PDF《高真 空 多层 绝热抽真空工艺研 究现 状 与发 展》

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0 0 8年第 4期 总第

1 6 4期低温工程CRY0GENI CS No .

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8 S u m No .1

6 4 高真 空多层绝热抽 真空工艺研 究现状 与发展 王正兴(驻上海

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1 所军 事代 表室 上海

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1 1 ) 摘要: 通过分析影响真 空度的主要 因素及其影响规律 , 针对不同的影响因素提 出了各 自有利真 空获取 和 维持 的解 决 方案 , 并将 各措施 具 体地 与抽 真 空工 艺过程控 制 各环 节相 匹配 , 从 而制定 出较 为科学的现行抽真空工艺流程.通过剖析现有工艺的局限性和研 究成果 , 对抽真空工艺的现状、 发展趋 势提 出建 议.关键 词:多层 绝热抽真空工 艺加热置换 中 图分类号 : T B

7 9 文献标 识码 : A 文章 编号:1000―6516(2008)04-0047-04Status a nd d e v e l o p m e n t o f va c u um - pu m p i ng pr o c e s s f o r h i g h v a c uu m m ul t i - l a y e r i ns u l a t e d v e s s e l s W a ng Z h e ng x i ng ( Mi l i t a r y D e l e g a t e o f

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1 O f f i c e S t a t i o n e d i n S h a n g h a i ,S h a n g h a i

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1 1 , C h i n a ) Abs t r a c t : Ma i n p a r a me t e r s i n f lu e nc i n g v a c u um de g r e e a n d t h e i n f lu e n c e r ul e we r e a n a l y z e d . S o l u t i o n s a c c o r d i n g t o e a c h i nf l ue n c i n g f a c t o r we r e p r o v i d e d .A s c i e n t i f i c v a c u u m― p ump i n g p r o c e s s wa s e s t a b l i s h e d b y i n s e r t i n g e a c h s o l u t i o n o r me t h o d i n t o t h e p r o c e d u r e wi t h a r i g h t o r d e r .The a c t u a l i t y o f a p p l i c a b l e v a c u u m― p ump i n g p r o c e s s wa s p r e s e n t e d t o s h o w i t s l i mi t s,wh i c h l e a d s t o mo d i f ic a t i o n o f t h e pr o c e s s . S o me a d v i c e wa s g i v e n a t l a s t . Ke y wo r d s:mu hi ― l a y e r i n s u l a t i o n;

v a c u u m― p ump i n g p r o c e s s ;

he a t i n g;

r e p l a c e me nt

1 引言随着 低温 绝 热储运 行业 的发 展 日趋成 熟,对影 响 低温绝热贮运的各项研究也蓬勃开展起来.低温绝 热主要分堆积绝热、 真空粉末 ( 纤维 ) 绝热、 高真空多 层绝热和高真空多屏绝热几种绝热形式.其 中高真 空多层绝 热 因绝热 性能好、工艺简便获得青睐,在小型低温绝热容器 , 乃至低温槽车等领域广泛运 用, 并具有逐步 扩大 应用 领域 的趋 势.收稿日期 :

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0 8 ~

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修订 日期 :

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0 8 ~6 ―

2 8 作者简介 : 王正兴 , 男,46岁 , 高级工程师 . 在影 响 多层绝热 性能的诸 多 因素 中,真空度起 到 十分关 键 的作用 .研 究表 明,当真 空度 较低即P>

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0 P a时,真空度 变化 对热 导率 的影 响不 大;

当真空 度为10―1

0 P a区间 , 随 着真 空度 的提 高,热导 率 急速 下降;

当真空度优于

1 0 P a时, 热导率趋近恒定值 . 因此 , 一般 夹层 的表 观真 空度要 优于10Pa,多层 绝热才能充 分发挥效果,达到良好 的绝 热 目的 , 如图1所示.获取好的真空度成 为制造优质高真空 多层绝热 维普资讯 http://www.cqvip.com

4 8 低温工程鱼丫邕褂曲《 图1多层 绝热的表 观真空度与有效热导率的关系… Fi g.

1 Ef fe c t i ve t he r m a l c o nduc t i v i t y as a f unc t i on o f appa r e nt va c uum 容器 的关 键之 一,这就对 抽真 空 工艺提 出了苛刻 的要 求 .抽真 空过 程不 仅要求对 夹层结构及内部各 材料的物性和功能有全面的认识和理解 , 还要求确保工艺 本身的科学 性及 稳定性.分 析 了影 响真空的主要 因素,就目前的抽真空工艺现状进行 了阐述 , 通过剖析 现有工艺 的局 限性和 研究 成果 , 对 抽真空 工艺的发 展提出了新看 法.2影响真 空 的主要 因素

2 .

1 多层 绝热 材料 在 高真 空 多层绝 热 系统 中,多层 绝热 材料 多采 用 反射 材 料与 间隔 物 相交 替 的组 合方式.反 射材料大多采用高反射率的镀铝薄膜等 , 充分利用其高反射率 来减少辐射传热.而间隔物则用热导率小 的材料如 尼龙 网、 玻璃 纤维 等,以增 大接触热阻.同时 还 可将 绝 热材料 波 纹化形 成 多层膜 .或 以涤 纶 薄膜 为基 体,一面镀铝作为反射层 , 另一面涂以热导率小 的颗粒状 无机 物SiO:作为屏 间 隔物 , 以减 小 固体 导热 , 以上方 法从不同程度上都能提高了绝热性能 . 多层绝 热材 料的缠绕 和包扎对抽真空的影 响十分明显 .层 数及 密度 过少 不利 于绝 热性 能,但层数 及密度的增加 会造 成抽 真空 阻力 的增 大,层间气 体 不易 被抽 走,亦会 由于层 间真空度不佳 而影响绝热性能.常用的缠绕方法有两种 , 其一是 螺旋 式缠绕法 , 其 二是 筒体竹节 式缠绕法 , 文献 [

3 ] 中对第一种方法 给出了详细描述.无论采用何种方法 , 都要求包扎均 匀,并控 制理 想 的层 密度 . 抽 真空 前 的多层 绝热材料应 进行规模化干燥处理.目的是 除去材料中的水分,脱除材料生产过程中附着的油脂 、 蜡、 碱等影响抽空的物质 , 加快材料 放气 , 缩短将来 的抽空时间.文献 [

2 ] 将经烘烤反射 材料的放气 特性 与未 烘 烤前进 行 实验 比较 后,得出材 料经烘烤后更容易抽至高真空 , 提高层间真空度 .

2 .

2 筒体漏放气除了筒 体 自身会 和 多层 绝热材料一样发生放气 现象 外,通过筒 体 的漏气 速率 对 真空度 的影 响也 不可忽视.通过简体漏入的气体主要是空气, 尽管其 中含 有少 量的He,Ne,H, , 但这些气体都极不易被吸附.空气 主要 通 过焊 缝 和各 与夹层连通的密 封结 构等渠道进入夹层.因而在抽真空前 , 必须检漏 , 确保真空夹层 具 有优 良的密封 性,从源头上 杜绝筒 体漏 气对真空度 的影 响.

2 .

3 吸附剂再好 的绝 热 容器 也不可避免 地存在一定程度上的材 料和 简体 漏 放气 .使用吸附剂 对 于获 得并保持夹层 在低 温下 的 真空 度起到重要作用.夹 层真空度寿命在很大程度上取决于吸附剂 的特性、 装入量及其 作用是 否充 分发挥.活 性碳和5A分子筛是低温绝热真空夹层 中常用的两种吸附剂 , 国内外许多学者给 出了两者在低温低压下吸附 N : 、

0 : 、 A r , H : 、 H e 、 N e等 气体 的 吸附 等文 献.. N

0 、 A r 是 空气 的 主要 成分,He、Ne在空气 中含 量极 少,但对 高真 空多 层绝 热 的危 害不容忽视 ;

H 则是夹层放气 的主要组分.在漏 气(N:、0・:、Ar)和材 料放 气(主要 是H:)的两 个 因素 中,考虑到现有 吸附剂在液氧 、 液氮温度 下不 能吸附 H ( 吸附容量极小 ) , 目前常采用吸 H 剂(例如一氧化 钯).3现行 的 主要抽 真 空工 艺 目前 , 低 温高 真 空多层 绝 热容器 主要 采取 加 热和 置换 相结 合 的抽 真空工艺.图 2给出了一 套抽真空工艺 流程 .从 中不难 看 出加 热炉I用来对绝热容器进行 加热 , 而加热炉 I I 和III则用来加热置换气体,置换 气体 选用 氮气 .

3 .

1 抽真空工艺对 设备 的基 本要 求抽真空系统 一般由抽 空工 装、抽空装置、真空测 量、 温度测量和控制等组件组成.抽空装置一半包括 抽气管路、 阀门、 真空泵或真空机组 等.真空测量主 要指真空计 .对于主泵和前级泵 的选配主要 根据所 需 抽速 和 时间来 选取.抽 真空涉及的管路 所用材料应满足 以下 条件 : (

1 ) 气密性好 ;

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4 9 图2抽真空工艺流程示意 图(范例)Fi g .

2 Sc he m a t i c di ag r a m o f va c uum - pum pi ng f low pr o c e s s (

2 ) 内部 表 面吸 气量 尽量少,若有 吸气 应易于除气;

(3)化学性 能稳 定;

(4)热稳 定性 好;

(5)避免能储 气 的死 角.3.2夹层加热加热可以活 化 吸附剂 , 释 放被 吸 附剂 吸附 的残余 气体.在 高温下 , 气体的分 子动能加强,有利于被 抽吸.同时高 温加 速 了材料 的放 气速 率,为日后真 空度 的维 持 提供 了保 障.对夹层的加 热可通过两种途 径实现:外加热 和 内加热 方式.图 2中所选 用 的为外 加 热方式.外加热方式通常在绝热容器外筒体上包裹 加热毯 , 而内加热方式则是 向内容器内放入加热棒. 两 种方 式都 无法 直 接加 热 内容 器壁面和夹层 多层 绝 热材 料 .通 常多层 绝 热材 料贴 附在 内筒 体外 壁 面上 , 当夹 层压 力 较低 时,外筒体壁 面经过 夹层 传递 到 绝热 材料 上 的热量 很少,主要 通过辐射换热.相 比较 , 采用内加热 时,内容 器 内受 热气体与内壁 面对流换 热,再经 由固体导热将热量传递给绝热材料 , 这种方式加 热更为直接.文献 [

8 ] 对 内加热抽空方式 的容器 内筒体进行 了温 度场 测量,研究结果表明,尽管内部气 体温度分层 十分明显 , 但 内筒 体受热较为均匀,这也就意味绝热材料受热均匀. 实践证 明, 在抽真空过程中加热 , 升高材料的温 度 是加 速材 料 表面 出气 、 缩短 排气 时 间的最 有效 的方 法.但真空绝热容 器的加热不 能过高 , 因为绝热材 料、容器 中的一些 钎焊件,以及 一些密封元 件等 不能经受高的温度.通常, 镀铝涤纶薄膜在空气环境下的 加热 温 度不 能高 于100oC, 在 真空 或氮气 气氛中的加 热温度以小于

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0 o C为宜.可见 , 高真空多层绝热低 温容器的加热温度不能高 于150℃ .因而有必要制 定合适的加热方法, 以提高容器的抽气质量和缩短抽 气时 间.抽真 空过 程开 始前 , 应使 容器 夹层 空 间所有元 件(构成夹 层空 间 的器 壁表 面、吸附剂 、 玻 璃纱 、 镀铝薄膜以及玻璃布 ) , 最均衡地加热 到可能的最高温度 , 并且 要在 整个 抽 空过 程 中维 持 这个 温度 .这就是在抽空 前要 实行 预热.假若 是在 抽空过程中将 夹层空间的元件加热到给定的温度 , 则要费很长的时间才能 达 到所需 温度 , 因为随着 真 空度提 高,绝热 性能 改善 , 普通双层容器 即变成杜瓦容器 .

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3 夹层 置换在多层绝热材料 中吸附了大量的不凝性气体 , 这 些气体的不断释放会使绝热空间的真空变恶劣 , 并使 绝热性能 降低 . 由于这些 气体也 不 易被 吸 附剂吸 附,只有 通过 抽离夹层空间才 能确 保维持夹层真空度.通过 通人 大量 干燥 高 纯度 易冷 凝或易吸附气 体进行置换 可实 现该 目的 . 目前 常用 的高 纯度干燥 气体为CO2和N2.CO:冷凝真空是 向真 空夹 层 中充 入 常压 C O : , 在低温工 作时CO:冷凝结霜以获得真空的一 种方法.早在2O世纪

6 O年代 , 美 国国家标 准局 进行 了冷 凝真空的试 验研 究,认为CO:、SO和NO是 3种较 为适 用 的气 体,最后选用CO:作为冷凝真空用气体,因为CO:易于获得相当纯的状态 , 价格低 , 无 毒性 , 其窒息 性低 于sO:和NO.除了 C O : 外,高纯度干燥 N........