用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，并具體涉及在高壓應(yīng)用(例如，高壓液相色譜(HPLC)或超臨界流體色譜(SFC)應(yīng)用)中泵送可壓縮流體的方法和系統(tǒng)。描述了用于超臨界流體色譜(SFC)系統(tǒng)中的泵頭的改進的冷卻裝置。用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)包括：與泵頭熱接觸的帕爾貼冷卻元件，其中，冷卻元件在流動相流體進入泵之前冷卻泵頭和流動相流體流；連接到帕爾貼冷卻元件的流體冷卻熱交換器，流體冷卻熱交換器使用循環(huán)流體從冷卻元件去除熱量；冷卻循環(huán)流體的第二熱交換器。
【專利說明】用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于泵送可壓縮流體的方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及在高壓應(yīng)用(例如，高壓液相色譜(HPLC)或超臨界流體色譜(SFC)應(yīng)用)中泵送可壓縮流體。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)泵送采取很多形式，一般都需要通過處理流(process stream)來傳送流體或漿液。根據(jù)應(yīng)用需求來選擇泵，這些需求包括水頭壓力、計量精度、溫度、顆粒容忍度、流體黏性、成本、安全性、服務(wù)率和多種其他參數(shù)。泵通?？梢苑殖蓛煞N類型。容積式泵(positive displacement pump)隔離離散量的工作流體并使它們沿著受控方向移動。動力泵(kinetic pump)通過將動能增加到系統(tǒng)來進行操作，這使流體的黏性在局部增大。動能在泵出口處被轉(zhuǎn)變成勢能，即壓力。
[0003]在需要高純度、高壓(例如大于IOObar (巴)至超過IOOObar)和高精度(例如，小于1%的流動變化)時，往復(fù)泵(例如圖1的示圖中所示的泵2)仍然是泵送流體的主要工業(yè)手段。往復(fù)泵有多種形式，包括機械式和氣動式活塞泵、機械式和液壓式隔膜泵。這種泵2的特征在于具有一個或多個頭4，頭4在低壓輸入部分和高壓輸出部分之間傳輸流體。每個泵頭包括物理調(diào)節(jié)泵送的流體可達到的內(nèi)部容積的裝置。在操作中，每個泵頭4使用由凸輪8驅(qū)動的活塞6，凸輪8交替地通過增加可獲得泵頭體積來從輸入部分10抽吸流體，然后通過減少該體積來將流體分送到輸出部分12。大部分往復(fù)泵設(shè)計成僅沿著一個方向流動。流動方向受到一系列截止閥14、16控制，截止閥14、16在抽吸期間使泵頭與輸出壓力隔離、并在分送期間使泵頭與輸入壓力隔離。輸出壓力一般不受到泵控制，而是受到由泵使用的處理流的下游流動阻力控制。
[0004]往復(fù)泵由它們使用的泵頭的數(shù)量來表征。具有單一泵頭的泵稱作單缸泵。雙缸、三缸和四缸泵分別表示泵具有兩個、三個和四個頭。需要兩個或更多個泵頭來提供偽連續(xù)流，因為在一個泵頭抽吸時，另一泵頭可以進行傳送。但是，因為移動的特性涉及相反運動的停止和重啟，所以往復(fù)泵只能近似地效仿連續(xù)旋轉(zhuǎn)泵。通常，用于給定流率的泵頭的數(shù)量越大，輸出流動的脈動越低。
[0005]當由活塞泵所泵送的流體相對不可壓縮時，這些泵常稱作計量泵，因為假定流體的體積流動與泵頭中的活塞或隔膜的機械體積排量匹配。往復(fù)泵的計量應(yīng)用的示例是低壓注射泵，其中玻璃注射器吸入水溶液并將水溶液非常精確地分送到下游儲器。在這種低壓應(yīng)用(通常低于2bar)中，水溶液的體積壓縮幾乎不可測量，因此對精確排量的假設(shè)準確。
[0006]當往復(fù)泵與非?？蓧嚎s的流體(例如永久氣體)一起使用時，往復(fù)泵經(jīng)常稱作壓縮機或氣體增壓機。氣體增壓機代表流體壓縮性對泵性能的影響的理想示例。在這種情況下，通常的應(yīng)用是增加輸入部分和輸出部分之間的氣體的壓力。氣體增壓機的基本特性是壓縮比。壓縮比簡單來說是泵頭在其吸入沖程頂端可以隔離在其截止閥之間的最大流體體積與泵頭在其輸出沖程底端可減少到的最小體積之間的比率。因此，壓縮比7: I表示吸入的最大體積是在輸出結(jié)束時剩余流體體積的七倍。[0007]圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的用于HPLC泵的基本組件。HPLC泵18是電動凸輪驅(qū)動泵的示例。在這種情況下，電機20使軸22旋轉(zhuǎn)從而使偏心凸輪24和26旋轉(zhuǎn)，以分別提供容納在泵頭32和34中的活塞28和30的往復(fù)運動。在每個活塞抽吸時，分別經(jīng)由輸入截止閥38或40從流體儲器36吸入流體。輸出截止閥42或44在抽吸期間保持密封。在輸出沖程期間，輸入截止閥38或40關(guān)閉，而輸出截止閥42或44打開以將流體輸出到處理流46。圖2所示的凸輪驅(qū)動裝置僅是HPLC泵的一個示例。其他示例包括連接到活塞28和30的滾珠絲杠驅(qū)動裝置、氣動驅(qū)動裝置和液壓驅(qū)動裝置。剩余的討論主要集中于與泵18的設(shè)計類似的實驗室型HPLC和SFC型泵使用壓縮補償來泵送流體。
[0008]通常的實驗室HPLC儀器中使用的泵的需求非常嚴格。泵必須能夠在非常高的壓力(傳統(tǒng)的HPLC高達400bar，近來的超高性能LC系統(tǒng)高達IOOObar)下進行傳送。期待2000bar超高性能LC系統(tǒng)。HPLC泵還必須能夠處理超高純度流體，而不會產(chǎn)生可檢測到的污染。此外，對于給定的流率，期望在大部分可操作的壓力范圍內(nèi)流體的體積傳輸在窄界限內(nèi)(變化小于1% )保持恒定。最終，還期望相同的泵在短至一分鐘的時段內(nèi)精確地改變流動超過至少一個數(shù)量級范圍。這是稱作梯度洗脫的技術(shù)所需要的結(jié)果，在梯度洗脫中，由分別的泵控制的兩種溶劑系統(tǒng)地被調(diào)節(jié)成從弱洗脫混合物到強洗脫混合物的相對組成，同時保持恒定的組合流率。
[0009]通常，未改變的高效液相色譜(HPLC)泵將在這種條件下傳送未知的改變量的可壓縮流體。在梯度期間柱頭(column head)壓力增大時，利用每個泵沖程的更大比例進行壓縮流體而不是傳送流體。采用無補償泵，輸送率變成流動設(shè)定點的更小分數(shù)。當將第二泵增加到系統(tǒng)以在高壓下傳送不可壓縮的流體時，第二泵的傳送率不受到增加的壓力影響。隨后兩個泵將非精確的流量和成分傳送到流動相。隨著系統(tǒng)中壓力增大，總流量降低到低于其設(shè)定點，但是改性劑的濃度增加到超過改性劑設(shè)定點。泵頭中的可壓縮流體的溫度必須受控制，以防止傳送的質(zhì)量流進一步改變。
[0010]當受壓縮時，泵送流體變熱并試圖膨脹。對于在高于200bar的出口泵壓力下的高度可壓縮的二氧化碳，在流體內(nèi)可能有超過十攝氏度的溫度升高。泵送流體的快速壓縮引起流體變熱并膨脹，并且引起密度降低。當熱量被傳遞到泵主體時，泵送的流體冷卻并且流體密度增大。在過去二十年中，超高性能色譜系統(tǒng)中遇到的可壓縮性等級非常類似于超臨界流體色譜(SFC)中遇到的可壓縮性等級。過去，幾乎所有出售的用于執(zhí)行SFC或超臨界流體萃取(SFE)的泵是高效液相色譜(HPLC)泵的修改版本。
[0011]SFC是與高效液相色譜(HPLC)密切相關(guān)的分離技術(shù)，除了流動相中使用的一種流體是液化氣之外。流體通常在高于80-100大氣壓的壓力下被壓縮并使用。SFC中最常見的流體是二氧化碳，但是有時使用其他流體。二氧化碳被作為氣體存儲在供應(yīng)缸中，在壓力下與液相平衡。取決于“室溫”，供應(yīng)缸中的壓力可以是大約40至60大氣壓。與普通液體相比，更難泵送二氧化碳，因為二氧化碳的可壓縮性非常高并且在室溫下很容易膨脹成氣體，除非應(yīng)用外部壓力。
[0012]SFC使用液化CO2作為流動相的一種成分。作為液化氣，CO2必須在高壓下被傳送到泵頭，以保持處于液體狀態(tài)。這通常通過在熱平衡下連接既包含液體CO2又包含蒸氣CO2的罐來實現(xiàn)。與罐的CO2液體連通的汲取管(dip tube)直接垂至泵頭，但是CO2在進入泵頭之前會部分或完全汽化。因此，CO2流和泵頭必須被預(yù)處理達到SFC或HPLC系統(tǒng)的適當操作。通常，對泵頭的冷卻和對流體的預(yù)冷卻都需要，以確保在泵抽吸期間CO2保持液體狀態(tài)。在SFC中使用特定級別的高純度CO2以防止純度較低的CO2的溶解成分影響流動相的光學(xué)透明度。CO2和常用有機溶劑的混合物也傾向于比相應(yīng)的水:有機溶劑混合物具有更高的折射率變化，以使得用光學(xué)檢測器更易觀察到成分中的較小快速變化。
[0013]當泵試圖充滿時，管中的壓力會下降到低于供應(yīng)缸中的壓力，某些流體會汽化。泵上的電機和相關(guān)電子器件將使泵變熱到高于室溫(即，30至35°C )。如果泵的溫度高于供應(yīng)缸的溫度，則流體將在泵頭內(nèi)部進一步汽化。因為現(xiàn)代HPLC泵具有相對低的壓縮比，所以這些HPLC泵不能有效地用作氣體壓縮機。流體必須作為液體存在于泵中。改進的HPLC泵必須執(zhí)行對二氧化碳的壓縮和計量，以產(chǎn)生精確流動。HPLC泵通常不需要被冷卻。但是，SFC泵必須足夠冷，以不使得進入泵頭的液體二氧化碳汽化(即，SFC泵必須比供應(yīng)缸更冷)。為了確保泵頭足夠冷以泵送液體二氧化碳，泵頭通常被冷卻到明顯低于環(huán)境溫度。在流體進入泵之前預(yù)冷卻流體會降低流體的可壓縮性。
[0014]如上所述，泵送液體CO2采取特殊預(yù)防措施以確保連續(xù)的液體供應(yīng)進入泵頭。液體CO2的可壓縮性也是主要因素，因為該可壓縮性通常是有機液體的最大可壓縮性的十倍。此外，在60bar (大約罐的壓力)和400bar (最大系統(tǒng)壓力)之間壓縮CO2可以將流體溫度提高到高于25°C。這種溫度升高劇烈地改變傳送的流體的密度，并需要對泵的更進一步控制。
[0015]在執(zhí)行壓縮和計量的泵中，由泵傳送的實際質(zhì)量流取決于泵頭溫度。為確保精確可重復(fù)的流率，泵頭和二氧化碳溫度必須都低于供應(yīng)缸的溫度，并且嚴格受到控制。為利用現(xiàn)有HPLC泵執(zhí)行SFC，冷卻器連接到泵頭。Hewlett Packard在1982年使用改進的1084HPLC引入第一個商用SFC。使用的HPLC泵是笨重的，具有大的電機。需要冷卻泵頭以維持二氧化碳液體，并防止氣穴(cavitation)。SFC泵采用熱交換器,該熱交換器由黃銅制成的空心隔間組成并螺栓連接到每個泵頭。外部商用循環(huán)容器(circulating bath)將水/防凍劑的混合物泵送通過連接到熱交換器的導(dǎo)管。循環(huán)容器的溫度設(shè)置成_20°C。冷卻的液體被容器中的循環(huán)泵循環(huán)經(jīng)過螺栓連接到HPLC泵頭的腔室，冷卻泵頭。此外，螺旋導(dǎo)管放置在循環(huán)容器內(nèi)部，以使得流體在進入泵之前被預(yù)冷卻。盡管有這些效果，但是泵有時氣穴，這導(dǎo)致不精確的流動。
[0016]HPLC泵不打算與氣相二氧化碳一起使用。這些HPLC與具有“汲取”管的供應(yīng)缸一起使用，汲取管是從缸閥延伸到接近缸的底部的管。二氧化碳的液體層被從缸中抽出、冷卻并提供到泵。使用來自缸的液體層使泵送問題變?nèi)菀祝p少冷卻器上的冷卻負荷，但是將樣品暴露于二氧化碳中可能的污染。液體二氧化碳可以用作包括油脂的很多相對非極性化合物的溶劑。為避免污染，形成確保純凈的特定級別的二氧化碳(SFC級)。該SFC級二氧化碳的成本高達很多通常的工業(yè)級別的15倍。
[0017]因為在這種SFC的單元中，冷卻器、循環(huán)容器的管道、將流體傳送到泵頭的連接管、泵頭上的熱交換器和泵頭自身都處于水的冰點以下，所以實驗室空氣中的濕氣凝結(jié)和/或凍結(jié)在泵頭和管道上。使用低于o°c的泵頭設(shè)置有時導(dǎo)致由實驗室空氣中的環(huán)境濕氣在CO2泵上形成大冰塊。這種凝結(jié)和凍結(jié)與冷卻器的期望目的沒有關(guān)聯(lián)，并且浪費能量，這迫使利用比冷卻流體和泵頭實際需要的更大的循環(huán)冷卻器。需要的外部冷卻器的尺寸取決于實驗室空氣的相對濕度，該相對濕度在一年中改變非常大。隨后，冷卻器的尺寸必須適應(yīng)于最差情況的條件，該尺寸遠大于名義尺寸。此外，消除冰形成的某些現(xiàn)有方案包括用隔熱材料來隔離泵頭并將熱空氣吹到結(jié)冰的泵頭上，這處于空氣加熱泵頭區(qū)域同時泵頭區(qū)域被冷卻以消除內(nèi)部熱量的頗具諷刺意味的情況而會引起更多能量被浪費。收集和安全消除凝結(jié)物會產(chǎn)生額外的非期望復(fù)雜性。CO2傳輸泵通常裝有泄漏傳感器，如果檢測到泄漏(或凝結(jié))，泄漏傳感器關(guān)斷電源。凝結(jié)盡管嚴格來講不是泄漏，但是會觸發(fā)泄漏傳感器。
[0018]冰和凝結(jié)問題促使后來的SFC泵設(shè)計者使用略高于凝固溫度的泵頭溫度(例如5V ) ο例如，Thar/Waters corporation的設(shè)計者目前使用利用大孔徑管連接到泵頭的外部冷卻器，非常類似于原始1084的設(shè)計。JascoSFC/SFE (超臨界萃取系統(tǒng))在于1985年被引入時初始使用這種方法。1992年引入的Gilson系統(tǒng)使用這種方法。但是，在凝固溫度以上進行操作僅部分地解決與SFC泵有關(guān)的問題。安裝在泵頭上或泵頭周圍任意處的冷卻器仍然具有暴露于潮濕環(huán)境空氣的冷表面，導(dǎo)致大量的凝結(jié)，這奪走冷卻器的大部分功率并同時產(chǎn)生不期望的廢物流。冷卻器的尺寸必須遠大于冷卻二氧化碳和泵頭實際需要的尺寸。
[0019]使用單獨的商用循環(huán)容器來冷卻HPLC泵會使得分別的組件的運輸和維修變困難和麻煩。在通常的系統(tǒng)中，使用尺寸為2.5至5立方英尺的商用循環(huán)容器，該循環(huán)容器利用4-6英尺的3/8至1/2英寸OD管連接到單獨的泵模塊。某些冷卻器提供2500瓦或更大的冷卻。這種循環(huán)容器具有其自己的控制電子器件和電力電纜，體積大，并且昂貴。因為上述實施例將循環(huán)容器冷卻到低于室溫，連接管必須嚴格絕熱，使得連接管極其厚和笨重，在管上的過度凝結(jié)仍然常見。
[0020]SFC中使用的僅有的其他共用冷卻器直接在泵頭上連同在沿著被實驗室空氣的強制對流冷卻的帶散熱片的熱交換器上采用帕爾貼(Peltier)熱電元件。利用電流通過，帕爾貼的一側(cè)變冷，直接冷卻泵頭，而另一側(cè)變熱。風(fēng)扇將室溫空氣吹過安裝在熱側(cè)的帶散熱片的熱交換器，從熱交換器去除熱量。這種布置不需要利用大孔徑彈性管連接到泵并填充有冷的循環(huán)流體的外部冷卻器。
[0021]Hewlett Packard在1992年引入使用這種帕爾貼構(gòu)造的第一個SFC泵。在一種現(xiàn)有設(shè)計(Haertle，節(jié)能泵)中，熱交換器被嵌入在泵頭中，以在液體二氧化碳進入泵之前預(yù)冷卻液體二氧化碳，同時帕爾貼將泵頭的溫度降低到4-5°C。在Haertle的另一實施例中，存在使用的對向流熱交換器，該對向流熱交換器使進入的二氧化碳與離開泵的二氧化碳接觸，以預(yù)冷卻流體并試圖將所需的冷卻功率量減至最小。帶散熱片的熱交換器和高容量風(fēng)扇直接安裝在泵頭的頂部上。使大體積的空氣在帕爾貼的一個表面上與熱交換器接觸的需求，使得很難將帕爾貼的其他冷表面與大體積的潮濕空氣隔離開，因為這兩個表面僅相距約1/8英寸。來自實驗室空氣的水蒸氣在泵頭上凝結(jié)，使泵頭效率降低。帕爾貼元件必須尺寸超大，以提供為泵送CO2實際需要的冷卻功率的很多倍的冷卻功率，以處理非期望的凝結(jié)。廣泛隔熱將使這種凝結(jié)減至最少，但是會妨礙為日常維護而便利地接近泵頭。
[0022]另一顯著問題是如何維護具有上述冷卻器設(shè)計的問題的泵。所有的泵需要日常維護，例如周期性替換截止閥和活塞上的主要密封件。通常，大的帶散熱片的散熱器安裝在泵的前方，這完全阻擋為日常維護而接近泵頭。需要去除冷卻器以訪問泵頭，這使維護變復(fù)雜。JasccKSelerity和SSI都致力于將熱交換器直接安裝在泵頭上的類似方法，而不考慮Haertle專利中的熱交換器。Thar/Waters宣布在即將出現(xiàn)的產(chǎn)品中有類似方法。所有這些方法需要極大的帕爾貼，并使日常維護變復(fù)雜。
[0023]另一問題是盡管經(jīng)常功率大，但是SFC中使用的所有前述冷卻器都不能保證泵中的流體實際是液體或者傳送的質(zhì)量流是精確的。
實用新型內(nèi)容
[0024]在優(yōu)選和可替換的實施例中描述的本發(fā)明表示用于超臨界流體色譜(SFC)系統(tǒng)中的改進的冷卻裝置和方法，或者冷卻器和冷卻方法、泵頭。實施例的方法和系統(tǒng)可以用在任意類型的需要冷卻泵頭的泵送系統(tǒng)上。示例性應(yīng)用包括液相色譜系統(tǒng)、HPLC系統(tǒng)、超HPLC系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)和用于泵送氣體的工業(yè)和商用系統(tǒng)。
[0025]在一個示例性應(yīng)用中，串聯(lián)地使用兩個泵:一個泵將流體壓縮到接近工作壓力，另一個泵精確地計量流量。將兩個任務(wù)分開表示冷凝器溫度變得相對不重要，因為冷凝器僅有的任務(wù)是使得增壓泵增加流體的壓力，而不用考慮流率。這里，冷卻器是稱作增壓泵的第一泵的一體部分，因為冷卻器保證流體液化，使得泵能夠增壓，并且冷卻器安裝在與泵相同的外殼中。
[0026]本發(fā)明解決現(xiàn)有設(shè)計的眾多問題。例如，本發(fā)明使氣相二氧化碳液化，從而能夠使用低等級CO2，這顯著地降低操作成本。本發(fā)明通過使大氣水蒸氣的凝結(jié)減至最少來保持高冷卻范圍。本發(fā)明通過使大氣中水的凝結(jié)減至最少來最小化能量消耗。本發(fā)明降低控制要求，因為溫度僅需要低于約9°c而成為不相關(guān)的。本發(fā)明通過將最終熱交換重新布置到遠處而極大地減小最接近泵頭的冷卻器的物理尺寸，還通過使泵頭被完全暴露而能夠方便維修和接近泵頭以進行維護。
[0027]在優(yōu)選實施例中，冷卻器組件、循環(huán)系統(tǒng)和泵都安裝在單一小的獨立抽斗上，該抽斗安裝在主機中占據(jù)小于I立方英尺。所有的電連接都在內(nèi)部并且穿過單一連接器。去除多個螺釘、兩個管并拔掉電連接器能夠容易地從主機移除抽斗以進行維護。
[0028]實施例既使用帕爾貼元件又使用循環(huán)流體，循環(huán)流體通過風(fēng)扇將實驗室環(huán)境空氣吹過高表面積液體散熱器而被冷卻。但是，這里循環(huán)流體總是與帕爾貼的熱側(cè)接觸。因此，“冷卻”流總是高于環(huán)境溫度，并且不會引起由于來自實驗室空氣的水分凝結(jié)而造成任何效率損失。
[0029]從室溫鋼或鋁缸供應(yīng)作為氣體的二氧化碳。使用氣相在就要使用之前有效地蒸餾二氧化碳，將大部分污染物流在缸中。使用氣相極大地降低流體的成本。與SFC級CO2相t匕，通常以3ml/min操作200天-每天10小時/年可節(jié)省約6000美元/年。但是，使用氣相需要冷卻器功率足夠大以總是在使用之前使流體再凝結(jié)。舊的冷卻器(特別是基于帕爾貼原理的冷卻器)不是特別設(shè)計成用于使氣相凝結(jié)并冷卻泵頭。
[0030]冷卻器使氣體凝結(jié)成液體并將液體傳送到增壓泵。增壓泵升高進入的二氧化碳的壓力，以基本匹配下游計量泵的輸出壓力。以此方式，用作壓力源的增壓器對流體進行全部的壓縮，而串聯(lián)的第二泵計量二氧化碳流量。
[0031]因為第一泵的功能是簡單地升高流體的壓力，并且第二泵專門計量流量，所以消除供應(yīng)缸溫度和壓力和增壓泵頭溫度對質(zhì)量流流率的任意影響。冷卻器的實際溫度并不重要，只要流體以液體形式存在于增壓器中，盡管更低的溫度能夠使泵利用更少的沖程來傳送相同需求的質(zhì)量。通過將壓縮和計量功能分配到兩個不同的泵，極大地減少流動噪聲。這些是相比于所有現(xiàn)存SFC泵送方案的主要優(yōu)勢。
[0032]從60bar到400bar的壓縮作用可以將二氧化碳的溫度增加到25°C。本發(fā)明中還可提供將泵中存在的流體傳送經(jīng)過附加的熱交換器，以在流體被傳送計量泵之前從流體去除壓縮熱量。在一個實施例中，在同一冷卻器板中包括第二流動板以實現(xiàn)這個功能。在第二實施例中，冷卻器溫度保持足夠低于在最高絕熱壓縮率下的溫度，CO2將保持明顯接近期望的傳送溫度(例如室溫)。這能夠根據(jù)需要容易地實現(xiàn)調(diào)節(jié)流動溫度。
[0033]多個特定目標應(yīng)用包括在超高效色譜系統(tǒng)中泵送液體，和在SFC系統(tǒng)中泵送液化氣體(例如CO2)。此外，通過分開壓縮功能和計量功能，計量步驟在非常小的壓力和溫度范圍內(nèi)進行。結(jié)果，通過測量計量步驟的壓力和溫度以確定流體密度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)體積流動，確實可以獲得對泵的質(zhì)量流控制。最后，本發(fā)明促進連續(xù)泵設(shè)計的應(yīng)用(例如齒輪和羅茨泵(lobe pump))，這些泵設(shè)計向往復(fù)泵提供優(yōu)越的無脈動傳送，但是在需要的純度條件下限制產(chǎn)生高壓差的能力。
[0034]具體而言，本實用新型公開了一種用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其特征在于包括:帕爾貼冷卻元件，其布置在泵頭附近以使所述冷卻元件與所述泵頭熱接觸，其中，所述冷卻元件在流動相流體進入所述泵之前冷卻所述泵頭和所述流動相流體流；第一熱交換器，其連接到所述帕爾貼冷卻元件，所述第一熱交換器使用循環(huán)流體從所述冷卻元件去除熱量；和第二熱交換器，其冷卻所述循環(huán)流體，其中，所述冷卻元件和所述泵頭被布置在與所述第二熱交換器隔離的區(qū)域中。
[0035]所述冷卻元件和所述泵頭可以定位在與所述循環(huán)流體和所述第二熱交換器熱隔離的區(qū)域中。
[0036]所述冷卻元件和所述泵頭可以定位在外殼中，所述外殼可以密封以防環(huán)境空氣進入所述外殼。
[0037]所述循環(huán)流體可以以低壓管方式傳送到散熱器，所述散熱器可以在殼體框架中遠離所述冷卻元件。
[0038]所述管、所述第一熱交換器、循環(huán)泵和所述第二熱交換器可以在高于環(huán)境溫度下操作。
[0039]所述外殼可以是隔間，所述隔間可以受到密封以使密封件和所述隔間防止環(huán)境濕氣進入所述隔間。
[0040]所述冷卻元件可以熱安裝在所述泵頭后面，使得無需移除或改變所述冷卻元件即可移除所述泵頭。
[0041]所述系統(tǒng)可以是SFC系統(tǒng)的一部分并且還包括環(huán)境溫度下的流動相氣體供應(yīng)源，其中，所述冷卻元件可以把作為流動相流而供應(yīng)的氣體冷卻成液體，以在所述泵的整個操作范圍內(nèi)供應(yīng)液體流。
[0042]所述第二熱交換器可以包括散熱器和風(fēng)扇，所述散熱器和所述風(fēng)扇可以冷卻循環(huán)液體而不向所隔離的區(qū)域增加額外熱量。
[0043]所述泵可以定位在所隔的離區(qū)域的外部，所述泵和所述冷卻元件可以被安裝成具有共用電子控制裝置的一個單元。
[0044]所述冷卻元件可以是冷卻器組件。【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的單缸往復(fù)泵的示圖；
[0046]圖2是現(xiàn)有技術(shù)的雙缸往復(fù)泵的示圖；
[0047]圖3是冷卻器組件的優(yōu)選實施例的示圖和分解圖；
[0048]圖4是冷卻器組件的優(yōu)選實施例的側(cè)視圖；
[0049]圖5是組裝的冷卻器組件的正視圖；
[0050]圖6是組裝的泵抽斗的右側(cè)剖面圖，示出散熱器、循環(huán)泵、和包圍的冷卻器組件和栗頭;
[0051]圖7是示出在氣密外殼內(nèi)安裝在泵頭后面的冷卻器組件的泵抽斗的正視圖；
[0052]圖8是示出定位在氣密外殼外部的泵驅(qū)動機構(gòu)的泵抽斗的左側(cè)剖面圖。
【具體實施方式】
[0053]應(yīng)當理解，可以在范圍廣泛的不同構(gòu)造中布置并設(shè)計一般地描述并在本文附圖中示出的本發(fā)明的組件。因此，附圖中所示的本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法的實施例的下列詳細描述并不意味著限制本發(fā)明要求保護的范圍，而僅僅表示本發(fā)明的經(jīng)選擇的實施例。
[0054]參考附圖4、5和6，示出優(yōu)選泵頭冷卻器組件48的示意圖。冷板或冷卻器板50利用相關(guān)電連接器56連接到帕爾貼元件54。冷拔或冷卻器板50由銅形成，但是也可以是鋁或其他適當?shù)牟牧?。冷卻器板50通過板延伸部52安裝在泵頭附近或后面。在一個實施例中，冷卻器板50經(jīng)過安裝板66安裝成與外殼框架上的泵送軸線垂直。曲折或彎曲的不銹鋼管路64嵌入在冷卻器板50中、或定位在冷卻器板50上或附近。管58在62處具有入口并在60處具有出口。焊接的冷卻塊70使用適當?shù)陌惭b技術(shù)(例如安裝化合物(例如陶瓷熱安裝化合物))安裝到帕爾貼元件54。帕爾貼54定位成接近冷卻塊70的中心。用于冷卻塊70的入口 72和出口 74適配器連接用于到熱交換器和來自熱交換器的流體流動的管。
[0055]間隔物板64由塑料或其他絕熱材料構(gòu)成，并定位在支撐板66和冷卻器板50之間。間隔物64使冷卻器板50與輻射加熱熱隔離。冷卻器板50的任一側(cè)上的兩個板66和70還用作單元48的結(jié)構(gòu)支撐件。冷卻器組件48經(jīng)由螺釘68或其他適當?shù)倪B接元件被保持在一起。
[0056]再次參照冷卻器板50，板的使帕爾貼冷卻器54受壓的一側(cè)包括彎曲管58，彎曲管58被壓入到板50內(nèi)的通道中。熱化合物應(yīng)用于彎曲管58和冷卻器板50組件，以確保與板50中的鋁(或銅)金屬和不銹鋼管58的良好熱接觸。二氧化碳氣體在入口 62處進入管58，并且二氧化碳氣體在經(jīng)由出口 60到達泵的底部之前被預(yù)冷卻和液化。溫度傳感器定位在冷卻器板50中直接位于泵頭后面。因此，冷卻器板50可以保持與泵頭和流動管58的良好熱接觸，并冷卻泵頭和流動管58。板70是液體熱交換器，并且可以由包銅材料、帶涂層的不銹鋼或黃銅構(gòu)成。經(jīng)過冷卻器板和泵頭之間的熱接觸來預(yù)冷卻二氧化碳流動增強二氧化碳液體在壓縮和傳送期間在泵中時保持處于液態(tài)的能力。
[0057]冷卻器板50標稱在負10°C附近操作。氣相中的CO2流在入口 62處進入管58，在冷卻的管58中轉(zhuǎn)變成液相，在60處離開，并作為冷卻的液體進入泵頭。用于冷卻器單元48的本實施例不僅在低于環(huán)境溫度下操作，還在低于水的冰點下操作。現(xiàn)有的泵設(shè)計無論采用液體冷卻或帕爾貼冷卻，由于如上所述在組件上聚積并的問題，總是避免在低于0°C下運行。本發(fā)明將除入口和出口適配器72和74之外的熱交換器組件70隔離在防止大氣濕氣滲透的氣密外殼78內(nèi)。熱交換器70的平表面安裝成直接與帕爾貼元件54的熱側(cè)接觸。熱交換器70內(nèi)的冷卻劑循環(huán)保持帕爾貼的“熱”表面僅比室溫高幾攝氏度。因為帕爾貼效率取決于當前存在于元件上的變化量T (溫度變化)，保持熱側(cè)盡可能溫度低能實現(xiàn)帕爾貼的冷側(cè)上的更低工作溫度。
[0058]帕爾貼元件54的冷側(cè)用于將熱量轉(zhuǎn)移離開冷卻器板50，在系統(tǒng)中的壓力達到400bar時，CO2氣相進入管58而形成液相，并經(jīng)由板延伸部52從泵頭80的背部攜帶走壓縮隔熱(adiabatic heat of compression)。溫度波動取決于系統(tǒng)的工作負荷。沒有負荷時，溫度達到負15°C至負20°C的范圍，具有標準操作負荷時，溫度達到負12°C到負5°C，在具有非常高的負荷并且非常高的環(huán)境溫度時，系統(tǒng)可以在高于零的約+5至6度下操作并仍然滿足以5ml/分鐘進行操作/抽吸的泵的需求。通常的操作范圍在操作的邊緣區(qū)以外也表現(xiàn)良好。
[0059]圖6、7和8示出安裝到泵框架殼體76的冷卻器組件50的實施例。冷卻器50被夾緊在泵頭80和絕熱間隔物94之間，所有這些組件都放置在密封的隔間78內(nèi)部，該隔間78被圍起來并隔熱。在這種布置中使用這種冷卻器50，泵82的泵頭80被暴露出來并且可以被移走，以在不松開冷卻器板50的情況下進行維護。
[0060]為密封隔間78的內(nèi)部組件，存在泡沫蒸氣屏障84。本實施例使用定位在冷卻器板延伸部52后面的專門設(shè)計的隔熱間隔物94，既進行密封以抵靠泡沫襯里84，又提供冷卻器板延伸部50和泵頭80之間的加壓接觸。此外，熱交換器70的背板設(shè)計成使得在泵頭被固定時背板70的入口和出口突出穿過泡沫襯里84并連接到熱交換器管86。塑料隔間78從內(nèi)部組件排除空氣并因此排除濕氣，泡沫襯里84是排除水的閉孔泡沫。因此，容器78拒絕幾乎所有的環(huán)境水蒸氣到達冷卻器50和泵頭80。隔間內(nèi)部的空氣沒有或幾乎沒有與外部環(huán)境空氣的空氣交換。包含水蒸氣的環(huán)境空氣僅在隔間78的蓋被移除以維修或維護該隔間時可以接觸冷卻器50和泵頭80。一旦冷卻器組件48開始操作，隔間78內(nèi)的空氣中被困住的任意濕氣將沉積作為冷卻器板50和泵頭80上的薄冰膜，但是并不進行替換。盡管隔間78仍然被密封，但是在冷卻器組件48或泵頭80上不會產(chǎn)生額外的凝結(jié)，因此不會遭遇額外的效率損失。也避免了由水聚積在冷卻器上和周圍所產(chǎn)生的液體凝結(jié)。
[0061]去除外殼78的前面板將暴露出泵頭80。截止閥保持件被直接暴露出，能夠正常替換用于到泵82和來自泵82的入口流動和出口流動的截止閥。泵頭80可通過松開兩個暴露的螺母而被移除，正如冷卻器板48 —樣，能夠容易地替換泵的主要活塞密封件。截止閥和泵密封件可以在不移除冷卻器板48的情況下被替換以進行日常維護。
[0062]系統(tǒng)還包括安裝在殼體76中冷卻器48的遠端的散熱器和風(fēng)扇88，以提供對循環(huán)冷卻劑的環(huán)境冷卻(即，熱交換)。冷卻塊70是液體熱交換器，以從帕爾貼54的熱側(cè)去除熱量。塊70的入口側(cè)和出口側(cè)穿透外殼78的后壁并穿透框架76，以使得可以連接入口和出口流動86。通過小離心泵90 (例如用于冷卻計算機的商用液體循環(huán)泵類型)使熱交換器流體(例如，丙二醇/水混合物)循環(huán)經(jīng)過熱交換器塊70。熱交換器系統(tǒng)被密封以防止水泄漏到熱交換器系統(tǒng)的組件外部。熱交換流體然后被泵送通過高表面積的車狀散熱器88，散熱器88定位成與泵82相距一距離。室溫空氣被大的專用風(fēng)扇吹過散熱器88。由于有外殼78，來自風(fēng)扇的空氣流并不會沖擊冷卻器板50或泵頭80。在用于循環(huán)流體的管86或散熱器88或循環(huán)泵90上可能沒有凝結(jié)，因為這些組件的溫度都比室溫高。由于水帶走熱量的效率，熱交換流體并不顯著地改變其溫度，并且在某些實施例中熱交換流體在其整個操作期間保持在28至30°C的范圍內(nèi)。水冷卻的替代方案是使用空氣，但是在帕爾貼中使用更多功率，空氣冷卻會使得熱交換系統(tǒng)中的空氣達到35或40°C，因此在泵頭80保持零或負10°C的低溫將效率更低。水冷幫助保持帕爾貼的冷卻效果，以使得水冷降低平均冷卻溫度的有效范圍，從而降低本實施例的冷卻能力。
[0063]關(guān)于進入系統(tǒng)的氣體，氣相中的CO2從遠程供應(yīng)源經(jīng)由開/關(guān)閥進入，經(jīng)過溫度和壓力傳感器，流過管到達安裝成穿過框架76的隔板進入隔間78中。一旦在隔間78中，流線在62處進入在冷卻板50前面的彎曲熱交換器管58，然后管64的底部進入管而到達泵頭80。由于冷卻器板50的負10°C的名義溫度，CO2在進入泵頭80時在到達熱交換器的出口 60之前快速地液化。因此，CO2在進入熱交換器/帕爾貼彎曲管58時是氣體，而作為液體離開以準備進行壓縮。
[0064]在冷卻器板50內(nèi)，存在對彎曲管58的限制體積，例如40至45cm的管，所以可以在冷卻板彎曲管58中提供數(shù)百毫升的總?cè)莘e。冷卻器板50/管58布置的替換實施例使用高表面積板，并將板暴露在空腔或容積中。具有放置成抵靠帕爾貼的高表面積板(例如利用散熱片)的更大體積會使更大體積的氣體變成液體，該液體會被抽吸離開單元的底部。另一替換實施例是使管連續(xù)地盤繞，代替彎曲布置。另一替換形式使用兩個帕爾貼單元用于冷卻器布置，代替僅一個帕爾貼單元，以擴大可以被液化的體積。
[0065]在泵頭80處進行壓縮之后，壓縮的CO2流會流過隔間78中的管而到達安裝成穿過外殼76的隔板并進入脈沖濕潤器92。濕潤器92是定位在框架外殼76內(nèi)部的25mL的空體積。在經(jīng)過最終壓力傳感器之后，CO2流準備好傳送到計量泵或其他下游系統(tǒng)處理。
[0066]總之，冷卻器48和隔間78產(chǎn)生相比現(xiàn)有系統(tǒng)來說非常高效的冷卻系統(tǒng)。可以在SFC系統(tǒng)上使用比現(xiàn)有系統(tǒng)中更小的帕爾貼冷卻單元，更小的單元提供更低的溫度以冷卻泵頭，并能夠使得足夠的蒸氣的明確凝結(jié)滿足系統(tǒng)的所有液體需求。
[0067]預(yù)冷卻器50的附加高價值使用是作為凝結(jié)單元，以使得以汽化形式供應(yīng)至增壓器的可壓縮流體液化。這種能力產(chǎn)生更廣泛種類的工作流體來源。首要的示例是使來自更低純度來源(例如飲料級別CO2儲器)的CO2液化。通過從罐中的氣相而不是液相進行取樣，CO2實際上被蒸餾，這從工作流體去除不揮發(fā)的雜質(zhì)。CO2I作流體的純度可以被提高到遠高于通常的高純度CO2級別(例如SFC或SFE級別)的純度，而成本高至少一個數(shù)量級。通過從高壓缸中取樣，CO2壓力已經(jīng)非常接近室溫氣液平衡壓力。結(jié)果，僅需要去除汽化熱量(冷卻每克為幾瓦特)以形成液體C02。由此，進一步降低溫度(例如低于10°C )提供足夠的裕度以防止在活塞沖程的抽吸部分期間液體CO2氣穴。
[0068]將汽化CO2傳送到泵的另一優(yōu)勢是，與傳送高壓液化氣相比，在整個實驗室或處理站散布適中壓力氣流的成本極大地降低。如果預(yù)冷卻器能夠?qū)O2冷卻到低于-20°c，則大部分杜瓦瓶(dewar cylinder)和大體積罐裝置可獲得的CO2的壓力變得可作為來源。因此高功率預(yù)冷卻器確實可以降低CO2來源的操作成本，以及能夠通過設(shè)備內(nèi)的低壓管實現(xiàn)CO2來源的安全運輸。與SFC級別CO2的相對成本超過每英鎊7.00美元相比，散裝飲料級CO2的相對成本小于每英鎊0.10美元(減少70倍)可極大地實現(xiàn)經(jīng)濟意義。
[0069]因為在本文啟示的創(chuàng)新概念的范圍內(nèi)可以有各種改變和不同實施例，并且因為在根據(jù)法律的描述性要求在本文中詳細描述的實施例中可以進行很多修改，所以應(yīng)當理解，本文的詳細描述應(yīng)解釋為說明性而非限制性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其特征在于包括: 帕爾貼冷卻元件，其布置在泵頭附近以使所述冷卻元件與所述泵頭熱接觸，其中，所述冷卻元件在流動相流體進入所述泵之前冷卻所述泵頭和所述流動相流體流； 第一熱交換器，其連接到所述帕爾貼冷卻元件，所述第一熱交換器使用循環(huán)流體從所述冷卻元件去除熱量；和 第二熱交換器，其冷卻所述循環(huán)流體，其中，所述冷卻元件和所述泵頭被布置在與所述第二熱交換器隔離的區(qū)域中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件和所述泵頭定位在與所述循環(huán)流體和所述第二熱交換器熱隔離的區(qū)域中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件和所述泵頭定位在外殼中，所述外殼密封以防環(huán)境空氣進入所述外殼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述循環(huán)流體以低壓管方式傳送到散熱器，所述散熱器在殼體框架中遠離所述冷卻元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述管、所述第一熱交換器、循環(huán)泵和所述第二熱交換器在高于環(huán)境溫度下操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述外殼是隔間，所述隔間受到密封以使密封件和所述隔間防止環(huán)境濕氣進入所述隔間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件熱安裝在所述泵頭后面，使得無需移除或改變所述冷卻元件即可移除所述泵頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)是SFC系統(tǒng)的一部分并且還包括環(huán)境溫度下的流動相氣體供應(yīng)源，其中，所述冷卻元件把作為流動相流而供應(yīng)的氣體冷卻成液體，以在所述泵的整個操作范圍內(nèi)供應(yīng)液體流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述第二熱交換器包括散熱器和風(fēng)扇，所述散熱器和所述風(fēng)扇冷卻循環(huán)液體而不向所隔離的區(qū)域增加額外熱量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述泵定位在所隔的離區(qū)域的外部，所述泵和所述冷卻元件被安裝成具有共用電子控制裝置的一個單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于冷卻泵送系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，所述冷卻元件是冷卻器組件。
【文檔編號】F04B39/00GK203809238SQ201090001537
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2010年5月26日
【發(fā)明者】特里·A·伯格, 金伯·福格爾曼 申請人:安捷倫科技有限公司