《Vacuum》：Design and development of LN2 cooled large size (1250 mm dia.) cryopump for applications in space research
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该研究设计并制造了1250 mm直径的液氮冷却吸附式cryopump，通过Molflow+优化几何结构，ANSYS验证热结构性能，测试氮气、氩气及空气的抽速分别为32,742、20,605和25,409 L/s，达到7E-9 mbar基础真空，验证了其在大型空间模拟腔的应用潜力。
萨米兰·S·穆克吉（Samiran S. Mukherjee）|兰贾娜·冈格拉迪（Ranjana Gangradey）|维沙尔·古普塔（Vishal Gupta）|赫曼格·S·阿格拉瓦特（Hemang S. Agravat）|帕雷什·潘查尔（Paresh Panchal）|普拉蒂克·纳亚克（Pratik Nayak）|莫尼·巴瑙达（Moni Banaudha）|乔蒂·尚卡尔·米什拉（Jyoti Shankar Mishra）|舒班姆·乌帕德亚（Shubham Upadhyay）|阿比纳夫·B·德赛（Abhinav B. Desai）|萨尔维斯·卡希亚普（Sarvesh Kashyap）|马诺杰·库马尔（Manoj Kumar）
印度古吉拉特邦甘地讷格尔巴特（Bhat）等离子体研究所，邮编382428
摘要
大型真空环境被广泛用于空间研究，以提供测试卫星和航天器所需的真空和极端温度条件。无需额外低温冷却器的液氮（LN2）冷却吸附式低温泵可以用于在这些大型容器中创建真空环境。在本项目中，设计并制造了一种直径为1250毫米的LN2冷却吸附式低温泵，并根据美国真空学会（AVS）的标准进行了氮气、氩气和空气的抽气实验。该泵包含一个环形LN2浴槽，既作为辐射屏蔽装置，也用于冷却低温面板。通过Molflow+软件对低温泵的几何形状进行了优化，并通过ANSYS仿真验证了其结构和热性能。在泵的性能测试中，达到了7E-9毫巴的基真空度；实验测得的平均抽气速度分别为：氮气32,742升/秒、氩气20,605升/秒、空气25,409升/秒。实验在1.15E-7毫巴至3.68E-6毫巴的压力范围内进行，抽气速率为4.0E-3毫巴升/秒至8.0E-2毫巴升/秒。本文详细讨论了Molflow+仿真结果、实验观察以及抽气速度数据。同时，还报告了关键的实验见解和工程制造细节。
引言
空间科学和技术领域的技术进步以及高端研究需求催生了对大型真空室和低温恒温器的需求。为了抽真空，确实需要高抽气速度的真空泵。吸气泵的抽气能力有限，主要适用于超高真空应用；涡轮分子泵对水蒸气的抽气速度较低，且在高抽气速度应用中存在局限性；扩散泵则存在油污染问题。相比之下，当需要高抽气速度时，低温泵更为合适。商用低温泵通常使用液氦作为冷却介质，但在大容量抽气需求时可能存在冷却能力不足的问题。基于液氦的大型低温泵在ITER项目中得到应用[1]，而液氮冷却吸附式低温泵在空间研究（如低温真空室抽气）、大气模拟器（大型真空室抽气）和材料处理（工艺室抽气）等领域具有巨大潜力。对于空间研究，从几立方米到数千立方米体积的真空室，Thermo-Vacuum Chamber（TVC）[2,3]和环境测试室[4]被广泛用于组件级别的详细热真空性能测试以及集成全尺寸航天器和卫星的测试。主要的气体负荷是大气成分和水蒸气，工作温度范围为+150°C至?150°C，所需的真空度低于5E-6毫巴。LN2低温泵特别适合大型空间模拟室，因为它们能有效处理大量的水蒸气负荷和空气成分负荷，在空间研究应用中表现出色。对于氮气/空气混合物，接近80K工作的活性炭涂层低温面板对于有效抽气是必要的。而对于水蒸气抽气，LN2冷却表面在150K以下温度下足够有效，因为此时水蒸气的蒸气压低于1E-9毫巴。我们最初在400毫米开口的低温泵上进行的实验表明，LN2冷却吸附式低温泵对氮气和水蒸气的抽气效果显著。对于热真空室的抽气，将液氮冷却吸附式低温泵与涡轮分子泵结合使用是一个有效的解决方案：低温泵负责抽吸氮气、空气和水蒸气，而涡轮分子泵则用于抽吸氢气和氦气等轻气体（前提是这些轻气体的总体负荷较低）。在等离子体研究所（IPR）的SST-1托卡马克装置的烘烤周期中，使用小型低温泵对水蒸气进行抽气，从而显著降低了水蒸气的分压[6,7]。此外，还在IPR的高热流（HHF）测试设施中开发并测试了一种250毫米开口的倒置配置低温泵[8]。这些早期开发工作非常重要，因为每台泵都是根据空间可用性和抽气速度要求定制制造的，这使得这类吸附式低温泵具有更广泛的应用前景。基于以往的经验，我们现在致力于开发大型低温泵，以验证前期工作的工程可行性和可扩展性能。这种1250毫米直径的低温泵在制造、组装和集成方面面临挑战，因为它完全依赖LN2冷却而无需额外低温冷却器。该泵具有较高的抽气速度，可作为大型热真空室的抽气系统。为了获得统一的抽气速度测量值，我们采用了美国真空学会（AVS）的标准[9]，并设计了直径为1250毫米的LCTF测试设施（见第2.1节详细信息）。几何形状优化采用了Molflow+仿真软件，第2.2节对此进行了详细讨论。确定几何形状后，通过ANSYS进行了结构和热分析以验证工程设计。热结构分析的详细信息之前由阿格拉瓦特等人[10]报道过。然而，目前的氮气抽气装置配置尚未经过详细研究，因此我们在第2.3节扩展了热分析并讨论了相关结果。制造和真空验证的详细信息见第2.4节。最后，第3节讨论了抽气速度和再生研究的实验细节及结果。
章节片段
低温泵送理论与系统原理
根据ISO 3529/1–3分类标准，低温泵是指通过冷却至120K以下温度的表面来捕获气体的真空泵[11]。低温泵送机制主要基于两个基本原理：一种是冷凝，另一种是吸附。这两个过程与气体的蒸气压和吸附等温线密切相关。此外还涉及热传导和气体捕获等因素。
结果与讨论
抽气速度的测量遵循美国真空学会（AVS）的标准[9]进行。AVS圆顶被安装在LCTF系统中，利用该配置进行了多种实验。实验方法详见参考文献[5]，我们对氮气、氩气和空气的抽气速度测量采用了类似的方法。在测量抽气速度之前，系统首先使用TMP进行抽真空，达到5E-6毫巴的基压。
总结
本研究探讨了这种1250毫米直径的大型低温泵的特点，即它仅依赖LN2冷却，并能够在不使用额外低温冷却器的情况下实现高抽气速度。文章讨论了其设计、Molflow+仿真结果、制造过程、实验性能评估以及抽气速度数据。同时报告了开发过程中的制造和质量测试细节。本研究主要关注LN2冷却吸附式低温泵的技术特点。
作者贡献声明
萨米兰·S·穆克吉（Samiran S. Mukherjee）：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件开发、方法论制定、实验设计、数据分析、概念构思。兰贾娜·冈格拉迪（Ranjana Gangradey）：项目监督、行政管理、实验指导。维沙尔·古普塔（Vishal Gupta）：实验设计、数据分析。赫曼格·S·阿格拉瓦特（Hemang S. Agravat）：数据验证、软件开发、方法论制定、数据分析。帕雷什·潘查尔（Paresh Panchal）：资源调配、实验指导。普拉蒂克·纳亚克（Pratik Nayak）：资源调配、实验指导。莫尼·巴瑙达（Moni Banaudha）：软件开发、资源调配、实验指导。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢印度原子能部（DAE）对本文研究的资助。本文部分仿真工作是在IPR的HPC集群（ANTYA）上完成的。作者还要感谢IPR的Ananta Kumar Sahu先生、Y. C. Saxena教授、Dilip C. Raval先生以及SAC-ISRO的Rahul Khandekar先生在项目执行过程中提供的宝贵指导。
