徐少輝 趙密廣 梁驚濤
(1中國科學院理化技術(shù)研究所 100190 北京)
(2中國科學院研究生院 100039 北京)
脈沖管制冷機有一系列的優(yōu)點,如振動小、噪聲低、壽命長等,因此在冷卻空間紅外探測器和高溫超導等領域有很好的應用前景。影響脈沖管制冷機運行壽命的一個關鍵因素是工質(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,里面會含有 H2O、N2、O2、CO2、Ar等雜氣,在經(jīng)過充氣系統(tǒng)時也會帶來污染。此外,充氣管道也會有空氣,管道內(nèi)壁會吸附有H2O、N2、O2、CO2等雜氣,這些氣體如果不處理,同樣會帶來污染。因此對充氣系統(tǒng)進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)果進行了比較。
充氣管道之所以存在污染,是因為管道內(nèi)駐留有空氣,管道內(nèi)壁表面及內(nèi)部材質(zhì)也會吸附有空氣等其它氣體,正是由于這些氣體的存在導致了污染的產(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、盡量少使用有機材料;管道系統(tǒng)的設計、裝配上盡量不存在死角、泄露等情況;保證制冷機和充氣線路的相關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。充氣前對管道進行高溫烘烤除氣和多次沖刷置換,適當提高烘烤溫度。此外,由于活性炭在液氮溫度下對沸點高于77 K的氣體具有較強的吸附性能,能有效吸附系統(tǒng)中的水蒸氣、氮氣等雜質(zhì)氣體[4],根據(jù)該原理設計了一種低溫吸附器。低溫吸附器具體的設計示意圖如圖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間,以把氣體的溫度降下來提高吸附效果。當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。實物照片如圖2所示。
圖2 低溫吸附器的實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of low-temperature absorber
將整個系統(tǒng)管道均勻纏上加熱帶,采用適當?shù)募訜釡囟?。加熱抽氣一段時間后,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(取典型的水和氮氣為代表)如圖3所示。
圖3 氮氣、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)主要的雜氣為氮氣和水,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相應的減少,第7、8次的數(shù)據(jù)的反向變化是因為額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)壓力可以達到4.8×10-4Pa,而且水的分壓力有了很大的降低,并且氮氣的量超過了水氣的量,成為主要氣體??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存于系統(tǒng)始端一截未加熱處理的管道內(nèi)的。)
為了驗證置換的效果,做了組對比數(shù)據(jù)。圖4的各成分數(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、氮氣、二氧化碳、氧氣前者各成分減少量遠大于后者,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中各成分數(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,對于氮氣、二氧化碳,0.303 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的最佳置換壓力??傮w來說,一個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間相對也較長,因此,置換壓力應該根據(jù)最主要的氣體采用相應的壓力,在101.325 kPa附近為宜。
研究了脈沖管制冷機的充氣系統(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)時效果改進不大;沖刷壓力上來說一個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.
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3 楊寶玉,府 華,吳亦農(nóng),等.回熱式機械制冷機污染機理與控制技術(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論文集,2008,76-79.