Hướng dẫn chuẩn bị hệ thống chân không của bạn cho buồng kiểm tra máy đẩy Ngày 5 tháng 11 năm 2021

1. Xác định loại đầu lạnh
2. Tính toán số lượng đầu lạnh và tấm lạnh cần thiết
3. Bước tiếp theo trong công nghệ không gian và máy đẩy

Trước khi xác định số lượng tấm lạnh cần thiết để đạt được tốc độ bơm mong muốn, trước tiên chúng ta phải xác định loại đầu lạnh phù hợp nhất cho ứng dụng, tức là dựa trên các thông số quy trình.

Đầu lạnh được xác định bởi: 

• Loại khí đẩy: Krypton (Kr), Xenon (Xe)
• Áp suất quy trình thường nằm trong khoảng từ 5e-6 mbar đến 5e-5 mbar.

Theo quy tắc ngón tay cái, nhiệt độ ngưng tụ được chọn cho krypton sẽ dẫn đến áp suất hơi bão hòa thấp hơn một order so với áp suất yêu cầu. Điều này là để tính đến bất kỳ sự tăng nhiệt độ nào sau khi ngưng tụ có thể dẫn đến tăng áp suất. 

Vì vậy, chúng tôi đã chọn:

•  T= 33K là nhiệt độ ngưng tụ cho krypton
• và T = 45 K đối với xenon. 

Điều này giúp chúng ta ở trong vùng cao nguyên của tốc độ bơm tối đa trên mỗi diện tích bề mặt. 

Nói chung, đầu lạnh một tầng được sử dụng cho loại ứng dụng này kết hợp với tấm lạnh. 

Lưu ý: công suất làm mát đại diện cho tải nhiệt tối đa tính bằng Watt có thể được áp dụng trên bảng điều khiển để duy trì nhiệt độ cần thiết.

Ví dụ, chúng tôi chọn đầu lạnh CP 250 MDi, có công suất làm mát 83W ở 33K (đối với ngưng tụ Kr) và 122 W ở 45 K (đối với ngưng tụ Xe). 

Sau khi chọn một đầu lạnh phù hợp và đánh giá công suất làm mát của nó, bây giờ chúng ta có thể tính toán đường kính tối đa cho phép của tấm lạnh mà chúng ta có thể gắn vào đầu lạnh. 

Để thực hiện tính toán này, Chúng tôi xem việc truyền nhiệt thông qua bức xạ là hình thức truyền nhiệt duy nhất; điều này là do quá trình này diễn ra ở chân không cao. 

Ước tính này được thực hiện có tính đến các biên độ an toàn sau:

1. Tải nhiệt tối đa bằng công suất làm mát ở T= 33K và T= 45K 
2. Hệ số phát xạ của các thành buồng bằng 1; εw= 1 (bức xạ thân đen). Điều này là để xem xét rằng có thể có phún xạ và/hoặc xói mòn thành buồng sau một khoảng thời gian dài kiểm tra máy đẩy. Điều này sẽ ảnh hưởng đến khả năng phát xạ của các thành khoang. Độ phát xạ ban đầu nằm trong khoảng 0,4 - 0,7 đối với các bức tường bằng thép không gỉ sạch. Tùy thuộc vào phương pháp điều trị, giá trị này cũng có thể thấp hơn các giá trị đã nêu.
3. Hệ số phát thải của tấm lạnh (tấm đồng tấm Ni εk ~ 0,1) được lấy bằng 0,7 để tính toán các lớp đá dày hình thành trên bề mặt của tấm sau vài giờ bơm.

Trong đó σ được định nghĩa là hằng số Stefan-Botlzmann, tính toán này có thể được ngoại suy như sau:

Q = f*εk* Ak*σ* (Tw4-Tk4)

f = 1/(1+ εk* Ak* (1/εw -1)/Aw )

Ak =Aw

f = 1/(1+ εk*  (1/εw -1)) 

Ak= Q/ (f*εk*σ* (Tw4-Tk4))

Chúng ta xem Aw (khu vực của tường) = Ak (khu vực của tấm lạnh) là hai tấm song song (tải nhiệt tối đa) với hệ số quan sát bằng 1. Tk = 33K hoặc 45 K và Tw = 298 K.

Sử dụng phương trình và giá trị nêu trên, chúng tôi tính toán đường kính tấm tối đa cho phép tùy thuộc vào đầu lạnh và khí được bơm. Chúng tôi cũng cung cấp giới hạn mà chúng tôi cần tuân thủ để đảm bảo tốc độ bơm và áp suất quy trình cao và ổn định. 

Sau khi chọn đường kính của bảng, chúng ta có thể tính toán các bảng số cho tổng dòng chảy của Krypton và Xenon.

Để tính toán số lượng đầu lạnh và tấm lạnh cần thiết, trước tiên chúng ta tính toán: 

• Tốc độ bơm trên mỗi diện tích bề mặt - SA = SQRT (kB*10*T/(2*M*π))

• Tốc độ bơm lý thuyết trên mỗi bảng - S= SA *Ak (khu vực bảng). Ở đây, chúng ta chỉ xem bề mặt trước của bảng điều khiển là bề mặt bơm.

• Với SA (Kr) = 6,6 l/s.cm2 và SA (Xe) = 5,44 l/s.cm2, tốc độ bơm của các tấm có thể được tính cho mỗi loại khí như sau: chúng tôi ước tính tốc độ bơm giảm 10% làm biên độ an toàn làm cho tốc độ bơm hiệu quả bằng Seff = S*0,9 = SA *Ak *0,9

• Bây giờ chúng ta xem xét lưu lượng của mỗi khí tại một thời điểm nhất định: ở một lưu lượng khí nhất định dqpv/dt [Pa.l/s] tốc độ bơm cần thiết Stot được tính toán tùy thuộc vào áp suất quy trình P như sau Stot = dqpv/dt / P

Có tổng tốc độ bơm cần thiết, số lượng bảng điều khiển cần thiết có thể được tính toán bằng cách chia Stot cho tốc độ bơm hiệu quả của bảng điều khiển. 

Do đó, số lượng bảng cần thiết là; N = Stot / Seff 

Nếu không có buồng thử nghiệm phù hợp với mục đích và mô phỏng chân không, sẽ không thể cải thiện khả năng của công nghệ không gian và vệ tinh. Trong hướng dẫn này, chúng tôi đã chia sẻ các phép tính sẽ hỗ trợ bạn trong việc xây dựng buồng thử nghiệm cho máy đẩy sử dụng khí Krypton hoặc Xenon.