专利名称：气体增压与中转回收的双效装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种流体机械技术领域的装置，尤其涉及的是一种气体增压与中 转回收的双效装置
背景技术：
科学实验和工业应用中常需要对少量特殊气体本身物理行为特性进行研究或者 要求以某气体作为工作介质的器械在指定压力条件下运转。鉴于这类气体的珍贵性、不可 再生性、高洁净度要求、毒性、腐蚀性以及环境污染性等原因，必须利用一种合理的机构来 实现气体的增压与回收，同时达到梯级利用与多次反复使用的目的。市场上可供增压的技 术和设备非常广泛，然而它们要么容易对气体样品或工质造成一定程度的污染(比如油润 滑压缩机)，要么内腔扫气容积巨大从而必须压缩大量气体才有意义(比如空压机)，要么 出气与进气压比过小(如膜片泵)，总之无法满足高洁净度、小体积量和高压比的技术特征 要求。经过对现有技术的检索发现，公开号为CN101566175的中国专利“气体增压装置” 涉及的一种气体增压虽可实现高压力输出，但该装置通过液压油泵压缩油室来实现增压， 油路系统必然无法满足本发明对气体洁净性要求，因此一般应用在要求不高的工业高压供 气中。公开号为CN201149008的中国专利“气体增压器”主要应用于冲床气动控制路径上， 可实现0. 7MPa至2MPa的升压，升压比有限，且其内容腔体积较大，不适用于气体数量较少 的珍贵稀有气体。此外，以往各方案均不涉及气体中转和回收功能。文献调研显示有用于 激光核聚变ICF冷冻靶的超高压洁净型氦增压系统以及用于长征三号甲型火箭的冷氦增 压系统等，但这类系统工程庞大、价格昂贵，不在本发明所涉及的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种气体增压与中转回收的双效装 置，基于可压缩性气体的热力学性质，以低温工程与可变形金属结构两项技术相结合的背 景技术为手段，实现少量特定气体的增压和中转回收双效装置。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括气源气瓶、目标气瓶、压缩气瓶、 套筒、平板、封盖、调节杆、限位器、制冷器和真空设备，其中压缩气瓶位于套筒内且两端密 封，压缩气瓶的一端与套筒的底部固定连接，另一端和平板相连，平板活动设于套筒内，封 盖固定设于套筒的顶部，调节杆的底端固定在平板上，调节杆顶端和封盖套接且顶端上分 别设有限位器，制冷器分别与目标气瓶和套筒相连，真空设备、压缩气瓶、气源气瓶和目标 气瓶通过管道相互连通。所述的管道是内径小于0. 2mm的不锈钢钢管。所述的压缩气瓶是压缩率大于50%的耐高压耐低温的金属波纹管，其直径 为20-50mm。同时考虑耐压强度和延展性，壁厚为0. 15mm。最大耐压15MPa，工作温度 为-269°C -+30°C，压缩气瓶通过调节杆作用于平板实现体积压缩。
所述的目标气瓶的体积是气源气瓶体积的十分之一。所述的目标气瓶和套筒上分别设有冷却装置和加热器，外部设有绝热保温层。所述的制冷器包括冷源、开关和导热带，其中开关分别连接冷源和导热带，导 热带分别包覆于套筒和目标气瓶的内部。所述的冷却装置为紫钢块，该紫钢块与导热带相连接。所述的加热器包括电源和电加热丝，其中电源和电加热丝相连，电加热丝设于 导热带外。所述的电加热丝外部设有绝热层，导热带裸露于外界的部分都设有绝热层以便更 有效的传递冷源。本发明用于增压时，首先打开所有阀门，利用真空设备对各气瓶抽真空，通过调节 调节杆顶端限位器的位置，借助机械力带动平板向下移动，则平板对压缩气瓶进行压缩，压 缩气瓶的长度缩减为其初始长度一半时，固定限位器；通过对压缩气瓶的压缩可实现压力 倍增的效果，更大的压缩能力依靠对气体进行热力学增压来实现；在连通已压力倍增的压 缩气瓶和抽真空的目标气瓶后，气体向目标气瓶移动，达到压力平衡后在压缩气瓶和目标 气瓶中均勻分布；利用制冷器对目标气瓶降温，温度下降后，目标气瓶内的气体密度将增 大，由于目标气瓶和压缩气瓶的容积不变，气体向目标气瓶迁移；若制冷温度低于气体的临 界温度，则气体将被液化甚至固化，此时可认为全部质量迁移入目标气瓶；当温度停止下降 后，将第二阀门和第四阀门关闭，将气体质量保留在目标气瓶内；目标气瓶回复至室温时， 其内部气体压力将增大约8倍。本发明用于压力调节和回收时，调节限位器，释放平板压力从而调节压缩气瓶的 压缩张力和内部体积；打开第二阀门和第四阀门，目标气瓶内的气体可回流至压缩气瓶，从 而起到目标气瓶的压力调节效果；气体仍保留在压缩气瓶内，不外泄至大气环境，如需利用 仍可重复上述冷却压缩方法进行升压。气体压力的调节可通过控制各阀门阀门开度大小及 开放时间，参考测压器而定。气体回收的过程与此类似，首先将压缩气瓶恢复至自由长度， 然后对压缩气瓶进行降温，由此，目标气瓶内的气体回流至波纹管，从而实现气体的回收。本发明相比现有技术具有以下优点本发明可实现多种稀有气体的压缩、梯级压 力利用及回收，结构简单，制作成本低，气体始终出于洁净密闭容器内，能保证气体的不被 污染，避免气体的流失，可实现5 70倍之间的理论压缩比。
图1是本发明的结构示意图；图2是图1中A的局部示意图。 图3为实施例2结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1
如图1所示，本实施例包括气源气瓶1、目标气瓶2、压缩气瓶3、套筒4、平板5、 封盖6、调节杆7、限位器8、制冷器9、第一测压器10、第二测压器11、管道12、真空设备13、 第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16和第四阀门17，其中套筒4内设有压缩气瓶3，压 缩气瓶3的两端密封，压缩气瓶3的一端固定于套筒4的底部，另一端和平板5相连，平板5 活动设于套筒4内，封盖6固定设于套筒4的顶部，调节杆7的底端固定在平板5上，调节 杆7顶端和封盖6套接且顶端上设有限位器8，制冷器9分别与目标气瓶2和套筒4相连， 目标气瓶2上设有第一测压器10，压缩气瓶3上设有第二测压器11，真空设备13、压缩气瓶 3、气源气瓶1和目标气瓶2上依次设有第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16和第四阀门 17，第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16和第四阀门17通过管道12相互连接。本实施例中，管道12是内径小于0. 2mm的不锈钢钢管。所述的调节杆7上设有螺纹，共有四根，均勻固定在平板5上，调节杆7的顶端通 过螺母进行限位。所述的压缩气瓶3是压缩率大于50%的耐高压耐低温的金属波纹管。压缩气瓶是 压缩率大于50%的耐高压耐低温的金属波纹管。金属波纹管直径视压缩气量而定，对于珍 贵稀有气体，直径取小，一般在20-50mm。同时考虑耐压强度和延展性，壁厚为0. 15mm。最 大耐压15MPa，最低工作温度为-269°C。所述的目标气瓶2的体积是气源气瓶1的十分之一。本实施例的测压器是压力表，也可以用压力传感器替代。所述的制冷器9包括冷源18、开关19和导热带20，其中开关19分别连接冷源 18和导热带20，导热带20分别包覆于套筒4和目标气瓶2的内部。本实施例中，所述的冷源18是液氮杜瓦，导热带20是紫铜缠绕制成，开关19是铜 杆，铜杆的一端浸于冷源18中，另一端和导热带20相连，通过拔出和插入冷源18实现开关 19功能。所述的目标气瓶2和套筒4上分别设有加热器，可以加速其恢复至室温。所述的加热器包括电源和电加热丝21，其中电源和电加热丝21相连，电加热丝 21设于导热带20外。所述的电加热丝21外部设有绝热层22，导热带20裸露于外界的部分都设有绝热 层22以便更有效的传递冷源18。本实施例工作时，首先关闭第三阀门16，打开其他三个阀门，利用真空设备13，对 压缩气瓶3、管路和目标气瓶2抽真空至10_3Pa真空度。达到真空度要求后关闭全部阀门， 与真空设备13分离。然后打开第三阀门16和第二阀门15，从气源气瓶1将低压气体充入 波纹管，直到第二压力表读数稳定后充气完毕，关闭第三阀门16和第二阀门15，旋动用于 压缩波纹管的限位螺母，压缩波纹管使其体积减半，气体压力增倍，打开第二阀门15和第 四阀门17，波纹管内经初步压缩的气体进入目标气瓶2，通过导热带20连接液氮杜瓦对目 标气瓶2进行降温，从300K室温降至80K，约90%的气体移向目标气瓶2。该过程第一压力 表读数持续增大，待其稳定后，关闭第四阀门17和第二阀门15。待目标气瓶2温度恢复至 室温(可使用电加热丝21辅助加热)，压力可增加为原先气源压力的8倍。若所操作气体价格昂贵或具有毒性、腐蚀性、环境危害性等原因不能直接排于大 气，则可利用该装置对所压气体进行梯级压力利用和回收对目标气瓶2进行增压达到最大压力p_后，若需要对该气体实施若干个处于低的压力位操作，则可根据需要适度 打开第四阀门17和第二阀门15并且部分还原波纹管，通过第一压力表读数获得所需操作 压力。此过程中气体始终处于密闭容器中，不用向大气释放。气体回收对于需要不同气体压力的场合(如测量气体热物性参数)，常规的方法 是高压气瓶进气然后逐级向环境放气，考虑到He3、氘等特殊气体的价格，必须将气体密闭 在容器内多次利用和回收。要将目标气瓶2中的气体压力梯级利用，只需将波纹管作为缓 存器，部分松开波纹管的压缩部件使其压缩状态有一定的回复，缓慢打开第四阀门17和第 二阀门15，使得目标气瓶2内的压力部分回流至波纹管，从而实现不浪费气体前提下的目 标气瓶2压力调节。要将目标气瓶2中的气体回收，松开波纹管的压缩部件使其回复初始 体积，对波纹管进行降温，此时目标气瓶2内的气体流动至波纹管内，待第二压力表读数稳 定后，关闭第四阀门17和第二阀门15，从而实现气体回收。也可关闭第二阀门15，打开第 四阀门17和第三阀门16，可以将气体重新压回气源气瓶1留存。实施例2本实施例中以液氦温区低温制冷机(如在4. 2K具有1W的商业化GM制冷机)为 冷源，用其冷头直接冷却压缩气瓶和目标气瓶。如图3所示，本实施例包括气源气瓶1、目标气瓶2、压缩气瓶3、套筒4、调节杆5、 封盖6、平板7、液氮浴8、第一阀门9、第二阀门10、第三阀门11和第四阀门12，第五阀门13、 真空设备14、管道15、GM制冷机15、一级冷头17、二级冷头18、低温屏19、真空罩20。其 中套筒4内设有压缩气瓶3，压缩气瓶3的两端密封，压缩气瓶3的一端固定于套筒4的底 部，另一端和平板7相连，平板7活动设于套筒4内，封盖6固定设于套筒4的顶部，调节杆 5的底端固定在平板7上，调节杆5顶端和封盖6套接且顶端上。GM低温制冷机16和目标 气瓶2置于真空罩20内，低温冷屏19与GM制冷机的一级冷头17相连，目标气瓶与GM制 冷机的二级冷头18相连，最低可实现2. 5K低温。冷头及目标气瓶外均采用真空多层绝热 方式。压缩气瓶方案与实施例1类似，不同之处在于外侧无需绝热层，在室温下工作时直接 通过螺栓对波纹管压缩，减小腔内体积。在低温下工作时，将压缩气瓶3波纹管部分置于液 氮槽内。由液氮对压缩气瓶直接冷却，目标温度77K。工作流程同实施例1。
权利要求
一种气体增压与中转回收的双效装置，包括气源气瓶、目标气瓶、压缩气瓶、套筒、平板、封盖、调节杆、限位器、制冷器和真空设备，其特征在于压缩气瓶位于套筒内且两端密封，压缩气瓶的一端与套筒的底部固定连接，另一端和平板相连，平板活动设于套筒内，封盖固定设于套筒的顶部，调节杆的底端固定在平板上，调节杆顶端和封盖套接且顶端上分别设有限位器，制冷器分别与目标气瓶和套筒相连，真空设备、压缩气瓶、气源气瓶和目标气瓶通过管道相互连通。
2.根据权利要求1所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的压缩气 瓶是压缩率大于50%的耐高压耐低温的金属波纹管，其直径为20-50mm，壁厚为0. 15mm，最 大耐压15MPa，工作温度为-269°C _+30°C，压缩气瓶通过调节杆作用于平板实现体积压缩。
3.根据权利要求1所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的目标气 瓶的体积是气源气瓶体积的十分之一。
4.根据权利要求1所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的目标气 瓶和套筒上分别设有冷却装置和加热器，外部设有绝热保温层。
5.根据权利要求1所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的制冷器 包括冷源、开关和导热带，其中开关分别连接冷源和导热带，导热带分别包覆于套筒和 目标气瓶的内部。
6.根据权利要求4或5所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的冷却 装置为紫钢块，该紫钢块与导热带相连接。
7.根据权利要求4所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的加热器 包括电源和电加热丝，其中电源和电加热丝相连，电加热丝设于导热带外。
8.根据权利要求7所述的气体增压与中转回收的双效装置，其特征是，所述的电加热 丝外部设有绝热层，导热带裸露于外界的部分都设有绝热层以便更有效的传递冷源。
全文摘要
一种流体机械技术领域的气体增压与中转回收的双效装置，包括气源气瓶、目标气瓶、压缩气瓶、套筒、平板、封盖、调节杆、限位器、制冷器和真空设备，其中压缩气瓶位于套筒内且两端密封，压缩气瓶的一端与套筒的底部固定连接，另一端和平板相连，平板活动设于套筒内，封盖固定设于套筒的顶部，调节杆的底端固定在平板上，调节杆顶端和封盖套接且顶端上分别设有限位器，制冷器分别与目标气瓶和套筒相连，真空设备、压缩气瓶、气源气瓶和目标气瓶通过管道相互连通。本发明基于可压缩性气体的热力学性质，以低温工程与可变形金属结构两项技术相结合的背景技术为手段，实现少量特定气体的增压和中转回收双效装置。
文档编号F15B3/00GK101865167SQ20101019599
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者王如竹, 王晓建, 黄永华 申请人:上海交通大学