用于冷却泵送系统的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了用于冷却泵送系统的系统，并具体涉及在高压应用(例如，高压液相色谱(HPLC)或超临界流体色谱(SFC)应用)中泵送可压缩流体的方法和系统。描述了用于超临界流体色谱(SFC)系统中的泵头的改进的冷却装置。用于冷却泵送系统的系统包括：与泵头热接触的帕尔贴冷却元件，其中，冷却元件在流动相流体进入泵之前冷却泵头和流动相流体流；连接到帕尔贴冷却元件的流体冷却热交换器，流体冷却热交换器使用循环流体从冷却元件去除热量；冷却循环流体的第二热交换器。
【专利说明】用于冷却泵送系统的系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于泵送可压缩流体的方法和系统。更具体地，本发明涉及在高压应用(例如，高压液相色谱(HPLC)或超临界流体色谱(SFC)应用)中泵送可压缩流体。
【背景技术】
[0002]工业泵送采取很多形式，一般都需要通过处理流(process stream)来传送流体或浆液。根据应用需求来选择泵，这些需求包括水头压力、计量精度、温度、颗粒容忍度、流体黏性、成本、安全性、服务率和多种其他参数。泵通常可以分成两种类型。容积式泵(positive displacement pump)隔离离散量的工作流体并使它们沿着受控方向移动。动力泵(kinetic pump)通过将动能增加到系统来进行操作，这使流体的黏性在局部增大。动能在泵出口处被转变成势能，即压力。
[0003]在需要高纯度、高压(例如大于IOObar (巴)至超过IOOObar)和高精度(例如，小于1%的流动变化)时，往复泵(例如图1的示图中所示的泵2)仍然是泵送流体的主要工业手段。往复泵有多种形式，包括机械式和气动式活塞泵、机械式和液压式隔膜泵。这种泵2的特征在于具有一个或多个头4，头4在低压输入部分和高压输出部分之间传输流体。每个泵头包括物理调节泵送的流体可达到的内部容积的装置。在操作中，每个泵头4使用由凸轮8驱动的活塞6，凸轮8交替地通过增加可获得泵头体积来从输入部分10抽吸流体，然后通过减少该体积来将流体分送到输出部分12。大部分往复泵设计成仅沿着一个方向流动。流动方向受到一系列截止阀14、16控制，截止阀14、16在抽吸期间使泵头与输出压力隔离、并在分送期间使泵头与输入压力隔离。输出压力一般不受到泵控制，而是受到由泵使用的处理流的下游流动阻力控制。
[0004]往复泵由它们使用的泵头的数量来表征。具有单一泵头的泵称作单缸泵。双缸、三缸和四缸泵分别表示泵具有两个、三个和四个头。需要两个或更多个泵头来提供伪连续流，因为在一个泵头抽吸时，另一泵头可以进行传送。但是，因为移动的特性涉及相反运动的停止和重启，所以往复泵只能近似地效仿连续旋转泵。通常，用于给定流率的泵头的数量越大，输出流动的脉动越低。
[0005]当由活塞泵所泵送的流体相对不可压缩时，这些泵常称作计量泵，因为假定流体的体积流动与泵头中的活塞或隔膜的机械体积排量匹配。往复泵的计量应用的示例是低压注射泵，其中玻璃注射器吸入水溶液并将水溶液非常精确地分送到下游储器。在这种低压应用(通常低于2bar)中，水溶液的体积压缩几乎不可测量，因此对精确排量的假设准确。
[0006]当往复泵与非常可压缩的流体(例如永久气体)一起使用时，往复泵经常称作压缩机或气体增压机。气体增压机代表流体压缩性对泵性能的影响的理想示例。在这种情况下，通常的应用是增加输入部分和输出部分之间的气体的压力。气体增压机的基本特性是压缩比。压缩比简单来说是泵头在其吸入冲程顶端可以隔离在其截止阀之间的最大流体体积与泵头在其输出冲程底端可减少到的最小体积之间的比率。因此，压缩比7: I表示吸入的最大体积是在输出结束时剩余流体体积的七倍。[0007]图2示出现有技术的用于HPLC泵的基本组件。HPLC泵18是电动凸轮驱动泵的示例。在这种情况下，电机20使轴22旋转从而使偏心凸轮24和26旋转，以分别提供容纳在泵头32和34中的活塞28和30的往复运动。在每个活塞抽吸时，分别经由输入截止阀38或40从流体储器36吸入流体。输出截止阀42或44在抽吸期间保持密封。在输出冲程期间，输入截止阀38或40关闭，而输出截止阀42或44打开以将流体输出到处理流46。图2所示的凸轮驱动装置仅是HPLC泵的一个示例。其他示例包括连接到活塞28和30的滚珠丝杠驱动装置、气动驱动装置和液压驱动装置。剩余的讨论主要集中于与泵18的设计类似的实验室型HPLC和SFC型泵使用压缩补偿来泵送流体。
[0008]通常的实验室HPLC仪器中使用的泵的需求非常严格。泵必须能够在非常高的压力(传统的HPLC高达400bar，近来的超高性能LC系统高达IOOObar)下进行传送。期待2000bar超高性能LC系统。HPLC泵还必须能够处理超高纯度流体，而不会产生可检测到的污染。此外，对于给定的流率，期望在大部分可操作的压力范围内流体的体积传输在窄界限内(变化小于1% )保持恒定。最终，还期望相同的泵在短至一分钟的时段内精确地改变流动超过至少一个数量级范围。这是称作梯度洗脱的技术所需要的结果，在梯度洗脱中，由分别的泵控制的两种溶剂系统地被调节成从弱洗脱混合物到强洗脱混合物的相对组成，同时保持恒定的组合流率。
[0009]通常，未改变的高效液相色谱(HPLC)泵将在这种条件下传送未知的改变量的可压缩流体。在梯度期间柱头(column head)压力增大时，利用每个泵冲程的更大比例进行压缩流体而不是传送流体。采用无补偿泵，输送率变成流动设定点的更小分数。当将第二泵增加到系统以在高压下传送不可压缩的流体时，第二泵的传送率不受到增加的压力影响。随后两个泵将非精确的流量和成分传送到流动相。随着系统中压力增大，总流量降低到低于其设定点，但是改性剂的浓度增加到超过改性剂设定点。泵头中的可压缩流体的温度必须受控制，以防止传送的质量流进一步改变。
[0010]当受压缩时，泵送流体变热并试图膨胀。对于在高于200bar的出口泵压力下的高度可压缩的二氧化碳，在流体内可能有超过十摄氏度的温度升高。泵送流体的快速压缩引起流体变热并膨胀，并且引起密度降低。当热量被传递到泵主体时，泵送的流体冷却并且流体密度增大。在过去二十年中，超高性能色谱系统中遇到的可压缩性等级非常类似于超临界流体色谱(SFC)中遇到的可压缩性等级。过去，几乎所有出售的用于执行SFC或超临界流体萃取(SFE)的泵是高效液相色谱(HPLC)泵的修改版本。
[0011]SFC是与高效液相色谱(HPLC)密切相关的分离技术，除了流动相中使用的一种流体是液化气之外。流体通常在高于80-100大气压的压力下被压缩并使用。SFC中最常见的流体是二氧化碳，但是有时使用其他流体。二氧化碳被作为气体存储在供应缸中，在压力下与液相平衡。取决于“室温”，供应缸中的压力可以是大约40至60大气压。与普通液体相比，更难泵送二氧化碳，因为二氧化碳的可压缩性非常高并且在室温下很容易膨胀成气体，除非应用外部压力。
[0012]SFC使用液化CO2作为流动相的一种成分。作为液化气，CO2必须在高压下被传送到泵头，以保持处于液体状态。这通常通过在热平衡下连接既包含液体CO2又包含蒸气CO2的罐来实现。与罐的CO2液体连通的汲取管(dip tube)直接垂至泵头，但是CO2在进入泵头之前会部分或完全汽化。因此，CO2流和泵头必须被预处理达到SFC或HPLC系统的适当操作。通常，对泵头的冷却和对流体的预冷却都需要，以确保在泵抽吸期间CO2保持液体状态。在SFC中使用特定级别的高纯度CO2以防止纯度较低的CO2的溶解成分影响流动相的光学透明度。CO2和常用有机溶剂的混合物也倾向于比相应的水:有机溶剂混合物具有更高的折射率变化，以使得用光学检测器更易观察到成分中的较小快速变化。
[0013]当泵试图充满时，管中的压力会下降到低于供应缸中的压力，某些流体会汽化。泵上的电机和相关电子器件将使泵变热到高于室温(即，30至35°C )。如果泵的温度高于供应缸的温度，则流体将在泵头内部进一步汽化。因为现代HPLC泵具有相对低的压缩比，所以这些HPLC泵不能有效地用作气体压缩机。流体必须作为液体存在于泵中。改进的HPLC泵必须执行对二氧化碳的压缩和计量，以产生精确流动。HPLC泵通常不需要被冷却。但是，SFC泵必须足够冷，以不使得进入泵头的液体二氧化碳汽化(即，SFC泵必须比供应缸更冷)。为了确保泵头足够冷以泵送液体二氧化碳，泵头通常被冷却到明显低于环境温度。在流体进入泵之前预冷却流体会降低流体的可压缩性。
[0014]如上所述，泵送液体CO2采取特殊预防措施以确保连续的液体供应进入泵头。液体CO2的可压缩性也是主要因素，因为该可压缩性通常是有机液体的最大可压缩性的十倍。此外，在60bar (大约罐的压力)和400bar (最大系统压力)之间压缩CO2可以将流体温度提高到高于25°C。这种温度升高剧烈地改变传送的流体的密度，并需要对泵的更进一步控制。
[0015]在执行压缩和计量的泵中，由泵传送的实际质量流取决于泵头温度。为确保精确可重复的流率，泵头和二氧化碳温度必须都低于供应缸的温度，并且严格受到控制。为利用现有HPLC泵执行SFC，冷却器连接到泵头。Hewlett Packard在1982年使用改进的1084HPLC引入第一个商用SFC。使用的HPLC泵是笨重的，具有大的电机。需要冷却泵头以维持二氧化碳液体，并防止气穴(cavitation)。SFC泵采用热交换器,该热交换器由黄铜制成的空心隔间组成并螺栓连接到每个泵头。外部商用循环容器(circulating bath)将水/防冻剂的混合物泵送通过连接到热交换器的导管。循环容器的温度设置成_20°C。冷却的液体被容器中的循环泵循环经过螺栓连接到HPLC泵头的腔室，冷却泵头。此外，螺旋导管放置在循环容器内部，以使得流体在进入泵之前被预冷却。尽管有这些效果，但是泵有时气穴，这导致不精确的流动。
[0016]HPLC泵不打算与气相二氧化碳一起使用。这些HPLC与具有“汲取”管的供应缸一起使用，汲取管是从缸阀延伸到接近缸的底部的管。二氧化碳的液体层被从缸中抽出、冷却并提供到泵。使用来自缸的液体层使泵送问题变容易，并减少冷却器上的冷却负荷，但是将样品暴露于二氧化碳中可能的污染。液体二氧化碳可以用作包括油脂的很多相对非极性化合物的溶剂。为避免污染，形成确保纯净的特定级别的二氧化碳(SFC级)。该SFC级二氧化碳的成本高达很多通常的工业级别的15倍。
[0017]因为在这种SFC的单元中，冷却器、循环容器的管道、将流体传送到泵头的连接管、泵头上的热交换器和泵头自身都处于水的冰点以下，所以实验室空气中的湿气凝结和/或冻结在泵头和管道上。使用低于o°c的泵头设置有时导致由实验室空气中的环境湿气在CO2泵上形成大冰块。这种凝结和冻结与冷却器的期望目的没有关联，并且浪费能量，这迫使利用比冷却流体和泵头实际需要的更大的循环冷却器。需要的外部冷却器的尺寸取决于实验室空气的相对湿度，该相对湿度在一年中改变非常大。随后，冷却器的尺寸必须适应于最差情况的条件，该尺寸远大于名义尺寸。此外，消除冰形成的某些现有方案包括用隔热材料来隔离泵头并将热空气吹到结冰的泵头上，这处于空气加热泵头区域同时泵头区域被冷却以消除内部热量的颇具讽刺意味的情况而会引起更多能量被浪费。收集和安全消除凝结物会产生额外的非期望复杂性。CO2传输泵通常装有泄漏传感器，如果检测到泄漏(或凝结)，泄漏传感器关断电源。凝结尽管严格来讲不是泄漏，但是会触发泄漏传感器。
[0018]冰和凝结问题促使后来的SFC泵设计者使用略高于凝固温度的泵头温度(例如5V ) ο例如，Thar/Waters corporation的设计者目前使用利用大孔径管连接到泵头的外部冷却器，非常类似于原始1084的设计。JascoSFC/SFE (超临界萃取系统)在于1985年被引入时初始使用这种方法。1992年引入的Gilson系统使用这种方法。但是，在凝固温度以上进行操作仅部分地解决与SFC泵有关的问题。安装在泵头上或泵头周围任意处的冷却器仍然具有暴露于潮湿环境空气的冷表面，导致大量的凝结，这夺走冷却器的大部分功率并同时产生不期望的废物流。冷却器的尺寸必须远大于冷却二氧化碳和泵头实际需要的尺寸。
[0019]使用单独的商用循环容器来冷却HPLC泵会使得分别的组件的运输和维修变困难和麻烦。在通常的系统中，使用尺寸为2.5至5立方英尺的商用循环容器，该循环容器利用4-6英尺的3/8至1/2英寸OD管连接到单独的泵模块。某些冷却器提供2500瓦或更大的冷却。这种循环容器具有其自己的控制电子器件和电力电缆，体积大，并且昂贵。因为上述实施例将循环容器冷却到低于室温，连接管必须严格绝热，使得连接管极其厚和笨重，在管上的过度凝结仍然常见。
[0020]SFC中使用的仅有的其他共用冷却器直接在泵头上连同在沿着被实验室空气的强制对流冷却的带散热片的热交换器上采用帕尔贴(Peltier)热电元件。利用电流通过，帕尔贴的一侧变冷，直接冷却泵头，而另一侧变热。风扇将室温空气吹过安装在热侧的带散热片的热交换器，从热交换器去除热量。这种布置不需要利用大孔径弹性管连接到泵并填充有冷的循环流体的外部冷却器。
[0021]Hewlett Packard在1992年引入使用这种帕尔贴构造的第一个SFC泵。在一种现有设计(Haertle，节能泵)中，热交换器被嵌入在泵头中，以在液体二氧化碳进入泵之前预冷却液体二氧化碳，同时帕尔贴将泵头的温度降低到4-5°C。在Haertle的另一实施例中，存在使用的对向流热交换器，该对向流热交换器使进入的二氧化碳与离开泵的二氧化碳接触，以预冷却流体并试图将所需的冷却功率量减至最小。带散热片的热交换器和高容量风扇直接安装在泵头的顶部上。使大体积的空气在帕尔贴的一个表面上与热交换器接触的需求，使得很难将帕尔贴的其他冷表面与大体积的潮湿空气隔离开，因为这两个表面仅相距约1/8英寸。来自实验室空气的水蒸气在泵头上凝结，使泵头效率降低。帕尔贴元件必须尺寸超大，以提供为泵送CO2实际需要的冷却功率的很多倍的冷却功率，以处理非期望的凝结。广泛隔热将使这种凝结减至最少，但是会妨碍为日常维护而便利地接近泵头。
[0022]另一显著问题是如何维护具有上述冷却器设计的问题的泵。所有的泵需要日常维护，例如周期性替换截止阀和活塞上的主要密封件。通常，大的带散热片的散热器安装在泵的前方，这完全阻挡为日常维护而接近泵头。需要去除冷却器以访问泵头，这使维护变复杂。JasccKSelerity和SSI都致力于将热交换器直接安装在泵头上的类似方法，而不考虑Haertle专利中的热交换器。Thar/Waters宣布在即将出现的产品中有类似方法。所有这些方法需要极大的帕尔贴，并使日常维护变复杂。
[0023]另一问题是尽管经常功率大，但是SFC中使用的所有前述冷却器都不能保证泵中的流体实际是液体或者传送的质量流是精确的。
实用新型内容
[0024]在优选和可替换的实施例中描述的本发明表示用于超临界流体色谱(SFC)系统中的改进的冷却装置和方法，或者冷却器和冷却方法、泵头。实施例的方法和系统可以用在任意类型的需要冷却泵头的泵送系统上。示例性应用包括液相色谱系统、HPLC系统、超HPLC系统、SFC系统和用于泵送气体的工业和商用系统。
[0025]在一个示例性应用中，串联地使用两个泵:一个泵将流体压缩到接近工作压力，另一个泵精确地计量流量。将两个任务分开表示冷凝器温度变得相对不重要，因为冷凝器仅有的任务是使得增压泵增加流体的压力，而不用考虑流率。这里，冷却器是称作增压泵的第一泵的一体部分，因为冷却器保证流体液化，使得泵能够增压，并且冷却器安装在与泵相同的外壳中。
[0026]本发明解决现有设计的众多问题。例如，本发明使气相二氧化碳液化，从而能够使用低等级CO2，这显著地降低操作成本。本发明通过使大气水蒸气的凝结减至最少来保持高冷却范围。本发明通过使大气中水的凝结减至最少来最小化能量消耗。本发明降低控制要求，因为温度仅需要低于约9°c而成为不相关的。本发明通过将最终热交换重新布置到远处而极大地减小最接近泵头的冷却器的物理尺寸，还通过使泵头被完全暴露而能够方便维修和接近泵头以进行维护。
[0027]在优选实施例中，冷却器组件、循环系统和泵都安装在单一小的独立抽斗上，该抽斗安装在主机中占据小于I立方英尺。所有的电连接都在内部并且穿过单一连接器。去除多个螺钉、两个管并拔掉电连接器能够容易地从主机移除抽斗以进行维护。
[0028]实施例既使用帕尔贴元件又使用循环流体，循环流体通过风扇将实验室环境空气吹过高表面积液体散热器而被冷却。但是，这里循环流体总是与帕尔贴的热侧接触。因此，“冷却”流总是高于环境温度，并且不会引起由于来自实验室空气的水分凝结而造成任何效率损失。
[0029]从室温钢或铝缸供应作为气体的二氧化碳。使用气相在就要使用之前有效地蒸馏二氧化碳，将大部分污染物流在缸中。使用气相极大地降低流体的成本。与SFC级CO2相t匕，通常以3ml/min操作200天-每天10小时/年可节省约6000美元/年。但是，使用气相需要冷却器功率足够大以总是在使用之前使流体再凝结。旧的冷却器(特别是基于帕尔贴原理的冷却器)不是特别设计成用于使气相凝结并冷却泵头。
[0030]冷却器使气体凝结成液体并将液体传送到增压泵。增压泵升高进入的二氧化碳的压力，以基本匹配下游计量泵的输出压力。以此方式，用作压力源的增压器对流体进行全部的压缩，而串联的第二泵计量二氧化碳流量。
[0031]因为第一泵的功能是简单地升高流体的压力，并且第二泵专门计量流量，所以消除供应缸温度和压力和增压泵头温度对质量流流率的任意影响。冷却器的实际温度并不重要，只要流体以液体形式存在于增压器中，尽管更低的温度能够使泵利用更少的冲程来传送相同需求的质量。通过将压缩和计量功能分配到两个不同的泵，极大地减少流动噪声。这些是相比于所有现存SFC泵送方案的主要优势。
[0032]从60bar到400bar的压缩作用可以将二氧化碳的温度增加到25°C。本发明中还可提供将泵中存在的流体传送经过附加的热交换器，以在流体被传送计量泵之前从流体去除压缩热量。在一个实施例中，在同一冷却器板中包括第二流动板以实现这个功能。在第二实施例中，冷却器温度保持足够低于在最高绝热压缩率下的温度，CO2将保持明显接近期望的传送温度(例如室温)。这能够根据需要容易地实现调节流动温度。
[0033]多个特定目标应用包括在超高效色谱系统中泵送液体，和在SFC系统中泵送液化气体(例如CO2)。此外，通过分开压缩功能和计量功能，计量步骤在非常小的压力和温度范围内进行。结果，通过测量计量步骤的压力和温度以确定流体密度并相应地调节体积流动，确实可以获得对泵的质量流控制。最后，本发明促进连续泵设计的应用(例如齿轮和罗茨泵(lobe pump))，这些泵设计向往复泵提供优越的无脉动传送，但是在需要的纯度条件下限制产生高压差的能力。
[0034]具体而言，本实用新型公开了一种用于冷却泵送系统的系统，其特征在于包括:帕尔贴冷却元件，其布置在泵头附近以使所述冷却元件与所述泵头热接触，其中，所述冷却元件在流动相流体进入所述泵之前冷却所述泵头和所述流动相流体流；第一热交换器，其连接到所述帕尔贴冷却元件，所述第一热交换器使用循环流体从所述冷却元件去除热量；和第二热交换器，其冷却所述循环流体，其中，所述冷却元件和所述泵头被布置在与所述第二热交换器隔离的区域中。
[0035]所述冷却元件和所述泵头可以定位在与所述循环流体和所述第二热交换器热隔离的区域中。
[0036]所述冷却元件和所述泵头可以定位在外壳中，所述外壳可以密封以防环境空气进入所述外壳。
[0037]所述循环流体可以以低压管方式传送到散热器，所述散热器可以在壳体框架中远离所述冷却元件。
[0038]所述管、所述第一热交换器、循环泵和所述第二热交换器可以在高于环境温度下操作。
[0039]所述外壳可以是隔间，所述隔间可以受到密封以使密封件和所述隔间防止环境湿气进入所述隔间。
[0040]所述冷却元件可以热安装在所述泵头后面，使得无需移除或改变所述冷却元件即可移除所述泵头。
[0041]所述系统可以是SFC系统的一部分并且还包括环境温度下的流动相气体供应源，其中，所述冷却元件可以把作为流动相流而供应的气体冷却成液体，以在所述泵的整个操作范围内供应液体流。
[0042]所述第二热交换器可以包括散热器和风扇，所述散热器和所述风扇可以冷却循环液体而不向所隔离的区域增加额外热量。
[0043]所述泵可以定位在所隔的离区域的外部，所述泵和所述冷却元件可以被安装成具有共用电子控制装置的一个单元。
[0044]所述冷却元件可以是冷却器组件。【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1是现有技术的单缸往复泵的示图；
[0046]图2是现有技术的双缸往复泵的示图；
[0047]图3是冷却器组件的优选实施例的示图和分解图；
[0048]图4是冷却器组件的优选实施例的侧视图；
[0049]图5是组装的冷却器组件的正视图；
[0050]图6是组装的泵抽斗的右侧剖面图，示出散热器、循环泵、和包围的冷却器组件和栗头;
[0051]图7是示出在气密外壳内安装在泵头后面的冷却器组件的泵抽斗的正视图；
[0052]图8是示出定位在气密外壳外部的泵驱动机构的泵抽斗的左侧剖面图。
【具体实施方式】
[0053]应当理解，可以在范围广泛的不同构造中布置并设计一般地描述并在本文附图中示出的本发明的组件。因此，附图中所示的本发明的装置、系统和方法的实施例的下列详细描述并不意味着限制本发明要求保护的范围，而仅仅表示本发明的经选择的实施例。
[0054]参考附图4、5和6，示出优选泵头冷却器组件48的示意图。冷板或冷却器板50利用相关电连接器56连接到帕尔贴元件54。冷拔或冷却器板50由铜形成，但是也可以是铝或其他适当的材料。冷却器板50通过板延伸部52安装在泵头附近或后面。在一个实施例中，冷却器板50经过安装板66安装成与外壳框架上的泵送轴线垂直。曲折或弯曲的不锈钢管路64嵌入在冷却器板50中、或定位在冷却器板50上或附近。管58在62处具有入口并在60处具有出口。焊接的冷却块70使用适当的安装技术(例如安装化合物(例如陶瓷热安装化合物))安装到帕尔贴元件54。帕尔贴54定位成接近冷却块70的中心。用于冷却块70的入口 72和出口 74适配器连接用于到热交换器和来自热交换器的流体流动的管。
[0055]间隔物板64由塑料或其他绝热材料构成，并定位在支撑板66和冷却器板50之间。间隔物64使冷却器板50与辐射加热热隔离。冷却器板50的任一侧上的两个板66和70还用作单元48的结构支撑件。冷却器组件48经由螺钉68或其他适当的连接元件被保持在一起。
[0056]再次参照冷却器板50，板的使帕尔贴冷却器54受压的一侧包括弯曲管58，弯曲管58被压入到板50内的通道中。热化合物应用于弯曲管58和冷却器板50组件，以确保与板50中的铝(或铜)金属和不锈钢管58的良好热接触。二氧化碳气体在入口 62处进入管58，并且二氧化碳气体在经由出口 60到达泵的底部之前被预冷却和液化。温度传感器定位在冷却器板50中直接位于泵头后面。因此，冷却器板50可以保持与泵头和流动管58的良好热接触，并冷却泵头和流动管58。板70是液体热交换器，并且可以由包铜材料、带涂层的不锈钢或黄铜构成。经过冷却器板和泵头之间的热接触来预冷却二氧化碳流动增强二氧化碳液体在压缩和传送期间在泵中时保持处于液态的能力。
[0057]冷却器板50标称在负10°C附近操作。气相中的CO2流在入口 62处进入管58，在冷却的管58中转变成液相，在60处离开，并作为冷却的液体进入泵头。用于冷却器单元48的本实施例不仅在低于环境温度下操作，还在低于水的冰点下操作。现有的泵设计无论采用液体冷却或帕尔贴冷却，由于如上所述在组件上聚积并的问题，总是避免在低于0°C下运行。本发明将除入口和出口适配器72和74之外的热交换器组件70隔离在防止大气湿气渗透的气密外壳78内。热交换器70的平表面安装成直接与帕尔贴元件54的热侧接触。热交换器70内的冷却剂循环保持帕尔贴的“热”表面仅比室温高几摄氏度。因为帕尔贴效率取决于当前存在于元件上的变化量T (温度变化)，保持热侧尽可能温度低能实现帕尔贴的冷侧上的更低工作温度。
[0058]帕尔贴元件54的冷侧用于将热量转移离开冷却器板50，在系统中的压力达到400bar时，CO2气相进入管58而形成液相，并经由板延伸部52从泵头80的背部携带走压缩隔热(adiabatic heat of compression)。温度波动取决于系统的工作负荷。没有负荷时，温度达到负15°C至负20°C的范围，具有标准操作负荷时，温度达到负12°C到负5°C，在具有非常高的负荷并且非常高的环境温度时，系统可以在高于零的约+5至6度下操作并仍然满足以5ml/分钟进行操作/抽吸的泵的需求。通常的操作范围在操作的边缘区以外也表现良好。
[0059]图6、7和8示出安装到泵框架壳体76的冷却器组件50的实施例。冷却器50被夹紧在泵头80和绝热间隔物94之间，所有这些组件都放置在密封的隔间78内部，该隔间78被围起来并隔热。在这种布置中使用这种冷却器50，泵82的泵头80被暴露出来并且可以被移走，以在不松开冷却器板50的情况下进行维护。
[0060]为密封隔间78的内部组件，存在泡沫蒸气屏障84。本实施例使用定位在冷却器板延伸部52后面的专门设计的隔热间隔物94，既进行密封以抵靠泡沫衬里84，又提供冷却器板延伸部50和泵头80之间的加压接触。此外，热交换器70的背板设计成使得在泵头被固定时背板70的入口和出口突出穿过泡沫衬里84并连接到热交换器管86。塑料隔间78从内部组件排除空气并因此排除湿气，泡沫衬里84是排除水的闭孔泡沫。因此，容器78拒绝几乎所有的环境水蒸气到达冷却器50和泵头80。隔间内部的空气没有或几乎没有与外部环境空气的空气交换。包含水蒸气的环境空气仅在隔间78的盖被移除以维修或维护该隔间时可以接触冷却器50和泵头80。一旦冷却器组件48开始操作，隔间78内的空气中被困住的任意湿气将沉积作为冷却器板50和泵头80上的薄冰膜，但是并不进行替换。尽管隔间78仍然被密封，但是在冷却器组件48或泵头80上不会产生额外的凝结，因此不会遭遇额外的效率损失。也避免了由水聚积在冷却器上和周围所产生的液体凝结。
[0061]去除外壳78的前面板将暴露出泵头80。截止阀保持件被直接暴露出，能够正常替换用于到泵82和来自泵82的入口流动和出口流动的截止阀。泵头80可通过松开两个暴露的螺母而被移除，正如冷却器板48 —样，能够容易地替换泵的主要活塞密封件。截止阀和泵密封件可以在不移除冷却器板48的情况下被替换以进行日常维护。
[0062]系统还包括安装在壳体76中冷却器48的远端的散热器和风扇88，以提供对循环冷却剂的环境冷却(即，热交换)。冷却块70是液体热交换器，以从帕尔贴54的热侧去除热量。块70的入口侧和出口侧穿透外壳78的后壁并穿透框架76，以使得可以连接入口和出口流动86。通过小离心泵90 (例如用于冷却计算机的商用液体循环泵类型)使热交换器流体(例如，丙二醇/水混合物)循环经过热交换器块70。热交换器系统被密封以防止水泄漏到热交换器系统的组件外部。热交换流体然后被泵送通过高表面积的车状散热器88，散热器88定位成与泵82相距一距离。室温空气被大的专用风扇吹过散热器88。由于有外壳78，来自风扇的空气流并不会冲击冷却器板50或泵头80。在用于循环流体的管86或散热器88或循环泵90上可能没有凝结，因为这些组件的温度都比室温高。由于水带走热量的效率，热交换流体并不显著地改变其温度，并且在某些实施例中热交换流体在其整个操作期间保持在28至30°C的范围内。水冷却的替代方案是使用空气，但是在帕尔贴中使用更多功率，空气冷却会使得热交换系统中的空气达到35或40°C，因此在泵头80保持零或负10°C的低温将效率更低。水冷帮助保持帕尔贴的冷却效果，以使得水冷降低平均冷却温度的有效范围，从而降低本实施例的冷却能力。
[0063]关于进入系统的气体，气相中的CO2从远程供应源经由开/关阀进入，经过温度和压力传感器，流过管到达安装成穿过框架76的隔板进入隔间78中。一旦在隔间78中，流线在62处进入在冷却板50前面的弯曲热交换器管58，然后管64的底部进入管而到达泵头80。由于冷却器板50的负10°C的名义温度，CO2在进入泵头80时在到达热交换器的出口 60之前快速地液化。因此，CO2在进入热交换器/帕尔贴弯曲管58时是气体，而作为液体离开以准备进行压缩。
[0064]在冷却器板50内，存在对弯曲管58的限制体积，例如40至45cm的管，所以可以在冷却板弯曲管58中提供数百毫升的总容积。冷却器板50/管58布置的替换实施例使用高表面积板，并将板暴露在空腔或容积中。具有放置成抵靠帕尔贴的高表面积板(例如利用散热片)的更大体积会使更大体积的气体变成液体，该液体会被抽吸离开单元的底部。另一替换实施例是使管连续地盘绕，代替弯曲布置。另一替换形式使用两个帕尔贴单元用于冷却器布置，代替仅一个帕尔贴单元，以扩大可以被液化的体积。
[0065]在泵头80处进行压缩之后，压缩的CO2流会流过隔间78中的管而到达安装成穿过外壳76的隔板并进入脉冲湿润器92。湿润器92是定位在框架外壳76内部的25mL的空体积。在经过最终压力传感器之后，CO2流准备好传送到计量泵或其他下游系统处理。
[0066]总之，冷却器48和隔间78产生相比现有系统来说非常高效的冷却系统。可以在SFC系统上使用比现有系统中更小的帕尔贴冷却单元，更小的单元提供更低的温度以冷却泵头，并能够使得足够的蒸气的明确凝结满足系统的所有液体需求。
[0067]预冷却器50的附加高价值使用是作为凝结单元，以使得以汽化形式供应至增压器的可压缩流体液化。这种能力产生更广泛种类的工作流体来源。首要的示例是使来自更低纯度来源(例如饮料级别CO2储器)的CO2液化。通过从罐中的气相而不是液相进行取样，CO2实际上被蒸馏，这从工作流体去除不挥发的杂质。CO2I作流体的纯度可以被提高到远高于通常的高纯度CO2级别(例如SFC或SFE级别)的纯度，而成本高至少一个数量级。通过从高压缸中取样，CO2压力已经非常接近室温气液平衡压力。结果，仅需要去除汽化热量(冷却每克为几瓦特)以形成液体C02。由此，进一步降低温度(例如低于10°C )提供足够的裕度以防止在活塞冲程的抽吸部分期间液体CO2气穴。
[0068]将汽化CO2传送到泵的另一优势是，与传送高压液化气相比，在整个实验室或处理站散布适中压力气流的成本极大地降低。如果预冷却器能够将CO2冷却到低于-20°c，则大部分杜瓦瓶(dewar cylinder)和大体积罐装置可获得的CO2的压力变得可作为来源。因此高功率预冷却器确实可以降低CO2来源的操作成本，以及能够通过设备内的低压管实现CO2来源的安全运输。与SFC级别CO2的相对成本超过每英镑7.00美元相比，散装饮料级CO2的相对成本小于每英镑0.10美元(减少70倍)可极大地实现经济意义。
[0069]因为在本文启示的创新概念的范围内可以有各种改变和不同实施例，并且因为在根据法律的描述性要求在本文中详细描述的实施例中可以进行很多修改，所以应当理解，本文的详细描述应解释为说明性而非限制性。
【权利要求】
1.一种用于冷却泵送系统的系统，其特征在于包括: 帕尔贴冷却元件，其布置在泵头附近以使所述冷却元件与所述泵头热接触，其中，所述冷却元件在流动相流体进入所述泵之前冷却所述泵头和所述流动相流体流； 第一热交换器，其连接到所述帕尔贴冷却元件，所述第一热交换器使用循环流体从所述冷却元件去除热量；和 第二热交换器，其冷却所述循环流体，其中，所述冷却元件和所述泵头被布置在与所述第二热交换器隔离的区域中。
2.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述冷却元件和所述泵头定位在与所述循环流体和所述第二热交换器热隔离的区域中。
3.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述冷却元件和所述泵头定位在外壳中，所述外壳密封以防环境空气进入所述外壳。
4.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述循环流体以低压管方式传送到散热器，所述散热器在壳体框架中远离所述冷却元件。
5.根据权利要求4所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述管、所述第一热交换器、循环泵和所述第二热交换器在高于环境温度下操作。
6.根据权利要求3所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述外壳是隔间，所述隔间受到密封以使密封件和所述隔间防止环境湿气进入所述隔间。
7.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述冷却元件热安装在所述泵头后面，使得无需移除或改变所述冷却元件即可移除所述泵头。
8.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述系统是SFC系统的一部分并且还包括环境温度下的流动相气体供应源，其中，所述冷却元件把作为流动相流而供应的气体冷却成液体，以在所述泵的整个操作范围内供应液体流。
9.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述第二热交换器包括散热器和风扇，所述散热器和所述风扇冷却循环液体而不向所隔离的区域增加额外热量。
10.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述泵定位在所隔的离区域的外部，所述泵和所述冷却元件被安装成具有共用电子控制装置的一个单元。
11.根据权利要求1所述的用于冷却泵送系统的系统，其中，所述冷却元件是冷却器组件。
【文档编号】F04B39/00GK203809238SQ201090001537
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2010年5月26日 优先权日:2010年5月26日
【发明者】特里·A·伯格, 金伯·福格尔曼 申请人:安捷伦科技有限公司