低溫容器抽氣時(shí)存在的主要問題
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2014-07-09 閱讀
多層絕熱的液氦容器和液氮生物容器的典型結(jié)構(gòu)是由內(nèi)膽、外殼、支撐部分、多層絕熱層、低溫吸附劑和抽氣嘴組成，如圖15-22所示。
容器的抽氣是通過抽氣嘴與抽氣管道和機(jī)械泵、擴(kuò)散泵組成的高真空抽氣機(jī)組連接后進(jìn)行的。
抽氣的主要目的是：s*先將容器夾層空間的氣體抽出，然后將容器內(nèi)的材料放氣量降低到允許的范圍，并促使吸附劑活化，以保證低溫容器在5年-10年壽命期間始終具有良好的真空絕熱性能。
低溫客器抽氣困難是由于存在下面一些特殊問題造成的：
①氣體負(fù)荷大。抽氣時(shí)，容器內(nèi)的氣體負(fù)荷來源于容器壁、支撐、絕熱材料和吸附劑的放氣，以及容器的漏氣。當(dāng)漏氣量被限制在允許范圍時(shí)，氣體負(fù)荷主要來源于絕熱材料的放氣，其次是吸附劑脫附的氣體。絕熱材料一般都要包扎數(shù)十層，每層又都是雙面放氣，實(shí)際放氣面積比容器壁面積大數(shù)十倍，甚至上百倍，再加上有些絕熱材料如玻璃纖維布和鍍鋁滌綸薄膜的放氣率高，造成很大的放氣量。而常用的吸附劑(分子篩、活性炭、硅膠等)又都是多孔性材料，具有巨大的比表面積(800m2/g左右)，在常溫常壓下具有一定的吸氣性能，裝配過程中不可避免地要吸附大量的水蒸氣等氣體，而在抽氣時(shí)重新脫附。因此低溫容器內(nèi)的氣體負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同容積的一般動(dòng)態(tài)高真空設(shè)備的氣體負(fù)荷。
②流導(dǎo)小。低溫容器的流導(dǎo)受限于絕熱層間隙和抽氣嘴的流導(dǎo)。在包扎幾十層絕熱材料的絕熱層中，層與層間距離近，形成的環(huán)形窄縫又特別長(zhǎng)，其流導(dǎo)極小。而容器抽氣嘴在抽氣后，需要進(jìn)行封口。為了封口方便，密封可靠，其直徑就不宜做得太大，因而流導(dǎo)也就較小。
?、鄢龤鉁囟鹊汀５蜏厝萜髦?，某些常用的絕熱材料（如鍍鋁滌綸薄膜和尼龍網(wǎng)）、支撐用的隔熱材料（如環(huán)氧玻璃鋼和塑料）及密封材料（如真空橡皮），所允許的工作溫度一般在80℃～150℃，致使容器在抽氣中的除氣溫度不可能再升高。
?、茉试S放氣量小。低溫容器是一個(gè)需要長(zhǎng)期維持靜態(tài)真空的真空容器。允許的放氣量是根據(jù)容器的大小和壽命的長(zhǎng)短及使用吸附劑的吸氣性能來確定的。在單獨(dú)使用低溫吸附劑的情況下，通常要求的允許放氣率為10 -2Pa.L/s—l0 -7Pa. L/s。它相當(dāng)于相同容積的動(dòng)態(tài)超高寞空系統(tǒng)的允許放氣量。
⑤抽氣時(shí)加熱效率低。多層絕熱在真空狀態(tài)下具有良好的絕熱性能。如果在抽氣過程中對(duì)容器進(jìn)行加熱除氣，會(huì)導(dǎo)致絕熱材料和吸附劑升溫困難，溫度分布不均勻，而造成加熱效率很低。
?、匏魵獠灰壮槌觥２牧戏艢鈺r(shí)，s*先放出表面吸附的氣體。這些氣體和吸附劑脫附的氣體主要成分都是水蒸氣。水蒸氣的吸附熱高(>105kj/mol)，碰撞在材料表面上的平均滯留時(shí)間長(zhǎng)，不容易脫附。這部分水蒸氣不僅數(shù)量大，而且又被包在流導(dǎo)極小的絕熱層內(nèi)，抽除這些氣體要比一般真空設(shè)備抽氣困難得多。這也是低溫容器抽氣時(shí)間過長(zhǎng)的一個(gè)特殊問題。
?、呶絼┰倩罨щy。吸附劑在裝入低溫容器前，一般要經(jīng)過加熱干燥處理或低真空加熱干燥處理使之初步活化。在裝入容器時(shí)，要經(jīng)過多層絕熱層的包扎、組裝、組焊等工序，則不可避免地要暴露在空氣中，又易吸附水蒸氣。因此抽氣時(shí)，必須使吸附劑重新活化。但再活化時(shí)因受除氣溫度低的限制而達(dá)不到所需要的活化溫度（如分子篩活化溫度為400℃左右、活性炭為250℃左右），以及脫附的水蒸氣不易被抽出，致使再活化不充分。
⑧存在油蒸氣返流的影響。凡是采用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽氣的真空系統(tǒng)，都存在著油蒸氣的返流污染。一般無(wú)檔油裝置的擴(kuò)散泵其返流率約10-2 mg/( cm2．rrun)～10 -3mg/( cm2．min)。增加水冷帽、水冷擋板等擋油措施后，返油率可降低100倍～1000倍。低溫容器的空間容積大，材料表面積多，從抽空到15Pa開始直到抽氣結(jié)束，始終存在著從抽氣機(jī)組流向容器的定向油蒸氣流。這時(shí)容器猶如一種選擇性的捕集油蒸氣的泵。容器內(nèi)的返流量與機(jī)組的返油率、抽氣管道的流導(dǎo)及抽氣時(shí)間而成正比。因國(guó)產(chǎn)抽氣機(jī)組返油率高，對(duì)低溫容器的抽氣時(shí)間越長(zhǎng)返流量越大。返流的油蒸氣與吸附劑的親合力較強(qiáng)（容易被吸附），而且在吸附較多的油蒸氣分子后，影響對(duì)氫、氮等氣體的吸附，使其吸氣性能下降，容器的真空壽命縮短。另外，油蒸氣會(huì)污染反射屏，嚴(yán)重時(shí)影響屏的發(fā)射率，而使容器的絕熱性能降低。因此，低溫容器抽氣時(shí)必須考慮油蒸氣返流的影響。
顯然，上述問題造成低溫容器抽氣非常困難，成為真空獲得領(lǐng)域中當(dāng)抽氣時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)的特殊排氣問題。
還應(yīng)指出，在低溫容器抽氣時(shí)，存在一種特殊的滲透抽氣現(xiàn)象。絕熱層內(nèi)的材料放氣量大，而流導(dǎo)極小，造成絕熱層內(nèi)與夾層空間有大的壓差。在這個(gè)壓差作用下，氣體分子在反射層之間產(chǎn)生擴(kuò)散滲透現(xiàn)象。由于屏厚度很薄(6ran—25t.an)．表面積又大，在升高溫度時(shí)，可增強(qiáng)滲透作用，使絕熱層內(nèi)的部分氣體能夠擴(kuò)散滲透到達(dá)夾層空間而被泵抽走。這種滲透抽氣現(xiàn)象有利于低溫容器的抽氣。另外，絕熱層材料厚度薄，所含的容積及氣體數(shù)量相對(duì)較少，也有利于低溫容器的抽氣。
容器的抽氣是通過抽氣嘴與抽氣管道和機(jī)械泵、擴(kuò)散泵組成的高真空抽氣機(jī)組連接后進(jìn)行的。
抽氣的主要目的是：s*先將容器夾層空間的氣體抽出，然后將容器內(nèi)的材料放氣量降低到允許的范圍，并促使吸附劑活化，以保證低溫容器在5年-10年壽命期間始終具有良好的真空絕熱性能。
低溫客器抽氣困難是由于存在下面一些特殊問題造成的：
①氣體負(fù)荷大。抽氣時(shí)，容器內(nèi)的氣體負(fù)荷來源于容器壁、支撐、絕熱材料和吸附劑的放氣，以及容器的漏氣。當(dāng)漏氣量被限制在允許范圍時(shí)，氣體負(fù)荷主要來源于絕熱材料的放氣，其次是吸附劑脫附的氣體。絕熱材料一般都要包扎數(shù)十層，每層又都是雙面放氣，實(shí)際放氣面積比容器壁面積大數(shù)十倍，甚至上百倍，再加上有些絕熱材料如玻璃纖維布和鍍鋁滌綸薄膜的放氣率高，造成很大的放氣量。而常用的吸附劑(分子篩、活性炭、硅膠等)又都是多孔性材料，具有巨大的比表面積(800m2/g左右)，在常溫常壓下具有一定的吸氣性能，裝配過程中不可避免地要吸附大量的水蒸氣等氣體，而在抽氣時(shí)重新脫附。因此低溫容器內(nèi)的氣體負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同容積的一般動(dòng)態(tài)高真空設(shè)備的氣體負(fù)荷。
②流導(dǎo)小。低溫容器的流導(dǎo)受限于絕熱層間隙和抽氣嘴的流導(dǎo)。在包扎幾十層絕熱材料的絕熱層中，層與層間距離近，形成的環(huán)形窄縫又特別長(zhǎng)，其流導(dǎo)極小。而容器抽氣嘴在抽氣后，需要進(jìn)行封口。為了封口方便，密封可靠，其直徑就不宜做得太大，因而流導(dǎo)也就較小。
?、鄢龤鉁囟鹊汀５蜏厝萜髦?，某些常用的絕熱材料（如鍍鋁滌綸薄膜和尼龍網(wǎng)）、支撐用的隔熱材料（如環(huán)氧玻璃鋼和塑料）及密封材料（如真空橡皮），所允許的工作溫度一般在80℃～150℃，致使容器在抽氣中的除氣溫度不可能再升高。
?、茉试S放氣量小。低溫容器是一個(gè)需要長(zhǎng)期維持靜態(tài)真空的真空容器。允許的放氣量是根據(jù)容器的大小和壽命的長(zhǎng)短及使用吸附劑的吸氣性能來確定的。在單獨(dú)使用低溫吸附劑的情況下，通常要求的允許放氣率為10 -2Pa.L/s—l0 -7Pa. L/s。它相當(dāng)于相同容積的動(dòng)態(tài)超高寞空系統(tǒng)的允許放氣量。
⑤抽氣時(shí)加熱效率低。多層絕熱在真空狀態(tài)下具有良好的絕熱性能。如果在抽氣過程中對(duì)容器進(jìn)行加熱除氣，會(huì)導(dǎo)致絕熱材料和吸附劑升溫困難，溫度分布不均勻，而造成加熱效率很低。
?、匏魵獠灰壮槌觥２牧戏艢鈺r(shí)，s*先放出表面吸附的氣體。這些氣體和吸附劑脫附的氣體主要成分都是水蒸氣。水蒸氣的吸附熱高(>105kj/mol)，碰撞在材料表面上的平均滯留時(shí)間長(zhǎng)，不容易脫附。這部分水蒸氣不僅數(shù)量大，而且又被包在流導(dǎo)極小的絕熱層內(nèi)，抽除這些氣體要比一般真空設(shè)備抽氣困難得多。這也是低溫容器抽氣時(shí)間過長(zhǎng)的一個(gè)特殊問題。
?、呶絼┰倩罨щy。吸附劑在裝入低溫容器前，一般要經(jīng)過加熱干燥處理或低真空加熱干燥處理使之初步活化。在裝入容器時(shí)，要經(jīng)過多層絕熱層的包扎、組裝、組焊等工序，則不可避免地要暴露在空氣中，又易吸附水蒸氣。因此抽氣時(shí)，必須使吸附劑重新活化。但再活化時(shí)因受除氣溫度低的限制而達(dá)不到所需要的活化溫度（如分子篩活化溫度為400℃左右、活性炭為250℃左右），以及脫附的水蒸氣不易被抽出，致使再活化不充分。
⑧存在油蒸氣返流的影響。凡是采用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽氣的真空系統(tǒng)，都存在著油蒸氣的返流污染。一般無(wú)檔油裝置的擴(kuò)散泵其返流率約10-2 mg/( cm2．rrun)～10 -3mg/( cm2．min)。增加水冷帽、水冷擋板等擋油措施后，返油率可降低100倍～1000倍。低溫容器的空間容積大，材料表面積多，從抽空到15Pa開始直到抽氣結(jié)束，始終存在著從抽氣機(jī)組流向容器的定向油蒸氣流。這時(shí)容器猶如一種選擇性的捕集油蒸氣的泵。容器內(nèi)的返流量與機(jī)組的返油率、抽氣管道的流導(dǎo)及抽氣時(shí)間而成正比。因國(guó)產(chǎn)抽氣機(jī)組返油率高，對(duì)低溫容器的抽氣時(shí)間越長(zhǎng)返流量越大。返流的油蒸氣與吸附劑的親合力較強(qiáng)（容易被吸附），而且在吸附較多的油蒸氣分子后，影響對(duì)氫、氮等氣體的吸附，使其吸氣性能下降，容器的真空壽命縮短。另外，油蒸氣會(huì)污染反射屏，嚴(yán)重時(shí)影響屏的發(fā)射率，而使容器的絕熱性能降低。因此，低溫容器抽氣時(shí)必須考慮油蒸氣返流的影響。
顯然，上述問題造成低溫容器抽氣非常困難，成為真空獲得領(lǐng)域中當(dāng)抽氣時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)的特殊排氣問題。
還應(yīng)指出，在低溫容器抽氣時(shí)，存在一種特殊的滲透抽氣現(xiàn)象。絕熱層內(nèi)的材料放氣量大，而流導(dǎo)極小，造成絕熱層內(nèi)與夾層空間有大的壓差。在這個(gè)壓差作用下，氣體分子在反射層之間產(chǎn)生擴(kuò)散滲透現(xiàn)象。由于屏厚度很薄(6ran—25t.an)．表面積又大，在升高溫度時(shí)，可增強(qiáng)滲透作用，使絕熱層內(nèi)的部分氣體能夠擴(kuò)散滲透到達(dá)夾層空間而被泵抽走。這種滲透抽氣現(xiàn)象有利于低溫容器的抽氣。另外，絕熱層材料厚度薄，所含的容積及氣體數(shù)量相對(duì)較少，也有利于低溫容器的抽氣。
