大口径低温泵之制冷机R65的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海优拓低温技术有限公司 作者:熊鹰

  介绍了用于大口径低温泵的R65制冷机的结构设计,回热器的设计及材料的选择,以及制冷功率及可靠性测试的试验结果。

  大口径低温泵广泛应用在半导体、平板显示、光学镀膜、卷绕镀膜、真空钎焊炉等,具有对各种气体抽速大,水蒸汽分压低的显著特点,是生产效率最高的高真空获得设备,在美国、日本、韩国已经普及应用。低温泵的”发动机”是制冷机,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为结构简单的G-M 制冷机已经成为低温泵用制冷机的主流,其理论分析和设计计算方法不断完善。

  优拓低温公司首期推出的400、500 口径低温泵配备自产R65 制冷机,经过20000h 的不间断运行,达到了设计指标。设计目标:

  a、制冷功率77K/20K 温度下,1、2 级功率70W/7W;

  b、平均无故障运行时间30,000h。

1、热力计算及基本结构

  根据现有理论,针对设计目标,对制冷机的理论制冷量以及各种冷量损失分析,结合过去十年的试验数据,选定制冷机结构参数如下:

表1 R65 制冷机结构基本数据

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2、结构设计

  G-M 制冷机结构分为5 个单元:气缸、回热器、动力和传动机构、动密封、时序控制机构。

  气缸是氦气工质绝热膨胀和对冷头冷却的装置,同轴度要求极高,加工难度最大。回热器是实现冷、热流体间周期性换热的任务,其特点是冷、热流体交替的流经同一流道,通过和回热填料的直接接触实现热交换。

  动力和传动机构承担了将圆周运动转换为直线往复运动,驱动回热器周期性热交换,同时驱动阀时序机构。

  动密封作用是强行促使氦气流经回热器内部,把膨胀室和进气室分开,防止气流短路,从而实现换热效率最大化。时序机构即控制进、排气阀门按照一定时序开关的机械装置,结构简单,但是必须时序控制准确,才能保证最大制冷功率。

  这里我们重点阐述回热器的设计。回热器是制冷机的核心部件,承担冷、热工质间周期性换热任务,俗称蓄冷器。R65 采用填料式回热器,具有体积比热容大,换热面积大,流阻小,结构简单、紧凑,换热效率高。

  在交变流动过程中,回热器内流体和填料的温度都是位置和时间的函数,经过多次冷吹和热吹期变换后,回热器达到稳定工作状态,此时回热器任意位置的温度都随时间呈周期性变化,流动和传热非常复杂,设计非常困难。

  2.1、材料选择

  活塞体常见材料是环氧树脂和夹布胶木,夹布胶木比较柔软,和气缸摩擦而不至于损坏气缸,但是在液氮温区尺寸难以控制,大气下吸潮,而且存在内部应力。环氧树脂材料常温下尺寸稳定,不吸潮,但是低温下尺寸收缩是夹布胶木的3 倍。

表2 相对于293K 的线收缩率104*(L293K-LT)/L293K

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  R65采用环氧树脂作为活塞体材料, 以确保尺寸的可重复性和可控性。

  2.2、填料材料

  1级采用150 目磷青铜网,2 级采用0.15-0.2mm 铅球。图1 可以看出铅在60-15K 温区的比热容比铜大许多,因而作为2 级回热器的填料材料。为了降低制冷机的回热器损失、穿梭损失、轴向导热损失以及空容积损失,需要严格控制回热器和气缸的径向、轴向间隙,由于缺乏理论计算数据,只有通过大量的试验确定最佳尺寸公差。优拓经过2 年多的反复试验、测试,最终确定了回热器尺寸公差,在制冷功率测试以及噪音、震动测试时验证了这些公差的合理性,从而保证制冷机安静、无摩擦的运行30000h 以上。

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图1 常见材料体积比热容

  2.3、填料体积的选择

  回热器内填料体积对于制冷机的效率至关重要,过小体积,高低压气体不能完全换热,增加轴向导热损失,过大的体积导致流阻变大,空容积损失增加。

  选择合适的填料体积是设计回热器的关键参数之一。

  经过理论计算,填料体积/ 冷腔容积之比和蓄冷器损失的函数关系如图2。

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图2 填料体积/ 冷腔容积之比和蓄冷器损失的函数关系

  比值在3.0-4.7 之间回热器损失最小。在实际填充过程中,统计了大量不同填充量的试验结果,充分验证了这一计算的准确性。

3、试验

  制冷机冷头加装RhFe 电阻温度计, 美国Lakeshore 公司标定产品,四线法测量,测量精度:±10mK,336 温度控制仪显示,计算机实时采集。制冷量的测量在冷头上加装加热器,四线法测量电压和电流,从而避免两线法导线的功耗和加热器电阻随温度变化产生的误差。

  制冷机降到底温后,给加热器输入一定功率,待温度稳定后,读出加热器电流和电压,计算加热功率,这一功率就是在该稳定温度下的制冷功率。R65 制冷机的额定制冷功率为:70W/7W@77K/20K。

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图3 制冷功率测试台

4、平均无故障运行时间MTBF测试

  由于制冷机是圆周运动转直线往复运动,属于不平衡运动,如果机械结构设计不合理,很容易发生回热器和气缸内壁的摩擦,造成震动和异响。同时制冷机内相互配合的材料:不锈钢、铜、铅、塑料件的收缩率不同,在低温下的尺寸和常温下存在很大不同,这也是设计时必须考虑和反复验证的。尤其是2 级密封在液氮温区工作,由塑料密封环和涨环组成,涨环材料必须可以忍受高、低温的冲击而不会产生塑性形变和弹性降低,这对材料和加工精度提出很苛刻的要求。

表3 R65 实测制冷功率

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  影响MTBF 的因素:

  a、压缩机的滤油系统必须供给制冷机的工质纯度在99.95%,确保填料的清洁度从而保证换热效率;

  b、动密封摩擦系数适合, 磨损寿命大于30000 小时;

  c、其它机械零件如轴承、轴套、连杆的配合有合适的公差范围,避免单个零件受力过大,造成机械磨损。

  平均无故障运行时间的测试分2 步骤,首先制冷机在实验室开启,连续运行10000h,计算机自动定期记录冷头温度,其中每2000h,停机打开制冷机,观察内部有无污染物,检查密封件的密封性。

  10000h 后装配成低温泵,在实验室和客户端连续运行至今,总计运行超过20000h,温度稳定,特别是溅射时加载500sccm 氩气时T2≤15K,制冷机运行安静。

5、小结

  和真空技术一样,低温技术处于飞速发展阶段,市场各种新的应用对新型制冷机提出各种新的要求,比如:脉管式、4K 制冷机、大功率单级制冷机。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为回热器始终是这些制冷机的核心部件,功能完善的试验设备是研发高效回热器的关键,只有通过大量的试验数据总结,结合理论计算才能保证研发的效率。

  低温材料很多是特殊材料,也有很多特殊加工工艺,这些材料、加工的采购不必拘泥于国产,实现全球采购。

参考文献

  [1] Gifford W E.The Gifford-Mcmahon Cycle[J].Advances inCryogenic Engineering,1966.

  [2] 陈邦国,汤珂.小型低温制冷机原理[M].北京:科学出版社,2010.

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