大型氦制冷低温真空系统的其它一些参数设计
除了大型氦制冷低温真空系统主要结构设计和对抽速和热负荷的最佳化设计计算外, 大型氦制冷低温真空系统还有系统降温时间、总抽气面积和总抽速等参数的设计问题。这些问题相互影响, 设计时应综合考虑。从理论上讲, 也有一个最优设计的问题。但是由于前述研究已经解决了系统的主要设计问题, 这里将问题加以适当的简化处理。
在系统主要结构确定以后, 决定系统抽速的就是低温真空系统的总有效抽气面积。有效抽气面积越大,则系统总抽速也就越大, 此时处于20K低温的材料也就越多。同时也要求系统从常温启动, 到正常工作所需的时间也要尽可能短。这都要求有较大的制冷功率。两者都受到总制冷功率有限的约束。通过设计研究, 在外制冷功率为1200W时,选择总有效抽气面积为100m2,经计算, 系统的热传导和热辐射可以控制在400W以内。系统从常温启动到正常低温工作状态, 所所需时间约为6h。根据前述计算公式和计算结果, 可以计算出系统对氮气的有效抽速大于1.5×106L/s。可以满足对真空系统的各项主要要求。
在实际真空系统设计中, 还将整个真空系统分成可以独立运行的两部分, 每部分的制冷功率为600W , 抽速大于0.75 ×106L/s。考虑到空间试验设备的总体布局及有利于低温流体流动, 将低温真空系统对称布置于容器的上部, 也是大型空间环境试验设备中上部热沉的一部分。图2 即为大型空间环境试验设备中内装式氦制冷低温真空系统和热沉的总体布置图。
图2 大型空间环境试验设备内装式低温真空系统和热沉布置示意图
在大型低温真空系统的研制中, 还有一些技术问题有待研究解决。如大型真空系统的真空测量问题和有效抽速的测量问题等。由于在大型真空系统中存在大抽速的低温面, 使真空系统中有较强的定向气流, 需要解决定向压强对真空测量影响问题。在系统有效抽速的测量方面, 由于大型真空系统中的放气影响已经占很大比例, 对抽速测量的影响较大。
此时如继续沿用一般真空泵抽速测量方法进行测量, 将产生较大测量误差。同时由于气体流量测量范围较大, 气体流量的精确测量也对测量仪器和方法提出较高的要求。
解决具有较强定向气流的大型真空容器的真空度测量问题, 可以利用蒙特卡洛方法计算容器的分子流分布。根据测量的分子流分布情况, 确定真空规管的数量和位置, 利用测量数据, 得出系统平均真空度作为系统试验真空度, 并利用此数据作为测量真空系统抽速时的依据。对大型真空系统的漏放气对抽速测量的影响问题, 可以利用静态升压法多次测量大型真空容器的总漏放气量, 待容器的总漏放气量趋于稳定时, 以平均漏放气量作为系统总漏放量,并在抽速计算公式中考虑漏放量的影响。采取上述措施, 并且使用先进的测量仪器后, 可以较好地解决大型真空系统的真空度和抽速的测量问题。
在总结前人设计工作的基础之上, 对大型低温真空系统的最佳化设计工作进行了系统的研究, 对计算方法和计算模型均进行了改进, 使之能够较好地应用于工程实际。通过实际工程设计的考验, 证实这种改进是能够很好地满足实际大型低温真空系统的工程需要的。根据上述对大型低温真空系统抽气系统的设计研究结果, 研制了一个大型低温真空抽气系统。初步结果证明, 对大型低温真空系统的设计研究是成功的。对今后大型低温系统的设计有很大的指导意义。
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