空间环模设备用大口径制冷机低温泵研制技术现状和发展

空间环境模拟器主要用来完成航天器地面真空、热试验,一般真空室体积大、内部结构复杂,容器真空度高、产品放气量大、要求清洁真空避免油污染。因此,国内外环模设备高真空系统一般采用抽速大、极限真空高的大口径低温泵作为主泵。大口径低温泵通常根据障板和冷屏的冷却方式分为液氮屏蔽型和制冷机屏蔽型低温泵。本文主要针对这两类大口径制冷机低温泵的国内研制情况进行介绍,包括该类型低温泵的国内外现状、结构特点、技术指标、应用情况、关键技术以及大口径低温泵的性能测试方法。同时,对大口径低温泵设计、制造、测试以及使用过程中注意问题进行了探讨,对大口径低温泵研制技术的发展提出了建议。     

液氦低温泵的初调实验报告

液氦低温泵是一种较理想的真空获得手段。具有抽速大、极限真空度高和清洁等许多优点。因此,在高能加速器、表面物理研究、超高真空校准等方面得到了越来越广泛地应用。然而,由于它要求极限真空度高及液氦存贮时间长等,因而制造工艺难度较大。最近,我们研制了一台贮槽式液氦低温泵,经总装初调,结果是令人满意的。     

CFETR堆芯真空室抽气系统的初步设计

根据中国聚变工程实验堆(CFETR)堆芯真空室的尺寸、偏滤器工作气压及抽气要求,模拟计算出低温泵在偏滤器口对燃料粒子的有效抽速约43 m~3/s,运用粒子平衡法计算出堆芯真空抽气所需的低温泵的数量,并验证了氦灰抽除的可行性和分析了低温泵对氚滞留的情况。通过计算堆芯真空室抽极限真空所需要的抽速和前级抽气系统的平均有效抽速,初步设计了维持泵的数量和预抽气的前级泵组。CFETR堆芯真空抽气的初步设计为后续真空系统的工程设计及建造提供了理论依据。     

国内部分

90068 制冷机的负载对低温泵抽气特性的粉影响真空,1989,(5),1～6 讨论了制冷机负载特性的变化对现代低温泵的抽速、极限压强、抽气容量等抽气特性的影响。作为现代低温泵冷源的微型制冷机,在某些工况下,实际净制冷量随制冷温度、氦压力差等因素而变化,一级冷头负载的大小对二级冷头温度也有明显的影响。当影响严重时,会使泵无法工作。提出了维持低温泵正常工作的办法。     

用于中性束注入器的4.2 K液氦低温冷凝泵的设计

在中性束注入器的研制中 ,大抽速低温泵的设计是其中非常重要的一部分。本文结合中性束注入器对真空系统的要求 ,介绍了中性束注入器真空系统的构成 ,并以布置于中性化室部位的低温泵为例 ,详细阐述了用于中性束注入系统的低温泵的结构设计以及抽速确定、冷凝面积确定等关键问题 ,成功设计了一套完全满足中性束注入系统对动态真空度要求的低温泵。     

用于中性束注入器的4．2K液氦低温冷凝泵的设计

在中性束注入器的研制中，大抽速低温泵的设计是其中非常重要的一部分。本文结合中性束注入器对真空系统的要求，介绍了中性束注入器真空系统的构成，并以布置于中性化室部位的低温泵为例，详细阐述了用于中性束注入系统的低温泵的结构设计以及抽速确定、冷凝面积确定等关键问题，成功设计了一套完全满足中性束注入系统对动态真空度要求的低温泵。     

以低温泵为主泵的真空检漏系统研究

由于分子泵对氦气有较大抽速,因此在真空检漏系统中通常用分子泵作为主泵,但当检漏容器很大时需要大量分子泵。低温泵具有清洁无油、抽速大的优点,如果在检漏系统中能够采用低温泵作为主泵,可以大大减少真空泵数量。本文对以低温泵为主泵的真空检漏系统进行了实验研究,并对实验现象进行了分析。研究结果表明,低温泵可以有效提高检漏系统的工作真空度,对检漏系统的有效灵敏度影响很小,但以低温泵为主泵的检漏系统的反应时间比以分子泵为主泵的检漏系统反应时间长。     

镀膜设备真空系统主泵的配置

真空系统是真空镀膜设备的主要组成部分,其主泵的选择对真空性能影响很大,真空镀膜设备的发展要求真空性能清洁无油,动态抽速大.传统的以油扩散泵为主泵的设备不能满足要求,本文叙述了油扩散泵、分子泵及低温泵的特点及北京北仪创新真空技术有限责任公司开发以分子泵及低温泵为真空系统主泵的镀膜设备情况.     

低温泵的应用

由于低温泵具有无污染、工作压强范围宽、极限真空度高、排气量大、使用方便等优点,因而在各种需要应用真空的领域有了愈来愈多的应用。1.半导体工业真空溅射、汽相沉积、离子注入、电子束制版、离子束剥离、等离子刻蚀等新工艺的出现,不断地推动着半导体和集成电路工业的革新和发展。这些工艺对真空技术的共同要求是清洁无油、抽速较大,并能在器件工艺室内快速获得高真空。采用小型致冷机低温泵完全能满     

活性炭的预处理对低温泵工作性能的影响

低温泵是利用低温吸附而达到获取真空的装置。与其他真空获取设备相比,其具有无油、低振动等优势。活性炭是低温泵常用的一种吸附剂,其对低温泵的工作性能起着关键性的作用。根据真空度的需求,一般要求低温泵对氢的抽速较大。这就需要适合于氢的吸附的活性炭。椰壳活性炭的孔隙大小对氢的吸附比较适合。本文首先对活性炭进行了预处理,用扫描电子显微镜和低温吸附仪对其结构和吸附性能进行了表征,并将其用于低温泵的吸附镇,发现安装了经过处理活性炭的低温泵其抽气速率和极限真空都有一定的提高。     

低温抽气与再生

低温泵是一种捕集型真空设备，它与分子泵、扩散泵不同，它所抽走的气体不是被立即排出泵外，而是贮存在泵内，所以低温泵是一种贮存式真空泵。因此，低温泵的抽气与再生是使用者十分关心的问题。本文在论述低温抽气机理的基础上，着重讨论了低温泵的抽气容量、再生时间和再生方法。并举例说明低温泵在抽不同气体时的再生时间是不同的。     

低温抽气──工艺和应用

低温抽气是在温度很低的表面上冷凝气体的过程,现在已证明这是在自由分子流范围内获得最清洁真空的方法之一。它能消除油扩散抽气系统存在的污染的危险性并建立一个很安全的环境。其它固有的特点包括:对所有的可冷凝气体都有很大的抽速,真空室的开始粗抽和低温泵的定期再生仅需要粗抽泵。大部分低温泵可以用任何角度安装,并能耐大气偶然漏入。 为了适应空间模拟方面应用需要建立极清洁的真空环境而研制了低温泵。作为初期研究成果,低温泵已经广泛地用于要求清洁表面和工作可靠的薄膜溅射和蒸发工艺,半导体、光学镀膜和装饰镀膜。 低温泵的主…     

带有整体式K20致冷机的低温泵在真空淀积工艺中的应用

用致冷机工作的低温泵证明在研究和发展中是十分成功的。同普通真空泵相比，这种低温系统具有抽速大，获得无碳氢物真空、工作范围宽和操作成本低的优点。Ｋ２０型双级致冷机同在冷凝和吸附下抽气的低温泵组合在一起。本文讨论了这种泵的结构和性能。通过商用镀膜机的操作，测出了泵对氮、氢和水蒸汽的抽速以及容器压力对抽气时间和抽降周期数的曲线关系。测量结果表明，这种冷凝和吸附面设计合理的低温泵大大地超过了今天所使用的各种类型泵。     

低温抽气的超高真空系统的烘烤

考虑到超高真空系统烘烤期间低温泵的热负载问题,介绍一种简单的热挡板,该结构允许烘烤到200℃,而且在系统正常工作期间不影响低温泵的高抽速。 获得清洁的超高真空(UVH)的先决条件是能够烤烘真空室,使放气减到最少。这样的系统常用溅射离子泵或扩散泵抽气。但主泵的选用可有多种的考虑。近来,涡轮分子泵和低温泵已经成为经济可行的替换泵种,这就为用户在真空获得手段的选择方面有了更大的回旋余地。由氦气深冷致冷器冷却的低温泵[1],其工作原理是将可冷凝的各种气体冻结在一系列冷板上,并将剩余的气体低温吸附在保持8～15K的活性碳表面。…     

HL-2M内置式低温泵基于DSMC方法的抽速计算

作为托克马克装置HL-2M的大型低温泵,必须确保其具有足够的抽速和较好的抽气性能。通过直接模拟蒙特卡洛方法的研究表明,HL-2M内置式低温泵在高真空分子流条件下的对H2的抽速为51.29 m~3/s,对He的抽速为24.94m~3/s,对D_2的抽速为38.04m~3/s;裸泵与带有偏滤器结构的抽速对比表明,偏滤器的结构使得低温泵的抽速下降很多,应该在允许的条件下,进一步优化偏滤器的结构;通过对粘滞系数的变化得知,真空泵的抽速受粘滞系数的变化影响较大;而对整个抽气过程的动态评估结果表明,低温真空泵具有较好的响应时间,能够满足实验的需求。     

基于CFD方法的低温泵热力学设计与数值仿真研究

通过CFD数值仿真的方法对低温泵一级冷阵和二级冷阵降温过程以及稳态平衡过程的热力学情况进行了研究。研究针对低温泵不同的运行工况,导热柱的设置以及冷屏厚度等因素的影响,分析了各种情况下低温泵的温度分布情况。同时文章还对低温泵降温过程分别采用稳态物性和变化物性进行计算,分析物性的定性温度以及低温泵一级冷阵的结构对计算结果的影响。针对DN400低温泵建立测试系统进行降温情况的测试,通过测试和仿真计算的结果进行对比,确认了设计和分析方法的有效性,降温时间的计算误差约为7%。     

基于4 K制冷机的低温泵抽气单元性能分析

中性束注入实验单元系统调试和小尺寸样机验证测试需要真空环境支持,针对实验气体负载性质与真空要求,探索研制外置式制冷机低温泵。设计了一种基于单台4 K制冷机的低温泵并开展抽气单元性能分析,采用ANSYS热分析方法研究抽气单元热学性能,得到了不同气体热负载下的温度分布,结果表明,抽气面温度处于5 K左右,能够有效抽除H₂、He等难凝性气体。采用MOLFLOW对连接抽速测试系统的低温泵进行了气体粒子运动模拟,验证了抽气单元设计的合理性,并模拟得到气体捕获系数为0.409;探究了气体负载对抽气性能的影响,结果表明,受温升影响,泵的抽速波动较小,抽气性能良好。研究方法与结果为实验用制冷机低温泵的研制提供了有益参考。     

第十六讲 真空系统的操作与维护

<正>(上接2010年第2期88页)系统操作时,可先用粗抽泵将真空室抽到200 Pa左右,然后启动低温泵的压缩机进行冷却,如果泵体是用氮气吹除过的,那么开始时聚集在吸附剂上的水蒸气是不多的。待泵冷却后及系统达到转换压力后,关闭粗抽阀并打开高真空阀,低温泵开始工作。     

低温泵降温时间的计算

本文继“低温泵降温时间的计算和１００００升／秒低温泵的抽气特性”［１］的一文后，通过数学处理，用梯形公式进行积分，最后给出降温时间的计算公式。简化了计算方法非易于掌握，可以作为低温泵工程设计的参考。     

新型吸气剂泵真空测试系统的搭建与实验研究

烧结型非蒸散吸气剂泵HV800(意大利SAES公司生产)具有抽速大、抽气容量高、安装维护简单等优点,可能适用于EAST托卡马克偏滤器抽气,提高该区域粒子排出能力。本文搭建了一套极限真空5. 1×10-7Pa、具备抽速定量标定的真空测试系统,对HV800开展了对氘气抽速的标定实验。研究结果表明在偏滤器工作气压下,平均抽速可达240 L/s。经评估HV800应用于EAST的初步方案,偏滤器区域会增加5×104L/s抽速,并可连续运行20 h以上,是有效提高EAST偏滤器粒子排出能力的可行选择。