無油浮動渦旋壓縮機驅動液氦溫區JT 制冷機實驗研究

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JT 制冷機具有簡單緊湊、振動和電磁干擾小等優點,已成為空間應用中獲得液氦溫區的主流制冷技術[1]。同時,其在單光子探測[2]和冰刻微納加工系統[3-4]中也具有應用潛力。通常,液氦溫區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 制冷機單位工質流量產生的制冷量越大,所需壓比越小[5]。然而,對于液氦溫區制冷量小于100 mW 結構緊湊的預冷型JT 制冷機,可用的回熱式制冷機無法在15 K 溫區以下提供充足的預冷量。預冷溫度為15—20 K 時,液氦溫區JT 制冷機壓比理論優化值為18—24[6],這對高效大壓比無油壓縮機技術提出了明確需求。因此,可提供上述壓比的高效小型壓縮機是JT 制冷機在液氦溫區高效制冷的關鍵。

線性壓縮機驅動的JT 制冷機已經得到空間驗證,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,系統不確定性增加。監測線性壓縮機相位、頻率和活塞行程等參數[9]以防止工況改變導致壓縮機撞缸。熱驅動的吸附式壓縮機無運動部件,具有振動低、壓比大等優勢和實現長壽命的潛力[10]。然而,吸附式壓縮機操作復雜,工質流量周期變化導致穩壓系統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,渦旋壓縮機具有結構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,壓縮機油回路流經壓包和級后冷卻器以冷卻電機和壓縮腔,使得系統體積增大、結構復雜,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”技術的渦旋壓縮機無油潤滑,可通過設置背壓腔的方式平衡渦卷間分離力、減輕渦卷之間的磨損,使渦卷在高速運轉以提供大壓比的同時實現壓縮腔密封[12]。本研究采用一臺無油浮動渦旋壓縮機驅動液氦溫區預冷型JT 制冷機,搭建了閉式液氦溫區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 實驗系統介紹

浮動渦旋壓縮機SCF-4/25 連接JT 制冷機前先經壓縮機測試平臺[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),質量流量由質量流量計測量,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);為質量流量,kg/s;為輸入電功,W;T0為環境溫度,K;下標d 和s 分別對應排氣和吸氣狀態點。

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,為后期系統測試壓縮機各參數對其效率的影響,壓縮機動渦卷底部設有背壓腔,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節閥以調節背壓的大小。背壓調節閥全開時,背壓與壓縮機排氣壓力大小相等;排氣壓力不變時,背壓隨著背壓調節閥開度的減小逐漸降低;背壓調節閥完全關閉時,背壓與環境壓力大小相等。背壓的大小可通過與背壓調節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,狀態點a、b、c、d 和e 按照工質流向依次布置在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 衛星的由兩級線性壓縮機驅動的JT 制冷機壓比為10,預冷溫度為18 K[14]。因此,為方便對比,實驗中將壓比設定為10 左右,預冷溫度Ta 設定為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,制冷機工質采用高純氦-4 工質(99.999 9%)。壓縮機采用水冷,進出口溫度可視為與環境溫度(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。實驗系統其它參數可見參考文獻[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 單元狀態點b、c 和d 降溫過程如圖5 所示。

在圖5 中“關閉旁通閥”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閉狀態,JT 閥全開。由于僅開啟GM 制冷機預冷,狀態點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冰,實驗中通過調節旁通閥開度控制流量導致溫度出現波動,如圖5“開啟旁通閥”階段所示。“開啟旁通閥”階段結束時,制冷溫度Td 約為12.4 K。隨后,關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“調小JT 閥開度”階段所示。通過調節加熱器H2 加熱量,將預冷溫度Ta 固定在18 K。大約經過9 h 后,Tb、Tc和Td從室溫降至液氦溫區并穩定在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“調小JT 閥開度”階段,當pd接近1.00 MPa 并保持穩定時,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,在壓力調節過程中,考慮外部漏熱后將約24 mW 加熱量提前通過加熱器H3 持續施加到冷端換熱器上。當JT 制冷機穩定工作時,pd和ps分別為1.009 MPa 和0.105 MPa,此時施加到CHX 上的加熱量穩定在23.9 mW。該工況對應表1 中工況1。根據壓縮機效率計算公式可得:

表1 穩定工況制冷量測試結果Table 1 Cooling capacity under steady conditions

圖6 壓力調節過程Fig.6 Pressure regulation process

式中:hd和sd為壓縮機排氣狀態點工質的比焓與比熵,是pd和T0的函數;hs和ss為壓縮機吸氣狀態點工質的比焓與比熵,是ps和T0的函數。T0為環境溫度(假設恒為300 K)。為質量流量,為壓縮機輸入電功。基于工況1 實驗數據,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外部。如圖7 所示,Tb、Tc和Td在前期放氣時基本保持穩定。放氣后期Tb不斷上升,JT 制冷機失穩。與開式JT 制冷機失穩時Tb、Tc和Td依次上升[5]不同的是,渦旋壓縮機驅動的JT制冷機失穩開始階段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

根據參考文獻[5],將JT 制冷機穩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。隨后調節壓縮機“背壓調節閥”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,加熱量穩定在24.0 mW;壓縮機壓比為9.57,效率為8.65%,與Planck 衛星中用于驅動JT 制冷機的兩級線性壓縮機效率(8.06%)[16]接近。

4 結 論

采用無油浮動渦旋壓縮機驅動預冷型液氦溫區JT 制冷機并獲得了穩定的制冷性能,驗證了無油浮動渦旋壓縮機驅動JT 制冷機的可行性。通過調節背壓,壓比為9.57 時優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)下的性能優化仍值得深入探究。