专利名称：一种微型机械制冷机工质污染取样和分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型机械制冷机工质污染取样和分析装置，具体来 说，涉及一种用于低温区长寿命斯特林、脉管等微型机械制冷机工质污 染取样和分析装置。
背景技术：
近几十年来，空间红外遥感、超导滤波、深空探测等重大国防、通 讯、探测技术的迅速发展推动了微型机械制冷应用的发展。斯特林、脉 管等微型机械制冷机具有制冷温度低、冷量大、效率高、体积小等优点， 作为最佳冷源能提供红外遥感、超导设备中探测器所需的低温工作环境。 对于空间应用，微型机械制冷机的寿命直接影响到遥感探测设备的使用 年限，长寿命和长期可靠性是其必需解决的关键技术之一。随着柔性弹 簧、直线电机、间隙密封技术在微型机械制冷机中的成功应用，机械失 效的概率已经大大降低。大量的观察、寿命试验以及空间应用表明，制 冷性能的退化直接源于气体工质的污染。气体工质的污染是影响制冷机长寿命运行的主要原因，尤其对运行寿命大于10,000小时的制冷机尤为突出。因此气体工质的污染失效已经成为影响机械制冷机寿命的关键因 素，污染失效模式的控制至关重要。要解决微型机械制冷机的气体工质的污染失效问题，就必须对制冷机内部的气体工质进行取样分析，确定制冷机在各种运行情况下内部气 体的成分及含量等关键信息，最终反馈到工艺处理，采取放气污染的抑 制措施。
对于微型机械制冷机而言，实现对内部气体工质取样分析， 一般须 满足以下几个要求1)必须具有同制冷机内部腔体连通的接口，可进行 无破坏取样；2)取样装置容积必须足够的小， 一般应控制在lcc之内， 减弱对制冷机性能的影响，实现多次间隔取样；3)装置自身放气率与制 冷机内部污染相比可以忽略，装置在取样前须保持高真空，整体泄漏率 控制在可允许范围之内，确保取样精度；4)必须降压，制冷机内部气体 压力约为13atm，而质谱分析仪要求待分析气体压力不高于2atm为好；5) 气体成分的分析精度至少大于100ppm，因为气体工质的纯度一般达 99.99%以上；6)气体成分分析时，需对取样腔体加热，确保全部污染物 质呈气态进入质谱分析仪，以便准确分析。基于上述要求，目前分析装 置和方法还不能实现制冷机气体工质的无损分析。

发明内容
针对微型机械制冷机取气的上述特殊要求，本发明提出一种将制冷 机、真空泵、内部水汽分析仪(质谱分析仪)活动联接的，取气容积小 于lcc，自身放气率和泄漏率低的，利用容积差自动降压的，可多次间隔 取样的，易于装卸的，分析精度大于100ppm的，用于气体工质污染取样 和分析的装置。由于制冷机内充高压气体，而内部水汽分析仪只能在常 压下分析，因此需要对制冷机工作腔内的取样气体进行降压。取气阀需 依据制冷机充气阀的结构而定，另外，取样的气体体积必须非常小，取显影响。因此，本发明制冷机与取气阀的 接口体积很小，同时利用取气阀的前空腔和取样装置储气瓶之间的体积 差(1: IO左右)实现减压功能，这样节省了减压阀，也减少了每次取气 所需的量，减少了对制冷机工质压强的影响。取样装置配备了与真空泵、 质谱仪的接口，使取样时储气瓶内保持高真空。为了提高取样时储气瓶 内的真空度和安全性，抽真空时可在真空泵上附加冷阱或电磁阀。取样 后的气体在分析时，需用加热台对气瓶和分析管路加热，确保全部的工 质成分均成气态以便准确分析。整套取样装置为全金属件，具有良好的 密封性，短时间内可保持良好的高真空状态，自身放气率低。
该装置包括一个与制冷机充气阀座配合活动连接的二通取气阀、取 气阀与储气瓶的接口、微型不锈钢波纹管阀、储气钢瓶、微型不锈钢波 纹管阀、质谱分析仪接口、真空泵接口、加热台、真空泵和质谱仪。
所述二通取气阀包括带手柄的阀杆，以阀杆为轴依次套有上螺母、 压块、密封圈、阀体、过渡管，下螺母与过渡管外螺接，阀体中间壁上 通过密封焊接有一 阀咀，阀杆与阀体之间的间隙和阀咀的内腔体为取气 阀的内腔；上螺母和阀体之间为螺纹连接，通过旋紧上螺母，对压块施 力，可压紧密封圈，实现阀体内部取样容积与外界的隔绝，下螺母借助 过渡管与制冷机充气阀座实现螺纹连接，通过旋紧下螺母，实现阀体内 部取样容积与外界的隔绝。
所述取气阔的阀咀、取气阀与储气瓶的接口、微型不锈钢波纹管阀、 储气钢瓶、微型不锈钢波纹管阀、质谱分析仪接口，真空泵接口，依次 成"一字"形连接。其中微型不锈钢波纹管阀与储气钢瓶之间、储气钢 瓶与微型不锈钢波纹管阀之间、取气阀的阀咀和接口 (左端)之间、接口 (右端)与微型不锈钢波纹管阀之间、微型不锈钢波纹管阀与质谱分 析仪接口之间均为密封焊接连接，取气阀与储气瓶的接口、质谱分析仪 接口、真空泵接口均采用可装拆的卡套式连接。
所述制冷机充气阀座配合活动连接的二通取气阀，其内腔体的容积 小于1CC，目的是取气后不会对制冷机的制冷性能造成影响；所述储气钢 瓶的容积与取气阀的内腔体容积之比要根据制冷机内部气体工质压力确 定，要保证取样气体进入储气钢瓶后为常压；所述取气阀、储气钢瓶、 真空泵接口均由低放气率的不锈钢材料制成；所述取气阀与储气瓶的接 口、质谱分析仪接口均为不锈钢卡套式接口；所述真空泵所需的真空度 大于10—2Pa;所述质谱仪的分析精度大于100ppm，能分辨各种气体(含 有机物，分子量300以下)的成分和含量。 本发明的特点在于
1. 取样装置采用可装卸的连接方法，使得该装置操作简便，且方便 携带，可实现异地取样分析，避免了分析设备的局限。
2. 取气容积小，取气后不会对制冷性能造成影响，且可多次间隔取 样分析。
3. 利用容积差自动降压，省去了减压阀。
4. 材料均采用不锈钢，结合高温排气工艺处理，可满足自身放气率 低、提高取样精度的要求。
5. 对气体工质污染的分析精度能达到长寿命机械制冷机工质纯度的 要求。


图1为微型机械制冷机工质污染取样和分析装置的原理图； 图2为本发明工质取样装置取气阀的剖面结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
如图1所示，微型机械制冷机工质污染取样和分析装置包括一个与 制冷机充气阀座连接的二通取气阀1、 一个连接取气阀与储气刚瓶的接口
2、 一个控制取气阀和储气钢瓶的微型不锈钢波纹管阀3、储气钢瓶4、 微型不锈钢波纹管阀5、质谱分析仪接口 6、真空泵接口 7、加热台(8)、 真空泵9和质谱仪10。
本发明的取气阀1采用低放气率的不锈钢材料制成，与通常二通高 真空阀的区别在于内腔体要小于lcc，目的是使每次取气后不会对制冷机 性能造成影响，由于取气口是利用制冷机充气阀座，因此必需配合制冷 机充气阀座来设计取气阀；取气阀与储气瓶的接口2、质谱分析仪接口6 均采用全金属卡套式连接接口；微型不锈钢波纹管阀3、 5采用市售的； 储气钢瓶4容积的确定通常制冷机内部气体压力为13atm，若取气阀的 取气腔容积为0.5cc，则储气钢瓶容积与取气腔容积之比约为12:1;取 气体装置与真空泵接口 7采用快拆法；可控温的加热块8用于加热储气 钢瓶4及连接管路；真空泵9是用于抽制冷机取气管路和储气钢瓶的真 空，真空度大于10-2Pa;质谱仪10为4极质谱仪，气体分析精度大于 100卯m。如图2所示，取气阀(1)包括带手柄101的阀杆102，以阀杆为轴 依次套有上螺母104、压块105、密封圈106、阀体103、过渡管107，下 螺母108与过渡管外螺接，阀体中间壁上通过密封焊接有一阀咀109，通 过阀咀109实现与微型不锈钢波纹管阀2之间的连接。阀杆102与阀体 103之间的间隙和阀咀的内腔体为取气阀的内腔110。
上螺母104和阀体103之间为螺纹连接，通过旋紧上螺母104，对压 块105施力，可压紧密封圈106，实现阀体103内部取样容积与外界的隔 绝。下螺母108借助过渡管107与制冷机充气阀座实现螺纹连接，通过 旋紧下螺母108，实现阀体103内部取样容积与外界的隔绝。
过渡管107与阀体103之间通过密封悍接，阀体103伸出过渡管107 约1 2mrn，用于与制冷机充气阀座定位。
制冷机气体工质污染的污染分析的具体实施方法和过程如下
1) 预处理。制冷机的分析装置按附图1的方式制备和连接好后，在 取气分析前要对整个取样装置进行一定温度和时间下的烘烤排气预处 理。
2) 排气。将取气装置连接到制冷机充气阀座上，同时与真空泵相连 接，打开微型不锈钢波纹管阀3和5，利用真空泵9对装置整体再次排气， 排气结束，关闭微型不锈钢波纹管阀3和5。
3) 取样。通过取气阀1进行取样，即打开取气阀1后关闭。然后打 开微型不锈钢波纹管阀3，连通储气钢瓶4，利用容积差自动降压，之后 关闭微型不锈钢波纹管阀3，即完成制冷机气体工质的取样。
4) 拆卸，接质谱仪。取气结束后，将取气装置从取气阀与储气钢瓶 的接口 2、质谱分析仪接口 6处拆卸，然后将储气钢瓶4与质谱分析仪10通过质谱分析仪接口6连接起来，准备工质成份分析。
5)分析。利用质谱仪将微型不锈钢波纹管阀5和质谱仪10之间的 连接管路抽成真空，然后打开微型不锈钢波纹管阀5，由质谱仪10完成 制冷机取样工质的成份及含量分析。
权利要求
1、一种微型机械制冷机工质污染取样和分析装置，且特征在于它包括一个与制冷机充气阀座连接的二通取气阀(1)、一个连接取气阀与储气刚瓶的接口(2)、一个控制取气阀和储气钢瓶的微型不锈钢波纹管阀(3)、储气钢瓶(4)、微型不锈钢波纹管阀(5)、质谱分析仪接口(6)、真空泵接口(7)、加热台(8)、真空泵(9)和质谱仪(10)。
2、 根据权利要求1所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析装置， 其特征在于，所述二通取气阀(1)包括带手柄(101)的阀杆(102), 以阀杆为轴依次套有上螺母(104)、压块(105)、密封圈(106)、阀体(103)、过渡管(107)，下螺母(108)与过渡管外螺接，阀体中间壁上 通过密封焊接有一阀咀(109)，阀杆(102)与阀体(103)之间的间隙和阀 咀的内腔体为取气阀的内腔(110);上螺母(104)和阀体(103)之间为螺纹 连接，通过旋紧上螺母(104)，对压块(105)施力，可压紧密封圈(106)， 实现阀体(103)内部取样容积与外界的隔绝，下螺母(108)借助过渡 管(107)与制冷机充气阀座实现螺纹连接，通过旋紧下螺母(108)，实 现阀体(103)内部取样容积与外界的隔绝。
3、 根据权利要求1或2所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析 装置，其特征在于，所述取气阀(1)的阀咀(109)、取气阀与储气瓶的接口 (2)、微型不锈钢波纹管阀(3)、储气钢瓶(4)、微型不锈钢波纹管阀(5)、质 谱分析仪接口(6)和真空泵接口 (7)依次成"一字"形连接；所述微型不锈钢波纹管阀(3)与储气钢瓶(4)之间、储气钢瓶(4)与微 型不锈钢波纹管阀(3)之间、取气阀(1)的阔咀(109)和接口(2)之间、接口(2)与微型不锈钢波纹管阀(3)之间、微型不锈钢波纹管阀(5)与质谱分析仪接口 (6)之间均为焊接密封连接。
4、 根据权利要求1所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析装置， 其特征在于，所述取气阀(1)与储气瓶的接口 (2)、质谱分析仪接口 (6) 和真空泵接口 (7)均采用可装拆的卡套式连接。
5、 根据权利要求1或2所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析 装置，其特征在于，所述取气阀(1)内腔(110)的容积小于lcc，储气 钢瓶4与气阀1内腔体的容积比依据制冷机内部气体工质压力而定，保 证储气钢瓶4取样的工质为常压。
6、 根据权利要求1所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析装置， 其特征在于，所述微型不锈钢波纹管阀(3)和(5)、储气钢瓶(4)、质谱分析 仪接口(6)、真空泵接口(7)，及其连接管道均由低放气率不锈钢材料制成。
7、 根据权利要求1所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析装置， 其特征在于，所述真空泵(9)达到的真空度大于l(T2Pa。
8、 根据权利要求1所述的微型机械制冷机工质污染取样和分析装置， 其特征在于，所述质谱仪(10)的分析精度大于100ppm。
全文摘要
本发明公开了一种微型机械制冷机工质污染取样和分析装置，它采用制冷机充气阀座配合活动连接的二通取气阀、微型不锈钢波纹管阀、取样钢瓶、真空泵接口、质谱分析仪接口、真空泵、质谱分析仪、加热台来实现污染工质的成分及含量分析。其特点是取气容积小且可自动降压，取气后不会对制冷性能造成影响，可多次间隔取样分析；取样装置自身放气率低，结合高温排气工艺，不对分析结果构成干扰；取样装置可装卸，操作简便，可实现异地取样分析；对气体工质污染的分析精度能达到长寿命机械制冷机工质纯度的要求，可实现工质污染的量化评价。本方法及装置可用于微型斯特林、脉管制冷机的工质成分的分析，也可实现其他应用的气体成分及含量分析。
文档编号G01N27/64GK101403662SQ20081021877
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者建 刘, 刘心武, 吴亦农, 张晓明, 杨少华 申请人:信息产业部电子第五研究所