朱恩寶，王先榮，潘雁頻，王小軍

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著柔性板彈簧、高頻直線電機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，影響脈管制冷機(jī)空間應(yīng)用的長(zhǎng)壽命和可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題就是制冷機(jī)內(nèi)工質(zhì)氣體污染。脈管制冷機(jī)的污染種類很多，主要分為自由氣體污染和約束氣體污染兩大類[1]，對(duì)制冷性能的影響各有不同。自由氣體污染主要是指制冷機(jī)在充裝置換工質(zhì)氦氣中混入的雜質(zhì)氣體，如二氧化碳、氮?dú)獾?；約束氣體污染包括了吸附在制冷機(jī)系統(tǒng)內(nèi)壁面的極性氣體分子，內(nèi)部死容積駐留的雜質(zhì)氣體以及制冷機(jī)內(nèi)材料緩慢放氣，如乙醇、丙酮等。

脈管制冷機(jī)的污染效應(yīng)是在幾萬(wàn)小時(shí)的工作壽命內(nèi)緩慢出現(xiàn)的。隨著污染量的增加，各類污染對(duì)制冷性能的影響產(chǎn)生不同的趨勢(shì)。雖然目前采用了高溫烘烤除氣、沖刷置換等措施對(duì)脈管制冷機(jī)進(jìn)行污染控制，但還不清楚污染對(duì)脈管制冷機(jī)制冷性能的具體影響，缺乏對(duì)其的試驗(yàn)研究[2]。同時(shí)，放氣是一個(gè)緩慢而長(zhǎng)期的過(guò)程，除了研究制冷機(jī)長(zhǎng)期工作下污染對(duì)制冷性能影響外，還應(yīng)采用加速?gòu)?qiáng)化的研究方式對(duì)污染效應(yīng)做出分析。

本文通過(guò)污染強(qiáng)化加速試驗(yàn)，從運(yùn)行時(shí)間、加熱烘烤、自由氣體和約束氣體四方面對(duì)污染效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，污染物在回?zé)崞鲀?nèi)的重新分布以及污染回?zé)岵牧鲜敲}管制冷機(jī)產(chǎn)生污染效應(yīng)的主要因素。

2 試驗(yàn)裝置及方案

脈管制冷機(jī)污染試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用了一臺(tái)Stirling型脈管制冷機(jī)，同軸布置，主要由壓縮機(jī)、中間連管、回?zé)崞鳌⒗錈岫藫Q熱器、脈管、小孔接頭、氣庫(kù)等組成?；?zé)崞鳛楸”诓讳P鋼管，填充400目環(huán)形不銹鋼絲網(wǎng)；脈管為尼龍管；小孔接頭通徑為0.32 mm；壓縮機(jī)頻率為50 Hz，輸入功率40 W；工質(zhì)壓力2 MPa。試驗(yàn)采用的溫度傳感器為鎳鉻-康銅熱電偶，布置在制冷機(jī)冷頭上。氣庫(kù)和中間連管的管道上裝有2個(gè)壓力傳感器，用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)壓力。試驗(yàn)中壓縮機(jī)的控制由計(jì)算機(jī)完成，而系統(tǒng)壓力變化、制冷溫度測(cè)量均通過(guò)計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)采集。

圖1 脈管制冷機(jī)污染試驗(yàn)裝置示意圖

脈管制冷機(jī)內(nèi)污染氣體的放氣量與放氣時(shí)間和放氣溫度有關(guān)，因此針對(duì)時(shí)間和溫度的試驗(yàn)必須采用加速方案。在運(yùn)行時(shí)間的試驗(yàn)中，可通過(guò)減少試驗(yàn)前制冷機(jī)沖刷置換次數(shù)，待制冷機(jī)工作穩(wěn)定后測(cè)試制冷溫度隨時(shí)間變化，獲得運(yùn)行時(shí)間對(duì)污染效應(yīng)的影響；將制冷機(jī)高溫烘烤一定時(shí)間，然后在常溫下開(kāi)機(jī)運(yùn)行，穩(wěn)定后觀察其制冷性能是不是在容許范圍內(nèi)，此時(shí)制冷性能的變化便等效于制冷機(jī)在正常壽命中污染失效的影響效果，烘烤溫度對(duì)污染效應(yīng)的影響即可獲得。

正常情況下脈管制冷機(jī)內(nèi)自由氣體污染和約束氣體污染的量相對(duì)較少，因此在試驗(yàn)?zāi)M上應(yīng)采用強(qiáng)化的辦法。自由氣體污染試驗(yàn)中采用了先充入一定壓力的自由氣體，然后將系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)總壓力提高到2 MPa，進(jìn)行自由氣體污染對(duì)污染效應(yīng)的強(qiáng)化試驗(yàn)；約束氣體污染是脈管制冷機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中污染的主要來(lái)源，其污染試驗(yàn)采用微型截止閥、三通接頭、堵頭與中間連管相連的方案，能夠在運(yùn)行狀態(tài)下可控量添加污染物（丙酮），可以有效快速分析污染效應(yīng)對(duì)制冷性能的影響規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 運(yùn)行時(shí)間對(duì)污染效應(yīng)的影響

圖2所示為該脈管制冷機(jī)在2個(gè)月時(shí)間內(nèi)間斷開(kāi)機(jī)的最低溫度變化曲線。該制冷機(jī)沖刷置換工質(zhì)一次，而后累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了100 h，最低溫度隨運(yùn)行時(shí)間存在逐漸升高的趨勢(shì)。圖3所示為制冷機(jī)工作100 h前后的典型降溫曲線。該制冷機(jī)系統(tǒng)最初的性能指標(biāo)是：開(kāi)機(jī)工作后約7 min內(nèi)溫度降至93.3 K，20 min內(nèi)基本穩(wěn)定在94.5 K處。在間斷使用100 h后，性能顯著惡化，降溫速度減慢且最低制冷溫度僅能維持在110 K左右。

圖2 最低制冷溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

圖3 工作100 h前后降溫變化曲線

將制冷機(jī)拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)：回?zé)崞饕约袄涠藫Q熱器內(nèi)金屬絲網(wǎng)顏色加深；小孔噴嘴接頭存在堵塞。在50倍投影放大儀上放大對(duì)比干凈的金屬絲網(wǎng)，絲網(wǎng)微孔存在堵塞，空隙率減小。為確定堵塞對(duì)制冷性能的影響，對(duì)制冷機(jī)清洗和烘烤后重新裝配進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中最低制冷溫度重新達(dá)到94.8 K，降溫曲線接近恢復(fù)到最早前的狀態(tài)。

3.2 加熱烘烤溫度對(duì)污染效應(yīng)的影響

圖4所示為最低制冷溫度與加熱溫度之間的關(guān)系，試驗(yàn)加熱時(shí)間均為4 h?？紤]到對(duì)制冷機(jī)材料與結(jié)構(gòu)的影響，加熱溫度未過(guò)高。隨著試驗(yàn)加熱溫度的提高，制冷機(jī)性能不斷惡化，100℃時(shí)升至117.5 K。70℃以下加熱后，制冷最低溫度變化范圍3 K左右，而70℃以上加熱，制冷性能惡化顯著。圖5所示為80℃下加熱時(shí)間與制冷性能的關(guān)系。最低制冷溫度隨著加熱時(shí)間增加不斷上升，制冷性能不斷下降。在加熱6 h內(nèi)制冷性能變化較大，而后變化減緩。

圖4 最低制冷溫度與加熱溫度的關(guān)系曲線

圖5 加熱時(shí)間與制冷性能的關(guān)系曲線

3.3 自由氣體污染對(duì)污染效應(yīng)的影響

圖6所示為脈管制冷機(jī)最低制冷溫度隨工質(zhì)氣體中氮?dú)夂康淖兓€。試驗(yàn)時(shí)隨著工質(zhì)氣體中氮?dú)夂康脑黾?，最低制冷溫度升高變化?%以內(nèi)。同時(shí)試驗(yàn)中隨氮?dú)夂康奶岣?，制冷機(jī)輸入功率加大，降溫速率減緩。圖7所示為脈管制冷機(jī)最低制冷溫度隨工質(zhì)氣體中二氧化碳含量的變化曲線。工質(zhì)氣體中二氧化碳含量的增加引起了制冷最低溫度的波動(dòng)，二氧化碳含量低于30%時(shí)，最低制冷溫度變化不大，且略有降低，總的變化范圍在6%以內(nèi)；而超過(guò)30%后，制冷最低溫度明顯升高，制冷性能惡化。

3.4 約束氣體污染對(duì)污染效應(yīng)的影響

圖8所示為脈管制冷機(jī)最低溫度隨加入丙酮量的變化曲線。當(dāng)加入少量的丙酮時(shí)，制冷機(jī)制冷性能反而稍有升高；當(dāng)丙酮加到25 mL時(shí)，最低制冷溫度出現(xiàn)11%左右的衰減；而當(dāng)加到65 mL時(shí)，制冷機(jī)性能出現(xiàn)致命衰減。圖9所示為丙酮加入70 mL以后，脈管制冷機(jī)停機(jī)恢復(fù)常溫約5小時(shí)后制冷性能隨開(kāi)機(jī)時(shí)間的變化曲線。重新開(kāi)機(jī)后，脈管制冷機(jī)在開(kāi)始階段制冷性能并未發(fā)生衰減，與不加丙酮時(shí)差不多，變化僅在10%左右，該狀態(tài)維持約80 min后開(kāi)始出現(xiàn)較顯著的性能變化，制冷最低溫度開(kāi)始劇烈升高，制冷性能逐漸惡化直至出現(xiàn)致命衰減。多次試驗(yàn)時(shí)均發(fā)現(xiàn)這種變化，出現(xiàn)了制冷機(jī)性能惡化的延時(shí)現(xiàn)象。

圖6 最低制冷溫度與氮?dú)夂康年P(guān)系曲線

圖7 最低制冷溫度與二氧化碳含量的關(guān)系曲線

圖8 最低制冷溫度隨丙酮加入量的關(guān)系曲線

圖9 加入丙酮后制冷性能隨開(kāi)機(jī)時(shí)間的關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)分析

4.1 污染傳輸機(jī)理

脈管制冷機(jī)存在著2種污染傳輸過(guò)程：一個(gè)是裝配后的加熱烘烤除氣；另一個(gè)就是長(zhǎng)期運(yùn)行中的污染傳輸[2]。

沖刷置換次數(shù)較少，使脈管制冷機(jī)內(nèi)死容積存留較多污染，同時(shí)部件材料表面吸附的污染也無(wú)法完全清除。長(zhǎng)期工作中，制冷機(jī)內(nèi)死容積和部件材料表面逐漸解析放氣，形成污染。在制冷機(jī)工作瞬態(tài)流動(dòng)的情況下，污染的傳輸依靠質(zhì)量波動(dòng)傳遞；通過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，污染在制冷機(jī)內(nèi)各個(gè)部位形成污染的質(zhì)量傳遞。依靠固體對(duì)氣體的吸附作用，污染分子在脈管制冷機(jī)內(nèi)部部件的表面形成物理吸附和化學(xué)吸附，尤其是在回?zé)崞骼涠?，金屬絲網(wǎng)填料對(duì)污染分子的冷凝吸附作用更強(qiáng)。

若制冷機(jī)內(nèi)已存在大量污染物（如丙酮）時(shí)，制冷機(jī)開(kāi)機(jī)后隨著時(shí)間的積累，污染物在制冷機(jī)內(nèi)重新分布蓄積，并與換熱器（包括回?zé)崞骱屠?、熱端換熱器）內(nèi)的金屬絲網(wǎng)材料相結(jié)合，從多方面影響制冷機(jī)性能，表現(xiàn)在制冷最低溫度的上升和降溫速率的緩慢。

根據(jù)放氣理論[3，4]，材料的出氣率q公式如下

式中 t為時(shí)間；d為材料厚度；C0為初始濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)，與壓力p成反比，與溫度T的3/2次方成正比。

加熱烘烤時(shí)，隨加熱溫度的升高放氣速率增大，在固定放氣時(shí)間內(nèi)放氣量增加，使回?zé)崞鲀?nèi)的冷凝吸附加大，制冷機(jī)性能降低。在較低加熱溫度下，放氣以材料表面的少量解吸和死容積內(nèi)的放氣為主，制冷性能惡化不太顯著。但在較高加熱溫度下，材料表面解吸完成，而且材料自身放氣加大，使制冷性能惡化明顯。同時(shí)，在固定加熱溫度下，制冷機(jī)內(nèi)部件材料的放氣速率固定，放氣量隨時(shí)間的累積而增加。由放氣理論可知，材料的放氣行為在超過(guò)一定時(shí)間后，其放氣總量已經(jīng)達(dá)到飽和，此后放氣行為減緩，污染氣體對(duì)制冷機(jī)性能的影響逐漸減慢，制冷性能變化不大。

這樣，在沖刷置換和烘烤預(yù)處理方面，可以考慮放氣和污染傳輸上的因素，以便改善脈管制冷機(jī)長(zhǎng)期工作時(shí)的制冷性能，同時(shí)針對(duì)已存在較多污染的制冷機(jī)，可采用間斷開(kāi)機(jī)方式延長(zhǎng)制冷機(jī)有效工作壽命。

4.2 污染效應(yīng)分析

污染效應(yīng)主要發(fā)生在回?zé)崞鲀?nèi)，對(duì)制冷性能產(chǎn)生2個(gè)相反的效應(yīng)：一個(gè)是性能惡化，另一個(gè)是性能增強(qiáng)。制冷機(jī)制冷性能的惡化是由于污染在回?zé)崞鞯哪Y(jié)造成了回?zé)釗p失ΔQR和流阻損失ΔQf[5]

式中 cp為平均定壓比熱容；Mq為通過(guò)回?zé)崞鞯钠骄|(zhì)量流量；TW為回?zé)崞鳠岫藴囟龋籘e為回?zé)崞骼涠藴囟?；Δp為流阻壓降，即為回?zé)崞鲀啥说膲翰?；Ve為冷腔容積。

污染物凝結(jié)堵塞回?zé)崞鞯牟糠至骺?，減少了有效傳熱面積[1]，增大了回?zé)崞魈盍吓c氦氣工質(zhì)熱阻，導(dǎo)致表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小，對(duì)比長(zhǎng)度變小，從而降低了回?zé)嵝剩率够責(zé)崞鞯幕責(zé)釗p失加大。回?zé)崞鞯奶盍嫌捎谝恍┪⑼ǖ辣晃廴径氯?，流?jīng)至此的工質(zhì)氣體就會(huì)返回[1]，轉(zhuǎn)而從其他通道通過(guò)，就增大了填料的阻力系數(shù)，流阻壓降Δp變大，引起流阻損失加大。

制冷性能增強(qiáng)的效應(yīng)是由于污染凝結(jié)占據(jù)了制冷機(jī)內(nèi)的死容積，根據(jù)制冷機(jī)理論制冷量Qco[6]計(jì)算

式中 m為工質(zhì)質(zhì)量；V1是壓縮前的工作容積；V2是壓縮后的工作容積。

污染凝結(jié)占據(jù)了回?zé)崞鲀?nèi)工作容積，造成V1和V2減少了相同的量。由于壓縮前容積大于壓縮后容積，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系可知V1/V2值會(huì)因污染凝結(jié)而變大，使制冷量增加，制冷性能增強(qiáng)。同時(shí)，由于污染物（如二氧化碳、丙酮）因溫度過(guò)低在回?zé)崞鲀?nèi)相變形成晶體，晶體具有一定的蓄冷換熱能力，因此增大了回?zé)崞鞯目倱Q熱熱容，增強(qiáng)了回?zé)嵝罾淠芰?，從而也提高了制冷性能?/p>

污染強(qiáng)化試驗(yàn)中加入少量污染物時(shí)，制冷性能出現(xiàn)了小幅的波動(dòng)，制冷溫度有所降低，這些是由制冷性能增強(qiáng)的影響超過(guò)了惡化的影響。而當(dāng)污染的量增加到一定程度后，制冷性能惡化的影響開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蛩?，制冷性能逐漸衰減，但由于兩個(gè)方面影響的作用，在較大范圍內(nèi)制冷性能衰減幅度不大。隨著繼續(xù)增加污染量，量變?cè)斐少|(zhì)變，污染凝結(jié)在回?zé)崞鹘饘俳z網(wǎng)表面形成大量結(jié)晶膜，嚴(yán)重堵塞微通道，造成傳熱熱阻劇增和換熱嚴(yán)重不充分，加大回?zé)崞鲀啥藟航?，從而大幅增加了回?zé)釗p失和流阻損失，引起制冷性能致命惡化。

針對(duì)污染效應(yīng)的影響，對(duì)于液氮溫區(qū)的脈管制冷機(jī)，應(yīng)減少自由氣體污染中相變溫度較高的氣體以及約束氣體污染，如二氧化碳、丙酮等；而對(duì)液氮溫區(qū)以下的制冷機(jī)，應(yīng)從根本上減少氣體污染量，保證工質(zhì)氦氣的純度，減少殘留溶劑，保證脈管制冷機(jī)工作壽命內(nèi)的可靠性。

5 結(jié)論

脈管制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)工程化的一個(gè)重要方面是高可靠性和長(zhǎng)壽命，由工質(zhì)氣體污染引起的污染效應(yīng)是影響可靠性和壽命的關(guān)鍵因素。本文建立了污染強(qiáng)化加速試驗(yàn)，從運(yùn)行時(shí)間、加熱溫度、自由氣體污染和約束氣體污染方面進(jìn)行了脈管制冷機(jī)污染效應(yīng)試驗(yàn)，得到了一些有意義的結(jié)果，并結(jié)合傳熱和流阻等理論進(jìn)行了分析。

（1）制冷機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，污染在制冷機(jī)內(nèi)重新傳輸分布，最終在回?zé)崞鲀?nèi)吸附凝結(jié)，影響制冷性能。

（2）污染凝結(jié)在回?zé)崞鞑牧虾螅瑢?duì)制冷性能產(chǎn)生了增強(qiáng)效應(yīng)和惡化效應(yīng)。

（3）逐步加入污染后，制冷性能首先小幅增強(qiáng)，然后在較大范圍內(nèi)性能衰減，但幅度較小，污染量增加到一定程度后制冷性能出現(xiàn)致命惡化。

（4）采用增加充裝置換次數(shù)、適當(dāng)提高加熱烘烤溫度、區(qū)別去除氣體污染以及間歇開(kāi)機(jī)，可以提高制冷機(jī)的可靠性和工作壽命。

[1]CASTLES S，D PRICE K.Space Cryocooler Contamination Lessons Learned and Recommended Control Procedures[J].Cryocooler 11，2001，45：649～657.

[2]朱恩寶，王先榮，潘雁頻，等.脈管制冷機(jī)空間污染研究[J].真空與低溫，2007，13（2）：112～116.

[3]KARL JOUSTEN.Thermal outgassing Physikalisch-Technische Bundesanstalt[M].Berlin，Germany，2002.

[4]楊春光.真空下非金屬材料放氣模型與研究綜述[J].真空，2006，43（3）：48～50.

[5]邊紹雄.低溫制冷機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[6]陳國(guó)邦.最新低溫制冷技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.