脉管制冷机污染试验研究

2010-05-24朱恩宝王先荣潘雁频王小军

真空与低温 2010年4期

朱恩宝，王先荣，潘雁频，王小军

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

1 引言

随着柔性板弹簧、高频直线电机等技术的发展，影响脉管制冷机空间应用的长寿命和可靠性的关键问题就是制冷机内工质气体污染。脉管制冷机的污染种类很多，主要分为自由气体污染和约束气体污染两大类[1]，对制冷性能的影响各有不同。自由气体污染主要是指制冷机在充装置换工质氦气中混入的杂质气体，如二氧化碳、氮气等；约束气体污染包括了吸附在制冷机系统内壁面的极性气体分子，内部死容积驻留的杂质气体以及制冷机内材料缓慢放气，如乙醇、丙酮等。

脉管制冷机的污染效应是在几万小时的工作寿命内缓慢出现的。随着污染量的增加，各类污染对制冷性能的影响产生不同的趋势。虽然目前采用了高温烘烤除气、冲刷置换等措施对脉管制冷机进行污染控制，但还不清楚污染对脉管制冷机制冷性能的具体影响，缺乏对其的试验研究[2]。同时，放气是一个缓慢而长期的过程，除了研究制冷机长期工作下污染对制冷性能影响外，还应采用加速强化的研究方式对污染效应做出分析。

本文通过污染强化加速试验，从运行时间、加热烘烤、自由气体和约束气体四方面对污染效应进行试验研究。试验结果表明，污染物在回热器内的重新分布以及污染回热材料是脉管制冷机产生污染效应的主要因素。

2 试验装置及方案

脉管制冷机污染试验装置如图1所示。采用了一台Stirling型脉管制冷机，同轴布置，主要由压缩机、中间连管、回热器、冷热端换热器、脉管、小孔接头、气库等组成。回热器为薄壁不锈钢管，填充400目环形不锈钢丝网；脉管为尼龙管；小孔接头通径为0.32 mm；压缩机频率为50 Hz，输入功率40 W；工质压力2 MPa。试验采用的温度传感器为镍铬-康铜热电偶，布置在制冷机冷头上。气库和中间连管的管道上装有2个压力传感器，用于测量系统内压力。试验中压缩机的控制由计算机完成，而系统压力变化、制冷温度测量均通过计算机控制一台数据采集仪进行自动定时采集。

图1 脉管制冷机污染试验装置示意图

脉管制冷机内污染气体的放气量与放气时间和放气温度有关，因此针对时间和温度的试验必须采用加速方案。在运行时间的试验中，可通过减少试验前制冷机冲刷置换次数，待制冷机工作稳定后测试制冷温度随时间变化，获得运行时间对污染效应的影响；将制冷机高温烘烤一定时间，然后在常温下开机运行，稳定后观察其制冷性能是不是在容许范围内，此时制冷性能的变化便等效于制冷机在正常寿命中污染失效的影响效果，烘烤温度对污染效应的影响即可获得。

正常情况下脉管制冷机内自由气体污染和约束气体污染的量相对较少，因此在试验模拟上应采用强化的办法。自由气体污染试验中采用了先充入一定压力的自由气体，然后将系统内工质总压力提高到2 MPa，进行自由气体污染对污染效应的强化试验；约束气体污染是脉管制冷机长期运行过程中污染的主要来源，其污染试验采用微型截止阀、三通接头、堵头与中间连管相连的方案，能够在运行状态下可控量添加污染物（丙酮），可以有效快速分析污染效应对制冷性能的影响规律。

3 试验结果

3.1 运行时间对污染效应的影响

图2所示为该脉管制冷机在2个月时间内间断开机的最低温度变化曲线。该制冷机冲刷置换工质一次，而后累计运行时间超过了100 h，最低温度随运行时间存在逐渐升高的趋势。图3所示为制冷机工作100 h前后的典型降温曲线。该制冷机系统最初的性能指标是：开机工作后约7 min内温度降至93.3 K，20 min内基本稳定在94.5 K处。在间断使用100 h后，性能显著恶化，降温速度减慢且最低制冷温度仅能维持在110 K左右。

图2 最低制冷温度随运行时间变化曲线

图3 工作100 h前后降温变化曲线

将制冷机拆开后发现：回热器以及冷端换热器内金属丝网颜色加深；小孔喷嘴接头存在堵塞。在50倍投影放大仪上放大对比干净的金属丝网，丝网微孔存在堵塞，空隙率减小。为确定堵塞对制冷性能的影响，对制冷机清洗和烘烤后重新装配进行试验，试验中最低制冷温度重新达到94.8 K，降温曲线接近恢复到最早前的状态。

3.2 加热烘烤温度对污染效应的影响

图4所示为最低制冷温度与加热温度之间的关系，试验加热时间均为4 h。考虑到对制冷机材料与结构的影响，加热温度未过高。随着试验加热温度的提高，制冷机性能不断恶化，100℃时升至117.5 K。70℃以下加热后，制冷最低温度变化范围3 K左右，而70℃以上加热，制冷性能恶化显著。图5所示为80℃下加热时间与制冷性能的关系。最低制冷温度随着加热时间增加不断上升，制冷性能不断下降。在加热6 h内制冷性能变化较大，而后变化减缓。

图4 最低制冷温度与加热温度的关系曲线

图5 加热时间与制冷性能的关系曲线

3.3 自由气体污染对污染效应的影响

图6所示为脉管制冷机最低制冷温度随工质气体中氮气含量的变化曲线。试验时随着工质气体中氮气含量的增加，最低制冷温度升高变化在1%以内。同时试验中随氮气含量的提高，制冷机输入功率加大，降温速率减缓。图7所示为脉管制冷机最低制冷温度随工质气体中二氧化碳含量的变化曲线。工质气体中二氧化碳含量的增加引起了制冷最低温度的波动，二氧化碳含量低于30%时，最低制冷温度变化不大，且略有降低，总的变化范围在6%以内；而超过30%后，制冷最低温度明显升高，制冷性能恶化。

3.4 约束气体污染对污染效应的影响

图8所示为脉管制冷机最低温度随加入丙酮量的变化曲线。当加入少量的丙酮时，制冷机制冷性能反而稍有升高；当丙酮加到25 mL时，最低制冷温度出现11%左右的衰减；而当加到65 mL时，制冷机性能出现致命衰减。图9所示为丙酮加入70 mL以后，脉管制冷机停机恢复常温约5小时后制冷性能随开机时间的变化曲线。重新开机后，脉管制冷机在开始阶段制冷性能并未发生衰减，与不加丙酮时差不多，变化仅在10%左右，该状态维持约80 min后开始出现较显著的性能变化，制冷最低温度开始剧烈升高，制冷性能逐渐恶化直至出现致命衰减。多次试验时均发现这种变化，出现了制冷机性能恶化的延时现象。

图6 最低制冷温度与氮气含量的关系曲线

图7 最低制冷温度与二氧化碳含量的关系曲线

图8 最低制冷温度随丙酮加入量的关系曲线

图9 加入丙酮后制冷性能随开机时间的关系曲线

4 试验分析

4.1 污染传输机理

脉管制冷机存在着2种污染传输过程：一个是装配后的加热烘烤除气；另一个就是长期运行中的污染传输[2]。

冲刷置换次数较少，使脉管制冷机内死容积存留较多污染，同时部件材料表面吸附的污染也无法完全清除。长期工作中，制冷机内死容积和部件材料表面逐渐解析放气，形成污染。在制冷机工作瞬态流动的情况下，污染的传输依靠质量波动传递；通过较长的时间，污染在制冷机内各个部位形成污染的质量传递。依靠固体对气体的吸附作用，污染分子在脉管制冷机内部部件的表面形成物理吸附和化学吸附，尤其是在回热器冷端，金属丝网填料对污染分子的冷凝吸附作用更强。

若制冷机内已存在大量污染物（如丙酮）时，制冷机开机后随着时间的积累，污染物在制冷机内重新分布蓄积，并与换热器（包括回热器和冷、热端换热器）内的金属丝网材料相结合，从多方面影响制冷机性能，表现在制冷最低温度的上升和降温速率的缓慢。

根据放气理论[3，4]，材料的出气率q公式如下

式中 t为时间；d为材料厚度；C0为初始浓度；D为扩散系数，与压力p成反比，与温度T的3/2次方成正比。

加热烘烤时，随加热温度的升高放气速率增大，在固定放气时间内放气量增加，使回热器内的冷凝吸附加大，制冷机性能降低。在较低加热温度下，放气以材料表面的少量解吸和死容积内的放气为主，制冷性能恶化不太显著。但在较高加热温度下，材料表面解吸完成，而且材料自身放气加大，使制冷性能恶化明显。同时，在固定加热温度下，制冷机内部件材料的放气速率固定，放气量随时间的累积而增加。由放气理论可知，材料的放气行为在超过一定时间后，其放气总量已经达到饱和，此后放气行为减缓，污染气体对制冷机性能的影响逐渐减慢，制冷性能变化不大。

这样，在冲刷置换和烘烤预处理方面，可以考虑放气和污染传输上的因素，以便改善脉管制冷机长期工作时的制冷性能，同时针对已存在较多污染的制冷机，可采用间断开机方式延长制冷机有效工作寿命。

4.2 污染效应分析

污染效应主要发生在回热器内，对制冷性能产生2个相反的效应：一个是性能恶化，另一个是性能增强。制冷机制冷性能的恶化是由于污染在回热器的凝结造成了回热损失ΔQR和流阻损失ΔQf[5]

式中 cp为平均定压比热容；Mq为通过回热器的平均质量流量；TW为回热器热端温度；Te为回热器冷端温度；Δp为流阻压降，即为回热器两端的压差；Ve为冷腔容积。

污染物凝结堵塞回热器的部分流孔，减少了有效传热面积[1]，增大了回热器填料与氦气工质热阻，导致表面传热系数减小，对比长度变小，从而降低了回热效率，致使回热器的回热损失加大。回热器的填料由于一些微通道被污染堵塞，流经至此的工质气体就会返回[1]，转而从其他通道通过，就增大了填料的阻力系数，流阻压降Δp变大，引起流阻损失加大。

制冷性能增强的效应是由于污染凝结占据了制冷机内的死容积，根据制冷机理论制冷量Qco[6]计算

式中 m为工质质量；V1是压缩前的工作容积；V2是压缩后的工作容积。

污染凝结占据了回热器内工作容积，造成V1和V2减少了相同的量。由于压缩前容积大于压缩后容积，根据数学关系可知V1/V2值会因污染凝结而变大，使制冷量增加，制冷性能增强。同时，由于污染物（如二氧化碳、丙酮）因温度过低在回热器内相变形成晶体，晶体具有一定的蓄冷换热能力，因此增大了回热器的总换热热容，增强了回热蓄冷能力，从而也提高了制冷性能。

污染强化试验中加入少量污染物时，制冷性能出现了小幅的波动，制冷温度有所降低，这些是由制冷性能增强的影响超过了恶化的影响。而当污染的量增加到一定程度后，制冷性能恶化的影响开始转变为主要因素，制冷性能逐渐衰减，但由于两个方面影响的作用，在较大范围内制冷性能衰减幅度不大。随着继续增加污染量，量变造成质变，污染凝结在回热器金属丝网表面形成大量结晶膜，严重堵塞微通道，造成传热热阻剧增和换热严重不充分，加大回热器两端压降，从而大幅增加了回热损失和流阻损失，引起制冷性能致命恶化。

针对污染效应的影响，对于液氮温区的脉管制冷机，应减少自由气体污染中相变温度较高的气体以及约束气体污染，如二氧化碳、丙酮等；而对液氮温区以下的制冷机，应从根本上减少气体污染量，保证工质氦气的纯度，减少残留溶剂，保证脉管制冷机工作寿命内的可靠性。