大型氦制冷低溫真空系統主要結構設計
大型氦制冷低溫真空系統的主要技術性能基本上可以由系統抽速、系統降溫時間和抽氣面積三項指標來表達。氦制冷系統的制冷功率對大型氦制冷低溫真空系統的主要技術性能的影響也是很大的。除此以外,低溫真空系統的材料、結構參數、表面性能、管路流動和傳熱性能等因素, 對大型低溫真空系統主要性能都有程度不同的影響。在實際進行大型低溫真空系統的設計時, 要求在給定氦制冷功率等其它條件下, 大型真空系統應具有最大的抽速、最短的降溫時間等。用現代優化設計語言來表述, 此工程優化設計問題為
在解決這個真空系統優化設計問題時, 遇到了復雜的真空抽氣理論和傳熱理論等問題。例如涉及到對抽速的計算時, 就要求解復雜的大型真空系統分子流狀態下的分子運動微分方程組。眾所周知, 這樣的方程組的求解, 本身就是一個復雜問題。當真空容器系統結構復雜時, 其求解難度更大。因此若采用常用的最優設計計算方法進行實際設計時,計算往往進行不下去。為此國內外對這樣的優化設計問題,
轉而以采用蒙特卡洛計算方法為主, 集中解決大型氦低溫真空系統的部分參數的最佳化設計問題, 以滿足工程建設的需要。這種采用蒙特卡洛計算方法進行最佳化設計的方法, 在大型空間環境試驗設備的大型氦制冷低溫真空系統設計、加速器高真空系統設計和其它高真空系統的設計中得到了應用, 取得了一定效果。但是過去在大型空間環境試驗設備的大型氦制冷低溫真空系統設計方面所作的工作, 由于在計算方法和計算模型等方面都存在一些缺陷, 無法直接用于實際設計, 因而這種優化設計理論的應用受到限制。在對大型空間環境試驗設備的大型氦制冷低溫真空系統設計研究中注意到了這些問題, 給我國新一代大型氦制冷低溫真空系統的設計, 提出了新的設計方法, 取得了較好的效果。 在真空系統主要結構設計中, 應主要考慮使設計滿足三項要求:
① 應使真空系統便于加工制造;
② 應使真空系統具有較大的抽速, 同時有少的熱負荷;
③ 真空系統的材料熱容應最小, 滿足降溫時間最短的要求。
在國內外大型低溫真空系統的設計中采用過多種結構形式, 其中較為常見的結構形式如圖1 所示。
圖1 國內外大型低溫真空系統常用結構示意圖
經實踐證明有些結構并不合理。主要的原因是沒有很好地處理解決在具有較大抽速的同時, 又要有較小的熱負荷和材料熱容這樣的相互制約的要求, 即沒有達到優化設計目的。特別是在以前的大型低溫真空系統的設計中, 較多地注意到前兩項要求,而忽略了第三項要求。結果使工作溫度低于20K 的低溫板的熱容較大, 使總體熱負荷較大。為了能夠使低溫板溫度及時降至20K以下, 就需要外部氦制冷回路提供較大的有效制冷功率。根據計算, 在消耗的總的制冷功率中, 約60%～70%是用于低溫板本身的降溫過程的。當外部氦制冷回路提供不了所需的有效制冷功率時, 將導致低溫板降不到所需工作溫度的情況出現, 使低溫泵無法發揮作用, 導致設計失敗。在國內外大型氦制冷低溫真空系統設計失敗的原因中, 主要就是氦制冷功率不夠和氦制冷工質泄漏兩個原因。而導致氦制冷功率不夠的主要原因就是低溫板材料和結構的選擇不當, 使低溫板的熱容較大, 氦制冷流程提供的制冷功率無法及時帶走熱負荷。在我們實際設計中, 選用了圖1(1)的斜板式結構和純鋁材料,可以較好地解決這個問題。
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