申運偉 劉東立 劉 磊 邱長煦 陳舒航李睿澤 仇 旻 甘智華

(1 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室,浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2 西湖大學工學院浙江省3D 微納加工和表征研究重點實驗室 杭州 310024)

(3 浙江西湖高等研究院前沿技術(shù)研究所 杭州 310024)

(4 浙江大學城市學院工程學院機電系 杭州 310015)

1 引 言

采用斯特林或斯特林型脈管制冷機預冷的液氦溫區(qū)JT 制冷機具有簡單緊湊、振動和電磁干擾小等優(yōu)點,已成為空間應用中獲得液氦溫區(qū)的主流制冷技術(shù)[1]。同時,其在單光子探測[2]和冰刻微納加工系統(tǒng)[3-4]中也具有應用潛力。通常,液氦溫區(qū)JT 制冷機要求預冷機提供20 K 以下的預冷量,且預冷溫度越低,JT 制冷機單位工質(zhì)流量產(chǎn)生的制冷量越大,所需壓比越小[5]。然而,對于液氦溫區(qū)制冷量小于100 mW 結(jié)構(gòu)緊湊的預冷型JT 制冷機,可用的回熱式制冷機無法在15 K 溫區(qū)以下提供充足的預冷量。預冷溫度為15—20 K 時,液氦溫區(qū)JT 制冷機壓比理論優(yōu)化值為18—24[6],這對高效大壓比無油壓縮機技術(shù)提出了明確需求。因此,可提供上述壓比的高效小型壓縮機是JT 制冷機在液氦溫區(qū)高效制冷的關(guān)鍵。

線性壓縮機驅(qū)動的JT 制冷機已經(jīng)得到空間驗證,由于單級有閥線性壓縮機可提供壓比僅為4 左右[7],因此線性壓縮機通常以串接的方式提供所需大的壓比[8]。然而,多級線性壓縮機工作時操作復雜,系統(tǒng)不確定性增加。監(jiān)測線性壓縮機相位、頻率和活塞行程等參數(shù)[9]以防止工況改變導致壓縮機撞缸。熱驅(qū)動的吸附式壓縮機無運動部件,具有振動低、壓比大等優(yōu)勢和實現(xiàn)長壽命的潛力[10]。然而,吸附式壓縮機操作復雜,工質(zhì)流量周期變化導致穩(wěn)壓系統(tǒng)龐大等不足也限制了其進一步應用。對比線性壓縮機和吸附式壓縮機,渦旋壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊和壓比較大等特點。渦旋壓縮機(含油)一般包括壓包、級后冷卻器、油分離器和油吸附器,壓縮機油回路流經(jīng)壓包和級后冷卻器以冷卻電機和壓縮腔,使得系統(tǒng)體積增大、結(jié)構(gòu)復雜,且無法完全避免油蒸汽進入低溫管道后造成堵塞的風險[11]。

采用“浮動渦卷”技術(shù)的渦旋壓縮機無油潤滑,可通過設(shè)置背壓腔的方式平衡渦卷間分離力、減輕渦卷之間的磨損,使渦卷在高速運轉(zhuǎn)以提供大壓比的同時實現(xiàn)壓縮腔密封[12]。本研究采用一臺無油浮動渦旋壓縮機驅(qū)動液氦溫區(qū)預冷型JT 制冷機,搭建了閉式液氦溫區(qū)JT 制冷機實驗平臺,開展了降溫實驗,研究了無油浮動渦旋壓縮機背壓對其效率的影響。

2 實驗系統(tǒng)介紹

浮動渦旋壓縮機SCF-4/25 連接JT 制冷機前先經(jīng)壓縮機測試平臺[11,13]進行初步測試。如圖1 所示,壓縮機進出口壓力分別由低壓壓力表Pl 和高壓壓力表Ph 測量(本研究所述壓力值均為絕對壓力),質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計測量,壓縮機耗功由功率計測量,各測試儀器型號及誤差分析見參考文獻[14]。測試結(jié)果如圖2 所示,渦旋壓縮機效率ηex隨壓比rp的增大先上升后下降,在壓比為10 左右達到極大值,但僅為5%左右[14]。

圖1 壓縮機測試平臺原理圖Fig.1 Schematic of the compressor experimental setup

圖2 渦旋壓縮機效率與壓比關(guān)系Fig.2 Relationship between exergetic efficiency and pressure ratio

式中:h為比焓,J/kg;s為比熵,J/(kg·K);為質(zhì)量流量,kg/s;為輸入電功,W;T0為環(huán)境溫度,K;下標d 和s 分別對應排氣和吸氣狀態(tài)點。

浮動渦旋壓縮機如圖3 所示,為了提高壓縮機效率,采用PEEK 材料重新制造動渦卷。同時,為后期系統(tǒng)測試壓縮機各參數(shù)對其效率的影響,壓縮機動渦卷底部設(shè)有背壓腔,背壓腔中氣體來源于壓縮機高壓排氣。壓縮腔與背壓腔之間連接背壓調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)背壓的大小。背壓調(diào)節(jié)閥全開時,背壓與壓縮機排氣壓力大小相等;排氣壓力不變時,背壓隨著背壓調(diào)節(jié)閥開度的減小逐漸降低;背壓調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉時,背壓與環(huán)境壓力大小相等。背壓的大小可通過與背壓調(diào)節(jié)閥連接的壓力表讀取,其測量不確定度為±0.05 MPa。將浮動渦旋壓縮機連入由兩級GM 制冷機預冷的JT 制冷機測試平臺[15]中,其流程示意圖如圖4 所示。本研究基于JT 單元介紹JT 制冷機降溫過程。JT 單元包括間壁式換熱器3、JT 閥和冷端換熱器,狀態(tài)點a、b、c、d 和e 按照工質(zhì)流向依次布置在JT 單元各處,溫度分別由Cernox 溫度計12、13、15、14和11 測量(標定不確定度為± 0.1 K)。應用于Planck 衛(wèi)星的由兩級線性壓縮機驅(qū)動的JT 制冷機壓比為10,預冷溫度為18 K[14]。因此,為方便對比,實驗中將壓比設(shè)定為10 左右,預冷溫度Ta 設(shè)定為18 K。渦旋壓縮機輸入電功由功率計測量,功率計量程0.5—2 200 W,測量不確定度為讀數(shù)的±1%。排氣壓力pd 和吸氣壓力ps 分別由壓力計P1 和P2 測得,測量不確定度分別為±2 ×10-3MPa和±3.3 ×10-4MPa,制冷機工質(zhì)采用高純氦-4 工質(zhì)(99.999 9%)。壓縮機采用水冷,進出口溫度可視為與環(huán)境溫度(300 K)相等。制冷量通過加熱器H3 向冷端換熱器施加加熱量測得,加熱電壓和電流由Keithley 2700 通過四線制法測量,測量不確定度小于±0.1 mW。實驗系統(tǒng)其它參數(shù)可見參考文獻[5,15]。

圖3 無油浮動渦旋壓縮機Fig.3 Picture of oil-free floating scroll-type compressor

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic of JT cryocooler experimental setup

3 實驗過程及結(jié)果

當向JT 制冷機充入一定量氦氣后,先開啟GM 制冷機對JT 制冷機進行預冷。GM 制冷機第二級冷頭溫度及JT 單元狀態(tài)點b、c 和d 降溫過程如圖5 所示。

在圖5 中“關(guān)閉旁通閥”階段,渦旋壓縮機未啟動。圖4 中充氣閥、放氣閥、旁通閥和出口閥處于關(guān)閉狀態(tài),JT 閥全開。由于僅開啟GM 制冷機預冷,狀態(tài)點b、c 和d 對應的溫度Tb、Tc和Td下降緩慢。當GM 制冷機第二級冷頭溫度降至12.0 K 時,開啟浮動渦旋壓縮機,壓縮機轉(zhuǎn)速固定為1 936 r/min。同時,開啟旁通閥將三級間壁式換熱器低壓側(cè)旁通以加速JT 制冷機降溫。為了防止流量過大導致旁通閥出口處管路結(jié)冰,實驗中通過調(diào)節(jié)旁通閥開度控制流量導致溫度出現(xiàn)波動,如圖5“開啟旁通閥”階段所示?！伴_啟旁通閥”階段結(jié)束時,制冷溫度Td 約為12.4 K。隨后,關(guān)閉旁通閥并開啟出口閥,Td 隨著JT 閥開度的減小逐漸降低,如圖5“調(diào)小JT 閥開度”階段所示。通過調(diào)節(jié)加熱器H2 加熱量,將預冷溫度Ta 固定在18 K。大約經(jīng)過9 h 后,Tb、Tc和Td從室溫降至液氦溫區(qū)并穩(wěn)定在4.5 K。壓縮機排氣壓力pd和吸氣壓力ps分別為0.742 MPa 和0.109 MPa,壓比rp=6.81低于目標值10。

圖5 降溫過程Fig.5 Cooling process

為了增大JT 制冷機壓比至10 左右,一部分高壓氦氣從高壓鋼瓶由充氣閥引入,pd和ps先增大后隨著氦氣冷卻及部分液化而逐漸減小,如圖6 所示的“充氣”階段。在“調(diào)小JT 閥開度”階段,當pd接近1.00 MPa 并保持穩(wěn)定時,通過減小JT 閥開度,ps減小pd增大,JT 制冷機獲得壓比為10 左右。為防止實驗后期加熱CHX 導致頻繁放氣,在壓力調(diào)節(jié)過程中,考慮外部漏熱后將約24 mW 加熱量提前通過加熱器H3 持續(xù)施加到冷端換熱器上。當JT 制冷機穩(wěn)定工作時,pd和ps分別為1.009 MPa 和0.105 MPa,此時施加到CHX 上的加熱量穩(wěn)定在23.9 mW。該工況對應表1 中工況1。根據(jù)壓縮機效率計算公式可得:

表1 穩(wěn)定工況制冷量測試結(jié)果Table 1 Cooling capacity under steady conditions

圖6 壓力調(diào)節(jié)過程Fig.6 Pressure regulation process

式中:hd和sd為壓縮機排氣狀態(tài)點工質(zhì)的比焓與比熵,是pd和T0的函數(shù);hs和ss為壓縮機吸氣狀態(tài)點工質(zhì)的比焓與比熵,是ps和T0的函數(shù)。T0為環(huán)境溫度(假設(shè)恒為300 K)。為質(zhì)量流量,為壓縮機輸入電功?；诠r1 實驗數(shù)據(jù),可得該工況下渦旋壓縮機效率為7.61%。

當加熱量增加到33.1 mW 時,pd和ps隨著液氦蒸發(fā)逐漸增大。為了控制實驗變量,一部分氦氣通過放氣閥排放到系統(tǒng)外部。如圖7 所示,Tb、Tc和Td在前期放氣時基本保持穩(wěn)定。放氣后期Tb不斷上升,JT 制冷機失穩(wěn)。與開式JT 制冷機失穩(wěn)時Tb、Tc和Td依次上升[5]不同的是,渦旋壓縮機驅(qū)動的JT制冷機失穩(wěn)開始階段Tc和Td逐漸減小,具體影響因素有待進一步分析。

圖7 加熱量33.1 mW 時溫度變化Fig.7 Temperature behavior with the heat load of 33.1 mW

根據(jù)參考文獻[5],將JT 制冷機穩(wěn)定工作時能夠承受的最大加熱量作為通過熱平衡法測得的制冷量。因此,該工況下JT 制冷機可在4.5 K 提供23.9 mW制冷量。隨后調(diào)節(jié)壓縮機“背壓調(diào)節(jié)閥”以獲得最佳制冷性能,實驗測得渦旋壓縮機最佳制冷性能工況對應表1 中的工況2。此時,加熱量穩(wěn)定在24.0 mW;壓縮機壓比為9.57,效率為8.65%,與Planck 衛(wèi)星中用于驅(qū)動JT 制冷機的兩級線性壓縮機效率(8.06%)[16]接近。

4 結(jié) 論

采用無油浮動渦旋壓縮機驅(qū)動預冷型液氦溫區(qū)JT 制冷機并獲得了穩(wěn)定的制冷性能,驗證了無油浮動渦旋壓縮機驅(qū)動JT 制冷機的可行性。通過調(diào)節(jié)背壓,壓比為9.57 時優(yōu)化得到渦旋壓縮機效率為8.65%。此時預冷溫度為18 K,制冷機在4.4 K 可提供24.0 mW 制冷量。浮動渦旋壓縮機在更高壓比(18—24)下的性能優(yōu)化仍值得深入探究。