專利名稱：大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)及抽氣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間環(huán)境模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種大型空間環(huán)境模擬器的真空抽氣方法，以用于大型空間環(huán)境模擬器試驗真空的獲得。
背景技術(shù)：
大型空間環(huán)境模擬器主要模擬空間的真空、冷黑等環(huán)境，用于衛(wèi)星、飛船等航天器進行熱真空試驗、熱平衡試驗的地面設(shè)備。真空環(huán)境是空間環(huán)境模擬器試驗的重要參數(shù)之一，航天器的空間環(huán)境試驗真空的獲得要求為清潔低污染量(24小時累計污染量<1X10Vcm2)的高真空環(huán)境，而發(fā)明的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣技術(shù)正是為滿足這一需要而創(chuàng)造的。目前，國內(nèi)大型空間環(huán)境模擬器粗抽系統(tǒng)均采用有油污染的粗抽機組，這種機組使用泵油作為泵腔內(nèi)的密封和冷卻介質(zhì)，直接參與設(shè)備的抽氣過程，極易 造成返油，需要在粗抽管道上增加液氮冷阱來減少粗抽機組的返油污染，但不能完全避免油分子進入真空容器內(nèi)，同時還增加了設(shè)備操作的復(fù)雜性。此外，分子泵采用油潤滑，也會對容器有一定的油污染，分子泵前級和低溫泵前級也均采用油封式機械泵，均為使用泵油作為直接工作介質(zhì)的真空設(shè)備，例如，現(xiàn)在國內(nèi)大型空間環(huán)境模擬器，如KM6 (3000m3)、KM3B(80m3)設(shè)備均采用此類系統(tǒng)搭建。為了避免油污染，大型空間環(huán)境模擬器(容積>70m3)的清潔真空抽氣方法對于空間環(huán)境模擬器清潔高真空的獲得，提高空間環(huán)境模擬器的可靠性具有重要的實際工程意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中大型空間環(huán)境模擬器真空抽氣系統(tǒng)的油污染的技術(shù)問題，而完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的在于提供一種大型空間環(huán)境模擬器的清潔真空抽氣系統(tǒng)及抽氣工藝，以滿足航天器熱真空、熱平衡試驗的需要。此外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述抽氣系統(tǒng)對模擬器進行抽氣的方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案
大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其為不使用泵油作為直接工作介質(zhì)的清潔抽氣設(shè)備，包括設(shè)置在大型空間環(huán)境模擬器上分別通過高真空閥門與容器隔離的粗抽系統(tǒng)、磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)，粗抽系統(tǒng)包括若干套并聯(lián)的粗抽機組，每套粗抽管路由用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵羅茨泵機組構(gòu)成，粗抽系統(tǒng)與大型空間模擬器之間的管路上設(shè)置有真空測量裝置，通過PLC及上位計算機對真空抽氣全過程進行自動控制和測量以實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器高真空的獲得；其中，磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)與大型空間環(huán)境模擬器的連接管路上分別設(shè)置有真空閥門和真空測量裝置，磁懸浮分子泵系統(tǒng)由半導(dǎo)體行業(yè)用的磁懸浮分子泵和無油干泵機組組成；低溫泵系統(tǒng)采用制冷機低溫泵作為主泵，其前級采用磁懸浮分子泵和無油干泵機組。其中，所述無油干泵均指抽真空設(shè)備泵腔內(nèi)不含真空泵油，但軸承潤滑仍需要油潤滑的真空泵。
其中，所述真空測量裝置為真空規(guī)，測量范圍根據(jù)使用需求不同采用不同種類的測量裝置，范圍IO5Pa 5X KT8Pa。其中，所述高真空閥門為可用于高真空環(huán)境下的任何種類閥門或具有隔斷真空抽氣設(shè)備與容器功能的隔斷裝置。其中，所述大型空間環(huán)境模擬器為容積為70m3以上的模擬器。一種利用上述系統(tǒng)對大型空間環(huán)境模擬器抽氣的工藝流程，包括以下步驟
1)啟動粗抽系統(tǒng)對容器抽氣，在容器內(nèi)壓力降低到接近能夠防止粗抽系統(tǒng)對容器可能造成油污染的最低壓力值Ptl時，停止粗抽系統(tǒng)對容器抽氣；
2)預(yù)冷低溫泵系統(tǒng)，使用無油干泵對低溫泵泵腔進行抽氣，在低溫泵內(nèi)壓力降低到接 近能夠防止前級干泵對低溫泵泵體可能造成油污染的最低壓力值Ptl時，啟動分子泵對低溫泵系統(tǒng)進行抽氣，使低溫泵泵體內(nèi)壓力達到低溫泵的預(yù)冷壓力值；
3)啟動分子泵系統(tǒng)對容器抽氣，以達到低溫泵系統(tǒng)的啟動壓力，壓力值根據(jù)不同低溫泵系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)確定；
4)啟動低溫泵系統(tǒng)對容器抽氣，保持容器內(nèi)壓力低于6.65X 10_3 Pa至實驗結(jié)束。本發(fā)明能夠為大型空間環(huán)境模擬器清潔真空的獲得提供技術(shù)手段，提高了提高空間環(huán)境模擬器可靠性。大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)及抽氣方法通過針對清潔真空環(huán)境要求而進行的系統(tǒng)搭建及抽氣工藝的研究，既在源頭上最大程度的消滅污染源，又在抽氣過程中降低油對系統(tǒng)的污染。它摒棄了傳統(tǒng)的使用油式真空泵對容器進行抽氣的方法，轉(zhuǎn)而采用廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵和磁懸浮分子泵，極大降低了大型空間環(huán)境模擬器中的污染量，在眾多試驗中取得了良好的污染控制效果。對大型和超大型空間環(huán)境模擬器的研制都有非常重要的參考價值。


圖I是本發(fā)明大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式以下介紹的是作為本發(fā)明內(nèi)容的具體實施方式
，下面通過具體實施方式
對本發(fā)明內(nèi)容作進一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實施方式
只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。參見圖1，本發(fā)明的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，包括設(shè)置在大型空間環(huán)境模擬器上并分別通過高真空閥門進行隔離的粗抽系統(tǒng)、磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)。其中，磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)與大型空間環(huán)境模擬器的連接管路上分別設(shè)置有高真空閥門和真空測量裝置，磁懸浮分子泵系統(tǒng)由半導(dǎo)體行業(yè)用的磁懸浮分子泵和無油干泵羅茨泵機組組成；其中，低溫泵系統(tǒng)采用制冷機低溫泵，其低溫泵前級采用分子泵和干泵羅茨泵組成的機組；其中粗抽系統(tǒng)包括若干套并聯(lián)的粗抽機組，每套粗抽機組由用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵羅茨泵機組構(gòu)成，粗抽系統(tǒng)與大型空間模擬器之間的管路上設(shè)置有真空測量裝置，通過PLC及上位計算機對真空抽氣全過程進行自動控制和測量以實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器高真空的獲得與維持。利用本發(fā)明的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)進行抽氣的工藝描述如下。其中，泵油、潤滑油在粘滯流狀態(tài)下
不會進入容器造成污染。粘滯流狀態(tài)遵循下述公式
^ 0.665,、
.................................... (I)
D
式中P為管道內(nèi)平均壓力，單位為5U。D為管道內(nèi)徑，單位為w。只要管道內(nèi)的平均壓力、滿足此式，即可將管道內(nèi)的氣體流態(tài)控制在粘滯流狀態(tài)。粘滯流狀態(tài)下，油不會返進入容器造成污染，可最大程度降低系統(tǒng)受污染的可能性。真空系統(tǒng)抽氣時，容器內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于真空設(shè)備進氣口的壓力值，可以認(rèn)為容器內(nèi)壓力的一半即為管道平均壓力值—只要容 器內(nèi)壓力值的2倍大于，即可防止泵油進入容器。
D其中，粗抽機組首次將廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵羅茨泵機組應(yīng)用于大型空間環(huán)境模擬器。通過相應(yīng)的閥門、管道、真空規(guī)組成粗抽系統(tǒng)，實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器從大氣到理論計算壓力值，并實現(xiàn)粗抽流程的自動控制。此壓力值由公式(I)確定。其中磁懸浮分子泵機組首次采用廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的磁懸浮分子泵作為分子泵系統(tǒng)的主泵，配備無油干泵作為分子泵前級。磁懸浮分子泵不使用油潤滑，振動小，可水平安裝，有效抽速大。傳統(tǒng)大型空間環(huán)境模擬器使用油潤滑或脂潤滑分子泵，前級泵選用油封機械泵，高真空環(huán)境下易返油，對空間模擬環(huán)境造成污染。通過公式(I)計算，得出前級無油干泵的工作壓力范圍，避免無油干泵的軸承潤滑油對設(shè)備造成污染。其中，低溫泵機組采用先進的制冷機低溫泵，低溫泵前級采用分子泵、無油干泵，實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器高真空的獲得與維持。利用上述系統(tǒng)對大型空間環(huán)境模擬器抽氣的方法，抽氣工藝包括以下步驟
1)啟動粗抽系統(tǒng)對容器抽氣。根據(jù)將粗抽管路直徑代入公式(1)，計算得出能夠防止
粗抽系統(tǒng)對容器可能造成油污染的最低平均壓力值瓦。在容器內(nèi)壓力降低到此壓力值戶0的2倍之前，停止粗抽系統(tǒng)對容器進行真空抽氣；
2)預(yù)冷低溫泵系統(tǒng)。根據(jù)理論計算得出能夠防止無油干泵的軸承潤滑油可能對低溫泵
泵體可能造成油污染的最低平均壓力值A(chǔ)。使用無油干泵對低溫泵進行抽氣，低溫泵內(nèi)壓力到達可能造成油污染的最低平均壓力值P1的2倍之前，啟動分子泵對低溫泵系統(tǒng)進行抽
氣，使低溫泵泵體內(nèi)壓力達到低溫泵的預(yù)冷壓力值；
3)啟動磁懸浮分子泵系統(tǒng)對容器抽氣。達到低溫泵系統(tǒng)的啟動壓力，壓力值根據(jù)不同低溫泵系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)確定；
4)啟動低溫泵系統(tǒng)對容器抽氣；
5)保持容器內(nèi)壓力低于6.65X10_3Pa至實驗結(jié)束。該發(fā)明能夠為大型空間環(huán)境模擬器清潔真空的獲得提供技術(shù)手段，提高了提高空間環(huán)境模擬器可靠性。大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)及抽氣方法通過針對清潔真空環(huán)境要求而進行的系統(tǒng)搭建及抽氣工藝的研究，既在源頭上最大程度的消滅污染源，又在抽氣過程中降低設(shè)備潤滑油對系統(tǒng)可能造成的微量污染。它摒棄了傳統(tǒng)的使用油式真空泵對容器進行抽氣的方法，轉(zhuǎn)而采用廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵和磁懸浮分子泵，極大降低了大型空間環(huán)境模擬器中的污染量，在眾多試驗中取得了良好的污染控制效果。對大型和超大型空間環(huán)境模擬器的研制都有非常重要的參考價值。
盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其為不使用泵油作為直接工作介質(zhì)的清潔抽氣設(shè)備，包括設(shè)置在大型空間環(huán)境模擬器上分別通過高真空閥門與容器隔離的粗抽系統(tǒng)、磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)，粗抽系統(tǒng)包括若干套并聯(lián)的粗抽機組，每套粗抽管路由用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵羅茨泵機組構(gòu)成，粗抽系統(tǒng)與大型空間模擬器之間的管路上設(shè)置有真空測量裝置，通過PLC及上位計算機對真空抽氣全過程進行自動控制和測量以實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器高真空的獲得；其中，磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)與大型空間環(huán)境模擬器的連接管路上分別設(shè)置有真空閥門和真空測量裝置，磁懸浮分子泵系統(tǒng)由半導(dǎo)體行業(yè)用的磁懸浮分子泵和無油干泵機組組成；低溫泵系統(tǒng)采用制冷機低溫泵作為主泵，其前級采用磁懸浮分子泵和無油干泵機組。
2.如權(quán)利要求I所述的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其中，所述無油干泵均指抽真空設(shè)備泵腔內(nèi)不含真空泵油，但軸承潤滑仍需要油潤滑的真空泵。
3.如權(quán)利要求I所述的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其中，所述真空測量裝置為真空規(guī)，測量范圍根據(jù)使用需求不同采用不同種類的測量裝置，范圍IO5Pa 5 X KT8Pa。
4.如權(quán)利要求I所述的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其中，所述高真空閥門為可用于高真空環(huán)境下的任何種類閥門或具有隔斷真空抽氣設(shè)備與容器功能的隔斷裝置。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)，其中，所述大型空間環(huán)境模擬器為容積為70m3以上的模擬器。
6.—種利用權(quán)利要求1-5任一項所述的真空抽氣系統(tǒng)對大型空間環(huán)境模擬器清潔抽氣工藝，包括以下步驟 1)啟動粗抽系統(tǒng)對容器抽氣，在容器內(nèi)壓力降低到接近能夠防止粗抽系統(tǒng)對容器可能造成油污染的最低壓力值Ptl時，停止粗抽系統(tǒng)對容器抽氣； 2)預(yù)冷低溫泵系統(tǒng)，使用無油干泵對低溫泵泵腔進行抽氣，在低溫泵內(nèi)壓力降低到接近能夠防止前級干泵對低溫泵泵體可能造成油污染的最低壓力值Ptl時，啟動分子泵對低溫泵系統(tǒng)進行抽氣，使低溫泵泵體內(nèi)壓力達到低溫泵的預(yù)冷壓力值； 3)啟動分子泵系統(tǒng)對容器抽氣，以達到低溫泵系統(tǒng)的啟動壓力，壓力值根據(jù)不同低溫泵系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)確定； 4)啟動低溫泵系統(tǒng)對容器抽氣，保持容器內(nèi)壓力低于6.65X 10_3 Pa至實驗結(jié)束。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，整個抽氣過程可全自動化控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了大型空間環(huán)境模擬器清潔真空抽氣系統(tǒng)及抽氣方法，包括粗抽系統(tǒng)、磁懸浮分子泵系統(tǒng)和低溫泵系統(tǒng)。其中，粗抽系統(tǒng)包括若干套并聯(lián)的粗抽機組，每套粗抽機組由應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的無油干泵羅茨泵機組構(gòu)成，通過PLC及上位計算機對真空抽氣全過程進行自動控制和測量以實現(xiàn)大型空間環(huán)境模擬器高真空的獲得與維持；其中，磁懸浮分子泵系統(tǒng)由應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)用的磁懸浮分子泵和無油干泵羅茨泵機組組成；其中，低溫泵系統(tǒng)采用制冷機低溫泵，其低溫泵前級采用分子泵和干泵羅茨泵組成的機組；本發(fā)明也公開了相應(yīng)的抽氣工藝。本發(fā)明通過采用無油的真空抽氣系統(tǒng)和合理的抽氣工藝，解決了大型空間模擬器清潔高真空的獲得問題。
文檔編號F04B49/02GK102966518SQ20121049566
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者茹曉勤, 楊瑞洪, 董雷, 詹海洋, 李強, 王軍偉, 古成 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所