CN108547753A - 一种大口径液氮-gm型低温泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径液氮‑GM型低温泵，属于低温制冷和真空获得泵技术领域。本发明采用液氮和低温制冷机协同制冷，形成对低温泵大热容量部件的制冷作用，快速使低温泵冷屏达到液氮温度，同时保证低温泵各部件达到预定温度，保持温度协同、防护效应，实现对不同气体的低温冷凝和吸附。吸附阵采用长方体结构，在其表面增加上下面敞开的翅片，增大冷凝面积，吸附阵内表面粘接不同比表面积、孔隙率的椰壳活性炭，形成对低分子量气体的吸附，障板是百叶窗结构。通过改进结构，部件制冷采用液氮和制冷机制冷，提高了制冷效率、增加了可靠性，降低了低温泵的降温时间。具有大抽速、真空清洁的特点，满足真空系统大抽速、快速达到预定抽速的要求。

Description

一种大口径液氮-GM型低温泵

技术领域

本发明涉及一种大口径液氮-GM型低温泵，可作为大型高真空、高洁净用真空获得泵使用，属于低温制冷和真空获得泵技术领域。

背景技术

大型、大容量真空容器，在需要洁净高真空时，需要一种准备时间短、大抽速的真空获得泵。过去一般采用油扩散泵来抽除气，但扩散泵一方面会给试验带来油蒸汽污染，同时，更为重要的是扩散泵只能垂直安装，而试验容器上可供垂直安装的位置十分有限。随着近年大冷量GM低温制冷机技术的快速发展，使得采用大冷量G-M制冷机制造低温泵的条件已经成熟，通过采用液氮热沉和GM制冷机实现低温泵的低温冷凝和吸附，从而得到以洁净抽空手段实现真空的大抽速，大口径液氮-GM型低温泵具备准备时间短、大抽速、洁净真空，且对安装方式没有限制，成为目前大型真空设备的首选泵种。

现有的低温泵有储液式低温泵、GM全制冷机型低温泵两种，并得到了工程应用。

发明内容

本发明的目的是解决如下问题：采用液氮-GM制冷机协同制冷方式的低温泵克服了储液式低温泵的液氦昂贵、获得较难、安装方向受限为主的缺点，也克服了GM全制冷机型低温泵准备时间长、制冷量低的缺点；提出了一种大口径液氮-GM型低温泵，能用于工程实践，实现了大口径低温泵的准备时间短、大口径以及大抽速需求。

一种大口径液氮-GM型低温泵，简称低温泵，由低温制冷机、进出口管道、泵壳、冷屏、障板、底板、吸附阵、障板测温元件、冷屏测温元件以及吸附阵测温元件组成；

其中，低温泵制冷采用液氮、GM制冷机协同制冷；且低温泵的安装方向不受限制；

其中，泵壳为常温，障板和冷屏约为80K，吸附阵为20K以下的温度状态；泵壳采用ISO法兰标准；

其中，低温制冷机即GM制冷机，包括法兰、一级冷头、二级冷头以及温度传感器；

GM制冷机的配置根据法兰尺寸和抽速通过计算来确定；

其中，吸附阵为长方体结构；吸附阵的外表面为镀镍表面，吸附阵内表面粘接椰壳活性炭；且为增大冷凝表面的吸附面积，带有翅片；

吸附阵的长方体外表面增加翅片，且长方体沿泵轴线上下面敞开，增大了低温冷凝和吸附面积，可以大大提高低温泵抽速；

冷屏和障板为一体化设计，为液氮低温介质的管翅式结构；在液体管路设计上主要有液氮气液分离结构、液面位置控制结构、液体管路密封结构、管路温度适应结构，解决了冷屏安装、冷屏障板温度一致性、低温密封可靠性、低温泵结构紧凑，并达到了防止气堵现象发生、低温泵安装方向任意的要求；

冷屏由不锈钢管上焊接薄纯铜片制成；冷屏与泵壳机械连接的连接处采用绝热结构；冷屏外表面镀镍，内表面发黑；泵壳上安装有进出口管道；

冷屏安装在泵壳上，与泵壳连接处采用绝热结构，冷屏采用管翅式结构，由不锈钢管上焊接纯铜薄片；

障板位于低温泵口位置；

障板的外表面电镀亮镍、障板内表面要进行发黑处理；

障板采用管翅式结构，由不锈钢管上焊接薄纯铜片制成，为百叶窗形板状；进出口管道的连接处采用波纹管“软连接”，且采用了液氮的“下进上出”及气液分离结构；

一种大口径液氮-GM型低温泵各组成部分的连接关系如下：

GM制冷机通过法兰与泵壳相连，其中GM制冷机的一级冷头与底板连接，二级冷头与吸附阵连接；温度传感器分别连接在吸附阵和障板上，连接结构采用机械紧固连接方式；冷屏与泵壳基于机械连接；吸附阵与吸附阵测温元件相连；障板与障板测温元件相连；冷屏与冷屏测温元件相连；

一种大口径液氮-GM型低温泵各组成部分的功能如下：

GM制冷机用来给吸附阵、底板提供冷量，冷屏和障板由液氮降温，吸附阵20K以下的温度状态使得障板、冷屏、底板对吸附阵起到热防护作用；

吸附阵的功能是用以吸附氢气、氘为主的小分子量气体，用以提高低温泵的极限压力；吸附阵的镀镍表面是气体低温冷凝，吸附阵内表面粘接椰壳活性炭，用以气体低温吸附，吸附阵保持在20K以下，具有长时间的气体冷凝和吸附作用，从而达到抽除气体的功能；吸附阵在长方体表面增加翅片且长方体沿泵轴线上下面敞开的功能是增大吸附面积、增大低温冷凝和吸附面积以及提高低温泵抽速；吸附阵测温元件的功能是监测低温泵运行时吸附阵的温度状态；

冷屏与泵壳的机械连接处的绝热结构功能为防止形成从冷屏到泵壳的导热热桥；冷屏外表面和内表面对水汽、氮气为主的大分子量气体进行低温冷凝，起到抽气作用；

障板具有尽可能大的气体流导，并起到对吸附阵的热辐射屏蔽作用，使得被抽气体在被吸附板低温冷凝前至少与冷屏“碰撞”一次，起到对气体的预冷作用；进出口管道连接处的波纹管“软连接”便于安装和适应管路的“热胀冷缩”，采用的“下进上出”及气液分离结构保障了低温泵的任意方向安装，解决了低温液体的“气堵”问题，使得冷屏和障板保持其80K左右的低温温度和温度一致性；

一种大口径液氮-GM型低温泵各组成部分的安装过程如下：

GM制冷机通过法兰安装在泵壳上，和泵壳之间采用橡胶密封圈密封；

吸附阵安装在GM制冷机的二级冷头上，连接处垫金属铟片；

底板安装在GM制冷机的一级冷头上，连接处垫金属铟片；

障板和冷屏为一体化结构，冷屏安装在低温泵泵壳上，采用聚四氟乙烯密封圈密封；

吸附阵上安装有吸附阵测温元件；

障板和冷屏上安装有障板测温元件和冷屏测温元件。

有益效果

一种大口径液氮-GM型低温泵，与现有制冷低温泵设备采用的技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明所述的低温泵具有大抽速的优势；

2.本发明所述的低温泵具有无油洁净真空的优点，可作为大型高真空、高洁净用真空获得泵使用；

3.本发明所述的低温泵具有安装方向任意、工作准备时间短的特点；

4.本发明所述的低温泵具有操作简便的优势。

附图说明

图1为本发明一种大口径液氮-GM型低温泵的整体结构图；

图2为本发明一种大口径液氮-GM型低温泵的吸附阵俯视图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行详细阐述。

实施例

本实施例叙述了本发明低温泵的整体结构及具体实施。

如图1、2所示，分别为本发明的整体结构图及吸附阵的俯视图，即本发明的基本形式。图1中，本发明所述的低温泵由泵壳1、障板2、障板测温装置3、吸附阵4、吸附阵测温装置5、冷屏6、冷屏测温装置7、液氮进出口Ⅰ8、GM制冷机9、底板10、液氮进出口Ⅱ组成。

具体到本实例，泵壳1内径为Ф1250mm、直段长850mm，采用ISO法兰标准，即为带有标准法兰机械连接界面的壳体；GM制冷机9通过法兰安装在泵壳1上，采用橡胶密封圈密封安装；吸附阵4安装在GM制冷机9的二级冷头上，接触部分采用铟垫片，吸附阵4是由1.5mm厚无氧铜铆接而成，在长方体吸附阵结构4个侧面表面增加4组翅片，且长方体沿泵轴线上下面敞开，这样可增大低温冷凝面积，吸附阵外表面镀镍，内表面粘接椰壳活性炭。吸附阵4上安装有测温元件5，以便监测低温泵运行时吸附阵的温度，测温元件的测量范围为10K～400K，精度为±1K。底板10安装GM制冷机9的一级冷头上。在冷屏6和障板2位一体化结构，由不锈钢管与纯铜片焊接而成的管翅式结构，外表面(朝向泵壳的)表面镀镍，内表面(朝向吸附阵的)表面喷黑漆，并固定泵壳1上。障板2为百叶窗型结构，外表面镀镍，内表面发黑，障板2上安装有障板测温元件3，以便监测低温泵运行时障板2的温度指标。测温元件的测量范围为40K～400K，精度为±1K。液氮进出管Ⅰ、Ⅱ采用波纹管过渡方式，由法兰连接到泵壳1上。

上述本申请的内容结合附图实例描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大口径液氮-GM型低温泵，简称低温泵，其特征在于：由低温制冷机、进出口管道、泵壳、冷屏、障板、底板、吸附阵、障板测温元件、冷屏测温元件以及吸附阵测温元件组成；

其中，低温泵制冷采用液氮、GM制冷机协同制冷；且低温泵的安装方向不受限制；

其中，泵壳为常温，障板和冷屏约为80K，吸附阵为20K以下的温度状态；

其中，低温制冷机即GM制冷机，包括法兰、一级冷头、二级冷头以及温度传感器；

GM制冷机的配置根据法兰尺寸和抽速通过计算来确定；

其中，吸附阵为长方体结构；吸附阵的外表面为镀镍表面，吸附阵内表面粘接椰壳活性炭；且为增大冷凝表面的吸附面积，带有翅片；

吸附阵的长方体外表面增加翅片，且长方体沿泵轴线上下面敞开，增大了低温冷凝和吸附面积，可以大大提高低温泵抽速；

冷屏和障板为一体化设计，为液氮低温介质的管翅式结构；在液体管路设计上主要有液氮气液分离结构、液面位置控制结构、液体管路密封结构、管路温度适应结构，解决了冷屏安装、冷屏障板温度一致性、低温密封可靠性、低温泵结构紧凑，并达到了防止气堵现象发生、低温泵安装方向任意的要求；

冷屏由不锈钢管上焊接薄纯铜片制成；冷屏与泵壳机械连接的连接处采用绝热结构；冷屏外表面镀镍，内表面发黑；泵壳上安装有进出口管道；

冷屏安装在泵壳上，与泵壳连接处采用绝热结构，冷屏采用管翅式结构，由不锈钢管上焊接纯铜薄片；

障板位于低温泵口位置；

障板的外表面电镀亮镍、障板内表面要进行发黑处理；

一种大口径液氮-GM型低温泵各组成部分的连接关系如下：

GM制冷机通过法兰与泵壳相连，其中GM制冷机的一级冷头与底板连接，二级冷头与吸附阵连接；温度传感器分别连接在吸附阵和障板上，连接结构采用机械紧固连接方式；冷屏与泵壳基于机械连接；吸附阵与吸附阵测温元件相连；障板与障板测温元件相连；冷屏与冷屏测温元件相连；

一种大口径液氮-GM型低温泵各组成部分的功能如下：

GM制冷机用来给吸附阵、底板提供冷量，冷屏和障板由液氮降温，吸附阵20K以下的温度状态使得障板、冷屏、底板对吸附阵起到热防护作用；

吸附阵的功能是用以吸附氢气、氘为主的小分子量气体，用以提高低温泵的极限压力；吸附阵的镀镍表面是气体低温冷凝，吸附阵内表面粘接椰壳活性炭，用以气体低温吸附，吸附阵保持在20K以下，具有长时间的气体冷凝和吸附作用，从而达到抽除气体的功能；吸附阵在长方体表面增加翅片且长方体沿泵轴线上下面敞开的功能是增大吸附面积、增大低温冷凝和吸附面积以及提高低温泵抽速；吸附阵测温元件的功能是监测低温泵运行时吸附阵的温度状态；

冷屏与泵壳的机械连接处的绝热结构功能为防止形成从冷屏到泵壳的导热热桥；冷屏外表面和内表面对水汽、氮气为主的大分子量气体进行低温冷凝，起到抽气作用；

障板具有尽可能大的气体流导，并起到对吸附阵的热辐射屏蔽作用，使得被抽气体在被吸附板低温冷凝前至少与冷屏“碰撞”一次，起到对气体的预冷作用；进出口管道连接处的波纹管“软连接”便于安装和适应管路的“热胀冷缩”，采用的“下进上出”及气液分离结构保障了低温泵的任意方向安装，解决了低温液体的“气堵”问题，使得冷屏和障板保持其80K左右的低温温度和温度一致性。

2.根据权利要求1所述的一种大口径液氮-GM型低温泵，其特征在于：各组成部分的安装过程如下：

GM制冷机通过法兰安装在泵壳上，和泵壳之间采用橡胶密封圈密封；

吸附阵安装在GM制冷机的二级冷头上，连接处垫金属铟片；

底板安装在GM制冷机的一级冷头上，连接处垫金属铟片；

障板和冷屏为一体化结构，冷屏安装在低温泵泵壳上，采用聚四氟乙烯密封圈密封；

吸附阵上安装有吸附阵测温元件；

障板和冷屏上安装有障板测温元件和冷屏测温元件。

3.根据权利要求1所述的一种大口径液氮-GM型低温泵，其特征在于：泵壳采用ISO法兰标准。

4.根据权利要求1所述的一种大口径液氮-GM型低温泵，其特征在于：障板采用管翅式结构，由不锈钢管上焊接薄纯铜片制成，为百叶窗形板状；进出口管道的连接处采用波纹管“软连接”，且采用了液氮的“下进上出”及气液分离结构。