大型氦制冷机的净化系统

李 高，丁文静，单薇薇，蔡朝恩，胡松林

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 前言

我国某大型空间环境模拟器配置两台以气氦为工质的大型制冷机，单台氦制冷机流量为900 N·m3/h，在20 K时的制冷量为600 W。大型氦制冷机用于航天器的红外相机定标试验、超高真空冷焊试验以及超低温试验[1]。氦制冷机采用有液氮预冷的Brayton逆向循环，其工作包含等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀、等压复热 4个过程[2]。整个制冷机由压缩机、膨胀机、一级换热器、液氮换热器、二级换热器、过滤器、低温吸附器、稳压罐、冷屏、冷箱、系统控制等组成。

膨胀机转子和轴承的径向间隙与轴向间隙在100 µm左右[3]，当氦气中含有较多的杂质气体（如水蒸气、氢气、氖气、氧气、氮气及油蒸气）时，这些杂质在低温下会冻结在换热器的表面，减少换热器的换热面积，对高速运转的透平膨胀机造成点蚀破坏，损伤膨胀机，使系统不稳定，严重时会导致系统停机。

氦制冷机的净化系统由压缩机油净化系统、低温吸附器、过滤器等组成。油净化系统采用五级分离清除氦气中的压缩机润滑油。低温吸附器工作在20 K温区，应用活性炭吸附氦气中残留的氢、氖杂质。过滤器清除氦气中的固体杂质。

1 压缩机油净化系统

两台氦气压缩机采用喷油螺杆压缩机，油在螺杆压缩机工作过程中起润滑、冷却、密封及降噪作用，对提高压缩机的效率及可靠性非常重要。压缩机的净化和过滤采用五级分离与净化，分别为一级油气分离器、二级油气分离器、精密过滤器、超精密过滤器和活性炭吸附器[4]。压缩机油净化系统组成如图1所示。

图1 氦气压缩机油净化系统Fig. 1 Oil removal system of the helium compressor

常温常压下氦气经螺杆压缩机阴阳转子压缩后排出的油气混合物进入一级油气分离器，通过旋流筒沿切向旋转向下流动，借助离心力的作用使气体中的油液被黏附在分离筒体上后流到分离筒的底部。旋流到分离器下方的气体通过旋流筒体下部的梳流孔流入分离芯的外侧面，这样保证了流入分离芯外侧的气体不发生涡流，即不产生对分离芯的激振作用；同时使气体对分离芯的力轴向作用在分离芯底部，而不是横向作用在分离芯体上造成冲击。油气混合物再通过筒形多孔滤芯，混合物外进内出，油滴及油雾被多孔材料拦截或凝集成液膜沿滤芯外壁下流，最后通过水冷壳管式冷却器进入二级油气分离器。

一级油气分离器在 70～80 ℃以上的高温油气作用下工作，油滴直径较小，呈雾状。高温油气混合物容易穿过油气分离器的纤维滤芯，分离芯分离油的效果较差，难以达到三级精密过滤器低于10 mg/m3的要求，一般只能达到20～40 mg/m3或更多。所以，在压缩机上采用两级分离器串联的方法，即在中间冷却器的后面、三级精密过滤器的前面设置一个二级油气分离器。二级油气分离器是在压缩机排气的后冷却器之后，气体的温度只有20～40 ℃，进入三级精密过滤器的气体含油量可以低至5 mg/m3。

精密过滤器和超精密过滤器分别采用高效和超高效的三度空间无胶质超细玻璃纤维滤纸，它的单位面积流通能力大、体积小，过滤精度达0.01 µm，分离效率不低于99.999 9%，可以连续去除压缩气体中的悬浮状油水气溶胶。滤芯采用组合滤床结构。滤床由预过滤层、超细纤维过滤层和重力沉降层组成。压缩气体由里向外流经迷宫式通道时，在扩散、拦截、碰撞等综合机制的共同作用下，较大粒径的固体粒子被拦截，微小的油滴或水滴将被凝聚成液膜沿外壁流下，洁净气体在低速下脱离滤芯汇集输出，被凝聚的油液落入壳体下部排出。

活性炭吸附器过滤芯以其独特的结构组成二级吸附过滤。第一级由较大颗粒的活性炭以六角星形方式排列，吸附能力高。第二级为表面积很大的粉末状活性炭夹层，可完全除去油蒸气及其他气态污染物。过滤精度为0.01 µm，残余含油量不大于0.003 mg/m3。

2 低温吸附器

2.1 结构

低温吸附器的作用是清除低温氦气中残存的氢气、氖气等气体杂质，防止杂质气体固化后进入膨胀机。低温吸附器工作温度为20 K，处理氦气的流量为900 N·m3/h，氦气漏率为1×10-10Pa·m3/s，进出口压降为0.02 MPa。

低温吸附器的纯化采用冷凝纯化和物理吸附并用的方法。冷凝纯化是通过冷却将混合气体中杂质气体冷凝或冻结。物理吸附是指在气体与固体接触时，在固体表面或内部将会发生容纳气体的现象。这是由于气体分子因范德华力吸附在固体吸附剂上，类似蒸气的凝聚和液化[5]。

低温吸附器采用活性炭作为吸附剂。活性炭是一种多孔径的碳化物，有极丰富的孔隙结构，具有良好的吸附作用。活性炭材质种类较多（如木材、煤、果壳、骨、石油残渣等），其中以果壳中的椰壳的活性质量及其他特性最好，因为椰壳有最大比表面积，同时还具有吸附能力强、机械强度高、床层阻力小、化学性能稳定、易再生、经久耐用等优点。

低温吸附器材料为不锈钢。为了避免活性炭泄漏，在低温吸附器的内部设计了两级过滤网和遮挡过滤网。一级过滤网防止活性炭反流到容器内，二级过滤网防止活性炭粉末从活性炭容器内外泄，遮挡过滤网装置是为了避免活性炭粉末外泄到低温吸附器出口。一级粗过滤网通过螺钉固定在筛板上，筛板固定在环板上。二级精过滤网焊接在另一块筛板上。活性炭填充在一级和二级过滤网之间。为了避免活性炭粉末从二级过滤网与支撑板之间的缝隙中外漏，过滤网与支撑板之间采用氩弧焊接。低温吸附器结构如图2所示。

图2 低温吸附器结构简图Fig. 2 Schematic diagram of the cryogenic adsorber

2.2 过滤网滤径

活性炭使用一段时间后容易变碎，产生越来越多的粉末。为了防止活性炭粉末外泄而进入膨胀机，在低温吸附器进出口装有多层的不锈钢过滤网。为避免活性炭外泄，选用过滤网越精密越好；但是过滤网越精密则氦气通过低温吸附器的流阻越大，增加能力损失。根据各级过滤器装置的功能，一级、二级过滤装置和遮挡过滤网分别采用20 µm、10 µm和10 µm过滤粒径。

2.3 流阻

为了满足系统的流阻要求，低温吸附器也有相应的流阻要求。低温吸附器的流阻很难计算，只能通过试验验证。低温吸附器的工作介质是氦气，工作温度是20 K，氦气成本和模拟低温环境费用很高，所以采用类比试验来解决这一难题。

通常，流阻由沿程阻力损失和局部阻力损失两部分组成。根据低温吸附器的特点，局部阻力损失占阻力损失的绝大部分。所以低温吸附器的阻力损失重点考虑局部阻力损失。通用计算局部阻力损失计算公式为

式中：ρ为工质密度，kg/m3；υ为工质流速，m/s；A为流通管道的截面积，m2；G为工质质量流量，kg/s；ξ为局部阻力系数。

从式(1)中可以看出，在工质质量流量和结构一定的情况下，G、A、ξ是定值，所以流阻仅与工质的密度有关。为了准确检测实际流阻，采用常温下空气的流阻测量值导出氦气在 20 K时的实际值，由式(2)、(3)计算。

式中：1ρ为常温下空气的密度；2ρ为20 K温度下氦气的密度；Δ1P为常温下空气的压降；ΔP2为20 K温度下氦气的压降。通过式(2)、(3)可以导出实际在 20 K下氦气通过低温吸附器的流体阻力损失：

在低温吸附器通过质量流量为 160 kg/h空气的情况下，空气的进出口压降为16.479 kPa，查文献[6]可知氦气在 20 K、0.8 MPa的密度为19.25 kg/m3，由式(4)可以计算出20 K氦气的压降为5.26 kPa。低温吸附器在氦制冷机运行的低温下实测氦气压降小于10 kPa，与计算值相差不大。

3 过滤器

常温常压氦气经压缩机压缩变成常温高压氦气，流经一级换热器、液氮换热器、二级换热器进入膨胀机，经扩压器、导流器、转子工作轮、内扩压器，离开膨胀机进入冷屏。由于转子工作轮与内扩压器间隙为 300 µm，膨胀机转子和轴承的径向间隙和轴向间隙为 100 µm，所以流经工作轮的氦气固体颗粒杂质粒径小于 300 µm，流经膨胀机轴承的氦气固体颗粒杂质粒径小于100 µm。

为了保证膨胀机正常运转，需要在系统常温主管道配置固体颗粒过滤器，同时在膨胀机轴承进口管道配置过滤器。过滤器工作温度为常温，压力为1.0 MPa，过滤粒径小于10 µm。氦气渗透性强，容易泄漏，整个过滤器的漏率小于 1× 10-9Pa·L/s，进出口压降为0.02 MPa。主管道过滤器处理氦气的流量为900 N·m3/h，膨胀机轴承管道过滤器处理氦气的流量为100 N·m3/h。

过滤器材料为不锈钢，内部设计了二级过滤网和遮挡过滤网。一级过滤网通过螺钉固定在筛板上，筛板固定在环板上。二级精过滤网焊接在另一块筛板上。为了避免固体颗粒从二级过滤网与支撑板之间的缝隙中外漏，过滤网与支撑板之间的连接采用氩弧焊接，其结构如图3所示。

图3 过滤器结构简图Fig. 3 Schematic diagram of filter

为了防止固体颗粒进入膨胀机，在低温吸附器进出口装有多层的不锈钢过滤网，

4 结束语

净化系统是氦制冷机的重要组成部分，由净化系统引起的制冷机故障并不小于机械故障，而良好的净化系统可以提高氦制冷机的可靠性。在2010年北京卫星环境工程研究所完成的某红外相机定标试验中，氦气膨胀机出口温度达到13.5 K，冷屏温度低于20 K，氦制冷机稳定运行15 d。试验结果说明净化系统能够满足氦制冷机的技术要求，保证了定标试验的圆满完成。

随着我国科学技术的进步，大型氦制冷机在科学技术领域得到广泛的应用。国内的大型氦制冷机大都从国外引进，文中所述我国大型空间环境模拟器配置的氦制冷机为具有中国特色的自主研发产品，对推进氦制冷机在国内的应用有重要意义。

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[1] 黄本诚, 马有礼. 航天器空间环境试验技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002

[2] 张均生, 沈其勇. 深冷手册[G]. 北京: 化学工业出版社, 1973

[3] 蔡朝恩, 李高, 胡朝斌, 等. 气氦制冷系统透平膨胀机的研制[J]. 航天器环境工程, 2001(2): 42-44

[4] 蔡朝恩, 李高, 胡朝斌, 等. 气氦制冷系统螺杆压缩机的研制[J]. 航天器环境工程, 2001(2): 58-60

[5] 袁金辉, 白红宇. 大型氦低温系统中的杂质净化[J].低温工程, 2006(4): 28-32

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

[6] 陈国邦, 黄永华 , 包锐, 等. 低温流体热物理性质[M].北京: 国防工业出版社, 2006