一种互击式散流装置

摘要

本发明提出一种互击式散流装置，主要包括高压气瓶、过滤器、一级减压器、二级减压器、稳压器、加热器、三通、音速喷嘴A、音速喷嘴B、内置式低温泵和真空容器等。所述的互击式散流装置主要用于大型内置式低温泵的抽速测量，通过采用稳压气源系统提供符合抽速测量标准的气体，用音速喷嘴精确控制气体的流量，降低导气管出口处气体的射流效应对抽速测量的影响，能够更加精准的测量内置式低温泵的抽速。

说明书

技术领域

本发明属于抽速测量技术领域，具体涉及一种互击式散流装置。

背景技术

低温泵是采用冷凝吸附技术的一种真空获得设备，低温表面抽气的机制主要是依据物质的饱和蒸汽压随着温度降低而降低的特性，即低温泵冷板的温度越低各类气体分子的饱和蒸汽压越低，凝结温度比低温泵冷板本体温度高的气体分子就会凝结在低温泵冷板表面，达到抽除气体获得真空的目的。

液氦在一个大气压下的温度约为4.2K，一个由液氦冷却的冷板，经过较长时间抽气后绝大多数气体分子都可以被抽除，因此液氦是低温泵最理想的冷却工质。根据参考文献1：黄本诚，童靖宇.空间环境工程学[M].北京：中国科学技术出版社，2010：138-141.中加载的早期的低温泵为外置式，典型结构如图1和图2所示，通过低温泵上的大法兰与真空容器连接。低温泵的抽气能力与冷板面积和冷板温度有关，冷板的面积越大抽气能力越强；冷板温度越低，能抽除的气体分子种类越多。随着低温技术的发展和抽气能力要求的不断提高，外置式低温泵的冷板面积已不能满足大型地面模拟试验系统中抽气能力的要求，出现了在整个真空容器内侧布置低温冷板的内置式深冷泵。

内置式低温泵(又称深冷泵)属于非标准设计，安装在真空容器舱体内侧，通常外观形式不统一、尺寸大小不一致，抽速从几万升每秒至几千万升每秒不等，图3A、图3B、图3C、图3D分别为现有技术中平面形、匣子形、人字形和斜板形低温泵结构形式图，大部分内置式低温泵为双层结构，内层为液氦深冷泵，液氦深冷泵和真空容器舱体之间还有一层液氮深冷泵作保护屏。

抽速是衡量低温泵抽气性能的重要参数，高质量的抽速测试结果是评估低温泵设计指标和指导工程应用的保障。根据参考文献2：GB/T19956.1-2005/ISO1607-1：1993，容积式真空泵性能测量方法。第1部分：体积流率(抽速)的测量，及参考文献3JB/T7277-94，容积真空泵性能测量方法[S]中记载的GB/T19956.1-2005和JB/T7266-94是我国参考ISO1607-1：1993的国际标准制定的容积真空泵测量方法准则，主要适用于口径小于Φ1m的外置式真空泵，其基本测量原理(如图4)是利用专门设计的测试罩，通过分别测量不进气和一定进气量定量进气条件下测试罩特定位置处的稳态真空压力值P0与P，利用专门的抽速计算公式来计算低温泵的抽速。P比P0一般至少低1个量级，为了不失一般性，采用抽速计算公式S＝Q/(P-P0)。式中，Q为单位时间充气量，P为与Q相对应的、测试罩特定位置处真空压力测量仪所测得的压力值，P0为Q＝0时真空室内的本底压力。

抽速测试罩的主要功能是提供符合抽速测量标准的气体流动条件，使测量抽速与真空泵的实际抽速吻合。为了实现向抽速测试罩内的定量供气，国家标准中建议采用滴管流量计和转子流量计。

从图4中可知，符合抽速测量标准的气体经过滴管供气装置定量供气，由导气管导入到抽速测试罩内，导气管中出来的气体向上喷出，再经过碰撞转向后到达被测真空泵的抽气表面，该方法的能有效降低导气管中流出气体的射流效应对抽速测量的影响(在进行抽速测量时，测试罩内的真空度很高。由导气管向高真空环境中导入气体时，气体在管道内的流动为粘滞流或粘滞-分子流，而从管道出来后会迅速膨胀为带有明显方向性的分子流，这种效应称为射流效应)。

由于内置式低温泵布置安装在真空容器内，且体积庞大，不可能采用传统“测试罩”方法测量抽速，对大型结构复杂的内置式低温泵，其抽速测量方法在国际上没有统一的标准，根据参考文献4：黄本诚，陈金明.空间真空环境与真空技术[M].北京：国防工业出版社，2005：246-260.中记载的中国空间环境模拟器KM4的内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图，如图5所示，KM4真空容器的直径为Φ7m，其内侧布置的低温泵结构直径也大于Φ6m，不能采用抽速测试罩的试验方案，而应依托于泵自身所在的真空容器，在真空容器内进行抽速的测量。测量时采用定压原理，滴管式流量计向真空容器内供气，为了降低导气管气体喷出的射流效应，在导气管的出口处增加了一个散流器，但效果不明显，测量抽速的结果精确度较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出一种互击式散流装置，主要用于大型内置式低温泵的抽速测量，通过采用稳压气源系统提供符合抽速测量标准的气体，用音速喷嘴精确控制气体的流量，降低导气管出口处气体的射流效应对抽速测量的影响，能够更加精准的测量内置式低温泵的抽速。

本发明提出的一种互击式散流装置，包括高压气瓶、过滤器、一级减压器、电磁阀A、二级减压器、稳压器、加热器、电磁阀B、三通、音速喷嘴A、音速喷嘴B、内置式低温泵、真空容器。

所述的高压气瓶、过滤器、一级减压器、电磁阀A、二级减压器、稳压器、加热器和电磁阀B通过供气管路顺次相连接；所述的三通的一端与电磁阀B相连接，一端通过导气管A与音速喷嘴A相连接，另一端通过导气管B和音速喷嘴B相连接。所述的电磁阀A和一级减压器之间连接的供气管路上连接有压力传感器A；所述的电磁阀B和加热器之间的连接管路上分别连接有温度传感器和压力传感器B。所述的散流装置还包括稳压真空泵，该稳压真空泵与稳压器连接。所述的内置式低温泵安装在真空容器的内部；所述的音速喷嘴A和音速喷嘴B安装在内置式低温泵的几何中心上，音速喷嘴A和音速喷嘴B的喷嘴出口方向水平相对设置，所述的音速喷嘴A和音速喷嘴B结构尺寸相同，均由导气管A和导气管B中导入的气体流量决定。当导气管A和导气管B中导入气体的流量优选为1g/s～10g/s时，音速喷嘴A和音速喷嘴B的喉部直径d优选为0.5～5mm，音速喷嘴A和音速喷嘴B的喷嘴出口截面的相对间距L优选为200～600mm。所述的导气管A和导气管B的长度、直径和内表面粗糙度完全相同。

本发明的优点在于：

1.本发明提出一种互击式散流装置，有效降低了射流效应对抽速测量的影响。

2.本发明提出一种互击式散流装置，不同于现有技术中的滴管式供气方式，通过高压气瓶作气源，降低了内置式低温泵对特殊气体(如氮气、氩气、氢气等)抽速测量实验的气源储存难度。

3.本发明提出一种互击式散流装置，采用一级减压器和二级减压器配合稳压器的方法，可精确控制导入气体的压力。

4.本发明提出一种互击式散流装置，采用音速喷嘴精确控制调节供入实验气体的流量。

5.本发明提出一种互击式散流装置，设备简单，便于操作，成本低。

附图说明

图1：现有技术中外置式低温泵原理图；

图2：现有技术中外置式低温泵结构剖切图；

图3-A：现有技术中平面形内置式低温泵结构形式图；

图3-B：现有技术中匣子形内置式低温泵结构形式图；

图3-C：现有技术中人字形内置式低温泵结构形式图；

图3-D：现有技术中斜板形内置式低温泵结构形式图；

图4：容积泵抽速测量原理图；

图5：中国空间环境模拟器KM4内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图；

图6：本发明的内置式低温泵抽速测量装置及原理示意图；

图7：本发明的内置式低温泵抽速测量装置中音速喷嘴A和音速喷嘴B的放大示意图。

图中：

1-高压气瓶；     2-过滤器；      3-一级减压器；     4-电磁阀A；

5-二级减压器；   6-稳压器；      7-加热器；         8-电磁阀B；

9-三通；         10-音速喷嘴A；  11-音速喷嘴B；     12-压力传感器A；

13-温度传感器；  14-压力传感器B；15-稳压真空泵；    16-内置式低温泵；

17-真空容器；        18-导气管A；        19-导气管B；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出一种互击式散流装置，如图6和图7所示，主要包括高压气瓶1、过滤器2、一级减压器3、电磁阀A4、二级减压器5、稳压器6、加热器7、电磁阀B8、三通9、音速喷嘴A10、音速喷嘴B11、压力传感器A12、温度传感器13、压力传感器B14、稳压真空泵15、内置式低温泵16、真空容器17、导气管A18和导气管B19。

所述的高压气瓶1、过滤器2、一级减压器3、电磁阀A4、二级减压器5、稳压器6、加热器7和电磁阀B8顺次连接。所述的三通9的一端与电磁阀B8相连接，一端通过导气管A18与音速喷嘴A10连接，另一端通过导气管B19与音速喷嘴B11相连接。所述的一级减压器3和电磁阀A4之间的连接管路上连接有压力传感器A12；所述的加热器7和电磁阀B8之间的连接管路上分别连接有压力传感器B14和温度传感器13；所述的稳压器6还与稳压真空泵15连接。所述的内置式低温泵16安装在真空容器17的内部；所述的音速喷嘴A10和音速喷嘴B11安装在内置式低温泵16的几何中心上，音速喷嘴A10和音速喷嘴B11的喷嘴出口方向水平相对设置，所述的音速喷嘴A10和音速喷嘴B11结构尺寸相同，均由导气管A18和导气管B19中导入的气体流量决定。当导气管A18和导气管B19中导入气体的流量优选为1g/s～10g/s时，音速喷嘴A10和音速喷嘴B11的喉部直径d优选为0.5～5mm，音速喷嘴A10和音速喷嘴B11的喷嘴出口截面的相对间距L优选为200～600mm。所述的导气管A18和导气管B19的长度、直径和内表面粗糙度完全相同。

所述的音速喷嘴A10和音速喷嘴B11的型式优选为拉瓦尔喷管型式。

在进行抽速测量实验时，先用连接在真空容器17上的粗抽真空泵组将真空容器17内的真空度抽至低于1Pa后，控制内置式低温泵16开始工作，当真空容器17内的真空度继续降低至10^-6Pa后，即可开启高压气瓶1，对真空容器17内的内置式低温泵16进行抽速测量实验，所述的高压气瓶1中的气体优选为空气，氮气或氢气；所述的高压气瓶1中流出的气体压力优选为15Mpa～25MPa。从高压气瓶1中流出的气体经过滤器2净化后，顺次经一级减压器3和二级减压器5降压，达到稳压器6工作所需压力后流入到稳压器6中。所述的稳压器6工作所需压力优选为101325Pa～120000Pa。所述的电磁阀A4用于控制一级减压器3和二级减压器5之间连接管路的开通与断开。所述的压力传感器A12用于监视一级减压器3减压的气体压力值，一般优选为3～5MPa。气体经过稳压器6流出后顺次经加热器7和电磁阀B8。所述的压力传感器B14用于监测从稳压器6中流出的气体压力，当压力传感器B14检测的气体压力超过稳压器6工作所需压力时，可通过与稳压器6相连接的稳压真空泵15对稳压器6进行抽真空，直至压力传感器B14检测的气体压力满足要求。所述的温度传感器13用于监视从稳压器6中流出的气体温度，当气体温度低于实验气体所需温度时(优选为300K)，可控制加热器7对流经的气体进行加热，直至温度传感器13检测的气体温度满足要求。所述的加热器7安装在稳压器6后端，只加热实际流过的气体而不必加热稳压器6中所有的气体，可以降低稳压器6的消耗功率。所述的电磁阀B8用于控制气体进入真空容器17，气体经电磁阀B8后，在三通9中分流到导气管A18和导气管B19中，气体经导气管A18和导气管B19到达音速喷嘴A10和音速喷嘴B19，气体经音速喷嘴A10和音速喷嘴B19加速到音速后在喷嘴后部膨胀形成两股喷射流，两股喷射流相互撞击后均匀扩散至内置式低温泵16上，此时即可对内置式低温泵进行抽速。抽速测量方法采用参考文献：GB/T19956.1-2005/ISO1607-1：1993，容积式真空泵性能测量方法中第1部分记载的体积流率(抽速)的测量中记载的体积法，当真空容器17内压强处于特定压强范围内，测定导入气体的流量和真空容器17内压强的关系，用真空规测量真空容器17内的压强，同时须考虑导入气体的温度变化，利用公式1：S＝P₀V₀T₁/P₁T₀获得内置式低温泵16的抽速，其中S为内置式低温泵16的总抽速，单位为L/s；P_0为导入气体的压强，单位为Pa；P₁为真空容器17内的平衡压强，单位为Pa；T₀为导入气体的温度，单位为K；T₁为内置式低温泵16冷板的温度，单位为K；V₀为导入气体的流量，单位L/s。

本发明提出的一种互击式散流装置为大型内置式低温泵抽速测量提供所需要的气体的供气装置，该装置放弃了传统的滴管式供气方式，通过两级减压装置进行减压、采用稳压器6减小压力波动、采用加热器7保证气体温度，以及采用三通9分流保证气流工况完全相同的四种有效措施将高压气体转化为符合抽速测量标准的定温定压气体(温度为295K～300K，压力为101325～120000Pa)，并采用音速喷嘴A10和音速喷嘴B11精确控制气体的流量，用两股喷射流互击来消除喷射流效应对抽速测量的影响。所述的四种有效措施具体为：采用两级减压装置将高压气瓶1中的高压气体降压到适用于抽速测量标准的1个大气压；供气管路上二级减压器5后串联稳压器，降低压力波动对抽速测量的影响；供气管路上三通9前端串联加热器，保证实验气体的温度达到抽速测量标准气体的要求；供气管路中的实验气体进入真空容器17前用1个三通9分流，保证导气管A18和导气管B19中实验气体的工况(压力、温度)完全一致。