CN101008595A - 液氦过滤器特性试验装置 - Google Patents

Abstract

液氦过滤器特性试验装置，属于低温工程与低温技术领域。主要包括氧气钢瓶、氮气钢瓶、氦气钢瓶、杂质气体预冷器、气液混合器、液氦过滤器、真空箱体、换热器、气相色谱仪、取样阀、液氦杜瓦、氦气流量计、氮气和氧气流量计。本发明中的液氦过滤器采用金属滤网结构；采用氮气和氧气作为杂质气体对液氦进行掺杂，在杂质气体预冷器内把杂质气体混合气的温度从室温降低至接近液氮温度，减少杂质气体混合气带入气液混合器中的热量，大大减少了液氦消耗量；采用特殊结构的气液混合器使纯净的液氦与掺杂气体之间的混合得以稳定地进行，既混合均匀、避免了堵塞，又减少了对混合器中液氦面冲击所造成的液氦损耗。为了验证经过过滤后氦气中的杂质含量，在排气管道上，通过取样阀对排气进行取样，利用气相色谱仪对排出气体进行分析。

Description

液氦过滤器特性试验装置

技术领域

本发明涉及一种液氦过滤器特性试验装置。特别是一种使用氮气和氧气作为杂质气体，对液氦进行掺杂的液氦过滤器特性试验装置。属于低温工程与低温技术领域。

背景技术

目前工业上提取氦气的方法主要有冷凝法、膜分离法和扩散法，而去除少量杂质的方法还包括物理吸附。例如对于氮一氦分离，可以先冷凝，然后通过活性炭吸附之后，氦气的浓度可提高到99.995％。但是，上述方法都是针对氦气体的提纯。而在液氦温度下，几乎所有杂质都以固态存在。若先将液氦混合物汽化提纯再液化，则能耗过大且系统过于复杂。

国外有很多文献利用微孔特性进行低温液体分离，实现低温液体的纯化。已有技术中Richard A.Sauer在“Apparatus And Method For Producing And InjectingSterile Cryogenic Liquids”([P]，USA：5749232，May 12，1998)中使用烧结陶瓷过滤器，利用具有高渗透性和高强度的微孔结构的铝作支撑元件，通道内使用多层的微孔陶瓷材料作过滤介质，可过滤粒径大于0.45甚至0.2μm的微粒，实现低温液体如液氩、液氮、液氦等的“实时”提纯。此结构简单且经济，易于维护。TakashiOgawa，Toshiro Minami在“Filtration Apparatus”([P].Japan：5271232，Dec 21，1993)中使用低湿度以及特殊孔径的陶瓷过滤器对液氮进行提纯，去除固体杂质。过滤层的平均孔径为0.05μm至1.0μm。通过实验证明，此过滤装置可用于液氮温度下的提纯，且过滤器不变形、断裂或堵塞，能达到理想的提纯效果。

金属丝网过滤结构属于表面过滤，即依靠丝网表面大小均匀一致的孔径将尺寸大于丝网孔径尺寸的颗粒截留在丝网上的一侧表面，而小于丝网孔径尺寸的颗粒则随流体流过丝网的一种过滤过程。丝网表面形态均匀规则，网孔内部孔道光滑，这既有利于滤饼层的快速形成，又便于颗粒的清楚分离，因而具有非常优异的反吹再生特性。采用金属丝网过滤结构的过滤单元主要包括：保护层、过滤层和支撑层，通常由3～6层编织丝网平铺迭合在一起烧结而成。过滤层采用的精密金属丝网是多层金属丝网过滤材料的关键工作层，其两侧的细丝对过滤层起保护作用，并在烧结过程中保持微孔形状和尺寸的稳定，而丝径较粗、孔隙较大的支撑网则被用于提高烧结丝网的整体强度和刚度。

随着制冷、低温液体传输、低温应用技术的迅速发展，液氦过滤器的应用越来越广泛，它的特性试验装置成为保证液氦过滤器的质量和性能的必要检测设备，在低温超导、航天工程和宇宙探测等领域获得越来越多的应用。液氦过滤器特性试验装置的性能直接影响液氦过滤器的使用特性、检测过程的经济性和安全可靠性。查阅了中外有关文献，在已有技术中，未找到有关“液氦过滤器特性试验装置”方面的资料。

发明内容

为了弥补已有技术的不足，本发明提供一种掺杂氮气和氧气的液氦过滤器特性试验装置，试验装置中的液氦过滤器采用金属丝网过滤结构。在试验过程中，给液氦掺杂杂质气体氮气和氧气，并使用特殊结构的气液混合器，使纯净的液氦与掺杂气体之间的混合得以稳定地进行，既混合均匀、避免了堵塞，又减少了对混合器中液氦面冲击所造成的液氦损耗。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明包括氧气钢瓶、氮气钢瓶、氦气钢瓶、氧气减压阀、氮气减压阀、氦气减压阀、氦气流量计、氮气和氧气流量计、氦气充注阀、氮气和氧气充注阀、放气阀、A压力传感器、再生氦气进气阀、B压力传感器、A再生氦气进气支阀、B再生氦气进气支阀、杂质气体预冷器、掺杂气体连接管、爆破片、真空规管、气液混合器、A温度传感器、液氦过滤器、B温度传感器、真空箱体、换热器、真空泵、抽真空阀、气相色谱仪、取样阀、排气阀、排气流量计、安全阀、低温接头、液氦杜瓦、输液氦阀、纯净液氦进液管、杂质气体混合气分配环管。其中真空泵通过抽真空阀与真空箱体连接，低温接头安装在真空箱体顶部，爆破片和真空规管安装在真空箱体上，杂质气体预冷器、气液混合器、液氦过滤器安装在真空箱体内部。在杂质气体预冷器壳体内充有液氮并置有冷却盘管。杂质气体混合气分配环管套装在气液混合器筒体上部外围，并与气液混合器连接。

氧气钢瓶与氮气钢瓶分别通过氧气减压阀、氮气减压阀后并连，再经氮气和氧气流量计、氮气和氧气充注阀与杂质气体预冷器内盘管进口连接；氦气钢瓶通过氦气减压阀、氦气流量计、氦气充注阀也与杂质气体预冷器内盘管进口连接。放气阀安装在杂质气体预冷器进口处的管道上；杂质气体预冷器出口通过掺杂气体连接管与杂质气体混合气分配环管垂直连接；纯净液氦进液管一端通过低温接头深入真空箱体内，插入气液混合器简体下部，另一端通过输液氦阀与液氦杜瓦出口连接；含杂质液氦排液管一端与气液混合器底部连接，另一端与液氦过滤器进口连接，液氦过滤器出口与换热器进口相连；换热器出口通过排气阀、排气流量计与大气相通。气相色谱仪通过取样阀安装在换热器出口管道上；安全阀位于真空箱体外的液氦过滤器出口管道上。A温度传感器与B温度传感器分别安装在液氦过滤器的进出口处；A压力传感器与B压力传感器位于真空箱体外面，A压力传感器通过管道与液氦过滤器进口相连，B压力传感器通过管道和B再生氦气进气支阀与液氦过滤器出口相连。再生氦气进气阀的一端与再生氦气进气源连接，另一端分别与A再生氦气进气支阀和B再生氦气进气支阀一端连接；A再生氦气进气支阀的另一端通过管道与液氦过滤器壳体连接，B再生氦气进气支阀的另一端通过管道与液氦过滤器出口连接，液氦杜瓦内装有纯净液氦。

试验开始前，打开氧气减压阀、氮气减压阀、氦气减压阀、氦气充注阀、氮气和氧气充注阀、B再生氦气进气支阀、取样阀、排气阀、输液氦阀。纯净液氦从液氦杜瓦经输液氦阀和低温接头流入气液混合器内；杂质气体氧气和氮气分别通过氧气减压阀和氮气减压阀经氮气和氧气流量计和氮气和氧气充注阀流入杂质气体预冷器盘管内，作为杂质气体载体的氦气通过氦气减压阀、氦气流量计和氦气充注阀也流入杂质气体预冷器的盘管内，在杂质气体预冷器内把杂质气体混合气的温度从室温降低至接近液氮温度，减少杂质气体混合气带入气液混合器中的热量，减少液氦损耗。经杂质气体预冷器预冷后，通过掺杂气体连接管、杂质气体混合气分配环管，流至气液混合器内。氮气和氧气在液氦中固化，形成固态颗粒，杂质气体固态颗粒物和液氦在气液混合器内混合，混合后通过含杂质液氦排液管流入液氦过滤器中。经过滤后的液氦流经换热器进行复温，然后流经排气阀和排气流量计排出。为了验证经过过滤后氦气中的杂质含量，在排气管道上，通过取样阀对排气进行取样，利用气相色谱仪对排出气体进行分析，若经过分析后杂质含量低于液氦使用系统对液氦中杂质含量的要求，则说明此液氦过滤器可应用于液氦使用系统，否则不能使用。A温度传感器和B温度传感器测量流入和流出液氦过滤器的流体温度，A压力传感器和B压力传感器测量流入和流出液氦过滤器的流体压力。在过滤过程中，若需要释放气体加注管路上的气体，则需将放气阀开启。

当过滤器进出口的压力差增至一定值时，过滤器需要再生，即需将过滤器复温，使附着在过滤器表面的固体氧和氮颗粒升温气化。再生时，氧气减压阀、氮气减压阀、氦气减压阀、氦气充注阀、氮气和氧气充注阀、取样阀、排气阀、输液氦阀关闭。放气阀、再生氦气进气阀、A再生氦气进气支阀、B再生氦气进气支阀处于开启状态。氦气通过再生氦气进气阀、A再生氦气进气支阀、B再生氦气进气支阀分别流入过滤器的外表面和内表面，从内外表面给过滤器加热，加热后的气体经气液混合器、杂质气体预冷器、放气阀流出。

本发明的有益效果：本发明使用氮气和氧气作为杂质气体对液氦进行掺杂，明显地缩短了液氦过滤器达到再生状态需要的时间；在杂质气体预冷器内把杂质气体混合气的温度从室温降低至接近液氮温度，减少杂质气体混合气带入气液混合器中的热量，大大减少了液氦消耗量。本发明的另一个特点是使用了特殊结构的气-液混合器，使纯净的液氦与掺杂气体之间的混合得以稳定地进行，既混合均匀、避免了堵塞，又减少了对混合器中液氦面冲击所造成的液氦损耗。

附图说明

图1是本发明液氦过滤器特性试验装置结构示意图；

图2是本发明液氦过滤器特性试验装置中的气液混合器结构示意图；

图3是本发明液氦过滤器特性试验装置的液氦过滤器结构示意图。

图中1氧气钢瓶、2氮气钢瓶、3氦气钢瓶、4氧气减压阀、5氮气减压阀、6氦气减压阀、7氦气流量计、8氮气和氧气流量计、9氦气充注阀、10氮气和氧气充注阀、11放气阀、12A压力传感器、13再生氦气进气阀、14B压力传感器、15A再生氦气进气支阀、16B再生氦气进气支阀、17杂质气体预冷器、18掺杂气体连接管、19爆破片、20真空规管、21气液混合器、22A温度传感器、23液氦过滤器、24B温度传感器、25真空箱体、26换热器、27真空泵、28抽真空阀、29气相色谱仪、30取样阀、31排气阀、32排气流量计、33安全阀、34低温接头、35液氦杜瓦、36输液氦阀、37纯净液氦进液管、38气液混合器盖、39气液混合器简体、40杂质气体混合气分配环管、41含杂质液氦排液管、42杂质气体混合气进气管、43液氦过滤器筒体、44过滤单元、45圆板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。

如图1、图2和图3所示，本发明包括氧气钢瓶1、氮气钢瓶2、氦气钢瓶3、氧气减压阀4、氮气减压阀5、氦气减压阀6、氦气流量计7、氮气和氧气流量计8、氦气充注阀9、氮气和氧气充注阀10、放气阀11、A压力传感器12、再生氦气进气阀13、B压力传感器14、A再生氦气进气支阀15、B再生氦气进气支阀16、杂质气体预冷器17、掺杂气体连接管18、爆破片19、真空规管20、气液混合器21、A温度传感器22、液氦过滤器23、B温度传感器24、真空箱体25、换热器26、真空泵27、抽真空阀28、气相色谱仪29、取样阀30、排气阀31、排气流量计32、安全阀33、低温接头34、液氦杜瓦35、输液氦阀36、纯净液氦进液管37、杂质气体混合气分配环管40。其中氧气钢瓶1、氮气钢瓶2、氦气钢瓶3、液氦杜瓦35、真空箱体25、真空泵27均放在实验室地面上。氦气流量计7、氮气和氧气流量计8、气相色谱仪29、排气流量计32放在实验操作台上。真空泵27通过抽真空阀28与真空箱体25连接，低温接头34安装在真空箱体25顶部，爆破片19和真空规管20安装在真空箱体25上，杂质气体预冷器17、气液混合器21、液氦过滤器23安装在真空箱体25内部。在杂质气体预冷器17壳体内充有液氮并置有冷却盘管。液氦过滤器23包括液氦过滤器筒体43、过滤单元44、圆板45，液氦过滤器筒体43是一两端带有封头的圆筒体；圆板45是一中心开孔的圆环形平板，圆板45置于液氦过滤器简体43底部，周边与液氦过滤器简体43焊接；过滤单元44采用金属丝网过滤结构，垂直焊接在圆板45上。气液混合器21包括气液混合器盖38、气液混合器筒体39、4根杂质气体混合气进气管42，气液混合器盖38是一带有凸缘和环形凹槽的圆筒体，气液混合器筒体39上部是一圆筒体，下部是上大下小的倒圆锥形简体，气液混合器盖38的凸缘部分与气液混合器筒体39上端面焊接。杂质气体混合气分配环管40套装在气液混合器筒体39上部圆筒体的外围，4根杂质气体混合气进气管42的一端分别按周向呈90度间隔沿径向水平插入气液混合器简体39上部筒体内并与筒体焊接，另一端分别与套在气液混合器筒体39外围的杂质气体混合气分配环管40内侧焊接。气液混合器21圆锥形筒体内下部是液氦空间，充有液氦和杂质气体固态颗粒的混合物，上部空间是气氦空间，为低温气氦和杂质气体占有，气液混合器盖38的圆筒体壁把气液混合器21的气氦空间分隔成两部分，中间部分是温度较低的冷气氦空间，气液混合器盖38的圆筒体外壁和气液混合器筒体39的圆筒体的内壁之间的气氦空间温度较高，气液混合器盖38的环形真空凹槽起隔热作用。

氧气钢瓶1与氮气钢瓶2分别通过氧气减压阀4、氮气减压阀5后并连，再经氮气和氧气流量计8、氮气和氧气充注阀10与杂质气体预冷器17内盘管进口连接；氦气钢瓶3通过氦气减压阀6、氦气流量计7、氦气充注阀9也与杂质气体预冷器17内盘管进口连接；放气阀11安装在杂质气体预冷器17进口处的管道上；杂质气体预冷器17出口通过掺杂气体连接管18与杂质气体混合气分配环管40垂直连接。纯净液氦进液管37一端通过低温接头34深入真空箱体25内，从气液混合器盖38的中心穿过，插入气液混合器筒体39下部，另一端通过输液氦阀36与液氦杜瓦35出口连接；含杂质液氦排液管41一端与气液混合器21底部连接，另一端与液氦过滤器23进口连接。液氦过滤器23出口与换热器26进口相连；换热器26出口通过排气阀31、排气流量计32与大气相通；气相色谱仪29通过取样阀30安装在换热器26出口管道上；安全阀33位于真空箱体25外的液氦过滤器23出口管道上。A温度传感器22与B温度传感器24分别安装在液氦过滤器23的进出口处；A压力传感器12与B压力传感器14位于真空箱体25外面，A压力传感器12通过管道与液氦过滤器23进口相连，B压力传感器14通过管道和B再生氦气进气支阀16与液氦过滤器23出口相连。再生氦气进气阀13的一端与再生氦气进气源连接，另一端分别与A再生氦气进气支阀15和B再生氦气进气支阀16一端连接；A再生氦气进气支阀15的另一端通过管道与液氦过滤器23壳体连接，B再生氦气进气支阀16的另一端通过管道与液氦过滤器23出口连接。

试验开始前，通过真空规管20测量真空箱体25内的真空度，当真空箱体25内的真空度低于5×10^-2Pa时，打开抽真空阀28开启真空泵27对真空箱体25抽真空，当真空箱体25内的真空度达到5×10^-2Pa时，关闭真空泵27和抽真空阀28。然后打开氧气减压阀4、氮气减压阀5、氦气减压阀6、氦气充注阀9、氮气和氧气充注阀10、B再生氦气进气支阀16、取样阀30、排气阀31、输液氦阀36。液氦杜瓦35内装有纯净液氦，纯净液氦从液氦杜瓦35经输液氦阀36、纯净液氦进液管37和低温接头34流入气液混合器21的液氦空间内；杂质气体氧气和氮气分别通过氧气减压阀4和氮气减压阀5经氮气和氧气流量计8和氮气和氧气充注阀10流入杂质气体预冷器17盘管内，作为杂质气体载体的氦气通过氦气减压阀6、氦气流量计7和氦气充注阀9也流入杂质气体预冷器17的盘管内，在杂质气体预冷器17内把杂质气体混合气的温度从室温降低至接近液氮温度，减少杂质气体混合气带入气液混合器21中的热量，减少液氦损耗；经杂质气体预冷器17预冷后，通过掺杂气体连接管18流入杂质气体混合气分配环管40，并通过杂质气体混合气进气管42均匀地排至气液混合器盖38的圆筒体外壁和气液混合器筒体39内壁之间的气氦空间中，并经过气液混合器盖38与气液混合器简体39之间的环形空隙进入液氦空间中，氮气和氧气在液氦中固化，形成固态颗粒，未固化的氮气和氧气进入气液混合器21上部的冷气氦空间；杂质气体形成的固态颗粒和液氦在气液混合器21内混合，混合后通过含杂质液氦排液管41流入液氦过滤器23中。经过滤后的液氯流经换热器26进行复温，然后流经排气阀31和排气流量计32排出。为了验证经过过滤后氦气中的杂质含量，在排气管道上，通过取样阀30对排气进行取样，利用气相色谱仪29对排出气体进行分析，若经过分析后杂质含量低于液氦使用系统对液氦中杂质含量的要求，则说明此过滤器可应用于液氦使用系统，否则不能使用。A温度传感器22和B温度传感器24测量流入和流出液氦过滤器23的流体温度，A压力传感器12和B压力传感器14测量流入和流出液氦过滤器23的流体压力。在过滤过程中，若需要释放气体加注管路上的气体，则需将放气阀11开启。

当过滤器进出口的压力差增至一定值时，过滤器需要再生，即需将过滤器复温，使附着在过滤器表面的固体氧和氮颗粒升温气化。再生时，氧气减压阀4、氮气减压阀5、氦气减压阀6、氦气充注阀门9、氮气和氧气充注阀10、取样阀30、排气阀31、输液氦阀36关闭。放气阀11、再生氦气进气阀13、A再生氦气进气支阀15、B再生氦气进气支阀16处于开启状态。氦气通过再生氦气进气阀13、A再生氦气进气支阀15、B再生氦气进气支阀16分别流入过滤器的外表面和内表面，从内外表面给过滤器加热，加热后的气体经气液混合器21、杂质气体预冷器17、放气阀11流出。

Claims (4)

1.一种液氦过滤器特性试验装置，包括氧气钢瓶(1)、氮气钢瓶(2)、氦气钢瓶(3)、氧气减压阀(4)、氮气减压阀(5)、氦气减压阀(6)、氦气流量计(7)、氮气和氧气流量计(8)、氦气充注阀(9)、氮气和氧气充注阀(10)、放气阀(11)、A压力传感器(12)、再生氦气进气阀(13)、B压力传感器(14)、A再生氦气进气支阀(15)、B再生氦气进气支阀(16)、杂质气体预冷器(17)、掺杂气体连接管(18)、爆破片(19)、真空规管(20)、气液混合器(21)、A温度传感器(22)、液氦过滤器(23)、B温度传感器(24)、真空箱体(25)、换热器(26)、真空泵(27)、抽真空阀(28)、气相色谱仪(29)、取样阀(30)、排气阀(31)、排气流量计(32)、安全阀(33)、低温接头(34)、液氦杜瓦(35)、输液氦阀(36)、纯净液氦进液管(37)、杂质气体混合气分配环管(40)，其特征在于，真空泵(27)通过抽真空阀(28)与真空箱体(25)连接，低温接头(34)安装在真空箱体(25)顶部，爆破片19和真空规管(20)安装在真空箱体(25)上，杂质气体预冷器(17)、气液混合器(21)、液氦过滤器(23)安装在真空箱体(25)内；在杂质气体预冷器(17)壳体内充有液氮并置有冷却盘管，杂质气体混合气分配环管(40)套装在气液混合器(21)上部外围，并与气液混合器(21)连接；氧气钢瓶(1)与氮气钢瓶(2)分别通过氧气减压阀(4)、氮气减压阀(5)后并连，再经氮气和氧气流量计(8)、氮气和氧气充注阀(10)与杂质气体预冷器(17)内盘管进口连接；氦气钢瓶(3)通过氦气减压阀(6)、氦气流量计(7)、氦气充注阀(9)也与杂质气体预冷器(17)内盘管进口连接；放气阀(11)安装在杂质气体预冷器(17)进口处的管道上：杂质气体预冷器(17)出口通过掺杂气体连接管(18)与杂质气体混合气分配环管(40)垂直连接；纯净液氦进液管(37)一端通过低温接头(34)深入真空箱体(25)内，插入气液混合器(21)下部，另一端通过输液氦阀(36)与液氦杜瓦(35)出口连接；含杂质液氦排液管(41)一端与气液混合器(21)底部连接，另一端与液氦过滤器(23)进口连接，液氦过滤器(23)出口与换热器(26)进口相连；换热器(26)出口通过排气阀(31)、排气流量计(32)与大气相通；气相色谱仪(29)通过取样阀(30)安装在换热器(26)出口管道上；安全阀(33)位于真空箱体(25)外的液氦过滤器(23)出口管道上，A温度传感器(22)与B温度传感器(24)分别安装在液氦过滤器(23)的进出口处；A压力传感器(12)与B压力传感器(14)位于真空箱体(25)外面，A压力传感器(12)通过管道与液氦过滤器(23)进口相连，B压力传感器(14)通过管道和B再生氦气进气支阀(16)与液氦过滤器(23)出口相连；再生氦气进气阀(13)的一端与再生氦气进气源连接，另一端分别与A再生氦气进气支阀(15)和B再生氦气进气支阀(16)一端连接，A再生氦气进气支阀(15)的另一端通过管道与液氦过滤器(23)壳体连接，B再生氦气进气支阀(16)的另一端通过管道与液氦过滤器(23)出口连接。

2.根据权利要求1所述的液氦过滤器特性试验装置，其特征是所述的液氦过滤器(23)包括液氦过滤器筒体(43)、过滤单元(44)、圆板(45)，液氦过滤器筒体(43)是一两端带有封头的圆筒体；圆板(45)是一中心开孔的圆环形平板，圆板(45)置于液氦过滤器筒体(43)底部，周边与液氦过滤器筒体(43)焊接；过滤单元(44)采用金属丝网过滤结构，垂直焊接在圆板(45)上。

3.根据权利要求1所述的液氦过滤器特性试验装置，其特征是所述的气液混合器(21)包括气液混合器盖(38)、气液混合器筒体(39)、4根杂质气体混合气进气管(42)，气液混合器盖(38)是一带有凸缘和环形凹槽的圆筒体，气液混合器筒体(39)上部是一圆筒体，下部是上大下小的倒圆锥形筒体，气液混合器盖(38)的凸缘部分与气液混合器筒体(39)上端面焊接，4根杂质气体混合气进气管(42)的一端分别按周向呈90度间隔沿径向水平插入气液混合器筒体(39)上部筒体内并与筒体焊接，另一端分别与套在气液混合器筒体(39)外围的杂质气体混合气分配环管(40)内侧连接。

4，根据权利要求1所述的液氦过滤器特性试验装置，其特征是所述的杂质气体混合气分配环管(40)与汽液混合器(21)的连接是通过杂质气体混合气分配环管(40)内侧分别与4根杂质气体混合气进气管(42)的连接实现的。

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