一种分子牵引型真空动密封结构和超高速真空旋转设备的制造方法与工艺

本发明涉及一种分子牵引型真空动密封结构和超高速真空旋转设备，用于在高速和超高速旋转运行时，在固定设备与运动的旋转系统之间保持一定的真空度，实现高速和超高速旋转设备系统高真空动密封；本发明还涉及使用该真空动密封结构的超高速真空旋转设备。

背景技术：
随着科技的发展，工业、医学、科研等领域很多大型的装置均涉及到高速和超高速旋转下将运动传递至真空室内的问题，即需要真空动密封完成真空室与外部环境之间的密封，防止气体泄露入真空室内，例如真空阀门的开启与关闭，真空冶金设备的送料、拉锭、浇注，真空镀膜机工件架的旋转，特种加速器靶系统等。其中，加速器型氘氚聚变中子源利用强流氘离子束轰击氚靶发生氘氚聚变反应产生14MeV高能聚变中子，可应用于中子物理、核医学、辐射防护及核技术应用等研究领域，是先进核能与核技术应用研究的必备大科学装置。针对超高流强氘氚聚变中子源，强流离子束的轰击会在中子源的末端氚靶系统的靶片上沉积大量的热量，靶点的瞬间热流密度最高可达数百千瓦。如不能对靶片进行有效的冷却散热，会在引起靶片温度会急剧升高，在毫秒内即可将靶片熔穿，造成中子源毁损和氚大量释放的严重事故。针对靶片散热，目前国内外强流中子源普遍采用高速旋转靶系统，利用高速旋转将对靶点散热转化为对旋转的环带散热，并结合高效散热结构。目前，强流中子源氚靶系统中靶片的线速度可高达每秒数百米以上。为保证氘离子束的束流传输效率，束流传输管道需要保持10-4～10-6Pa的真空环境，而在高速旋转靶系统中，旋转的氚靶与固定的加速器之间存在泄露面。因此，在高速旋转的氚靶与固定的加速器之间需要使用真空动密封结构以达到阻止外部气体进入真空腔室内的目的。国内外公开报道的可应用于高速旋转的真空动密封技术有磁流体密封、干气密封等，但这些技术存在应用转速无法继续提高、使用寿命短、需要定期更换零件的缺点。针对中子产额为1014-1016n/s的超高流强氘氚聚变中子源，旋转部件线速度达到每秒数百米以上，给真空动密封提出了更高的要求。迄今为止，尚无可应用于线速度高达每秒数百米超高速旋转环境的成熟的真空动密封结构。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种分子牵引型真空动密封结构，用于设备在高速和超高速旋转运行时，在固定设备与运动的旋转系统之间保持一定的真空度。本发明的目的还在于提供一种使用分子牵引型真空动密封结构的超高速真空旋转设备。为此，本发明一方面提供了一种分子牵引型真空动密封结构，用于转子和真空腔室二者之间的动密封，所述转子的密封面和所述真空腔室的密封面二者之间形成密封间隙，所述真空腔室的密封面上设有导引槽，所述导引槽的出口与排气腔连通，其中，高速旋转的所述转子将动量传递给气体分子，所述气体分子在所述导引槽内被牵引至所述排气腔中。进一步地，上述密封面和在所述密封面上形成的导引槽由独立的密封件构成。根据本发明的另一方面，提供了一种超高速真空旋转设备，包括在转子和真空腔室二者之间设置的多级密封结构，其特征在于，所述多级密封结构中的至少一级密封结构为根据上面所描述的分子牵引型真空动密封结构。进一步地，上述超高速真空旋转设备为氘氚聚变中子源旋转靶系统。进一步地，上述多级密封结构包括一级动密封结构、二级动密封结构、三级动密封结构、四级动密封结构、以及停车密封，其中，所述二级动密封结构、三级动密封结构和四级动密封结构均为分子牵引型真空动密封结构。进一步地，上述一级动密封结构为自摩擦成型密封结构，包括在开机运行前与转子间采用过盈配合的密封块，经过一段时间的旋转运行，通过所述密封块与转子的密封面相互摩擦，形成微米量级的一级密封间隙。进一步地，上述一级动密封结构还包括与所述一级密封间隙出口连通的一级排气腔，以排出所述一级密封间隙所泄漏的气体。进一步地，上述停车密封选自磁流体密封、机械密封、迷宫密封、螺旋密封、干气密封或填料密封中的一种或多种组合。进一步地，上述转子包括外密封板和相对于所述外密封板平行间隔设置的内密封板，其中，所述内密封板的外径小于所述外密封板的外径，所述外密封板和内密封板的内外侧表面均为密封面。进一步地，上述真空腔室所述真空腔室包括与所述外密封板的内侧的部分密封面和内密封板的外侧的密封面分别配合的排气悬壁、以及与外密封板的内侧的部分密封面和内密封板的内侧的密封面分别配合的排气腔壁，所述真空腔室还包括在所述一级固定外壳上形成的一级排气腔、位于排气腔壁内侧的同心设置的二级排气腔、三级排气腔和四级排气腔。本发明的有益效果是：利用该发明可实现高速旋转设备中的真空动密封，旋转部件线速度最高可达到400m/s，利用速度达到分子热运动速度的转子表面对气体分子的牵引作用，使得气体分子沿特定路径移动，阻止进入真空腔室内，可实现旋转真空室内外气压从105Pa到10-7Pa的跨越。本发明可广泛应用于各类超高速真空旋转设备例如氘氚聚变中子源旋转靶系统中，发挥重要作用。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是根据本发明一实施例的适用于超高速旋转设备的多级分子牵引型真空动密封结构的示意图，其中示出了一部分；以及图2是图1所示的一种适用于超高速旋转设备的多级分子牵引型真空动密封结构的另一部分的示意图。附图标记说明01、转子；02、一级动密封结构；03、二级动密封结构；04、三级动密封结构；05、四级动密封结构；21、密封块；22、一级固定外壳；23、一级密封间隙；24、一级抽气口；25、一级排气腔；31、二级螺旋密封件；32、二级密封间隙；33、二级排气腔；34、二级抽气口；41、三级密封间隙；42、三级螺旋密封件；43、三级抽气口；44、三级排气腔；51、四级抽气口；52、四级排气腔；53、四级密封间隙；54、四级螺旋密封件；06、固定壳体；07、真空腔室；08、传动装置；09、停车密封；11、外密封板；12、内密封板；71、排气腔壁；72、排气悬壁。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明的分子牵引型真空动密封结构的原理为：当真空腔体高速旋转时，转子外缘的线速度接近气体分子热运动的速度，与转子间隔极小间隙平行排布的定子上刻有具...