ITER导体总体气密性检测系统的真空抽气系统及运行流程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体物理研究所 作者:韩鹏

  ITER导体总体气密性检测系统的真空抽气过程包括粗抽阶段和主抽阶段。粗抽阶段是用3 台15 L/s TRP- 48 机械泵粗抽,真空杜瓦压强由大气压降至10 Pa;主抽阶段是用1 台1600 L/s 复合分子泵与1 台15 L/s TRP- 48机械泵组成的泵组主抽,真空杜瓦压强由10 Pa降到1×10- 3 Pa。

  真空系统的抽气方程

V*dP/dt = -SeP+Qout+Ql+QP+Qe (1)

  其中微漏(Ql),真空系统漏孔的漏气量。渗漏(Qp),即大气通过真空室壁结构材料扩散到真空室内部的气体流量。蒸发(Qe),空气中的水分或是工艺中的液体在真空中蒸发出来,这是在低真空常常发生的现象。在高真空,特别是高温装置中,固体和液体都有一定的饱和蒸汽压。当温度一定时,材料的饱和蒸汽压是一定的,因而蒸汽流量就是个常量。表面放气(Qout),即材料吸附和吸收的气体通过暴露在真空中的表面释放出来的气体。

1、粗抽时间

  为了简化计算,把分子泵入口以上和真空室出口一段管路(包括)看成是预抽时的被抽容器。因为这段管道直径很大,流导很大,这样处理是合适的。此阶段真空杜瓦内包含的大气为主要气载,可忽略其他气源。所要达到的预真空度为10 Pa。由大气压抽到10 Pa 的时间由下式计算:

t = Kq*V/Sln Pi/P(2)

  式中t———抽气时间,h;V———真空系统体积,m3;S ———泵对系统的有效抽速,m3h- 1;Pi ———真空设备初始压力,Pa;P ———真空设备经过t 时间后的压力,Pa;Kq———修正系数(与压力有关,修正系数见表1)

表1 不同压强下计算抽气时间的修正系数

不同压强下计算抽气时间的修正系数

  公式中各参数取值如下:V=92.55 m3,Pi=105 Pa,P=10 Pa,S=162 m3/h,计算可得: t =7.56 h

2、主抽气时间

  真空室压强为10 Pa 时,关闭粗抽泵阀门,打开分子泵抽气口处插板阀,此时抽气管道中气流多半处于过渡流或者分子流状态。由于过渡态流导的计算比较复杂和过渡流存在的时间比较短,工程上允许用分子流态代替计算。

分子泵抽气管道简图

图2 分子泵抽气管道简图

  由图2 可知,主泵抽气管道由短管和闸板阀串联组成,插板阀全开孔径与短管孔径相当,则抽气管道近似看作内径D=25.5 cm, 长度L=29.4+10=39.4 cm 的短管(L/D≤20)。气体运动处在分子流状态,抽气管道的流导以克劳辛系数计算,20℃空气分子流时通过圆管道的流导公式如下:

C = 11.6Aa (3)

  其中C———分子流时对20℃空气流导,L/s;A———入口面积,cm2;a———克劳辛系数

  查表“圆柱管克劳辛系数与管的相对长度关系”(《真空设计手册》P123),由L/r=3.09,得a=0.42。

  则抽气管道的流导:C = 2488.2 L/s主抽泵组对系统的有效抽速:

Se =1/(1/S +1/C)  (4)

  其中Se———对系统的有效抽速,L/s;S———主抽泵组的名义抽速,L/s;C———主抽管道的流导,L/s

  计算得:Se = 973.8 L/s = 3505.68 m3/h。处在常温下的真空杜瓦,在高真空抽气过程中,对于抽气时间计算问题,可以忽略渗漏和蒸发,微漏漏率Ql≤1.0×10- 10 Pa·m3/s,也可忽略,表面放气Qout 为时间的函数,将它们带入抽气方程整理为:

 

  CF 函数为基本初等函数的简单变形,在其定义域内都收敛,而PI 函数是由一系列的幂级数构成的,一般而言,在其定义域内有收敛有发散的,所以,需要求出PI 函数的收敛区间。由莱布尼茨定理可知,PI 函数收敛的条件为:

φr+1/φr<1

  其中φr+1 为第r+1 项级数的绝对值,φr 为第r 项级数的绝对值。计算整理可得收敛区间为:

  t >[n- (r- 1)]/[n- (r- 2)]·1/a(9)

  为了求出数值解,将幂级数进行10 项展开,出气率指数n 一般在- 1 和- 0.4 之间,此杜瓦内表面都为金属,n=- 1 则t >1.111*1/a 。

  因a = S/V= 973.80/92550=0.01 s-1,

  则PI 函数的收敛半径为(111.1 s,+∞)(n=- 1)。第二阶段抽气方程自变量t 在收敛半径内结合CF 和PI 函数,整理得:

  已知此方程的初始条件,利用Matlab 软件计算真空度由10 Pa 到1×10- 3 Pa 抽气时间。

高真空抽气P- t 曲线

图3 高真空抽气P- t 曲线

  这两种计算高真空抽气时间的方法是运用了数学方法,将容器中空间气体负载对抽气的影响进行考虑,特别积分法与Runge- Kutta 法运用到系统高真空抽气时间计算,使计算结果更准确。

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