低温探针台液氮管路保冷设计与应力分析

贾月明，刘路宽，高 岳

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

探针台主要用于器件测试，可提供受控的测量环境，通过探针针尖与芯片焊盘之间的物理接触实现芯片电气性能参数的测试。在硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铝镓(AlGaAs)等材料制成的量子阱光电探测器的功能参数、工艺参数测试与失效分析中，低温环境是必不可少的检测条件。使用液氮、液氦或其他制冷方法可以获得77 K 或更低温度的测试环境，其中：液氮的沸点为-196 ℃，是无色、透明且易于流动的液体，它既不爆炸也无毒性，是低温技术中最常用的安全冷却剂或预冷剂[1]。在低温探针台的液氮制冷系统中，液氮在输送过程中温度极低，需要采用适宜的保冷结构来减少冷量损失；但液氮管路和保冷材料不可避免地因温度分布不均而产生热应力，对液氮管路的正常运行造成安全隐患。进行液氮管路的保冷设计，研究其运行状态下的应力分布，对液氮管路的安全运行和低温探针台的可靠性具有重要意义。

1 液氮管路的保冷结构

保冷结构[2]一般由防锈层、保冷层、防潮层和保护层组成。液氮管路采用奥氏体不锈钢，其保冷结构无需再设置防锈层，如图1 所示。

图1 液氮管路的保冷结构

保冷层应选择热导率低、吸水率小的材料，可有效地阻止外部的水气向保冷层内部扩散。保冷层选用温度适应范围大于液氮输送温度的材料，同时应具备足够的机械强度，在正常工作状态下不会出现软化、脆裂、老化等现象。防潮层应选择化学性能稳定、耐腐蚀、防水防潮性能优良的材料，在低温工况下不发生脆化、开裂、脱落等现象，防止大气中的水气进入保冷层而导致保冷层的导热系数大幅上升。保护层应选择强度高、抗大气腐蚀、防水、防潮的材料，有效地保护保冷层和防潮层，防止环境和外力对保冷层和防潮层造成影响。

2 液氮管路保冷层厚度的计算

液氮管路保冷效果的优劣直接关系到设备的测试效率和能耗成本。液氮管路保冷层厚度计算时由于保冷设计输入的限制条件不同，得出的结果也会有很大差异，通常采用的方法有[3]：限定外表面温度法、限定金属壁温度法、限定散热热流损失法、限定内部介质温升法等。

低温探针台液氮管路保冷设计时要求保冷结构表面温度高于环境的露点温度，防止液氮管路的保冷结构出现凝霜结冰现象；同时要求液氮管路输送的液氮不能过度气化，否则会造成设备测试效率明显下降甚至导致设备不能正常工作。根据低温探针台液氮管路保冷的目的，保冷层厚度计算方法选用限定外表面温度法和限定散热热流损失法。

2.1 限定外表面温度法

液氮管路采用单层保冷结构，同时防止管路外表面结露，保冷层厚度计算方式为：

式中：δ 为保冷层厚度；D1为保冷层外径；D0为管路外直径；λ 为保冷材料在平均温度下的导热系数；T0为管路的外表面温度；TS为保冷层的外表面温度；Ta为环境温度；αS为保冷层外表面与周围大气的换热系数；K为保冷层厚度修正系数。

设计时，液氮管路外直径D0为20 mm，保冷材料选用聚异三聚氰酸酯，λ 为0.015 W/（m·℃），αS取8.141 W（/m·2℃），工作条件下露点温度为20.3 ℃，TS取露点温度加1 ℃，Ta为25 ℃，K取1.2，采用限定外表面温度法计算保冷层厚度，圆整后取δ为60 mm。

2.2 限定散热热流损失法

液氮管路较长，液氮流量较小，为防止液氮过度气化，在限定散热热流损失条件下保冷层厚度计算方式为：

式中：[Q]为以每平方米保冷层外表面积为单位的最大允许冷损失量。

最大允许冷损失量[Q]，按下列公式计算：

当Ta-Td≤4.5 时，

当Ta-Td＞4.5 时，

式中：Td为工作条件下露点温度。

设计时，液氮管路工作环境温度Ta与露点温度Td之差为4.7 ℃，[Q]按公式(6)取值，采用限定散热热流损失法计算保冷层厚度，圆整后取δ 为52 mm。

综合两种方法的计算结果，低温探针台液氮管路保冷层厚度为60 mm。

3 应力分析

低温探针台液氮管路的应力分析是保证设备安全运行的关键设计环节之一。利用ANSYS 软件对液氮管路和保冷层进行热结构耦合分析，研究其应力分布。热结构耦合分析方法分为直接耦合法和间接耦合法，其中：直接耦合法使用耦合单元进行非线性分析，同时施加热分析和结构分析的约束和载荷；间接耦合法先进行热分析得到结构节点温度分布，然后把温度作为体载荷施加到结构上进行应力分析。

采用间接耦合法进行有限元分析，液氮管路稳定工作时，管路和保冷层处于稳态温度场，管路沿长度方向的温度变动很小，故忽略其长度方向的温度差异。取长0.2 m 的一段液氮管路和保冷层作为研究对象，在求解过程中不考虑管道自重、保冷层和管道之间的预应力。

3.1 热分析

进行热分析时，先创建热单元类型为PLANE77 单元，然后分别定义两种材料的导热系数。液氮管路半剖面结构如图2 所示，利用软件提供的建模功能建立两个矩形面并进行粘接。选择映射法用四边形单元划分网格，如图3 所示。

在稳态传热工况下，分别施加边界条件：液氮和管路内壁之间属于对流传热方式，将液氮温度和对流换热系数添加于液氮管路内边界线上；保冷层外壁与大气之间属于对流传热和辐射传热两种方式，由于保冷层外壁和大气温度接近，辐射传热量很小，在分析时予以忽略，将大气温度和对流换热系数添加于保冷层外边界线上。通过软件求解，得出温度场结果。

图2 液氮管路半剖面结构

图3 液氮管路模型网格划分

3.2 结构应力分析

进行结构应力分析时，先将热单元PLANE77转化为结构单元PLANE82，设定单元轴对称选项；然后分别定义材料特性参数。施加约束时，忽略液氮管路沿管路长度方向的位移，约束管路两侧沿壁厚方向的位移。施加压力载荷时，由于液氮管路内部液体产生的压力作用在管路内壁上，在液氮管路内边界线上添加压力载荷0.3 MPa。读入热分析得到的节点温度并指定参考温度25 ℃。通过计算，得到液氮管路保冷结构在工作条件下的Von Mises 应力分布如图4 所示。

从图4 可以看出，管路壁的径向应力值变化较大，管路与保冷层交界处的应力达到最大值，为66.9 MPa；随着保冷层半径的逐渐增大，其热应力不断减小。低温探针台液氮管路采用0Cr18Ni9 钢管，其许用应力根据GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》应取137 MPa[4]。液氮管路最大应力小于管路的许用应力，根据第四强度理论判断可靠性，材料强度满足设计要求，液氮管路可以安全运行。

图4 液氮管路的Von Mises 应力

4 结 论

研究了低温探针台液氮管路的保冷结构，采用限定外表面温度法、限定散热热流损失法计算保冷层厚度，并对液氮管路进行了热应力的有限元分析，计算结果满足设计规范的要求，保证了液氮管路以及低温探针台的安全运行，为低温探针台液氮管路保冷设计提供了理论依据。