脈沖管制冷機(jī)充氣系統(tǒng)的純化研究

徐少輝 趙密廣 梁驚濤

(1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 100190 北京)

(2中國科學(xué)院研究生院 100039 北京)

1 引 言

脈沖管制冷機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如振動(dòng)小、噪聲低、壽命長等，因此在冷卻空間紅外探測器和高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。影響脈沖管制冷機(jī)運(yùn)行壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素是工質(zhì)氣體的污染，因此需要從各方面來控制工質(zhì)的污染。

由于使用的源氣一般都是直接從商家購買，里面會(huì)含有 H2O、N2、O2、CO2、Ar等雜氣，在經(jīng)過充氣系統(tǒng)時(shí)也會(huì)帶來污染。此外，充氣管道也會(huì)有空氣，管道內(nèi)壁會(huì)吸附有H2O、N2、O2、CO2等雜氣，這些氣體如果不處理，同樣會(huì)帶來污染。因此對充氣系統(tǒng)進(jìn)行純化處理是非常重要的［1－2］。本文介紹一種低溫吸附器，并采取其他的措施對充氣系統(tǒng)進(jìn)行純化處理，對不同沖刷次數(shù)和不同置換壓力下的純化處理結(jié)果進(jìn)行了比較。

2 研究內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)裝置

充氣管道之所以存在污染，是因?yàn)楣艿纼?nèi)駐留有空氣，管道內(nèi)壁表面及內(nèi)部材質(zhì)也會(huì)吸附有空氣等其它氣體，正是由于這些氣體的存在導(dǎo)致了污染的產(chǎn)生。為了控制污染，必須從控制氣體的來源、清除已經(jīng)存在的氣體這兩方面來進(jìn)行。

控制氣體的來源，可以通過以下方法:充氣線路盡可能用不銹鋼、盡量少使用有機(jī)材料;管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裝配上盡量不存在死角、泄露等情況;保證制冷機(jī)和充氣線路的相關(guān)硬件一直充滿干燥的He等［3］。清除已經(jīng)存在的氣體則可以通過在充氣線路中增加控制裝置(如:串聯(lián)吸氣裝置或冷阱等)、增加真空下的烘烤時(shí)間、提高烘烤溫度、采用高純工質(zhì)氣體沖刷置換等措施予以解決。

基于以上的分析，課題組在充氣系統(tǒng)中盡量地采用了不銹鋼管道，并給管道都纏上了加熱帶。充氣前對管道進(jìn)行高溫烘烤除氣和多次沖刷置換，適當(dāng)提高烘烤溫度。此外，由于活性炭在液氮溫度下對沸點(diǎn)高于77 K的氣體具有較強(qiáng)的吸附性能，能有效吸附系統(tǒng)中的水蒸氣、氮?dú)獾入s質(zhì)氣體［4］，根據(jù)該原理設(shè)計(jì)了一種低溫吸附器。低溫吸附器具體的設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 低溫吸附器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-temperature absorber

源氣自氣瓶中出來，通過管道進(jìn)入液氮區(qū)，管道圍繞著裝有活性炭的不銹鋼圓筒壁盤旋向上。管道圍繞盤旋向上是為了增加源氣在液氮中浸泡的時(shí)間，以把氣體的溫度降下來提高吸附效果。當(dāng)氣體通過盤旋管道后，氣體的溫度明顯下降。接著氣體通過一直浸泡在液氮中的活性炭，雜質(zhì)氣體就被充分的吸附吸收，低溫吸附器就完成了除雜過程。氣體完成除雜過程后通過右上的管道流出低溫吸附器。而液氮罐則向冷阱注入液氮以保證液氮量的穩(wěn)定。實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 低溫吸附器的實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of low-temperature absorber

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將整個(gè)系統(tǒng)管道均勻纏上加熱帶，采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟取＜訜岢闅庖欢螘r(shí)間后，給真空泵和質(zhì)譜儀也纏上了加熱帶，采用與前者相同的加熱溫度。多次置換后的系統(tǒng)內(nèi)氣體分壓力變化(取典型的水和氮?dú)鉃榇?如圖3所示。

圖3 氮?dú)?、水分壓力隨沖刷次數(shù)的變化Fig.3 Pressure of nitrogen and water change with the number of washing

系統(tǒng)內(nèi)主要的雜氣為氮?dú)夂退?，二氧化碳、氬氣、氧氣居中，丙酮含量最少。由圖3可以看出，每次置換后氣體的量都會(huì)相應(yīng)的減少，第7、8次的數(shù)據(jù)的反向變化是因?yàn)轭~外的連通了一小截管道所致。第12次是不做沖刷置換的結(jié)果，從圖3中可以看到幾乎沒變。后面幾次的置換效果已經(jīng)不大。

往冷阱中加入了液氮后，管道被冷卻，系統(tǒng)壓力降低到1.6×10－3Pa。另外，停止加熱后，系統(tǒng)壓力可以達(dá)到4.8×10－4Pa，而且水的分壓力有了很大的降低，并且氮?dú)獾牧砍^了水氣的量，成為主要?dú)怏w?？梢姡溱?、沖刷置換能有效地凈化管道。

為了檢測低溫吸附器凈化氦氣的效果，測定了兩組對比的氦氣濃度數(shù)據(jù):不通過低溫吸附器的氦氣濃度為99.047 1%，而通過低溫吸附器的氦氣濃度為99.806 6%，可見低溫吸附器不僅降低了系統(tǒng)的氣壓和雜氣含量，還能吸附氦氣中的雜氣而提高氦氣的濃度。(氦氣是由氣瓶放出儲(chǔ)存于系統(tǒng)始端一截未加熱處理的管道內(nèi)的。)

為了驗(yàn)證置換的效果，做了組對比數(shù)據(jù)。圖4的各成分?jǐn)?shù)據(jù)為前一次穩(wěn)定的讀數(shù)與后一次穩(wěn)定的讀數(shù)的差值，即做出如此處理后系統(tǒng)內(nèi)各成分減少的量。

圖4 有無沖刷對比Fig.4 Contrast of washing or not

從圖4中可以看出，置換A、C與不置換僅抽氣B相比，水氣、氮?dú)?、二氧化碳、氧氣前者各成分減少量遠(yuǎn)大于后者，所以，置換效果明顯。

為了區(qū)別不同置換壓力的效果，比較了不同的置換壓力下的置換效果。圖5中各成分?jǐn)?shù)據(jù)為前一次穩(wěn)定的讀數(shù)與后一次穩(wěn)定的讀數(shù)的差值，即做出如此處理后系統(tǒng)內(nèi)各成分減少的量。

圖5 不同沖刷壓力對比Fig.5 Contrast of washing in different washing pressure

由圖5可以看出，對于水、氬氣、氧氣，0.106 MPa的沖刷置換壓力效果最佳，對于氮?dú)?、二氧化碳?.303 MPa的沖刷置換壓力最佳，所以對于最主要的氣體可以采用相應(yīng)的最佳置換壓力?？傮w來說，一個(gè)大氣壓附近的置換壓力效果相對較好，而且較高的置換壓力抽氣時(shí)間相對也較長，因此，置換壓力應(yīng)該根據(jù)最主要的氣體采用相應(yīng)的壓力，在101.325 kPa附近為宜。

4 結(jié) 論

研究了脈沖管制冷機(jī)的充氣系統(tǒng)的純化問題。從雜氣的來源及雜氣的清除兩方面進(jìn)行處理:盡量采用不銹鋼管道、使用低溫吸附器、真空高溫烘烤、沖刷置換等措施。

得到了如下結(jié)論:對充氣系統(tǒng)管道進(jìn)行烘烤置換沖刷處理，沖刷置換能有效的降低充氣系統(tǒng)中的雜氣含量，前期效果很明顯，但沖刷到一定次數(shù)時(shí)效果改進(jìn)不大;沖刷壓力上來說一個(gè)大氣壓附近的置換壓力效果相對較好;低溫吸附器不僅減少了系統(tǒng)的氣壓和雜氣含量，而且可以通過吸附氦氣中的雜氣而提高氦氣的濃度，氦氣濃度由99.047 1%提高到99.806 6%。

1 S Castles，Price K D.Space cryocooler contamination lessons learned and recommended control procedures［J］.Cryocooler，2001，(11):649-657.

2 葛瑞宏，劉志東，黃 宏，等.斯特林制冷機(jī)充氣純化試驗(yàn)裝置的研制［J］. 低溫與特氣，2003，21(1):36-38.

3 楊寶玉，府 華，吳亦農(nóng)，等.回?zé)崾綑C(jī)械制冷機(jī)污染機(jī)理與控制技術(shù)分析［J］.低溫工程，2005(6):37-41.

4 李少鵬，何 昆，桑民敬，等.BEPC-Ⅱ低溫系統(tǒng)的氦氣凈化技術(shù)［C］.全國特種氣體第十二次年會(huì)論文集，2008，76-79.