CN103406218A - 应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，包括入气管、测温嘴、测压嘴、气流稳定管、音速喷嘴球形接头、外套螺母、焊接接管嘴；气流稳定管一端固定连接入气管，另一端固定连接音速喷嘴球形接头，气流稳定管上设有测温孔和测压孔，测温嘴、测压嘴分别固定连接在测温孔、测压孔上，音速喷嘴球形接头的另一端与焊接接管嘴通过外套螺母固定连接。本发明整体使用不锈钢材料，音速喷嘴与球形接头一体加工成型，较常规音速喷嘴组件工艺简单，密封面数量由4个减少为1个，球形接头的球面与焊接接管嘴的锥面形成线密封，可靠性大大提高，可在真空、低温环境下连续长期使用。

Description

应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件

技术领域

本发明涉及一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，属于气体流量控制技术领域。

背景技术

使用音速喷嘴控制气体流量是一种简单易行、可靠性高、响应快速的方法。当音速喷嘴喉部气体流速达到当地音速时，通过喷嘴的流量达到最大，且不受喷嘴下游压力波动的影响。由公式

计算通过音速喷嘴的流量。其中，q_max为流量；C_d为流量系数；

k为比热比，R为气体常数；p^*为音速喷嘴前气体总压；T^*为气体总温，A_t为喷嘴喉部横截面积。一般情况下，气体总温T^*、比热比k不变，因此，只需调节并测量音速喷嘴前气体总压p^*，即可得到对应总压下的气体流量q_max。

应用于大气环境的常规音速喷嘴组件结构如图1所示，一般采用可更换的音速喷嘴，通过退火的紫铜垫圈达到密封效果。密封方式为面密封，且至少有4个密封面，密封效果及可靠性不高。在大气环境下，少量气体泄露影响不大，但是若应用于真空环境，特别是高真空、超高真空环境中，则会对真空环境造成显著破坏。退火紫铜硬度低、延展性好，因此常规音速喷嘴组件需要定期拧紧密封面，保证密封效果，若应用于真空环境，则无法做到随时开启真空舱拧紧密封面。若把音速喷嘴组件置于真空舱外大气环境中的管路部分，虽然可以使用现有常规音速喷嘴组件，但这种布置将使音速喷嘴至真空舱内阀门的管路过长，造成流量控制响应慢。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规音速喷嘴在真空环境中密封效果不好、可靠性不高的问题，提出了一种将音速喷嘴与球形接头一体加工成型的结构，使用球面-锥面密封形式形成可靠的线密封，减少密封面数量；整体使用不锈钢材料，提高加工性和可焊性，可在真空、低温环境下连续长期使用。

一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，包括入气管、测温嘴、测压嘴、气流稳定管、音速喷嘴球形接头、外套螺母、焊接接管嘴；

气流稳定管一端固定连接入气管，另一端固定连接音速喷嘴球形接头，气流稳定管上设有测温孔和测压孔，测温嘴、测压嘴分别固定连接在测温孔、测压孔上，音速喷嘴球形接头的另一端与焊接接管嘴通过外套螺母固定连接。

本发明的优点在于：

（1）音速喷嘴与球形接头一体加工成型，较常规音速喷嘴组件工艺简单，密封面数量由4个减少为1个，可靠性大大提高；

（2）球形接头的球面与焊接接管嘴的锥面形成线密封，比常规音速喷嘴组件退火紫铜的面密封更为可靠；

（3）各个部件全部使用不锈钢加工制造，加工性和焊接性好，选取合适的不锈钢牌号，如304或316L，材料硬度高、放气率低、低温条件下变形小，无需定期拧紧密封面，可在真空、低温环境下连续长期使用。

附图说明

图1：现有技术中常规音速喷嘴组件结构。

图2：本发明提出的应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件结构。

图中：

1-测温嘴        2-入气管              3-测压嘴

4-气流稳定管    5-音速喷嘴球形接头    6-外套螺母

7-焊接接管嘴

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，如图2所示，包括入气管2、测温嘴1、测压嘴3、气流稳定管4、音速喷嘴球形接头5、外套螺母6、焊接接管嘴7。

气流稳定管4一端固定连接入气管2，另一端固定连接音速喷嘴球形接头5，气流稳定管4上设有测温孔和测压孔，测温嘴1、测压嘴3分别固定连接在测温孔、测压孔上，分别测量气流稳定管4内气体的温度和压力，音速喷嘴球形接头5的另一端与焊接接管嘴7通过外套螺母6固定连接。

所述的入气管2、测温嘴1、测压嘴3、气流稳定管4、音速喷嘴球形接头5均采用不锈钢材料，各自加工成型后，用焊接的方式形成一个整体。在焊接音速喷嘴球形接头5前，需要将外套螺母6套入音速喷嘴球形接头5的圆柱段。

所述的测温嘴1用于连接温度传感器，测压嘴3用于连接压力传感器，测温嘴1、测压嘴3的结构形式根据所选用的温度传感器和压力传感器确定。

所述的音速喷嘴球形接头5内壁面由圆柱段、收敛段、喉道、扩张段连接而成，外壁面由圆柱段、台阶、球面连接而成，球面表面粗糙度Ra优于（小于等于）0.8μm，圆柱段的一端与气流稳定管4焊接，球面的一端与焊接接管嘴7中的锥面接触。

所述的焊接接管嘴7的一端的外壁面设有外螺纹，内壁面由锥面、圆柱段连接而成，锥面与音速喷嘴球形接头5的球面相接触，锥表面粗糙度Ra优于（小于等于）0.8μm。

所述的外套螺母6内部设有内螺纹，外套螺母6一端卡住音速喷嘴球形接头5外壁面的台阶，另一端的内螺纹与焊接接管嘴7的外螺纹配合，外套螺母6将音速喷嘴球形接头5与焊接接管嘴7固定后，焊接接管嘴7的锥面与音速喷嘴球形接头5的球面压紧形成线密封。由于使用不锈钢材质，可保证组件连接强度高、不易变形，可在真空、低温环境中连续长期使用。

所述的入气管2内壁面、气流稳定管4内壁面、音速喷嘴球形接头5内壁面的圆柱段、焊接接管嘴7内壁面的圆柱段直径相同，直径根据气体的流量选取。

所述的气流稳定管4中，测温、测压孔距离音速喷嘴喉道的长度，大于气流稳定管4内径的5倍。

所述的音速喷嘴球形接头5喉道的直径为：

$d_t=\sqrt{\frac{4}{\mathrm{\π}{C}_{d}K}\·\frac{q\sqrt{T^{*}}}{p^{*}}}$

对d_t进行圆整处理，得到音速喷嘴球形接头5喉道的直径，其中，C_d为流量系数，根据喉部加工的难易程度可取为0.85～0.95，

k为气体比热比，R为气体常数，q为需要调节的流量，p^*为音速喷嘴前气体总压，T^*为气体总温。

所述的音速喷嘴球形接头5收敛段的收敛角和扩张段的扩张角，根据组件内径和音速喷嘴球形接头5喉道直径选取，一般情况下，取收敛角小于60°，扩张角小于30°，以减小总压损失。

使用前，需要将音速喷嘴组件与标准流量计串联进行流量标定。由流量公式

由于音速喷嘴已加工成型，所以流量系数C_d和喉部横截面积A_t不变，而对于确定的气体，一般情况下，总温T^*、比热比k不变，因此，对于某一加工成型的音速喷嘴组件，通过的流量与音速喷嘴前总压p^*成线性关系，流量公式可简化为q＝Ap^*+B，A、B通过标定用线性回归的方法得到。

Claims (10)

1.一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，包括入气管（2）、测温嘴（1）、测压嘴（3）、气流稳定管（4）、音速喷嘴球形接头（5）、外套螺母（6）、焊接接管嘴（7）； 

气流稳定管（4）一端固定连接入气管（2），另一端固定连接音速喷嘴球形接头（5），气流稳定管（4）上设有测温孔和测压孔，测温嘴（1）、测压嘴（3）分别固定连接在测温孔、测压孔上，音速喷嘴球形接头（5）的另一端与焊接接管嘴（7）通过外套螺母（6）固定连接。 

2.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的入气管（2）、测温嘴（1）、测压嘴（3）、气流稳定管（4）、音速喷嘴球形接头（5）均采用不锈钢材料，各自加工成型后，用焊接的方式形成一个整体。 

3.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的测温嘴（1）用于连接温度传感器，测压嘴（3）用于连接压力传感器，测温嘴（1）、测压嘴（3）的结构形式根据所选用的温度传感器和压力传感器确定。 

4.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的音速喷嘴球形接头（5）内壁面由圆柱段、收敛段、喉道、扩张段连接而成，外壁面由圆柱段、台阶、球面连接而成，球面表面粗糙度Ra优于0.8μm，圆柱段的一端与气流稳定管（4）焊接，球面的一端与焊接接管嘴7中的锥面接触。 

5.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的焊接接管嘴（7）的一端的外壁面设有外螺纹，内壁面由锥面、圆柱段连接而成，锥面与音速喷嘴球形接头（5）的球面相接触，锥表面粗糙度Ra优于0.8μm。 

6.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的外套螺母（6）内部设有内螺纹，外套螺母（6）一端卡住音速喷嘴球形接头（5）外壁面的台阶，另一端的内螺纹与焊接接管嘴（7）的外螺纹配合，外套螺母（6）将音速喷嘴球形接头（5）与焊接接管嘴（7）固定后，焊接接管嘴（7）的锥面与音速喷嘴球形接头（5）的球面压紧形成线密封。 

7.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的入气管（2）内壁面、气流稳定管（4）内壁面、音速喷嘴球形接头（5）内壁面的圆柱段、 焊接接管嘴（7）内壁面的圆柱段直径相同，直径根据气体的流量选取。 

8.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的气流稳定管（4）中，测温、测压孔距离音速喷嘴喉道的长度，大于气流稳定管（4）内径的5倍。 

9.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的音速喷嘴球形接头（5）喉道的直径为： 

对dt进行圆整处理，得到音速喷嘴球形接头（5）喉道的直径，其中，C_d为流量系数， k为气体比热比，R为气体常数，q为需要调节的流量，p^*为音速喷嘴前气体总压，T^*为气体总温。 

10.根据权利要求1所述的一种应用于真空环境气体流量控制的音速喷嘴组件，所述的音速喷嘴球形接头（5）收敛段的收敛角小于60°，扩张角小于30°。 

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