脉冲管制冷机充气系统的纯化研究

徐少辉 赵密广 梁惊涛

(1中国科学院理化技术研究所 100190 北京)

(2中国科学院研究生院 100039 北京)

1 引 言

脉冲管制冷机有一系列的优点，如振动小、噪声低、寿命长等，因此在冷却空间红外探测器和高温超导等领域有很好的应用前景。影响脉冲管制冷机运行寿命的一个关键因素是工质气体的污染，因此需要从各方面来控制工质的污染。

由于使用的源气一般都是直接从商家购买，里面会含有 H2O、N2、O2、CO2、Ar等杂气，在经过充气系统时也会带来污染。此外，充气管道也会有空气，管道内壁会吸附有H2O、N2、O2、CO2等杂气，这些气体如果不处理，同样会带来污染。因此对充气系统进行纯化处理是非常重要的［1－2］。本文介绍一种低温吸附器，并采取其他的措施对充气系统进行纯化处理，对不同冲刷次数和不同置换压力下的纯化处理结果进行了比较。

2 研究内容与实验装置

充气管道之所以存在污染，是因为管道内驻留有空气，管道内壁表面及内部材质也会吸附有空气等其它气体，正是由于这些气体的存在导致了污染的产生。为了控制污染，必须从控制气体的来源、清除已经存在的气体这两方面来进行。

控制气体的来源，可以通过以下方法:充气线路尽可能用不锈钢、尽量少使用有机材料;管道系统的设计、装配上尽量不存在死角、泄露等情况;保证制冷机和充气线路的相关硬件一直充满干燥的He等［3］。清除已经存在的气体则可以通过在充气线路中增加控制装置(如:串联吸气装置或冷阱等)、增加真空下的烘烤时间、提高烘烤温度、采用高纯工质气体冲刷置换等措施予以解决。

基于以上的分析，课题组在充气系统中尽量地采用了不锈钢管道，并给管道都缠上了加热带。充气前对管道进行高温烘烤除气和多次冲刷置换，适当提高烘烤温度。此外，由于活性炭在液氮温度下对沸点高于77 K的气体具有较强的吸附性能，能有效吸附系统中的水蒸气、氮气等杂质气体［4］，根据该原理设计了一种低温吸附器。低温吸附器具体的设计示意图如图1所示。

图1 低温吸附器的示意图Fig.1 Schematic diagram of low-temperature absorber

源气自气瓶中出来，通过管道进入液氮区，管道围绕着装有活性炭的不锈钢圆筒壁盘旋向上。管道围绕盘旋向上是为了增加源气在液氮中浸泡的时间，以把气体的温度降下来提高吸附效果。当气体通过盘旋管道后，气体的温度明显下降。接着气体通过一直浸泡在液氮中的活性炭，杂质气体就被充分的吸附吸收，低温吸附器就完成了除杂过程。气体完成除杂过程后通过右上的管道流出低温吸附器。而液氮罐则向冷阱注入液氮以保证液氮量的稳定。实物照片如图2所示。

图2 低温吸附器的实物照片Fig.2 Photo of low-temperature absorber

3 实验结果及分析

将整个系统管道均匀缠上加热带，采用适当的加热温度。加热抽气一段时间后，给真空泵和质谱仪也缠上了加热带，采用与前者相同的加热温度。多次置换后的系统内气体分压力变化(取典型的水和氮气为代表)如图3所示。

图3 氮气、水分压力随冲刷次数的变化Fig.3 Pressure of nitrogen and water change with the number of washing

系统内主要的杂气为氮气和水，二氧化碳、氩气、氧气居中，丙酮含量最少。由图3可以看出，每次置换后气体的量都会相应的减少，第7、8次的数据的反向变化是因为额外的连通了一小截管道所致。第12次是不做冲刷置换的结果，从图3中可以看到几乎没变。后面几次的置换效果已经不大。

往冷阱中加入了液氮后，管道被冷却，系统压力降低到1.6×10－3Pa。另外，停止加热后，系统压力可以达到4.8×10－4Pa，而且水的分压力有了很大的降低，并且氮气的量超过了水气的量，成为主要气体。可见，冷阱、冲刷置换能有效地净化管道。

为了检测低温吸附器净化氦气的效果，测定了两组对比的氦气浓度数据:不通过低温吸附器的氦气浓度为99.047 1%，而通过低温吸附器的氦气浓度为99.806 6%，可见低温吸附器不仅降低了系统的气压和杂气含量，还能吸附氦气中的杂气而提高氦气的浓度。(氦气是由气瓶放出储存于系统始端一截未加热处理的管道内的。)

为了验证置换的效果，做了组对比数据。图4的各成分数据为前一次稳定的读数与后一次稳定的读数的差值，即做出如此处理后系统内各成分减少的量。

图4 有无冲刷对比Fig.4 Contrast of washing or not

从图4中可以看出，置换A、C与不置换仅抽气B相比，水气、氮气、二氧化碳、氧气前者各成分减少量远大于后者，所以，置换效果明显。

为了区别不同置换压力的效果，比较了不同的置换压力下的置换效果。图5中各成分数据为前一次稳定的读数与后一次稳定的读数的差值，即做出如此处理后系统内各成分减少的量。

图5 不同冲刷压力对比Fig.5 Contrast of washing in different washing pressure

由图5可以看出，对于水、氩气、氧气，0.106 MPa的冲刷置换压力效果最佳，对于氮气、二氧化碳，0.303 MPa的冲刷置换压力最佳，所以对于最主要的气体可以采用相应的最佳置换压力。总体来说，一个大气压附近的置换压力效果相对较好，而且较高的置换压力抽气时间相对也较长，因此，置换压力应该根据最主要的气体采用相应的压力，在101.325 kPa附近为宜。

4 结 论

研究了脉冲管制冷机的充气系统的纯化问题。从杂气的来源及杂气的清除两方面进行处理:尽量采用不锈钢管道、使用低温吸附器、真空高温烘烤、冲刷置换等措施。

得到了如下结论:对充气系统管道进行烘烤置换冲刷处理，冲刷置换能有效的降低充气系统中的杂气含量，前期效果很明显，但冲刷到一定次数时效果改进不大;冲刷压力上来说一个大气压附近的置换压力效果相对较好;低温吸附器不仅减少了系统的气压和杂气含量，而且可以通过吸附氦气中的杂气而提高氦气的浓度，氦气浓度由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，刘志东，黄 宏，等.斯特林制冷机充气纯化试验装置的研制［J］. 低温与特气，2003，21(1):36-38.

3 杨宝玉，府 华，吴亦农，等.回热式机械制冷机污染机理与控制技术分析［J］.低温工程，2005(6):37-41.

4 李少鹏，何 昆，桑民敬，等.BEPC-Ⅱ低温系统的氦气净化技术［C］.全国特种气体第十二次年会论文集，2008，76-79.