СПОСОБ ВАКУУМИРОВАНИЯ ГЕРМООБЪЕМА Российский патент 1999 года по МПК F04B37/02 G01L7/00 H01J41/16 

Изобретение относится к способам вакуумирования гермообъемов и преимущественно может быть использовано в холодильной, морозильной технике и устройствах кондиционирования и осушения воздуха с использованием термоэлектрических модулей на эффекте Пельтье, а также в измерительной технике, радиоэлектронной аппаратуре электровакуумных приборах и т.д.

Известно, что в термоэлектрических холодильниках для повышения эффективности термоэлементов на эффекте Пельтье, последние помещают в вакуумированные гермообъемы с разрежением 10^-3...10^-4 мм рт. ст. [1- 3].

Однако с течением времени происходит снижение вакуума из-за газовыделения материалов, образующих гермообъем.

Известно, что для компенсации вышеупомянутого газовыделения (долговременного поддержания необходимого вакуума) в измерительных и электровакуумных приборах используются молекулярные газопоглотители (геттеры) [4].

Однако известные геттеры активизируются, т.е. включаются в рабочее состояние только после долговременного высокотемпературного (250...1000^oC) прогрева в рабочей камере гермообъема [5]. Конструктивное исполнение многих вакуумированных гермообъемов, например, в термоэлектрических холодильниках, кондиционерах и других конструкциях, содержащих резиновые вакуумные уплотнения, термоэлектрические модули, полупроводниковые приборы и т.п., не допускает нагрев до столь высоких температур [6, 7].

Известен [8] способ вакуумирования гермообъемов, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Этот способ заключается в следующем. Предварительно в геттерную капсулу помещают прессованную таблетку из геттерного сплава Zr-Al. Далее капсулу в таблетке размещают в камере вакуумной установки, где при температуре 900^oC и вакууме 10^-5 мм рт. ст. проводят активировку геттерного сплава. Затем на активированный состав Zr-Al проводят формирование дополнительного защитного геттерного слоя на основе Al-Ni, временно герметизирующего капсулу. Формирование этого защитного слоя осуществляется за счет напыления состава Al-Ni на поверхность таблетки из Zr-Al. Затем геттерную капсулу извлекают из вакуумной установки, закрепляют в рабочем объеме и производят вакуумирование последнего. После достижения определенного вакуума (например, давления разрежения порядка 10^-1 мм рт.ст.) на геттерную капсулу воздействуют тепловым импульсом, источником которого является расфокусированный лазерный луч, обеспечивающий нагрев дополнительного защитного геттерного слоя Al-Ni до температуры 250^oC, обеспечивающей разрыхление этого слоя. После окончания воздействия теплового импульса герметизируют рабочий объем. При этом геттер находится в активном состоянии, которое обеспечено основным геттерным составом Zr-Al, открытым для газопоглощения за счет активации и последующего разрыхления защитного слоя Al-Ni тепловым импульсом.

Однако известный способ является технологически сложным, многостадийным, требующим для своего исполнения сложного и энергонасыщенного оборудования: вакуумная установка для активации основного геттера и напыления временного защитного герметизирующего геттерного слоя, лазерная установка для разрыхления защитного слоя.

Временный цикл для проведения известного технологического процесса является длительным. Использования известного способа требует увеличения номенклатуры геттерных материалов.

В случае некачественной предварительной подготовки внутренних поверхностей гермообъема и элементов, расположенных в нем (загрязненные поверхности), возможно быстрое повышение давления в гермообъеме вследствие аномально высокого газовыделения, приводящего как к сокращению расчетного времени работы геттера, так и к полному его насыщению (выходу из строя). Данный недостаток может быть определен в течение от нескольких часов до нескольких суток после вакуумирования и герметизации рабочего объема. Для устранения данного недостатка необходима замена геттера с последующим проведением вновь всего процесса вакуумирования по известному способу.

Все это в конечном итоге приводит к значительному увеличению трудоемкости и удорожанию технологического процесса.

Поскольку разрыхление защитного слоя происходит при температуре, достигающей 250^oC, известный способ не исключает разогрев гермообъема до температур, критичных для элементов, расположенных в гермообъеме (резиновые вакуумные уплотнения, термоэлектрические модули, полупроводниковые приборы и т. п. ). Это может привести к снижению вакуума и выходу из строя элементов в гермообъеме.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке более технологичного, менее трудоемкого и сложного, более экономичного способа вакуумирования по сравнению с известным способом, обеспечивающим долговременное поддержание требуемого вакуума и сохранения работоспособности элементов в гермообъеме за счет исключения возможности повышения температуры внутри гермообъема при приведении геттера в рабочее состояние.

Согласно изобретению, в известном способе, включающем операцию размещения геттера в капсуле, откачки капсулы и активировки геттера, установки капсулы в рабочий объем, его откачки, и герметизации, после чего приводят геттер в рабочее состояние, для решения поставленной задачи - приведения геттера в рабочее состояние - производят механическое разрушение капсулы, выполненной из хрупкого вакуумплотного материала.

В отличие от известного способа в заявляемом техническом решении не требуется напыления защитного геттерного слоя на основной геттер, а следовательно, отпадает необходимость использования вакуумной установки для напыления этого слоя и лазера для последующего разрыхления, что приводит к упрощению технологического цикла, снижению трудоемкости и снижению водо- и энергопотребления. Временной цикл проведения технологического процесса также сокращается.

Использование заявляемого способа позволяет применять только один геттерный состав (вместо двух, используемых в известном техническом решении).

В отличие от известного технического решения появляется возможность приведения геттера в рабочее состояние (механическое разрушение капсулы) после осуществления контроля величины остаточного давления в гермообъеме, что предохраняет геттер от выхода из строя в случае аномально высокого газовыделения, например, при некачественной предварительной подготовке внутренних поверхностей гермообъема и элементов, расположенных в нем.

Активировка геттера осуществляется в капсуле до ее установки в рабочий объем. Поэтому приведение геттера в рабочее состояние внутри гермообъема (механическое разрушение капсулы) не может привести к повышению температуры внутри гермообъема, а следовательно к разрушению и выходу из строя критичных к повышению температуры материалов и элементов (резиновые вакуумные уплотнения, термоэлектрические модули полупроводниковые приборы и т.п.).

Рассмотрим конкретный пример реализации способа в электротермохолодильном агрегате (ЭТХА), принцип действия которого основан на эффекте Пельтье. Геттерную таблетку, например марки ТНТФ10-2, помещают в капсулу из хрупкого вакуумплотного материала, например кварцевого стекла или химически чистого стекла "Пирекс". Капсулу с геттером подключают к вакуумному насосу и производят вакуумирование капсулы до давления 10^-5 мм рт.ст. Затем производят нагрев капсулы до температуры активировки геттера (в частности, для геттера ТНТФ10-2 эта температура не превышает 250-300^oC), после чего герметизируют капсулу путем запайки стекла. Загерметизированную капсулу помещают в рабочий объем ЭТХА, в котором расположены термоэлектрические модули. Капсулу помещают в специально предусмотренный паз (нишу) внутри рабочего объема ЭТХА и закрывают газопроницаемой мембраной, исключающей попадание осколков капсулы в рабочий объем ЭТХА. Перед вакуумированием и сборкой производят подготовку поверхностей и элементов, находящихся в рабочем объеме в соответствии с требованиями вакуумной гигиены. Откачивают рабочий объем ЭТХА до давления не выше 10^-4 мм рт.ст. и производят его герметизацию путем пережима металлического штенгеля. По истечении времени не менее 24 часов после герметизации рабочего объема производят косвенный контроль степени разрежения рабочего объема. Если давление в рабочем объеме находится в допустимых для ЭТХА пределах, производят механическое разрушение капсулы, например, путем ручного встряхивания ЭТХА или встряхивания на вибро- или ударном стенде.

Если давление в рабочем объеме выше допустимого, производят разгерметизацию рабочего объема, повторную тщательную подготовку рабочего объема, откачку и последующую его герметизацию, а после проведения косвенного объема степени разрежения приводят геттер в рабочее состояние.

Следует подчеркнуть, что конкретная реализация заявляемого способа в термоэлектрических кондиционерах и осушителях, измерительной технике, радиоэлектронной аппаратуре и электровакуумных приборах не отличается от рассмотренного примера ЭТХА.

Источники информации
1. А.с. СССР N 342024; F 25 B 21/02, 1972 г.

2. Патент РФ N 2077684; "Термоэлектрическое охлаждающее устройство", F 25 D 11/00, 1997 г.

3. Заявка РФ N 94003299; Термоэлектрическое охлаждающее устройство", F 25 B 21/02, 1995 г.

4. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. //М.-Л., "Энергия", 1964.

5. Газопоглотитель ТНТФ10-2; ТУ 11-94 ЮКЖБ 757627.007 ТУ
6. Резина 9024 ТУ 38.105 1833-88
7. Модули термоэлектрические: ТУ 92.201.000-94
8. А. с. N 1809337 "Способ изготовления датчика абсолютного давления", 1993 г., G 01 L 7/00 (Прототип)е

Изобретение может быть использовано в холодильной, морозильной технике и устройствах кондиционирования и осушения воздуха с использованием термоэлектрических модулей на эффекте Пельтье, а также в измерительной технике, радиоэлектронной аппаратуре, электровакуумных приборах и т.п. Геттер размещают в капсуле, которую подключают к вакуумному насосу. Проводят откачку капсулы и активировку геттера. Загерметезированную капсулу помещают в рабочий объем, производят его откачку и герметизацию. После чего приводят геттер в рабочее состояние путем механического разрушения капсулы, выполненной из хрупкого вакуумплотного материала. Это позволяет разработать более технологичный, менее трудоемкий и сложный, более эффективный и экономичный способ вакуумирования гермообъемов. Изобретение обеспечивает долговременное поддержание требуемого вакуума и сохранение работоспособности элементов в гермообъеме за счет исключения возможности повышения температуры внутри гермообъема при приведении геттера в рабочее состояние.

Способ вакуумирования гермообъема, включающий операции размещения геттера в капсуле, откачки капсулы и активировки геттера, герметизации капсулы, установки капсулы в рабочий объем, его откачки и герметизации, после чего приводят геттер в рабочее состояние, отличающийся тем, что приведение геттера в рабочее состояние производят путем механического разрушения капсулы, выполненной из хрупкого вакуум-плотного материала.