脉冲管制冷机充气系统的纯化研究

　　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。

　　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。

　　3 实验结果及分析