汽车、制冷、空调等领域。随着我国液氦低温、超导技术的不断发展，铝制板翅式换热器在氦低温系统中的应用也越来越广泛。
2.1 大型低温制冷系统的发展
大型低温制冷系统是指制冷温度在20K以下，制冷量达到数百瓦以上的制冷系统[2]。近年来，随着低温、超导等技术的不断发展，超导磁体在核聚变实验装置、高能粒子加速器、强磁场装置等大型工程研究领域的应用越来越广泛。同时，低温制冷系统在超导储能电站、超导运输系统、超导电力系统、航天航空等方面也得到了广泛应用。
我国的低温系统发展于20世纪50年代末。1959年，我国生产出第一台液氢预冷的氦液化器，中国科学院物理所于1964年成功研制出长活塞型膨胀机并应用于氦液化器，其液化量不超过50L/h。1987年，我国建造出采用逆布雷顿制冷循环氦制冷机的KM-4空间模拟装置，其制冷量达到1.2kW，温度达到20K[3-5]。
目前，国内普遍采用4.5K超临界氦迫流冷却来增加超导磁体运行的温度裕度和磁场强度，以提高系统的稳定性。近年来，中国科学院等离子体所针对氦低温过冷系统做了大量实验和研究，并建立了氦低温过冷系统测试研究实验平台，自行设计建造500W/4.5K氦制冷机和2.5kW/4.5K氦制冷机。
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主要包括氦制冷机和过冷测试分配系统，通过建造一套2.5kW/4.5K氦制冷机，并利用冷压机在低温低压下直接对液氦槽抽真空降压，来获取3K的过冷氦。
在这里，主要介绍2.5kW/4.5K氦制冷机，过冷测试分配系统不作过多介绍。2.5kW/4.5K氦制冷机属于大型氦制冷机，采用带液氮预冷的两台透平膨胀机串联Claude制冷循环，节流路采用透平膨胀机和节流阀。2.5kW/4.5K氦制冷机按纯制冷模式设计，纯制冷模式下的制冷量为2.6kW/4.5K，纯液化模式下液化率为550L/hr。
压缩机排气压力是氦制冷循环中最高压力，参照EAST氦低温系统压缩机参数。制冷模式下压缩机高压压力为20bar，经过水冷、除油、吸附和干燥后，下降至19.5bar进入制冷机冷箱。
经水冷后，进入冷箱的氦气温度取310K，80K以上温区由液氮及低压冷氦气通过板翅式换热器HX1和液氮槽HX2进行降温。高压氦气在板翅式换热器HX3中被低压冷氦气冷却后，分成透平路和节流路。高压氦气经透平T1后降温，板翅式换热器HX5中低压冷氦气将透平路和高压路的氦气降温经透平T2继续降温，最后返回低压路以补充低压路氦气冷量，平衡主流路氦气。主流路氦气经换热器HX7降温后在透平T3中节流降温，最后在板翅式换热器HX8降温后节流至1.25bar进入液氦槽。2.5kW/4.5K氦制冷机冷箱流程见图1。
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。
3 铝制板翅式换热器的设计
随着计算机辅助设计方法的不断发展及在化工设计领域的广泛应用，板翅式换热器的计算也告别了过去手工计算设计的模式。目前，MUSE软件是大家认可且比较通用的板翅式换热器设计软件[6]，可以进行板翅式换热器相关设计与校核，不仅能进行两股流体的简单计算设计，还能进行多股流体的复杂设计计算。通常根据设计参数采用设计模式确定设计方案，然后采用校核模式对设计方案进行优化，从而完成板翅式换热器的设计。
3.1 流体设计参数
氦低温过冷系统冷箱中板翅式换热器众多，以其中一台为例介绍利用MUSE软件设计板翅式换热器，冷流和热流均为氦气，具体参数如表1。
3.2 翅片选型
板翅式换热器的翅片可根据使用场合选择合适的翅型，应综合考虑设计压力、流体状态、允许压降、流量等因素。一般来说，冷热流体的温差较小或介质状态为气相时，宜选用锯齿型翅片；冷热流体的温差过大时，宜选用平直型翅片；在传热过程中，发生相变或介质状态为液相时，宜选用多孔型翅片[7]。
由于介质均为氦气，状态为气相，故该板翅式换热器的翅型选用传热效率高的锯齿型翅片，具体参数如下。翅高：9.5mm；齿距：1.4mm；翅厚：0.2mm；当量直径：2.125mm；通道截面积：0.007 97m2；传热面积：15m2。
3.3 设计计算
打开MUSE软件设计模式，输入相关设计参数，根据流体的流量、压力、热负荷和实际制造能力，输入相关有效宽度、板束数量、侧板厚度、隔板厚度及封条宽度等结构尺寸，得到换热器的结构，其最佳结果如下。板束数量：1个；板束宽度：300mm；板束厚度：458mm；有效长度：1 298mm；通道数量：42层。
3.4 校核计算
打开Aspen MUSE软件校核模式，输入冷热流体的设计参数，并根据优化方案输入流体通道导流片的规格参数，并根据单叠形式进行校核设计方案，校核结果如下（见表2）。板束长度：2 100mm；板束宽度：300mm；板束厚度：448mm；有效长度：1 800mm；换热面积：242m2。
从校核结果来看，板翅式换热器的结构均能够满足设计条件下的流量、温度、热负荷、压力降等工艺要求。
4 结语
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壓降，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。
参考文献：
[1]兰州石油机械研究所.换热器[M].北京：烃加工出版社，1988.
[2]上官云霄.100W/4.5K氦制冷机系统流程及主要设备的设计和优化分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.
[3] L Wang， L Jia， F Xia. Numerical simulation of cooling process for SIR magnets in BEPC Ⅱ [Z]. Beijing：World Publishing Corporation，2003.
[4] L Wang，LX Jia，HP Du，et al. Computational simulation of refrigeration process for BEPCII superconducting facilities [Z]. AIP Conference Proceedings， 2004.
[5]殷秀娓，傅秦生，厉彦忠.氦制冷系统方案的热力学分析[J].华北电力大学学报，2003（5）：86-89.
[6]刘琴，金海波.MUSE软件在乙烯冷箱板翅式换热器设计中的应用[J].深冷技术，2011（7）：24-28.
[7]余建祖.换热器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.