大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)的其它一些參數(shù)設(shè)計
除了大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和對抽速和熱負荷的最佳化設(shè)計計算外, 大型氦制冷低溫真空系統(tǒng)還有系統(tǒng)降溫時間、總抽氣面積和總抽速等參數(shù)的設(shè)計問題。這些問題相互影響, 設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。從理論上講, 也有一個最優(yōu)設(shè)計的問題。但是由于前述研究已經(jīng)解決了系統(tǒng)的主要設(shè)計問題, 這里將問題加以適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>
在系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)確定以后, 決定系統(tǒng)抽速的就是低溫真空系統(tǒng)的總有效抽氣面積。有效抽氣面積越大,則系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)計研究, 在外制冷功率為1200W時,選擇總有效抽氣面積為100m2,經(jīng)計算, 系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和熱輻射可以控制在400W以內(nèi)。系統(tǒng)從常溫啟動到正常低溫工作狀態(tài), 所所需時間約為6h。根據(jù)前述計算公式和計算結(jié)果, 可以計算出系統(tǒng)對氮氣的有效抽速大于1.5×106L/s�？梢詽M足對真空系統(tǒng)的各項主要要求。
在實際真空系統(tǒng)設(shè)計中, 還將整個真空系統(tǒng)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�？紤]到空間試驗設(shè)備的總體布局及有利于低溫流體流動, 將低溫真空系統(tǒng)對稱布置于容器的上部, 也是大型空間環(huán)境試驗設(shè)備中上部熱沉的一部分。圖2 即為大型空間環(huán)境試驗設(shè)備中內(nèi)裝式氦制冷低溫真空系統(tǒng)和熱沉的總體布置圖。
圖2 大型空間環(huán)境試驗設(shè)備內(nèi)裝式低溫真空系統(tǒng)和熱沉布置示意圖
在大型低溫真空系統(tǒng)的研制中, 還有一些技術(shù)問題有待研究解決。如大型真空系統(tǒng)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(tǒng)中存在大抽速的低溫面, 使真空系統(tǒng)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(tǒng)有效抽速的測量方面, 由于大型真空系統(tǒng)中的放氣影響已經(jīng)占很大比例, 對抽速測量的影響較大。
此時如繼續(xù)沿用一般真空泵抽速測量方法進行測量, 將產(chǎn)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(jù)測量的分子流分布情況, 確定真空規(guī)管的數(shù)量和位置, 利用測量數(shù)據(jù), 得出系統(tǒng)平均真空度作為系統(tǒng)試驗真空度, 并利用此數(shù)據(jù)作為測量真空系統(tǒng)抽速時的依據(jù)。對大型真空系統(tǒng)的漏放氣對抽速測量的影響問題, 可以利用靜態(tài)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(wěn)定時, 以平均漏放氣量作為系統(tǒng)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(tǒng)的真空度和抽速的測量問題。
在總結(jié)前人設(shè)計工作的基礎(chǔ)之上, 對大型低溫真空系統(tǒng)的最佳化設(shè)計工作進行了系統(tǒng)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(yīng)用于工程實際。通過實際工程設(shè)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(tǒng)的工程需要的。根據(jù)上述對大型低溫真空系統(tǒng)抽氣系統(tǒng)的設(shè)計研究結(jié)果, 研制了一個大型低溫真空抽氣系統(tǒng)。初步結(jié)果證明, 對大型低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計研究是成功的。對今后大型低溫系統(tǒng)的設(shè)計有很大的指導(dǎo)意義。
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