CN102966518A - 大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统及抽气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统及抽气方法，包括粗抽系统、磁悬浮分子泵系统和低温泵系统。其中，粗抽系统包括若干套并联的粗抽机组，每套粗抽机组由应用于半导体行业的无油干泵罗茨泵机组构成，通过PLC及上位计算机对真空抽气全过程进行自动控制和测量以实现大型空间环境模拟器高真空的获得与维持；其中，磁悬浮分子泵系统由应用于半导体行业用的磁悬浮分子泵和无油干泵罗茨泵机组组成；其中，低温泵系统采用制冷机低温泵，其低温泵前级采用分子泵和干泵罗茨泵组成的机组；本发明也公开了相应的抽气工艺。本发明通过采用无油的真空抽气系统和合理的抽气工艺，解决了大型空间模拟器清洁高真空的获得问题。

Description

大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统及抽气方法

技术领域

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体来说，涉及一种大型空间环境模拟器的真空抽气方法，以用于大型空间环境模拟器试验真空的获得。

背景技术

大型空间环境模拟器主要模拟空间的真空、冷黑等环境，用于卫星、飞船等航天器进行热真空试验、热平衡试验的地面设备。真空环境是空间环境模拟器试验的重要参数之一，航天器的空间环境试验真空的获得要求为清洁低污染量（24小时累计污染量<1×10^-7g/cm²）的高真空环境，而发明的大型空间环境模拟器清洁真空抽气技术正是为满足这一需要而创造的。目前，国内大型空间环境模拟器粗抽系统均采用有油污染的粗抽机组，这种机组使用泵油作为泵腔内的密封和冷却介质，直接参与设备的抽气过程，极易造成返油，需要在粗抽管道上增加液氮冷阱来减少粗抽机组的返油污染，但不能完全避免油分子进入真空容器内，同时还增加了设备操作的复杂性。此外，分子泵采用油润滑，也会对容器有一定的油污染，分子泵前级和低温泵前级也均采用油封式机械泵，均为使用泵油作为直接工作介质的真空设备，例如，现在国内大型空间环境模拟器，如KM6（3000m³）、KM3B(80m³)设备均采用此类系统搭建。为了避免油污染，大型空间环境模拟器（容积>70m³）的清洁真空抽气方法对于空间环境模拟器清洁高真空的获得，提高空间环境模拟器的可靠性具有重要的实际工程意义。

发明内容

为了解决现有技术中大型空间环境模拟器真空抽气系统的油污染的技术问题，而完成了本发明。本发明的目的在于提供一种大型空间环境模拟器的清洁真空抽气系统及抽气工艺，以满足航天器热真空、热平衡试验的需要。此外，本发明的另一目的在于提供一种利用上述抽气系统对模拟器进行抽气的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其为不使用泵油作为直接工作介质的清洁抽气设备，包括设置在大型空间环境模拟器上分别通过高真空阀门与容器隔离的粗抽系统、磁悬浮分子泵系统和低温泵系统，粗抽系统包括若干套并联的粗抽机组，每套粗抽管路由用于半导体行业的无油干泵罗茨泵机组构成，粗抽系统与大型空间模拟器之间的管路上设置有真空测量装置，通过PLC及上位计算机对真空抽气全过程进行自动控制和测量以实现大型空间环境模拟器高真空的获得；其中，磁悬浮分子泵系统和低温泵系统与大型空间环境模拟器的连接管路上分别设置有真空阀门和真空测量装置，磁悬浮分子泵系统由半导体行业用的磁悬浮分子泵和无油干泵机组组成；低温泵系统采用制冷机低温泵作为主泵，其前级采用磁悬浮分子泵和无油干泵机组。

其中，所述无油干泵均指抽真空设备泵腔内不含真空泵油，但轴承润滑仍需要油润滑的真空泵。

其中，所述真空测量装置为真空规，测量范围根据使用需求不同采用不同种类的测量装置，范围10⁵Pa～5×10^-8Pa。

其中，所述高真空阀门为可用于高真空环境下的任何种类阀门或具有隔断真空抽气设备与容器功能的隔断装置。

其中，所述大型空间环境模拟器为容积为70m³以上的模拟器。

一种利用上述系统对大型空间环境模拟器抽气的工艺流程，包括以下步骤：

1）启动粗抽系统对容器抽气，在容器内压力降低到接近能够防止粗抽系统对容器可能造成油污染的最低压力值P₀时，停止粗抽系统对容器抽气；

2）预冷低温泵系统，使用无油干泵对低温泵泵腔进行抽气，在低温泵内压力降低到接近能够防止前级干泵对低温泵泵体可能造成油污染的最低压力值P₀时，启动分子泵对低温泵系统进行抽气，使低温泵泵体内压力达到低温泵的预冷压力值；

3）启动分子泵系统对容器抽气，以达到低温泵系统的启动压力，压力值根据不同低温泵系统的技术参数确定； 

4）启动低温泵系统对容器抽气，保持容器内压力低于6.65×10^-3 Pa至实验结束。

本发明能够为大型空间环境模拟器清洁真空的获得提供技术手段，提高了提高空间环境模拟器可靠性。大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统及抽气方法通过针对清洁真空环境要求而进行的系统搭建及抽气工艺的研究，既在源头上最大程度的消灭污染源，又在抽气过程中降低油对系统的污染。它摒弃了传统的使用油式真空泵对容器进行抽气的方法，转而采用广泛应用于半导体行业的无油干泵和磁悬浮分子泵，极大降低了大型空间环境模拟器中的污染量，在众多试验中取得了良好的污染控制效果。对大型和超大型空间环境模拟器的研制都有非常重要的参考价值。

附图说明

图1是本发明大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统示意图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参见图1，本发明的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，包括设置在大型空间环境模拟器上并分别通过高真空阀门进行隔离的粗抽系统、磁悬浮分子泵系统和低温泵系统。其中，磁悬浮分子泵系统和低温泵系统与大型空间环境模拟器的连接管路上分别设置有高真空阀门和真空测量装置，磁悬浮分子泵系统由半导体行业用的磁悬浮分子泵和无油干泵罗茨泵机组组成；其中，低温泵系统采用制冷机低温泵，其低温泵前级采用分子泵和干泵罗茨泵组成的机组；其中粗抽系统包括若干套并联的粗抽机组，每套粗抽机组由用于半导体行业的无油干泵罗茨泵机组构成，粗抽系统与大型空间模拟器之间的管路上设置有真空测量装置，通过PLC及上位计算机对真空抽气全过程进行自动控制和测量以实现大型空间环境模拟器高真空的获得与维持。

利用本发明的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统进行抽气的工艺描述如下。其中，泵油、润滑油在粘滞流状态下

不会进入容器造成污染。粘滞流状态遵循下述公式：

                                                 

………………………………（1）

式中

为管道内平均压力，单位为

。D为管道内径，单位为。只要管道内的平均压力

满足此式，即可将管道内的气体流态控制在粘滞流状态。粘滞流状态下，油不会返进入容器造成污染，可最大程度降低系统受污染的可能性。真空系统抽气时，容器内压力远高于真空设备进气口的压力值，可以认为容器内压力的一半即为管道平均压力值。只要容器内压力值的2倍大于

，即可防止泵油进入容器。

其中，粗抽机组首次将广泛应用于半导体行业的无油干泵罗茨泵机组应用于大型空间环境模拟器。通过相应的阀门、管道、真空规组成粗抽系统，实现大型空间环境模拟器从大气到理论计算压力值，并实现粗抽流程的自动控制。此压力值由公式（1）确定。

其中磁悬浮分子泵机组首次采用广泛应用于半导体行业的磁悬浮分子泵作为分子泵系统的主泵，配备无油干泵作为分子泵前级。磁悬浮分子泵不使用油润滑，振动小，可水平安装，有效抽速大。传统大型空间环境模拟器使用油润滑或脂润滑分子泵，前级泵选用油封机械泵，高真空环境下易返油，对空间模拟环境造成污染。通过公式（1）计算，得出前级无油干泵的工作压力范围，避免无油干泵的轴承润滑油对设备造成污染。

其中，低温泵机组采用先进的制冷机低温泵，低温泵前级采用分子泵、无油干泵，实现大型空间环境模拟器高真空的获得与维持。

利用上述系统对大型空间环境模拟器抽气的方法，抽气工艺包括以下步骤：

1）启动粗抽系统对容器抽气。根据将粗抽管路直径代入公式（1），计算得出能够防止粗抽系统对容器可能造成油污染的最低平均压力值

。在容器内压力降低到此压力值

的2倍之前，停止粗抽系统对容器进行真空抽气；

2）预冷低温泵系统。根据理论计算得出能够防止无油干泵的轴承润滑油可能对低温泵泵体可能造成油污染的最低平均压力值

。使用无油干泵对低温泵进行抽气，低温泵内压力到达可能造成油污染的最低平均压力值

的2倍之前，启动分子泵对低温泵系统进行抽气，使低温泵泵体内压力达到低温泵的预冷压力值；

3）启动磁悬浮分子泵系统对容器抽气。达到低温泵系统的启动压力，压力值根据不同低温泵系统的技术参数确定； 

4）启动低温泵系统对容器抽气；

5）保持容器内压力低于6.65×10^-3 Pa至实验结束。

该发明能够为大型空间环境模拟器清洁真空的获得提供技术手段，提高了提高空间环境模拟器可靠性。

大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统及抽气方法通过针对清洁真空环境要求而进行的系统搭建及抽气工艺的研究，既在源头上最大程度的消灭污染源，又在抽气过程中降低设备润滑油对系统可能造成的微量污染。它摒弃了传统的使用油式真空泵对容器进行抽气的方法，转而采用广泛应用于半导体行业的无油干泵和磁悬浮分子泵，极大降低了大型空间环境模拟器中的污染量，在众多试验中取得了良好的污染控制效果。对大型和超大型空间环境模拟器的研制都有非常重要的参考价值。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其为不使用泵油作为直接工作介质的清洁抽气设备，包括设置在大型空间环境模拟器上分别通过高真空阀门与容器隔离的粗抽系统、磁悬浮分子泵系统和低温泵系统，粗抽系统包括若干套并联的粗抽机组，每套粗抽管路由用于半导体行业的无油干泵罗茨泵机组构成，粗抽系统与大型空间模拟器之间的管路上设置有真空测量装置，通过PLC及上位计算机对真空抽气全过程进行自动控制和测量以实现大型空间环境模拟器高真空的获得；其中，磁悬浮分子泵系统和低温泵系统与大型空间环境模拟器的连接管路上分别设置有真空阀门和真空测量装置，磁悬浮分子泵系统由半导体行业用的磁悬浮分子泵和无油干泵机组组成；低温泵系统采用制冷机低温泵作为主泵，其前级采用磁悬浮分子泵和无油干泵机组。

2.如权利要求1所述的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其中，所述无油干泵均指抽真空设备泵腔内不含真空泵油，但轴承润滑仍需要油润滑的真空泵。

3.如权利要求1所述的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其中，所述真空测量装置为真空规，测量范围根据使用需求不同采用不同种类的测量装置，范围10⁵Pa～5×10^-8Pa。

4.如权利要求1所述的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其中，所述高真空阀门为可用于高真空环境下的任何种类阀门或具有隔断真空抽气设备与容器功能的隔断装置。

5.如权利要求1-4任一项所述的大型空间环境模拟器清洁真空抽气系统，其中，所述大型空间环境模拟器为容积为70m³以上的模拟器。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的真空抽气系统对大型空间环境模拟器清洁抽气工艺，包括以下步骤：

1）启动粗抽系统对容器抽气，在容器内压力降低到接近能够防止粗抽系统对容器可能造成油污染的最低压力值P₀时，停止粗抽系统对容器抽气；

2）预冷低温泵系统，使用无油干泵对低温泵泵腔进行抽气，在低温泵内压力降低到接近能够防止前级干泵对低温泵泵体可能造成油污染的最低压力值P₀时，启动分子泵对低温泵系统进行抽气，使低温泵泵体内压力达到低温泵的预冷压力值；

3）启动分子泵系统对容器抽气，以达到低温泵系统的启动压力，压力值根据不同低温泵系统的技术参数确定； 

4）启动低温泵系统对容器抽气，保持容器内压力低于6.65×10^-3 Pa至实验结束。

7.如权利要求6所述的方法，其中，整个抽气过程可全自动化控制。

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