大型氦制冷機的凈化系統

李 高，丁文靜，單薇薇，蔡朝恩，胡松林

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 前言

我國某大型空間環境模擬器配置兩臺以氣氦為工質的大型制冷機，單臺氦制冷機流量為900 N·m3/h，在20 K時的制冷量為600 W。大型氦制冷機用于航天器的紅外相機定標試驗、超高真空冷焊試驗以及超低溫試驗[1]。氦制冷機采用有液氮預冷的Brayton逆向循環，其工作包含等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹、等壓復熱 4個過程[2]。整個制冷機由壓縮機、膨脹機、一級換熱器、液氮換熱器、二級換熱器、過濾器、低溫吸附器、穩壓罐、冷屏、冷箱、系統控制等組成。

膨脹機轉子和軸承的徑向間隙與軸向間隙在100 μm左右[3]，當氦氣中含有較多的雜質氣體（如水蒸氣、氫氣、氖氣、氧氣、氮氣及油蒸氣）時，這些雜質在低溫下會凍結在換熱器的表面，減少換熱器的換熱面積，對高速運轉的透平膨脹機造成點蝕破壞，損傷膨脹機，使系統不穩定，嚴重時會導致系統停機。

氦制冷機的凈化系統由壓縮機油凈化系統、低溫吸附器、過濾器等組成。油凈化系統采用五級分離清除氦氣中的壓縮機潤滑油。低溫吸附器工作在20 K溫區，應用活性炭吸附氦氣中殘留的氫、氖雜質。過濾器清除氦氣中的固體雜質。

1 壓縮機油凈化系統

兩臺氦氣壓縮機采用噴油螺桿壓縮機，油在螺桿壓縮機工作過程中起潤滑、冷卻、密封及降噪作用，對提高壓縮機的效率及可靠性非常重要。壓縮機的凈化和過濾采用五級分離與凈化，分別為一級油氣分離器、二級油氣分離器、精密過濾器、超精密過濾器和活性炭吸附器[4]。壓縮機油凈化系統組成如圖1所示。

圖1 氦氣壓縮機油凈化系統Fig. 1 Oil removal system of the helium compressor

常溫常壓下氦氣經螺桿壓縮機陰陽轉子壓縮后排出的油氣混合物進入一級油氣分離器，通過旋流筒沿切向旋轉向下流動，借助離心力的作用使氣體中的油液被黏附在分離筒體上后流到分離筒的底部。旋流到分離器下方的氣體通過旋流筒體下部的梳流孔流入分離芯的外側面，這樣保證了流入分離芯外側的氣體不發生渦流，即不產生對分離芯的激振作用；同時使氣體對分離芯的力軸向作用在分離芯底部，而不是橫向作用在分離芯體上造成沖擊。油氣混合物再通過筒形多孔濾芯，混合物外進內出，油滴及油霧被多孔材料攔截或凝集成液膜沿濾芯外壁下流，最后通過水冷殼管式冷卻器進入二級油氣分離器。

一級油氣分離器在 70～80 ℃以上的高溫油氣作用下工作，油滴直徑較小，呈霧狀。高溫油氣混合物容易穿過油氣分離器的纖維濾芯，分離芯分離油的效果較差，難以達到三級精密過濾器低于10 mg/m3的要求，一般只能達到20～40 mg/m3或更多。所以，在壓縮機上采用兩級分離器串聯的方法，即在中間冷卻器的后面、三級精密過濾器的前面設置一個二級油氣分離器。二級油氣分離器是在壓縮機排氣的后冷卻器之后，氣體的溫度只有20～40 ℃，進入三級精密過濾器的氣體含油量可以低至5 mg/m3。

精密過濾器和超精密過濾器分別采用高效和超高效的三度空間無膠質超細玻璃纖維濾紙，它的單位面積流通能力大、體積小，過濾精度達0.01 μm，分離效率不低于99.999 9%，可以連續去除壓縮氣體中的懸浮狀油水氣溶膠。濾芯采用組合濾床結構。濾床由預過濾層、超細纖維過濾層和重力沉降層組成。壓縮氣體由里向外流經迷宮式通道時，在擴散、攔截、碰撞等綜合機制的共同作用下，較大粒徑的固體粒子被攔截，微小的油滴或水滴將被凝聚成液膜沿外壁流下，潔凈氣體在低速下脫離濾芯匯集輸出，被凝聚的油液落入殼體下部排出。

活性炭吸附器過濾芯以其獨特的結構組成二級吸附過濾。第一級由較大顆粒的活性炭以六角星形方式排列，吸附能力高。第二級為表面積很大的粉末狀活性炭夾層，可完全除去油蒸氣及其他氣態污染物。過濾精度為0.01 μm，殘余含油量不大于0.003 mg/m3。

2 低溫吸附器

2.1 結構

低溫吸附器的作用是清除低溫氦氣中殘存的氫氣、氖氣等氣體雜質，防止雜質氣體固化后進入膨脹機。低溫吸附器工作溫度為20 K，處理氦氣的流量為900 N·m3/h，氦氣漏率為1×10-10Pa·m3/s，進出口壓降為0.02 MPa。

低溫吸附器的純化采用冷凝純化和物理吸附并用的方法。冷凝純化是通過冷卻將混合氣體中雜質氣體冷凝或凍結。物理吸附是指在氣體與固體接觸時，在固體表面或內部將會發生容納氣體的現象。這是由于氣體分子因范德華力吸附在固體吸附劑上，類似蒸氣的凝聚和液化[5]。

低溫吸附器采用活性炭作為吸附劑。活性炭是一種多孔徑的碳化物，有極豐富的孔隙結構，具有良好的吸附作用。活性炭材質種類較多（如木材、煤、果殼、骨、石油殘渣等），其中以果殼中的椰殼的活性質量及其他特性最好，因為椰殼有最大比表面積，同時還具有吸附能力強、機械強度高、床層阻力小、化學性能穩定、易再生、經久耐用等優點。

低溫吸附器材料為不銹鋼。為了避免活性炭泄漏，在低溫吸附器的內部設計了兩級過濾網和遮擋過濾網。一級過濾網防止活性炭反流到容器內，二級過濾網防止活性炭粉末從活性炭容器內外泄，遮擋過濾網裝置是為了避免活性炭粉末外泄到低溫吸附器出口。一級粗過濾網通過螺釘固定在篩板上，篩板固定在環板上。二級精過濾網焊接在另一塊篩板上。活性炭填充在一級和二級過濾網之間。為了避免活性炭粉末從二級過濾網與支撐板之間的縫隙中外漏，過濾網與支撐板之間采用氬弧焊接。低溫吸附器結構如圖2所示。

圖2 低溫吸附器結構簡圖Fig. 2 Schematic diagram of the cryogenic adsorber

2.2 過濾網濾徑

活性炭使用一段時間后容易變碎，產生越來越多的粉末。為了防止活性炭粉末外泄而進入膨脹機，在低溫吸附器進出口裝有多層的不銹鋼過濾網。為避免活性炭外泄，選用過濾網越精密越好；但是過濾網越精密則氦氣通過低溫吸附器的流阻越大，增加能力損失。根據各級過濾器裝置的功能，一級、二級過濾裝置和遮擋過濾網分別采用20 μm、10 μm和10 μm過濾粒徑。

2.3 流阻

為了滿足系統的流阻要求，低溫吸附器也有相應的流阻要求。低溫吸附器的流阻很難計算，只能通過試驗驗證。低溫吸附器的工作介質是氦氣，工作溫度是20 K，氦氣成本和模擬低溫環境費用很高，所以采用類比試驗來解決這一難題。

通常，流阻由沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分組成。根據低溫吸附器的特點，局部阻力損失占阻力損失的絕大部分。所以低溫吸附器的阻力損失重點考慮局部阻力損失。通用計算局部阻力損失計算公式為

式中：ρ為工質密度，kg/m3；υ為工質流速，m/s；A為流通管道的截面積，m2；G為工質質量流量，kg/s；ξ為局部阻力系數。

從式(1)中可以看出，在工質質量流量和結構一定的情況下，G、A、ξ是定值，所以流阻僅與工質的密度有關。為了準確檢測實際流阻，采用常溫下空氣的流阻測量值導出氦氣在 20 K時的實際值，由式(2)、(3)計算。

式中：1ρ為常溫下空氣的密度；2ρ為20 K溫度下氦氣的密度；Δ1P為常溫下空氣的壓降；ΔP2為20 K溫度下氦氣的壓降。通過式(2)、(3)可以導出實際在 20 K下氦氣通過低溫吸附器的流體阻力損失：

在低溫吸附器通過質量流量為 160 kg/h空氣的情況下，空氣的進出口壓降為16.479 kPa，查文獻[6]可知氦氣在 20 K、0.8 MPa的密度為19.25 kg/m3，由式(4)可以計算出20 K氦氣的壓降為5.26 kPa。低溫吸附器在氦制冷機運行的低溫下實測氦氣壓降小于10 kPa，與計算值相差不大。

3 過濾器

常溫常壓氦氣經壓縮機壓縮變成常溫高壓氦氣，流經一級換熱器、液氮換熱器、二級換熱器進入膨脹機，經擴壓器、導流器、轉子工作輪、內擴壓器，離開膨脹機進入冷屏。由于轉子工作輪與內擴壓器間隙為 300 μm，膨脹機轉子和軸承的徑向間隙和軸向間隙為 100 μm，所以流經工作輪的氦氣固體顆粒雜質粒徑小于 300 μm，流經膨脹機軸承的氦氣固體顆粒雜質粒徑小于100 μm。

為了保證膨脹機正常運轉，需要在系統常溫主管道配置固體顆粒過濾器，同時在膨脹機軸承進口管道配置過濾器。過濾器工作溫度為常溫，壓力為1.0 MPa，過濾粒徑小于10 μm。氦氣滲透性強，容易泄漏，整個過濾器的漏率小于 1× 10-9Pa·L/s，進出口壓降為0.02 MPa。主管道過濾器處理氦氣的流量為900 N·m3/h，膨脹機軸承管道過濾器處理氦氣的流量為100 N·m3/h。

過濾器材料為不銹鋼，內部設計了二級過濾網和遮擋過濾網。一級過濾網通過螺釘固定在篩板上，篩板固定在環板上。二級精過濾網焊接在另一塊篩板上。為了避免固體顆粒從二級過濾網與支撐板之間的縫隙中外漏，過濾網與支撐板之間的連接采用氬弧焊接，其結構如圖3所示。

圖3 過濾器結構簡圖Fig. 3 Schematic diagram of filter

為了防止固體顆粒進入膨脹機，在低溫吸附器進出口裝有多層的不銹鋼過濾網，

4 結束語

凈化系統是氦制冷機的重要組成部分，由凈化系統引起的制冷機故障并不小于機械故障，而良好的凈化系統可以提高氦制冷機的可靠性。在2010年北京衛星環境工程研究所完成的某紅外相機定標試驗中，氦氣膨脹機出口溫度達到13.5 K，冷屏溫度低于20 K，氦制冷機穩定運行15 d。試驗結果說明凈化系統能夠滿足氦制冷機的技術要求，保證了定標試驗的圓滿完成。

隨著我國科學技術的進步，大型氦制冷機在科學技術領域得到廣泛的應用。國內的大型氦制冷機大都從國外引進，文中所述我國大型空間環境模擬器配置的氦制冷機為具有中國特色的自主研發產品，對推進氦制冷機在國內的應用有重要意義。

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[1] 黃本誠, 馬有禮. 航天器空間環境試驗技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2002

[2] 張均生, 沈其勇. 深冷手冊[G]. 北京: 化學工業出版社, 1973

[3] 蔡朝恩, 李高, 胡朝斌, 等. 氣氦制冷系統透平膨脹機的研制[J]. 航天器環境工程, 2001(2): 42-44

[4] 蔡朝恩, 李高, 胡朝斌, 等. 氣氦制冷系統螺桿壓縮機的研制[J]. 航天器環境工程, 2001(2): 58-60

[5] 袁金輝, 白紅宇. 大型氦低溫系統中的雜質凈化[J].低溫工程, 2006(4): 28-32

Yuan Jinhui, Bai Hongyu. Helium purification in large cryogenic system[J]. Cryogenics, 2006(4): 28-32

[6] 陳國邦, 黃永華 , 包銳, 等. 低溫流體熱物理性質[M].北京: 國防工業出版社, 2006