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吉福德-麦克马洪循环制冷机和脉冲管膨胀器的氦气压缩机
R C. 朗斯沃斯
低温 IGC APD
美国宾夕法尼亚 18103 阿伦敦
摘要
为冷却MRI磁体而研究出来的新式压缩机系统比以前的压缩机系统拥有更大的排量，在60hz的情况下将排量从2.9L/S增加到5.2L/S，在低温条件下，它可以为G-M制冷机和脉冲扩张器提供更好的制冷效果。2.9L/S压缩机是滚动活塞式，它是通过与压缩机外壳相连管道里面的水来冷却的。而5.2L/S压缩机是转轴式，它通过循环的油与外部的热交换器来冷却的。这种设计主要特点之一就是油消除系统能够确保吸附器更换周期增长到5年。控制电路中增加的诊断模块可以诊断出异常情况，并且可以将停止工作的原因显示出来。本文介绍了基本的设计特色，为表征更宽范围的压缩机运行状态的测试包括可能遇到的极端状况。
介绍
很多论文介绍了吉福德-麦克马洪循环制冷机膨胀器（简称G-M)以及脉冲管式扩张器，但很少写为膨胀器提供气体的压缩机。布雷顿循环式制冷化学品（APCI)制冷中通过气体产品实现的干润滑方式，以及Arthur D. Little式油润滑方式之间的竞争一直延续到六十年代末。到1970年，APCI舍弃了布雷顿式干润滑方式，并且开发出来了一种更具有竞争力的使用油润滑压缩机的吉福德-麦克马洪循环制冷机，在1966年写到吉福德-麦克马洪循环制冷机时，吉福德并没有提到压缩机。但它事实上却是G-M膨胀器和油润滑压缩机的结合，它在空调领域的大规模生产使得这种小型低温冰箱方式在市场上很成功。为替代R22和HFC而设计的压缩机使得G-M膨胀器拥有更合适的操作压力范围，从0.8 MPa到2.0 MPa，电机的功率消耗在压缩氦气。因为相对的低成本，长寿命和可靠性，油润滑空调压缩机获益于G-M式冰箱。
油润滑压缩机的主要技术是从气体中去除油。早期的油润滑压缩系统利用多活塞往复式压缩机，并伴随着油的注射来冷却压缩过程的氦气，而且通过吸附器进行两个阶段的油分离。因为利用氦气的阀挡板振动模式和利用更重制冷剂分子的阀挡板振动模式不同，阀门的破损成为最常见的问题。压缩机气室通常在低压条件，气体直接排放，所以散装油分离器需要安装在最后油气分离器之前。一些压缩机有外部油泵循环油进行冷却，在压缩过程注入回流气体进行冷却。密封往复活塞式压缩机在二十世纪七十年代被引进到空调系统中，尺寸由1 HP 到5 HP，这些压缩机只有一个排气阀。高压气体排入压缩机气室中，这时候大量的油进行分离。油很容易就向外流动，冷却，并且注入回气。在APCI中，我们很难控制压缩机制造商带来的变化，大约1982年，我们和日本大金空调合作，他们在氦气工作的G-M式冰箱系统中修正了压缩机参数。在APCI中，这些早已实现，即现在的IGC-APD Cryogenics (APD).
大金空调制造的最大的往复活塞式压缩机是在频率为60赫兹时排量为2.9L/S的5 HP单元。自从和大金空调合作，它一直是APD Displexreg; GM冰箱最主要的压缩机，并且应用于MRI和低温泵。标准压缩机是由在60赫兹情况下运行的三相220v电机带动的，功率由4kw到4.5kw。压缩机是通过与压缩机圆壳体外部相连的管道循环冷却水冷却的，氦气后冷却器和油冷却器组成的管道被盘到冷却水管道上边。这种方法是最简单，紧凑，成本最低的压缩机冷却方式。但由于相对于压缩机表面积，更多的热量不得不被移除，这种方式很难应用于较大尺寸的压缩机。认识到在较低温度下G-M式脉冲管式膨胀器需要更大的压缩机为MRI提供更多的制冷剂的需求。在八十世纪初，大约10HP到15HP的涡旋压缩机被引用于空调装置中，后来可以应用到循环式活塞的最上端。涡旋式压缩机没有阀门，并且可以逆向平衡滚动轨道，所以振动很小。日立和谷轮公司提供几类尺寸的为氦气工作而设计的涡旋式压缩机。我们决定试验谷轮公司的60hz、5.2L/S冲程涡旋压缩机。
系统介绍
图1是被用于描述压缩机的压缩机系统示意图，它作为制造系统，检测仪器来检查压缩机。谷轮公司拥有很多专利，这些专利描述了为适应氦气工作的压缩机而设计的特点，并且提供固定转轴与涡旋轨道的遵从性。这种压缩机被持有上部固定卷轴的板块分成在返回气体压力处的低压气室和供应气体压力处的高压气室。低压气室处的马达带动卷轴在约束条件下于轨道中运动，这样，它永远不会旋转。当电源关闭时，哪怕只有一瞬间，驱动卷轴就会脱离固定卷轴，并且压力很快平衡。
在操作中涡旋轨道和固定卷轴之间被油膜隔开。气体进入拥有大约2.5涡流的卷轴的新月形穴道的外表，这会引起气体被排进卷轴中心之前被压缩成固定体积比为2.5:1的气体。气体在卷轴轨道两边都被压缩，产生180度的相位角。当卷轴直通排气时，气体可能过压缩或者没有压缩完全，但基本上所有进入卷轴的气体都被排放。回流气体进入卷轴之前都被低压气室里的电机加热。因此进入压缩机中的气体体积比会比排量为5.2L/S，频率为60Hz卷轴里的体积比小。
压缩机里有两个油底壳，一个是在压缩机底部的低压油底壳，另外一个是在卷轴上边的高压油底壳，油以小流速被驱动轴底部的叶轮从底部油底壳泵送至高位油底壳。驱动轴有个洞，用来将油分配到轴承和压缩机卷轴入口。然后卷轴将油泵送至高压油底壳。高压油底壳中的油流向后冷却器的冷却部分，然后流向回油管系中的测量孔，这之后分流流向处于卷轴上端的注射口。注射口位于第一个涡流末端附近的卷轴轨道的两边。油带走了压缩机中大部分热量，润滑，密封卷轴并且当氦气被压缩时冷却氦气。由于溢流管回流多余的油到低位油底壳，高位油底壳中的油位保持不变。当启动后如果高位油底壳有足够的油量来提供冷却循环油时关闭从高位到低位油底壳之间的排油管。排放口上边的挡板能非常有效地组止排出气体带走过多的油。排放口处有个止回阀，当压缩机关闭时，它能阻止气体流回卷轴。
选择并测试了三家不同厂商出产的钎焊板式热交换器。当测试环境分别处于17度，22.2度，28.5度时，不同厂家产品油路中平均温度，波纹图案，板间距都存在差异。所有热交换器的压降都相对较低。被选择的热交换器都有最佳性能，并且都有最小体积2.2L。
油分离器设计是油润滑压缩机最核心的技术，而且是一种艺术而被大多数厂商看作是专有技术。这种吸附器设计还包含了大量选择油蒸气吸附剂（通常为木炭),水蒸气干燥剂（通常为分子筛）的经验上，并且安装在末端来保留粒状材料。很多设计选择取决于所用的润滑油，或者取决于将要用在压缩机系统中的油里面的水分去除程度。
480V三相压缩机配电箱有一个标准电机接触器，通过电机接触器将电压降到220V，还有一个24V的微处理器电路作为控制系统。这个系统可以通过压缩机上的开关或者遥控电路来打开或者关闭。前面板上的显示屏可以显示关键检测参数和运行时间。表1列出检测的参数。如果电力中断后必须立刻重新启动系统，但如果任何一个保护开关关闭系统，就必须要手动重启。
测试安排和计划
基于初步的失效模式与效应分析（FMEA),为了支持测试计划而研究出了一种测试计划和测量仪器。运行测试升级后给了我们对于系统巧妙设计更多的认识。图1显示了用来测量温度的热电偶的位置，用来测量正常供给时的气压和冷却回路处的油压的压力传感器的位置，以及测量油分离器处压降的压力测量仪器的位置。拥有可调整旁通水管的逆流换热器可确保我们提高供给水温超过正常状态下的相对低温。关闭油分离器回油管路处的一个阀，我们可以从观察管处观察到压缩机油雾比率。用一个小的墨盒替代吸附器就可以测量油分离器中油剩余比率，墨盒能很有效地吸附油雾但它会产生很高的压降。超过十二小时墨盒质量的改变给我们提供了良好的测量。
图2显示了谷轮公司指定的操作压力范围，以及模拟可能超出正常指定范围的运行环境时的测试压力，测试研究燃油管理，冷却水流速，温度，以及在较宽范围电压的操作和瞬变响应。
测试结果
表2中列出了正常和极端条件下关键测试数据，列出的压力是测量油分离器下游和气体回流附件处的压力。试验1，2中压缩机排放口和油分离器排出口之间的压力降分别是0.1MPa和0.14MPa，吸附器和气体回流管路之间的压降大约0.02MPa。进入压缩机的气体体积低于压缩机排量的百分之十，这表明进入卷轴之前流向电机中被加热到约30摄氏度。这种特殊压缩机功率测量在产品中是比较高的。在这种压缩机中应用的Displexreg;膨胀器在50或者60HZ电源情况下的额定功率为110W,、lt;77K plus，6W 、lt;20K plus。正常的操作条件是 接近试验1，并且输入功率是在6.5到6.9KW，测试结果表明试验2的高负荷运行是在可接受的运行范围内。表2中列出水流速是处在推荐范围5到8升每分钟较高的部分。
做能量平衡测试数据是很有指导性的，从产品（T7-T6）计算水吸收的热量Qw，水的比热容和水的流速，同样，从产品（T2-T3)中计算氦气吸收的热量Qhe。油吸收的热量Qo作为输入功率P与氦气吸收的热量之间的区别。基于（T4-T5）计算油流速度，从Qw/P接近1可以看出相对较少的热量从压缩机壳体流失。在正常操作中大约百分之80到85的热量通过循环油从压缩机中传出。
表2中试验3模拟旁通阀开到超过推荐操作压力时的操作。测试表明油循环率下降了，因为回流压力增加所以氦气和油离开压缩机时温度较高。卷轴处注射口的压力超过回流压力，并且可以观察到回流压力增长到1.2MPa时油通过反向回路泵送，这就是TSG,它在120摄氏度打开，它还将油赶出后冷却器。为了阻止冷却油反向流动的问题，冷却管路中安装了一个止回阀。
表2中的试验4、5用于模拟气体损失，没有特别的问题出现。有趣的是输入功率降到相对很低的值。试验6模拟禁用IRV和关闭测试管系中部分旁通阀，因为压缩机噪声增大，回流压力不能降到0.2MPa以下，如果气路或者膨胀器电缆断开连接，IRV就会保护压缩机。气体回路中的压力开关能告知用户异常环境。试验7作为将冷却水温度开关供应温度设为35摄氏度，回流温度设为44摄氏度的基础，如果由于电机和排气温度低于标准值而导致温度超高，控制回路就会报警。有一项测试是为了查看当冷却水反向连接时的影响。水流反向时油和氦气离开压缩机后的温度本应该降低三摄氏度，但氦气离开后冷却器的温度却增高19摄氏度，在短期内需要时间检查新的装置，而不会出现什么问题，但这可能会导致吸附器过载。另一个测试使用了百分之五十的乙二醇和百分之五十的水的混合而成的冷却液，后来发现可以通过增加百分之三十的流速来弥补混合物比热容的减少。
图3显示了测试的结果，用于测量排气中油从压缩机到油分离器的流速。测试显示氦气流量有很强的相关性，它和回流压力成正比，和排压以及温度之间的影响很小。100g/hr、0.8MPa的回流压力是相对较低的比率，这展示卷轴排放口上部的挡板是有效的。
一种新式的油分离器是由一个排量为2.9L/S的压缩机放大而设计的。很多不同样本的试验是用于确认设计的可靠性和重复性，相对较低的油结转率已经被测量出来，这让我们有信心建议五年替换一次吸附剂，最初的建议是每隔18个月替换，并向工厂请求归还用过的吸附器，所以我们可以得到用于支持延长时间的统计证据。
图4显示了测试的结果，这用于观察当吸附器堵塞时回流管路的影响。最初油在分离器底部积累，后来以大约100g/hr的速度结转到吸附器。吸附器下游的油测量墨盒表明直到油超过450g而变得饱和时吸附器处不会留有油。
测试时，在某种程度上增大到超过指定范围的输入电压，气压设置到相对最大的建议运行条件。表3列出了480V、60HZ和50HZ 的电机的基本运行参数，可以通过回流压力增加较少来观察到低电压时电机运行很慢，通过输入功率和电机绕组温度的增加来观察电机效率下降。即使低于建议最低电压的百分之五，压缩机也有较好的运行价值。电压范围内首末段和中段之间的差异很小。220V、60HZ的电机以类似的方式测量，50HZ电源的测试结果和表三的数据差不多，在60HZ的低电压时，电流相对较高，但温度值相对可以接受。
图表三，电压对于主要运行参数的影响，60hz频率下电压范围为432v到528v，50hz频率条件下电压范围为342v到456v，三相电机，冷却水流速为5.7L/mim 温度为27.50C
|
电压（v） |
410 |
485 |
530 |
325 |
400 |
460 |
|
频率（hz） |
60 |
60 |
60 |
50 |
50 |
50 |
|
供给压力（MPA） |
2.2 |
2.2 |
2.2 |
2.2 |
2.2 |
2.2 |
|
回流压力（MPA） |
0.82 |
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