CN113294315A - 一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵及其吸附再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵，涉及低温真空技术领域，本发明包括一级泵体、二级泵体和推动单元，一级泵体与二级泵体连通，推动单元包括一级推动单元和二级推动单元。本发明还提供采用上述低温泵的吸附再生方法。本发明的有益效果在于：一级泵体和二级泵体分别为独立空间，能够实现不同级之间的选择性吸气和独立再生，避免了传统整体式再生带来的升温、降温慢的缺点，为实现聚变堆低温泵的快速再生提供了有力支撑。

Description

一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵及其吸附再生方法

技术领域

本发明涉及低温真空技术领域，具体涉及一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵及其吸附再生方法。

背景技术

真空抽气系统是聚变实验装置以及未来聚变反应堆上的关键系统，对于提高聚变等离子体运行参数及运行时间具有重要意义。低温泵具有复杂环境适应性强、对氢、氦抽速大等显著优点，能够满足等离子体运行期间的抽气要求并且对聚变装置的背景磁场、中子辐照具有良好的耐受能力。在ITER、EAST、JET等国际著名大型聚变实验装置上都采用低温泵进行等离子体抽气。

基于上述诸多优点，低温泵成为未来聚变堆最有前景的堆芯真空抽气系统的主泵形式。在聚变堆上低温泵的主要气体负载是未燃烧的氘氚燃料、聚变反应产物氦气以及其它杂质气体。聚变堆低温泵通过低温吸附或低温冷凝的形式将氘氚及杂质气体排出堆芯等离子体并储存在泵体中，当氘氚在低温泵内的含量达到一定极限后，必须将低温泵与堆芯等离子体隔断，并通过加热的方式将吸附及冷凝的氘、氚、氦以及其它杂质气体解吸并排出泵体，这个过程称之为低温泵再生。在聚变堆上安装多台低温泵，多台低温泵不断交替工作与再生，可实现聚变等离子体稳态运行。为了保障等离子体稳态运行并尽量减少低温泵的总数，对低温泵的再生时间要求严格，以ITER为例，低温泵的再生时间不高于10分钟，这与需要数小时再生时间的商业低温泵形成显著对比，成为低温泵设计的难点之一。低温泵再生过程中所解吸的氘氚及氦气等混合气体被排入聚变堆氚工厂中进行一系列的分离与提纯处理流程，提纯后的氘氚燃料经过聚变堆加料系统再次送入堆芯等离子体中参与聚变反应。

上述低温泵及再生流程设计需要庞大的氚工厂，氚在氚工厂中的繁冗处理流程会引起高氚滞留及氚损耗，不利于聚变堆运行效率及经济性。如果在低温泵的再生过程中能实现氘氚燃料与氦气等聚变废气的初步分离，便可以降低氘氚在氚工厂中的通量，不仅可以缩小氚工厂的规模，降低聚变堆对氚的需求总量；同时经过低温泵再生分离的氘氚能直接进入聚变堆加料系统，随后被送入堆芯等离子体中参加反应，从而显著缩短氚的循环路径，降低氚的损耗。可见，在堆芯低温泵内实现氘氚与氦气的分离对于提高聚变堆运行经济性具有显著作用。

公开号为CN107993733A的专利公开一种聚变堆放射性尾气的三级低温泵处理装置及处理方法，但是该专利中的一级冷板、二级冷板和三级冷板均位于同一个辐射屏蔽箱内，无法实现不同级之间的选择性吸气和独立再生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有的低温泵处理装置无法实现不同级之间的选择性吸气和独立再生，提供一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵及其吸附再生方法。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

本发明提供一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵，包括一级泵体、二级泵体和推动单元，所述一级泵体与二级泵体连通，所述推动单元包括一级推动单元和二级推动单元；

所述一级泵体包括一级泵壳、一级阀门和一级低温冷板，所述一级泵壳上设有一级通孔，所述一级阀门盖合在一级通孔上，所述一级低温冷板位于一级泵壳内，所述一级推动单元与一级阀门连接，所述一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合；所述一级低温冷板的温度降低，致使气体冷凝，所述一级低温冷板的温度升高，致使气体解吸；所述一级泵壳上设有一级再生排气口；

所述二级泵体包括二级泵壳、二级阀门和二级低温冷板，所述二级低温冷板表面设有吸附剂；所述二级泵壳上设有二级通孔，所述二级通孔位于一级泵体与二级泵体的连通处，一级所述二级阀门盖合在二级通孔上，所述二级低温冷板二级泵壳内，所述二级推动单元与二级阀门连接，所述二级推动单元来回推动致使二级阀门开启或闭合；所述二级低温冷板的温度降低，致使气体冷凝和吸附，所述二级低温冷板的温度升高，致使气体解吸；所述二级泵壳上设有二级再生排气口。

工作原理：

吸附：一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合，二级推动单元来回推动致使二级阀门开启或闭合。当一级阀门开启，此时二级阀门也处于开启状态，聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)首先进入一级泵体，与一级低温冷板接触，氘气与氚气被冷凝在一级低温冷板上。剩余氘氚气体以及氦气进入二级泵体内，与二级低温冷板接触，氘气与氚气被冷凝或吸附在二级低温冷板上，氦气被二级低温冷板上的吸气剂吸附。

再生：调整一级低温冷板的温度，一级低温冷板的温度升高，使冷凝后的氘、氚气体解吸，然后从一级再生排气口排出；

调整二级低温冷板的温度，二级低温冷板的温度升高，对冷凝后的少量的氘、氚气体、吸附的氦气解吸，然后从二级再生排气口排出。

有益效果：通过设计双级低温泵结构，实现聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)的选择性吸附与选择性解吸。被抽混合气体首先进入一级泵体然后进入二级泵体。一级泵体仅用于氘气及氚气的冷凝，不具备氦气的吸气能力。二级泵体具备吸氦、氘气、氚气的能力，但是从聚变堆等离子体排出的混合气体经过一级泵体后，约99％的氘氚被一级泵体冷凝抽除，剩余氘氚气体以及氦气进入二级泵体被二级泵体冷凝或吸附。通过双级泵体结构设计以及双级泵体的选择性吸气，实现了氘氚燃料与氦气废气的分离。

一级泵体和二级泵体分别为独立空间，能够实现不同级之间的选择性吸气和独立再生，避免了传统整体式再生带来的升温、降温慢的缺点，为实现聚变堆低温泵的快速再生提供了有力支撑。

一级低温冷板上没有设置吸气剂，在聚变堆真空室内发生冷却水泄漏故障工况时水蒸气通过一级泵体时会被一级低温冷板完全冷凝，可防止水分进入二级泵体内的活性炭吸气剂的表面微孔内，避免了活性炭吸气剂的吸水失效，显著提高了聚变堆低温泵的运行安全性。

优选地，所述一级通孔的四周设置一级凹槽，所述一级阀门位于一级通孔处，所述一级阀门包括一级阀盖、一级阀门密封圈、一级阀门密封圈压板、过渡法兰和过渡法兰密封圈；

所述一级阀盖盖合在一级通孔上，所述一级阀门密封圈位于一级阀盖的四周与一级通孔之间，一级阀门密封圈压板压合在一级阀门密封圈上，过渡法兰位于一级阀门密封圈压板的顶端；所述一级阀门密封圈压板与过渡法兰之间可拆卸连接，所述过渡法兰与一级凹槽之间可拆卸连接。

有益效果：一级阀门密封圈在低温泵运行过程中会因一级阀盖的重复开合运动而发生磨损，在一级阀门密封圈发生显著磨损而必须进行更换时，仅需要将连接过渡法兰与一级泵壳之间的螺栓拆除，便可将过渡法兰、一级阀门密封圈压板以及一级阀门密封圈以组件形式拆除，然后将连接一级阀门密封圈压板与过渡法兰之间的螺栓拆除，便可实现一级阀门密封圈的更换。

优选地，所述一级泵体还包括一级辐射挡板和一级热屏蔽罩，所述一级辐射挡板和一级热屏蔽罩均位于一级泵壳内；

所述一级辐射挡板与一级阀门同轴，所述一级辐射挡板的个数为多个，多个一级辐射挡板同轴设置，多个一级辐射挡板堆叠形成柱型通道，相邻一级辐射挡板侧壁之间设有间隙；所述一级热屏蔽罩套设在一级辐射挡板外。

有益效果：一级阀盖开启，聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)首先进入一级泵体，聚变燃料与聚变反应废气进入一级辐射挡板堆叠形成的柱型通道内，一级辐射挡板可以冷凝水蒸气、二氧化碳等高凝点杂质气体，同时对氘气、氚气和氦气进行预冷，然后从相邻一级辐射挡板之间的间隙流出，与一级低温冷板接触，氘气与氚气被冷凝在一级低温冷板上。一级热屏蔽罩用于降低一级泵壳对一级低温冷板的热辐射。

优选地，所述二级通孔的四周设置二级凹槽，所述二级阀门位于二级通孔处，所述二级阀门包括二级阀盖、二级阀门密封圈和二级阀门密封圈压板；

所述二级阀门密封圈位于二级阀盖的四周与二级通孔之间，所述二级阀门密封圈压板压合在二级阀门密封圈上，所述二级阀门密封圈压板与二级泵壳之间可拆卸连接。

优选地，所述二级泵体还包括二级辐射挡板和二级热屏蔽罩，所述二级辐射挡板和二级热屏蔽罩均位于二级泵壳内；

所述二级辐射挡板与二级阀门同轴，所述二级辐射挡板的个数为多个，多个二级辐射挡板同轴设置，多个二级辐射挡板堆叠形成柱型通道，相邻二级辐射挡板侧壁之间设有间隙；所述二级热屏蔽罩套设在二级辐射挡板外。

有益效果：二级阀盖开启，一级泵体内的气体进入二级辐射挡板堆叠形成的柱型通道内，二级辐射挡板对氘气、氚气和氦气进行预冷，然后从相邻二级辐射挡板之间的间隙流出，与二级低温冷板接触，氘气与氚气被冷凝或吸附在二级低温冷板上。氦气被二级低温冷板上的吸气剂吸附。

优选地，所述推动单元还包括气缸外泵壳和气缸隔板，所述气缸隔板用以将气缸外泵壳分隔成一级推动空间和二级推动空间；

所述一级推动空间的气缸外泵壳上设有一级气口A，所述气缸隔板上设有连通一级推动空间的一级气口B；所述二级推动空间的气缸外泵壳上设有二级气口A，所述气缸隔板上设有连通二级推动空间的二级气口B；

所述一级推动单元包括一级气缸活塞和一级阀杆，所述一级活塞气缸位于一级推动空间内，所述一级阀杆的一端与一级阀盖连接，所述一级阀杆的另一端与一级活塞气缸连接；

所述二级推动单元包括二级气缸活塞和二级阀杆，所述二级气缸活塞位于二级推动空间内，所述二级阀杆套设在一级阀杆外侧壁，所述一级阀杆与二级阀杆滑动连接，所述二级阀杆的一端与二级阀盖连接，所述二级阀杆的另一端与二级活塞气缸连接。

工作原理：一级气口A与一级气口B是控制一级气缸活塞前后运动的两个气口，通过向一级气口B内冲入高压气体，同时通过一级气口A抽气，能够实现一级气缸活塞远离气缸隔板做直线运动，带动一级阀杆相对二级阀杆滑动，此时，一级阀杆带动一级阀盖脱离过渡法兰，一级阀盖开启；反之，通过向一级气口A内冲入高压气体，同时通过一级气口B抽气，能够实现一级气缸活塞靠近气缸隔板移动，带动一级阀杆移动，此时，一级阀杆带动一级阀盖移动，一级阀盖与过度法兰之间距离逐渐缩小，一级阀盖关闭，在一级阀杆运动过程中，二级阀杆作为其导向与支撑。

二级气口A和二级气口B是控制二级气缸活塞前后运动的两个气口，通过向二级气口B内冲入高压气体，同时通过二级气口A抽气，能够实现二级气缸活塞远离气缸隔板运动，带动二级阀杆相对阀门支撑管滑动，此时，二级阀盖朝向一级泵体移动，二级阀盖开启；反之，通过向二级气口A内冲入高压气体，同时通过二级气口B抽气，能够实现二级气缸活塞靠近气缸隔板移动，带动二级阀杆移动，此时，二级阀杆带动二级阀盖移动，二级阀盖与二级阀门密封圈之间距离逐渐缩小，二级阀盖关闭。

有益效果：避免在周期性相对运动过程中一级阀杆与二级阀杆之间产生高摩擦力以及产生材料剧烈磨损。

优选地，所述一级推动单元还包括一级波纹管，一级波纹管套设在位于一级泵体内的一级阀杆外侧壁。

有益效果：将一级阀杆与一级泵体内腔真空环境隔离，实现一级泵体的气密性。

优选地，所述二级阀杆两端的内部分别设有一级阀杆前轴承和一级阀杆后轴承。

优选地，所述二级推动单元还包括阀门支撑管，所述阀门支撑管套设在二级阀杆外侧壁，所述阀门支撑管与二级阀杆外侧壁滑动连接。

优选地，所述阀门支撑管两端的内部分别设有二级阀杆前轴承和二级阀杆后轴承。

有益效果：减小二级阀杆运动过程中的摩擦力及磨损。

优选地，所述二级推动单元还包括二级波纹管，所述二级波纹管套设在位于二级泵体内的二级阀杆外侧壁。

有益效果：将二级阀杆与二级泵体内腔真空环境隔离，实现二级泵体的气密性。

本发明还提供采用上述低温泵的吸附再生方法，包括以下步骤：

(1)一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合，二级推动单元来回推动致使二级阀门开启或闭合，当一级阀门开启，此时二级阀门也开启，被抽气体首先进入一级泵体，与一级低温冷板接触，大部分被抽气体被冷凝在一级低温冷板上；剩余被抽气体进入二级泵体内，与二级低温冷板和二级低温板上的吸附剂接触，气体被冷凝和吸附；

(2)调整一级低温冷板的温度，一级低温冷板的温度升高，使冷凝后的气体解吸，然后从一级再生排气口排出；调整二级低温冷板的温度，二级低温冷板的温度升高，对冷凝和吸附后的气体进行解吸，然后从二级再生排气口排出。

本发明的工作原理：吸附：一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合，当一级阀门开启，此时二级阀门也开启，聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)首先进入一级泵体，与一级低温冷板接触，99％的氘气与氚气被冷凝在一级低温冷板上。剩余氘氚气体以及氦气进入二级泵体内，与二级低温冷板接触，氘气与氚气被冷凝或吸附在二级低温冷板上，氦气被二级低温冷板上的吸气剂吸附。

再生：调整一级低温冷板的温度，一级低温冷板的温度升高，使冷凝后的氘、氚气体解吸，然后从一级再生排气口排出；

调整二级低温冷板的温度，二级低温冷板的温度升高，对冷凝后的少量的氘、氚气体、吸附的氦气解吸，然后从二级再生排气口排出。

本发明的优点在于：通过设计双级低温泵结构，实现聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)的选择性吸附与选择性解吸。被抽混合气体首先进入一级泵体然后进入二级泵体。一级泵体仅用于氘气及氚气的冷凝，不具备氦气的吸气能力。二级泵体具备吸氦、氘气、氚气的能力，但是从聚变堆等离子体排出的混合气体经过一级泵体后，约99％的氘氚被一级泵体冷凝抽除，剩余氘氚气体以及氦气进入二级泵体被二级泵体冷凝或吸附。通过双级泵体结构设计以及双级泵体的选择性吸气，实现了氘氚燃料与氦气废气的分离。

一级泵体和二级泵体分别为独立空间，能够实现不同级之间的选择性吸气和独立再生，避免了传统整体式再生带来的升温、降温慢的缺点，为实现聚变堆低温泵的快速再生提供了有力支撑。

一级低温冷板上没有设置吸气剂，在聚变堆真空室内发生冷却水泄漏故障工况时水蒸气通过一级泵体时会被一级低温冷板完全吸附，可防止水分进入二级泵体内的活性炭吸气剂的表面微孔内，避免了活性炭吸气剂的吸水失效，显著提高了聚变堆低温泵的运行安全性。

附图说明

图1为本发明实现选择性抽气与再生的双级低温泵的总体结构示意图；

图2为本发明沿轴向对称平面的结构剖面示意图。

图3为本发明一级泵体和二级泵体的内部结构示意图，图中一些部件未示。

图4为本发明一级泵体和二级泵体的另一视角的内部结构示意图，图中一些部件未示。

图5为本发明本发明一级泵体和二级泵体的另一视角的内部结构示意图；图5中不包含一级泵壳和二级泵壳，图中一些部件未示。

图6为本发明一级低温冷板的空间排布示意图；二级低温冷板的示意图和图6相同。

图7为本发明推动单元的剖视图。

图8为图7在一级阀门区域的放大图。

图9为图7在二级阀门区域的放大图。

图10为本发明在聚变堆上的安装位置示意图。

图中：一级泵体1；一级泵壳11；一级阀盖131；一级阀门密封圈132；一级阀门密封圈压板133；过渡法兰134；过渡法兰密封圈135；一级辐射挡板14；一级低温冷板15；一级热屏蔽罩16；

二级泵体2；二级泵壳21；二级热屏蔽罩22；二级阀盖231；二级阀门密封圈232；二级阀门密封圈压板233；二级低温冷板24；二级辐射挡板25；泵壳密封圈26；

气缸外泵壳31；一级气口A311；一级气口B312；二级气口A313；二级气口B314；气缸隔板32；一级气缸活塞331；一级阀杆332；一级波纹管333；一级波纹管辐射罩334；二级气缸活塞341；二级阀杆342；二级波纹管343；二级波纹管辐射罩344；一级阀杆前轴承3441；一级阀杆后轴承3442；阀门支撑管345；二级阀杆前轴承3451；二级阀杆后轴承3452；一级再生管41；一级再生排气口42；二级再生排气口43；聚变堆真空室窗口井管5；窗口井管密封圈6。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵，如图1-图10所示，包括一级泵体1、二级泵体2和推动单元，一级泵体1和二级泵体2串联。一级泵体1和二级泵体2是聚变堆低温泵的最外层部件，为其他部件提供机械支撑并与阀门一起形成低温泵泵体的独立密封真空空间，实现与聚变堆真空室内真空的隔离。

如图2-图6所示，一级泵体1包括一级泵壳11、一级阀门、一级辐射挡板14、一级低温冷板15和一级热屏蔽罩16。本实施例中一级泵壳11的的形状为圆柱状，但不仅限于圆柱状，一级泵壳11的一端开设一级通孔，一级通孔的四周设置一级凹槽，一级阀门位于一级通孔处，一级泵壳11连通一级阀门将一级泵体1与聚变堆堆芯真空室环境隔离。

一级阀门包括一级阀盖131、一级阀门密封圈132、一级阀门密封圈压板133、过渡法兰134和过渡法兰密封圈135，一级阀盖131盖合在一级泵壳11内部，一级阀盖131的凸面朝向一级通孔外侧，一级阀门密封圈132位于一级阀盖131的四周与一级通孔之间，一级阀门密封圈压板133压合在一级阀门密封圈132上，过渡法兰134位于一级阀门密封圈压板133的顶端，一级阀门密封圈压板133与过渡法兰134之间采用螺栓连接，过渡法兰134与一级凹槽之间采用螺栓连接，以方便拆卸维护。

一级阀门密封圈132在低温泵运行过程中会因一级阀盖131的重复开合运动而发生磨损，在一级阀门密封圈132发生显著磨损而必须进行更换时，仅需要将连接过渡法兰134与一级泵壳11之间的螺栓拆除，便可将过渡法兰134、一级阀门密封圈压板133以及一级阀门密封圈132以组件形式拆除，然后将连接一级阀门密封圈压板133与过渡法兰134之间的螺栓拆除，便可实现一级阀门密封圈132的更换。

一级辐射挡板14、一级低温冷板15和一级热屏蔽罩16均位于一级泵壳11内，一级辐射挡板14呈圆环状，一级辐射挡板14的个数为多个，多个一级辐射挡板14同轴设置，多个一级辐射挡板14堆叠形成柱型通道，相邻一级辐射挡板14侧壁之间设有间隙，本实施例中一级辐射挡板14与一级阀门同轴设置。一级辐射挡板14内部设有空腔，本实施例中的一级辐射挡板14由两层不锈钢板冲压形成夹层空腔来实现也可以通过在高导热性结构材料(如铬锆铜)板件上钎焊无磁不锈钢冷却管来实现。

为固定和冷却一级辐射挡板14，本实施例还包括一级冷却管(图未示)，一级冷却管的一端伸入一级泵壳11端部，一级冷却管的另一端伸出二级泵壳21的端部，具体伸入和伸出位置根据实际需要设置，一级冷却管的侧壁安装多个分支管道，分别与一级辐射挡板14的空腔连通，往一级冷却管的端部内通入液氮冷却，温度约80K，一级冷却管的固定和冷却方式并不仅限于这一种。一级辐射挡板14表面做发黑处理，发黑处理为现有技术。

一级低温冷板15围绕在一级辐射挡板14的外侧壁，一级低温冷板15呈平板状，为表面裸露的金属板，一级低温冷板15呈圆周阵列分布，相邻一级低温冷板15的侧壁之间设有间隙，一级低温冷板15的个数、尺寸选择根据低温泵抽速及抽气容量要求来综合考量。为固定和冷却一级低温冷板15，本实施例还包括一级冷却环管(图未示)，一级冷却环管固定在一级低温冷板15的侧壁，一级冷却环管的两端均伸双级低温泵，具体伸出位置根据实际需要设置，往一级冷却环管的一端通入液氦，冷却，温度约4.5K，液氮从一级冷却环管的另一端流出，循环对一级低温冷板15进行冷却，一级低温冷板15的固定和冷却方式并不仅限于这一种。本实施例中一级低温冷板15的内径大于一级通孔的直径。

一级热屏蔽罩16包裹在一级低温冷板15的外侧，一级热屏蔽罩16的截面呈圆环状，一级热屏蔽罩16所有表面进行电化学抛光，电化学抛光为现有技术，主要目的是降低一级泵壳11对一级低温冷板15的热辐射。为固定和冷却一级热屏蔽罩16，本实施例还包括一级冷却固定盘管(图未示)，一级冷却固定盘管固定在一级热屏蔽罩16的外侧壁，一级冷却固定盘管的两端均伸双级低温泵，具体伸出位置根据实际需要设置，往一级冷却固定盘管的一端通入液氮，冷却，温度约80K，液氮从一级冷却固定盘管的另一端流出，循环对一级冷却固定盘管进行冷却，一级冷却固定盘管的固定和冷却方式并不仅限于这一种。

二级泵体2包括二级泵壳21、二级热屏蔽罩22、二级阀门、二级低温冷板24以及二级辐射挡板25，本实施例中二级泵壳21的的形状为圆柱状，但不仅限于圆柱状，二级泵壳21的一端开设二级通孔，一级泵壳11的端部开设对应的通孔，二级通孔的四周设置二级凹槽，二级阀门位于二级通孔处，二级泵壳21的另一端与法兰盘(图未标示)连接，二级泵壳21与法兰盘之间的连接方式为现有技术。二级泵壳21将二级泵体2与聚变堆堆芯真空室环境隔离。一级泵壳11的一端与二级泵壳21的一端通过螺栓连接，一级泵壳11与二级泵壳21之间安装泵壳密封圈26。

二级阀门包括二级阀盖231、二级阀门密封圈232和二级阀门密封圈压板233，本二级阀盖231盖合在二级泵壳21内部，二级阀盖231的凸面朝向二级泵壳21内部，二级阀门密封圈232位于二级阀盖231的四周与二级通孔之间，二级阀门密封圈压板233压合在二级阀门密封圈232上，二级阀门密封圈压板233与二级泵壳21之间采用螺栓连接。

二级辐射挡板25、二级低温冷板24和二级热屏蔽罩22均位于二级泵壳21内，二级辐射挡板25呈圆环状，二级辐射挡板25的个数为多个，多个二级辐射挡板25同轴设置，多个二级辐射挡板25堆叠形成的柱型通道，相邻二级辐射挡板25之间设有间隙，本实施例中二级辐射挡板25与二级阀门同轴设置。二级辐射挡板25内部设有空腔，本实施例中的二级辐射挡板25由两层不锈钢板组装在一起，但不仅限于此。

为固定和冷却二级辐射挡板25，本实施例还包括二级冷却管(图未示)，二级冷却管的一端伸入二级泵壳21，二级冷却管的另一端伸出二级泵壳21，具体伸入和伸出位置根据实际需要设置，二级冷却管的侧壁安装多个分支管道，分别与二级辐射挡板25的空腔连通，往二级冷却管的端部内通入液氮冷却，温度约80K，二级冷却管的固定和冷却方式并不仅限于这一种。二级辐射挡板25表面做发黑处理，发黑处理为现有技术。

二级低温冷板24围绕在二级辐射挡板25的外侧壁，呈圆周阵列分布，相邻一级低温冷板15的侧壁之间设有间隙，二级低温冷板24的个数、尺寸选择根据低温泵抽速及抽气容量要求来综合考量。二级低温冷板24表面采用低温粘结剂粘接一层椰壳活性炭作为吸气剂，用于吸附氦气。其中低温粘结剂和椰壳活性炭均为现有技术。

为固定和冷却二级低温冷板24，本实施例还包括二级冷却环管(图未示)，二级冷却环管固定在二级低温冷板24的侧壁，二级冷却环管的两端均伸双级低温泵，具体伸出位置根据实际需要设置，往二级冷却环管的一端通入液氦，冷却，温度约4.5K，液氮从二级冷却环管的另一端流出，循环对二级低温冷板24进行冷却，二级低温冷板24的固定和冷却方式并不仅限于这一种。本实施例中二级低温冷板24的内径大于二级通孔的直径。

二级热屏蔽罩22包裹在二级低温冷板24的外侧，二级热屏蔽罩22的截面呈圆环状，二级热屏蔽罩22所有表面进行电化学抛光，电化学抛光为现有技术，主要目的是降低二级泵壳21对二级低温冷板24的热辐射。为固定和冷却二级热屏蔽罩22，本实施例还包括二级冷却固定盘管(图未示)，二级冷却固定盘管固定在二级热屏蔽罩22的外侧壁，二级冷却固定盘管的两端均伸双级低温泵，具体伸出位置根据实际需要设置，往二级冷却固定盘管的一端通入液氮，冷却，温度约80K，液氮从二级冷却固定盘管的另一端流出，循环对二级冷却固定盘管进行冷却，二级冷却固定盘管的固定和冷却方式并不仅限于这一种。

如图3、图7-图9所示，推动单元包括气缸外泵壳31、气缸隔板32、一级推动单元和二级推动单元。气缸隔板32位于气缸外泵壳31内，气缸隔板32将气缸外泵壳31分隔成两部分，分别为一级推动空间和二级推动空间，一级推动空间的气缸外泵壳31上安装连通的一级气口A311，二级推动空间的气缸外泵壳31上安装连通的二级气口A313，气缸隔板32上分别安装连通一级推动空间的一级气口B312和二级气口B314。

一级推动单元包括一级气缸活塞331和一级阀杆332，一级阀杆332的一端依次穿过气缸外泵壳31、二级泵壳21的一端、二级阀盖231，一级阀杆332的一端通过螺栓与一级阀杆332的侧面连接，一级阀杆332的另一端伸出气缸外泵壳31。

一级活塞气缸位于气缸外泵壳31的一级推动空间内，一级阀杆332的一端穿过一级活塞气缸，并与一级活塞气缸刚性连接。

二级推动单元包括二级气缸活塞341和二级阀杆342，二级气缸活塞341位于气缸外泵壳31的二级推动空间内，二级阀杆342套设在一级阀杆332外侧壁，一级阀杆332与二级阀杆342滑动连接，二级阀杆342的一端穿过气缸外泵壳31的端部，二级阀杆342的一端与二级气缸活塞341的端部刚性连接，二级阀杆342的另一端通过螺栓与二级阀盖231连接。

为支撑二级阀杆342，二级推动单元还包括阀门支撑管345，阀门支撑管345的一端安装在二级泵壳21的端部，阀门支撑管345套设在二级阀杆342外侧壁，阀门支撑管345与二级阀杆342外侧壁滑动连接。

一级气口A311与一级气口B312是控制一级气缸活塞331前后运动的两个气口，通过向一级气口B312内冲入高压气体，同时通过一级气口A311抽气，能够实现一级气缸活塞331远离气缸隔板32做直线运动，带动一级阀杆332相对二级阀杆342滑动，此时，一级阀杆332带动一级阀盖131脱离过渡法兰134，一级阀盖131开启；反之，通过向一级气口A311内冲入高压气体，同时通过一级气口B312抽气，能够实现一级气缸活塞331靠近气缸隔板32移动，带动一级阀杆332移动，此时，一级阀杆332带动一级阀盖131移动，一级阀盖131与过度法兰之间距离逐渐缩小，一级阀盖131关闭，在一级阀杆332运动过程中，二级阀杆342作为其导向与支撑。

为避免在周期性相对运动过程中一级阀杆332与二级阀杆342之间产生高摩擦力以及产生材料剧烈磨损，在二级阀杆342两端的内部分别安装一级阀杆前轴承3441和一级阀杆后轴承3442，一级阀杆前轴承3441和一级阀杆后轴承3442的安装方式为现有技术，轴承均采用润滑性能良好的材料制造，可以有效降低一级阀杆332运动过程中的摩擦力与磨损。

为将一级阀杆332与一级泵体1内腔真空环境隔离，实现一级泵体1的气密性，一级推动单元还包括一级波纹管333，一级波纹管333套设在位于一级泵体1内的一级阀杆332外侧壁。本实施例还包括一级波纹管辐射罩334，一级波纹管辐射罩334包裹在一级波纹管333外侧壁，用来降低一级波纹管333向一级低温冷板15的热辐射量，一级波纹管辐射罩334具有伞柄状可伸缩结构。

二级气口A313和二级气口B314是控制二级气缸活塞341前后运动的两个气口，通过向二级气口B314内冲入高压气体，同时通过二级气口A313抽气，能够实现二级气缸活塞341远离气缸隔板32运动，带动二级阀杆342相对阀门支撑管345滑动，此时，二级阀盖231朝向一级泵体1移动，二级阀盖231开启；反之，通过向二级气口A313内冲入高压气体，同时通过二级气口B314抽气，能够实现二级气缸活塞341靠近气缸隔板32移动，带动二级阀杆342移动，此时，二级阀杆342带动二级阀盖231移动，二级阀盖231与二级阀门密封圈232之间距离逐渐缩小，二级阀盖231关闭，在二级阀杆342运动过程中，阀门支撑管345作为其导向与支撑。

为减小二级阀杆342运动过程中的摩擦力及磨损，在阀门支撑管345两端的内部分别安装二级阀杆前轴承3451和二级阀杆后轴承3452，二级阀杆前轴承3451和二级阀杆后轴承3452的安装方式为现有技术。

为将二级阀杆342与二级泵体2内腔真空环境隔离，实现二级泵体2的气密性，二级推动单元还包括二级波纹管343，二级波纹管343套设在位于二级泵体2内的二级阀杆342外侧壁。本实施例还包括二级波纹管辐射罩344，二级波纹管辐射罩344包裹在二级波纹管343外侧壁，用来降低二级波纹管343向二级低温冷板24的热辐射量。

如图10所示，低温泵在聚变堆上的安装形式是通过螺栓与聚变堆真空室窗口井管5连接，且二者之间采用窗口井管密封圈6实现聚变堆堆芯真空室与大气环境的真空密封。

为实现聚变堆氘氚燃料与氦气的再生，包括一级再生管41、一级再生排气口42和二级再生排气口43，一级再生管41的一端与一级泵壳11固定连接，一级再生管41的另一端与一级再生排气口42连接，二级再生排气口43与二级泵壳21连接。

本实施例的工作原理：

一级阀盖131的开启与闭合：

通过向一级气口B312内冲入高压气体，同时通过一级气口A311抽气，能够实现一级气缸活塞331远离气缸隔板32做直线运动，带动一级阀杆332相对二级阀杆342滑动，此时，一级阀杆332带动一级阀盖131脱离过渡法兰134，一级阀盖131开启。

反之，通过向一级气口A311内冲入高压气体，同时通过一级气口B312抽气，能够实现一级气缸活塞331靠近气缸隔板32移动，带动一级阀杆332移动，此时，一级阀杆332带动一级阀盖131移动，一级阀盖131与过度法兰之间距离逐渐缩小，一级阀盖131关闭。

二级阀盖231的开启与闭合：

向二级气口B314内冲入高压气体，同时通过二级气口A313抽气，能够实现二级气缸活塞341远离气缸隔板32运动，带动二级阀杆342相对阀门支撑管345滑动，此时，二级阀盖231朝向一级泵体1移动，二级阀盖231开启。

反之，通过向二级气口A313内冲入高压气体，同时通过二级气口B314抽气，能够实现二级气缸活塞341靠近气缸隔板32移动，带动二级阀杆342移动，此时，二级阀杆342带动二级阀盖231移动，二级阀盖231与二级阀门密封圈232之间距离逐渐缩小，二级阀盖231关闭。

双级低温泵的吸附：

一级阀盖131与二级阀盖231打开，聚变燃料(氘气与氚气)与聚变反应废气(氦气)首先进入一级泵体1，聚变燃料与聚变反应废气进入一级辐射挡板14堆叠形成的柱型通道内，一级辐射挡板14可以冷凝水蒸气、二氧化碳等高凝点杂质气体，同时对氘气、氚气和氦气进行预冷，然后从相邻一级辐射挡板14之间的间隙流出，与一级低温冷板15接触，氘气与氚气被冷凝在一级低温冷板15上。从聚变堆等离子体排出的混合气体经过一级泵体1后，约99％的氘氚被一级泵体1冷凝抽除，剩余氘氚气体以及氦气进入二级泵体2。

剩余氘氚气体以及氦气进入二级辐射挡板25堆叠形成的柱型通道内，二级辐射挡板25可对氘气、氚气和氦气进行预冷，然后从相邻二级辐射挡板25之间的间隙流出，与二级低温冷板24接触，氘气与氚气被冷凝或吸附在二级低温冷板24上。氦气被二级低温冷板24上的吸气剂吸附。

双级低温泵的再生：

一级阀门和二级阀门闭合，一级泵体1和二级泵体2独立密封。往一级冷却环管的一端通入气氦，温度约100K，通过加热使冷凝的氘、氚气体升华，并依次从一级再生管41、一级再生排气口42排出一级泵体1。

往二级冷却管的一端通入气氦，温度约100K，通过加热使冷凝的少量的氘、氚气体、吸附的氦气解吸，从二级再生排气口43排出二级泵壳21。

本实施例有益效果：低温泵具有双级结构，实现了不同级之间的选择性吸气，从而实现了氘氚燃料气体与氦气废气的分离。通过两级之间的独立再生实现了氘氚燃料的快速提纯与回收，显著降低聚变堆氚工厂的工作负载，避免了长流程氘氚提纯带来的高氚滞留与高氚损耗，提高聚变堆运行经济性。

双级泵体之间相互独立，可根据实际需要对两级低温泵泵体选择性再生，避免了传统整体式再生带来的升温、降温慢的缺点，为实现聚变堆低温泵的快速再生提供了有力支撑。

一级泵体1内的低温冷板没有吸气剂，在聚变堆真空室内发生冷却水泄漏故障工况时水蒸气通过一级泵体1时会被80K辐射挡板以及4.5K的低温冷板完全吸附，可防止水分进入二级泵体2内的活性炭吸气剂的表面微孔内，避免了活性炭吸气剂的吸水失效，显著提高了聚变堆低温泵的运行安全性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：包括一级泵体、二级泵体和推动单元，所述一级泵体与二级泵体连通，所述推动单元包括一级推动单元和二级推动单元；

所述一级泵体包括一级泵壳、一级阀门和一级低温冷板，所述一级泵壳上设有一级通孔，所述一级阀门盖合在一级通孔上，所述一级低温冷板位于一级泵壳内，所述一级推动单元与一级阀门连接，所述一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合；所述一级低温冷板的温度降低，致使气体冷凝，所述一级低温冷板的温度升高，致使气体解吸；所述一级泵壳上设有一级再生排气口；

所述二级泵体包括二级泵壳、二级阀门和二级低温冷板，所述二级低温冷板表面设有吸附剂；所述二级泵壳上设有二级通孔，所述二级通孔位于一级泵体与二级泵体的连通处，一级所述二级阀门盖合在二级通孔上，所述二级低温冷板二级泵壳内，所述二级推动单元与二级阀门连接，所述二级推动单元来回推动致使二级阀门开启或闭合；所述二级低温冷板的温度降低，致使气体冷凝，所述二级低温冷板的温度升高，致使气体解吸；所述二级泵壳上设有二级再生排气口。

2.根据权利要求1所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述一级通孔的四周设置一级凹槽，所述一级阀门位于一级通孔处，所述一级阀门包括一级阀盖、一级阀门密封圈、一级阀门密封圈压板、过渡法兰和过渡法兰密封圈；

所述一级阀盖盖合在一级通孔上，所述一级阀门密封圈位于一级阀盖的四周与一级通孔之间，一级阀门密封圈压板压合在一级阀门密封圈上，过渡法兰位于一级阀门密封圈压板的顶端；所述一级阀门密封圈压板与过渡法兰之间可拆卸连接，所述过渡法兰与一级凹槽之间可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述一级泵体还包括一级辐射挡板和一级热屏蔽罩，所述一级辐射挡板和一级热屏蔽罩均位于一级泵壳内；

所述一级辐射挡板与一级阀门同轴，所述一级辐射挡板的个数为多个，多个一级辐射挡板同轴设置，多个一级辐射挡板堆叠形成柱型通道，相邻一级辐射挡板侧壁之间设有间隙；所述一级热屏蔽罩套设在一级辐射挡板外。

4.根据权利要求1所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述二级通孔的四周设置二级凹槽，所述二级阀门位于二级通孔处，所述二级阀门包括二级阀盖、二级阀门密封圈和二级阀门密封圈压板；

所述二级阀门密封圈位于二级阀盖的四周与二级通孔之间，所述二级阀门密封圈压板压合在二级阀门密封圈上，所述二级阀门密封圈压板与二级泵壳之间可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述二级泵体还包括二级辐射挡板和二级热屏蔽罩，所述二级辐射挡板和二级热屏蔽罩均位于二级泵壳内；

所述二级辐射挡板与二级阀门同轴，所述二级辐射挡板的个数为多个，多个二级辐射挡板同轴设置，多个二级辐射挡板堆叠形成柱型通道，相邻二级辐射挡板侧壁之间设有间隙；所述二级热屏蔽罩套设在二级辐射挡板外。

6.根据权利要求1所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述推动单元还包括气缸外泵壳和气缸隔板，所述气缸隔板用以将气缸外泵壳分隔成一级推动空间和二级推动空间；

所述一级推动空间的气缸外泵壳上设有一级气口A，所述气缸隔板上设有连通一级推动空间的一级气口B；所述二级推动空间的气缸外泵壳上设有二级气口A，所述气缸隔板上设有连通二级推动空间的二级气口B；

所述一级推动单元包括一级气缸活塞和一级阀杆，所述一级活塞气缸位于一级推动空间内，所述一级阀杆的一端与一级阀盖连接，所述一级阀杆的另一端与一级活塞气缸连接；

所述二级推动单元包括二级气缸活塞和二级阀杆，所述二级气缸活塞位于二级推动空间内，所述二级阀杆套设在一级阀杆外侧壁，所述一级阀杆与二级阀杆滑动连接，所述二级阀杆的一端与二级阀盖连接，所述二级阀杆的另一端与二级活塞气缸连接。

7.根据权利要求6所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述一级推动单元还包括一级波纹管，一级波纹管套设在位于一级泵体内的一级阀杆外侧壁。

8.根据权利要求6所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述二级阀杆两端的内部分别设有一级阀杆前轴承和一级阀杆后轴承。

9.根据权利要求6所述的实现选择性抽气与再生的双级低温泵，其特征在于：所述二级推动单元还包括阀门支撑管，所述阀门支撑管套设在二级阀杆外侧壁，所述阀门支撑管与二级阀杆外侧壁滑动连接。

10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的的双级低温泵的吸附再生方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)一级推动单元来回推动致使一级阀门开启或闭合，二级推动单元来回推动致使二级阀门开启或闭合，当一级阀门开启，此时二级阀门也开启，被抽气体进入首先进入一级泵体，与一级低温冷板接触，大部分被抽气体被冷凝在一级低温冷板上，剩余被抽气体进入二级泵体内，与二级低温冷板和二级低温板上的吸附剂接触，气体被冷凝和吸附；

(2)调整一级低温冷板的温度，一级低温冷板的温度升高，使冷凝后的气体解吸，然后从一级再生排气口排出；调整二级低温冷板的温度，二级低温冷板的温度升高，对冷凝和吸附后的气体进行解吸，然后从二级再生排气口排出。

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