CN107542642B - 大口径自屏蔽制冷机低温泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径自屏蔽制冷机低温泵，包括泵壳、低温屏蔽结构、冷板、两级制冷机和单级制冷机，其中，低温屏蔽结构包括冷屏I、冷屏II、隔热垫、障板和导热板，冷屏I、冷屏II、隔热垫以及障板均分为对称的左右两个部分，左右部分之间通过导热板连接，冷屏I与冷屏II之间的对接部分使用隔热垫进行热隔离，导热板将冷屏I、冷屏II以及障板形成的空间分开为两个部分，障板为百叶窗的结构，障板的叶片采用60⁰非均匀斜排列设置，冷屏II的底面开有法兰口用于安装两级制冷机，导热板设置了法兰盘用于安装单级制冷机。该低温泵可无需额外提供液氮即可独立运行，在满足大型真空容器对高真空系统抽速需求的同时，大幅降低的低温泵的运行费用，降低了再生的时间。

Description

大口径自屏蔽制冷机低温泵

技术领域

本发明属于低温真空技术领域，具体来说，本发明涉及一种直径大于900mm的大口径自屏蔽低温泵，能够在缺乏液氮供应的环境下使用，可以经济的维持高真空环境，尤其适用于不含热沉的大型真空容器的高真空配置。

背景技术

目前，在大型空间环境模拟器的高真空配置中通常配置采用液氮屏蔽型制冷机低温泵，这种低温泵的结构通常包括一个制冷机、泵壳、由液氮冷却的冷屏和障板、一个冷板等组成。这种低温泵是依靠一个两级的小型制冷机提供冷量，将冷板冷却到20K以下，使低温表面具备抽气能力；利用液氮提供80K左右的冷屏蔽，为冷板提供冷背景，并冷凝大量水汽等，保证冷板具备持续抽气能力，提高极限真空；不锈钢泵壳提供密封环境，支撑内部和外部设备及部件，形成泵体；泵口的障板主要是为进入泵内的气体遇冷，并冷凝部分气体，保护冷板不受热冲击。这三部分从外到内温度从高到低，要求互不接触，互相热隔绝，逐层提供冷屏蔽。

这种结构的低温泵有很多的缺点，尤其是缺乏液氮供应的情况下。首先，低温泵的运行需要持续的液氮供应，运行成本比较高，尤其是如果大型真空容器本身缺乏液氮供应时，就需要给低温泵额外配置液氮储存容器及管路系统，大幅增加了初始建设成本和运行成本；其次，低温泵的液氮冷屏和障板中运行着高压的低温流体，低温泵具有潜在的泄漏风险，对低温泵冷屏和障板的加工工艺要求较高，同时，低温泵再生时需要等待冷屏中的液氮完全蒸发完毕，延长了低温泵的再生时间。

因此，有必要研制一种能够不需要液氮供应也能够实现超大抽速的大口径低温泵。

发明内容

本发明的目的在于克服液氮屏蔽型低温泵依赖液氮供应且运行成本较高的缺点，提出一种完全由制冷机提供冷量的专用于900mm直径以上的超大抽速，抽速大于30000L/s的具有双冷板结构大口径自屏蔽制冷机低温泵。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的解决方案：

本发明提出的大口径自屏蔽制冷机低温泵，采用小型制冷机替代液氮作为冷屏和障板的冷源，其中，该大口径自屏蔽制冷机低温泵主要包括泵壳、两级制冷机、单级制冷机以及设置在泵壳内部的两个冷板和低温屏蔽结构，泵壳包括不锈钢壳体、冷屏绝热支撑结构、各类开口法兰及对应的密封件，不锈钢壳体包括高真空法兰、直筒段、蝶形封头、冷屏绝热支撑结构、各类开口法兰和对应的密封件，蝶形封头和直筒段采用内凹式焊接，高真空法兰设计有方便密封圈拆装的结构，冷屏绝热支撑为低温屏蔽结构提供支撑，将泵壳和低温屏蔽结构进行热隔离；低温屏蔽结构包括冷屏I、冷屏II、隔热垫、障板和导热板，冷屏I、冷屏II、隔热垫以及障板均分为对称的左右两个部分，左右部分之间通过导热板连接，冷屏I与冷屏II之间的对接部分使用隔热垫进行热隔离，导热板将冷屏I、冷屏II以及障板形成的空间分开为两个部分，障板为百叶窗的结构，障板的叶片采用60°非均匀斜排列设置，冷屏II的底面开有法兰口用于安装两级制冷机，导热板设置了法兰盘用于安装单级制冷机；冷板分为左右对称的两个，提供足够的抽气面积；2个两级制冷机的一级安装在低温屏蔽结构的冷屏II上，二级安装在冷板上，为低温泵提供冷量；1个或者2个单级制冷机安装在低温屏蔽结构的导热板上，为低温泵提供冷量。

其中，导热板将空间分成对称的两部分。

其中，障板为百叶窗的结构，障板的叶片采用60°非均匀斜排列设置。

进一步地，障板叶片的尺寸和间距，保证大口径自屏蔽低温泵的两个冷板的一次光学屏蔽。

其中，冷屏II与冷屏I两部分的质量分割比例为1:2。

其中，冷屏II具有热应力缓冲结构，将冷屏II分割为对称的两个部分，然后采用两片对叠放置的L形连接片将冷屏II的两个部分拼接起来，

进一步地，连接片优选为经过退火处理的无氧铜薄铜片，优选为0.5mm厚。

其中，导热板为中央厚，两边薄的板结构，其中厚的部分优选16mm以上厚度，更优选20-24mm。

其中，泵壳为圆筒形泵壳。

该低温泵可以任意方向安装于大型真空容器中，无需额外提供液氮即可独立运行，在满足大型真空容器对高真空系统抽速需求的同时，大幅降低的低温泵的运行费用，降低了再生的时间。

附图说明

图1为本发明的大口径自屏蔽低温泵的结构示意图。

其中，1、障板；2、冷屏I；3、泵壳；4、冷屏II；5、两级制冷机；6、单级制冷机；7、冷板；8、导热板。

图2为本发明的大口径低温泵中冷屏II具有的热应力缓冲结构示意图；

其中，9为连接片。

图3为本发明大口径低温泵中的导热板结构示意图。

图4为本发明大口径低温泵中的低温屏蔽隔热垫示意图。

其中，10为隔热垫。

图5为大口径低温泵中障板对大口径低温泵的两个冷板结构的一次光学屏蔽示意图

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述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。

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步地说明。

参照图1，本发明的大口径低温泵包括泵壳3、两级制冷机5、单级制冷机6、两个冷板7和低温屏蔽结构，其中，低温屏蔽结构设置在圆筒形的泵壳3内，低温屏蔽结构包括冷屏I 2、冷屏II 4，障板1、导热板8，冷屏I 2与冷屏II 4之间的对接部分使用隔热垫10进行热隔离，冷屏II4与冷屏I 2两部分的质量分割比例为1:2。冷屏I 2、冷屏II 4、隔热垫10以及障板1均分为对称的左右两个部分，左右部分之间通过导热板8连接，导热板8将冷屏I 2、冷屏II 4以及障板1形成的空间分开为两个部分。障板1为百叶窗的结构，障板1的叶片采用60°非均匀斜排列设置，冷屏II 4的底面分别开有法兰口用于安装两级制冷机，导热板8设置了法兰盘用于安装单级制冷机。在一优选的实施方式中，导热板8将空间分成对称的两部分，每个部分的障板1为百叶窗的结构，障板的叶片采用60°非均匀斜排列设置，障板1的尺寸和间距，保证大口径低温泵的冷板结构的一次光学屏蔽。

其中冷屏II 4单独构成一个部分，由2个两级制冷机5进行冷却，为了防止冷屏II4从300K降温到80K的过程中发生的热胀冷缩效应产生的热应力损坏与之连接的两级制冷机5，冷屏II 4具有如图2所示的热应力缓冲结构，参见图2，图2显示了本发明的大口径低温泵中冷屏II 4具有的热应力缓冲结构示意图，其中，冷屏II 4具有热应力缓冲结构，将冷屏II 4分割为对称的两个部分，然后采用两片对叠放置的经过退火处理的L形无氧铜薄铜片连接片将冷屏II 4的两个部分拼接起来，L形连接片9的长边相互叠放，然后短边分别平齐设置在两块冷屏II 4的平面上，连接片9优选为0.5mm厚。

而障板1、冷屏I 2和导热板8构成另外的一部分，这一部分同样设计为左右对称的结构，其中导热板设计为如图3所示的结构，中间厚，两端薄，中间厚的部分例如为20mm，该部分的功能主要是冷量传递，主要负责将单级制冷机6所产生的热量传递到障板1中，其余部分的主要功能是将低温泵分割为左右两个区域，和障板1配合完成对二级冷板的一次光学屏蔽。导热板厚的部分和单级制冷机6的数量相对应，导热板8的可以为整体的一块板，也可以为分开为多个板然后组装在一起。

障板1、导热板8共同对低温泵的冷板实现一次光学屏蔽的作用，参见图5，图5为大口径低温泵中障板对大口径低温泵的两个冷板结构的一次光学屏蔽示意图；箭头代表光线或热辐射，障板的叶片采用优选的障板叶片尺寸和间距，使得从低温泵泵口的任意方向所射入的光线或热辐射都不能够直接照射到温度很低的冷板上，具备一次光学屏蔽的结构可以有效的将热量留在低温屏蔽结构上，从而达到对冷板更好的热屏蔽效果。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神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在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 (8)

1.大口径自屏蔽制冷机低温泵，采用小型制冷机替代液氮作为冷屏和障板的冷源，其中，该大口径自屏蔽制冷机低温泵主要包括泵壳、两级制冷机、单级制冷机以及设置在泵壳内部的两个冷板和低温屏蔽结构，低温屏蔽结构包括冷屏I、冷屏II、隔热垫、障板和导热板，冷屏I、冷屏II、隔热垫以及障板均分为对称的左右两个部分，左右部分之间通过导热板连接，冷屏I与冷屏II之间的对接部分使用隔热垫进行热隔离，导热板将冷屏I、冷屏II以及障板形成的空间分开为两个部分，障板为百叶窗的结构，障板的叶片采用60°非均匀斜排列设置，冷屏II的底面开有法兰口用于安装两级制冷机，导热板设置了法兰盘用于安装单级制冷机。

2.如权利要求1所述的低温泵，其中，障板叶片的尺寸和间距，保证大口径自屏蔽制冷机低温泵的两个冷板的一次光学屏蔽。

3.如权利要求1所述的低温泵，其中，冷屏II与冷屏I两部分的质量分割比例为1:2。

4.如权利要求1-3任一项所述的低温泵，其中，冷屏II具有热应力缓冲结构，将冷屏II分割为对称的两个部分，然后采用两片对叠放置的L形连接片将冷屏II的两个部分拼接起来。

5.如权利要求4所述的低温泵，其中，连接片为经过退火处理的无氧铜薄铜片，其厚度为0.5mm。

6.如权利要求1所述的低温泵，其中，导热板为中央厚，两边薄的板结构，其中中央厚的部分为16mm以上厚度。

7.如权利要求6所述的低温泵，其中，导热板厚的部分的厚度为20-24mm。

8.如权利要求1所述的低温泵，其中，泵壳为圆筒形。