大口徑低溫泵之制冷機(jī)R65的研制

2015-08-30 熊鷹上海優(yōu)拓低溫技術(shù)有限公司

　　介紹了用于大口徑低溫泵的R65制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)及材料的選擇，以及制冷功率及可靠性測試的試驗(yàn)結(jié)果。

　　大口徑低溫泵廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體、平板顯示、光學(xué)鍍膜、卷繞鍍膜、真空釬焊爐等，具有對各種氣體抽速大，水蒸汽分壓低的顯著特點(diǎn)，是生產(chǎn)效率最高的高真空獲得設(shè)備，在美國、日本、韓國已經(jīng)普及應(yīng)用。低溫泵的”發(fā)動(dòng)機(jī)”是制冷機(jī)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為結(jié)構(gòu)簡單的G-M 制冷機(jī)已經(jīng)成為低溫泵用制冷機(jī)的主流，其理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算方法不斷完善。

　　優(yōu)拓低溫公司首期推出的400、500 口徑低溫泵配備自產(chǎn)R65 制冷機(jī)，經(jīng)過20000h 的不間斷運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)目標(biāo)：

　　a、制冷功率77K/20K 溫度下，1、2 級功率70W/7W；

　　b、平均無故障運(yùn)行時(shí)間30,000h。

1、熱力計(jì)算及基本結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)現(xiàn)有理論，針對設(shè)計(jì)目標(biāo)，對制冷機(jī)的理論制冷量以及各種冷量損失分析，結(jié)合過去十年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選定制冷機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

表1 R65 制冷機(jī)結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)

大口徑低溫泵之制冷機(jī)R65的研制

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　G-M 制冷機(jī)結(jié)構(gòu)分為5 個(gè)單元：氣缸、回?zé)崞�、�?dòng)力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)密封、時(shí)序控制機(jī)構(gòu)。

　　氣缸是氦氣工質(zhì)絕熱膨脹和對冷頭冷卻的裝置，同軸度要求極高，加工難度最大�；�?zé)崞魇菍?shí)現(xiàn)冷、熱流體間周期性換熱的任務(wù)，其特點(diǎn)是冷、熱流體交替的流經(jīng)同一流道，通過和回?zé)崽盍系闹苯咏佑|實(shí)現(xiàn)熱交換。

　　動(dòng)力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)了將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回?zé)崞髦芷谛詿峤粨Q，同時(shí)驅(qū)動(dòng)閥時(shí)序機(jī)構(gòu)。

　　動(dòng)密封作用是強(qiáng)行促使氦氣流經(jīng)回?zé)崞鲀?nèi)部，把膨脹室和進(jìn)氣室分開，防止氣流短路，從而實(shí)現(xiàn)換熱效率最大化。時(shí)序機(jī)構(gòu)即控制進(jìn)、排氣閥門按照一定時(shí)序開關(guān)的機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡單，但是必須時(shí)序控制準(zhǔn)確，才能保證最大制冷功率。

　　這里我們重點(diǎn)闡述回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)�；�?zé)崞魇侵评錂C(jī)的核心部件，承擔(dān)冷、熱工質(zhì)間周期性換熱任務(wù)，俗稱蓄冷器。R65 采用填料式回?zé)崞�，具有體積比熱容大，換熱面積大，流阻小，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，換熱效率高。

　　在交變流動(dòng)過程中，回?zé)崞鲀?nèi)流體和填料的溫度都是位置和時(shí)間的函數(shù)，經(jīng)過多次冷吹和熱吹期變換后，回?zé)崞鬟_(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時(shí)回?zé)崞魅我馕恢玫臏囟榷茧S時(shí)間呈周期性變化，流動(dòng)和傳熱非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)非常困難。

　　2.1、材料選擇

　　活塞體常見材料是環(huán)氧樹脂和夾布膠木，夾布膠木比較柔軟，和氣缸摩擦而不至于損壞氣缸，但是在液氮溫區(qū)尺寸難以控制，大氣下吸潮，而且存在內(nèi)部應(yīng)力。環(huán)氧樹脂材料常溫下尺寸穩(wěn)定，不吸潮，但是低溫下尺寸收縮是夾布膠木的3 倍。

表2 相對于293K 的線收縮率104*(L293K-LT)/L293K

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　　R65采用環(huán)氧樹脂作為活塞體材料, 以確保尺寸的可重復(fù)性和可控性。

　　2.2、填料材料

　　1級采用150 目磷青銅網(wǎng)，2 級采用0.15-0.2mm 鉛球。圖1 可以看出鉛在60-15K 溫區(qū)的比熱容比銅大許多，因而作為2 級回?zé)崞鞯奶盍喜牧稀榱私档椭评錂C(jī)的回?zé)崞鲹p失、穿梭損失、軸向?qū)釗p失以及空容積損失，需要嚴(yán)格控制回?zé)崞骱蜌飧椎膹较�、軸向間隙，由于缺乏理論計(jì)算數(shù)據(jù)，只有通過大量的試驗(yàn)確定最佳尺寸公差。優(yōu)拓經(jīng)過2 年多的反復(fù)試驗(yàn)、測試，最終確定了回?zé)崞鞒叽绻�，在制冷功率測試以及噪音、震動(dòng)測試時(shí)驗(yàn)證了這些公差的合理性，從而保證制冷機(jī)安靜、無摩擦的運(yùn)行30000h 以上。

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圖1 常見材料體積比熱容

　　2.3、填料體積的選擇

　　回?zé)崞鲀?nèi)填料體積對于制冷機(jī)的效率至關(guān)重要，過小體積，高低壓氣體不能完全換熱，增加軸向?qū)釗p失，過大的體積導(dǎo)致流阻變大，空容積損失增加。

　　選擇合適的填料體積是設(shè)計(jì)回?zé)崞鞯年P(guān)鍵參數(shù)之一。

　　經(jīng)過理論計(jì)算，填料體積/ 冷腔容積之比和蓄冷器損失的函數(shù)關(guān)系如圖2。

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圖2 填料體積/ 冷腔容積之比和蓄冷器損失的函數(shù)關(guān)系

　　比值在3.0-4.7 之間回?zé)崞鲹p失最小。在實(shí)際填充過程中，統(tǒng)計(jì)了大量不同填充量的試驗(yàn)結(jié)果，充分驗(yàn)證了這一計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3、試驗(yàn)

　　制冷機(jī)冷頭加裝RhFe 電阻溫度計(jì)，美國Lakeshore 公司標(biāo)定產(chǎn)品，四線法測量，測量精度：±10mK，336 溫度控制儀顯示，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集。制冷量的測量在冷頭上加裝加熱器，四線法測量電壓和電流，從而避免兩線法導(dǎo)線的功耗和加熱器電阻隨溫度變化產(chǎn)生的誤差。

　　制冷機(jī)降到底溫后，給加熱器輸入一定功率，待溫度穩(wěn)定后，讀出加熱器電流和電壓，計(jì)算加熱功率，這一功率就是在該穩(wěn)定溫度下的制冷功率。R65 制冷機(jī)的額定制冷功率為：70W/7W@77K/20K。

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圖3 制冷功率測試臺

4、平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF測試

　　由于制冷機(jī)是圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，屬于不平衡運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，很容易發(fā)生回?zé)崞骱蜌飧變?nèi)壁的摩擦，造成震動(dòng)和異響。同時(shí)制冷機(jī)內(nèi)相互配合的材料：不銹鋼、銅、鉛、塑料件的收縮率不同，在低溫下的尺寸和常溫下存在很大不同，這也是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和反復(fù)驗(yàn)證的。尤其是2 級密封在液氮溫區(qū)工作，由塑料密封環(huán)和漲環(huán)組成，漲環(huán)材料必須可以忍受高、低溫的沖擊而不會(huì)產(chǎn)生塑性形變和彈性降低，這對材料和加工精度提出很苛刻的要求。

表3 R65 實(shí)測制冷功率

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　　影響MTBF 的因素：

　　a、壓縮機(jī)的濾油系統(tǒng)必須供給制冷機(jī)的工質(zhì)純度在99.95%，確保填料的清潔度從而保證換熱效率；

　　b、動(dòng)密封摩擦系數(shù)適合，磨損壽命大于30000 小時(shí)；

　　c、其它機(jī)械零件如軸承、軸套、連桿的配合有合適的公差范圍，避免單個(gè)零件受力過大，造成機(jī)械磨損。

　　平均無故障運(yùn)行時(shí)間的測試分2 步驟，首先制冷機(jī)在實(shí)驗(yàn)室開啟，連續(xù)運(yùn)行10000h，計(jì)算機(jī)自動(dòng)定期記錄冷頭溫度，其中每2000h，停機(jī)打開制冷機(jī)，觀察內(nèi)部有無污染物，檢查密封件的密封性。

　　10000h 后裝配成低溫泵，在實(shí)驗(yàn)室和客戶端連續(xù)運(yùn)行至今，總計(jì)運(yùn)行超過20000h，溫度穩(wěn)定，特別是濺射時(shí)加載500sccm 氬氣時(shí)T2≤15K，制冷機(jī)運(yùn)行安靜。

5、小結(jié)

　　和真空技術(shù)一樣，低溫技術(shù)處于飛速發(fā)展階段，市場各種新的應(yīng)用對新型制冷機(jī)提出各種新的要求，比如：脈管式、4K 制冷機(jī)、大功率單級制冷機(jī)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為回?zé)崞魇冀K是這些制冷機(jī)的核心部件，功能完善的試驗(yàn)設(shè)備是研發(fā)高效回?zé)崞鞯年P(guān)鍵，只有通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，結(jié)合理論計(jì)算才能保證研發(fā)的效率。

　　低溫材料很多是特殊材料，也有很多特殊加工工藝，這些材料、加工的采購不必拘泥于國產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)全球采購。