大型氦制冷低溫真空系統的其它一些參數設計
除了大型氦制冷低溫真空系統主要結構設計和對抽速和熱負荷的最佳化設計計算外, 大型氦制冷低溫真空系統還有系統降溫時間、總抽氣面積和總抽速等參數的設計問題。這些問題相互影響, 設計時應綜合考慮。從理論上講, 也有一個最優設計的問題。但是由于前述研究已經解決了系統的主要設計問題, 這里將問題加以適當的簡化處理。
在系統主要結構確定以后, 決定系統抽速的就是低溫真空系統的總有效抽氣面積。有效抽氣面積越大,則系統總抽速也就越大, 此時處于20K低溫的材料也就越多。同時也要求系統從常溫啟動, 到正常工作所需的時間也要盡可能短。這都要求有較大的制冷功率。兩者都受到總制冷功率有限的約束。通過設計研究, 在外制冷功率為1200W時,選擇總有效抽氣面積為100m2,經計算, 系統的熱傳導和熱輻射可以控制在400W以內。系統從常溫啟動到正常低溫工作狀態, 所所需時間約為6h。根據前述計算公式和計算結果, 可以計算出系統對氮氣的有效抽速大于1.5×106L/s。可以滿足對真空系統的各項主要要求。
在實際真空系統設計中, 還將整個真空系統分成可以獨立運行的兩部分, 每部分的制冷功率為600W , 抽速大于0.75 ×106L/s。考慮到空間試驗設備的總體布局及有利于低溫流體流動, 將低溫真空系統對稱布置于容器的上部, 也是大型空間環境試驗設備中上部熱沉的一部分。圖2 即為大型空間環境試驗設備中內裝式氦制冷低溫真空系統和熱沉的總體布置圖。
圖2 大型空間環境試驗設備內裝式低溫真空系統和熱沉布置示意圖
在大型低溫真空系統的研制中, 還有一些技術問題有待研究解決。如大型真空系統的真空測量問題和有效抽速的測量問題等。由于在大型真空系統中存在大抽速的低溫面, 使真空系統中有較強的定向氣流, 需要解決定向壓強對真空測量影響問題。在系統有效抽速的測量方面, 由于大型真空系統中的放氣影響已經占很大比例, 對抽速測量的影響較大。
此時如繼續沿用一般真空泵抽速測量方法進行測量, 將產生較大測量誤差。同時由于氣體流量測量范圍較大, 氣體流量的精確測量也對測量儀器和方法提出較高的要求。
解決具有較強定向氣流的大型真空容器的真空度測量問題, 可以利用蒙特卡洛方法計算容器的分子流分布。根據測量的分子流分布情況, 確定真空規管的數量和位置, 利用測量數據, 得出系統平均真空度作為系統試驗真空度, 并利用此數據作為測量真空系統抽速時的依據。對大型真空系統的漏放氣對抽速測量的影響問題, 可以利用靜態升壓法多次測量大型真空容器的總漏放氣量, 待容器的總漏放氣量趨于穩定時, 以平均漏放氣量作為系統總漏放量,并在抽速計算公式中考慮漏放量的影響。采取上述措施, 并且使用先進的測量儀器后, 可以較好地解決大型真空系統的真空度和抽速的測量問題。
在總結前人設計工作的基礎之上, 對大型低溫真空系統的最佳化設計工作進行了系統的研究, 對計算方法和計算模型均進行了改進, 使之能夠較好地應用于工程實際。通過實際工程設計的考驗, 證實這種改進是能夠很好地滿足實際大型低溫真空系統的工程需要的。根據上述對大型低溫真空系統抽氣系統的設計研究結果, 研制了一個大型低溫真空抽氣系統。初步結果證明, 對大型低溫真空系統的設計研究是成功的。對今后大型低溫系統的設計有很大的指導意義。
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