申運(yùn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2 西湖大學(xué)工學(xué)院浙江省3D 微納加工和表征研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)城市學(xué)院工程學(xué)院機(jī)電系 杭州 310015)

1 引 言

采用斯特林或斯特林型脈管制冷機(jī)預(yù)冷的液氦溫區(qū)JT 制冷機(jī)具有簡單緊湊、振動(dòng)和電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn),已成為空間應(yīng)用中獲得液氦溫區(qū)的主流制冷技術(shù)[1]。同時(shí),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(yīng)用潛力。通常,液氦溫區(qū)JT 制冷機(jī)要求預(yù)冷機(jī)提供20 K 以下的預(yù)冷量,且預(yù)冷溫度越低,JT 制冷機(jī)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(duì)于液氦溫區(qū)制冷量小于100 mW 結(jié)構(gòu)緊湊的預(yù)冷型JT 制冷機(jī),可用的回?zé)崾街评錂C(jī)無法在15 K 溫區(qū)以下提供充足的預(yù)冷量。預(yù)冷溫度為15—20 K 時(shí),液氦溫區(qū)JT 制冷機(jī)壓比理論優(yōu)化值為18—24[6],這對(duì)高效大壓比無油壓縮機(jī)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(jī)是JT 制冷機(jī)在液氦溫區(qū)高效制冷的關(guān)鍵。

線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的JT 制冷機(jī)已經(jīng)得到空間驗(yàn)證,由于單級(jí)有閥線性壓縮機(jī)可提供壓比僅為4 左右[7],因此線性壓縮機(jī)通常以串接的方式提供所需大的壓比[8]。然而,多級(jí)線性壓縮機(jī)工作時(shí)操作復(fù)雜,系統(tǒng)不確定性增加。監(jiān)測線性壓縮機(jī)相位、頻率和活塞行程等參數(shù)[9]以防止工況改變導(dǎo)致壓縮機(jī)撞缸。熱驅(qū)動(dòng)的吸附式壓縮機(jī)無運(yùn)動(dòng)部件,具有振動(dòng)低、壓比大等優(yōu)勢和實(shí)現(xiàn)長壽命的潛力[10]。然而,吸附式壓縮機(jī)操作復(fù)雜,工質(zhì)流量周期變化導(dǎo)致穩(wěn)壓系統(tǒng)龐大等不足也限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。對(duì)比線性壓縮機(jī)和吸附式壓縮機(jī),渦旋壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊和壓比較大等特點(diǎn)。渦旋壓縮機(jī)(含油)一般包括壓包、級(jí)后冷卻器、油分離器和油吸附器,壓縮機(jī)油回路流經(jīng)壓包和級(jí)后冷卻器以冷卻電機(jī)和壓縮腔,使得系統(tǒng)體積增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且無法完全避免油蒸汽進(jìn)入低溫管道后造成堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

采用“浮動(dòng)渦卷”技術(shù)的渦旋壓縮機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)以提供大壓比的同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓縮腔密封[12]。本研究采用一臺(tái)無油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)液氦溫區(qū)預(yù)冷型JT 制冷機(jī),搭建了閉式液氦溫區(qū)JT 制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展了降溫實(shí)驗(yàn),研究了無油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)背壓對(duì)其效率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)SCF-4/25 連接JT 制冷機(jī)前先經(jīng)壓縮機(jī)測試平臺(tái)[11,13]進(jìn)行初步測試。如圖1 所示,壓縮機(jī)進(jìn)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(duì)壓力),質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計(jì)測量,壓縮機(jī)耗功由功率計(jì)測量,各測試儀器型號(hào)及誤差分析見參考文獻(xiàn)[14]。測試結(jié)果如圖2 所示,渦旋壓縮機(jī)效率ηex隨壓比rp的增大先上升后下降,在壓比為10 左右達(dá)到極大值,但僅為5%左右[14]。

圖1 壓縮機(jī)測試平臺(tái)原理圖Fig.1 Schematic of the compressor experimental setup

圖2 渦旋壓縮機(jī)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(biāo)d 和s 分別對(duì)應(yīng)排氣和吸氣狀態(tài)點(diǎn)。

浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)如圖3 所示,為了提高壓縮機(jī)效率,采用PEEK 材料重新制造動(dòng)渦卷。同時(shí),為后期系統(tǒng)測試壓縮機(jī)各參數(shù)對(duì)其效率的影響,壓縮機(jī)動(dòng)渦卷底部設(shè)有背壓腔,背壓腔中氣體來源于壓縮機(jī)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(shí),背壓與壓縮機(jī)排氣壓力大小相等;排氣壓力不變時(shí),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(shí),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(dòng)渦旋壓縮機(jī)連入由兩級(jí)GM 制冷機(jī)預(yù)冷的JT 制冷機(jī)測試平臺(tái)[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(jī)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(diǎn)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(jì)12、13、15、14和11 測量(標(biāo)定不確定度為± 0.1 K)。應(yīng)用于Planck 衛(wèi)星的由兩級(jí)線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的JT 制冷機(jī)壓比為10,預(yù)冷溫度為18 K[14]。因此,為方便對(duì)比,實(shí)驗(yàn)中將壓比設(shè)定為10 左右,預(yù)冷溫度Ta 設(shè)定為18 K。渦旋壓縮機(jī)輸入電功由功率計(jì)測量,功率計(jì)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(jì)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(jī)工質(zhì)采用高純氦-4 工質(zhì)(99.999 9%)。壓縮機(jī)采用水冷,進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其它參數(shù)可見參考文獻(xiàn)[5,15]。

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

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic of JT cryocooler experimental setup

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

當(dāng)向JT 制冷機(jī)充入一定量氦氣后,先開啟GM 制冷機(jī)對(duì)JT 制冷機(jī)進(jìn)行預(yù)冷。GM 制冷機(jī)第二級(jí)冷頭溫度及JT 單元狀態(tài)點(diǎn)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(jī)未啟動(dòng)。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(jī)預(yù)冷,狀態(tài)點(diǎn)b、c 和d 對(duì)應(yīng)的溫度Tb、Tc和Td下降緩慢。當(dāng)GM 制冷機(jī)第二級(jí)冷頭溫度降至12.0 K 時(shí),開啟浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速固定為1 936 r/min。同時(shí),開啟旁通閥將三級(jí)間壁式換熱器低壓側(cè)旁通以加速JT 制冷機(jī)降溫。為了防止流量過大導(dǎo)致旁通閥出口處管路結(jié)冰,實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)旁通閥開度控制流量導(dǎo)致溫度出現(xiàn)波動(dòng),如圖5“開啟旁通閥”階段所示。“開啟旁通閥”階段結(jié)束時(shí),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(yù)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(jī)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(biāo)值10。

圖5 降溫過程Fig.5 Cooling process

為了增大JT 制冷機(jī)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(dāng)pd接近1.00 MPa 并保持穩(wěn)定時(shí),通過減小JT 閥開度,ps減小pd增大,JT 制冷機(jī)獲得壓比為10 左右。為防止實(shí)驗(yàn)后期加熱CHX 導(dǎo)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(dāng)JT 制冷機(jī)穩(wěn)定工作時(shí),pd和ps分別為1.009 MPa 和0.105 MPa,此時(shí)施加到CHX 上的加熱量穩(wěn)定在23.9 mW。該工況對(duì)應(yīng)表1 中工況1。根據(jù)壓縮機(jī)效率計(jì)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(jī)排氣狀態(tài)點(diǎn)工質(zhì)的比焓與比熵,是pd和T0的函數(shù);hs和ss為壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)點(diǎn)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(jī)輸入電功?；诠r1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得該工況下渦旋壓縮機(jī)效率為7.61%。

當(dāng)加熱量增加到33.1 mW 時(shí),pd和ps隨著液氦蒸發(fā)逐漸增大。為了控制實(shí)驗(yàn)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(shí)基本保持穩(wěn)定。放氣后期Tb不斷上升,JT 制冷機(jī)失穩(wěn)。與開式JT 制冷機(jī)失穩(wěn)時(shí)Tb、Tc和Td依次上升[5]不同的是,渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的JT制冷機(jī)失穩(wěn)開始階段Tc和Td逐漸減小,具體影響因素有待進(jìn)一步分析。

圖7 加熱量33.1 mW 時(shí)溫度變化Fig.7 Temperature behavior with the heat load of 33.1 mW

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5],將JT 制冷機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)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(jī)可在4.5 K 提供23.9 mW制冷量。隨后調(diào)節(jié)壓縮機(jī)“背壓調(diào)節(jié)閥”以獲得最佳制冷性能,實(shí)驗(yàn)測得渦旋壓縮機(jī)最佳制冷性能工況對(duì)應(yīng)表1 中的工況2。此時(shí),加熱量穩(wěn)定在24.0 mW;壓縮機(jī)壓比為9.57,效率為8.65%,與Planck 衛(wèi)星中用于驅(qū)動(dòng)JT 制冷機(jī)的兩級(jí)線性壓縮機(jī)效率(8.06%)[16]接近。

4 結(jié) 論

采用無油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)預(yù)冷型液氦溫區(qū)JT 制冷機(jī)并獲得了穩(wěn)定的制冷性能,驗(yàn)證了無油浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)JT 制冷機(jī)的可行性。通過調(diào)節(jié)背壓,壓比為9.57 時(shí)優(yōu)化得到渦旋壓縮機(jī)效率為8.65%。此時(shí)預(yù)冷溫度為18 K,制冷機(jī)在4.4 K 可提供24.0 mW 制冷量。浮動(dòng)渦旋壓縮機(jī)在更高壓比(18—24)下的性能優(yōu)化仍值得深入探究。