CN104952685B - 轻量化大抽速离子泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子泵，尤其涉及一种轻量化大抽速离子泵，包括泵体，泵体上设有微型高压电极；泵体内设有阳极筒组件、阴极钛板和磁体部件，磁体部件由磁钢和导磁铁组成；泵体为钛合金泵体；磁钢为钕铁硼磁钢；导磁铁整体呈矩形框，由两个U形钢板拼接而成，每个U形钢板都是由一底板和位于所述底板两侧的翼板一体成型，从每个翼板的转角处那端到该翼板另一端的厚度逐渐减小；泵体的后侧设置有一个方条，方条的中心与阳极筒组件焊接，方条的两侧焊接凸耳；微型高压电极采用YV2TJ电连接器和GFK‑10KV‑26导线，经过优化设计，本发明的离子泵可以达到现有离子泵的抽速，而重量仅为3KG。

Description

轻量化大抽速离子泵
技术领域
本发明涉及于一种离子泵，尤其涉及一种轻量化大抽速离子泵。
背景技术
离子泵的功能是提供10-4Pa以下量级的压强，主要是利用潘宁放电原理实现高真空，基本工作原理为：
1.离化与轰击当粗抽泵将管路的气压抽至5×10-2Pa以下时，离子泵启动，阳极接通6000V的高电压。在高压的作用下，泵体内部存留的气体被电离，生成的离子在电压和磁场的作用下，轰击阴极钛板，溅射出阴极材料钛。
2.反应与填埋经离子轰击，从阴极溅射出来的钛原子团落在阳极或阴极上形成新鲜的钛膜，遇到活性气体便与之反应，生成稳定的化合物，如钛氧化合物或钛氮化合物。惰性气体与钛膜不能生成化合物，若此时恰逢钛原子团降临，惰性气体就可能被掩埋。如果发生这种掩埋的机会少，离子泵对惰性气体的抽速就很低。
氢离子的质量很小，轰击阴极时不能引起阴极材料溅射，而是潜入阴极内部生成钛氢化合物或进入晶格间形成固溶体。
简言之，离子泵不是把气体排出泵外，而是将气体禁锢在泵内。
目前，离子泵的技术已经比较成熟，主要结构包括泵壳体，壳体内有阳极和阴极，壳体上有一个向阳极输入6000V直流高压的真空引线和一个吸入被抽气体的泵口法兰，永久磁铁和导磁铁则包裹在泵壳体的外面，在泵壳体内阴极和阳极处有一个约1500高斯的磁场。
市场上销售的离子泵存在如下问题：
1、离子泵较为笨重，即使是国外知名的产品，20L/s离子泵的重量也在10公斤以上，其中永久磁钢和导磁铁约占总重量的70％。
2、泵体上的真空高压引线只适合在低海拔处工作。而高海拔处空气稀薄，可能引起电弧放电，从而烧毁真空高压引线。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种轻量化大抽速离子泵，解决上述的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种重量轻、便携式，抽速重量比较大的离子泵。
本发明轻量化大抽速离子泵，包括轻量化大抽速离子泵，包括泵体，泵体上设有微型高压电极；泵体内设有阳极筒组件、阴极钛板和磁体部件，磁体部件由磁钢和导磁槽钢组成；所述泵体为钛合金泵体；所述磁钢为钕铁硼磁钢；所述导磁槽钢整体呈矩形框，由两个U形钢板拼接而成，每个U形钢板都是由一底板和位于所述底板两侧的翼板一体成型，从每个翼板的转角处那端到该翼板另一端的厚度在逐渐减小；所述泵体的后侧设置有一个方条，方条的中心与阳极筒组件焊接，方条的两侧焊接凸耳。
进一步的，所述U形钢板为DT4纯铁钢板。
进一步的，所述微型高压电极采用YV2TJ电连接器和GFK-10KV-26导线。
进一步的，所述泵体前侧采用松套法兰与外部气路连接，松套法兰的材质为钛金属。
进一步的，所述松套法兰的边缘部分在现有圆形孔的基础上，开设有若干个腰形孔。
进一步的，所述阳极筒组件的面积为7000mm2。
进一步的，翼板的转角处那端的厚度为4mm，该翼板的另一端的厚度为2mm。
离子泵的结构如上述，减轻重量的具体措施如下：
1.采用钕铁硼作为永久磁钢，重量仅为铁氧体磁钢的三分之一。
2.导磁铁的厚度变化。磁通量大的比较厚，磁通量小的比较薄，保持导磁铁磁通密度近似。
3.泵壳材料以钛合金代替不锈钢，钛的比重仅为不锈钢的60％。同时取消了钛阴极，代之以钛泵壳，这样不仅减轻了重量，而且永久磁钢之间的间隙缩短，磁场强度提高，抽速也因之提高。
4.泵体上设有松套法兰，有若干个腰型孔，减轻重量。
5.选用先进的GFK-10KV-26导线作为高压电缆，进一步减轻重量
通过上述办法设计，使得本发明的离子泵总重量为不高于3kg。特别是经过减重设计的离子泵的磁体部件的磁场强度高于1500高斯，而重量仅为2Kg(较之前的标准产品减轻了一半重量)。实验证明：改进设计制造的离子泵的重量为不大于3kg，外形尺寸为(157±1)×(170±2)×(115±1)(国外进口同类产品重量是11公斤)。
附图说明
图1是本发明轻量化大抽速离子泵的结构示意图；
图2是本发明轻量化大抽速离子泵的剖视图；
图3是图2的俯视图；
图4是磁钢和导磁槽钢的结构示意图；
图5是U形钢板的结构图；
图6是松套法兰的打孔示意图。
图中：1、泵体；2、微型高压电极；3、阳极筒组件；4、磁钢；5、导磁槽钢；6、U形钢板；7、方条；8、凸耳；9、松套法兰；61、底板；62、翼板；91、腰形孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明所示的轻量化大抽速离子泵，包括泵体1，泵体1上设有微型高压电极2，微型高压电极2采用YV2TJ电连接器和GFK-10KV-26导线；泵体1内设有阳极筒组件3、阴极钛板(图中未示出)和磁体部件，阳极筒组件的面积为7000mm2，磁体部件由磁钢4和导磁槽钢5组成；泵体1为钛合金泵体；磁钢4为钕铁硼磁钢；导磁槽钢5整体呈矩形框，由两个U形钢板6拼接而成，U形钢板为DT4纯铁钢板，每个U形钢板6都是由一底板61和位于所述底板两侧的翼板62一体成型，从每个翼板的转角处那端到该翼板另一端的厚度在逐渐减小，翼板的转角处那端的厚度为4mm，该翼板的另一端的厚度为2mm；所述泵体1的后侧设置有一个方条7，方条7的中心与阳极筒组件焊接，方条的两侧焊接凸耳8。泵体前侧采用松套法兰9与外部气路连接，松套法兰9的材质为钛金属，松套法兰的边缘部分在现有圆形孔的基础上，开设有若干个腰形孔91。
为了减轻壳体重量，本发明设计了钛合金作为离子泵壳体制作材料的加工方式。钛合金的比重为4.5g/cm3，是不锈钢的60％，同时，钛是比强度最高的金属，具有比刚度、比强度高，放气量小，抗腐蚀性好等优点。我们选择用钛材料替代不锈钢制造泵体可以大大减轻离子泵的质量。
为了减轻磁钢的重量，本发明设计使用钕铁硼磁钢作为离子泵的磁钢。钕铁硼是一种稀土永磁材料，具有高磁能积、高能量密度和强矫力等优点；离子泵两阴极板需要有不低于1500高斯的磁场强度，在正对面积相同的情况下，500g的钕铁硼磁钢即可达到磁场强度的要求，仅为之前磁性材料质量和体积的三分之一。
导磁铁的使用大大提阴极阳极处的磁场强度。离子泵的导磁铁为矩形框，由两个U形钢板拼接而成，钢板选用DT4纯铁制作，通过仿真实验得到了导磁铁内的磁场分布并不是均匀的，有强有弱。根据导磁铁内部的磁场分布，本发明保留磁场强度强的部分的厚度，而将磁场强度弱的部分的厚度减小，优化后的U形钢板结构比之前减重300g左右。
离子泵采用CF35松套法兰与外部气路连接，法兰采用钛金属替代之前的不锈钢材料进行加工，并在外套法兰的边缘部分打孔去掉部分金属；实验证明：加工出的松套法兰的质量仅为之前不锈钢材料的40％，且气密性和稳定性良好。
目前市场上通用的离子泵都配有后挡板，为泵体内部结构提供物理支撑和保护。然而，TGTHB05121离子泵的在空间站中的工况较普通的大气条件好，且离子泵的阳极本身九室密闭组件，无需再进行保护措施。根据以上分析，我们去掉了离子泵的后挡板，同时，为了不影响离子泵本身的稳定性，在离子泵体的后侧加入了一个方条。方条的中心与阳极组件焊接，两侧焊接凸耳，为凸耳提供稳定的支撑点。实验证明：去掉后挡板，加入方条的离子泵的泵体减轻了0.8kg左右，而整体的稳定性反而有所提升。
本发明选择了YV2TJ电连接器和GFK-10KV-26导线替代传统产品。YV2TJ电连接器本身可以耐受7000V的高压，同时其内部的真空环境可以有效的抑制辉光放电现象，而其体积较之前的电连接器大大减小。离子泵的电性能特点为：工作电压高，电流强度小，为此选用GFK-10KV-26导线，包裹硅橡胶套后由电机座直接甩线引出，既满足了离子泵的电性能要求和稳定性要求，又降低了离子泵的质量。
通过上述办法设计，使得本发明的离子泵总重量为不高于3000克。特别是经过减重设计的离子泵的磁体部件的磁场强度高于1500高斯，而重量仅为2Kg(较之前的标准产品减轻了一半重量)。实验证明：改进设计制造的离子泵的重量为不大于3kg，外形尺寸为(157±1)×(170±2)×(115±1)(国外进口同类产品重量是11公斤)。
根据离子泵抽气速率的经典公式和设计经验，在磁场强度1500高斯，工作电压6000伏情况下，离子泵单个阳极筒的抽速S0遵循下列公式：
S0＝1.9hdHU1/2x10-6(升/秒)
其中：h 阳极筒高度 2.4cm
d 阳极筒直径 1.6cm
U 直流高压 6000V
H 磁场强度 1500高斯
将上述数值代入计算，S0＝0.8477(升/秒)。由于该离子泵一共33个阳极筒，所以泵抽速S＝33x S0＝28(升/秒)。考虑到泵内部气体通导影响，有效抽速Seff一般只有S的75％，故Seff＝Sx75％＝21(升/秒)。
本发明所示的轻量化大抽速离子泵，设计的基本参数为：
抽速：20L/S(干燥空气)；40L/S(氢气)；
启动压力：低于压力1×10-3Pa。
极限压力：不大于5×10-8Pa。
重量：3kg。
重量组成如下表：
部件 材料 重量 百分比
泵体 钛 850克 29.3％
阳极筒组件 不锈钢304 201克 6.9％
阴极钛板 β钛 116克 4％
磁钢 钕铁硼 500克 17.2％
导磁槽钢 纯铁DT4 1100克 37.9％
微型高压电极 氧化铝 130克 4.4％
包括以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.轻量化大抽速离子泵，包括泵体，泵体上设有微型高压电极；泵体内设有阳极筒组件、阴极钛板和磁体部件，磁体部件由磁钢和导磁槽钢组成；其特征在于：所述泵体为钛合金泵体；所述磁钢为钕铁硼磁钢；所述导磁槽钢整体呈矩形框，由两个U形钢板拼接而成，每个U形钢板都是由一底板和位于所述底板两侧的翼板一体成型，从每个翼板的转角处那端到该翼板另一端的厚度逐渐减小；所述泵体的后侧设置有一个方条，方条的中心与阳极筒组件焊接，方条的两侧焊接凸耳。
2.如权利要求1所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述U形钢板为DT4纯铁钢板。
3.如权利要求1所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述微型高压电极采用YV2TJ型电连接器。
4.如权利要求1所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述泵体前侧采用松套法兰与外部气路连接，松套法兰的材质为钛金属。
5.如权利要求4所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述松套法兰的边缘部分在现有圆形孔的基础上，开设有若干个腰形孔。
6.如权利要求1所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述阳极筒组件的面积为7000mm2。
7.如权利要求1所述的轻量化大抽速离子泵，其特征在于，所述翼板的转角处那端的厚度为4mm，该翼板的另一端的厚度为2mm。
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