CN102094786B - 一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明为液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法，羽流吸附泵包括羽流吸附泵主体、电阻温度传感器、辅助排液管路以及液氮供应、气氮吹除、气氦吹除与液氦供应系统。羽流吸附泵主体由三个同心圆筒形管板组成，电阻温度传感器均布在三个同心圆筒形管板的表面；液氮供应、气氮吹除、气氦吹除与液氦供应系统都通过管路与羽流吸附泵主体的进液总管以及辅助排液管路连接。该装置的使用方法是：在工作过程中，为羽流吸附泵主体先通液氮制冷，然后通液氦制冷。本发明的可以兼容液氮和液氦两种介质的换热介质，避免了双流道制造复杂，易造成超低温冷漏的缺点，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。

Description

一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法

技术领域

本发明涉及一种用于空间环境模拟试验设备低温流程系统的部件，具体是一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵及其制冷方法。

背景技术

人造卫星、飞船、空间站、深空探测器、导弹以及运载火箭上大量使用的姿轨控发动机，在高空稀薄环境下工作时其喷流会向外部环境自由膨胀形成真空羽流。羽流会对空间飞行器产生羽流污染、羽流干扰力和羽流热效应等羽流影响。这些影响轻则降低工作元件的性能，重则导致飞行任务的失败。随着航天事业的迅速发展，航天设计部门越来越关注空间飞行器上的姿轨控发动机工作时产生的羽流问题。

羽流效应问题研究的一个重要前提是保证羽流气体的快速吸附，使得环境真空度能够达到规定的指标。目前用于吸附羽流气体的设备主要是环绕真空舱内表面的深冷低温泵，即氦板。国际上研究较早的美国和德国均采用此种结构形式。如德国宇航中心(DeutschesZentrum für Luft-und Raumfahrt，简称DLR)的STG真空羽流试验系统，罐体直径为3.3m，长度为7.6m，内装直径1.6m、长度5.25m的圆筒形液氦低温泵，其吸附面积为30m²，可保证0.5N发动机(质量流量0.2g/s，试验介质常温氮气)连续工作时，维持压力小于10^-3Pa。

按照这种低温泵的布局结构，要实现较大推力发动机的高空(动态真空度小于10^-3Pa)研究工作，就要相应的增加氦板的面积，即增大真空舱的体积。实际上，根据气体的种类及其温度，氦板的面积会有很大的差异。气体分子量越小、温度越高，吸附面积越大。如要研究质量流量2g/s、温度1000K的氮气羽流效应，要维持连续工作时10^-3Pa量级，则需要的氦板面积达约3000m²。如果按照目前世界上通用的这种布局，真空舱的体积相当庞大，无论从成本还是从试验场地，都是难以实现的。

为了解决这一问题，根据羽流流场的特点，认为：试验发动机喷出的羽流气体密度(压力)分布、运动状况与静态气体完全不同，前者核心流区的气体占其总质量的绝大部分，其密度沿径向变化很大，且沿轴向高速运动(3～5个马赫数)，所以分布于真空舱壁的低温泵只能吸附流场中的小部分气体。为了提高真空舱的动态真空度，必须增大其轴向气体的吸附能力。为此发明了专用于吸附羽流气体的低温深冷泵，简称羽流吸附泵，羽流吸附泵是热沉的一种。

空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备都是模拟空间真空和低温环境的设备，热沉是该类设备的主要部件，通过辐射热交换，为设备试验空间提供所需的环境温度和真空度，为达到这一目的，必须对热沉进行温度控制，控制热沉温度是通过传热介质在热沉通道中强迫流动，与热沉换热来实现。

根据热沉要求的温度区间不同，目前的各种热沉常采用以下换热介质，液氮、酒精、氟利昂等，极少采用液氦，主要是由于液氦昂贵及用于液氦温区的超低温热沉技术复杂，因此目前国内还没有专门采用液氦作为换热介质的热沉系统。液体火箭发动机真空羽流效应试验时，常采用氮气作为试验工质，由于同种介质不能凝固吸附同种介质，这就必须采用比液氮温度更低的制冷介质来吸附羽流试验工质氮气，常压下液氦的液化温度达到4.2K，利用其作为换热介质，可使热沉表面平均温度达到液氦温区，此温区能够充分凝固吸附羽流试验工质氮气，满足试验要求。因此为了满足发动机羽流试验需求，就必须采用液氦作为制冷介质的热沉系统。

液氮、酒精、氟利昂这几种常见的制冷介质中，温度最低的是液氮，可使热沉达到77K，为节约昂贵的液氦用量，考虑用液氮和液氦组合制冷介质，即先利用液氮将热沉预冷至液氮温区(77K)，然后利用液氦接着将热沉预冷至4.2K。不管采用何种介质，目前的热沉均为单介质流道，热沉的流道只能循环一种传热介质，无法切换另外一种介质。主要原因是：各制冷介质的凝固点不同，以液氦、液氮两种制冷介质为例，当液氦通入循环过液氮的热沉流道时，流道中残存的液氮就会被冻成固体，堵塞甚至损坏热沉，故之前没有共用液氮、液氦两种制冷介质的超低温热沉流道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的用于空间环境模拟试验设备及发动机羽流试验设备的羽流吸附泵，既为一种用于吸附羽流试验气体的低温深冷泵，又可同时用于发动机羽流试验和卫星等热真空试验，发动机羽流试验时通液氦制冷，热真空试验时通液氮制冷。

一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，包括羽流吸附泵主体、电阻温度传感器、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统与辅助排液管路。所述的羽流吸附泵主体由三个同心圆筒形管板所形成的圆筒组成，成锥形排列，三个圆筒的后端齐平，前端等比例内缩，三个圆筒的进出液口位于同侧，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上，进液口、出液口都分别连通，三个圆筒的进液口都连接到进液总管。电阻温度传感器设置在羽流吸附泵主体的三个圆筒的带翅片支管表面上，用于检测温度。液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统以及液氦供应系统，都通过管路与羽流吸附泵主体三个圆筒的进液总管以及辅助排液管路的一端连接，辅助排液管路的另一端通往大气。

三个圆筒的出液口分别通过管道连接控制阀并连接到总放空阀，总放空阀用于控制将流经羽流吸附泵的流体排出羽流吸附泵主体，通过调节控制阀的开度对对应的圆筒进行流量调节。

一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵的制冷方法，具体为：(1)启动液氮供应系统，打开液氮供应阀，向羽流吸附泵主体通入液氮制冷介质，通过电阻温度传感器观察羽流吸附泵主体的三个圆筒的温度及降温速率，并通过控制阀来调节各筒温度及降温速率，当三个圆筒的主体温度均达到77K时，关闭液氮供应阀；(2)打开低温排液阀，将羽流吸附泵主体中的液氮通过辅助排液管路排出，通过观察，待辅助排液管路中无液氮流出时，关闭低温排液阀；(3)启动气氮吹除系统，打开气氮吹除阀向羽流吸附泵主体通入气氮，通过电阻温度传感器观察三个圆筒的主体温度，待三个圆筒的主体温度均升至80K以上时，关闭气氮吹除阀；(4)启动气氦吹除系统，打开气氦吹除阀向羽流吸附泵主体通入气氦，5～10分钟后，关闭气氦吹除阀；(5)启动液氦供应系统，打开液氦供应阀，向羽流吸附泵主体通入液氦制冷介质，通过电阻温度传感器观察三个圆筒的主体温度及降温速率，并通过控制阀来调节各筒温度及降温速率，直至三个圆筒的主体温度均达到4.2K。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的羽流吸附泵可以兼容液氮和液氦两种介质的换热介质，避免了双流道(液氮和液氦各有流道)制造复杂，易造成超低温冷漏的缺点。

(2)能同时兼顾发动机羽流试验和卫星等热真空试验。发动机羽流试验时，羽流吸附泵通液氮、液氦双制冷介质，先通液氮制冷，后通液氦制冷，用于减少液氦消耗；热真空试验时，羽流吸附泵直接通液氮制冷介质。

(3)羽流吸附泵的三个同心圆圆筒一体化设计，方便同时安装、拆除。

(4)羽流吸附泵进出口均位于舱体同侧，一进三出，即大筒、中筒、小筒共用一个进液口，各有一个出液口，水平进出，进口在下，出口在上，方便管路布局及操作，便于对羽流吸附泵的三个同心圆圆筒同时进行温度调节。

(5)在三个进液汇总管顶部的堵头离小筒进液管的中心加长到200mm，形成了一个盲肠，尽可能避免了液氦流动短路。

(6)在每个圆筒形管板靠近下汇总管的支管翅片间加有导热带，尽可能避免了液氦流动短路。

(7)通过在进液管入口增设限流环调节流过三个圆筒的气氦量，使流过三个圆筒的气氦量与它们预冷所需冷量成比例，尽可能避免了液氦流动短路。

(8)多层圆筒形的结构，使得气体分子在圆筒之间进行来回碰撞，气体分子的捕获率明显增大，使得气体的吸附系数较高。

(9)本发明方法当液氮制冷介质使用完毕，利用辅助氮气吹除系统吹除热沉中残留的液氮，使热沉中液氮蒸发完全，然后利用辅助氦气吹除系统吹除热沉中残留的气氮，使热沉中残留的气氮被吹除干净，最后将液氦制冷介质通入，如此完成两种制冷介质的安全切换，通过两种制冷介质的安全切换达到节约液氦并使热沉温度从4.2K～300K之间可调，满足发动机羽流试验需求，降低试验成本。

附图说明

图1为本发明的羽流吸附泵的总体结构示意图；

图2为图1中A-A剖面所示的羽流吸附泵主体轴向的结构示意图；

图3为图1中B-B剖面所示的带翅片支管的结构示意图；

图4为图1中F-F剖面所示的三个出液总管通过连接板固定的示意图；

图5为图1中C-C剖面所示的小筒上汇总管与中筒上汇总管连接的示意图；

图6为图1中D-D剖面所示的支撑的示意图；

图7为图1中E-E剖面所示的吊板的示意图；

图8为图2中K-K剖面所示的翅片间加有导热带的示意图；

图9为图1中I与II处所示的限流环的放大图；

图10为图2中III处所示的定位角钢安装放大图。

图11为本发明的羽流吸附泵的制冷方法的步骤流程图。

其中，100-羽流吸附泵主体；200-电阻温度传感器；300-液氮供应系统；301-液氮贮槽；302-液氮供应阀；400-气氮吹除系统；401-气氮瓶；402-气氮吹除阀；500-气氦吹除系统；501-气氦瓶；502-气氦吹除阀；600-液氦供应系统；601-液氦贮槽；602-液氦供应阀；700-辅助排液管路；701-低温排液阀；101-大筒；102-中筒；103-小筒；104-大筒控制阀；105-中筒控制阀；106-小筒控制阀；107-总放空阀；108-管路安全阀；1-大筒上汇总管；2-大筒带翅片支管；3-大筒下汇总管；4-大筒进液管；5-大筒出液管；6-中筒上汇总管；7-中筒带翅片支管；8-中筒下汇总管；9-中筒进液管；10-中筒出液管；11-小筒上汇总管；12-小筒带翅片支管；13-小筒下汇总管；14-小筒进液管；15-小筒出液管；16-进液汇总管；17-进液总管；18-金属软管；19-吊板；20-支撑；21-90度弯头；22-翅片；23-支管；24-连接板；25-吊挂螺栓；26-导热带；27-螺栓；28-限流环；29-角钢夹条。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，如图1所示，包括羽流吸附泵主体100、电阻温度传感器200、液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600与辅助排液管路700。

如图1与图2所示，羽流吸附泵主体100是由大筒101、中筒102和小筒103三个用液氦冷却的同心圆筒形管板组成，成锥形排列，三个圆筒101、102、103的后端齐平，前端等比例内缩，内缩长度取小筒103直径的1/4。本发明实施例中三个圆筒101、102、103的尺寸分别为Φ3200×3510(单位是mm)、Φ2200×3005(单位是mm)、Φ1200×2500(单位是mm)。三个圆筒101、102、103的进出液口位于同侧，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上。三个圆筒101、102、103的进液口连通并都通过进液总管17与液氮供应系统300、气氮吹除系统400、气氦吹除系统500、液氦供应系统600、辅助排液管路700连接。三个圆筒101、102、103的出液口连通并各设有流量调节阀：大筒控制阀104、中筒控制阀105和小筒控制阀106，大筒101的流量调节靠大筒控制阀104来完成，中筒102的流量调节靠中筒控制阀105来完成，小筒103的流量调节靠小筒控制阀106来完成，如果哪个筒降温过快，可调节其出口处控制阀104、105、106的开度，通过憋压减少流经该筒的换热介质，由于三个筒的进口是连通的，被阻止的换热介质自然流向其它筒，这就等效的增加了流经其它筒的换热介质，达到调节各筒温度的目的。当先冷下来的一个圆筒开始喷液氦时，可关掉该圆筒出液口管路上的控制阀，等待其它圆筒降温至液氦温区。三个圆筒101、102、103的出液口分别通过管道连接大筒控制阀104、中筒控制阀105、小筒控制阀106连接到总放空阀107，总放空阀107用于控制将流经羽流吸附泵的流体(液体、气体或气液两相)排出羽流吸附泵主体100。

电阻温度传感器200设置在羽流吸附泵主体100的三个圆筒101、102、103的带翅片支管表面上，用于检测温度，本发明实施例中电阻温度传感器200均采用铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K。

液氮供应系统300主要由液氮贮槽301及液氮供应阀302组成，用于向羽流吸附泵主体100通液氮制冷介质。液氮贮槽301通过管道连接液氮供应阀302连接至羽流吸附泵主体100的进液总管17以及辅助排液管路700。

气氮吹除系统400包括气氮瓶401及气氮吹除阀402，用于吹除羽流吸附泵主体100中残留的液氮，使羽流吸附泵主体100中剩余液氮排出干净，待辅助排液管路700排出大部分液氮后启动，这样可以减小气氮吹除时间及气氮用量，防止羽流吸附泵温升过高。气氮瓶401通过管道连接气氮吹除阀402连接至羽流吸附泵主体100的进液总管17以及辅助排液管路700。

气氦吹除系统500包括气氦瓶501及气氦吹除阀502，用于吹除羽流吸附泵主体100中残留的气氮，使羽流吸附泵主体100中剩余气氮排出干净，待气氮吹除系统400充分吹除液氮后启动，这样可以减小气氦吹除时间及气氦用量，防止羽流吸附泵温升过高。气氦瓶501通过管道连接气氦吹除阀502连接至羽流吸附泵主体100的进液总管17以及辅助排液管路700。

液氦供应系统600包括液氦贮槽601及液氦供应阀602，专门用于单独向羽流吸附泵通液氦制冷介质。液氦贮槽601通过管道连接液氦供应阀602连接至羽流吸附泵主体100的进液总管17以及辅助排液管路700。

辅助排液管路700位于羽流吸附泵主体100进液总管17的入口处，位置低于进液总管17，便于羽流吸附泵主体100中剩余液氮的排出，辅助排液管路700的管直径小于进液总管17及带翅片支管2、7、12直径。辅助排液管路700上设置有低温排液阀701，一端与各供应系统300、400、500、600以及羽流吸附泵主体100的进液总管17相连，另一端通往大气。

所述的羽流吸附泵配有管路安全阀108，防止系统管路压力过高。如图1中所示，在液氦供应系统600连接羽流吸附泵主体100的进液总管17以及辅助排液管路700的管路上设置有管路安全阀108。所述羽流吸附泵中所有阀门均可手动调节，用于控制流量大小。

如图1所示，大筒101由若干带翅片支管2与上汇总管1、下汇总管3焊接而成，有自己的进液管4与出液管5。大筒带翅片支管2为圆弧弯管，上汇总管1、下汇总管3上对应开有一排径向孔，对应的径向孔之间焊有左右两个带翅片支管2，对应两个左右带翅片支管2形成一个圆形。大筒上汇总管1位于大筒101前端的一端通过堵头堵住，另一端通过一个金属软管18连接有大筒出液管5，大筒下汇总管3的两端都通过堵头堵住，大筒下汇总管3上靠近大筒101前端的入口位置，如图1中为左侧入口位置，通过一个90度弯头21连接有大筒进液管4。大筒上、下汇总管1、3与进、出液管4、5均为直管。

如图1所示，中筒102由若干带翅片支管7与中筒上下汇总管6、8焊接而成，有自己的进液管9与出液管10。中筒带翅片支管7也为圆弧弯管，上汇总管6与下汇总管8上对应开有一排径向孔，对应的径向孔之间焊有左右两个带翅片支管7，对应两个左右带翅片支管7形成一个圆形。中筒上汇总管6位于中筒102前端的一端通过堵头堵住，另一端通过一个金属软管18连接有中筒出液管10，中筒下汇总管8的两端都通过堵头堵住，中筒下汇总管8在靠近中筒102前端的入口位置，如图1中为左侧入口位置，通过一个90度弯头21连接有中筒进液管9。中筒上、下汇总管6、8与进、出液管9、10都为直管。

如图1所示，小筒103由若干带翅片支管12与上汇总管11、下汇总管13焊接而成，有自己的进液管14和出液管15。小筒带翅片支管12为圆弧弯管，上下汇总管11、13上对应开有一排径向孔，对应的径向孔之间焊有左右两个带翅片支管12，对应两个左右带翅片支管12形成一个圆形。小筒上汇总管11位于小筒103前端的一端通过堵头堵住，另一端通过一个金属软管18连接有小筒出液管15，小筒下汇总管13的两端都通过堵头堵住，小筒下汇总管13在靠近小筒103前端的入口位置，如图1中为左侧入口位置，通过一个90度弯头21连接有小筒进液管14。小筒上、下汇总管11、13与进、出液管14、15都为直管。

如图1与图4所示，羽流吸附泵主体100的三个圆筒101、102、103的大筒出液管5、中筒出液管10与小筒出液管15利用连接板24焊在一起，增加强度。如图1所示，大筒进液管4、中筒进液管9与小筒进液管14分别通过金属软管18连接至进液汇总管16。进液汇总管16的上端通过堵头堵住，进液汇总管16的上端离小筒进液管14的中心加长200mm，即在液氦入口管路中形成了一个盲肠。进液汇总管16的下端通过90度弯头21连接至进液总管17。

羽流吸附泵主体100的大筒上汇总管1、中筒上汇总管6、小筒上汇总管11、大筒出液管5、中筒出液管10与小筒出液管15上焊接的金属软管18，用于补偿羽流吸附泵主体100因热胀冷缩产生的轴向移动。金属软管18的管内直径与其连接的上汇总管或出液管的管内直径基本相同。

进液汇总管16的上端部分形成的盲肠，避免液氦流动短路。当液氦从进液汇总管16最下面进入时，根据自然对流规律，冷氦气或部分液氦会迅速向上，如果没有盲肠，冷氦气会迅速进入小筒进液管14，从而在小筒进液管14处形成短路。由于有了200mm长的一段盲肠管，冷氦气会首先进入盲肠，由于盲肠内温度较高，盲肠内氦气的压力升高，这样就可阻止液氦或冷氦气向上流动，而从阻力较小的大筒进液管4流入大筒101，待大筒101内液氦液面上升到中筒进液管9高度时，液氦就会从大筒进液管4和中筒进液管9同时流入，待大筒101和中筒102内液氦液面上升到小筒进液管14高度时，液氦就会从大筒进液管4、中筒进液管9和小筒进液管14同时流入，这样三个圆筒会比较平稳地同时降温。但三个筒不可能同时降到液氦温度，在预冷过程中总会有一部分低温气氦从出液总管中排出，预冷速度越快，这种情况越严重。为了节省液氦，首先应尽量降低预冷速度，使气氦与管板能进行充分的热交换。

大筒带翅片支管2、中筒带翅片支管7与小筒带翅片支管12均由316不锈钢支管23和T2紫铜翅片22焊接而成，如图3所示。支管23间距200mm，支管23的管尺寸为Φ21x2.2(单位是mm)，翅片厚度1.5mm。三个圆筒的上、下汇总管1、3、6、8、11、13都采用316不锈钢管材料，为保证流动顺畅，减少气堵，上汇总管1、6、11的直径大于下汇总管3、8、13的直径，下汇总管3、8、13的直径大于带翅片支管2、7、12的管直径。本发明实施例中下汇总管3、8、13的尺寸为Φ45x2.5(单位是mm)，上汇总管1、6、11的尺寸为Φ57x2.5(单位是mm)。上述管尺寸的第一个数表示管直径，第二个数表示管壁厚度，比如Φ21x2.2表示管直径21mm，管壁厚度2.2mm。

由于羽流吸附泵主体100的三个圆筒形管板101、102、103要求同时安装、同时拆出，故三个圆筒形管板101、102、103被做成一个整体。如图1所示，小筒上汇总管11通过两个吊挂螺栓25吊挂在中筒上汇总管10上，两个吊挂螺栓25位于小筒两端，用于承受小筒重量，两个吊挂螺栓25和中筒上汇总管6的连接如图5所示。为了在拆卸羽流泵时让小筒103更稳定，在小筒下汇总管13和中筒下汇总管8间还加有两个支撑20，如图6所示。当小筒103内通液氦时，由于冷缩小筒103会离开这两个支撑20，因此小筒下汇总管13与支撑20间是不能焊接的。为防止小筒左右晃动，采用角钢夹条29通过螺栓27将小筒带翅片支管12与中筒带翅片支管7固定，角钢夹条都位于在圆筒周向上半部分左右两侧与竖直中心线对称的周线上。如图10所示，在小筒103周向左上与右上两侧的带翅片支管12上对称各取一处，两侧对应点与小筒103中心成60度锐角，中筒102周向左上与右上两侧的带翅片支管7上对称位置各取一处，所取点在小筒103两侧所取点与中心所在的周线上，角钢夹条29所处的轴向位置可任意选取，长度可根据小筒103与中筒102间距确定。中筒102与大筒101之间的固定形式与小筒103与中筒102之间的固定形式是一样的。中筒上汇总管6通过两个吊挂螺栓25吊挂在大筒上汇总管1上，两个吊挂螺栓25位于中筒102两端，中筒下汇总管8和大筒下汇总管间3均布有三个支撑20，中筒下汇总管8与支撑30间不焊接，通过角钢夹条29固定中筒带翅片支管7与大筒带翅片支管2，在大筒101周向左上与右上两侧的带翅片支管2上对称各取一处，所取点在连接小筒103与中筒102的角钢夹条29所在的周线上，角钢夹条29所处的轴向位置可任意选取，长度可根据中筒102与大筒101间距确定。

如图1所示，在三个圆筒101、102、103的后端位置处，为了固定进液管，大筒下汇总管3与大筒进液管4之间，中筒下汇总管8与中筒进液管9之间，小筒下汇总管13与小筒进液管14之间均设置有吊板19。如图7所示为设置在中筒下汇总管8与中筒进液管9之间吊板19。

为了尽可能避免液氦流动短路，在每个圆筒靠近下汇总管的带翅片支管的翅片间各加有导热带26，如图7所示，在三个圆筒上共加有六条导热带，材料为软编导线，导热带26通过螺栓27与翅片22固定连接，螺栓27与螺栓孔之间垫有垫圈。

通过调节流过三个圆筒的气氦量，使流过三个圆筒的气氦量与它们预冷所需冷量成比例，也可以用来避免液氦流动短路。本发明实施例中，经计算大筒质量708kg，其中铜487kg，不锈钢221kg；中筒质量417kg，其中铜280kg，不锈钢137kg；小筒质量209kg，其中铜133kg，不锈钢76kg。当它们从90K冷到10K所需冷量分别为大筒5677887焦(J)、中筒3335954J、小筒1663149J，故三个筒的气体流量之比应为1∶0.587∶0.293。在进液汇总管16与连接小筒出液管15的金属软管18的连接处，以及进液汇总管16与连接中筒进液管9的金属软管18的连接处设置限流环28，使流过三个圆筒的气氦量与它们预冷所需冷量成比例。本发明中大筒进液管4内径为40mm，则中筒进液管9的内径应为30.65mm，小筒进液管14的内径应为21.65mm。故在进液汇总管16与连接中筒进液管9的金属软管18的连接处放一个内径为30.6mm的限流环28，如图9中b所示。在进液汇总管16与连接小筒出液管15的金属软管18的连接处放一个内径为21.6mm的限流环28，如图9中a所示。

应用上述一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵制冷的方法，如图11所示，具体为：

(1)打开液氮供应阀302，启动液氮供应系统300向羽流吸附泵主体100通入液氮制冷介质，通过电阻温度传感器200观察羽流吸附泵主体的三个圆筒的温度及降温速率，并通过大筒控制阀104、中筒控制阀105、小筒控制阀106来调节各筒温度及降温速率，当羽流吸附泵主体100三个圆筒的主体温度均达到77K左右时，关闭液氮供应阀302，停止液氮供应；

(2)打开低温排液阀701，将羽流吸附泵主体100中的大量液氮通过辅助排液管路700排出，通过观察，待辅助排液管路700中无液氮流出时，关闭低温排液阀701；

(3)启动气氮吹除系统400，打开气氮吹除阀402向羽流吸附泵主体100通入气氮，通过电阻温度传感器200观察羽流吸附泵主体100的三个圆筒的主体温度，待羽流吸附泵主体100的三个圆筒的主体温度均升至80K以上时，说明羽流吸附泵主体100管路中液氮蒸发完全，已无液氮残留，此时关闭气氮吹除阀402；

(4)启动气氦吹除系统500，打开气氦吹除阀502向羽流吸附泵主体100通入气氦，一般情况下，5～10分钟后羽流吸附泵主体100中的气氮即可被充分置换干净，待气氮被吹除干净后，关闭气氦吹除阀502；

(5)启动液氦供应系统600，打开液氦供应阀602，向羽流吸附泵主体100通入液氦制冷介质，通过电阻温度传感器200观察羽流吸附泵三个圆筒的主体温度及降温速率，并通过大筒控制阀104、中筒控制阀105、小筒控制阀106来调节各筒温度及降温速率，直至羽流吸附泵三个圆筒的主体温度均达到4.2K。

整个切换过程中，确保了羽流吸附泵的三个筒同时降温，通入液氦制冷介质时，羽流吸附泵主体管路中只有氦气，没有氮气，通入液氦制冷介质不会产生任何故障。

Claims (10)

1.一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的羽流吸附泵包括羽流吸附泵主体、电阻温度传感器、液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统、液氦供应系统与辅助排液管路；

所述的羽流吸附泵主体由三个同心圆筒形管板所形成的圆筒组成，成锥形排列，三个圆筒的后端齐平，前端等比例内缩，三个圆筒的进出液口位于同侧，水平进，水平出，进液口在下，出液口在上，三个圆筒的进液口连通，三个圆筒的出液口连通，三个圆筒的进液口都连接到进液总管；电阻温度传感器设置在羽流吸附泵主体的三个圆筒的带翅片支管表面上，用于检测温度；液氮供应系统、气氮吹除系统、气氦吹除系统以及液氦供应系统，都通过管路与羽流吸附泵主体三个圆筒的进液总管以及辅助排液管路的一端连接，辅助排液管路的另一端通往大气。

2.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的三个圆筒为大筒、中筒和小筒，每个圆筒都包括上汇总管、下汇总管、进液管、出液管及带翅片支管；上汇总管、下汇总管、进液管和出液管均为直管，上汇总管的管直径大于下汇总管的管直径，下汇总管的管直径大于带翅片支管的管直径；上汇总管与下汇总管上对应开有一排径向孔，对应的径向孔之间焊有左右两个带翅片支管，带翅片支管为圆弧弯管，对应的两个左右带翅片支管形成一个圆形，每个圆筒靠近下汇总管的带翅片支管的翅片间加有导热带；上汇总管位于圆筒前端的一端通过堵头堵住，另一端通过金属软管连接有出液管，三个圆筒的出液管通过连接板焊在一起；下汇总管的两端都通过堵头堵住，下汇总管靠近圆筒前端入口位置连接有进液管，三个圆筒的进液管分别通过金属软管连接至进液汇总管，进液汇总管的上端距离小筒进液管的中心200mm并通过堵头堵住，下端连接进液总管。

3.根据权利要求1或2所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的三个圆筒，其出液口分别通过管道连接控制阀并连接到总放空阀，总放空阀用于控制将流经羽流吸附泵的流体排出羽流吸附泵主体，通过调节控制阀的开度对对应的圆筒进行流量调节。

4.根据权利要求1或2所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的三个圆筒的前端等比例内缩的内缩长度取小筒直径的1/4。

5.根据权利要求2所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的带翅片支管由316不锈钢支管和T2紫铜翅片焊接而成，316不锈钢支管的管间距为200mm，管尺寸为Φ21×2.2mm，翅片厚度1.5mm，三个圆筒的上汇总管和下汇总管都采用316不锈钢管材料，下汇总管的管尺寸为Φ45×2.5mm，上汇总管的管尺寸为Φ57×2.5mm，导热带材料为软编导线。

6.根据权利要求2所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的进液汇总管，与连接中筒与小筒进液管的金属软管的连接处设有限流环，使实际流过三个圆筒的气氦量与三个圆筒预冷所需冷量成比例。

7.根据权利要求2所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述三个圆筒为一体化设置：小筒上汇总管通过两个吊挂螺栓吊挂在中筒上汇总管上，两个吊挂螺栓位于小筒两端，小筒下汇总管和中筒下汇总管间加有两个支撑，两个支撑位于小筒两端，小筒下汇总管与支撑间不焊接；中筒上汇总管通过两个吊挂螺栓吊挂在大筒上汇总管上，两个吊挂螺栓位于中筒两端，中筒下汇总管和大筒下汇总管间均布有三个支撑，中筒下汇总管与支撑间不焊接；在小筒带翅片支管与中筒带翅片支管之间、中筒带翅片支管与大筒带翅片支管之间分别通过两条角钢夹条固定，角钢夹条位于在圆筒周向上半部分左右两侧，且在圆筒横截面上位于关于竖直中心线对称的直径线上，两条直径线关于圆筒中心成60度角，角钢夹条所处的轴向位置任意选取，长度根据相邻两个圆筒的间距确定。

8.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的电阻温度传感器为铑铁电阻温度传感器，测温范围1.3K～300K。

9.根据权利要求1所述的一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵，其特征在于，所述的液氮供应系统包括液氮贮槽及液氮供应阀，液氮贮槽通过管路连接液氮供应阀连接至羽流吸附泵主体的进液总管以及辅助排液管路；

气氮吹除系统包括气氮瓶及气氮吹除阀，气氮瓶通过管路连接气氮吹除阀连接至羽流吸附泵主体的进液总管以及辅助排液管路，气氮吹除系统在辅助排液管路排出大部分液氮后启动；

气氦吹除系统包括气氦瓶及气氦吹除阀，气氦瓶通过管路连接气氦吹除阀连接至羽流吸附泵主体的进液总管以及辅助排液管路，气氦吹除系统在气氮吹除系统充分吹除液氮后启动；

液氦供应系统包括液氦贮槽及液氦供应阀，液氦贮槽通过管路连接液氦供应阀连接至羽流吸附泵主体的进液总管以及辅助排液管路；在液氦供应阀连接羽流吸附泵主体的进液总管的管路上设置有安全阀；

辅助排液管路位于羽流吸附泵主体的进液总管的入口处，位置低于进液总管，其管路上设置有低温排液阀，辅助排液管路的管直径小于进液总管及三个圆筒的带翅片支管的直径。

10.一种液氮液氦双介质兼容羽流吸附泵的制冷方法，其特征在于，该方法具体为：

(1)启动液氮供应系统，打开液氮供应阀，向羽流吸附泵主体通入液氮制冷介质，通过电阻温度传感器观察羽流吸附泵主体的三个圆筒的温度及降温速率，并通过控制阀来调节各筒温度及降温速率，当三个圆筒的主体温度均达到77K时，关闭液氮供应阀；

(2)打开低温排液阀，将羽流吸附泵主体中的液氮通过辅助排液管路排出，通过观察，待辅助排液管路中无液氮流出时，关闭低温排液阀；

(3)启动气氮吹除系统，打开气氮吹除阀向羽流吸附泵主体通入气氮，通过电阻温度传感器观察三个圆筒的主体温度，待三个圆筒的主体温度均升至80K以上时，关闭气氮吹除阀；

(4)启动气氦吹除系统，打开气氦吹除阀向羽流吸附泵主体通入气氦，5～10分钟后，关闭气氦吹除阀；

(5)启动液氦供应系统，打开液氦供应阀，向羽流吸附泵主体通入液氦制冷介质，通过电阻温度传感器观察三个圆筒的主体温度及降温速率，并通过控制阀来调节各筒温度及降温速率，直至三个圆筒的主体温度均达到4.2K。

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