技术领域
[0001] 本发明涉及真空技术领域，具体涉及一种采用分隔式结构的大型真空实验系统。
相关背景技术
[0002] 在真空技术研究中，需要在地面模拟真空环境，来用于对相关研究课题进行真空环境的实验。
[0003] 对于小型真空系统，直接在试验舱体上安装真空泵，真空泵会一对一安装插板阀，一方面是因为尽量减少真空泵暴露在大气环境的时间和次数，另一方面真空泵在大气环境下都不能启动工作，需达到可启动的真空压强才可以开启工作。
[0004] 但对于大尺寸真空系统，用到的真空泵数量非常多，有数十个、甚至上百个，直接安装在试验舱上，会使得整个泵组的空间布局十分混乱；且如果每个真空泵前面都安装插板阀，则需要的插板阀数量众多，一方面会增加控制插板阀工作的通讯接口的数量，另一方面因插板阀整体尺寸比真空泵的通径要大很多，这样也会增大真空泵在真空舱体上排布的难度，甚至需要增大舱体的尺寸来满足插板阀的安装，使得真空系统的建设成本大幅度增加，并且由于插板阀的安装使得流阻增大，从而降低真空系统内部气流流通的能力。
具体实施方式
[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 如图1所示，本发明提供了一种采用分隔式结构的大型真空实验系统的实施方式，包括试验舱1、真空舱2和插板阀3。
[0040] 试验舱1用于摆放试验样品，试验舱1的一侧设有舱门11，用于取放或更换试验样品，试验舱1上设有连接口12，该连接口12用于与外部抽真空设备相连接，给实验舱提供真空的实验环境。
[0041] 真空舱2上设有连接口12，用于与试验舱1的连接口12相连接；真空舱2的内部与由多个真空泵组成的真空泵组5相连接，能够对真空舱2的内部抽真空；还能够对与真空舱2相连通的试验舱1的内部抽真空，以给试验样品提供真空的试验环境。
[0042] 现有技术中，真空泵组5中包括前级泵、分子泵、低温泵以及其他类型的泵体，其中分子泵和低温泵因设计原理限制，无法直接在大气环境下启动工作，需预先达到一定的真空压强水平方可启动；这一特性要求在实际应用中必须采取特定措施以确保泵组能在适宜的真空环境中安全、有效地进行工作。
[0043] 本实施方式中，通过将真空泵组5与真空舱2相连接，结合有效的真空隔离与调节策略，实现了分子泵与低温泵在预设真空条件下的顺利启动与高效运行。
[0044] 具体的，真空泵组5包括多组分子泵51和多组低温泵52，分子泵51和低温泵52均匀分布在真空舱2的外壁上，以提升分子泵51和低温泵52快速且匀速的对真空舱2以及试验舱1抽真空。
[0045] 插板阀3设置在试验舱1和真空舱2之间，分别与试验舱1和真空舱2的连接口12相连接。
[0046] 当插板阀3闭合时，试验舱1和真空舱2被分割为独立的密封空间；当插板阀3打开时，试验舱1和真空舱2能够形成一个统一的密封空间。
[0047] 进一步的，试验舱1、真空舱2和插板阀3的形状和具体位置关系不做具体限定，只要符合上述的连接关系，都可以组合为真空实验系统。
[0048] 为了保证最佳试验效果和空间布局，本实施方式中，优选试验舱1和真空舱2为水平放置的圆柱型舱体，两者沿同一条直线布局，插板阀3设置在两者之间。
[0049] 若试验舱1和真空舱2之间设有多个连接通道，会使得真空舱2存在较大的流阻，连接通道处的压力梯度明显，导致试验舱1的压力明显高于真空舱2的压力，显著降低了真空泵组5对试验舱1进出抽真空的抽气效率。
[0050] 因此本实施方式中，试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12分别设置一组，插板阀3设置一组；在试验舱和真空舱之间只建立一组连接通道，有插板阀控制该连接通道的连通和闭合。
[0051] 且在本实施方式中，试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12的为大口径通孔，使得设置在两者之间的插板阀3为大尺寸通径的插板阀3。
[0052] 具体的，本实施方式，采用自由分子流的流导计算方法来满足具有一定裕度的真空系统设计要求，自由分子流圆孔流导的公式如下所示：
[0053]
[0054] 式中Cor,mol为圆孔流导，d为圆孔直径，k为波尔兹曼常数，T为气体温度，m为气体摩5
尔质量；对于300K的空气而言，开孔直径为2.44米时其流导为5×10l/s，为最优值。
[0055] 因此，本实施方式中，出于对经济性和性能需求的考虑，试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12的开孔直径为2500mm，真空舱的筒径为3200mm，试验舱的筒径为2500mm；插板阀3具备2500mm的大口径通径，满足了大型真空系统或特殊工况下对气流通道尺寸的高要求，有效提升了系统的处理能力和应用范围。
[0056] 真空实验系统的操作步骤如下：
[0057] 准备阶舱：关闭插板阀3，将试验舱1与真空舱2完全隔离。
[0058] 初步抽真空：启动前级泵，对真空舱2进行初步真空抽取，直至舱内真空度达到分子泵与低温泵可启动的预设压强值。
[0059] 启动分子泵与低温泵：当前级泵完成初步抽取后，启动分子泵与低温泵，进一步降低真空舱2内的气压至所需的真空水平。
[0060] 连接试验舱1：当真空舱2内真空度达到试验所需压力时，打开插板阀3，将试验舱1与真空舱2连接，进行后续的实验操作。
[0061] 结束试验：关闭插板阀3，真空舱2则继续维持真空，试验舱1放气至大气压进行更换实验样品。
[0062] 整个真空实验系统内部设计为试验舱1与真空舱2两个独立区域，两者之间通过插板阀3进行分隔；这种设计使得在对试验舱1进行操作时，能够最大限度得减少对真空舱2真空状态的影响，保持其真空环境的稳定性。
[0063] 大口径插板阀3的使用，克服了大尺寸真空系统中因插板阀3数量众多而带来的诸多问题；且当大插板阀3关闭之际，真空舱2得以维持其真空状态，而试验舱则灵活开启与关闭，便于迅速更换实验样品。
[0064] 对于接下来的实验而言，得益于真空舱2已保持的真空环境，无需再从头开始从标准大气压开始进行耗时的真空抽取过程，减少试验舱1真空环境的等待时间，从而显著缩短了实验的准备时间，提高了实验效率。
[0065] 如图2和图3所示，本实施方式中，真空舱2内设有试验平台4，试验平台4用于放置试验样品，在本实施方式中，外部振动主要来自两个方面：
[0066] 一个方面是，大口径插板阀的开启，会导致试验舱和真空舱之间产生较大的气压差，会产生气流波动，该气流波动会对整个试验平台带来短时间较大的振动。
[0067] 另一方面，真空泵在工作状态下，会产生高频率的振动，由于试验舱和真空舱是连接在一起，因此会对试验舱已经试验平台带来持续的高频率的小幅度振动，会大大影响整个试验结果。
[0068] 因此，在本实施方式中，试验平台4设有减振组件，以克服外部振动对所述试验平台4所造成的影响。
[0069] 本实施方式提供了具有减振组件的试验平台的实施例，如图所示：
[0070] 试验平台包括置物台41、支撑柱42和支撑平台43，减振组件为空气隔振器44。
[0071] 其中，支撑柱42竖直设置在置物台41和支撑平台43之间，支撑柱42设有四组，分别设置在置物台41和支撑平台43的边角处，空气隔振器44设有四组，分别位于支撑平台43的四个边角处。
[0072] 置物台41位于试验舱内部，支撑平台43位于试验舱1的外部，空气隔振器44的底部与地基相固定，试验舱1在支撑柱42穿过的位置设有连接波纹管45，支撑柱42从连接波纹管45中穿过，支撑柱42相对于连接波纹管45可以滑动，且连接波纹管45的内壁能够对支撑座
42的外壁施加约束力，以保证支撑柱42和连接波纹管45之间的密封性；连接波纹管45和试验舱1之间通过设置在连接波纹管45外壁处的密封圈来保证两者之间的密封性。
[0073] 其中，置物台41可以根据试验需要平行设有多组，如图2和图3所示，本实施例中，置物台41平行设有两组。
[0074] 在本实施例中，空气隔振器选用选用TMC公司一种高阻尼版本的Gimbal PistonTM空气隔振器。
[0075] 空气隔振器主要用于将振动与试验平台隔离，它能有效吸收和衰减来自环境(如地面、机械设备、风等)传递的振动；对于一些对震动非常敏感的设备和精密操作，空气隔振器可以显著提高设备的稳定性和测量的准确性。
[0076] 使得气浮式试验平台本身能够有效隔离外部的震动和环境干扰，保持平台上的物体或工件不受外界影响；这在精密测量、光学实验等场合尤为关键，能保证结果的准确性和一致性，有助于进一步优化实验条件，提高实验结果的重复性和可验证性。
[0077] 本实施方式中，真空实验系统还包括稳压系统，插板阀3与真空稳压系统之间通过协同工作，从而实现了对试验舱1环境的精确控制。
[0078] 当插板阀3打开时，稳压系统迅速响应，调整真空泵组5的工作状态以维持试验舱1内的压力稳定；当插板阀3关闭时，稳压系统则继续监测并调整环境参数，确保试验舱1在放气过程中也能保持相对稳定的状态，确保其在设定的范围内波动。
[0079] 插板阀3与稳压系统的协同工作有效减少了外部因素对试验舱1内的干扰，例如真空泵组5的振动和噪音、气体流动、热量等因素都被有效隔离或控制，从而提高了实验的精度和可靠性。
[0080] 本实施方式中，还提供了插板阀3的实施例，如图4和图5所示：
[0081] 插板阀3包括阀体31、阀板32和驱动机构33。
[0082] 其中，阀体31为密封舱体，阀体31的两侧设有接口法兰311，分别与试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12相连接；接口法兰311带有密封圈，以保证接口法兰311和连接口12之间的密封性。
[0083] 阀板32位于阀体31的内部，能够在阀体31的内部移动；且阀板32能够覆盖试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12，以将试验舱1和真空舱2隔开；出于空间布局的考虑，阀板32的运动方向沿竖直方向运动。
[0084] 驱动机构33的活动端位于阀体31的内部，与阀板32相连接，用于驱动阀板32在阀体31内部移动以实现试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12之间的联通和闭合；且当阀板32使得试验舱1的连接口12和真空舱2的连接口12之间闭合时，阀板32能够对其中一侧接口法兰311进行密封，或同时对两侧的接口法兰311进行密封。
[0085] 本实施中驱动机构33优选电动伸缩杆，采用高效可靠的电动驱动方式，不仅简化了操作流程，提高了自动化水平，还确保了阀门开启与关闭的快速响应和精确控制，进一步提升了系统整体的运行效率和稳定性。
[0086] 为了实现阀板32能够对法兰接口处进行密封，本实施方式提供了以下实施例，如图5所示：
[0087] 插板阀3还包括移动架34；阀板32设置在移动架34上，驱动机构33的活动端与移动架34相连接，用于驱动移动架34及阀板32在阀体31内部移动；且移动架34能够在阀板32到达闭合位置后，对阀板32施加挤压力，使得阀板32与阀体31靠近阀板32一侧的侧壁内侧相贴合，阀体31在相贴合的位置设有密封圈，以使得阀板32能够对该侧的接口法兰311进行密封。
[0088] 进一步的，阀板32包括阀板主体321和阀板32副体322，阀板主体321用于与阀体31贴合，阀门副体用于与移动架34相连接；移动架34在沿其自身移动方向的两侧边部的两端分别通过连杆341与阀板32副体322相连接，连杆341的两端分别与移动架34和阀板32副体322铰接。
[0089] 如图6和图7所示，使得移动架34能够在阀板32到达闭合位置后继续向前移动，在移动过程中，移动架34和阀板32副体322之间的间距在连杆341的作用下扩大，从而实现移动架34对阀板主体321施加压力，对阀板32进行压紧，以实现阀板32和阀体31接触面处的密封。
[0090] 因此本实施例中的阀板32是通过机械驱动的方式来实现阀板32的驱动和密封，而市面上其他产品的插板阀3是通过弹簧对阀板32进行压紧以实现密封，可靠性和寿命均远远小于本发明所提供的插板阀3。
[0091] 进一步的，本实施例中，阀体31内部设有在阀板32到达闭合位置时能够与阀板32的边部相接触的止动块312，该边部为以阀板32的移动方向为参照，位于阀板32的最前端；阀板32在边部对应止动块312的位置设有缓冲块323；避免阀板32在达到密封位置后，与阀体31底部发生撞击。
[0092] 优选阀板主体321的边部对应止动块312设有缓冲块323，该缓冲块323由橡胶制成。
[0093] 由于本实施方式采用的是大口径插板阀3，为了保证阀板32在阀体31内移动的稳定性，还提供了以下实施例：
[0094] 阀板32副体322的边部设有能够沿着自身移动方向滚动的第一滚轮324，第一滚轮324与阀体31的内壁相接触，第一滚轮324的滚动平面与阀板主体321垂直。
[0095] 移动架34的边部设有能够沿着自身移动方向滚动的第二滚轮342，第二滚轮342与阀体31的内壁相接触；第二滚轮342的滚动平面与第一滚轮324的滚动平面相平行。
[0096] 移动架34的边部设有能够沿着自身移动方向滚动的第三滚轮343，第三滚轮343与阀体31的内壁相接触；第三滚轮343的滚动平面与第一滚轮324的滚动平面相垂直。
[0097] 第一滚轮324、第二滚轮342和第三滚轮343的作用除了是方便阀板32在阀体31内移动，同时还对阀板32起到限制作用，以避免阀板32在上下移动过程中，在其他方向上发生位移。
[0098] 进一步的，阀体31的内壁设有在阀板32到达闭合位置时，对第一滚轮324进行限制的定位槽313，配合移动架34对阀板主体321所施加的压力，使得第一滚轮324被固定在定位槽313内，对阀板主体321进行固定，避免阀板主体321发生移动，以保证密封性。
[0099] 本发明所提供的大型真空实验系统，采用大口径插拔阀将高空舱的真空泵组5与试验舱1的气浮平台有效隔离。
[0100] 这样的布局设计解决了传统布局中真空泵组5运行时产生的震动对试验舱1的测量精度干扰问题；通过分离布置，有效隔离了泵组震动对试验环境的直接影响；为我们高精度微小力测量提供了稳定的实验环境。
[0101] 通过大口径插板阀3将真空泵组5与试验舱1分开放置还提升设备的整体运行稳定性；真空泵组5在独立空间内运行，减少了与试验舱1之间的相互影响，有利于泵组自身的稳定运行和寿命延长；同时，这种布局也便于对泵组进行维护和检修，提高了设备的可维护性和可靠性。
[0102] 对于在试验舱1的气浮平台上进行微力测量，通过大口径插板阀3将真空泵组5与试验舱1分开放置，可以更好地控制实验环境的洁净度、温度、湿度等参数，减少泵组运行产生的热量、气体流动等因素对试验舱1的影响；这种环境控制能力的提升，有助于进一步优化实验条件，提高实验结果的重复性和可验证性。
[0103] 以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
