硅油介質(zhì)循環(huán)高低溫真空系統(tǒng)試驗(yàn)研究

王 飛 林 榕 曹亞文 韓先偉

(1 西安航天動(dòng)力研究所 西安 710100)

(2 陜西省等離子體物理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710100)

1 引言

空間環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是用來(lái)模擬空間環(huán)境的地面試驗(yàn)裝置,通過(guò)真空泵和熱沉實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)的真空和高低溫,從而在艙內(nèi)模擬空間環(huán)境?？捎糜诳己伺搩?nèi)被測(cè)件在“空間環(huán)境條件”下的適應(yīng)能力[1-5],開(kāi)展需要在高低溫真空環(huán)境下進(jìn)行的材料處理和制備的試驗(yàn)(離子濺射鍍膜、高純半導(dǎo)體制備等)[6],在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)以及推動(dòng)科技進(jìn)步中具有極其重要的作用。

空間環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)一般要求抽氣速度快、極限真空度高、高低溫環(huán)境可控、可持續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)的大型高低溫真空環(huán)境模擬系統(tǒng)一般采用油擴(kuò)散泵獲得真空、采用加熱籠和液氮制冷獲得高低溫。油擴(kuò)散泵容易返油,污染真空艙。加熱絲和液氮的使用增加了系統(tǒng)的使用難度、成本和危險(xiǎn)性。鑒于上述原因,在設(shè)計(jì)RZHM-1500 高低溫真空環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí),進(jìn)行了充分的調(diào)研和分析計(jì)算,綜合考慮研制成本和使用安全性、便利性等因素,確定了硅油介質(zhì)循環(huán)高低溫真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,選擇分子泵機(jī)組,采用硅油作為導(dǎo)熱介質(zhì),進(jìn)行加熱制冷。既降低了成本,又簡(jiǎn)化了操作。目前這套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)單方便、使用過(guò)程中艙內(nèi)清潔無(wú)油,出色地完成了多個(gè)型號(hào)部組件的環(huán)境可靠性考核試驗(yàn)。

針對(duì)該系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用中積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),就影響系統(tǒng)極限真空度和艙壓下降速度的各種因素進(jìn)行分析,總結(jié)了極限真空度、抽氣速度、材料析氣等關(guān)鍵參數(shù)相互影響關(guān)系。

2 RZHM-1500 環(huán)境模擬系統(tǒng)介紹

RZHM-1500 空間環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的艙體采用臥式圓柱體結(jié)構(gòu),熱沉為夾層式流道結(jié)構(gòu),材質(zhì)均為304 不銹鋼。容器尺寸為Ф1 500 mm × 2 500 mm(直筒段的內(nèi)徑和長(zhǎng)度),熱沉尺寸為Ф1 200 mm ×2 500 mm(內(nèi)徑和長(zhǎng)度)。真空機(jī)組由4 套泵組并聯(lián),每套機(jī)組各配一臺(tái)分子泵、羅茨泵和旋片泵,分子泵的前級(jí)泵為羅茨泵,羅茨泵的前級(jí)為旋片泵。熱循環(huán)系統(tǒng)采用的是先進(jìn)的“硅油介質(zhì)閉環(huán)循環(huán)加熱制冷模式”。利用循環(huán)泵使導(dǎo)熱介質(zhì)(硅油)在儲(chǔ)油箱、管路、換熱器、熱沉中流動(dòng),串連在管路中的加熱器和制冷機(jī)組對(duì)流經(jīng)的硅油進(jìn)行加熱或冷凝,加熱或冷凝后的硅油進(jìn)入艙內(nèi)熱沉,實(shí)現(xiàn)熱沉的升溫或降溫。熱沉和艙內(nèi)的設(shè)備通過(guò)輻射換熱,獲得被測(cè)件所需的高、低溫條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 RZHM-1500 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 RZHM-1500 experiment system

旋片泵、羅茨泵、復(fù)合分子泵真空機(jī)組,啟動(dòng)次序?yàn)橄葐?dòng)旋片泵,之后是羅茨泵,最后分子泵。旋片泵可在11 分鐘內(nèi)將艙內(nèi)壓力從常壓抽至1 300 Pa,此時(shí)啟動(dòng)羅茨泵,約5 分鐘后,艙壓降至1 Pa,最后啟動(dòng)復(fù)合分子泵,1.5 小時(shí)之后真空度可達(dá)到1.0 ×10-3Pa。為了實(shí)現(xiàn)真空度可調(diào)的功能,艙體安裝有質(zhì)量流量計(jì),通過(guò)調(diào)整質(zhì)量流量計(jì)的進(jìn)氣速度,獲得特定的艙壓。

真空系統(tǒng)配備的高低溫循環(huán)裝置主要由制冷機(jī)、加熱器、硅油循環(huán)管路和熱沉組成,低溫可至-60℃,高溫可達(dá)到120 ℃,控溫精度優(yōu)于±2 ℃。制冷時(shí),硅油通過(guò)板式換熱器與制冷機(jī)組的冷媒R23 進(jìn)行熱量交換,硅油降溫速度約1.8 ℃/min,達(dá)到低溫設(shè)定值時(shí),通過(guò)調(diào)整制冷機(jī)制冷速度實(shí)現(xiàn)換熱量調(diào)整,熱沉表面溫差可控制在±2 ℃以內(nèi)。加熱時(shí),由加熱器中的加熱絲對(duì)硅油直接進(jìn)行加熱,硅油升溫速度約2 ℃/min。當(dāng)硅油溫度接近設(shè)定溫度時(shí),通過(guò)調(diào)整加熱器功率進(jìn)行換熱量調(diào)節(jié),使硅油溫度圍繞設(shè)定溫度波動(dòng),加熱器換熱精度較制冷機(jī)高,熱沉表面溫差一般可以控制在±1.3 ℃以內(nèi)。

3 RZHM-1500 環(huán)境模擬系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)

3.1 極限真空度

極限真空度是指真空系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高真空度,它是真空系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。在真空機(jī)組連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作,艙內(nèi)無(wú)明顯可長(zhǎng)期析氣材料的條件下,真空度可以達(dá)到的最優(yōu)值。常溫常壓環(huán)境下,本真空環(huán)境模擬系統(tǒng)艙壓實(shí)測(cè)最低值為8.0 ×10-4Pa,滿足極限真空度設(shè)計(jì)要求1.0 ×10-3Pa。

3.2 系統(tǒng)漏率

真空系統(tǒng)漏率指的是相對(duì)負(fù)壓密封空間進(jìn)入氣體的速率。在常溫常壓環(huán)境下,將長(zhǎng)期處于真空狀態(tài)的真空艙的艙內(nèi)壓力抽至0.01 Pa 以下,關(guān)閉主閥和艙壓調(diào)節(jié)閥(微調(diào)閥),檢測(cè)一定時(shí)間后艙壓因泄漏導(dǎo)致的變化。由于主閥(插板閥)關(guān)閉過(guò)程中,存在抽氣管路氣體回流和閥體出氣的情況,所以插板閥徹底關(guān)閉時(shí)艙內(nèi)壓力要高于關(guān)閥前(當(dāng)閥門徹底切斷抽氣管路后,真空計(jì)顯示0.10 Pa),間隔14 小時(shí)后,系統(tǒng)真空計(jì)顯示4.6 Pa。真空艙內(nèi)容積約5 m3。系統(tǒng)漏率計(jì)算如下:

式中:L為漏率,Pa·L/s;V為艙的容積,m3;ΔP為壓差,Pa;ΔT為時(shí)間,s。

3.3 真空泵抽氣速度及艙壓曲線

該系統(tǒng)主泵配備復(fù)合分子泵,前級(jí)為旋片泵和羅茨泵。旋片泵、羅茨泵、復(fù)合分子泵各自的總名義抽速分別為80 L/s、280 L/s、6 400 L/s。由于管道和閥門的流阻,以及材料析出氣體和系統(tǒng)泄漏的影響,真空泵組的實(shí)際抽速計(jì)算值遠(yuǎn)低于名義抽速。

旋片泵工作11 分鐘可以將艙內(nèi)壓力降至1.3 ×103Pa(羅茨泵啟動(dòng)壓力上限),之后羅茨泵啟動(dòng),工作5 分鐘將艙內(nèi)壓力降低至1 Pa,最后啟動(dòng)分子泵,分子泵在額定轉(zhuǎn)速情況下工作5 分鐘,艙內(nèi)真空度可以達(dá)到1.0 ×10-2Pa。

如果不考慮漏氣和材料析氣的影響,實(shí)際抽速的計(jì)算公式為:

式中:S為抽氣速度,L/s;V為真空艙容積,L;t為抽氣時(shí)間,s;P0為起始?jí)簭?qiáng),Pa;P為真空泵運(yùn)行t秒之后的壓強(qiáng),Pa。

由式(2)可得旋片泵抽氣速度為:

同理可得羅茨泵和分子泵的實(shí)際抽速分別為S羅茨泵≈120 L/s,S分子泵≈77 L/s。

分子泵的實(shí)際抽氣速度計(jì)算值之所以遠(yuǎn)小于名義抽氣速度,應(yīng)該是由于真空艙內(nèi)壁面和熱沉壁面材料析氣所致。常壓至高真空的艙壓曲線如圖2所示。真空泵組在半小時(shí)以內(nèi)可以將艙內(nèi)壓力迅速降 至1.0 × 10-2Pa 左 右,從1.0 × 10-2Pa 至1.0 ×10-3Pa 需要約1 小時(shí)。圖2 中1 Pa 時(shí)壓力曲線有明顯的拐點(diǎn),這是由于電阻真空計(jì)向電離真空計(jì)切換所致。

圖2 常壓至高真空的艙壓曲線Fig.2 Cabin pressure curve from atmospheric pressure to high vacuum

3.4 熱沉溫度范圍及升降溫速度

熱沉高溫上限為120 ℃,低溫下限為-60 ℃。升溫速度約2 ℃/min,降溫速度約1.8 ℃/min。圖3顯示的是一個(gè)升降溫周期的曲線,首先從常溫降低至-60 ℃并保持穩(wěn)定,在低溫狀態(tài)保持穩(wěn)定一段時(shí)間后,升溫至120 ℃并保持穩(wěn)定一段時(shí)間,最后降溫至常溫。熱沉升降溫曲線顯示,調(diào)溫過(guò)程中,熱沉溫度隨時(shí)間線性上升和下降;恒溫段有較好的控溫精度,在高溫段120 ℃時(shí),溫度范圍為120 ℃±1.3 ℃,常溫段25 ℃時(shí),溫度范圍為25 ℃± 1.1 ℃,低溫段-60 ℃時(shí),溫度范圍為-60 ℃±2.0 ℃。

圖3 熱沉一個(gè)高低溫周期過(guò)程的溫度曲線Fig.3 Temperature curve of heat sink during a period of high and low temperature

4 艙內(nèi)材料析氣和熱沉溫度對(duì)真空度的影響

長(zhǎng)期從事真空環(huán)境模擬試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)極限真空度和艙壓曲線會(huì)受到一些因素的影響,如:艙內(nèi)部在大氣環(huán)境下暴露的時(shí)長(zhǎng)、艙內(nèi)安裝的試驗(yàn)設(shè)備(材料析氣)、熱沉的溫度。為了避免這類因素對(duì)真空環(huán)境試驗(yàn)造成影響,提高試驗(yàn)的可靠性,需要對(duì)這些因素的影響規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。為此,進(jìn)行了以下試驗(yàn):(1)艙內(nèi)部在大氣環(huán)境下暴露的時(shí)間對(duì)真空系統(tǒng)艙壓曲線的影響;(2)浸漆電感線圈對(duì)真空系統(tǒng)艙壓曲線的影響;(3)艙內(nèi)熱沉溫度對(duì)真空度的影響。

4.1 艙內(nèi)部暴露在大氣環(huán)境下的時(shí)長(zhǎng)對(duì)艙壓曲線的影響

真空艙內(nèi)部暴露在大氣環(huán)境下,艙內(nèi)壁面和熱沉?xí)揭欢康目諝?當(dāng)抽真空時(shí),這部分氣體會(huì)逐漸析出,導(dǎo)致達(dá)到極限真空所需的時(shí)間增加。真空艙內(nèi)部表面及熱沉暴露在大氣環(huán)境中5 分鐘、10 小時(shí)和20 小時(shí)后,艙壓從常壓至極限真空的壓力曲線如圖4 所示。

圖4 不同暴露大氣時(shí)間的艙壓曲線Fig.4 Cabin pressure curves for different atmosphere exposure times

從圖4 中可以明顯看出,在大氣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間暴露,將大大延長(zhǎng)達(dá)到系統(tǒng)極限真空需要的時(shí)間。當(dāng)真空度接近0.1 Pa 時(shí),艙內(nèi)壁面及熱沉表面析出的氣體開(kāi)始明顯降低壓力曲線的下降速度。為了縮短抽氣時(shí)間,快速達(dá)到高真空狀態(tài),真空艙內(nèi)部應(yīng)盡量避免暴露在大氣環(huán)境中。

4.2 艙內(nèi)浸漆電磁線圈對(duì)艙壓曲線的影響

浸漆電磁線圈屬于吸氣和析氣量大的物件,艙內(nèi)的浸漆電磁線圈在艙處于真空環(huán)境時(shí),會(huì)逐漸析出氣體,導(dǎo)致艙內(nèi)真空環(huán)境達(dá)不到理想的真空度。為了測(cè)試浸漆電磁線圈對(duì)艙壓曲線的影響,在艙內(nèi)安置兩個(gè)經(jīng)過(guò)浸漆處理的電磁線圈,線圈支架為不銹鋼材質(zhì)。兩線圈的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 電磁線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of electromagnetic coils

艙內(nèi)放置浸漆電磁線圈對(duì)艙壓曲線的影響見(jiàn)圖5。電磁線圈在艙壓為0.1 Pa 左右時(shí),析氣已經(jīng)造成艙壓曲線偏離。從艙壓曲線看,線圈屬于慢析氣設(shè)備,艙內(nèi)壓力長(zhǎng)時(shí)間處于1.0 ×10-2Pa 的量級(jí)。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備中有類似電磁線圈的析氣設(shè)備,不僅需要真空機(jī)滿負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,而且會(huì)導(dǎo)致真空艙的真空度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求,影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

圖5 艙內(nèi)浸漆電磁線圈及其對(duì)壓力曲線的影響Fig.5 Electromagnetic coils impregnated with varnish and it’s influence on pressure curve

為了防止線圈析氣導(dǎo)致真空度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求的情況發(fā)生(一般空間環(huán)境考核要求艙壓低于6.65 ×10-3Pa),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總結(jié)了兩個(gè)有效的線圈除氣措施:(1)對(duì)于線圈首次放入真空艙的情況,采用給線圈通電加熱的辦法提升線圈析氣速度,將線圈吸附的氣體快速析出;(2)提前將線圈放入艙內(nèi)并啟動(dòng)真空機(jī)組,將艙內(nèi)壓力抽至0.1 Pa 左右關(guān)閉真空機(jī)組,之后將線圈長(zhǎng)期置于真空狀態(tài),做長(zhǎng)時(shí)間析氣處理。

4.3 熱沉溫度對(duì)真空度影響

在艙內(nèi)真空度保持基本穩(wěn)定的情況下,如果啟動(dòng)高低溫循環(huán)機(jī)組,熱沉溫度會(huì)對(duì)真空度產(chǎn)生明顯影響。如果艙內(nèi)安裝了其它設(shè)備,這種影響會(huì)更大,并且物件越多,影響越大。圖6 為某產(chǎn)品進(jìn)行真空高低溫考核試驗(yàn)時(shí)的熱沉溫度和艙壓曲線。此時(shí)真空機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,艙壓達(dá)到1 ×10-3Pa 之后,啟動(dòng)高低溫循環(huán)機(jī)組,艙內(nèi)壓強(qiáng)隨熱沉溫度升降而增減。真空度在第一個(gè)高溫階段出現(xiàn)的突變情況是由于艙內(nèi)產(chǎn)品作動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品析出一定氣體所致。

圖6 熱沉溫度對(duì)真空度的影響Fig.6 Influence of temperature of heat sink on vacuum degree

溫度是分子運(yùn)動(dòng)速度的宏觀表現(xiàn),當(dāng)溫度升高時(shí),分子運(yùn)動(dòng)加劇,分子間碰撞幾率提高;反之,溫度下降,分子間碰撞幾率降低。所以艙內(nèi)氣壓會(huì)隨溫度上升而增加,下降而減小。另一方面,當(dāng)溫度上升,吸附在材料表面的氣體分子更容易脫離材料表面,從而導(dǎo)致艙內(nèi)氣體增多,提高艙內(nèi)氣壓。隨著抽氣時(shí)間的增長(zhǎng),材料表面的氣體越來(lái)越少,析氣量逐漸減小,溫度對(duì)真空度的影響也越來(lái)越小。

5 結(jié)論

介紹了RZHM-1500 硅油循環(huán)高低溫真空試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)和實(shí)際試驗(yàn)情況,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

(1)在高真空階段,由于材料表面析氣,以及微漏的發(fā)生,導(dǎo)致系統(tǒng)達(dá)到極限真空度的時(shí)間要遠(yuǎn)大于理論計(jì)算時(shí)間,常壓至極限真空的總抽氣時(shí)長(zhǎng)約100分鐘,其中高真空段的分子泵運(yùn)行時(shí)間約70 分鐘。如需縮短抽氣時(shí)間(試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間),關(guān)鍵需要提高分子泵抽氣速度,縮短分子泵所需運(yùn)行時(shí)間。

(2)艙內(nèi)部暴露環(huán)境大氣時(shí)間、艙內(nèi)熱沉溫度、艙內(nèi)設(shè)備材料析氣情況會(huì)影響極限真空度和抽氣時(shí)間。減少在大氣環(huán)境下暴露時(shí)間、降低艙內(nèi)溫度、減少艙內(nèi)析氣設(shè)備可以明顯改善極限真空度,縮短抽氣時(shí)間。

(3)真空艙進(jìn)入高真空環(huán)境的初期階段,艙內(nèi)溫度變化對(duì)真空度影響較大,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),艙內(nèi)溫度變化對(duì)真空度的影響趨緩。