硅油介质循环高低温真空系统试验研究

王 飞 林 榕 曹亚文 韩先伟

(1 西安航天动力研究所 西安 710100)

(2 陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室 西安 710100)

1 引言

空间环境模拟试验系统是用来模拟空间环境的地面试验装置,通过真空泵和热沉实现舱内的真空和高低温,从而在舱内模拟空间环境。可用于考核舱内被测件在“空间环境条件”下的适应能力[1-5],开展需要在高低温真空环境下进行的材料处理和制备的试验(离子溅射镀膜、高纯半导体制备等)[6],在国民经济建设、国防现代化建设以及推动科技进步中具有极其重要的作用。

空间环境模拟试验系统一般要求抽气速度快、极限真空度高、高低温环境可控、可持续长期运行。目前国内的大型高低温真空环境模拟系统一般采用油扩散泵获得真空、采用加热笼和液氮制冷获得高低温。油扩散泵容易返油,污染真空舱。加热丝和液氮的使用增加了系统的使用难度、成本和危险性。鉴于上述原因,在设计RZHM-1500 高低温真空环境模拟试验系统时,进行了充分的调研和分析计算,综合考虑研制成本和使用安全性、便利性等因素,确定了硅油介质循环高低温真空系统的设计方案,选择分子泵机组,采用硅油作为导热介质,进行加热制冷。既降低了成本,又简化了操作。目前这套系统运行稳定,操作简单方便、使用过程中舱内清洁无油,出色地完成了多个型号部组件的环境可靠性考核试验。

针对该系统在长期使用中积累的经验和数据,就影响系统极限真空度和舱压下降速度的各种因素进行分析,总结了极限真空度、抽气速度、材料析气等关键参数相互影响关系。

2 RZHM-1500 环境模拟系统介绍

RZHM-1500 空间环境模拟试验系统的舱体采用卧式圆柱体结构,热沉为夹层式流道结构,材质均为304 不锈钢。容器尺寸为Ф1 500 mm × 2 500 mm(直筒段的内径和长度),热沉尺寸为Ф1 200 mm ×2 500 mm(内径和长度)。真空机组由4 套泵组并联,每套机组各配一台分子泵、罗茨泵和旋片泵,分子泵的前级泵为罗茨泵,罗茨泵的前级为旋片泵。热循环系统采用的是先进的“硅油介质闭环循环加热制冷模式”。利用循环泵使导热介质(硅油)在储油箱、管路、换热器、热沉中流动,串连在管路中的加热器和制冷机组对流经的硅油进行加热或冷凝,加热或冷凝后的硅油进入舱内热沉,实现热沉的升温或降温。热沉和舱内的设备通过辐射换热,获得被测件所需的高、低温条件。系统结构原理简图如图1 所示。

图1 RZHM-1500 试验系统Fig.1 RZHM-1500 experiment system

旋片泵、罗茨泵、复合分子泵真空机组,启动次序为先启动旋片泵,之后是罗茨泵,最后分子泵。旋片泵可在11 分钟内将舱内压力从常压抽至1 300 Pa,此时启动罗茨泵,约5 分钟后,舱压降至1 Pa,最后启动复合分子泵,1.5 小时之后真空度可达到1.0 ×10-3Pa。为了实现真空度可调的功能,舱体安装有质量流量计,通过调整质量流量计的进气速度,获得特定的舱压。

真空系统配备的高低温循环装置主要由制冷机、加热器、硅油循环管路和热沉组成,低温可至-60℃,高温可达到120 ℃,控温精度优于±2 ℃。制冷时,硅油通过板式换热器与制冷机组的冷媒R23 进行热量交换,硅油降温速度约1.8 ℃/min,达到低温设定值时,通过调整制冷机制冷速度实现换热量调整,热沉表面温差可控制在±2 ℃以内。加热时,由加热器中的加热丝对硅油直接进行加热,硅油升温速度约2 ℃/min。当硅油温度接近设定温度时,通过调整加热器功率进行换热量调节,使硅油温度围绕设定温度波动,加热器换热精度较制冷机高,热沉表面温差一般可以控制在±1.3 ℃以内。

3 RZHM-1500 环境模拟系统主要参数指标

3.1 极限真空度

极限真空度是指真空系统能够达到的最高真空度,它是真空系统的一个重要指标参数。在真空机组连续长时间工作,舱内无明显可长期析气材料的条件下,真空度可以达到的最优值。常温常压环境下,本真空环境模拟系统舱压实测最低值为8.0 ×10-4Pa,满足极限真空度设计要求1.0 ×10-3Pa。

3.2 系统漏率

真空系统漏率指的是相对负压密封空间进入气体的速率。在常温常压环境下,将长期处于真空状态的真空舱的舱内压力抽至0.01 Pa 以下,关闭主阀和舱压调节阀(微调阀),检测一定时间后舱压因泄漏导致的变化。由于主阀(插板阀)关闭过程中,存在抽气管路气体回流和阀体出气的情况,所以插板阀彻底关闭时舱内压力要高于关阀前(当阀门彻底切断抽气管路后,真空计显示0.10 Pa),间隔14 小时后,系统真空计显示4.6 Pa。真空舱内容积约5 m3。系统漏率计算如下:

式中:L为漏率,Pa·L/s;V为舱的容积,m3;ΔP为压差,Pa;ΔT为时间,s。

3.3 真空泵抽气速度及舱压曲线

该系统主泵配备复合分子泵,前级为旋片泵和罗茨泵。旋片泵、罗茨泵、复合分子泵各自的总名义抽速分别为80 L/s、280 L/s、6 400 L/s。由于管道和阀门的流阻,以及材料析出气体和系统泄漏的影响,真空泵组的实际抽速计算值远低于名义抽速。

旋片泵工作11 分钟可以将舱内压力降至1.3 ×103Pa(罗茨泵启动压力上限),之后罗茨泵启动,工作5 分钟将舱内压力降低至1 Pa,最后启动分子泵,分子泵在额定转速情况下工作5 分钟,舱内真空度可以达到1.0 ×10-2Pa。

如果不考虑漏气和材料析气的影响,实际抽速的计算公式为:

式中:S为抽气速度,L/s;V为真空舱容积,L;t为抽气时间,s;P0为起始压强,Pa;P为真空泵运行t秒之后的压强,Pa。

由式(2)可得旋片泵抽气速度为:

同理可得罗茨泵和分子泵的实际抽速分别为S罗茨泵≈120 L/s,S分子泵≈77 L/s。

分子泵的实际抽气速度计算值之所以远小于名义抽气速度,应该是由于真空舱内壁面和热沉壁面材料析气所致。常压至高真空的舱压曲线如图2所示。真空泵组在半小时以内可以将舱内压力迅速降 至1.0 × 10-2Pa 左 右,从1.0 × 10-2Pa 至1.0 ×10-3Pa 需要约1 小时。图2 中1 Pa 时压力曲线有明显的拐点,这是由于电阻真空计向电离真空计切换所致。

图2 常压至高真空的舱压曲线Fig.2 Cabin pressure curve from atmospheric pressure to high vacuum

3.4 热沉温度范围及升降温速度

热沉高温上限为120 ℃,低温下限为-60 ℃。升温速度约2 ℃/min,降温速度约1.8 ℃/min。图3显示的是一个升降温周期的曲线,首先从常温降低至-60 ℃并保持稳定,在低温状态保持稳定一段时间后,升温至120 ℃并保持稳定一段时间,最后降温至常温。热沉升降温曲线显示,调温过程中,热沉温度随时间线性上升和下降;恒温段有较好的控温精度,在高温段120 ℃时,温度范围为120 ℃±1.3 ℃,常温段25 ℃时,温度范围为25 ℃± 1.1 ℃,低温段-60 ℃时,温度范围为-60 ℃±2.0 ℃。

图3 热沉一个高低温周期过程的温度曲线Fig.3 Temperature curve of heat sink during a period of high and low temperature

4 舱内材料析气和热沉温度对真空度的影响

长期从事真空环境模拟试验过程中,发现极限真空度和舱压曲线会受到一些因素的影响,如:舱内部在大气环境下暴露的时长、舱内安装的试验设备(材料析气)、热沉的温度。为了避免这类因素对真空环境试验造成影响,提高试验的可靠性,需要对这些因素的影响规律进行准确的评估。为此,进行了以下试验:(1)舱内部在大气环境下暴露的时间对真空系统舱压曲线的影响;(2)浸漆电感线圈对真空系统舱压曲线的影响;(3)舱内热沉温度对真空度的影响。

4.1 舱内部暴露在大气环境下的时长对舱压曲线的影响

真空舱内部暴露在大气环境下,舱内壁面和热沉会吸附一定量的空气,当抽真空时,这部分气体会逐渐析出,导致达到极限真空所需的时间增加。真空舱内部表面及热沉暴露在大气环境中5 分钟、10 小时和20 小时后,舱压从常压至极限真空的压力曲线如图4 所示。

图4 不同暴露大气时间的舱压曲线Fig.4 Cabin pressure curves for different atmosphere exposure times

从图4 中可以明显看出,在大气环境中长时间暴露,将大大延长达到系统极限真空需要的时间。当真空度接近0.1 Pa 时,舱内壁面及热沉表面析出的气体开始明显降低压力曲线的下降速度。为了缩短抽气时间,快速达到高真空状态,真空舱内部应尽量避免暴露在大气环境中。

4.2 舱内浸漆电磁线圈对舱压曲线的影响

浸漆电磁线圈属于吸气和析气量大的物件,舱内的浸漆电磁线圈在舱处于真空环境时,会逐渐析出气体,导致舱内真空环境达不到理想的真空度。为了测试浸漆电磁线圈对舱压曲线的影响,在舱内安置两个经过浸漆处理的电磁线圈,线圈支架为不锈钢材质。两线圈的主要设计参数如表1 所示。

表1 电磁线圈的设计参数Table 1 Design parameters of electromagnetic coils

舱内放置浸漆电磁线圈对舱压曲线的影响见图5。电磁线圈在舱压为0.1 Pa 左右时,析气已经造成舱压曲线偏离。从舱压曲线看,线圈属于慢析气设备,舱内压力长时间处于1.0 ×10-2Pa 的量级。如果实验设备中有类似电磁线圈的析气设备,不仅需要真空机满负荷长时间运行,而且会导致真空舱的真空度长时间达不到实验要求,影响实验进度。

图5 舱内浸漆电磁线圈及其对压力曲线的影响Fig.5 Electromagnetic coils impregnated with varnish and it’s influence on pressure curve

为了防止线圈析气导致真空度长时间达不到实验要求的情况发生(一般空间环境考核要求舱压低于6.65 ×10-3Pa),在实验过程中总结了两个有效的线圈除气措施:(1)对于线圈首次放入真空舱的情况,采用给线圈通电加热的办法提升线圈析气速度,将线圈吸附的气体快速析出;(2)提前将线圈放入舱内并启动真空机组,将舱内压力抽至0.1 Pa 左右关闭真空机组,之后将线圈长期置于真空状态,做长时间析气处理。

4.3 热沉温度对真空度影响

在舱内真空度保持基本稳定的情况下,如果启动高低温循环机组,热沉温度会对真空度产生明显影响。如果舱内安装了其它设备,这种影响会更大,并且物件越多,影响越大。图6 为某产品进行真空高低温考核试验时的热沉温度和舱压曲线。此时真空机组长时间运行,舱压达到1 ×10-3Pa 之后,启动高低温循环机组,舱内压强随热沉温度升降而增减。真空度在第一个高温阶段出现的突变情况是由于舱内产品作动导致产品析出一定气体所致。

图6 热沉温度对真空度的影响Fig.6 Influence of temperature of heat sink on vacuum degree

温度是分子运动速度的宏观表现,当温度升高时,分子运动加剧,分子间碰撞几率提高;反之,温度下降,分子间碰撞几率降低。所以舱内气压会随温度上升而增加,下降而减小。另一方面,当温度上升,吸附在材料表面的气体分子更容易脱离材料表面,从而导致舱内气体增多,提高舱内气压。随着抽气时间的增长,材料表面的气体越来越少,析气量逐渐减小,温度对真空度的影响也越来越小。

5 结论

介绍了RZHM-1500 硅油循环高低温真空试验系统的主要参数和实际试验情况,从试验数据可以得出以下结论:

(1)在高真空阶段,由于材料表面析气,以及微漏的发生,导致系统达到极限真空度的时间要远大于理论计算时间,常压至极限真空的总抽气时长约100分钟,其中高真空段的分子泵运行时间约70 分钟。如需缩短抽气时间(试验准备时间),关键需要提高分子泵抽气速度,缩短分子泵所需运行时间。

(2)舱内部暴露环境大气时间、舱内热沉温度、舱内设备材料析气情况会影响极限真空度和抽气时间。减少在大气环境下暴露时间、降低舱内温度、减少舱内析气设备可以明显改善极限真空度,缩短抽气时间。

(3)真空舱进入高真空环境的初期阶段,舱内温度变化对真空度影响较大,随着时间的增长,舱内温度变化对真空度的影响趋缓。