大口径低温泵之制冷机R65的研制
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
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
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。
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。
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。
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
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.
