低溫探針臺(tái)液氮管路保冷設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析

賈月明，劉路寬，高 岳

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

探針臺(tái)主要用于器件測(cè)試，可提供受控的測(cè)量環(huán)境，通過探針針尖與芯片焊盤之間的物理接觸實(shí)現(xiàn)芯片電氣性能參數(shù)的測(cè)試。在硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化鋁鎵(AlGaAs)等材料制成的量子阱光電探測(cè)器的功能參數(shù)、工藝參數(shù)測(cè)試與失效分析中，低溫環(huán)境是必不可少的檢測(cè)條件。使用液氮、液氦或其他制冷方法可以獲得77 K 或更低溫度的測(cè)試環(huán)境，其中：液氮的沸點(diǎn)為-196 ℃，是無色、透明且易于流動(dòng)的液體，它既不爆炸也無毒性，是低溫技術(shù)中最常用的安全冷卻劑或預(yù)冷劑[1]。在低溫探針臺(tái)的液氮制冷系統(tǒng)中，液氮在輸送過程中溫度極低，需要采用適宜的保冷結(jié)構(gòu)來減少冷量損失；但液氮管路和保冷材料不可避免地因溫度分布不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力，對(duì)液氮管路的正常運(yùn)行造成安全隱患。進(jìn)行液氮管路的保冷設(shè)計(jì)，研究其運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力分布，對(duì)液氮管路的安全運(yùn)行和低溫探針臺(tái)的可靠性具有重要意義。

1 液氮管路的保冷結(jié)構(gòu)

保冷結(jié)構(gòu)[2]一般由防銹層、保冷層、防潮層和保護(hù)層組成。液氮管路采用奧氏體不銹鋼，其保冷結(jié)構(gòu)無需再設(shè)置防銹層，如圖1 所示。

圖1 液氮管路的保冷結(jié)構(gòu)

保冷層應(yīng)選擇熱導(dǎo)率低、吸水率小的材料，可有效地阻止外部的水氣向保冷層內(nèi)部擴(kuò)散。保冷層選用溫度適應(yīng)范圍大于液氮輸送溫度的材料，同時(shí)應(yīng)具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在正常工作狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)軟化、脆裂、老化等現(xiàn)象。防潮層應(yīng)選擇化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕、防水防潮性能優(yōu)良的材料，在低溫工況下不發(fā)生脆化、開裂、脫落等現(xiàn)象，防止大氣中的水氣進(jìn)入保冷層而導(dǎo)致保冷層的導(dǎo)熱系數(shù)大幅上升。保護(hù)層應(yīng)選擇強(qiáng)度高、抗大氣腐蝕、防水、防潮的材料，有效地保護(hù)保冷層和防潮層，防止環(huán)境和外力對(duì)保冷層和防潮層造成影響。

2 液氮管路保冷層厚度的計(jì)算

液氮管路保冷效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到設(shè)備的測(cè)試效率和能耗成本。液氮管路保冷層厚度計(jì)算時(shí)由于保冷設(shè)計(jì)輸入的限制條件不同，得出的結(jié)果也會(huì)有很大差異，通常采用的方法有[3]：限定外表面溫度法、限定金屬壁溫度法、限定散熱熱流損失法、限定內(nèi)部介質(zhì)溫升法等。

低溫探針臺(tái)液氮管路保冷設(shè)計(jì)時(shí)要求保冷結(jié)構(gòu)表面溫度高于環(huán)境的露點(diǎn)溫度，防止液氮管路的保冷結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凝霜結(jié)冰現(xiàn)象；同時(shí)要求液氮管路輸送的液氮不能過度氣化，否則會(huì)造成設(shè)備測(cè)試效率明顯下降甚至導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。根據(jù)低溫探針臺(tái)液氮管路保冷的目的，保冷層厚度計(jì)算方法選用限定外表面溫度法和限定散熱熱流損失法。

2.1 限定外表面溫度法

液氮管路采用單層保冷結(jié)構(gòu)，同時(shí)防止管路外表面結(jié)露，保冷層厚度計(jì)算方式為：

式中：δ 為保冷層厚度；D1為保冷層外徑；D0為管路外直徑；λ 為保冷材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；T0為管路的外表面溫度；TS為保冷層的外表面溫度；Ta為環(huán)境溫度；αS為保冷層外表面與周圍大氣的換熱系數(shù)；K為保冷層厚度修正系數(shù)。

設(shè)計(jì)時(shí)，液氮管路外直徑D0為20 mm，保冷材料選用聚異三聚氰酸酯，λ 為0.015 W/（m·℃），αS取8.141 W（/m·2℃），工作條件下露點(diǎn)溫度為20.3 ℃，TS取露點(diǎn)溫度加1 ℃，Ta為25 ℃，K取1.2，采用限定外表面溫度法計(jì)算保冷層厚度，圓整后取δ為60 mm。

2.2 限定散熱熱流損失法

液氮管路較長(zhǎng)，液氮流量較小，為防止液氮過度氣化，在限定散熱熱流損失條件下保冷層厚度計(jì)算方式為：

式中：[Q]為以每平方米保冷層外表面積為單位的最大允許冷損失量。

最大允許冷損失量[Q]，按下列公式計(jì)算：

當(dāng)Ta-Td≤4.5 時(shí)，

當(dāng)Ta-Td＞4.5 時(shí)，

式中：Td為工作條件下露點(diǎn)溫度。

設(shè)計(jì)時(shí)，液氮管路工作環(huán)境溫度Ta與露點(diǎn)溫度Td之差為4.7 ℃，[Q]按公式(6)取值，采用限定散熱熱流損失法計(jì)算保冷層厚度，圓整后取δ 為52 mm。

綜合兩種方法的計(jì)算結(jié)果，低溫探針臺(tái)液氮管路保冷層厚度為60 mm。

3 應(yīng)力分析

低溫探針臺(tái)液氮管路的應(yīng)力分析是保證設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一。利用ANSYS 軟件對(duì)液氮管路和保冷層進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，研究其應(yīng)力分布。熱結(jié)構(gòu)耦合分析方法分為直接耦合法和間接耦合法，其中：直接耦合法使用耦合單元進(jìn)行非線性分析，同時(shí)施加熱分析和結(jié)構(gòu)分析的約束和載荷；間接耦合法先進(jìn)行熱分析得到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)溫度分布，然后把溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行應(yīng)力分析。

采用間接耦合法進(jìn)行有限元分析，液氮管路穩(wěn)定工作時(shí)，管路和保冷層處于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，管路沿長(zhǎng)度方向的溫度變動(dòng)很小，故忽略其長(zhǎng)度方向的溫度差異。取長(zhǎng)0.2 m 的一段液氮管路和保冷層作為研究對(duì)象，在求解過程中不考慮管道自重、保冷層和管道之間的預(yù)應(yīng)力。

3.1 熱分析

進(jìn)行熱分析時(shí)，先創(chuàng)建熱單元類型為PLANE77 單元，然后分別定義兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。液氮管路半剖面結(jié)構(gòu)如圖2 所示，利用軟件提供的建模功能建立兩個(gè)矩形面并進(jìn)行粘接。選擇映射法用四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖3 所示。

在穩(wěn)態(tài)傳熱工況下，分別施加邊界條件：液氮和管路內(nèi)壁之間屬于對(duì)流傳熱方式，將液氮溫度和對(duì)流換熱系數(shù)添加于液氮管路內(nèi)邊界線上；保冷層外壁與大氣之間屬于對(duì)流傳熱和輻射傳熱兩種方式，由于保冷層外壁和大氣溫度接近，輻射傳熱量很小，在分析時(shí)予以忽略，將大氣溫度和對(duì)流換熱系數(shù)添加于保冷層外邊界線上。通過軟件求解，得出溫度場(chǎng)結(jié)果。

圖2 液氮管路半剖面結(jié)構(gòu)

圖3 液氮管路模型網(wǎng)格劃分

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí)，先將熱單元PLANE77轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元PLANE82，設(shè)定單元軸對(duì)稱選項(xiàng)；然后分別定義材料特性參數(shù)。施加約束時(shí)，忽略液氮管路沿管路長(zhǎng)度方向的位移，約束管路兩側(cè)沿壁厚方向的位移。施加壓力載荷時(shí)，由于液氮管路內(nèi)部液體產(chǎn)生的壓力作用在管路內(nèi)壁上，在液氮管路內(nèi)邊界線上添加壓力載荷0.3 MPa。讀入熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度并指定參考溫度25 ℃。通過計(jì)算，得到液氮管路保冷結(jié)構(gòu)在工作條件下的Von Mises 應(yīng)力分布如圖4 所示。

從圖4 可以看出，管路壁的徑向應(yīng)力值變化較大，管路與保冷層交界處的應(yīng)力達(dá)到最大值，為66.9 MPa；隨著保冷層半徑的逐漸增大，其熱應(yīng)力不斷減小。低溫探針臺(tái)液氮管路采用0Cr18Ni9 鋼管，其許用應(yīng)力根據(jù)GB 50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)取137 MPa[4]。液氮管路最大應(yīng)力小于管路的許用應(yīng)力，根據(jù)第四強(qiáng)度理論判斷可靠性，材料強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，液氮管路可以安全運(yùn)行。

圖4 液氮管路的Von Mises 應(yīng)力

4 結(jié) 論

研究了低溫探針臺(tái)液氮管路的保冷結(jié)構(gòu)，采用限定外表面溫度法、限定散熱熱流損失法計(jì)算保冷層厚度，并對(duì)液氮管路進(jìn)行了熱應(yīng)力的有限元分析，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，保證了液氮管路以及低溫探針臺(tái)的安全運(yùn)行，為低溫探針臺(tái)液氮管路保冷設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。