专利名称：双层一体内置式深冷泵的制作方法
双层一体内置式深冷泵
技术领域：
本发明涉及一种双层一体内置式深冷泵设计，属于低温和真空技术中的深冷泵领 域。
背景技术：
大型空间环境模拟器要求在数百、数千立方米的试验舱中达到真空度< 10_3Pa 的高真空要求，在试验舱内进行航天器试验时，航天器通常释放出大量的试验气体，为保证 模拟试验的可靠性和准确性，须配备百万升每秒以上抽速的抽真空系统来保证试验舱内的 动态真空度，航天器的放气量越大所需的抽气能力越强。外置式抽真空泵或泵组通常不能 保证如此大的抽气能力，而且航天器放出的试验气体通常为难抽除的氮气、甲烷等气体分 子，传统的抽气方式难于实现。内置式深冷泵采用冷凝吸附原理吸附凝结温度比深冷泵本体温度高的气体分子， 深冷泵的抽气能力与深冷泵管板的温度和管板的面积有关。深冷泵管板温度越低，可吸附 的气体分子种类越多；管板表面积越大，吸附能力越强。深冷泵依靠低温介质冷却，常用低 温介质是液氮，当抽除氮气等吸附温度比液氮高的气体分子时，通常用液氦作低温介质，由 于液氦产量少、价格高，为降低液氦消耗量和管板的热负荷，液氦深冷泵外侧通常布置液氮 管板作保护。内置式深冷泵通常布满空间模拟器试验舱的整个内壁，深冷泵的液氦管板和液氮 管板为双层结构。液氦管板为低温(< 10K)，安装在内侧，液氮管板为高温(< 100K)，安 装在外侧贴近舱体内壁处，在液氮管板与舱体内壁之间有一层减小辐射换热的冷屏。卧式 圆柱形深冷泵的结构形式多为肋骨式，即在圆筒的上下各分布一根汇总管，像肋条一样分 布的半圆形支管两端分别与上下汇总管焊接，支管上焊接有翅片，低温介质(或气液两相) 从下汇总管流入，沿支管上升从上汇总管排放到外界。管板的形式多为支管翅片焊接结构， 低温介质从汇总管分配到各支管并冷却支管和翅片，多个翅片表面构成低温冷却面吸附气 体分子。深冷泵材料应具有良好的导热性、冲击韧性，在低温下应有良好的刚性、可塑性和 焊接性，在高真空环境下放气率要低。常见的深冷泵材料有纯铝、不锈钢和紫铜，三种材料 的晶格都是面心立方体，韧性较好；不锈钢的抗屈服强度最大、铝最小、铜居中；热导率铜 最好、不锈钢最差、铝居中；低温下比热容铝最大、铜最好、不锈钢居中。通过对三种材料的 性能比较，结合工程中应用的实际情况，不锈钢管和铜翅片在深冷泵选材中应用较为广泛。通常，深冷泵自重及低温介质的质量靠支撑结构支撑在试验舱内，液氦管板和液 氮管板安装在各自的骨架内，骨架又通过另一支撑结构支撑在试验舱内壁上，所以深冷泵 的支撑结构包括两部分，一个是管板与骨架间的支撑，一个是骨架与舱体的支撑。深冷泵管 板的温差较大(液氦管板的温差> 260k)，深冷泵设计时，管板在冷热大温差下应能在骨架 内自由伸缩，不产生过大温度应力。深冷泵骨架和支撑结构本身的质量(热容量)和辐射 面积应尽可能小，降低支撑结构对低温介质的消耗。
目前常见的液氦深冷泵的液氦管板和液氮(保护)管板为独立式，分别设计骨架 和支撑结构，使得有限的试验舱容积利用率较低，且骨架和支撑结构对低温介质的消耗量 较大，甚至达到了全部消耗量的30%，大大提高了试验成本，且试验舱的有效直径远小于试 验舱的内径。
发明内容本发明的目的是提供一种结构简单、卧式圆筒形双层一体内置式深冷泵结构。去 除传统设计中两层管板的支撑骨架，直接消除了骨架和支撑结构对低温介质的消耗量；在 两层管板间增加防辐射冷屏，使液氮管板与液氦管板间的辐射换热降低约50%，间接降低 了液氦管板低温介质的消耗量。液氮管板和液氦管板通过特殊的绝热设计构成一体，双层 一体内置式深冷泵直接搁放在试验舱内壁下部的三个支撑导轨上，结构设计紧凑支撑可 靠，最大限度保证了试验舱的有效空间。特殊的固定方式使得深冷泵在大温差的热胀冷缩 下仍能可靠工作，不会在深冷泵总管与支管、支管与翅片的管板焊接处产生破坏性应力。双层一体内置式深冷泵，主要包括液氮、液氦总管、液氮、液氦支管、防辐射冷屏， 以及若干特型绝热垫和特型螺栓等。如图1、图2和图3所示，采用整体冷板代替分布式 翅片，外层液氮管板和内层液氦管板为一体式，在液氮管板与液氮管板之间、液氮管板与舱 体内壁之间各有一层防辐射冷屏，圆筒形液氦管板的正下方、与圆筒形液氦管板中性面成 30°的两侧有多条绝热垫，通过特型螺栓固定到液氮管板上，液氮管板既是液氦管板的保 护热沉，又是液氦管板的骨架。液氮支管和液氦支管分别坐在带凹槽的特型绝热垫内，通过 特型螺栓固定，组成双层一体内置式深冷泵。深冷泵直接搁放在支撑结构的绝热垫上，支撑 结构主要由舱体正下方两侧与中性面成30°处的三条舱体支撑导轨组成，支撑导轨上有等 宽双层绝热垫，双层绝热垫之间有防辐射冷屏，由沉头螺钉将两层绝热垫、防辐射冷屏和支 撑导轨固定。本发明具有的优点和积极效果在于(1)双层一体内置式深冷泵没有骨架结构， 液氮管板通过绝热垫与液氦管板相连，既作液氦管板的骨架又作保护热沉，大大节省了试 验前和试验过程中低温介质的消耗量，节约了试验成本；(2)双层一体内置式深冷泵的液 氦管板和液氮管板间增加一层防辐射冷屏，使双层高低温管板间的辐射换热降低50%，间 接节约了费用昂贵的液氦低温介质消耗量；(3)双层一体内置式深冷泵的结构紧凑，去除 骨架结构后增加了试验舱的有效空间；(4)在相同尺寸的试验舱内，双层一体内置式深冷 泵可以布置更大的冷板面积，冷板面积越大深冷泵的抽气能力越强；(5)深冷泵的总管和 支管都采用方管取代传统的圆管，一方面增加了支管与液氦、液氮冷板的接触面积，加强热 传导；另一方面便于安装液氦、液氮管板间和液氮管板与舱体支撑轨间的绝热垫，方便结构 设计；第三，液氮、液氦支管(4、6)与特型绝热垫间的接触由线接触改为面接触，受力结构 更合理。
图1双层一体内置式深冷泵原理2液氮管板、液氦管板、支撑导轨之间的绝热垫结构(剖视图)图3双层一体内置式深冷泵立体示意图
图中1 -舱体内壁、2-冷屏I、3-液氮冷板、4-液氮支管、5-冷屏II、6-液氦支管、 7-液氦冷板、8-绝热垫I、9-绝热垫IIUO-绝热垫IIIUl-支撑导轨、12-绝热垫IV、13-沉 头螺钉、14-特型螺栓、15-液氦下总管、16-液氮下总管、17-绝热垫V、18-绝热垫VI、19-绝 热垫VII、20-液氦上总管、21-液氮上总管、22-U型螺栓
具体实施方式下面结合附图1、图2和图3进一步说明本发明。双层一体内置式深冷泵，主要包括液氮冷板(3)、液氮支管(4)、上液氮总管(21)、 下液氮总管(16)、液氦冷板(7)、液氦支管(6)，上液氦总管(20)、下液氦总管(15)、防辐射 冷屏(2、5)、特型绝热垫(8、9、10、12、17、18、19)和特型螺栓(13、14、22)等，液氮管板由液 氮冷板(3)、液氮支管(4)、上液氮总管(21)和下液氮总管(16)组成，液氦管板由液氦冷板 (7)、液氦支管(6)、上液氦总管(20)和下液氦总管(15)组成，支撑结构由舱体内壁(1)正 下方、两侧与舱体中性面成30°处的三条支撑导轨(11)及支撑导轨上贴附的绝热垫(12) 组成。采用整体冷板代替传统的分布式翅片，在液氮管板与液氦管板之间、液氮管板与舱体 内壁之间各有一层防辐射冷屏(5、2)，液氮支管(4)和液氦支管(6)分别坐在带凹槽的特型 绝热垫(8、9、18、19)内，圆筒形液氦管板的正上方、正下方、与液氦管板中性面成30°的两 侧有聚四氟乙烯绝热垫(8、9、18、19)，通过特型螺栓(14)固定到液氮管板上，使外层液氮 管板和内层液氦管板构成整体的双层一体内置式深冷泵，液氮管板即使液氦管板的骨架， 又是液氦管板的保护热沉。双层一体内置式深冷泵直接搁放在绝热垫(10、17)上，绝热垫 (10,17)与支撑结构的绝热垫(12)之间有防辐射冷屏(2)，由沉头螺钉(13)将这两层绝热 垫、防辐射冷屏(2)和支撑导轨(11)固定，双层一体内置式深冷泵的上部用U型螺栓(22) 固定到舱体顶部。液氦管板内流动的低温介质为液氦，液氮管板内流动的低温介质为液氮。不同的 低温介质由下总管(15、16)分配到各支管(4、6)中，冷却各自的冷板(3、7)，再由各支管汇 总到上总管(20、21)排出。两个管板间有一层冷屏(5)，能降低液氦管板(6、7)与液氮管板 (3,4)之间50%的辐射换热，能间接降低价格昂贵的液氦低温介质消耗量。液氮管板和液氦管板的材料采用常见的不锈钢管、铜翅片形式，因为钢的强度好、 铜的导热率高。液氮、液氦总管(15、16、20、21)、支管(4、6)全部为不锈钢方管，液氮、液氦 冷板(3、7)用整张紫铜板代替分布式的翅片，简化了生产加工工艺。安装时应使液氮冷板 与支撑结构的三条绝热垫接触，此时接触面积较大，所以液氮冷板(3)应焊接在液氮支管 (4)的外侧。支管为方管能够增加与冷板的接触面积，加强热传导，另一方面便于安装液氦、 液氮管板之间、液氮管板与支撑结构之间的绝热垫，方便结构设计，还能增加液氮、液氦支 管(4、6)与特型绝热垫之间的接触面积，利于结构受力。液氮管板和液氦管板本身的刚度能够支撑它的自重和管内低温介质的重量，因 而管板在试验舱内不会下塌，深冷泵在重力作用下压在舱体内壁正下方、两侧与中性面成 30°处的支撑结构上，液氮管板与与支撑结构之间有两层绝热垫，因而深冷泵与试验舱内 壁之间是绝热的，且两者之间的冷屏(2)使辐射换热又降低了 50%。当液氮管板和液氦管板分别通入液氮、液氦时，上下总管(15、16、20、21)的冷缩 会引起整个双层一体内置式深冷泵整体在沿卧式试验舱的轴向和径向收缩。在轴向的收缩会引起深冷泵与支撑结构的相对滑动，由于接触面为液氮冷板的外表面和聚四氟乙烯绝热 垫(10、17)的上表面，不锈钢与聚四氟乙烯的摩擦系数很低(0. 1)，滑动摩擦力较小，因此 不会在支管(4、6)和总管(15、16、20、21)的焊缝处产生较大应力。径向收缩时，由于U型 螺栓只限制双层深冷泵在试验舱内的转动，而不限制上汇总管(20、21)的下移，由于重力 的作用，深冷泵仍压在支撑结构上，也不会在支管(4、6)和总管(15、16、20、21)的焊缝处产 生较大应力。由于液氦和液氮的温度不同，深冷泵的外层液氮管板与内层液氦管板的收缩 量不同，液氮管板和液氦管板会产生相对滑动，为使温差导致的热应力得到释放，两层管板 间的绝热垫(8、9)不是连续的，特型螺栓(14)连接处也采用长孔形式。
权利要求
双层一体内置式深冷泵，包括液氮冷板(3)、液氮支管(4)、上液氮总管(21)、下液氮总管(16)、液氦冷板(7)、液氦支管(6)，上液氦总管(20)、下液氦总管(15)、防辐射冷屏(2、5)、特型绝热垫(8、9、10、12、17、18、19)和特型螺栓(13、14、22)，液氮管板由液氮冷板(3)、液氮支管(4)、上液氮总管(21)和下液氮总管(16)组成，液氦管板由液氦冷板(7)、液氦支管(6)、上液氦总管(20)和下液氦总管(15)组成，支撑结构由舱体内壁(1)正下方、两侧与舱体中性面成30°处的三条支撑导轨(11)及支撑导轨上贴附的绝热垫(12)组成，其特征在于采用整体冷板代替传统的分布式翅片，在液氮管板与液氦管板之间、液氮管板与舱体内壁之间各有一层防辐射冷屏(5、2)，液氮支管(4)和液氦支管(6)分别坐在带凹槽的特型绝热垫(8、9、18、19)内，圆筒形液氦管板的正上方、正下方、与液氦管板中性面成30°的两侧有聚四氟乙烯绝热垫(8、9、18、19)，通过特型螺栓(14)固定到液氮管板上，使外层液氮管板和内层液氦管板构成整体的双层一体内置式深冷泵，液氮管板即使液氦管板的骨架，又是液氦管板的保护热沉；双层一体内置式深冷泵直接搁放在绝热垫(10、17)上，绝热垫(10、17)与支撑结构的绝热垫(12)之间有防辐射冷屏(2)，由沉头螺钉(13)将这两层绝热垫、防辐射冷屏(2)和支撑导轨(11)固定，双层一体内置式深冷泵的上部用U型螺栓(22)固定到舱体顶部。
2.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于双层一体内置式深冷泵 结构没有骨架和支撑结构，直接消除了骨架和支撑结构对低温介质的消耗量。
3.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于液氮管板与液氦管板之 间、液氮管板与舱体内壁之间各有一层冷屏(5、2)，能降低液氦管板与液氮管板之间、液氮 管板与舱体内壁之间50%的辐射换热，间接了降低价格昂贵的液氦低温介质消耗量。
4.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于总管(15、16、20、21)和 支管(4、6)都采用方管取代传统的圆管，一方面增加了支管与液氦、液氮冷板的接触面积， 加强热传导；另一方面便于安装液氦、液氮管板间和液氮管板与舱体支撑轨间的绝热垫，方 便结构设计；第三，液氮、液氦支管(4、6)与特型绝热垫间的接触由线接触改为面接触，受 力结构更合理。
5.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于液氮管板与支撑结构之 间采用聚四氟乙烯绝热垫(10、17)，深冷泵沿卧式试验舱的轴向收缩时，滑动摩擦力较小， 不会在支管(4、6)和总管(15、16、20、21)的焊缝处产生较大应力。
6.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于双层一体内置式深冷泵 沿卧式试验舱的径向收缩时，U型螺栓只限制深冷泵在试验舱内的转动，而不限制上汇总 管(20、21)的下移，由于重力的作用，深冷泵仍压在支撑结构上，不会在支管(4、6)和总管 (15、16、20、21)的焊缝处产生较大应力。
7.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于液氮管板和液氦管板之 间的绝热垫(8、9)不是连续的，特型螺栓(14)的连接处也采用长孔形
8.如权利要求1所述的双层一体内置式深冷泵，其特征在于双层一体内置式深冷泵 的结构紧凑，去除骨架结构后增加了试验舱的有效空间，在相同尺寸的试验舱内，双层一体 内置式深冷泵可以布置更大的冷板面积。
全文摘要
本发明公开了一种结构简单、卧式圆筒形双层一体内置式深冷泵结构。去除传统设计中两层管板的骨架和支撑结构，直接消除了骨架和支撑结构对低温介质的消耗，在两层管板间增加防辐射冷屏，间接降低了液氦管板对低温介质的消耗量。液氮管板和液氦管板通过特殊的绝热设计构成一体，双层一体内置式深冷泵直接搁放在试验舱内壁下部的三个舱体支撑轨上，结构设计紧凑、支撑可靠，最大限度保证了试验舱的有效空间。特殊的固定方式使得深冷泵在大温差的热胀冷缩下仍能可靠工作，不会在深冷泵总管与支管、管板焊接处产生破坏性应力。
文档编号F04B37/08GK101922435SQ201010256320
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年12月9日
发明者凌桂龙, 张国舟, 李晓娟, 王文龙, 蔡国飙, 黄本诚 申请人:北京航空航天大学