和有機玻璃板之間填充 保溫除濕材料，比如硅膠材料，以起到保溫除濕的效果。這樣使得蒸發(fā)器在工作 過程中不受外界環(huán)境的影響。
如圖3所示，主蒸發(fā)器管91內(nèi)套冷阱管912。冷阱管912的外徑必須小于蒸 發(fā)器管91的內(nèi)徑，以使制冷劑可以在空腔中流通。這樣制冷劑B可以在主蒸發(fā)器 管91與冷阱管912之間的空間中循環(huán)導(dǎo)通，以同冷阱管912內(nèi)的被冷卻物質(zhì)進(jìn)行 熱量交換，達(dá)到制冷的目的。制冷劑B和被制冷物質(zhì)分別在主蒸發(fā)器管91和冷阱 管912中的流向可相同或不同，其降溫效果不發(fā)生變化。
如圖3、圖4所示，本發(fā)明的加熱部件包括設(shè)置在冷阱管912內(nèi)部的加熱爐絲 913、控制芯片12和電源11。加熱爐絲913用于對冷阱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，電源11 為開關(guān)電源，控制芯片12可以是單片機控制芯片，也可以是自行設(shè)計的控制芯片。 設(shè)置在各條冷阱管內(nèi)的加熱爐絲913為并聯(lián)連接，由芯片12控制調(diào)節(jié)溫度。并且 加熱爐絲913需同冷阱管912絕緣。如果通過冷阱管的被降溫物質(zhì)沒有充分干燥， 其攜帶的水分在冷阱管腔中發(fā)生冰堵現(xiàn)象，則調(diào)節(jié)加熱爐絲的溫度就可以融化冰 堵。
本發(fā)明由于每級閉路循環(huán)系統(tǒng)都有一壓縮機和一熱交換器，因此本發(fā)明的制 冷方式叫做雙壓縮機復(fù)疊式制冷。第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)的目的不是直接為被冷卻 物質(zhì)降溫，而是作為第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)的冷卻器，與第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中的 制冷劑進(jìn)行熱交換，創(chuàng)造一個冷凝環(huán)境。兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)的原理大致相同由 壓縮機對低溫抵壓氣態(tài)制冷劑壓縮，形成高溫高壓的過熱蒸氣，排入冷凝器中； 冷凝器通過散熱，將過熱蒸氣轉(zhuǎn)化為低溫高壓液態(tài)制冷劑；液態(tài)制冷劑經(jīng)過蒸發(fā) 器與被冷卻物質(zhì)進(jìn)行熱量交換；液態(tài)制冷劑蒸發(fā)變成氣態(tài)，吸收被冷卻物質(zhì)的熱 量，從而達(dá)到降溫的目的。冷阱部件由主、副蒸發(fā)器管的冷阱管組成，各冷阱管 不相連通。冷阱管中的被制冷物質(zhì)與在蒸發(fā)器管腔中的制冷劑進(jìn)行熱量交換。加 熱部件是由通過冷阱管內(nèi)部的電熱爐絲組成，電熱爐絲的溫度由一個控制芯片來 控制。這樣不但可以在短時間內(nèi)改變冷阱的溫度，還可以在低溫冷阱的冷阱管腔 中發(fā)生冰堵時，適當(dāng)提高溫度，使固態(tài)冰氣化排出。
本發(fā)明的低溫冷阱，制冷溫度可達(dá)-170°C，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的半導(dǎo)體冷阱。同時， 由于本發(fā)明使用環(huán)保的復(fù)合制冷劑在系統(tǒng)中閉路循環(huán)，工作過程中不會對制冷劑 造成損耗，也就不會存在不斷補充的問題。這樣就使得本發(fā)明的低溫冷阱與液氮 冷阱相比，在制冷效果差別不大的前提下，極大地降低了成本。
權(quán)利要求
1、一種低溫冷阱，其特征在于它包括一箱體，所述低溫冷阱裝置放置在所述箱體中；所述低溫冷阱裝置包括制冷系統(tǒng)、冷阱部件和加熱部件；所述制冷系統(tǒng)包括兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)，所述兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)分別循環(huán)有制冷效率不同的制冷劑；所述冷阱部件為設(shè)置在第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器中設(shè)置有多個蒸發(fā)器管，各所述蒸發(fā)器管中穿設(shè)有冷阱管；所述蒸發(fā)器外部由有機玻璃板的箱體密封，所述蒸發(fā)器和所述有機玻璃板之間填充有保溫除濕材料；所述加熱部件包括電源、控制芯片和多條加熱爐絲，每一個所述冷阱管中設(shè)置一條所述加熱爐絲。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述制冷系統(tǒng)中的第一 級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)冷凝器，壓縮機連接冷凝器，冷凝 器連接蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接壓縮機。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述制冷系統(tǒng)中的第二 級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機和蒸發(fā)器，壓縮機連接所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)的 蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接蒸發(fā)器，蒸發(fā)器連接壓縮機，且所述蒸發(fā)器外部包 裹有保溫隔熱材料。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述制冷系統(tǒng)中的第二 級閉路循環(huán)系統(tǒng)包括一壓縮機和蒸發(fā)器，壓縮機連接所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)的 蒸發(fā)冷凝器，蒸發(fā)冷凝器連接蒸發(fā)器，蒸發(fā)器連接壓縮機。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述多個蒸發(fā)器管包括多個平行串聯(lián)相通的主蒸發(fā)器管和副蒸發(fā)器管，各所述主蒸發(fā)器管 和副蒸發(fā)器管與所述冷阱管的結(jié)合處封閉。
6、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種低溫冷阱，其特征在于設(shè)置在各所述冷阱管內(nèi)的所述加熱爐絲為并聯(lián)連接。
7、 如權(quán)利要求5所述的一種低溫冷阱，其特征在于設(shè)置在各所述冷阱管內(nèi)的所述加熱爐絲為并聯(lián)連接。
8、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述第二 級閉路循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的制冷效率高于所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的制 冷效率。
9、 如權(quán)利要求5所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的制冷效率高于所述第一級閉路循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的制冷效率。
10、 如權(quán)利要求1所述的一種低溫冷阱，其特征在于所述保溫除濕材料為硅膠。
全文摘要
一種低溫冷阱，其特征在于它包括一箱體，低溫冷阱裝置放置在箱體中；低溫冷阱裝置包括制冷系統(tǒng)、冷阱部件和加熱部件；制冷系統(tǒng)包括兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)，兩級閉路循環(huán)系統(tǒng)分別循環(huán)有制冷效率不同的制冷劑；冷阱部件為設(shè)置在第二級閉路循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中設(shè)置有多個蒸發(fā)器管，各蒸發(fā)器管中穿設(shè)有冷阱管；蒸發(fā)器外部由有機玻璃板的箱體密封，蒸發(fā)器和有機玻璃板之間填充有保溫除濕材料；加熱部件包括電源、控制芯片和多條加熱爐絲，每一個冷阱管中設(shè)置一條加熱爐絲。本發(fā)明有效地解決了制冷劑的損耗問題，并可提高熱能傳遞的效率，縮短降溫時間，還可以解決冷阱的冰堵問題。
文檔編號B01D8/00GK101337135SQ20081011823
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者劉興隆, 曾立民 申請人:北京大學(xué)