李惠英，徐柳娟

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于液氮的電子產(chǎn)品低溫老化房制冷系統(tǒng)研究

李惠英，徐柳娟

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針選用先進(jìn)的現(xiàn)代普萊克斯基于液氮制冷單元，通過獨(dú)有的氣液分離器設(shè)計，利用射頻導(dǎo)納料位開關(guān)的觸點控制低溫電磁閥的開啟，及時排出輸送至低溫老化房的液氮在傳送過程中汽化產(chǎn)生的廢氣，確保冷卻介質(zhì)的狀態(tài)為純凈液體輸送至老化房，以確保制冷效果.結(jié)果表明采用該制冷系統(tǒng)的老化房，可擴(kuò)展一般老化箱的低溫下限(-70℃)，使低溫可達(dá)-196℃，且具有制冷容積大，制冷能力強(qiáng)、效果好，可靠性高，運(yùn)行及維護(hù)成本低等特點.

液氮；低溫老化；制冷系統(tǒng)；氣液分離器；射頻導(dǎo)納料位開關(guān)；低溫電磁閥

0 引 言

當(dāng)前電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，突飛猛進(jìn)，電子產(chǎn)品的性能隨著新元件、新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)而日益提高，電子產(chǎn)品的體積與重量日益縮小，技術(shù)含量不斷擴(kuò)大，智能化程度成倍提高，對電子產(chǎn)品可靠性的要求已成為衡量其質(zhì)量最重要的技術(shù)指標(biāo)之一.老化是電子生產(chǎn)廠家為提高產(chǎn)品可靠度，減少返修率常用的方法，它模擬或者等效產(chǎn)品的一種高、低溫惡劣工作環(huán)境，使產(chǎn)品的缺陷在出廠前暴露，如焊接點的可靠性、產(chǎn)品在設(shè)計、材料和工藝方面的各種缺陷，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障，確保整機(jī)優(yōu)秀品質(zhì)和期望壽命，進(jìn)入高可靠的穩(wěn)定期，從而大大減少返修率.

1 低溫老化

1.1 老化現(xiàn)狀

電子產(chǎn)品在制造過程中都需要進(jìn)行老化，電子產(chǎn)品老化，比較容易做的是高溫老化和高低溫老化，技術(shù)和裝置都相對比較成熟，低溫老化嚴(yán)格來說是高低溫老化的一個分支.目前國外老化箱的溫度調(diào)節(jié)范圍一般在-77 ℃～+180 ℃，而國內(nèi)市場上老化箱的溫度一般在-70 ℃～+120 ℃，容積80 L，基本能滿足一般電子廠家產(chǎn)品抽樣和實驗室研發(fā)小規(guī)模老化的需求.但隨著新元件、新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用，一些高性能電子產(chǎn)品廠家為提高品牌聲譽(yù)，減少返修率，考核新的元器件或整機(jī)的性能，對老化提出了超低溫(深冷)、大規(guī)模的高規(guī)格要求.

1.2 超低溫(深冷)老化

超低溫(深冷)老化是將被處理的工件置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，達(dá)到提高或改善材料性能的一種新技術(shù).深冷處理的溫度一般為-100℃～-196℃，被處理材料在低溫環(huán)境下由于微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，在宏觀上表現(xiàn)為材料的表面硬度、沖擊韌性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度、殘余應(yīng)力等方面的提高與改善.

目前市場上有兩類超低溫制冷系統(tǒng)供選擇.一是液氮制冷系統(tǒng)，二是雙級壓縮或復(fù)疊式機(jī)械制冷系統(tǒng)[1].前者在整個超低溫范圍內(nèi)可提供快速持續(xù)的降溫，而后者當(dāng)溫度低于-50 ℃后在性能、效率和可靠性方面都不及前者，且使用液氮制冷，不污染環(huán)境，不破壞大氣臭氧層[2]，因此成為超低溫、大規(guī)模電子產(chǎn)品老化房制冷系統(tǒng)的首選.

2 低溫老化房液氮制冷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)由液氮貯槽、真空管道、氣液分離器、普萊克斯基于液氮制冷單元等組成(見圖1).真空管道經(jīng)充分預(yù)冷后，逐步開啟送液閥，使貯槽內(nèi)的液氮先緩慢流往獨(dú)有設(shè)計的真空管道專用氣液分離器，待貯槽及真空管道內(nèi)的壓力趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，方可逐步加大輸液量，直至達(dá)到額定流量.再如圖2所示，氣液分離器通過置于其中的射頻導(dǎo)納料位開關(guān)的觸點，控制低溫電磁閥的開啟，及時將液氮傳送中汽化產(chǎn)生的廢氣排至大氣，最后經(jīng)軟管接至用戶端制冷單元，確保了真空管路在使用過程中，流體介質(zhì)的狀態(tài)為液體輸送至用戶使用點.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 氣液分離器原理圖

采用該系統(tǒng)的老化房，由于液氮深冷技術(shù)的應(yīng)用，極大擴(kuò)展了一般老化箱的低溫下限(-70 ℃)，其低溫可達(dá)-196 ℃.

2.2 系統(tǒng)材料清單

系統(tǒng)完成制作除分離器本體為合作單位特制外，其余均為選型后采購，主要材料清單(見表1).

表1 系統(tǒng)材料清單

3 主要設(shè)備設(shè)計選型

3.1 液氮貯槽與真空管道

3.1.1 液氮貯槽

液氮貯槽用于貯存液氮供系統(tǒng)運(yùn)行使用，大中型空間老化房，液氮貯槽的選擇原則是容積一般要大于系統(tǒng)日液氮消耗量的三倍，而系統(tǒng)日液氮消耗量主要需根據(jù)系統(tǒng)的制冷量也叫熱負(fù)荷及液氮的流量和壓力等參數(shù)來確定[3].本系統(tǒng)在采用標(biāo)準(zhǔn)貯槽的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)貯槽的自動控制，增加了1151系列壓力和液位變送器，并在貯槽的增壓器上安裝了一個低溫電磁閥，使控制室計算機(jī)能對貯槽的壓力和液位數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示與控制[4].

3.1.2 真空管道

近年來隨著低溫深冷液體(LNG、LO2、LN2、LAr、LH2、LHe等)在社會各生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)管道設(shè)備的堆積保溫方式(如珍珠巖保溫、巖棉保溫、聚氨酯保溫等)因冷損大、低溫液體氣化率高，使得最終經(jīng)濟(jì)損失很大.本系統(tǒng)液氮輸送管道采用高真空多層絕熱低溫管道，其管道夾層采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，使氣體對流傳熱極小至可忽略不計；高真空絕熱材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)小(較發(fā)泡聚氨酯小100倍以上)；低溫絕熱管之間采用“撐插式法蘭連接”密封性好，法蘭處無冒汗結(jié)霜，其金屬的導(dǎo)熱大大降低；低溫絕熱管分段制作，方便安裝、維護(hù)；管道設(shè)工藝先進(jìn)補(bǔ)償器，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定；外觀設(shè)計美觀；整體管道結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，材料材質(zhì)控制嚴(yán)格，元件加工工藝先進(jìn)，管道使用壽命長；高真空低溫絕熱管道的漏熱量較相同公稱直徑的堆積絕熱管道漏熱量小10倍以上；根據(jù)用戶需要在低溫絕熱管上可增設(shè)高真空多層絕熱低溫截止閥、止回閥、緊急切斷閥、過濾器、安全放空系統(tǒng)等元件.

3.2 氣液分離器

目前液氮制冷用戶為確保制冷效果，對制冷系統(tǒng)終端的液氮的液態(tài)純度要求越來越高，氣液分離器即是為及時排放液氮傳送中汽化所產(chǎn)生的廢氣而設(shè)計.本氣液分離器由分離器本體、射頻導(dǎo)納料位開關(guān)和低溫電磁閥三部分組成(見圖2)，專用于真空管路，確保真空管路在使用過程中，流體介質(zhì)的狀態(tài)為液體輸送至用戶使用點，液氮輸送過程中因汽化產(chǎn)生的氣體在氣液分離器中通過氣液分離器中的液位開關(guān)，控制低溫電磁閥，將氣體排至大氣.具體工作過程為：氣液分離器中液位過低，出液口可能會有氣體隨之輸出時，由射頻導(dǎo)納料位開關(guān)輸出信號給電磁閥打開，排出氣體；液位較高，足以保證氣液分離器下部出液口為純液體時，由射頻導(dǎo)納料位開關(guān)輸出信號給電磁閥關(guān)閉.

該產(chǎn)品在實際使用過程中，使用情況良好，完全滿足要求.

3.2.1 氣液分離器本體

氣液分離器本體設(shè)計為兩端U形，采用多層絕熱低溫真空不銹鋼材料，原理上屬于重力沉降式：在氮的兩相流體一起流動時由于氣氮和液氮顆粒具有不同的密度，氣體流體與液體顆粒受到不同的重力，液體顆粒受到較大的重力作用向下運(yùn)動，而氣體受到較小的重力作用仍朝著原來的方向運(yùn)動，從而實現(xiàn)液體與氣體在重力場中的分離.U形端的設(shè)計較之直筒形，其底部壁面和出液口附近的液體中含氣量很低，可大大提高分離性能[5].

3.2.2 射頻導(dǎo)納料位開關(guān)

基于各種原理測量物位的物位計很多，射頻導(dǎo)納(TCSP)型根據(jù)射頻導(dǎo)納傳感工作原理，可探測各種容器中任何工藝物料的有(高位)或無(低位)，設(shè)置高位或低位模式的報警.較之其它物位計，TCSP型電子線路采用了抗粘附電路，可以在探測真實物位的同時清除粘附和懸掛在探頭周圍的假物位信號的影響.

本設(shè)計選用的是北京北儀同創(chuàng)儀表有限公司的產(chǎn)品TCSP-2B00L450 mm，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

輸出：DPDT；

供電：24VDC；

連接：1″NPT(見圖3)；

溫度：-196℃～80℃

圖3 TCSP的連接

3.2.3 低溫電磁閥與保溫管路

3.2.3.1 低溫電磁閥

系統(tǒng)低溫電磁閥選用的是JVL公司的ZCLD-DN6超低溫電磁閥，其廣泛應(yīng)用于輸送液氮、液氧、液氨、氟利昂、液態(tài)二氧化碳、制冷劑等超低溫介質(zhì)的管路上，完成管路上氣體或液體的自動化控制.其主要技術(shù)參數(shù)：

操作方式：常閉，通電打開、斷電關(guān)閉；

供電：24VDC；

連接方式：內(nèi)螺紋·法蘭；

溫度：-196 ℃～60 ℃

3.2.3.2 保溫管路

該液氮制冷系統(tǒng)在蘇州群星電子技術(shù)有限公司初安裝運(yùn)行時，發(fā)現(xiàn)低溫電磁閥連接處結(jié)冰嚴(yán)重，分析原因是由于電磁閥工作時自身要發(fā)熱，表層溫度可達(dá)50 ℃～60 ℃，而其與分離器本體連接的預(yù)留管處則處低溫，其一冷一熱交替?zhèn)鲗?dǎo)，造成電磁閥連接處表面嚴(yán)重結(jié)冰，為此在低溫電磁閥與分離器連接處又增加了保溫管路系統(tǒng)，并且在實際執(zhí)行中發(fā)現(xiàn)，低溫電磁閥的柄宜長不宜短，短柄對預(yù)留管無法進(jìn)行保冷處理，容易把接電磁閥的預(yù)留管和電磁閥給一起保進(jìn)去.保溫一般采用真空絕熱或堆積絕熱方法，前者絕熱效果好，可以忽略忽略管道的漏熱損失，但造價較高，而后者的缺點是漏熱量較大，但造價低，在要求不高的場合被廣泛采用.考慮到這里只是預(yù)防連接處結(jié)冰嚴(yán)重，故而采用了堆積絕熱方法，即用發(fā)泡劑(聚酯胺)進(jìn)行絕熱保溫，經(jīng)過保溫管路處理，結(jié)冰現(xiàn)象大大緩解，只是有時會有輕微的結(jié)霜.

3.3 液氮制冷單元

典型的液氮制冷有三種類型：液氮既可以直接冷卻反應(yīng)物或流體；也可間接冷卻，如先冷卻冷媒，再冷卻反應(yīng)物；或直接注入反應(yīng)器盤管或夾套來實現(xiàn)冷卻.直接冷卻比間接冷卻所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，為許多公司采用，但經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)許多公司在使用液氮直接注入反應(yīng)器盤管或夾套冷卻時，盤管或夾套換熱表面結(jié)冰，這給系統(tǒng)的制冷能力和生產(chǎn)帶來不利影響.也有報道說，由于結(jié)構(gòu)的限制，液氮直接注入反應(yīng)器盤管或夾套冷卻僅僅利用了液氮的潛熱，沒有利用氮?dú)獾娘@熱，液氮的利用率只有67%.

本系統(tǒng)對液氮直接注入反應(yīng)器盤管或夾套冷卻方式進(jìn)行改進(jìn)，包含特殊設(shè)計的液氮注射器和熱交換器，并選用現(xiàn)代普萊克斯基于液氮制冷單元的DCOOL不結(jié)霜型控制單元(見圖4)，DCOOL控制單元由不銹鋼、哈氏合金或其它防腐合金噴嘴和PLC流量控制系統(tǒng)組成，根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)的熱電偶輸出信號自動地準(zhǔn)確調(diào)節(jié)液氮的注入量.既避免了換熱表面結(jié)冰，并能充分利用液氮的冷量，能快速冷卻到-196 ℃內(nèi)任一深冷溫度，且反應(yīng)物或溶媒不會凍成固體，其制冷效率可達(dá)98%，相比液氮直接注入盤管或夾套冷卻，可節(jié)省30%的液氮消耗[1].另外運(yùn)動部件很少是該制冷系統(tǒng)的特點，其可靠性高，相比復(fù)雜的機(jī)械制冷系統(tǒng)，可大幅節(jié)約維修費(fèi)用[6].

圖4 改進(jìn)的制冷單元

4 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

4.1 系統(tǒng)安裝圖

系統(tǒng)管道和設(shè)備的安裝連接主要以真空母法蘭連接，各部分的口徑尺寸(見圖5).

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

4.2.1 預(yù)冷

(1)貯槽處于正常狀態(tài)，按貯槽系統(tǒng)要求；

(2)緊急切斷電動閥的前后低溫截止閥、旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)；氣液分離器的排氣閥(低溫截止閥、低溫電磁閥)處于全開狀態(tài)；緊急切斷電動閥失電(開).

(3)氣液分離器液位導(dǎo)納開關(guān)電源處于正常通電狀態(tài)，此時低溫電磁閥為得電狀態(tài)(開)；

(4)打開緊急切斷電動閥的前截止閥，緩慢開啟緊急切斷電動閥的后截止閥送液，用小流量液體預(yù)冷真空管道約30 min，保證真空管道的壓力不超過最高工作壓力.此時，貯槽及真空管道內(nèi)的壓力波動較大，待貯槽及真空管道內(nèi)的壓力趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，方可逐步加大輸液量，以防超壓；

(5)在預(yù)冷過程中，若真空管道內(nèi)壓力高于其設(shè)計壓力時，應(yīng)關(guān)閉送液閥，以免安全閥起跳.

(6)當(dāng)電磁閥自動失電(關(guān))，此時預(yù)冷結(jié)束.

4.2.2 輸液

(1)預(yù)冷結(jié)束后，逐步開啟送液閥，直至達(dá)到額定流量；

圖5 系統(tǒng)安裝圖

(2)輸液結(jié)束時，應(yīng)關(guān)閉送液閥，但不得關(guān)閉氣液分離器的電源.因為管道內(nèi)仍有殘余液體，殘余液體會自然汽化，通過氣液分離器正常排放；

4.2.3 氣液分離器調(diào)試

(1)氣液分離器排氣管低溫電磁閥前的低溫截止閥，在正常情況下應(yīng)處于全開狀態(tài)，可以通過關(guān)小該閥，控制排氣速度.應(yīng)注意的是:該閥不允許全關(guān).只有當(dāng)?shù)蜏仉姶砰y出現(xiàn)故障需要更換時，才允許關(guān)閉.

(2)低溫電磁閥為常閉閥門，必須得電后才打開，管路冷卻時，必須通電.

(3)當(dāng)真空管路需要用液氮冷卻時，應(yīng)先將射頻導(dǎo)納料位開關(guān)通電，當(dāng)真空管路全部冷卻后，氣液分離器的液位隨之上漲，當(dāng)液位與射頻導(dǎo)納料位開關(guān)接觸后，即輸出信號，讓低溫電磁閥失電，電磁閥關(guān)閉，排氣結(jié)束.

(4)如需調(diào)節(jié)排氣時間，可調(diào)節(jié)射頻導(dǎo)納料位開關(guān)的時間延遲調(diào)節(jié)，及控制電磁閥前的截止閥開度，進(jìn)行控制排氣時間.

(5)氣液分離器的接線“按TCSP射頻導(dǎo)納料位開關(guān)說明書”，電磁閥應(yīng)串聯(lián)在TCSP射頻導(dǎo)納料位開關(guān)電子線路面板的繼電器中，不通液狀態(tài)，電磁閥應(yīng)得電(打開).

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)首先在蘇州群星電子技術(shù)有限公司安裝調(diào)試并運(yùn)行成功，較好實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)：能快速冷卻到-196℃內(nèi)任一深冷溫度，且制冷效果好、制冷空間大、運(yùn)行平穩(wěn)可靠，滿足了廠家超低溫大規(guī)模電腦主板老化的需求.目前系統(tǒng)已擴(kuò)展到食品(四川茂鼎食品公司)、生物制藥(揚(yáng)州阿斯利康制藥有限公司)領(lǐng)域，使用情況均良好、穩(wěn)定.

[1] 劉 東，謝德成，趙 旻，等.組合式液氮/機(jī)械深冷機(jī)組在制藥行業(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2011(32)：26-30.

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Study on Refrigerating System of Low Temperature Aging Room for Electronics Products Based on Liquid Nitrogen

LI Hui-ying, XU Liu-juan

(School of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the specific requirements of ultra low temperature, a set of low temperature aging room system for electronic products based on liquid nitrogen is studied, which adopts modern advanced liquid nitrogen refrigeration unit based on Praxair. Compared with the traditional liquid nitrogen refrigeration system, the cooling efficiency of new system can reach 98% ,while the traditional efficiency is 67%, by saving 30% of the liquid nitrogen consumption. Its unique gas-liquid separator design and the using of RF admittance level switch contacts can control the opening of low temperature solenoid valve and timely discharge the waste gas produced during the transfer process, which can ensure the pure liquid cooling medium transferred into the aging room, therefore, to ensure the refrigeration effect. By using the low temperature aging room system based on this refrigeration system, the low temperature limit (-70℃) of the general degradation box can be extended, for the extreme low temperature can reach -196℃. The traits of system can be displayed as large refrigerating volume, high refrigerating capacity, good refrigerating effect, and low operating and maintaining costs.

liquid nitrogen; low temperature degradation; refrigeration system; gas-liquid separator; high frequency admittance liquid level switch; low temperature solenoid valve

2015-07-20

浙江省教育廳資助項目(Y201329330)

李惠英(1971-)，女，河北保定人，講師，從事電氣自動化、發(fā)電廠及電力系統(tǒng)等專業(yè)的教學(xué)和研究工作.

TB657

A

1008-536X(2015)09-0077-05