CN205533068U - 一种大型直板式钛升华泵结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于真空技术领域，具体涉及一种大型直板式钛升华泵。包括以下三部分：(1)泵体主体为N块侧吸附板和N‑1块背吸附板，侧吸附板垂直于背吸附板，在相邻的两块侧吸附板之间设置一块背吸附板；(2)分别在侧吸附板和背吸附板的上下两端设置大法兰和底托板，冷却水接头从大法兰中穿过，为侧吸附板和背吸附板中的冷却水管提供循环水；在大法兰上对应每个吸附腔体位置的中心处设置6个供电电极，分别为吸附腔体中的6根钛丝供电；(3)在每个吸附腔体内沿每个铜接头的下端设置一根钛丝，每根钛丝的下端配备一个质量为2公斤的配重坠；每个配重坠包括铜柱，设置在铜柱顶端的防喷涂陶瓷罩，包覆在铜柱外侧的绝缘陶瓷管。
Description
技术领域
本实用新型属于真空技术领域，具体涉及一种大型高抽速直板式钛升华泵的结构。
背景技术
中性束注入(NBI)加热是受控核聚变实验中最有效的辅助加热方式之一，同时也用于驱动等离子体电离，改善等离子体约束，为托卡马克加料等作用。中性束注入器工作原理大致为：气体在离子源放电室被部分电离成等离子体，通过加速系统引出高能带电离子束，经过中性化器时和本底气体碰撞电离，进行中性转化，变成高能中性粒子束，通过漂移管道注入到托卡马克中为等离子体加热，未中性转化的离子被偏转磁铁偏转后打在离子吞噬器上。这个过程中，离子源放电室会不断送气，中性化器为提高中性转化的反应截面，也会补充送气，而漂移管道却要求一个高真空的环境，以减小高能中性粒子再电离损失以及中性气体流流向托卡马克，整个束线形成10-1Pa至10-4Pa的真空差分系统，仅靠各部件的流导是无法实现的，因此在需要在注入器真空室配备一台高抽速的真空泵，将离子源未电离的气体，中性化器补充送入的气体和打在离子吞噬器后再结合生成的气体迅速地抽走。
常见的真空泵有旋片泵、罗茨泵、扩散泵和低温泵等等，抽速由每秒几升到每秒几万升，但由于它们外接于真空室，根据真空基本方程，真空室的实际抽速是泵的名义抽速与接口流导的综合结果，因此在有限的真空室空间条件下，真空室的实际抽速被接口流导严重制约。真空室抽速不足，在脉冲送气的情况下，导致的后果就是真空室压力过高，漂移管道气压增大，高能中性粒子注入过程中再电离损失几率增高，流向托卡马克真空室的中性气体量增多。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种大型内置直板式钛升华泵，针对中性束注入器工作气体氢气或氘气，采用大电流加热升华钛丝形成钛膜，新鲜的钛膜对氢气和氘气有很好的吸附作用。
为了实现这一目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种大型直板式钛升华泵结构，针对中性束注入器工作气体氢气或氘气，采用大电流加热升华钛丝形成钛膜，对氢气和氘气起到吸附作用；包括以下三部分：
(1)泵体主体为N块侧吸附板和N-1块背吸附板，侧吸附板垂直于背吸附板，在相邻的两块侧吸附板之间设置一块背吸附板；
根据泵体空间调整侧吸附板和背吸附板的尺寸及块数，通过侧吸附板和背吸附板将泵体分为N-1个U形的吸附腔体，在吸附腔体中设置钛丝；
在侧吸附板两面均设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面，在背吸附板面向钛丝的一面设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面；
在侧吸附板和背吸附板的中间设置直径为6mm的蛇形不锈钢冷却水管用以冷却水的循环流动；
侧吸附板和背吸附板上设置的V形凹槽的深度为3mm；
(2)分别在侧吸附板和背吸附板的上下两端设置大法兰和底托板，冷却水接头从大法兰中穿过，为侧吸附板和背吸附板中的冷却水管提供循环水；
在大法兰上对应每个吸附腔体位置的中心处设置6个供电电极，分别为吸附腔体中的6根钛丝供电；
每个供电电极包括铜电极、可伐陶瓷、上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件、电极安装法兰和铜接头；上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件分别设置在可伐陶瓷的上端和下端；可伐陶瓷套设在铜电极上设定位置处；通过上端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与铜电极焊接在一起，通过下端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与电极安装法兰焊接在一起；再通过电极安装法兰将铜电极、可伐陶瓷与大法兰固定连接；
电极安装法兰的内径大于铜电极的外径；铜电极穿过电极安装法兰和大法兰，在其底端设置铜接头；
(3)在每个吸附腔体内沿每个铜接头的下端设置一根钛丝，每根钛丝的下端配备一个质量为2公斤的配重坠；每个配重坠包括铜柱，设置在铜柱顶端的防喷涂陶瓷罩，包覆在铜柱外侧的绝缘陶瓷管；
在底托板上设置导向底座，在导向底座上设置导向孔，配重坠穿过导向孔并在其中运动，从而限制钛丝的摆动范围；相邻的两个配重坠通过连接软线连接。
进一步的，如上所述的一种大型直板式钛升华泵结构，侧吸附板和背吸附板是由纯铝浇铸而成的，侧吸附板的厚度为20mm，背吸附板的厚度为17mm。
进一步的，如上所述的一种大型直板式钛升华泵结构，通过氟橡胶密封圈将电极安装法兰和大法兰密封。
进一步的，如上所述的一种大型直板式钛升华泵结构，相邻的两个配重坠通过连接软线连接，连接软线为软铜编织线。
本实用新型技术方案的有益效果在于：
(1)泵体直接内置于所抽真空室内，避免了接口流导的限制，将泵的抽速最大化；
(2)将泵体分为多个U形小吸附腔，既有效的利用了钛，又增加了吸附面积；
(3)将吸附面开30度夹角的凹槽，将吸附面积提高为原来的3.86倍；
(4)可伐陶瓷电极提供大电流供电，又起到真空密封；
(5)供电电极单个小法兰独立安装，提高可靠性；
(6)铜块配重坠有效的降低钛丝热胀冷缩变形造成的钛丝损坏。
附图说明
图1为钛泵吸附板结构示意图；
图2为供电电极结构示意图；
图3为配重坠结构示意图；
图4为钛泵结构示意图。
图中：1.铜电极、2.可伐陶瓷、3.复合钛丝、4.上端不锈钢焊接件、5.电极安装法兰、6.大法兰、7.下端不锈钢焊接件、8.防喷涂罩、9.绝缘陶瓷管、10.配重坠、11.导向底座、12.连接软线、13.供电电极、14.冷却水接头、15.吸附板、16.导向底座、17.底托板。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本实用新型技术方案进行进一步详细说明。
本实用新型一种大型直板式钛升华泵结构，针对中性束注入器工作气体氢气或氘气，采用大电流加热升华钛丝形成钛膜，对氢气和氘气起到吸附作用；包括以下三部分：
(1)如图1所示，泵体主体为N块侧吸附板和N-1块背吸附板，侧吸附板垂直于背吸附板，在相邻的两块侧吸附板之间设置一块背吸附板；
根据泵体空间调整侧吸附板和背吸附板的尺寸及块数，通过侧吸附板和背吸附板将泵体分为N-1个U形的吸附腔体，在吸附腔体中设置钛丝；这样既增加了侧吸附板的有效吸附面积，U形结又使钛分子附着系数提高。
根据吸附泵抽速计算公式，针对注入器确定的氢气或氘气，吸附泵的抽速与吸附面的面积成正比，因此将吸附面开30度的凹槽，使整个吸附面积增加为原来的3.86倍；具体为：在侧吸附板两面均设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面；因为背吸附板只有一面面向钛丝，因此只需在背吸附板面向钛丝的一面设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面；常规的浇铸为砂铸，但砂铸在冷却过程中铝板形成许多微小的毛细孔，这些微孔在高真空情况下会形成死真空，再加上砂铸模具精度有限，对30度夹角深度仅3mm的凹槽难以实现，因此在本实施例中，侧吸附板和背吸附板是由纯铝浇铸而成的，侧吸附板的厚度为20mm，背吸附板的厚度为17mm。
在侧吸附板和背吸附板的中间设置直径为6mm的蛇形不锈钢冷却水管用以冷却水的循环流动，这样吸附板的实际面积为原来面积的1/sin15°倍，而且两侧开槽也不会影响吸附板中间φ6mm的不锈管水管，如图1所示。
侧吸附板和背吸附板上设置的V形凹槽的深度为3mm；
(2)如图4所示，分别在侧吸附板和背吸附板的上下两端设置大法兰和底托板，冷却水接头从大法兰中穿过，为侧吸附板和背吸附板中的冷却水管提供循环水，从而在侧吸附板和背吸附板内部通水，使得钛膜对气体分子的粘附系数增加。
在大法兰上对应每个吸附腔体位置的中心处设置6个供电电极，分别为吸附腔体中的6根钛丝供电；
升华泵采用加热复合钛丝，加热温度高达上千摄氏度，需要恒定的大电流供电，供电采用铜电极，但钛丝在真空室内，铜电极必须穿过法兰，要求电极和法兰绝缘，且真空密封。因此，本发明技术方案中通过设计一种可伐陶瓷，可伐陶瓷和铜电极焊接，再和不锈钢焊接，陶瓷在中间起到绝缘作用，这种可伐陶瓷与金属焊接能完全达到高真空密封要求。
如图2所示，每个供电电极包括铜电极、可伐陶瓷、上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件、电极安装法兰和铜接头；上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件分别设置在可伐陶瓷的上端和下端；可伐陶瓷套设在铜电极上设定位置处；通过上端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与铜电极焊接在一起，通过下端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与电极安装法兰焊接在一起；再通过电极安装法兰将铜电极、可伐陶瓷与大法兰固定连接；通过氟橡胶密封圈将电极安装法兰和大法兰密封。这样的设计可以将每个供电电极独立焊接一个电极安装法兰后再和大法兰组装，避免一个供电电极的损坏导致整个大法兰不能使用。
电极安装法兰的内径大于铜电极的外径；铜电极穿过电极安装法兰和大法兰，在铜电极底端设置铜接头；
(3)金属都具有热胀冷缩的性质，钛丝升华时温度上千度，热胀冷缩现象明显，变化姿态不确定，对于3米长的钛丝在上千摄氏度的高温下，最大热涨量可达20厘米左右，这个热涨量可能会引起钛丝的弯曲，触底或是相互触碰，结果都是该组钛丝损坏。钛丝和吸附面的电位不同，为避免钛丝与吸附面触碰，在泵体下端设计了配重坠，配重坠的作用是当钛丝受热膨胀时，在配重坠重力的作用下只能向下延伸，而配重坠在底板支架的限位孔中上下平移，保证了钛丝的安全；配重坠有一定的安全活动区间，有效的解决了钛丝变形造成的钛丝损坏。在本实施例中，具体的设计为：如图3所示，在每个吸附腔体内沿每个铜接头的下端设置一根钛丝，每根钛丝的下端配备一个质量为2公斤的配重坠；每个配重坠包括铜柱，设置在铜柱顶端的防喷涂陶瓷罩，包覆在铜柱外侧的绝缘陶瓷管；
在底托板上设置导向底座，在导向底座上设置导向孔，配重坠穿过导向孔并在其中运动，从而限制钛丝的摆动范围；相邻的两个配重坠通过连接软线连接，在本实施例中，连接软线为软铜编织线。
本实用新型的特点有：(1)泵体分为多个吸附腔室，增加了侧吸附面，增加了吸附面积，钛的利用率提高，而各吸附腔相对独立，有利于泵体与真空室大小匹配；(2)吸附面开30度夹角的凹槽，吸附面积增加为原来的3.86倍；(3)供电电极相互独立，提高了大法兰的安全性；(4)铜配重坠确保钛丝受热膨胀时竖直延伸，减少钛丝损坏的几率，延长钛泵维护周期。
钛升华泵采用钛丝加热升华，对受控核聚变中性束注入实验中的主要气载氢气和氘气有很好的吸附作用，每个吸附腔室内有备份的钛丝，泵体维护保养的周期长，钛泵使用过程中只需电源提供电能，运行成本低，抽速高，是一种比较理想的中性束注入器主泵选择。
Claims (4)
1.一种大型直板式钛升华泵结构，其特征在于：针对中性束注入器工作气体氢气或氘气，采用大电流加热升华钛丝形成钛膜，对氢气和氘气起到吸附作用；包括以下三部分：
(1)泵体主体为N块侧吸附板和N-1块背吸附板，侧吸附板垂直于背吸附板，在相邻的两块侧吸附板之间设置一块背吸附板；
根据泵体空间调整侧吸附板和背吸附板的尺寸及块数，通过侧吸附板和背吸附板将泵体分为N-1个U形的吸附腔体，在吸附腔体中设置钛丝；
在侧吸附板两面均设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面，在背吸附板面向钛丝的一面设置角度为30度的V形凹槽并铺满整面；
在侧吸附板和背吸附板的中间设置直径为6mm的蛇形不锈钢冷却水管用以冷却水的循环流动；
侧吸附板和背吸附板上设置的V形凹槽的深度为3mm；
(2)分别在侧吸附板和背吸附板的上下两端设置大法兰和底托板，冷却水接头从大法兰中穿过，为侧吸附板和背吸附板中的冷却水管提供循环水；
在大法兰上对应每个吸附腔体位置的中心处设置6个供电电极，分别为吸附腔体中的6根钛丝供电；
每个供电电极包括铜电极、可伐陶瓷、上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件、电极安装法兰和铜接头；上端不锈钢焊接件、下端不锈钢焊接件分别设置在可伐陶瓷的上端和下端；可伐陶瓷套设在铜电极上设定位置处；通过上端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与铜电极焊接在一起，通过下端不锈钢焊接件将可伐陶瓷与电极安装法兰焊接在一起；再通过电极安装法兰将铜电极、可伐陶瓷与大法兰固定连接；
电极安装法兰的内径大于铜电极的外径；铜电极穿过电极安装法兰和大法兰，在铜电极底端设置铜接头；
(3)在每个吸附腔体内沿每个铜接头的下端设置一根钛丝，每根钛丝的下端配备一个质量为2公斤的配重坠；每个配重坠包括铜柱，设置在铜柱顶端的防喷涂陶瓷罩，包覆在铜柱外侧的绝缘陶瓷管；
在底托板上设置导向底座，在导向底座上设置导向孔，配重坠穿过导向孔并在其中运动，从而限制钛丝的摆动范围；相邻的两个配重坠通过连接软线连接。
2.如权利要求1所述的一种大型直板式钛升华泵结构，其特征在于：侧吸附板和背吸附板是由纯铝浇铸而成的，侧吸附板的厚度为20mm，背吸附板的厚度为17mm。
3.如权利要求1所述的一种大型直板式钛升华泵结构，其特征在于：通过氟橡胶密封圈将电极安装法兰和大法兰密封。
4.如权利要求1所述的一种大型直板式钛升华泵结构，其特征在于：相邻的两个配重坠通过连接软线连接，连接软线为软铜编织线。
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Cited By (1)
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| CN106930923A (zh) * | 2015-12-30 | 2017-07-07 | 核工业西南物理研究院 | 一种大型直板式钛升华泵结构 |
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2015
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