专利名称：基于活性炭吸附器的气体增压回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种气体存储技术领域的装置，具体是一种基于活性炭吸附器的 气体增压回收装置。
背景技术：
高端的科学实验和工业设备中常需要对少量特殊气体本身物理行为特性进行研 究或者要求充注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，同时达到多次循环利用及回收的目的。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。此外，气体从钢瓶释放充入工作系统后，若遇到工作系统故障及拆卸维修，此部分气 体必须向环境排泄，既造成资源浪费又有可能污染环境。本发明的形成源自科研过程中对 氦-3气体(1.2万元/标升)的增压和回收目的，在测量氦_3这一极为特殊和昂贵的稀有 气体的热物理性质(PVT、比热，热导率等)及进行以氦_3为工质的低温制冷机试验时，商 业化氦-3原装钢瓶初始压力过低，约为0.5MPa。一方面测量系统要求在更高的压力(1 5MPa)下运行；另一方面由于氦_3气体属于珍稀资源，要求进行回收和重复利用。经过对现有技术的检索发现，授权公告号为CN 2864323Y的中国专利“小型氢气 增压装置”利用储氢材料对氢气的吸附特性实现从低压氢气输送管内的氢气增压后由高压 氢气输送管路输出。该装置同样具有结构紧凑和系统简单特点，但其主要局限于小流量的 氢气增压，对其他稀有气体无作用。未涉及起重要作用的热力学变温原理，也未考虑对气体 的中转和回收功能。进一步检索发现，授权公告号为CN 201058270Y的中国专利“一种惰性气体回收 装置”用于回收磁性材料生产过程中使用过的惰性气体。它的吸附器仅用于回收气体目的； 装置本身设有机械增压机，未涉及吸附增压与热力学方法双效技术，升压比有限，且其内腔 体积较大，不适用于气体数量较少的珍贵稀有气体，也无法满足本发明对气体洁净性要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于活性炭吸附器的气体增压回 收装置，基于活性炭对气体的物理吸附和解吸及低温冷却技术，实现少量特定气体增压和 循环利用双效功能。活性炭主要采用椰壳活性炭，它在低温下对氦、氩、氢等气体有较强的 吸附作用，随温度逐步升高其吸附能力下降，利用该原理对充满活性炭的体积较小的吸附 器降温，使之充分吸附气体，以此把低压气源钢瓶中气体转移至吸附器内。此时气体处于 低压状态，关闭与气源钢瓶连通的管端口阀门。连通与同样体积较小的目标气瓶(已抽 真空)，将吸附器从低温环境取出并对其加热，活性炭解吸，气体压力升高进入目标气瓶实
3现增压目的。吸附过程涉及低温冷源及其冷量传导。低温冷源可以是液氮(77K)或液氦 (4. 2K)，温度越低吸附效果越明显，也可采用小型低温制冷机(如G-M制冷机)替代，实现 干式冷却。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括气源钢瓶、目标钢瓶、活性炭吸 附器、四通阀门、微内体积阀、内导通管、KF接头、毛细柔性不锈钢管和压力表，其中气源 钢瓶、目标钢瓶、KF接头和毛细柔性不锈钢管的一端分别经四个微内体积阀连接于四通阀 门的四个端口上，毛细柔性不锈钢管的另一端与内导通管相连接，内导通管置于活性炭吸 附器中。所述的目标钢瓶的容积小于等于气源钢瓶的体积的1/10。所述的活性炭吸附器包括内导通管、外管、隔离板、活性炭腔和活性炭，其中内 导通管、隔离板和活性炭腔依次上下设置于外管内部；内导通管与外管之间为真空，内导通 管的底部穿透隔离板并与活性炭腔相连通，活性炭设置于活性炭腔内。所述的活性炭为椰壳活性炭，所述的活性炭腔的底端设有可拆卸填充口。所述的气体增压回收装置中所有各部件之间通过毛细不锈钢管相连。本发明可实现氦-3、氦-4、氖、氪、氙、氘、氯、氟等各类气体10倍左右的理论压缩 比，同时可对气体进行梯级压力利用及回收。该装置实现简单，制作成本低，气体始终处于 洁净密闭容器内，能保证气体不被污染，避免气体流失。
图1为本发明结构示意图。
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。如图1所示，本实施例包括气源钢瓶1、目标钢瓶2、活性炭吸附器4、四通阀5、带 压力显示的调压阀6、第一至第四微内体积阀7-10、内导通管11、KF接头12、毛细柔性不锈 钢管13和压力表14，其中四通阀5的第一端口经微内体积阀7连接带有调压阀6的气源 钢瓶1，四通阀5的第二端口经微内体积阀8后设置KF接头，用于连接真空机组，四通阀5 的第三端口经由微内体积阀9接目标容器2，四通阀5的第四端口经微内体积阀10通过柔 性毛细不锈钢管13接至活性炭吸附器4。所述的目标钢瓶2的容积选择气源钢瓶的体积的1/10以实现增压10倍。所述的活性炭吸附器4包括内导通管11、外管15、隔离板16和活性炭腔17和活 性炭18，其中内导通管11和活性炭腔17上下设置，以隔离板16分隔开，且位于外管15内 部，内导通管11与外管15之间形成真空腔，活性炭18设置于活性炭腔17内，内导通管11 与活性炭腔17相连通。所述的外管15的外径为φ 16mm ；所述的活性炭18为椰壳活性炭，所述的活性炭腔17的底端设有可拆卸填充口 19。该增压装置的工作原理是，首先开启真空泵，除关闭气源钢瓶自带调压阀门外，开启所有阀门，将整个系统抽真空。待达到10_3Pa以上数量级真空度后，关闭阀门8和9，即 断开目标气瓶和抽真空支端口，打开调压阀6和微内体积阀7，释放气源钢瓶1中的气体，同 时将活性炭吸附器放置到液氦浴中或相同温区的小型低温制冷冷头上。此时，活性炭吸附 器中的活性炭开始对气体进行大量吸附。另一方面，活性炭吸附器本身处于低温下，系统内 部为等压系统。两方面原因使得气源钢瓶1中的气体基本上完全转移至活性炭吸附器中， 必要时可用电吹风等设备对气源钢瓶加热。压力表14应指示真空度读数，由此可以判断内 部气体被吸附和转移的情况。当压力表的指针趋于稳定之后，吸附转移工作已基本完成，关 闭阀门7。然后将活性炭吸附器从氦浴中取出来放置室温下或者停止制冷机工作甚至进行 加热，由于温度升高了，活性炭开始解吸附气体。打开阀门9，活性炭吸附器中的气体由于不 断被解吸出来导致压力升高，而活性炭吸附器内部空间本身很小且填充有活性炭，因此气 体会源源不断流向原本真空的目标钢瓶2中，将目标气瓶浸入液氮浴内，使得气体进一步 从活性炭吸附器向目标气瓶转移，最终达到压力平衡。同样可通过压力表14的指针读数判 断该过程进行程度。通过解吸和对目标气瓶低温冷却的双重作用，活性炭吸附器中的气体 99%以上都移至目标钢瓶。关闭阀9，将目标气瓶复温至常温。通过以上过程，气体的体积 缩小约为10倍，其压力相应增加约10倍。而毛细不锈钢管因为管内径在Φ0. 2mm以下，占 有的体积很小，可忽略不计。 该装置用于压力调节、循环利用和回收的实现方式是当目标气瓶所需气体压力 并不高时，略微打开阀门9和10，由于目标钢瓶的压力较高，气体部分返回到活性炭吸附器 中，通过压力表14，获得目标气瓶所需压力。如此循环操作实现气体压力的梯级利用。过量 剩余气体并不排放到大气，而是仍收集在活性炭吸附器中。气体处理与使用结束后，重新将 活性炭吸附器放置于低温氦浴中，其内活性炭重新吸附系统内部的所有气体，完毕后关闭 阀门9，打开阀门6和7，同时将活性炭吸附器恢复至室温甚至加热，活性炭解吸附，同时将 目标气瓶置于液氮环境，气体又重新回到目标气瓶中，损失的仅仅是在管端口和活性炭吸 附器中，残余部分质量一般小于1%。气体回收再利用对于像氦_3这类价格相当昂贵的气 体是至关重要的。
权利要求
一种基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，包括气源钢瓶、目标钢瓶、活性炭吸附器、四通阀门、微内体积阀、内导通管、KF接头和毛细柔性不锈钢管，其特征在于气源钢瓶、目标钢瓶、KF接头和毛细柔性不锈钢管的一端分别经四个微内体积阀连接于四通阀门的四个端口上，毛细柔性不锈钢管的另一端与内导通管相连接，内导通管置于活性炭吸附器中。
2.根据权利要求1所述的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，其特征是，所述的 目标钢瓶的容积小于等于气源钢瓶的体积的1/10。
3.根据权利要求1所述的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，其特征是，所述的 内导通管的外径为Φ 2mm，内径为Φ0. 2mm。
4.根据权利要求1所述的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，其特征是，所述的 活性炭吸附器包括内导通管、外管、隔离板、活性炭腔和活性炭，其中内导通管、隔离板 和活性炭腔依次上下设置于外管内部，内导通管与外管之间为真空，内导通管的底部穿透 隔离板并与活性炭腔相连通，活性炭设置于活性炭腔内。
5.根据权利要求4所述的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，其特征是，所述的 活性炭为椰壳活性炭。
6.根据权利要求4所述的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，其特征是，所述的 活性炭腔的底端设有可拆卸填充口。
全文摘要
一种气体存储技术领域的基于活性炭吸附器的气体增压回收装置，包括气源钢瓶、目标钢瓶、活性炭吸附器、四通阀门、微内体积阀、内导通管、KF接头、毛细柔性不锈钢管和压力表，其中气源钢瓶、目标钢瓶、KF接头和毛细柔性不锈钢管的一端分别经四个微内体积阀连接于四通阀门的四个端口上，毛细柔性不锈钢管的另一端与内导通管相连接，内导通管置于活性炭吸附器中。本发明采用液氮(77K)或液氦(4.2K)或小型低温制冷机作为低温冷源，基于活性炭对气体的物理吸附和解吸及低温冷却技术，实现少量特定气体增压和循环利用的双效装置。
文档编号F17C1/14GK101907222SQ201010245070
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者王如竹, 王晓建, 黄永华 申请人:上海交通大学