基于液氮的电子产品低温老化房制冷系统研究

李惠英，徐柳娟

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)



基于液氮的电子产品低温老化房制冷系统研究

李惠英，徐柳娟

(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)

针选用先进的现代普莱克斯基于液氮制冷单元，通过独有的气液分离器设计，利用射频导纳料位开关的触点控制低温电磁阀的开启，及时排出输送至低温老化房的液氮在传送过程中汽化产生的废气，确保冷却介质的状态为纯净液体输送至老化房，以确保制冷效果.结果表明采用该制冷系统的老化房，可扩展一般老化箱的低温下限(-70℃)，使低温可达-196℃，且具有制冷容积大，制冷能力强、效果好，可靠性高，运行及维护成本低等特点.

液氮；低温老化；制冷系统；气液分离器；射频导纳料位开关；低温电磁阀

0 引 言

当前电子技术的发展日新月异，突飞猛进，电子产品的性能随着新元件、新技术、新材料、新工艺的不断涌现而日益提高，电子产品的体积与重量日益缩小，技术含量不断扩大，智能化程度成倍提高，对电子产品可靠性的要求已成为衡量其质量最重要的技术指标之一.老化是电子生产厂家为提高产品可靠度，减少返修率常用的方法，它模拟或者等效产品的一种高、低温恶劣工作环境，使产品的缺陷在出厂前暴露，如焊接点的可靠性、产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，以鉴别和剔除产品工艺和元件引起的早期故障，确保整机优秀品质和期望寿命，进入高可靠的稳定期，从而大大减少返修率.

1 低温老化

1.1 老化现状

电子产品在制造过程中都需要进行老化，电子产品老化，比较容易做的是高温老化和高低温老化，技术和装置都相对比较成熟，低温老化严格来说是高低温老化的一个分支.目前国外老化箱的温度调节范围一般在-77 ℃～+180 ℃，而国内市场上老化箱的温度一般在-70 ℃～+120 ℃，容积80 L，基本能满足一般电子厂家产品抽样和实验室研发小规模老化的需求.但随着新元件、新技术、新材料、新工艺的应用，一些高性能电子产品厂家为提高品牌声誉，减少返修率，考核新的元器件或整机的性能，对老化提出了超低温(深冷)、大规模的高规格要求.

1.2 超低温(深冷)老化

超低温(深冷)老化是将被处理的工件置于特定的、可控的低温环境中，使材料的微观组织结构产生变化，达到提高或改善材料性能的一种新技术.深冷处理的温度一般为-100℃～-196℃，被处理材料在低温环境下由于微观组织结构发生了改变，在宏观上表现为材料的表面硬度、冲击韧性、耐磨性、尺寸稳定性、强度、残余应力等方面的提高与改善.

目前市场上有两类超低温制冷系统供选择.一是液氮制冷系统，二是双级压缩或复叠式机械制冷系统[1].前者在整个超低温范围内可提供快速持续的降温，而后者当温度低于-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，不污染环境，不破坏大气臭氧层[2]，因此成为超低温、大规模电子产品老化房制冷系统的首选.

2 低温老化房液氮制冷系统

2.1 系统工作原理

整个系统由液氮贮槽、真空管道、气液分离器、普莱克斯基于液氮制冷单元等组成(见图1).真空管道经充分预冷后，逐步开启送液阀，使贮槽内的液氮先缓慢流往独有设计的真空管道专用气液分离器，待贮槽及真空管道内的压力趋于稳定状态时，方可逐步加大输液量，直至达到额定流量.再如图2所示，气液分离器通过置于其中的射频导纳料位开关的触点，控制低温电磁阀的开启，及时将液氮传送中汽化产生的废气排至大气，最后经软管接至用户端制冷单元，确保了真空管路在使用过程中，流体介质的状态为液体输送至用户使用点.

图1 系统组成框图

图2 气液分离器原理图

采用该系统的老化房，由于液氮深冷技术的应用，极大扩展了一般老化箱的低温下限(-70 ℃)，其低温可达-196 ℃.

2.2 系统材料清单

系统完成制作除分离器本体为合作单位特制外，其余均为选型后采购，主要材料清单(见表1).

表1 系统材料清单

3 主要设备设计选型

3.1 液氮贮槽与真空管道

3.1.1 液氮贮槽

液氮贮槽用于贮存液氮供系统运行使用，大中型空间老化房，液氮贮槽的选择原则是容积一般要大于系统日液氮消耗量的三倍，而系统日液氮消耗量主要需根据系统的制冷量也叫热负荷及液氮的流量和压力等参数来确定[3].本系统在采用标准贮槽的基础上，为实现贮槽的自动控制，增加了1151系列压力和液位变送器，并在贮槽的增压器上安装了一个低温电磁阀，使控制室计算机能对贮槽的压力和液位数据进行集中显示与控制[4].

3.1.2 真空管道

近年来随着低温深冷液体(LNG、LO2、LN2、LAr、LH2、LHe等)在社会各生产领域的广泛应用，传统管道设备的堆积保温方式(如珍珠岩保温、岩棉保温、聚氨酯保温等)因冷损大、低温液体气化率高，使得最终经济损失很大.本系统液氮输送管道采用高真空多层绝热低温管道，其管道夹层采用高真空多层绝热结构，使气体对流传热极小至可忽略不计；高真空绝热材料的有效导热系数小(较发泡聚氨酯小100倍以上)；低温绝热管之间采用“撑插式法兰连接”密封性好，法兰处无冒汗结霜，其金属的导热大大降低；低温绝热管分段制作，方便安装、维护；管道设工艺先进补偿器，结构安全稳定；外观设计美观；整体管道结构设计合理，材料材质控制严格，元件加工工艺先进，管道使用寿命长；高真空低温绝热管道的漏热量较相同公称直径的堆积绝热管道漏热量小10倍以上；根据用户需要在低温绝热管上可增设高真空多层绝热低温截止阀、止回阀、紧急切断阀、过滤器、安全放空系统等元件.

3.2 气液分离器

目前液氮制冷用户为确保制冷效果，对制冷系统终端的液氮的液态纯度要求越来越高，气液分离器即是为及时排放液氮传送中汽化所产生的废气而设计.本气液分离器由分离器本体、射频导纳料位开关和低温电磁阀三部分组成(见图2)，专用于真空管路，确保真空管路在使用过程中，流体介质的状态为液体输送至用户使用点，液氮输送过程中因汽化产生的气体在气液分离器中通过气液分离器中的液位开关，控制低温电磁阀，将气体排至大气.具体工作过程为：气液分离器中液位过低，出液口可能会有气体随之输出时，由射频导纳料位开关输出信号给电磁阀打开，排出气体；液位较高，足以保证气液分离器下部出液口为纯液体时，由射频导纳料位开关输出信号给电磁阀关闭.

该产品在实际使用过程中，使用情况良好，完全满足要求.

3.2.1 气液分离器本体

气液分离器本体设计为两端U形，采用多层绝热低温真空不锈钢材料，原理上属于重力沉降式：在氮的两相流体一起流动时由于气氮和液氮颗粒具有不同的密度，气体流体与液体颗粒受到不同的重力，液体颗粒受到较大的重力作用向下运动，而气体受到较小的重力作用仍朝着原来的方向运动，从而实现液体与气体在重力场中的分离.U形端的设计较之直筒形，其底部壁面和出液口附近的液体中含气量很低，可大大提高分离性能[5].

3.2.2 射频导纳料位开关

基于各种原理测量物位的物位计很多，射频导纳(TCSP)型根据射频导纳传感工作原理，可探测各种容器中任何工艺物料的有(高位)或无(低位)，设置高位或低位模式的报警.较之其它物位计，TCSP型电子线路采用了抗粘附电路，可以在探测真实物位的同时清除粘附和悬挂在探头周围的假物位信号的影响.

本设计选用的是北京北仪同创仪表有限公司的产品TCSP-2B00L450 mm，其主要技术参数如下：

输出：DPDT；

供电：24VDC；

连接：1″NPT(见图3)；

温度：-196℃～80℃

图3 TCSP的连接

3.2.3 低温电磁阀与保温管路

3.2.3.1 低温电磁阀

系统低温电磁阀选用的是JVL公司的ZCLD-DN6超低温电磁阀，其广泛应用于输送液氮、液氧、液氨、氟利昂、液态二氧化碳、制冷剂等超低温介质的管路上，完成管路上气体或液体的自动化控制.其主要技术参数：

操作方式：常闭，通电打开、断电关闭；

供电：24VDC；

连接方式：内螺纹·法兰；

温度：-196 ℃～60 ℃

3.2.3.2 保温管路

该液氮制冷系统在苏州群星电子技术有限公司初安装运行时，发现低温电磁阀连接处结冰严重，分析原因是由于电磁阀工作时自身要发热，表层温度可达50 ℃～60 ℃，而其与分离器本体连接的预留管处则处低温，其一冷一热交替传导，造成电磁阀连接处表面严重结冰，为此在低温电磁阀与分离器连接处又增加了保温管路系统，并且在实际执行中发现，低温电磁阀的柄宜长不宜短，短柄对预留管无法进行保冷处理，容易把接电磁阀的预留管和电磁阀给一起保进去.保温一般采用真空绝热或堆积绝热方法，前者绝热效果好，可以忽略忽略管道的漏热损失，但造价较高，而后者的缺点是漏热量较大，但造价低，在要求不高的场合被广泛采用.考虑到这里只是预防连接处结冰严重，故而采用了堆积绝热方法，即用发泡剂(聚酯胺)进行绝热保温，经过保温管路处理，结冰现象大大缓解，只是有时会有轻微的结霜.

3.3 液氮制冷单元

典型的液氮制冷有三种类型：液氮既可以直接冷却反应物或流体；也可间接冷却，如先冷却冷媒，再冷却反应物；或直接注入反应器盘管或夹套来实现冷却.直接冷却比间接冷却所需设备结构简单，为许多公司采用，但经调研发现许多公司在使用液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却时，盘管或夹套换热表面结冰，这给系统的制冷能力和生产带来不利影响.也有报道说，由于结构的限制，液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却仅仅利用了液氮的潜热，没有利用氮气的显热，液氮的利用率只有67%.

本系统对液氮直接注入反应器盘管或夹套冷却方式进行改进，包含特殊设计的液氮注射器和热交换器，并选用现代普莱克斯基于液氮制冷单元的DCOOL不结霜型控制单元(见图4)，DCOOL控制单元由不锈钢、哈氏合金或其它防腐合金喷嘴和PLC流量控制系统组成，根据反应釜内的热电偶输出信号自动地准确调节液氮的注入量.既避免了换热表面结冰，并能充分利用液氮的冷量，能快速冷却到-196 ℃内任一深冷温度，且反应物或溶媒不会冻成固体，其制冷效率可达98%，相比液氮直接注入盘管或夹套冷却，可节省30%的液氮消耗[1].另外运动部件很少是该制冷系统的特点，其可靠性高，相比复杂的机械制冷系统，可大幅节约维修费用[6].

图4 改进的制冷单元

4 系统的安装与调试

4.1 系统安装图

系统管道和设备的安装连接主要以真空母法兰连接，各部分的口径尺寸(见图5).

4.2 系统调试

4.2.1 预冷

(1)贮槽处于正常状态，按贮槽系统要求；

(2)紧急切断电动阀的前后低温截止阀、旁通阀处于关闭状态；气液分离器的排气阀(低温截止阀、低温电磁阀)处于全开状态；紧急切断电动阀失电(开).

(3)气液分离器液位导纳开关电源处于正常通电状态，此时低温电磁阀为得电状态(开)；

(4)打开紧急切断电动阀的前截止阀，缓慢开启紧急切断电动阀的后截止阀送液，用小流量液体预冷真空管道约30 min，保证真空管道的压力不超过最高工作压力.此时，贮槽及真空管道内的压力波动较大，待贮槽及真空管道内的压力趋于稳定状态时，方可逐步加大输液量，以防超压；

(5)在预冷过程中，若真空管道内压力高于其设计压力时，应关闭送液阀，以免安全阀起跳.

(6)当电磁阀自动失电(关)，此时预冷结束.

4.2.2 输液

(1)预冷结束后，逐步开启送液阀，直至达到额定流量；

图5 系统安装图

(2)输液结束时，应关闭送液阀，但不得关闭气液分离器的电源.因为管道内仍有残余液体，残余液体会自然汽化，通过气液分离器正常排放；

4.2.3 气液分离器调试

(1)气液分离器排气管低温电磁阀前的低温截止阀，在正常情况下应处于全开状态，可以通过关小该阀，控制排气速度.应注意的是:该阀不允许全关.只有当低温电磁阀出现故障需要更换时，才允许关闭.

(2)低温电磁阀为常闭阀门，必须得电后才打开，管路冷却时，必须通电.

(3)当真空管路需要用液氮冷却时，应先将射频导纳料位开关通电，当真空管路全部冷却后，气液分离器的液位随之上涨，当液位与射频导纳料位开关接触后，即输出信号，让低温电磁阀失电，电磁阀关闭，排气结束.

(4)如需调节排气时间，可调节射频导纳料位开关的时间延迟调节，及控制电磁阀前的截止阀开度，进行控制排气时间.

(5)气液分离器的接线“按TCSP射频导纳料位开关说明书”，电磁阀应串联在TCSP射频导纳料位开关电子线路面板的继电器中，不通液状态，电磁阀应得电(打开).

5 结 语

该系统首先在苏州群星电子技术有限公司安装调试并运行成功，较好实现了预期目标：能快速冷却到-196℃内任一深冷温度，且制冷效果好、制冷空间大、运行平稳可靠，满足了厂家超低温大规模电脑主板老化的需求.目前系统已扩展到食品(四川茂鼎食品公司)、生物制药(扬州阿斯利康制药有限公司)领域，使用情况均良好、稳定.

[1] 刘 东，谢德成，赵 旻，等.组合式液氮/机械深冷机组在制药行业中的应用[J].机电信息，2011(32)：26-30.

[2] 朱魁章，乐子玲，韩 锐.用液氮制冷的高低温箱的设计[J].制冷，1997(2)：40-43.

[3] 黄本诚.中国航天空间环境工程著名专家黄本诚文集[M].中央编译出版社,2007.

[4] 孙来燕，刘波涛，余品瑞.大型空间环境模拟器的一种液氮制冷系统[J].低温工程，1999(4)：236-238.

[5] 单华伟.适用于低温蒸发系统高效气液分离器的研究[D].南京：南京航空航天大学,2010.

[6] 田 昕，周 峰，马国远.液氮制冷的技术经济性分析[C].第四届中国冷冻冷藏新技术、新设备研讨会论文集，2009：94-97.

[7] 李 斌，李春光.射频导纳物位计在生产中的应用[J].石油化工自动化，2007(1):63-64.

[8] 顾开选，王俊杰，施 丰.深冷技术工艺及设备的最新进展[C].先进节能热处理技术与装备研讨会，2012：43-45.

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

浙江省教育厅资助项目(Y201329330)

李惠英(1971-)，女，河北保定人，讲师，从事电气自动化、发电厂及电力系统等专业的教学和研究工作.

TB657

A

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