大型氦制冷机的净化系统

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1、第28卷第2期航天器环境T程2011年4月SII～CECRAFTENVIRONMENTENGINEERINGl57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)摘要：氦制冷机是我国大型空间环境模拟器的重要组成部分，是完成红外相机定标试验、航天器运动部件超高真空冷焊试验的关键部件。文章介绍了氦制冷机净化系统的组成及设备性能。化系统在定标试验中的有效运转保证了氦制冷机可靠运行。关键词：氦制冷机；低温吸附器；油净化系统；过滤器中图分类号：TGl；TG2文献标识码：B文章编号：1673—1379(2011)02—

2、0157-04Dol：10．3969／j．issn．1673-1379．2011．02．0110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900N·m3／h，在20K时的制冷量为600W。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【lJ。氦制冷机采用有液氮预冷的Brayton逆向循环，其』=作包含等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀、等压复热4个过程【2】o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。膨胀机转了和轴承的径向间隙

3、与轴向

4、’日J隙在100I．tm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20K温区，应用活性炭吸附氦气巾残留的氢、氖杂质。过滤器清除氦气中的同体杂质。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T作过程中起润滑、冷却、密封及降

5、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l4

6、。压缩机油净化系统组成如图1所示。图1氮气压缩机油净化系统Fig．1Oilremovalsystemoftheheliumcompressor常温常压下氦气经螺杆压缩机阴阳转子乐缩后排m的油气混合物进入一级汕气分离器，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简体上斤流到分离筒的底部。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

7、外侧的气体不发生涡流，即彳i产生对分离芯的激振作用；同时使气体对分离芯的收稿日期：2010。08．27；修回日期：201I-03．25基金项目：卫星型号支持项目作者简介：李高(1969一)，男，高级工程师，主要从事大型氦制冷机技术、太阳模拟器技术和空间环境模拟器技术研究。联系电话：(010)68746578．606。158航天器环境工程第28卷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7

8、0一--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10mg／m3的要求，一般只能达到20～40mg／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℃，进入二级精密过滤器的气体含油量町以低至5mg／m3。精密过滤器和超精密过滤器分别采用高效和超高效的二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

9、度达0．01lam，分离效率小低于99．9999％，町以连续玄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，较大粒径的同体粒子被拦截，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0．0

10、1gm，残余含油量不大于0．003mg