一种具有三级吸附结构的直板式内置低温泵结构的制作方法

本发明属于真空获得设备技术领域，具体涉及一种具有三级吸附结构的大型直板式内置低温泵。

背景技术：

中性束注入加热是受控核聚变实验中有效的辅助加热室方式，气体在放电室中电离形成等离子体，而后被引出-加速系统引出，经过中性化器时与本底气体碰撞、电离，进行中性转化，中性化后的高能中性粒子通过漂移管道注入到托卡马克等离子体中心，起到加热作用。离子源放电室和中性化器中需脉冲送气，而高能中性粒子传输的路径需要高真空环境，整个束线形成一个真空差分系统，构成该系统，不仅需要每一过渡段流导的精心设计，更需要在真空室配备高抽速的真空泵，将这些中性气体抽走，避免中性气体流入托卡马克真空室而对其真空造成影响。

低温泵是中性束注入器真空差分系统的重要组成部分，在脉冲送气时能快速的将真空室压力控制在10^-3～10^-4Pa量级，为中性粒子创造一条“干净”的传输通道，减少中性粒子的再电离损失，减少流向托卡马克的中性气体，需要每秒上百万升的抽速。由于中性束注入器真空室空间有限，传统商用低温泵抽速通常在每秒万升量级，要达到每秒百万升量级需要大量的空间，同时接口流导将大大制约低温泵的实际抽速，因此考虑将低温泵直接内置于注入器真空室内，真空室壳体即是低温泵壳体，低温泵和真空室的接口流导变为无穷大，泵体的抽速即为真空室内的实际抽速，内置低温泵抽速能否满足注入器要求，关键看辐射屏蔽板结构。通常低温泵结构包括冷凝吸附板、辐射屏蔽板和支撑结构组成，在工作温度下，泵的抽速和冷凝吸附板的面积成正比，但泵的实际抽速受到辐射屏蔽板的限制，屏蔽辐射板一方面阻挡外界的辐射热直接辐射到冷凝吸附板，但同时也阻挡了气体分子，增大了流阻，因此合理的辐射屏蔽结构即能有效的阻挡热负荷，又能让气体分子容易通过。常见低温泵辐射屏蔽结构有人字形辐射屏蔽结构和百叶窗辐射屏蔽结构。

目前已有的大型装置非标低温泵通常也是采用人字形辐射屏蔽结构，人字形辐射屏蔽结构能有效的阻挡外界环境对冷板的热辐射，但对于中性束注入器有限的真空室和真空抽速的要求，分析法和蒙特卡洛法计算结果表明，采用人字形屏蔽结构时无论冷凝吸附板面积多大，低温泵实际抽速都无法满足要求；采用百叶窗结构屏蔽结构时，流导增大，实际抽速虽接近要求，但外界直接透射到冷凝吸附板的热负荷也明显增加，不利于低温泵的长期运行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具有三级吸附结构的内置式低温泵结构，以在有限的空间里解决辐射屏蔽板的流导和热负荷之间的矛盾，有效提高抽速，并通过合理的表面处理工艺降低热负荷。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种具有三级吸附结构的直板式内置低温泵结构，应用于受控核聚变实验中的中性束注入器真空差分系统，采用的是直板式三级吸附结构，具体包括以下方面：

(1)吸附结构由辐射屏蔽板和冷凝吸附板构成

辐射屏蔽板包括第一级、第二级和第三级，分别是V形角的角度为90°、80°和70°的V形结构，该V形结构由两块屏蔽板焊接而成，其尺寸根据系统设定；在两块屏蔽板的焊接位置设置一根液氮管；屏蔽板的材料是铜，液氮管的材料是不锈钢；

冷凝吸附板包括第一级、第二级和第三级，都是由两块吸附板焊接而成的平面长方体结构，其尺寸根据系统设定；在两块吸附板的焊接位置设置一根液氦管；吸附板的材料是铜，液氦管的材料是不锈钢；

第一级冷凝吸附板置于第一级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个不闭合的三角形，第一级冷凝吸附板与第一级辐射屏蔽板之间在三角形未闭合部分的间隙为2mm；

第二级冷凝吸附板置于第二级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个不闭合的三角形，第二级冷凝吸附板与第二级辐射屏蔽板之间在三角形未闭合部分的间隙为2mm；

第三级冷凝吸附板置于第三级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个箭头状结构，第三级冷凝吸附板设置在第三级辐射屏蔽板的V形结构的角平分面上；第三级冷凝吸附板与第三级辐射屏蔽板的V形结构顶角处液氮管的间隙为10mm；

上述三级冷凝吸附板和三级辐射屏蔽板共同构成一个吸附单元；

(2)每个吸附单元都是竖直装配，其三级辐射屏蔽板的V形结构顶角处液氮管在同一个平面上，该平面与水平面相互垂直；

多个吸附单元之间相互间隔，相邻的两个吸附单元之间间隔的距离为250mm，为气体流动提供通路；所有的吸附单元构成一个吸附阵列；

吸附单元和辐射屏蔽壳体竖直装配，每个吸附单元的冷质分管和冷质总管采用并联结构，冷质下入上出，左进右出，每个吸附单元的冷质的路径相同；

(3)整个吸附阵列用77K的U形液氮辐射屏蔽壳体包围，辐射屏蔽壳体采用多组管翅并排拼接构成，管翅翼长150mm，最大温升为2K，并排时两组翅片重叠率为10％，达到绝对光学密闭；

整个辐射屏蔽壳体内侧进行黑化处理，吸收直接来自外界的辐射热；辐射屏蔽壳体外侧进行镀镍抛光处理，反射外界的热辐射。

进一步的，如上所述的一种具有三级吸附结构的直板式内置低温泵结构，第一冷凝吸附板中背对第一级辐射屏蔽板的一侧粘接活性炭、另一侧镀镍抛光；第二冷凝吸附板中背对第二级辐射屏蔽板的一侧粘接活性炭、另一侧镀镍抛光；第三级冷凝吸附板两面粘接活性炭；

第一级辐射屏蔽板两面镀镍抛光，第二级辐射屏蔽板背对第二级冷凝吸附板的一侧黑化处理，另一侧镀镍抛光；第三级辐射屏蔽板背对第三级冷凝吸附板的一侧黑化处理，另一侧镀镍抛光。

进一步的，如上所述的一种具有三级吸附结构的直板式内置低温泵结构，第一级辐射屏蔽板与第二级辐射屏蔽板之间的距离＝0.5～1L₁，L₁为第一级辐射屏蔽板中的液氮管与第一级冷凝吸附板之间的距离；第二级辐射屏蔽板与第三级辐射屏蔽板之间的距离＝0.5～1L₂，L₂为第二级辐射屏蔽板中的液氮管与第二级冷凝吸附板之间的距离。

本发明技术方案的有益效果在于：

(1)将低温泵内置于注入器真空室内，实现泵体与真空室连接的流导无穷大，泵体的抽速即真空室的实际抽速，避免了泵口连接对抽速的限制；

(2)三级吸附结构构成的吸附单元增加了有效的吸附面积，并且活性炭大大提高冷凝吸附面对非可凝性气体的粘附系数，而相邻吸附单元之间的间隔又大大提高了外界环境与冷凝吸附面之间的流导，泵体整体抽速提高；

(3)翅片翼展短，温度梯度小，液氮液氦温度波动对抽速的影响小；

(4)液氮液氦总管与分管采用并联结构，冷质路径相同，管翅温度分布均匀，降温时间快；

(5)吸附单元相互独立，可根据真空室大小增减，方便与真空室匹配；

(6)不同的表面处理工艺，降低了整体热负荷。

附图说明

图1为三级吸附结构示意图；

图2为各部件表面处理工艺示意图；

图3为低温泵截面示意图；

图4为三级吸附结构的直板式内置低温泵。

图中：1.第一级辐射屏蔽板、2.第一级冷凝吸附板、3.第二级辐射屏蔽板、4.第二级冷凝吸附板、5.第三级辐射屏蔽板、6.第三级冷凝吸附板、7.一个吸附单元、8.吸附阵列、9.U形辐射屏蔽壳体、10.固定吊件、11.法兰、12.冷质出入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。

本发明一种具有三级吸附结构的直板式内置低温泵结构，应用于受控核聚变实验中的中性束注入器真空差分系统，本发明的设计思路是结合人字形和百叶窗辐射屏蔽结构的优缺点，考虑中性束注入器真空室有限的空间，研制了直板式三级吸附内置式低温泵，其核心为三级吸附结构，包括三个V形的辐射屏蔽板和三个冷凝吸附板。具体包括以下方面：

(1)吸附结构由辐射屏蔽板和冷凝吸附板构成

辐射屏蔽板包括第一级、第二级和第三级，分别是V形角的角度为90°、80°和70°的V形结构，该V形结构由两块屏蔽板焊接而成，其尺寸根据系统设定；在两块屏蔽板的焊接位置设置一根液氮管；屏蔽板的材料是铜，液氮管的材料是不锈钢；

冷凝吸附板包括第一级、第二级和第三级，都是由两块吸附板焊接而成的平面长方体结构，其尺寸根据系统设定；在两块吸附板的焊接位置设置一根液氦管；吸附板的材料是铜，液氦管的材料是不锈钢；

冷凝吸附板由不锈钢管和2mm厚的铜翅片焊接，翅片最大翼长60mm，根据热传导方程知，翅片末端最大温差约为0.5K，对于粘接活性炭的吸附板而言，该温差不会影响微孔活性炭对不可凝气体的吸附效果。

第一级冷凝吸附板置于第一级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个不闭合的三角形，第一级冷凝吸附板与第一级辐射屏蔽板之间在三角形未闭合部分的间隙为2mm；

第二级冷凝吸附板置于第二级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个不闭合的三角形，第二级冷凝吸附板与第二级辐射屏蔽板之间在三角形未闭合部分的间隙为2mm；

第三级冷凝吸附板置于第三级辐射屏蔽板之后，二者的横截面构成一个箭头状结构，第三级冷凝吸附板设置在第三级辐射屏蔽板的V形结构的角平分面上；第三级冷凝吸附板与第三级辐射屏蔽板的V形结构顶角处液氮管的间隙为10mm；

第一级辐射屏蔽板的两块铜翅片按90度夹角焊接形成V形，辐射屏蔽板外侧镀镍抛光，反射来自外界环境的热辐射，内侧同样镀镍抛光，减小对冷凝吸附板的发射率，降低辐射屏蔽板对冷凝吸附板的辐射热，第一级冷凝吸附板置于V形辐射屏蔽板后，和辐射屏蔽板的截面为不闭合三角形，冷凝吸附板外侧粘接微孔活性炭，内侧镀镍抛光，反射来自77K辐射屏蔽板的辐射热。第二级辐射屏蔽两块翅片为80度夹角，外侧黑化处理，吸收来自外界环境的辐射热，减少对第一级冷凝吸附板的反射，内侧镀镍抛光处理减小发射率，同样第二级冷凝吸附板置于辐射屏蔽板后构成不闭合的三角形，冷凝吸附板外侧粘接活性炭，内侧镀镍抛光。

第一级辐射屏蔽板与第二级辐射屏蔽板之间的距离＝0.5～1L₁，L₁为第一级辐射屏蔽板中的液氮管与第一级冷凝吸附板之间的距离；第三级辐射屏蔽板两块翅片为70度夹角，表面处理同第二级辐射屏蔽板，在前两级吸附结构的遮挡下，为提高第三级冷凝吸附板吸附气体分子的几率，将冷凝吸附板置于辐射屏蔽板的角平分线处，冷凝吸附板两侧均粘接活性炭。第二级辐射屏蔽板与第三级辐射屏蔽板之间的距离＝0.5～1L₂，L₂为第二级辐射屏蔽板中的液氮管与第二级冷凝吸附板之间的距离。

图1给出三级吸附结构示意图，图2给出各表面不同的表面处理工艺。三级吸附结构构成一个吸附单元，多个吸附单元组成整个吸附阵列。通过蒙特卡洛方法和分析法计算表明，三级吸附结构的流导相对人字形结构有30～40％的提高，因此在有限的空间实现高抽速，同时根据真空基本方程，在满足抽速的要求下，辐射屏蔽板流导增加，相应能减少冷凝吸附板面积，从而降低液氦的消耗量。

上述三级冷凝吸附板和三级辐射屏蔽板共同构成一个吸附单元；

(2)每个吸附单元都是竖直装配，其三级辐射屏蔽板的V形结构顶角处液氮管在同一个平面上，该平面与水平面相互垂直；

多个吸附单元之间相互间隔，相邻的两个吸附单元之间间隔的距离为250mm，为气体流动提供通路；所有的吸附单元构成一个吸附阵列；

吸附单元和辐射屏蔽壳体竖直装配，每个吸附单元的冷质分管和冷质总管采用并联结构，冷质下入上出，左进右出，每个吸附单元的冷质的路径相同；确保所有管翅温度均匀分布，经沸腾换热后的气体易于从上端流出，并联结构也使得低温泵降温时间缩短。

(3)除三级辐射屏蔽板外，整个吸附阵列需要用77K的U形液氮辐射屏蔽壳体包围。屏蔽壳体采用多组管翅并排拼接构成，管翅翼长150mm，最大温升为2K，并排时两组翅片重叠率为10％，达到绝对光学密闭，如图3所示。整个屏蔽壳体内侧黑化处理，吸收直接来自外界的辐射热，外侧则镀镍抛光处理，反射外界的热辐射。

本发明的特点是：

1.三级吸附结构提高了辐射屏蔽结构的气体流导，增加了单位面积的有效抽速，优化了冷凝吸附板的面积，降低液氦的消耗量；

2.管翅结构简单，加工简单，管翅翼展短，温度梯度小，活性炭的使用使得吸附非可凝性气体时对温度的依耐性减小；

3.采用单元式结构，各个吸附单元相互独立，并排竖直装配，占地小，方便匹配方形真空室和垂直吊装；

4.冷质分管和总管采用并联连接，管翅温度分布均匀，降温时间快。