随着低温技术和超导领域的持续进步，其在核聚变实验平台、超导能量储存站及航空航天领域的应用日益深化，从而催生了对高效低温冷却设备日益增长的需求。在这一背景下，铝制板翅型热交换器在超低温冷却系统中找到了用武之地，作为紧凑高效的热交换解决方案。
这种板翅式换热器，以其紧凑的设计著称，早在20世纪30年代便通过钎焊工艺在国外实现了量产。而我国紧随其后，于70年代自主研发并成功制造出高性能的铝质板翅式换热器。经过数十年的技术积累和创新，我国在该领域的设计与制造能力已显著提升，确保了铝制板翅式换热器在低温技术前沿应用的可靠性与先进性。
1.1 铝制板翅换热器的构造剖析
铝制板翅式换热器巧妙融合了翅片（或导流片）、封条与隔板（或侧板），构建出多个夹层通道。这些通道经精心设计叠加或排列，形成众多平行路径，随后通过钎焊工艺无缝融合成坚固的板束结构。最后，配以精密的流体进出口封头，构成了完整且高效的换热系统。翅片作为核心元件，形态多样，包括锯齿型、多孔型、平直型及波纹型等，它们肩负着促进流体间热能传递的重任。导流片，尤以其多孔形态，精准引导流体进出，优化流动路径。封条则紧密环绕于换热器边缘，既封闭又稳固各通道。隔板作为翅片间的桥梁，表面覆有钎料合金，钎焊时合金熔化，实现翅片、封条与隔板的紧密结合，形成整体。
1.2 热传递机制解析
铝制板翅换热器的卓越传热性能，主要归功于其独特的翅片设计。虽然隔板也参与部分传热，但翅片才是主角。翅片通过其二次表面换热机制，间接实现热流体与冷流体间的能量传递，这一过程相较于直接（一次）表面换热，效率上有所折损，但整体而言，翅片的广泛分布与多样形态极大地提升了换热器的整体传热效率。
.
2铝制板翅式换热器在氦低温制冷系统中的应用
2. 铝制板翅换热器在氦超低温制冷技术中的核心应用
鉴于其结构紧凑性、轻量化设计及卓越的传热效能，铝制板翅式换热器在众多工业及科研领域，如空气分离、天然气液化、液氮处理、油气提炼、合成氨生产、航空航天及制冷空调等，均展现出广泛应用价值。随着国内液氦超低温与超导科技的飞跃，该类型换热器在氦基低温系统中的地位愈发重要。
2.1 大型超低温制冷技术的演进
大型超低温制冷系统，特指能在20K以下维持高效制冷的系统，其制冷能力动辄数百瓦以上。随着超导技术的蓬勃发展，超导磁体在核聚变实验、高能粒子加速器、强磁场设施等尖端科研领域的应用日益深化。同时，低温制冷技术也为超导储能、超导运输及电力系统、航天航空等领域注入了新的活力。为提升超导磁体的运行稳定性和磁场强度，国内广泛采用4.5K超临界氦强迫冷却技术。中国科学院等离子体物理研究所针对氦低温过冷技术进行了深入探索，成功构建了相关测试平台，并自主研发了500W/4.5K及2.5kW/4.5K的氦制冷机。
2.2 板翅式换热器在2.5kW/4.5K氦制冷系统的关键作用
氦低温过冷系统集成了氦制冷机与过冷测试分配系统，其中，2.5kW/4.5K氦制冷机作为核心组件，采用液氮预冷与双透平膨胀机串联的Claude制冷循环设计。该系统利用冷压机在低温低压条件下对液氦槽进行真空降压处理，以获取3K级别的过冷氦。
聚焦2.5kW/4.5K氦制冷机，其制冷流程复杂而精密。压缩机排放的高压氦气，在经历水冷、净化后，进入冷箱。冷箱内，氦气通过板翅式换热器HX1与液氮槽HX2的协同作用，在80K以上温区实现初步降温。随后，高压氦气在板翅式换热器HX3中进一步冷却，分流至透平膨胀机与节流阀路径。透平T1与T2的连续作用，结合板翅式换热器HX5的强化冷却，确保了透平路与高压路氦气的深度降温。主流路氦气在HX7及透平T3中经历多次降温与节流，最终在HX8中达到最终冷却状态，以极低压力进入液氦槽。图1直观展示了2.5kW/4.5K氦制冷机冷箱的详细流程，凸显了板翅式换热器在整个制冷过程中的关键作用。
.
图1 2.5kW/4.5K氦制冷机冷箱流程简图
从2.5kW/4.5K氦制冷机系统可以看出，整个氦低温过冷系统中，除了压缩机与膨胀机，大部分换热设备均采用铝制板翅式换热器。随着大型氦低温系统的不断发展，核心设备铝制板翅式换热器的设计制造水平的提高，也显得更加重要。
结论：
①铝制板翅式换热器是一种换热效率高、结构紧凑的换热器设备，具有体积小、质量轻、单位体积换热面积大等优点，能满足氦低温过冷传热要求。
②在满足氦低温过冷传热要求下，要求我们合理结合换热能效和压降，设计出最优方案，即在满足传热和压降的情况下，优化方案，减小换热器体积，从而减小氦低温过冷系统冷箱的体积，减少成本和占地面积。
③氦低温过冷系统一般采用的真空绝热，这就要求氦低温系统冷箱内的铝制板翅式换热器具有极低的泄露率，通过优化钎焊工艺，可以不断提高铝制板翅式换热器钎焊质量，降低换热器的内外泄露率，保证换热器的可靠性。
在能源转型与绿色发展的浪潮中，航烨能源公司以其前瞻性的战略视野、创新的技术实力以及深厚的行业积淀，持续引领着能源行业的绿色变革。我们致力于成为清洁能源解决方案的卓越提供者，通过不断优化能源结构，提升能源利用效率，为全球可持续发展贡献航烨力量。展望未来，航烨能源将继续秉承“科技驱动绿色未来”的核心理念，携手各界伙伴，共同开创一个更加清洁、高效、可持续的能源新时代。
