用制冷机低温泵获得清洁无油高真空(2)

2009-08-18 茹晓勤 北京卫星环境工程研究所

4、我国新一代空间环模设备上制冷机低温泵的应用

  我国最大的空间模拟器于1997 年建成,模拟室直径为12m,高22m,容积约3200m3。真空系统采用机械泵罗茨泵液氮冷阱做预抽,制冷机低温泵作为高真空主抽泵。为克服试验中大气体负载,还采用内装20 K 低温板阵列抽气方法。虽然制冷机低温泵在20K 冷板上粘有一定质量的椰子活性炭,以便对空气中的氦、氢等不可冷凝气体吸附抽除,但考虑到20 K 低温板阵列的漏气可能性较大,氦负荷较重,所以在外接泵中还配备有一定抽速的涡轮分子泵

  真空系统的主抽泵选用的是我们自己研制的φ1320 口径低温泵。每台泵对N2 的抽速为6.8×104 L/s,二级冷头温度可达到15 K,极限真空度达到10-6 Pa。经过计算,容器的抽气由5 台单泵来承担即可,考虑应具有一定替换备用能力,以及可能出现更大气体负荷,实际上外接泵定为8 台。

4.1、装热沉前的真空调试

  在热沉装进容器之前,对该容器的极限真空进行了测试。首先用4 套罗茨泵机组对容器进行粗抽,达到0.7 Pa 后,关上粗抽阀门,打开低温泵阀门,启动低温泵,低温泵运行约30 h 后,容器极限真空度达到3.4×10-5 Pa。抽气曲线如图2 所示。

KM6容器抽气图 

图2 KM6 容器抽气图

4.2、容器内部残余气体和污染的测量结果

  采用四极质谱分析仪对有试件的容器内气体进行了分析,从图3 上可知:容器内各种气体的残余都很低,但是氢的含量较高。在分子泵关闭不抽气(图上a 点)以前,各谱线较平稳,关闭后,只有氢峰谱线上升较高,此时真空度也相对变坏;而当打开分子泵抽气时则相反:在分子泵打开抽气(图上a 点)以前,各谱线较平稳,开始抽气以后,只有氢峰谱线下降较快,此时真空度也相对变好。从分子泵打开抽气前后的真空度和氢峰变化情况分析可知:氢气的含量大大高于正常比例,确定真空度变坏是由于试件放出大量以氢气为主的气体造成的,而并非低温泵本身的问题。

残余气体分析谱图 

图3 残余气体分析谱图

  对试验的过程进行了污染检测:利用石英晶体微量天平测总的污染量变化情况,另外利用光学试片进行污染测量。光学试片测得的污染量较小。石英天平测得的数据处理曲线如图4 所示。根据测试结果可以看出:安装在卫星周围的天平最终污染量为正,接受了一定程度的污染;安装在卫星与热沉之间天平最终污染量为负,变的更清洁;在热平衡试验过程中,污染量与环境的温度和卫星的温度有关,污染量的变化与轨道周期的变化是相一致的;在热真空试验过程中,污染量随热真空试验的温度循环而变化是比较明显的,说明污染主要来自卫星本身。试验过程中累计污染量小于1.3×10-7 g/cm2。

污染测量 

图4 污染测量

5、结束语

  制冷机低温泵完全可以满足空间环境模拟设备的对清洁真空的要求,并且在长时间的运行中充分体现了其运行经济、简单可靠和维护方便的特点,是获得清洁真空的一种很好的工具。

参考文献:

[1] 达道安. 真空设计手册[M]. 北京:国防工业出版社,1991[Da Dao’an. Manual of vacuum design[M].Beijing: Defense Industry Press, 1991]

[2] 陈丕瑾. 真空技术的科学基础[M]. 北京:国防工业出版社,1987[Chen Peijin. The basis of vacuumtechnology[M]. Beijing: Defense Industry Press, 1987]

[3] 李小宁. 冷凝泵的内部构造、工作原理及其维护保养[J]. 真空, 2000, (6)[Li Xiaoning. Frame, theory andmaintenance of cryopumps[J]. Vacuum, 2000,(6)]