1 铝制板翅式换热器介绍

1.1 铝制板翅式换热器结构

板翅式换热器由翅片、封条与隔板精心构建，这些部件共同形成层叠的夹层通道，通过特定的排列与叠加，构筑出多条平行的流体通道。这些通道经由钎焊技术牢固结合，形成板束单元，随后配以流体进出口的封头结构，便构成了完整的板翅式换热器。翅片，作为其核心组件，形式多样，如锯齿型、多孔型、平直型及波纹型等，主要负责促进流体间的热交换。导流片，特定为多孔型翅片，专司流体进出口的导向职责。封条则环绕换热器边缘，既封闭又支撑各通道。隔板则是翅片间的金属平板，其表面预涂钎料合金，在钎焊过程中合金熔化，实现翅片、封条与隔板的紧密结合，确保换热器结构的一体性与稳固性。

1.2 传热机理

铝制板翅式换热器的热传递效率主要依赖于其翅片结构，而隔板则仅贡献了一小部分热量交换。这是因为翅片并不直接实现热流体与冷流体之间的能量传递，而是通过所谓的“二次表面换热”机制来工作。在此过程中，翅片的效率相较于直接的热流体与冷流体接触（即一次表面换热）而言，往往要低许多，这主要是因为二次换热涉及到了更复杂的热传导路径和可能的热阻增加。

2 铝制板翅式换热器在氦低温制冷系统中的应用

铝制板翅式换热器凭借其紧凑的结构设计、轻盈的材质以及卓越的传热效率，在众多领域如空气分离、天然气液化与提纯、液氮洗涤、油田气处理、合成氨生产、航空航天、汽车制造、制冷技术及空调系统等均得到了广泛应用。随着国内液氦低温技术与超导科技的持续进步，铝制板翅式换热器在氦低温系统中的应用范围亦日益扩大，展现出其强大的适应性和广泛的应用前景。

2.1 大型低温制冷系统的发展

大型低温制冷系统，特指能在20K以下温度区间实现数百瓦以上制冷量的系统，近年来因低温与超导技术的飞跃而备受瞩目。这些技术革新使得超导磁体在核聚变实验、高能物理研究、强磁场构建等尖端工程领域的应用显著扩展。同时，低温制冷系统也在超导储能、运输、电力传输以及航空航天等多个关键领域展现出了广泛应用潜力。

我国低温技术的发展可追溯至20世纪50年代末期，初期标志为1959年首台液氢预冷氦液化器的诞生。随后，1964年中国科学院物理所研发的长活塞型膨胀机成功应用于氦液化，尽管当时液化能力有限。至1987年，我国已能建造采用逆布雷顿循环的KM-4空间模拟装置，其制冷性能显著提升，达到1.2kW制冷量及20K低温。

当前，为提升超导磁体的运行稳定性和性能边界，国内普遍采用4.5K超临界氦强迫冷却技术。中国科学院等离子体所在此领域尤为活跃，不仅进行了深入的氦低温过冷系统实验与研究，还自主构建了测试平台，成功设计并制造了500W/4.5K与2.5kW/4.5K规格的氦制冷机，为我国低温技术的进一步发展奠定了坚实基础。

2.2 板翅式换热器在 2.5kW/4.5K 氦制冷系统中的具体应用

氦低温过冷系统测试研究平台的核心组成部分为氦制冷机与过冷测试分配系统。该平台通过部署一台2.5kW/4.5K规格的氦制冷机，并借助冷压机在特定的低温低压环境下对液氦槽实施真空降压处理，成功实现了3K级过冷氦的制备。

此处，我们聚焦于2.5kW/4.5K氦制冷机的详细介绍，而过冷测试分配系统则简要提及。这款大型氦制冷机采用了先进的Claude制冷循环技术，融合了液氮预冷与两台透平膨胀机串联的设计，其节流路径融合了透平膨胀机与节流阀的优势。该制冷机专为纯制冷模式设计，该模式下能提供2.6kW/4.5K的制冷量，或在纯液化模式下达到550L/hr的液化率。

压缩机作为制冷循环的起点，其排气压力是整个系统中的最高点，该压力设定参考了EAST氦低温系统的压缩机参数，设定为20bar。随后，氦气经过水冷、除油、吸附及干燥等预处理步骤，压力略有下降至19.5bar后，进入制冷机冷箱。

在冷箱内，初始温度为310K的氦气首先通过板翅式换热器HX1及液氮槽HX2，在80K以上温区由液氮及低压冷氦气协同降温。随后，高压氦气在HX3中进一步被低压冷氦气冷却，并分流至透平路与节流路。透平T1首先对高压氦气进行初步降温，随后在HX5中，低压冷氦气再次对透平路及高压路的氦气进行降温，并推动透平T2继续降温过程。透平T2出口的气体汇入低压路，以补充冷量并平衡主流路氦气流量。主流路氦气经HX7降温后，在透平T3中经历节流降温，最终通过HX8降至最终温度，并以1.25bar的压力进入液氦槽。图1直观展示了这一复杂的冷箱流程。

图1 2.5kW/4.5K氦制冷机冷箱流程简图

在2.5kW/4.5K氦制冷机系统中，一个显著的特点是除了压缩机与膨胀机这些关键动力设备外，系统中大部分的热量交换任务都交由了铝制板翅式换热器来完成。这一设计选择不仅凸显了铝制板翅式换热器在氦低温过冷系统中的核心地位，也预示着随着大型氦低温系统技术的持续进步，对铝制板翅式换热器设计制造水平的要求将愈发严苛与重要。因此，提升铝制板翅式换热器的设计与制造能力，对于推动整个氦低温过冷系统的发展具有至关重要的意义。

3 总结

铝制板翅式换热器高效紧凑，适用于氦低温过冷系统，需平衡换热效率与压降以优化设计，减小体积与成本。采用真空绝热，要求换热器极低泄露率。优化钎焊工艺提升质量，确保换热器可靠性。

航烨能源在铝制板翅式换热器领域展现出显著贡献，通过技术创新提升换热器设计与制造水平，满足氦低温过冷等高端应用需求。其产品在航空航天、制冷技术及低温科技等领域广泛应用，推动了相关领域的技术进步与产业发展。