一种无动力可调温冷阱

技术领域

本申请属于冷却装置技术领域，具体而言涉及一种无动力可调温冷阱。

背景技术

冷阱是一种冷却装置，用来收集某一熔点范围内的气体。常见的冷阱采用U型管，直接将U型管置于盛有冷冻剂的容器中，当混合气体通过U型管时，熔点高的气体变成固体，熔点低的气体通过U型管，起到气体分离的作用。当需要将冷冻的固体变为气态时，需要将U型管从冷冻剂中取出，在自然温度下实现固体向气体的升华，或者，利用加热装置对U型管进行加热，以加速升华过程。

然而，由于液态冷冻剂的冷冻温度一定，如现有技术中纯液氮冷冻剂冷冻温度为-196℃，不同比例的液氮、乙醇混合冷冻剂冷冻温度范围为-120℃至-60℃，因此U型管所处的冷冻环境温度也是一定的，无法满足-196℃至-120℃温度范围之间冷冻需要。同时，在测试过程中，无法根据实验需要精确、连续调节冷冻温度，难以实现熔点相近的不同气体的分离。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种无动力可调温冷阱，用以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种无动力可调温冷阱，包括：

第一冷冻空间，被配置为容纳第一冷冻介质；

第二冷冻空间，置于所述第一冷冻空间内，被配置为容纳第二冷冻介质，第二冷冻介质的温度高于第一冷冻介质的温度；所述第二冷冻空间具有第一进口和第一出口，所述第一进口供第二冷冻介质流入，所述第一出口供第二冷冻介质流出；

第三冷冻空间，置于第二冷冻空间内，所述第三冷冻空间具有第二进口和第二出口，所述第二进口供含有目标气体的混合气流入，所述第二出口与下游测试气路连接。

进一步地，所述第二冷冻空间与所述第三冷冻空间的形状相同，且二者的轴线重合。

进一步地，所述第二冷冻空间和所述第三冷冻空间均为U型空间。

进一步地，所述第一冷冻介质为液氮，所述第二冷冻介质为常温氮气。

进一步地，包括液氮桶以及套设的外管和内管，其中，所述液氮桶内的容纳空间为第一冷冻空间，所述外管的内部空间为第二冷冻空间，所述内管的内部空间为第三冷冻空间。

进一步地，所述外管的内壁与所述内管的外壁之间形成密封空间，所述内管的两端管口伸出所述外管的两端管口；其中，所述第一进口和第一出口设于所述外管的侧壁上，并与所述密封空间连通；所述第二进口和第二出口位于所述内管的两端管口。

进一步地，还包括氮气源，所述氮气源通过供气管与所述第二冷冻空间的第一进口连接。

进一步地，所述供气管上设有流量阀。

进一步地，所述供气管的至少一部分位于所述第一冷冻空间的第一冷冻介质内。

进一步地，所述外管的管径为20-40mm，所述内管的管径为5-7mm，所述供气管的管径为2-3mm。

进一步地，所述第三冷冻空间内的温度调节范围为-90℃～-160℃。

进一步地，所述第二冷冻空间的数量为多个，多个第二冷冻空间由内向外逐层套设设置，相邻两个第二冷冻空间之间形成一环形通气空间，每个环形通气空间设置一个第一进口和一个第一出口。

进一步地，每个环形通气空间的第一进口通过一分支气管接入所述供气管，每条所述分支气管上均设有分支流量阀。

进一步地，由外向内，相邻两个第二冷冻空间之间的内壁间距依次减小。

进一步地，所述内管的外壁上设有温度传感器，用于实时监测所述内管内的温度。

进一步地，还包括氮气收集装置，氮气收集装置具有集气空间以及与所述集气空间连通的集气口和排气口；所述集气空间设有温度传感器，所述集气口与所述外管的第一出口连接，所述排气口通过补氮气路与所述氮气源连接，以备将所述集气空间内恢复至室温的氮气补入氮气源。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的无动力可调温冷阱，通过将第三冷冻空间置于第二冷冻空间，利用第一冷冻空间内的第一冷冻介质对第二冷冻空间内流动的第二冷冻介质进行冷冻，从而实现第一冷冻介质对第三冷冻空间进行间接冷冻，同时，由于第二空间内的第二冷冻介质为流动的，可以通过调节供入第二冷冻空间的氮气流速、流量以及氮气温度实现对第二冷冻空间内的冷冻温度进行精准、连续调节，调节过程中无需额外热动力。

b)本发明提供的无动力可调温冷阱，包括液氮桶以及套设的外管和内管，内管与外管之间形成密封空间，液氮桶内的液氮对供气管内的氮气以及密封空间进行直接冷却，环形空间内的低温氮气对内管内的混合气体进行冷冻。无动力可调温冷阱的结构简单，操作方便，成本低，而且可以实现无人值守。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无动力可调温冷阱的结构示意图；

图2为本发明提供的无动力可调温冷阱的内管与外管的结构设置示意图。

附图标记：

1-液氮桶；2-外管；21-氮气进口；22-氮气出口；3-内管；31-进气口；32-出气口；4-密封空间；5-供气管；6-氮气源；7-流量阀。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1至图2所示，公开了一种无动力可调温冷阱，包括：

第一冷冻空间，被配置为容纳第一冷冻介质；

第二冷冻空间，置于所述第一冷冻空间内，被配置为容纳第二冷冻介质，第二冷冻介质的温度高于第一冷冻介质的温度；所述第二冷冻空间具有第一进口和第一出口，所述第一进口供第二冷冻介质流入，所述第一出口供第二冷冻介质流出；

第三冷冻空间，置于第二冷冻空间内，所述第三冷冻空间具有第二进口和第二出口，所述第二进口供含有目标气体的混合气流入，所述第二出口与下游测试气路连接，未冻结的气体由第二出口流出，以及冻结后的固体受热升华成的气体由第二出口流出。

在其中一种可选实施方式中，所述第一冷冻介质为液氮，液氮的温度为-196℃；所述第二冷冻介质为氮气。

本实施例中，无动力可调温冷阱还包括氮气源6，所述氮气源6通过供气管5与所述第二冷冻空间的第一进口连接。可选的，氮气源6提供的氮气温度为常温，使用时将氮气供气管线5盘绕部分置于第一冷冻介质内，使常温氮气降温，从而无需额外设置热动力就能够实现对第二冷冻空间内的冷冻温度进行精准、连续调节。

在其中一种可选实施方式中，所述供气管5上设有流量阀7，可以根据内管3、外管2的管径，通过流量阀7控制供气管5中氮气流量及流速，同时配合控制供气管5中氮气的温度，从而实现精确、连续、动态调节第二冷冻空间内的冷冻温度，即调节第三冷冻空间内的温度，温度调节范围为-90℃～-160℃，调节精度不高于1℃，从而满足精确调温的目的。

在其中一种可选实施方式中，所述供气管5的至少一部分位于所述第一冷冻空间的第一冷冻介质内。如至少长约60cm的供气管5浸没于-196℃液氮桶内，供气管5与液氮接触制冷，降低温度的氮气通过氮气进口21供入外管2与内管3之间的密封空间4内，并由氮气出口22流出，第一冷冻空间的第一冷冻介质和供入的低温氮气共同对内管3进行冷却，从而将目标气体冻结在内管3内，在此过程中，供入的氮气起到加热的作用，通过将部分氮气供气管浸入液氮以降低加热速度，使冷冻温度更稳定。本实施例通过将供气管5的一部分放置在第一冷冻介质中，利用第一冷冻介质对供气管5中流动的氮气进行降温，缩小氮气温度与设定目标温度的温差，使第三冷冻空间的低温温度更稳定，同时，可以通过调节供入的氮气流速及流量，对冷冻温度进行精准调节。

进一步地，供气管5为软管，供气管5盘绕在第一冷冻空间内，盘绕部分位于第一冷冻介质内。通过将供气管5的大部分盘绕后放置在第一冷冻介质内，可以延长对供气管5内氮气的冷却时间，确保供入第二冷冻空间内的氮气温度达到更低的目标温度，而且还能够使供入的低温氮气温度保持一致。

在其中一种可选实施方式中，所述第二冷冻空间与所述第三冷冻空间的形状相同，且二者的轴线重合。示例性的，所述第二冷冻空间和所述第三冷冻空间均为U型空间。此结构设置使得第三冷冻空间位于第二冷冻空间的中心，围绕第三冷冻空间的第二冷冻介质均匀分布，保证对第三冷冻空间不同位置的冷冻效果相同，有助于提高冷阱温度的控制精度。

本实施例中，无动力可调温冷阱包括液氮桶1以及套设的外管2和内管3；其中，所述液氮桶1内的容纳空间为第一冷冻空间，所述外管2的内部空间为第二冷冻空间，所述内管3的内部空间为第三冷冻空间。

具体而言，如图2所示，外管2与内管3均为U型管，所述外管2的内壁与所述内管3的外壁之间形成密封空间4，所述外管2的管口与内管3的外壁密封连接，所述内管3的两端管口伸出所述外管2的两端管口；其中，所述第一进口和第一出口设于所述外管2的侧壁上，并与所述密封空间4连通，第一进口为氮气进口21，第一出口为氮气出口22；所述第二进口和第二出口位于所述内管3的两端管口，内管3的一端为进气口31，另一端为出气口32，也即第二进口为进气口31，第二出口为出气口32。

本实施中，所述外管2的管径为20-40mm，所述内管3的管径为5-7mm，所述供气管5的管径为2-3mm。例如，所述内管3的管径为6.35mm，所述供气管5的管径为1.6mm。

在其中一种可选实施方式中，所述第二冷冻空间的数量为多个，多个第二冷冻空间由内向外逐层套设设置，相邻两个第二冷冻空间之间形成一环形通气空间，每个环形通气空间设置一个第一进口和一个第一出口，也就是说，每个环形通气空间都设置有氮气进口21和氮气出口22，各个环形通气空间各自独立通入氮气，且每个环形通气空间内供入的氮气流量可以差异设置。进一步，每个环形通气空间的第一进口通过一分支气管接入所述供气管5，每条所述分支气管上均设有分支流量阀。通过设置多个独立布置的第二冷冻空间，通过控制不同第二冷冻空间内的氮气流速、流量以及氮气温度，可以实现多级、逐级控温，从而能够更为精准、连续的调节控制第二冷冻空间的冷却温度。

在其中一种可选实施方式中，多个环形通气空间的体积不同，各个环形通气空间各自独立，互相不连通。由外向内，相邻两个第二冷冻空间之间的内壁间距依次减小。通过将多个环形通气空间的体积差异化设置，且由内向外环形通气空间的内壁之间距离依次增大，越靠近第三冷冻空间的环形通气空间越窄，受其内部的氮气温度、流速、流量影响越敏感，因此，可以通过由外向内依次调节环形通气空间内的氮气温度、流速、流量，提升对第三冷冻空间内冷冻温度的精确调节，进一步提升温度控制精度。

在其中一种可选实施方式中，所述内管3的外壁上设有第一温度传感器，用于实时监测所述内管3内的温度。

在其中一种可选实施方式中，无动力可调温冷阱还包括氮气收集装置，氮气收集装置具有集气空间以及与所述集气空间连通的集气口和排气口；所述集气空间设有第二温度传感器，所述集气口与所述外管2的第一出口连接，所述排气口通过补氮气路与所述氮气源6连接，以备将所述集气空间内恢复至室温的氮气补入氮气源6。此结构设置可以实现氮气的循环利用，有助于实现无人值守。

在其中一种可选实施方式中，无动力可调温冷阱包括多个冷阱单元，每个冷阱单元均包括套设的一外管2和一内管3，至少两个冷阱单元串联接入测试气路，相邻两个冷阱单元中，一个冷阱单元的内管出气口与另一个冷阱单元的内管的进气口通过气路连通，各冷阱单元的外管氮气进口分别通过独立的气路与氮气源6连接。示例性的，无动力可调温冷阱包括按照气流方向连接的第一冷阱单元和第二冷阱单元，第一冷阱单元包括第一外管和第一内管，第一外管具有第一氮气进口和第一氮气出口，第一内管具有第一进气口和第一出气口；第二冷阱单元包括第二外管和第二内管，第二外管具有第二氮气进口和第二氮气出口，第二内管具有第二进气口和第二出气口；其中，第一氮气进口通过第一子气路接入供气管5，第一子气路上设有第一流量阀；第二氮气进口通过第二子气路接入供气管5，第二子气路上设有第二流量阀；第一进气口与目标气体生产装置的出气口连接，第一出气口与第二内管的第二进气口通过导气管连接，第二内管的第二出气口接入下游测试气路。通过设置多个串联的冷阱单元，每个单元的氮气流量、流速以及温度独立控制，因此，不仅可以进行两次冷冻富集目标气体，而且，还可以根据需要设置两个冷阱温度，在一个冷阱气路上实现不同种类目标气体的依次分离。

实施时，利用氮气源6将一定温度的氮气由氮气进口21供入到外管2与内管3之间的密封空间4中，由于供气管5的一部分位于液氮中，供入密封空间4中之前由液氮对氮气进行降温，通过调节流量阀7控制供气管5中的氮气流速，配合供入氮气的温度，可以使供入密封环形空间4的氮气维持特定的温度，从而形成对内管3的冷冻环境；含有目标气体的混合气体由进气口31进入内管3中，因内管3处于密封空间4的低温环境中，混合气体在流经内管3的过程中，目标气体被冻结在内管3的底部，其余非目标气体由出气口32流出。当需要将固态物质升华为气态时，将外管2、内管3以及供气管5从液氮桶内取出，置于空气中，在室温下使其升华为气态，或者，通过流量阀7调高供气管5中的氮气流速，升高冷阱的温度，使其升华为气态。

与现有技术相比，本实施例提供的无动力可调温冷阱，至少具有如下有益效果之一：

1、通过将第三冷冻空间置于第二冷冻空间，利用第一冷冻空间内的第一冷冻介质对第二冷冻空间内流动的第二冷冻介质进行冷冻，从而实现第一冷冻介质对第三冷冻空间进行间接冷冻，同时，由于第二空间内的第二冷冻介质为流动的，可以通过调节供入第二冷冻空间的氮气流速、流量以及氮气温度实现对第二冷冻空间内的冷冻温度进行精准、连续调节。

2、无动力可调温冷阱包括液氮桶以及套设的外管和内管，内管与外管之间形成密封空间，液氮桶内的液氮对供气管内的氮气以及密封空间进行直接冷却，环形空间内的低温氮气对内管内的混合气体进行冷冻。无动力可调温冷阱的结构简单，操作方便，成本低，而且可以实现无人值守。

3、通过设置多个独立布置的第二冷冻空间，通过控制不同第二冷冻空间内的氮气流速、流量以及氮气温度，可以实现多级、逐级控温，从而能够更为精准、连续的调节控制第二冷冻空间的冷却温度。

4、通过将多个环形通气空间的体积差异化设置，且由内向外环形通气空间的内壁之间距离依次增大，越靠近第三冷冻空间的环形通气空间越窄，受其内部的氮气温度、流速、流量影响越敏感，因此，可以通过由外向内依次调节环形通气空间内的氮气温度、流速、流量，提升对第三冷冻空间内冷冻温度的精确调节，进一步提升温度控制精度。

5、通过设置多个串联的冷阱单元，每个单元的氮气流量、流速以及温度独立控制，不仅可以进行多次冷冻富集目标气体，而且还可以根据需要设置两个冷阱温度，在一个冷阱气路上实现不同种类目标气体的依次分离。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。