CN110985339A - 一种柱状内置式低温泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱状内置式低温泵，包括接头板、泵壳、环形80K外障板、液氦管道以及若干4.6K低温障板和80K内障板；接头板设置在泵壳上，其上设有进气口、液氦进口、液氦出口；环形80K外障板设置在泵壳内；环形80K外障板中设置有支架，所有的80K内障板并排均布于支架的两侧，并且每片80K内障板均为人字形结构；80K内障板与环形80K外障板之间设有环形连接板，4.6K低温障板的形状为凹字型，并且内壁上涂覆有活性炭；所有的4.6K低温障板两两镜像组成一组，并均布在环形连接板上；所述液氦管道依次穿过相邻4.6K低温障板的间隙，该液氦管道一端连接液氦进口，另一端连接液氦出口。本发明很好地实现了对待处理气体中易气体的冷凝和难冷凝点的气体(氢气、氦气)吸附。

Description

一种柱状内置式低温泵
技术领域
本发明涉及热核聚变领域，具体涉及的是一种柱状内置式低温泵。
背景技术
托卡马克装置是研究核聚变最有效的途径之一。在托卡马克装置中需要保证反应后的氦灰等需要被快速的抽走，现有的托卡马克装置通常都在偏滤器后设置抽气。偏滤器的真空泵抽气口一般位于偏滤器靶板下面，在放电过程中有强大的等离子体，离子流和电子流等流向靶板，这些粒子与靶板相互作用形成中性粒子，部分中性粒子流向偏滤器室，同时部分中性粒子与电子，离子之间相互作用后可能再次被电离，粒子与电子之间相互作用后也可能会符合为中性粒子，在偏滤器靶板上形成致密的中性粒子。真空泵及时抽出偏滤器室内的中性粒子，使得真空室内的杂质粒子和氦灰能够顺利排除。选择合适的真空泵可以有效提升托卡马克装置的效率。
在目前比较活跃的托卡马克装置ITER，JET，DIII-D中，都采用了低温泵的设计。但是由于这些装置的结构、物理试验及偏滤器等有所不同，因此采用低温泵的形式也各有差异。
而现有商用的低温泵多为国外产品，且商用低温泵基本采用低温冷头制冷低温障板的结构，虽然效率较高，但是其抗粉尘能力较弱，且功率无法提高，抽速限制较大，在托卡马克装置中安装不方便。同时由于其有电气系统，在托卡马克的强辐照环境下容易失效。
发明内容
本发明旨在解决现有的低温泵存在适用能力不强的问题，针对托卡马克装置的特殊环境提供一种柱状内置式低温泵，用于托卡马克装置真空腔的抽空和作为燃料内循环中的重要一步。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种柱状内置式低温泵，包括接头板、泵壳、环形80K外障板、液氦管道以及若干4.6K低温障板和80K内障板；所述接头板设置在泵壳上，其上设有进气口、液氦进口、液氦出口，用于向泵壳内通入待处理气体和液氦；所述环形80K外障板设置在泵壳内，用于屏蔽来自泵壳外的热辐射；所述环形80K外障板中设置有支架，所有的80K内障板并排均布于支架的两侧，并且每片80K内障板均为人字形结构，待处理气体在各80K内障板的间隙流通并撞击80K内障板，对气体进行初步冷凝，实现高冷凝点气体的去除和难冷凝点气体的预冷；所述80K板与环形80K外障板之间设有环形连接板，所述4.6K低温障板的形状为凹字型，并且内壁上涂覆有活性炭；所有的4.6K低温障板两两镜像组成一组，并均布在环形连接板上；所述液氦管道依次穿过相邻4.6K低温障板的间隙，该液氦管道一端连接液氦进口，另一端连接液氦出口，用于液氦流动，为活性炭提供冷量，使其温度降至5K以下，从而对难冷凝的气体进行低温捕集。
进一步地，所述接头板上还分部设有用于通入液氮的液氮进口和排出液氮的液氮出口，所述环形80K外障板外部缠绕有液氮冷却管，该液氮冷却管一端连接液氮进口，另一端连接液氮出口，用于液氮在其中流动，从而对环形80K板进行冷却。
或者，所述述接头板上还分别设有用于通入液氮的液氮进口和排出液氮的液氮出口，所述环形80K外障板外部设置有夹层式人字形挡板，该夹层式人字形挡板一端连接液氮进口，另一端连接液氮出口，用于液氮在夹层中流动，从而对环形80K板进行冷却。
再进一步地，所述4.6K低温障板上还设有低温探头。
更进一步地，所述泵壳外部还设有保温层。
优选地，所述活性炭通过低温胶粘合在4.6K低温障板的凹字型内壁上。
更进一步地，所述接头板上还分别设有CF拓展接头、安全阀、KF拓展接头、接线口。
为方便移动低温泵，所述泵壳底部设有滚轮。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过设置环形80K外障板、液氦管道、若干4.6K低温障板、若干80K内障板以及活性炭，利用环形80K外障板阻挡热辐射，并利用液氦管道以及80K内障板、4.6K低温障板和活性炭的结构设计特点及相互配合，很好地实现了对待处理气体中易气体的冷凝和难冷凝点的气体(氢气、氦气)吸附。
(2)本发明中，80K内障板结构采用人字形设计，其结构便于气体的进入，吸入气体通过每一片人字形结构的间隙流通，并且流体的流阻较小，如此设计，可以保证气体分子在通过时至少要在80K内障板上撞击2次，从而不仅可以实现对易冷凝气体的冷凝去除和其他气体的降温预冷，并去除高冷凝点的气体(如少量的水汽等)，而且还可以减少4.6K低温板的热负载，从而提高低温泵整体的吸气性能。
(3)本发明中，环形80K外障板上缠绕有液氮冷却管，通过在液氮冷却管中通入液氮，可以对障板进行降温，提高其阻挡热辐射的能力。并且除了缠绕式冷却的方法，本发明还可采用夹层式人字形挡板的设计形式，液氮在人字形挡板的夹层中流动，也可以实现环形80K外障板的冷却。
(4)本发明设计合理、使用方便、结构简单，其具有抽气面大、抽气容量高的特点，工程化难度低，因此，本发明适于推广应用。
附图说明
图1为本发明中接头板的结构示意图。
图2为本发明的外部结构示意图。
图3为本发明部分零部件的轴测图。
图4为本发明部分零部件的主视图。
图5为本发明中4.6K低温障板的结构示意图。
图6为本发明-实施例中氢同位素低温泵对氮气的抽速数据及曲线图。
图7为本发明-实施例中氢气抽速曲线图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-液氦进口，2-液氮进口，3-CF拓展接头，4-安全阀，5-KF拓展接头，6-接线口，7-进气口，8-液氮出口，9-液氦出口，10-泵壳，11-环形80K外障板，12-80K内障板，13-4.6K低温障板，14-液氮冷却管，15-液氦管道。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
本发明提供了一种柱状内置式低温泵，用于托卡马克装置真空腔的抽空和作为燃料内循环中的重要一步。如图1-5所示，本发明结构上包括接头板、泵壳10、环形80K外障板11、液氦管道15以及若干4.6K低温障板13和80K内障板12。
所述接头板设置在泵壳10上，其上设有进气口7、液氦进口1、液氦出口9，用于向泵壳内通入待处理气体和液氦。所述环形80K外障板11设置在泵壳10内，用于屏蔽来自泵壳外的热辐射，泵壳10外部还可以根据需要设置保温层。并且环形80K外障板11中设置有支架，所有的80K内障板并排均布于支架的两侧，并且每片80K内障板均为人字形结构，待处理气体在各80K内障板的间隙流通并撞击80K内障板(在每片80K内障板上都至少撞击1次，两片相邻的80K内障板就是2次)，对气体进行初步冷凝，实现高冷凝点气体的去除和难冷凝点气体的预冷。
并且，所述80K内障板与环形80K外障板11之间设有环形连接板，所述4.6K低温障板13的形状为凹字型，其内壁上涂覆有活性炭(采用低温胶粘接)。本发明中，4.6K低温障板是低温泵的核心吸附部件，其具体吸附原理为：首先，所有的4.6K低温障板两两镜像组成一组，并均布在环形连接板上，如图5所示；其次，所述液氦管道15依次穿过相邻4.6K低温障板的间隙，该液氦管道15一端连接液氦进口1，另一端连接液氦出口9。液氦管道15用于液氦在其中流动，从而为活性炭提供冷量，使其温度降至5K以下(可达到4.6K)，进而对难冷凝的气体进行低温捕集。
此外，所述接头板上还分别设有用于通入液氮的液氮进口1和排出液氮的液氮出口8，所述环形80K外障板11外部缠绕有液氮冷却管14，该液氮冷却管14一端连接液氮进口1，另一端连接液氮出口8，用于液氮在其中流动，从而对环形80K外障板11进行冷却。本实施例中，液氦管道的连接采用承插结构，而液氦进口采用直接插管式结构，便于拆装，且承接件镂空，并且采用了低热导率的材料，在保证结构强度的同时可以减少热传递。
另外，所述接头板上还分别设有CF拓展接头、安全阀、KF拓展接头、接线口，方便实现本发明的应用拓展，例如在其他类型装置上工作，实现真空的抽取和保持。同时，本发明还配套有供冷系统和辅助系统，供冷系统可用于实现系统的冷量供给，满足不同工况下抽气能力的需求，其主要包含液氮杜瓦、连接装置、液氦杜瓦和液氦回收循环装置。并且供冷系统配备独立的温度控制监控，随时监控冷量的供给。而辅助系统主要实现低温泵泵体内的参数的监控和泵运行状态的监控，具体包括有以下几个方面。温度监控；低温泵的低温障板上安装有低温探头，随时监控低温障板的温度，用以判断低温泵的容量和工作情况；低温泵温度监控装置还包括在除气再生时的高温监控；除气温度监控实现低温泵在除气阶段的温度控制，通过温度判断除气是否彻底。
并且，为方便移动低温泵，所述的泵壳底部还设有滚轮，可以单独作为后级泵使用。
实施例2
与实施例1的不同点在于，本实施例采用了夹层式人字形挡板替换液氮冷却管，该夹层式人字形挡板一端连接液氮进口，另一端连接液氮出口，用于液氮在夹层中流动，从而对环形80K外障板进行冷却。
下面根据上述实施例1、2的设计方案提供本发明实际测试过程数据。
采用流量计调节流量大小，当被抽泵体进入5.0×10-3Pa～5.0×10-1Pa范围内，记录真空度和瞬时流量。抽速公式为S＝Q/P，多次取值，给出抽速曲线，取最大抽速值。
氮气通入瞬时流量为100SCCM，根据实际情况可增大瞬时流量，二级温度不超过13K均可。当抽速减半时，为通用氮气抽气容量。
氢气通入瞬时流量为10SCCM，根据实际情况可增大瞬时流量，二级温度不超过13K均可。当抽速减半时，为通用氢气抽气容量。
实验数据如下表以及图6、图7所示：
Figure BDA0002287725560000051
在做氮气抽气容量过程中，对液氦使用进行了实时称重。
1000L液氦杜瓦，净重425.2kg。19.5小时，使用65.4kg。氦气在0℃、1atm(1大气压)下气体密度为0.1786g/L。则消耗液氦367L。液氦流量约为18.7L/小时。
Figure BDA0002287725560000052
Figure BDA0002287725560000061
由试验中液氦消耗量计算：
P1＝Q/(ρ4.2·γ4.2)＝(Q×3600)/(125·20.8)＝18.7L/h
Q：液氦系统的提供的功率W，ρ4.2：为4.2K时液氦的密度125g/L，γ4.2：为4.2K时液氦的汽化热，20.8J/g。
通过计算，该实验中液氦提供了13.5W冷量。
通过上述测试，结合本发明的设计方案，可以看出，本发明具有结构简单、抽气面大、制冷效率高、泵体内无电子器件的特点，能很好地匹配托卡马克装置的使用，因而非常适合在强辐射环境中大规模推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柱状内置式低温泵，其特征在于，包括接头板、泵壳(10)、环形80K外障板(11)、液氦管道(15)以及若干4.6K低温障板(13)和80K内障板(12)；所述接头板设置在泵壳(10)上，其上设有进气口(7)、液氦进口(1)、液氦出口(9)，用于向泵壳内通入待处理气体和液氦；所述环形80K外障板(11)设置在泵壳(10)内，用于屏蔽来自泵壳外的热辐射；所述环形80K外障板(11)中设置有支架，所有的80K内障板并排均布于支架的两侧，并且每片80K内障板均为人字形结构，待处理气体在各80K内障板的间隙流通并撞击80K内障板，对气体进行初步冷凝，实现高冷凝点气体的去除和难冷凝点气体的预冷；所述80K板与环形80K外障板(11)之间设有环形连接板，所述4.6K低温障板(13)的形状为凹字型，并且内壁上涂覆有活性炭；所有的4.6K低温障板两两镜像组成一组，并均布在环形连接板上；所述液氦管道(15)依次穿过相邻4.6K低温障板的间隙，该液氦管道(15)一端连接液氦进口(1)，另一端连接液氦出口(9)，用于液氦流动，为活性炭提供冷量，使其温度降至5K以下，从而对难冷凝的气体进行低温捕集。
2.根据权利要求1所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述接头板上还分别设有用于通入液氮的液氮进口(1)和排出液氮的液氮出口(8)，所述环形80K外障板(11)外部缠绕有液氮冷却管(14)，该液氮冷却管(14)一端连接液氮进口(1)，另一端连接液氮出口(8)，用于液氮在其中流动，从而对环形80K板进行冷却。
3.根据权利要求1所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述述接头板上还分部设有用于通入液氮的液氮进口(1)和排出液氮的液氮出口(8)，所述环形80K外障板(11)外部设置有夹层式人字形挡板，该夹层式人字形挡板一端连接液氮进口(1)，另一端连接液氮出口(8)，用于液氮在夹层中流动，从而对环形80K板进行冷却。
4.根据权利要求2或3所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述4.6K低温障板(13)上还设有低温探头。
5.根据权利要求4所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述泵壳(10)外部还设有保温层。
6.根据权利要求1所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述活性炭通过低温胶粘合在4.6K低温障板的凹字型内壁上。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述接头板上还分别设有CF拓展接头(3)、安全阀(4)、KF拓展接头(5)、接线口(6)。
8.根据权利要求7所述的一种柱状内置式低温泵，其特征在于，所述泵壳底部设有滚轮。
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