專利名稱：基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種氣體存儲技術領域的裝置，具體是一種基于活性炭吸附器的 氣體增壓回收裝置。
背景技術：
高端的科學實驗和工業(yè)設備中常需要對少量特殊氣體本身物理行為特性進行研 究或者要求充注某氣體作為工作介質的器械在指定壓力條件下運轉。鑒于這類氣體的珍 貴性、不可再生性、高潔凈度要求、毒性、腐蝕性以及環(huán)境污染性等原因，必須利用一種合理 的機構來實現氣體的增壓，同時達到多次循環(huán)利用及回收的目的。市場上可供增壓的技術 和設備非常廣泛，然而它們要么容易對氣體樣品或工質造成一定程度的污染(比如油潤滑 壓縮機)，要么內腔掃氣容積巨大從而必須壓縮大量氣體才有意義(比如空壓機)，要么出 氣與進氣壓比過小(如膜片泵)，總之無法滿足高潔凈度、小體積量和高壓比的技術特征 要求。此外，氣體從鋼瓶釋放充入工作系統(tǒng)后，若遇到工作系統(tǒng)故障及拆卸維修，此部分氣 體必須向環(huán)境排泄，既造成資源浪費又有可能污染環(huán)境。本發(fā)明的形成源自科研過程中對 氦-3氣體(1.2萬元/標升)的增壓和回收目的，在測量氦_3這一極為特殊和昂貴的稀有 氣體的熱物理性質(PVT、比熱，熱導率等)及進行以氦_3為工質的低溫制冷機試驗時，商 業(yè)化氦-3原裝鋼瓶初始壓力過低，約為0.5MPa。一方面測量系統(tǒng)要求在更高的壓力(1 5MPa)下運行；另一方面由于氦_3氣體屬于珍稀資源，要求進行回收和重復利用。經過對現有技術的檢索發(fā)現，授權公告號為CN 2864323Y的中國專利“小型氫氣 增壓裝置”利用儲氫材料對氫氣的吸附特性實現從低壓氫氣輸送管內的氫氣增壓后由高壓 氫氣輸送管路輸出。該裝置同樣具有結構緊湊和系統(tǒng)簡單特點，但其主要局限于小流量的 氫氣增壓，對其他稀有氣體無作用。未涉及起重要作用的熱力學變溫原理，也未考慮對氣體 的中轉和回收功能。進一步檢索發(fā)現，授權公告號為CN 201058270Y的中國專利“一種惰性氣體回收 裝置”用于回收磁性材料生產過程中使用過的惰性氣體。它的吸附器僅用于回收氣體目的； 裝置本身設有機械增壓機，未涉及吸附增壓與熱力學方法雙效技術，升壓比有限，且其內腔 體積較大，不適用于氣體數量較少的珍貴稀有氣體，也無法滿足本發(fā)明對氣體潔凈性要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于活性炭吸附器的氣體增壓回 收裝置，基于活性炭對氣體的物理吸附和解吸及低溫冷卻技術，實現少量特定氣體增壓和 循環(huán)利用雙效功能。活性炭主要采用椰殼活性炭，它在低溫下對氦、氬、氫等氣體有較強的 吸附作用，隨溫度逐步升高其吸附能力下降，利用該原理對充滿活性炭的體積較小的吸附 器降溫，使之充分吸附氣體，以此把低壓氣源鋼瓶中氣體轉移至吸附器內。此時氣體處于 低壓狀態(tài)，關閉與氣源鋼瓶連通的管端口閥門。連通與同樣體積較小的目標氣瓶(已抽 真空)，將吸附器從低溫環(huán)境取出并對其加熱，活性炭解吸，氣體壓力升高進入目標氣瓶實
3現增壓目的。吸附過程涉及低溫冷源及其冷量傳導。低溫冷源可以是液氮(77K)或液氦 (4. 2K)，溫度越低吸附效果越明顯，也可采用小型低溫制冷機(如G-M制冷機)替代，實現 干式冷卻。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括氣源鋼瓶、目標鋼瓶、活性炭吸 附器、四通閥門、微內體積閥、內導通管、KF接頭、毛細柔性不銹鋼管和壓力表，其中氣源 鋼瓶、目標鋼瓶、KF接頭和毛細柔性不銹鋼管的一端分別經四個微內體積閥連接于四通閥 門的四個端口上，毛細柔性不銹鋼管的另一端與內導通管相連接，內導通管置于活性炭吸 附器中。所述的目標鋼瓶的容積小于等于氣源鋼瓶的體積的1/10。所述的活性炭吸附器包括內導通管、外管、隔離板、活性炭腔和活性炭，其中內 導通管、隔離板和活性炭腔依次上下設置于外管內部；內導通管與外管之間為真空，內導通 管的底部穿透隔離板并與活性炭腔相連通，活性炭設置于活性炭腔內。所述的活性炭為椰殼活性炭，所述的活性炭腔的底端設有可拆卸填充口。所述的氣體增壓回收裝置中所有各部件之間通過毛細不銹鋼管相連。本發(fā)明可實現氦-3、氦-4、氖、氪、氙、氘、氯、氟等各類氣體10倍左右的理論壓縮 比，同時可對氣體進行梯級壓力利用及回收。該裝置實現簡單，制作成本低，氣體始終處于 潔凈密閉容器內，能保證氣體不被污染，避免氣體流失。


圖1為本發(fā)明結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括氣源鋼瓶1、目標鋼瓶2、活性炭吸附器4、四通閥5、帶 壓力顯示的調壓閥6、第一至第四微內體積閥7-10、內導通管11、KF接頭12、毛細柔性不銹 鋼管13和壓力表14，其中四通閥5的第一端口經微內體積閥7連接帶有調壓閥6的氣源 鋼瓶1，四通閥5的第二端口經微內體積閥8后設置KF接頭，用于連接真空機組，四通閥5 的第三端口經由微內體積閥9接目標容器2，四通閥5的第四端口經微內體積閥10通過柔 性毛細不銹鋼管13接至活性炭吸附器4。所述的目標鋼瓶2的容積選擇氣源鋼瓶的體積的1/10以實現增壓10倍。所述的活性炭吸附器4包括內導通管11、外管15、隔離板16和活性炭腔17和活 性炭18，其中內導通管11和活性炭腔17上下設置，以隔離板16分隔開，且位于外管15內 部，內導通管11與外管15之間形成真空腔，活性炭18設置于活性炭腔17內，內導通管11 與活性炭腔17相連通。所述的外管15的外徑為φ 16mm ；所述的活性炭18為椰殼活性炭，所述的活性炭腔17的底端設有可拆卸填充口 19。該增壓裝置的工作原理是，首先開啟真空泵，除關閉氣源鋼瓶自帶調壓閥門外，開啟所有閥門，將整個系統(tǒng)抽真空。待達到10_3Pa以上數量級真空度后，關閉閥門8和9，即 斷開目標氣瓶和抽真空支端口，打開調壓閥6和微內體積閥7，釋放氣源鋼瓶1中的氣體，同 時將活性炭吸附器放置到液氦浴中或相同溫區(qū)的小型低溫制冷冷頭上。此時，活性炭吸附 器中的活性炭開始對氣體進行大量吸附。另一方面，活性炭吸附器本身處于低溫下，系統(tǒng)內 部為等壓系統(tǒng)。兩方面原因使得氣源鋼瓶1中的氣體基本上完全轉移至活性炭吸附器中， 必要時可用電吹風等設備對氣源鋼瓶加熱。壓力表14應指示真空度讀數，由此可以判斷內 部氣體被吸附和轉移的情況。當壓力表的指針趨于穩(wěn)定之后，吸附轉移工作已基本完成，關 閉閥門7。然后將活性炭吸附器從氦浴中取出來放置室溫下或者停止制冷機工作甚至進行 加熱，由于溫度升高了，活性炭開始解吸附氣體。打開閥門9，活性炭吸附器中的氣體由于不 斷被解吸出來導致壓力升高，而活性炭吸附器內部空間本身很小且填充有活性炭，因此氣 體會源源不斷流向原本真空的目標鋼瓶2中，將目標氣瓶浸入液氮浴內，使得氣體進一步 從活性炭吸附器向目標氣瓶轉移，最終達到壓力平衡。同樣可通過壓力表14的指針讀數判 斷該過程進行程度。通過解吸和對目標氣瓶低溫冷卻的雙重作用，活性炭吸附器中的氣體 99%以上都移至目標鋼瓶。關閉閥9，將目標氣瓶復溫至常溫。通過以上過程，氣體的體積 縮小約為10倍，其壓力相應增加約10倍。而毛細不銹鋼管因為管內徑在Φ0. 2mm以下，占 有的體積很小，可忽略不計。 該裝置用于壓力調節(jié)、循環(huán)利用和回收的實現方式是當目標氣瓶所需氣體壓力 并不高時，略微打開閥門9和10，由于目標鋼瓶的壓力較高，氣體部分返回到活性炭吸附器 中，通過壓力表14，獲得目標氣瓶所需壓力。如此循環(huán)操作實現氣體壓力的梯級利用。過量 剩余氣體并不排放到大氣，而是仍收集在活性炭吸附器中。氣體處理與使用結束后，重新將 活性炭吸附器放置于低溫氦浴中，其內活性炭重新吸附系統(tǒng)內部的所有氣體，完畢后關閉 閥門9，打開閥門6和7，同時將活性炭吸附器恢復至室溫甚至加熱，活性炭解吸附，同時將 目標氣瓶置于液氮環(huán)境，氣體又重新回到目標氣瓶中，損失的僅僅是在管端口和活性炭吸 附器中，殘余部分質量一般小于1%。氣體回收再利用對于像氦_3這類價格相當昂貴的氣 體是至關重要的。
權利要求
一種基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，包括氣源鋼瓶、目標鋼瓶、活性炭吸附器、四通閥門、微內體積閥、內導通管、KF接頭和毛細柔性不銹鋼管，其特征在于氣源鋼瓶、目標鋼瓶、KF接頭和毛細柔性不銹鋼管的一端分別經四個微內體積閥連接于四通閥門的四個端口上，毛細柔性不銹鋼管的另一端與內導通管相連接，內導通管置于活性炭吸附器中。
2.根據權利要求1所述的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，其特征是，所述的 目標鋼瓶的容積小于等于氣源鋼瓶的體積的1/10。
3.根據權利要求1所述的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，其特征是，所述的 內導通管的外徑為Φ 2mm，內徑為Φ0. 2mm。
4.根據權利要求1所述的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，其特征是，所述的 活性炭吸附器包括內導通管、外管、隔離板、活性炭腔和活性炭，其中內導通管、隔離板 和活性炭腔依次上下設置于外管內部，內導通管與外管之間為真空，內導通管的底部穿透 隔離板并與活性炭腔相連通，活性炭設置于活性炭腔內。
5.根據權利要求4所述的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，其特征是，所述的 活性炭為椰殼活性炭。
6.根據權利要求4所述的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，其特征是，所述的 活性炭腔的底端設有可拆卸填充口。
全文摘要
一種氣體存儲技術領域的基于活性炭吸附器的氣體增壓回收裝置，包括氣源鋼瓶、目標鋼瓶、活性炭吸附器、四通閥門、微內體積閥、內導通管、KF接頭、毛細柔性不銹鋼管和壓力表，其中氣源鋼瓶、目標鋼瓶、KF接頭和毛細柔性不銹鋼管的一端分別經四個微內體積閥連接于四通閥門的四個端口上，毛細柔性不銹鋼管的另一端與內導通管相連接，內導通管置于活性炭吸附器中。本發(fā)明采用液氮(77K)或液氦(4.2K)或小型低溫制冷機作為低溫冷源，基于活性炭對氣體的物理吸附和解吸及低溫冷卻技術，實現少量特定氣體增壓和循環(huán)利用的雙效裝置。
文檔編號F17C1/14GK101907222SQ201010245070
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權日2010年8月5日
發(fā)明者王如竹, 王曉建, 黃永華 申請人:上海交通大學