本發(fā)明屬于真空獲得設備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的大型直板式內(nèi)置低溫泵。

背景技術(shù)：

中性束注入加熱是受控核聚變實驗中有效的輔助加熱室方式，氣體在放電室中電離形成等離子體，而后被引出-加速系統(tǒng)引出，經(jīng)過中性化器時與本底氣體碰撞、電離，進行中性轉(zhuǎn)化，中性化后的高能中性粒子通過漂移管道注入到托卡馬克等離子體中心，起到加熱作用。離子源放電室和中性化器中需脈沖送氣，而高能中性粒子傳輸?shù)穆窂叫枰哒婵窄h(huán)境，整個束線形成一個真空差分系統(tǒng)，構(gòu)成該系統(tǒng)，不僅需要每一過渡段流導的精心設計，更需要在真空室配備高抽速的真空泵，將這些中性氣體抽走，避免中性氣體流入托卡馬克真空室而對其真空造成影響。

低溫泵是中性束注入器真空差分系統(tǒng)的重要組成部分，在脈沖送氣時能快速的將真空室壓力控制在10^-3～10^-4pa量級，為中性粒子創(chuàng)造一條“干凈”的傳輸通道，減少中性粒子的再電離損失，減少流向托卡馬克的中性氣體，需要每秒上百萬升的抽速。由于中性束注入器真空室空間有限，傳統(tǒng)商用低溫泵抽速通常在每秒萬升量級，要達到每秒百萬升量級需要大量的空間，同時接口流導將大大制約低溫泵的實際抽速，因此考慮將低溫泵直接內(nèi)置于注入器真空室內(nèi)，真空室殼體即是低溫泵殼體，低溫泵和真空室的接口流導變?yōu)闊o窮大，泵體的抽速即為真空室內(nèi)的實際抽速，內(nèi)置低溫泵抽速能否滿足注入器要求，關(guān)鍵看輻射屏蔽板結(jié)構(gòu)。通常低溫泵結(jié)構(gòu)包括冷凝吸附板、輻射屏蔽板和支撐結(jié)構(gòu)組 成，在工作溫度下，泵的抽速和冷凝吸附板的面積成正比，但泵的實際抽速受到輻射屏蔽板的限制，屏蔽輻射板一方面阻擋外界的輻射熱直接輻射到冷凝吸附板，但同時也阻擋了氣體分子，增大了流阻，因此合理的輻射屏蔽結(jié)構(gòu)即能有效的阻擋熱負荷，又能讓氣體分子容易通過。常見低溫泵輻射屏蔽結(jié)構(gòu)有人字形輻射屏蔽結(jié)構(gòu)和百葉窗輻射屏蔽結(jié)構(gòu)。

目前已有的大型裝置非標低溫泵通常也是采用人字形輻射屏蔽結(jié)構(gòu)，人字形輻射屏蔽結(jié)構(gòu)能有效的阻擋外界環(huán)境對冷板的熱輻射，但對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計算結(jié)果表明，采用人字形屏蔽結(jié)構(gòu)時無論冷凝吸附板面積多大，低溫泵實際抽速都無法滿足要求；采用百葉窗結(jié)構(gòu)屏蔽結(jié)構(gòu)時，流導增大，實際抽速雖接近要求，但外界直接透射到冷凝吸附板的熱負荷也明顯增加，不利于低溫泵的長期運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式低溫泵結(jié)構(gòu)，以在有限的空間里解決輻射屏蔽板的流導和熱負荷之間的矛盾，有效提高抽速，并通過合理的表面處理工藝降低熱負荷。

為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的直板式內(nèi)置低溫泵結(jié)構(gòu)，應用于受控核聚變實驗中的中性束注入器真空差分系統(tǒng)，采用的是直板式三級吸附結(jié)構(gòu)，具體包括以下方面：

(1)吸附結(jié)構(gòu)由輻射屏蔽板和冷凝吸附板構(gòu)成

輻射屏蔽板包括第一級、第二級和第三級，分別是v形角的角度為90°、80°和70°的v形結(jié)構(gòu)，該v形結(jié)構(gòu)由兩塊屏蔽板焊接而成，其尺寸根據(jù)系統(tǒng)設定；在兩塊屏蔽板的焊接位置設置一根液氮管；屏蔽板的材料是銅，液氮管 的材料是不銹鋼；

冷凝吸附板包括第一級、第二級和第三級，都是由兩塊吸附板焊接而成的平面長方體結(jié)構(gòu)，其尺寸根據(jù)系統(tǒng)設定；在兩塊吸附板的焊接位置設置一根液氦管；吸附板的材料是銅，液氦管的材料是不銹鋼；

第一級冷凝吸附板置于第一級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個不閉合的三角形，第一級冷凝吸附板與第一級輻射屏蔽板之間在三角形未閉合部分的間隙為2mm；

第二級冷凝吸附板置于第二級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個不閉合的三角形，第二級冷凝吸附板與第二級輻射屏蔽板之間在三角形未閉合部分的間隙為2mm；

第三級冷凝吸附板置于第三級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個箭頭狀結(jié)構(gòu)，第三級冷凝吸附板設置在第三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)的角平分面上；第三級冷凝吸附板與第三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)頂角處液氮管的間隙為10mm；

上述三級冷凝吸附板和三級輻射屏蔽板共同構(gòu)成一個吸附單元；

(2)每個吸附單元都是豎直裝配，其三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)頂角處液氮管在同一個平面上，該平面與水平面相互垂直；

多個吸附單元之間相互間隔，相鄰的兩個吸附單元之間間隔的距離為250mm，為氣體流動提供通路；所有的吸附單元構(gòu)成一個吸附陣列；

吸附單元和輻射屏蔽殼體豎直裝配，每個吸附單元的冷質(zhì)分管和冷質(zhì)總管采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷質(zhì)下入上出，左進右出，每個吸附單元的冷質(zhì)的路徑相同；

(3)整個吸附陣列用77k的u形液氮輻射屏蔽殼體包圍，輻射屏蔽殼體采用多組管翅并排拼接構(gòu)成，管翅翼長150mm，最大溫升為2k，并排時兩組翅 片重疊率為10％，達到絕對光學密閉；

整個輻射屏蔽殼體內(nèi)側(cè)進行黑化處理，吸收直接來自外界的輻射熱；輻射屏蔽殼體外側(cè)進行鍍鎳拋光處理，反射外界的熱輻射。

進一步的，如上所述的一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的直板式內(nèi)置低溫泵結(jié)構(gòu)，第一冷凝吸附板中背對第一級輻射屏蔽板的一側(cè)粘接活性炭、另一側(cè)鍍鎳拋光；第二冷凝吸附板中背對第二級輻射屏蔽板的一側(cè)粘接活性炭、另一側(cè)鍍鎳拋光；第三級冷凝吸附板兩面粘接活性炭；

第一級輻射屏蔽板兩面鍍鎳拋光，第二級輻射屏蔽板背對第二級冷凝吸附板的一側(cè)黑化處理，另一側(cè)鍍鎳拋光；第三級輻射屏蔽板背對第三級冷凝吸附板的一側(cè)黑化處理，另一側(cè)鍍鎳拋光。

進一步的，如上所述的一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的直板式內(nèi)置低溫泵結(jié)構(gòu)，第一級輻射屏蔽板與第二級輻射屏蔽板之間的距離＝0.5～1l1，l1為第一級輻射屏蔽板中的液氮管與第一級冷凝吸附板之間的距離；第二級輻射屏蔽板與第三級輻射屏蔽板之間的距離＝0.5～1l2，l2為第二級輻射屏蔽板中的液氮管與第二級冷凝吸附板之間的距離。

本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：

(1)將低溫泵內(nèi)置于注入器真空室內(nèi)，實現(xiàn)泵體與真空室連接的流導無窮大，泵體的抽速即真空室的實際抽速，避免了泵口連接對抽速的限制；

(2)三級吸附結(jié)構(gòu)構(gòu)成的吸附單元增加了有效的吸附面積，并且活性炭大大提高冷凝吸附面對非可凝性氣體的粘附系數(shù)，而相鄰吸附單元之間的間隔又大大提高了外界環(huán)境與冷凝吸附面之間的流導，泵體整體抽速提高；

(3)翅片翼展短，溫度梯度小，液氮液氦溫度波動對抽速的影響?。?/p>

(4)液氮液氦總管與分管采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷質(zhì)路徑相同，管翅溫度分布均 勻，降溫時間快；

(5)吸附單元相互獨立，可根據(jù)真空室大小增減，方便與真空室匹配；

(6)不同的表面處理工藝，降低了整體熱負荷。

附圖說明

圖1為三級吸附結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為各部件表面處理工藝示意圖；

圖3為低溫泵截面示意圖；

圖4為三級吸附結(jié)構(gòu)的直板式內(nèi)置低溫泵。

圖中：1.第一級輻射屏蔽板、2.第一級冷凝吸附板、3.第二級輻射屏蔽板、4.第二級冷凝吸附板、5.第三級輻射屏蔽板、6.第三級冷凝吸附板、7.一個吸附單元、8.吸附陣列、9.u形輻射屏蔽殼體、10.固定吊件、11.法蘭、12.冷質(zhì)出入口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行進一步詳細說明。

本發(fā)明一種具有三級吸附結(jié)構(gòu)的直板式內(nèi)置低溫泵結(jié)構(gòu)，應用于受控核聚變實驗中的中性束注入器真空差分系統(tǒng)，本發(fā)明的設計思路是結(jié)合人字形和百葉窗輻射屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，考慮中性束注入器真空室有限的空間，研制了直板式三級吸附內(nèi)置式低溫泵，其核心為三級吸附結(jié)構(gòu)，包括三個v形的輻射屏蔽板和三個冷凝吸附板。具體包括以下方面：

(1)吸附結(jié)構(gòu)由輻射屏蔽板和冷凝吸附板構(gòu)成

輻射屏蔽板包括第一級、第二級和第三級，分別是v形角的角度為90°、80°和70°的v形結(jié)構(gòu)，該v形結(jié)構(gòu)由兩塊屏蔽板焊接而成，其尺寸根據(jù)系統(tǒng)設定；在兩塊屏蔽板的焊接位置設置一根液氮管；屏蔽板的材料是銅，液氮管 的材料是不銹鋼；

冷凝吸附板包括第一級、第二級和第三級，都是由兩塊吸附板焊接而成的平面長方體結(jié)構(gòu)，其尺寸根據(jù)系統(tǒng)設定；在兩塊吸附板的焊接位置設置一根液氦管；吸附板的材料是銅，液氦管的材料是不銹鋼；

冷凝吸附板由不銹鋼管和2mm厚的銅翅片焊接，翅片最大翼長60mm，根據(jù)熱傳導方程知，翅片末端最大溫差約為0.5k，對于粘接活性炭的吸附板而言，該溫差不會影響微孔活性炭對不可凝氣體的吸附效果。

第一級冷凝吸附板置于第一級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個不閉合的三角形，第一級冷凝吸附板與第一級輻射屏蔽板之間在三角形未閉合部分的間隙為2mm；

第二級冷凝吸附板置于第二級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個不閉合的三角形，第二級冷凝吸附板與第二級輻射屏蔽板之間在三角形未閉合部分的間隙為2mm；

第三級冷凝吸附板置于第三級輻射屏蔽板之后，二者的橫截面構(gòu)成一個箭頭狀結(jié)構(gòu)，第三級冷凝吸附板設置在第三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)的角平分面上；第三級冷凝吸附板與第三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)頂角處液氮管的間隙為10mm；

第一級輻射屏蔽板的兩塊銅翅片按90度夾角焊接形成v形，輻射屏蔽板外側(cè)鍍鎳拋光，反射來自外界環(huán)境的熱輻射，內(nèi)側(cè)同樣鍍鎳拋光，減小對冷凝吸附板的發(fā)射率，降低輻射屏蔽板對冷凝吸附板的輻射熱，第一級冷凝吸附板置于v形輻射屏蔽板后，和輻射屏蔽板的截面為不閉合三角形，冷凝吸附板外側(cè)粘接微孔活性炭，內(nèi)側(cè)鍍鎳拋光，反射來自77k輻射屏蔽板的輻射熱。第二級輻射屏蔽兩塊翅片為80度夾角，外側(cè)黑化處理，吸收來自外界環(huán)境的輻射熱， 減少對第一級冷凝吸附板的反射，內(nèi)側(cè)鍍鎳拋光處理減小發(fā)射率，同樣第二級冷凝吸附板置于輻射屏蔽板后構(gòu)成不閉合的三角形，冷凝吸附板外側(cè)粘接活性炭，內(nèi)側(cè)鍍鎳拋光。

第一級輻射屏蔽板與第二級輻射屏蔽板之間的距離＝0.5～1l1，l1為第一級輻射屏蔽板中的液氮管與第一級冷凝吸附板之間的距離；第三級輻射屏蔽板兩塊翅片為70度夾角，表面處理同第二級輻射屏蔽板，在前兩級吸附結(jié)構(gòu)的遮擋下，為提高第三級冷凝吸附板吸附氣體分子的幾率，將冷凝吸附板置于輻射屏蔽板的角平分線處，冷凝吸附板兩側(cè)均粘接活性炭。第二級輻射屏蔽板與第三級輻射屏蔽板之間的距離＝0.5～1l2，l2為第二級輻射屏蔽板中的液氮管與第二級冷凝吸附板之間的距離。

圖1給出三級吸附結(jié)構(gòu)示意圖，圖2給出各表面不同的表面處理工藝。三級吸附結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個吸附單元，多個吸附單元組成整個吸附陣列。通過蒙特卡洛方法和分析法計算表明，三級吸附結(jié)構(gòu)的流導相對人字形結(jié)構(gòu)有30～40％的提高，因此在有限的空間實現(xiàn)高抽速，同時根據(jù)真空基本方程，在滿足抽速的要求下，輻射屏蔽板流導增加，相應能減少冷凝吸附板面積，從而降低液氦的消耗量。

上述三級冷凝吸附板和三級輻射屏蔽板共同構(gòu)成一個吸附單元；

(2)每個吸附單元都是豎直裝配，其三級輻射屏蔽板的v形結(jié)構(gòu)頂角處液氮管在同一個平面上，該平面與水平面相互垂直；

多個吸附單元之間相互間隔，相鄰的兩個吸附單元之間間隔的距離為250mm，為氣體流動提供通路；所有的吸附單元構(gòu)成一個吸附陣列；

吸附單元和輻射屏蔽殼體豎直裝配，每個吸附單元的冷質(zhì)分管和冷質(zhì)總管采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冷質(zhì)下入上出，左進右出，每個吸附單元的冷質(zhì)的路徑相同； 確保所有管翅溫度均勻分布，經(jīng)沸騰換熱后的氣體易于從上端流出，并聯(lián)結(jié)構(gòu)也使得低溫泵降溫時間縮短。

(3)除三級輻射屏蔽板外，整個吸附陣列需要用77k的u形液氮輻射屏蔽殼體包圍。屏蔽殼體采用多組管翅并排拼接構(gòu)成，管翅翼長150mm，最大溫升為2k，并排時兩組翅片重疊率為10％，達到絕對光學密閉，如圖3所示。整個屏蔽殼體內(nèi)側(cè)黑化處理，吸收直接來自外界的輻射熱，外側(cè)則鍍鎳拋光處理，反射外界的熱輻射。

本發(fā)明的特點是：

1.三級吸附結(jié)構(gòu)提高了輻射屏蔽結(jié)構(gòu)的氣體流導，增加了單位面積的有效抽速，優(yōu)化了冷凝吸附板的面積，降低液氦的消耗量；

2.管翅結(jié)構(gòu)簡單，加工簡單，管翅翼展短，溫度梯度小，活性炭的使用使得吸附非可凝性氣體時對溫度的依耐性減小；

3.采用單元式結(jié)構(gòu)，各個吸附單元相互獨立，并排豎直裝配，占地小，方便匹配方形真空室和垂直吊裝；

4.冷質(zhì)分管和總管采用并聯(lián)連接，管翅溫度分布均勻，降溫時間快。