无油浮动涡旋压缩机驱动液氦温区JT 制冷机实验研究

申运伟 刘东立 刘 磊 邱长煦 陈舒航李睿泽 仇 旻 甘智华

(1 浙江省制冷与低温技术重点实验室,浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

(2 西湖大学工学院浙江省3D 微纳加工和表征研究重点实验室 杭州 310024)

(3 浙江西湖高等研究院前沿技术研究所 杭州 310024)

(4 浙江大学城市学院工程学院机电系 杭州 310015)

1 引 言

采用斯特林或斯特林型脉管制冷机预冷的液氦温区JT 制冷机具有简单紧凑、振动和电磁干扰小等优点,已成为空间应用中获得液氦温区的主流制冷技术[1]。同时,其在单光子探测[2]和冰刻微纳加工系统[3-4]中也具有应用潜力。通常,液氦温区JT 制冷机要求预冷机提供20 K 以下的预冷量,且预冷温度越低,JT 制冷机单位工质流量产生的制冷量越大,所需压比越小[5]。然而,对于液氦温区制冷量小于100 mW 结构紧凑的预冷型JT 制冷机,可用的回热式制冷机无法在15 K 温区以下提供充足的预冷量。预冷温度为15—20 K 时,液氦温区JT 制冷机压比理论优化值为18—24[6],这对高效大压比无油压缩机技术提出了明确需求。因此,可提供上述压比的高效小型压缩机是JT 制冷机在液氦温区高效制冷的关键。

线性压缩机驱动的JT 制冷机已经得到空间验证,由于单级有阀线性压缩机可提供压比仅为4 左右[7],因此线性压缩机通常以串接的方式提供所需大的压比[8]。然而,多级线性压缩机工作时操作复杂,系统不确定性增加。监测线性压缩机相位、频率和活塞行程等参数[9]以防止工况改变导致压缩机撞缸。热驱动的吸附式压缩机无运动部件,具有振动低、压比大等优势和实现长寿命的潜力[10]。然而,吸附式压缩机操作复杂,工质流量周期变化导致稳压系统庞大等不足也限制了其进一步应用。对比线性压缩机和吸附式压缩机,涡旋压缩机具有结构简单紧凑和压比较大等特点。涡旋压缩机(含油)一般包括压包、级后冷却器、油分离器和油吸附器,压缩机油回路流经压包和级后冷却器以冷却电机和压缩腔,使得系统体积增大、结构复杂,且无法完全避免油蒸汽进入低温管道后造成堵塞的风险[11]。

采用“浮动涡卷”技术的涡旋压缩机无油润滑,可通过设置背压腔的方式平衡涡卷间分离力、减轻涡卷之间的磨损,使涡卷在高速运转以提供大压比的同时实现压缩腔密封[12]。本研究采用一台无油浮动涡旋压缩机驱动液氦温区预冷型JT 制冷机,搭建了闭式液氦温区JT 制冷机实验平台,开展了降温实验,研究了无油浮动涡旋压缩机背压对其效率的影响。

2 实验系统介绍

浮动涡旋压缩机SCF-4/25 连接JT 制冷机前先经压缩机测试平台[11,13]进行初步测试。如图1 所示,压缩机进出口压力分别由低压压力表Pl 和高压压力表Ph 测量(本研究所述压力值均为绝对压力),质量流量由质量流量计测量,压缩机耗功由功率计测量,各测试仪器型号及误差分析见参考文献[14]。测试结果如图2 所示,涡旋压缩机效率ηex随压比rp的增大先上升后下降,在压比为10 左右达到极大值,但仅为5%左右[14]。

图1 压缩机测试平台原理图Fig.1 Schematic of the compressor experimental setup

图2 涡旋压缩机效率与压比关系Fig.2 Relationship between exergetic efficiency and pressure ratio

式中:h为比焓,J/kg;s为比熵,J/(kg·K);为质量流量,kg/s;为输入电功,W;T0为环境温度,K;下标d 和s 分别对应排气和吸气状态点。

浮动涡旋压缩机如图3 所示,为了提高压缩机效率,采用PEEK 材料重新制造动涡卷。同时,为后期系统测试压缩机各参数对其效率的影响,压缩机动涡卷底部设有背压腔,背压腔中气体来源于压缩机高压排气。压缩腔与背压腔之间连接背压调节阀以调节背压的大小。背压调节阀全开时,背压与压缩机排气压力大小相等;排气压力不变时,背压随着背压调节阀开度的减小逐渐降低;背压调节阀完全关闭时,背压与环境压力大小相等。背压的大小可通过与背压调节阀连接的压力表读取,其测量不确定度为±0.05 MPa。将浮动涡旋压缩机连入由两级GM 制冷机预冷的JT 制冷机测试平台[15]中,其流程示意图如图4 所示。本研究基于JT 单元介绍JT 制冷机降温过程。JT 单元包括间壁式换热器3、JT 阀和冷端换热器,状态点a、b、c、d 和e 按照工质流向依次布置在JT 单元各处,温度分别由Cernox 温度计12、13、15、14和11 测量(标定不确定度为± 0.1 K)。应用于Planck 卫星的由两级线性压缩机驱动的JT 制冷机压比为10,预冷温度为18 K[14]。因此,为方便对比,实验中将压比设定为10 左右,预冷温度Ta 设定为18 K。涡旋压缩机输入电功由功率计测量,功率计量程0.5—2 200 W,测量不确定度为读数的±1%。排气压力pd 和吸气压力ps 分别由压力计P1 和P2 测得,测量不确定度分别为±2 ×10-3MPa和±3.3 ×10-4MPa,制冷机工质采用高纯氦-4 工质(99.999 9%)。压缩机采用水冷,进出口温度可视为与环境温度(300 K)相等。制冷量通过加热器H3 向冷端换热器施加加热量测得,加热电压和电流由Keithley 2700 通过四线制法测量,测量不确定度小于±0.1 mW。实验系统其它参数可见参考文献[5,15]。

图3 无油浮动涡旋压缩机Fig.3 Picture of oil-free floating scroll-type compressor

图4 实验装置示意图Fig.4 Schematic of JT cryocooler experimental setup

3 实验过程及结果

当向JT 制冷机充入一定量氦气后,先开启GM 制冷机对JT 制冷机进行预冷。GM 制冷机第二级冷头温度及JT 单元状态点b、c 和d 降温过程如图5 所示。

在图5 中“关闭旁通阀”阶段,涡旋压缩机未启动。图4 中充气阀、放气阀、旁通阀和出口阀处于关闭状态,JT 阀全开。由于仅开启GM 制冷机预冷,状态点b、c 和d 对应的温度Tb、Tc和Td下降缓慢。当GM 制冷机第二级冷头温度降至12.0 K 时,开启浮动涡旋压缩机,压缩机转速固定为1 936 r/min。同时,开启旁通阀将三级间壁式换热器低压侧旁通以加速JT 制冷机降温。为了防止流量过大导致旁通阀出口处管路结冰,实验中通过调节旁通阀开度控制流量导致温度出现波动,如图5“开启旁通阀”阶段所示。“开启旁通阀”阶段结束时,制冷温度Td 约为12.4 K。随后,关闭旁通阀并开启出口阀,Td 随着JT 阀开度的减小逐渐降低,如图5“调小JT 阀开度”阶段所示。通过调节加热器H2 加热量,将预冷温度Ta 固定在18 K。大约经过9 h 后,Tb、Tc和Td从室温降至液氦温区并稳定在4.5 K。压缩机排气压力pd和吸气压力ps分别为0.742 MPa 和0.109 MPa,压比rp=6.81低于目标值10。

图5 降温过程Fig.5 Cooling process

为了增大JT 制冷机压比至10 左右,一部分高压氦气从高压钢瓶由充气阀引入,pd和ps先增大后随着氦气冷却及部分液化而逐渐减小,如图6 所示的“充气”阶段。在“调小JT 阀开度”阶段,当pd接近1.00 MPa 并保持稳定时,通过减小JT 阀开度,ps减小pd增大,JT 制冷机获得压比为10 左右。为防止实验后期加热CHX 导致频繁放气,在压力调节过程中,考虑外部漏热后将约24 mW 加热量提前通过加热器H3 持续施加到冷端换热器上。当JT 制冷机稳定工作时,pd和ps分别为1.009 MPa 和0.105 MPa,此时施加到CHX 上的加热量稳定在23.9 mW。该工况对应表1 中工况1。根据压缩机效率计算公式可得:

表1 稳定工况制冷量测试结果Table 1 Cooling capacity under steady conditions

图6 压力调节过程Fig.6 Pressure regulation process

式中:hd和sd为压缩机排气状态点工质的比焓与比熵,是pd和T0的函数;hs和ss为压缩机吸气状态点工质的比焓与比熵,是ps和T0的函数。T0为环境温度(假设恒为300 K)。为质量流量,为压缩机输入电功。基于工况1 实验数据,可得该工况下涡旋压缩机效率为7.61%。

当加热量增加到33.1 mW 时,pd和ps随着液氦蒸发逐渐增大。为了控制实验变量,一部分氦气通过放气阀排放到系统外部。如图7 所示,Tb、Tc和Td在前期放气时基本保持稳定。放气后期Tb不断上升,JT 制冷机失稳。与开式JT 制冷机失稳时Tb、Tc和Td依次上升[5]不同的是,涡旋压缩机驱动的JT制冷机失稳开始阶段Tc和Td逐渐减小,具体影响因素有待进一步分析。

图7 加热量33.1 mW 时温度变化Fig.7 Temperature behavior with the heat load of 33.1 mW

根据参考文献[5],将JT 制冷机稳定工作时能够承受的最大加热量作为通过热平衡法测得的制冷量。因此,该工况下JT 制冷机可在4.5 K 提供23.9 mW制冷量。随后调节压缩机“背压调节阀”以获得最佳制冷性能,实验测得涡旋压缩机最佳制冷性能工况对应表1 中的工况2。此时,加热量稳定在24.0 mW;压缩机压比为9.57,效率为8.65%,与Planck 卫星中用于驱动JT 制冷机的两级线性压缩机效率(8.06%)[16]接近。

4 结 论

采用无油浮动涡旋压缩机驱动预冷型液氦温区JT 制冷机并获得了稳定的制冷性能,验证了无油浮动涡旋压缩机驱动JT 制冷机的可行性。通过调节背压,压比为9.57 时优化得到涡旋压缩机效率为8.65%。此时预冷温度为18 K,制冷机在4.4 K 可提供24.0 mW 制冷量。浮动涡旋压缩机在更高压比(18—24)下的性能优化仍值得深入探究。