CN101576075A - 内置式低温泵抽速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大型内置式低温泵抽速测量的测量装置，第一次提出双层筒形结构的散流装置(16)，有效降低了气体射流效应对大型内置式低温泵抽速测量的影响，第一次将减压器(23)配合音速喷嘴(22)精确调节体积流量的方法应用到内置式低温泵抽速测量领域，提供一种音速喷嘴式气体供应装置，针对该供气方式提出了音速喷嘴式大型内置式低温泵抽速测量方法。

Description

内置式低温泵抽速测量装置及方法

【技术领域】

本发明涉及一种内置式低温泵的抽速测量装置，属于抽速测量领域。

【背景技术】

真空获得系统是在有限空间(真空容器)内获得真空环境的有效设备，对小于10^-4Pa的真空度环境，传统意义机械泵、罗茨泵或泵组已很难实现。为解决这一问题，出现了冷凝吸附原理的低温泵，低温泵通过低温冷板吸附凝结温度比冷板温度高的气体分子。冷板的面积越大抽气能力越强；冷板温度越低，能抽除的气体分子种类越多。早期的低温泵大都为外置式，冷板面积较小，冷却工质为液氦，不能依靠低温冷凝原理抽除氮气或凝结温度更低的氢气等气体。随着低温技术的发展，低温泵的冷却工质采用液氦，能抽除氮气和氢气等气体分子，使真空容器内的极限真空度达到更高的水平。同时，低温泵的冷板面积也不断加大，在空间有限的真空容器中，为获得更高的抽气能力，通常在整个容器内布满低温冷板，称为内置式低温泵。

内置式低温泵属于非标准设计，通常外观形式不统一、尺寸大小不一致，抽速从几万升每秒至几千万升每秒不等。对大型结构复杂的内置式低温泵，其抽速测量方法在国际上没有统一的标准，论述该类型泵的抽速测量方法的文献也很少。

泵的抽速定义：当有限的体积内充满某种气体时，泵抽除气体量与时间的比值。对机械泵、罗茨泵和扩散泵等传统形式的泵或泵组，目前通用的抽速测量方法是：在被测泵或泵组上安装一个试验罩，用标准的滴管向罩内通入流量Q已知的气体，通过真空规测量试验罩内的压强P，根据公式S＝Q/P测出泵的抽速S。

由于内置式低温泵布置安装在真空容器内，且体积庞大，不可能采用传统“测试罩”方法测量抽速，而应依托于泵自身所在真空容器，在容器内进行抽速的测量，且测量的抽速是对某单一气体的抽速。

从理论上讲，定压法和定容法都能实现内置式低温泵的抽速测量。定压法是向容器内导入气体，通过泵抽除倒入的气体使容器内保持指定的压强，换算导入气量与压强的关系获得泵的抽速。定容法是使容器内充满某种气体，记录抽除这些气体所用的时间，换算容器内气体压强的降低量与时间的关系获得泵的抽速。

定容法不适于测量内置式低温泵抽速。原因有三：1、在一个大型容器内充满某种单一气体操作困难；2、即使在一个大容器内充满某单一气体，容器内压强要高于1个标准大气压，低于一个大气压时压强难以维持；3、内置式低温泵通常工作在压强低于10^-3Pa量级，其抽速测量应该在其工作范围内的测定，用内置式低温泵从≥1个标准大气压下抽真空既不科学也不经济，且测量结果为整个试验过程中对时间的平均抽速，而不是特定压强下的特定抽速。

与定容法不同，定压法可在容器内压强处于极限真空时导入气体，在特定压强范围内，测定气体的放入量和容器内压强的关系，同时须考虑导入气体的温度变化，利用公式1获得泵的抽速^[1]。

S＝P₀V₀T₁/P₁T₀    (1)

S——内置式低温泵的总抽速，L/s；

P₀——导入气体的压强，Pa；

P₁——容器内的平衡压强，Pa；

T₀——导入气体的温度，K；

T₁——内置式低温泵冷板的温度，K；

V₀——导入气体的流量，L/s。

图1为中国空间环境模拟器KM4的内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图，图2为中国空间环境模拟器KM3的内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图。两套测量装置及原理基本类似，都采用定压原理进行抽速测量，滴管式流量计向真空容器内供气；不同的是KM4中增加散流器用于减小气体的射流效应(由导气管向真空容器的高真空环境中导入气体时，气体在管道内的流动为粘滞流或粘滞-分子流，而从管道出来后会迅速膨胀为带有明显方向性的分子流，这种效应称为射流效应)。上述两种方法的不足之处在于供气方式陈旧，需要人为调节针阀，计量油标尺格数来换算供气量；散流器未能很好的解决导入气体的射流效应，未消除气流方向性对内置式低温泵抽速测量的影响。

综上所述，内置式低温泵抽速测量的关键包括：

1.引入气体流量精确调节；

2.降低射流效应对抽速测量的影响；

3.真空容器内真空度的实时高精度测量。

参考文献

[1]黄本诚《空间真空环境与真空技术》，国防工业出版社，2005.1.

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于大型内置式低温泵抽速测量的测量装置和方法。为降低引入气体射流效应的影响，提出一种双层筒形的散流装置。第一次将减压器配合音速喷嘴调节流量的方法引入到抽速测量领域。

大型内置式低温泵的抽速测量装置将真空容器作为测试罩，该装置的原理示意图见图3。其测量装置包括真空容器(1)、导气管路(17)、散流装置(16)及真空规(9、10、11、12)等。导气管路(17)的容器内部分连接有散流装置(16)；导气管路的容器外部分连接音速喷嘴供气装置。音速喷嘴供气装置包括：串连在管路上的截止阀(19)、压力传感器(20、24)、温度传感器(21)、音速喷嘴(22)、减压器(23)、电磁阀(25)、过滤器(26)、高纯气瓶(27)。

散流装置(16)为双层筒形结构，参见图4，小筒外套着大筒，管路中出来的气体先在小筒中适当膨胀，通过小筒上的气孔散流到大筒中，再从大筒上的气孔散流到真空容器中。散流装置为圆柱筒形，但不仅限于圆柱筒形。

容器内设有全量程真空规以监视真空度(10⁵-10^-8Pa)，设有三个裸规以测量容器内平衡压强(10^-2-10^-8Pa)，裸规的规管分布于容器前部、中部和后部，每个规管所在截面的热沉附近安装有热电偶测量压强对应的温度。

本发明的积极效果在于：

1.第一次提出双层筒形结构的散流装置(16)，减小了射流效应对内置式低温泵抽速测量的影响。

2.第一次将“减压器配合音速喷嘴调节流量”的原理应用到大型内置式低温泵抽速测量中。

3.音速喷嘴采用多种流量型号，可获得多组不同气体流量下的试验数据，提高了内置式低温泵抽速测量的精度。

4.音速喷嘴式测量方法为连续性测量，通过处理单个音速喷嘴的试验数据即可获得不同真空度下的抽速，处理多个不同流量的音速喷嘴的试验数据可提高抽速测量的精度。

5.由于导入气体的位置对容器内不同部位的压强影响较大，在容器内不同位置放置了多个规管测量压强，内置式低温泵抽速测量的结果为范围量，而非平均值。

【附图说明】

图1中国空间环境模拟器KM4内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图

图2中国空间环境模拟器KM3内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图

图3内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图

图4双层筒形散流装置示意图

图中：

1-容器壁，2-前部液氮低温泵，3-前部液氦低温泵，4-后部液氮低温泵，5-后部液氦低温泵，6-羽流液氦低温泵I，7-羽流液氦低温泵II，8-羽流液氦低温泵III，9-真空规I，10-真空规II，11-真空规III，12-全量程规，13-热电偶组I，14-热电偶组II，15-热电偶组III，16-散流装置，17-导气管，18-流量计，19-截止阀，20-压力传感器I，21-温度计，22-音速喷嘴，23-减压器，24-压力计II，25电磁阀，26-过滤器，27-气瓶

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步说明。

内置式低温泵抽速测量装置及方法是把定压法测量传统泵抽速的理念应用到大型内置式低温泵抽速测量中，把整个真空容器作为试验罩。参见附图3所示，该测量方法的最大特点用减压器配合音速喷嘴精确调节导入气体的体积流量，并使导入的气体通过散流装置(16)均匀扩散到内置式低温泵的冷板表面。

试验气体从气瓶(27)出来后，先由过滤器(26)过滤，再经过减压器(23)减压后，将高压气体变为1个标准大气压，气体流经事先标定好的音速喷嘴，流入散流装置(16)中。由音速喷嘴式供气路上的电磁阀(25)和截止阀(19)控制供气路的通断，供气路上设置有温度计(21)、流量计(18)和压力传感器(20、24)，分别监视供气路上气体不同参数的变化。

散流装置(16)为双层筒形结构，小筒外套着大筒，大筒中径与小筒中径比为2∶1，大筒外形长细比为2∶1，大筒、小筒上开有均匀分布的气孔，气孔孔径和孔间距根据导气量的大小确定。管路中出来的气体先在小筒中适当膨胀，通过小筒上的气孔散流到大筒中，再从大筒上的气孔散流到真空容器或真空舱内。散流装置为圆柱筒形，但不仅限于圆柱筒形。

滴管式测量方法为阶段性测量，测量不同真空度下内置式低温泵的抽速时，每次都需要预抽到指定真空度才能进行试验，而音速喷嘴式测量方法为连续性测量，通过处理单个音速喷嘴的试验数据即可获得不同真空度下的抽速，处理多个不同流量的音速喷嘴的试验数据可提高抽速测量的精度。

抽速测量时，导入气体的流量直接影响抽速测量的精度，所以准确的记录气体的流量至关重要。音速喷嘴式供气法的优点是通过事先标定好的音速喷嘴供应气体的流量准确、恒定，将一组音速喷嘴并联到音速喷嘴供气管路上，一次抽速测量可用多个不同流量的喷嘴，由切换装置进行切换。

由于内置式低温泵抽速是针对不同真空度下不同气体进行的测量，可通过更换气瓶(27)实现。

音速喷嘴式供气的内置式低温泵抽速测量试验的步骤如下：

(1)容器内真空规和热电偶校准；

(2)各音速喷嘴流量标定；

(3)导气管上压强、温度、流量传感器校准；

(4)开启真空容器的预抽系统，使真空容器内的压强达到内置式低温泵开启压强；

(5)开启音速喷嘴式供气路上截止阀(19)，打开电磁阀(25)，吹除音速喷嘴供气路的杂质气体，关闭电磁阀；

(6)开启内置式低温泵使真空容器达到极限真空度，保持15min并纪录容器内规管(9、10、11、12)及热电偶(13、14、15)的数值及对应时间；

(7)打开电磁阀(25)供入高纯气体，记录容器内真空规及热电偶的读数及对应时间，同时记录音速喷嘴式供气管路上温度计(21)、压力传感器(20、24)的读数及对应时间；

(8)当规管读数显示真空度大于10^-2Pa时关闭电磁阀(25)；

(9)切换不同的音速喷嘴，重复6-8步；

(10)更换气瓶(27)，重复5-9进行内置式低温泵对不同种类气体的抽速测量试验；

(11)处理试验数据，换算出泵在不同真空度下的抽速。

Claims (5)

1、内置式低温泵的抽速测量装置，包括真空容器(1)、导气管路(17)、散流装置(16)，其特征在于：导气管路(17)的容器内部分连接有双层筒形结构的散流装置(16)；导气管路的容器外部分连接有音速喷嘴式供气装置。

2、如权利要求1所述的内置式低温泵的抽速测量装置，其特征在于：音速喷嘴供气装置包括传连在管路上的流量传感器(18)、截止阀(19)、压力传感器(20、24)、温度传感器(21)、音速喷嘴(22)、减压器(23)、电磁阀(25)、过滤器(26)、气瓶(27)。

3、如权利要求1所述的内置式低温泵的抽速测量装置，其特征在于：散流装置(16)为双层筒形结构，小筒外套着大筒，大筒中径与小筒中径比为2∶1，大筒长细比为2∶1，大筒、小筒上开有均匀分布的气孔，气孔孔径和孔间距根据导气量的大小确定。散流装置为圆柱筒形，但不仅限于圆柱筒形。

4、如权利要求1-3中任一权利要求所述的内置式低温泵的抽速测量装置，其特征在于：将减压器(23)配合音速喷嘴(22)调节体积流量的方法应用到内置式低温泵抽速测量领域，切换不同音速喷嘴获得不同流量下的抽速测量数据，处理单个音速喷嘴的试验数据即可获得不同真空度下的抽速，处理多个不同流量的音速喷嘴的试验数据可提高抽速测量的精度。

5、内置式低温泵的抽速测量方法，测量步骤包括：(1)容器内真空规和热电偶校准；(2)各音速喷嘴流量标定；(3)导气管上压强、温度、流量传感器校准；(4)开启真空容器的预抽系统，使真空容器内的压强达到内置式低温泵开启压强；(5)开启音速喷嘴式供气路上截止阀(19)，打开电磁阀(25)，吹除音速喷嘴供气路的杂质气体，关闭电磁阀；(6)开启内置式低温泵使真空容器达到极限真空度，保持15min并纪录容器内规管(9、10、11、12)及热电偶(13、14、15)的数值及对应时间；(7)打开电磁阀(25)供入高纯气体，记录容器内真空规及热电偶的读数及对应时间，同时记录音速喷嘴式供气管路上温度计(21)、压力传感器(20、24)的读数及对应时间；(8)当规管读数显示真空度大于10-2Pa时关闭电磁阀(25)；(9)切换不同的音速喷嘴，重复6-8步；(10)更换气瓶(27)，重复5-9进行内置式低温泵对不同种类气体的抽速测量试验；(11)处理试验数据，换算出泵在不同真空度下的抽速。

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