CN100412362C - 用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在低温电子器件密封容器内超长时间保持高真空的低温吸附组合抽气装置，包括：吸附头和传热板；其特征在于，所述吸附头是一具有至少一个孔状或槽状大容量吸附区和至少一个孔状或槽状小容量吸附区的容器，单个小容量吸附区与大容量吸附区的容积比值小于1∶5；所述容量吸附区和小容量吸附区中放置吸附剂，所述吸附头中放入吸附剂后，其上端使用金属丝网覆盖。本发明的低温吸附组合抽气装置，不需要液氮储存筒，具有结构简单、紧凑、小巧的特点。本发明使用时无需高温烘烤，并且对电子器件不存在附加的强电、磁场干扰。在制冷机长期停机后，本发明能随制冷机的启动自行启动，并达到超长时间保持制冷机密封容器内高真空的要求。

Description

用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置

技术领域

本发明属于真空工程领域，具体地说，本发明涉及一种在低温电子器件密封容器内长时间保持高真空的低温吸附抽气装置。

背景技术

吸附现象：空间气体分子在与固体表面碰撞时会在固体表面停留一段时间，故在界面上的气体浓度高于气相中的浓度，表现为一部分气体分子附着在固体表面上，这种现象叫吸附。

物理吸附：气体分子靠范德瓦尔斯力作用附着在固体表面上，而被吸附分子和固体表面的化学性质都保持不变，称为物理吸附。

吸附热：当气体分子由远及近接近表面时，分子与表面之间可能达到最大束缚能量，即由范德瓦尔斯力产生的势能E(z)为负值，气体分子的能量以热量的形式释放，称为吸附热q_p。一般说气体的沸点越高，其吸附热越大，也就更易被吸附。因此低沸点的气体如N₂、H₂、Ne、He气只有在温度足够低的情况下，才有比较显著的吸附现象。

吸附等温线：设吸附在固体表面的是多层分子，由BET多分子层吸附理论可以导出BET等温式

$\frac{P}{\mathrm{\σ}(P_0-P)}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{m}C}+\frac{C-1}{{\mathrm{\σ}}_{m}C}\·\frac{P}{P_0}---\left(1\right)$

式(1)中σ为吸附量，σ_m为单分子层吸附量，P为气体压强，P₀为饱和蒸汽压， $C=\frac{n_e}{n_1}\exp \left(\frac{q_0-q_e}{\mathrm{RT}}\right),$ q₀为第一层的吸附热，q_e为凝结热，n₁为被吸附气体处于吸附相时的分子密度，n_e为自第二吸附层起每一层的分子密度，公式假定各层分子密度相同，即n₂＝n₃＝…＝n_e，R为气体普适常熟，当温度T不变时，C显然是常数。

当以

与为x、y轴作图时，应得一斜线，称为等温线。BET公式常用来测量块状或粉末状固体的比面积，即材料的实际表面积与几何表面积之比或单位重量的面积。表1列出了常用几种吸气材料的比面积。

材料名称	椰壳活性炭	赛纶炭	活性炭	分子筛13x	分子筛5A	分子筛5A
							测试气体	N<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>
比面积(m<sup>2</sup>/g)	889	1170	775	514	600	390

表1

吸附速率：这是评价吸附材料的主要性能的一项指标。我们定义在每平方厘米的吸附剂表面上每秒钟吸附的气体数量为吸附速率，以

(个/厘米²·秒)表示，并有

$\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{dt}}=c^{\′}\·\frac{P}{\sqrt{2\mathrm{\πmkT}}}---\left(2\right)$

式中P为压强，k为玻尔兹曼常数，T为温度，m为分子质量。公式(2)表明在低温下吸附材料具有较高的吸附速率。

常见的吸附泵的结构：一般吸附泵可分为内冷式和外冷式两大类，但结构大体相同，它们都是由吸附空间、吸附剂存放室和液氮贮存筒三部分组成。液氮起到降温的作用，使吸附剂处于低温吸气状态，因此吸附剂存放室和液氮贮存筒紧邻，并使用导热好的材料制做器壁。如果液氮贮存筒在吸附空间的里层，就叫内冷式吸附泵；若液氮贮存筒在吸附空间外面，就叫外冷式吸附泵。

吸附泵的特性可由吸附空间压强随时间变化的关系曲线看出，简称P-t图(压强-时间图)。图1时某吸附泵的P-t曲线。图中显示随时间延长，各曲线趋向一个不变的压强，我们称为极限压强，这也是吸附泵在一定条件下最终能达到的真空值。图1还显示各曲线因起始气压不同，而具有不同的极限压强。例如图1中的曲线，其起始压强为一个Pa，其极限压强为1×10^-4Pa，等等。

低温电子学系统对吸附泵的要求：现代低温电子器件一般被封装在一个真空绝热容器中，利用制冷机提供的冷量维持低温工作条件。由于工作需要，容器内的高真空往往要保持数年甚至十数年之久。为此，传统的工艺是用高温长时烘烤的方法除去容器内壁吸附的气体，再辅以吸附泵、钛离子泵等抽气手段。但这些手段不适合像超导电子学器件这类产品。现代低温电子学器件如超导微波器件、红外探测器件等，多封装在小型制冷机的低温容器内，其共同的特点是；①低温容器内要求真空绝热，真空度达到10^-2Pa以上。②真空器件及小型制冷机均不耐受高温烘烤。③电子器件在封装后要经历较长时间的贮运过程，在此过程中真空环境会因器壁放气而受损害，系统要求在接通电源使制冷机工作后，容器内的真空会自动恢复，而不必依靠外联的抽气手段。④现代低温电子器件不允许存在强电场和强磁场干扰。现有技术无法达到上述要求。

发明内容

本发明的目的是针对现代低温电子学器件对吸附泵的要求，提供一种能够在低温电子器件密封容器内超长时间保持高真空的低温吸附抽气装置。

为实现上述发明目的，本发明提供的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，包括：吸附头1和传热板2；所述吸附头1固定安装在所述传热板2上，所述传热板2固定安装在制冷机冷头7上；其特征在于，所述吸附头是一具有至少一个孔状大容量吸附区4和至少一个孔状小容量吸附区5的容器(如图2所示)，其中单个大容量吸附区4的容积至少为0.5mL，单个小容量吸附区5与大容量吸附区4的容积比值小于1∶5；所述容量吸附区4和小容量吸附区5中放置吸附剂，所述吸附头1中放入吸附剂后，其上端使用金属丝网覆盖。

上述技术方案中，所述吸附头1可采用莲实分区型(如图3a所示)结构。吸附头的形状也不限于圆柱体，也可以是立方体、长方体或其它多面体。

上述技术方案中，所述传热板2上可固定安装一个、两个或两个以上的吸附头1。

上述技术方案中，所述吸附头1包括四个大容量吸附区及四个小容量吸附区。小容量吸附区的数量和尺寸并无严格限定，一般视冷室空间大小和冷头的功率灵活决定。孔径是由吸附头大小决定的并无固定大小。

上述技术方案中，所述吸附头1安装于所述传热板2的下表面，传热板2的上表面可安装微波器件6。

为实现上述发明目的，本发明提供的另一种用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，包括：吸附头1和传热板2；所述吸附头1固定安装在所述传热板2上，所述传热板2固定安装在制冷机冷头7上；其特征在于，所述吸附头是一具有至少一个槽状大容量吸附区4和至少一个槽状小容量吸附区5的容器(如图2所示)，其中单个大容量吸附区4的容积至少为0.5mL，单个小容量吸附区5与大容量吸附区4的容积比值小于1∶5；所述容量吸附区4和小容量吸附区5中放置吸附剂，所述吸附头1中放入吸附剂后，其上端使用金属丝网覆盖。

上述技术方案中，所述吸附头1可采用多环分区型(如图3b所示)或扇形分区型(如图3c所示)结构。吸附头的形状也不限于圆柱体，也可以是立方体、长方体或其它多面体。

上述技术方案中，所述传热板2上可固定安装一个、两个或两个以上的吸附头1。

本发明的低温吸附组合抽气装置是一种超长时间高真空保持装置。它安装在制冷机的冷头上不需要液氮储存筒，具有结构简单、紧凑、小巧的特点。在使用中对载有低温电子学器件的容器无需高温烘烤，该抽气装置对电子器件不存在附加的强电、磁场干扰。在制冷机长期停机后，本发明能随制冷机的启动自行启动，并达到超长时间保持制冷机密封容器内高真空的要求。

附图说明

图1是某吸附泵典型的P-t曲线图，图中各曲线由于具有不同的起点，因而其极限气压也是不同的

图2是低温组合吸附抽气装置中吸附头的结构示意图

图3a是一种可能的吸附头结构示意图

图3b是另一种可能的吸附头结构示意图

图3c是又一种可能的吸附头结构示意图

图4a是实施例1中的吸附头A-0-B剖面图

图4b是实施例1中的吸附头的俯视图

图5是低温吸附组合抽气装置在传热板上的装配图

图6是依据实测数据绘制的压强-时间曲线和温度-时间曲线图

图中1为吸附头、2为传热板、3为传热杆、4为大容量吸附区、5为小容量吸附区、6为微波器件、7为冷头

具体实施方式

本发明主要特征是采用一种组合方式结构的吸附泵用于维持容器内的高真空，而不是像通常所作的那样用于产生真空。其原理是在容器封装前借助外联抽气装置使容器达到一定的真空度，同时制冷机开机工作，使冷头不断传送冷量，并使吸附剂处于低温状态。此时吸附泵开始工作，由图1的曲线可知容器中的极限真空达到10^-5Pa左右。此后器壁随时释放的气体均为吸附泵吸收，容器内仍能维持极限真空。

吸附头有两种吸附区组成，一种是大容量吸附区，内存大量吸附剂，可以提供长期吸附气体的能力，但该区降温缓慢。另一种是小容量吸附区，该区与制冷区冷头有良好的热接触，并且吸附剂数量相对少，因而降温迅速。当制冷机在长期停机后重新开机时，小容量吸附区首先冷却，快速进入吸气状态，使制冷机装有低温电子元件的空间恢复高真空态。继而大容量区逐渐冷却并进入吸气过程。假如没有小容量吸附区，由于高真空没有恢复，绝热环境变差，使制冷机热负荷过高，从而有可能导致全系统恢复过程失败。

在吸附区放入的吸附剂可以从表1所列的各种材料中选择，例如可选择椰壳活性炭，或者赛纶炭等等。

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例1

用紫铜材料按图4a和图4b加工低温吸附组合抽气装置的吸附头，其中吸附头直径为35mm，最大厚度为12mm，孔径为13mm的四孔为大容量吸附区，其孔深为10mm，孔径为5mm的四孔为小容量吸附区，其孔深也为10mm。在上述吸附区内总共载入椰壳活性炭6g，用细孔铜丝网将吸附孔封堵。

图5是低温吸附组合抽气装置在制冷机上的组装图。在传热板的上方是低温电子学器件，在传热板的下面，用螺钉和低温胶固定四个吸附头。

对上述低温吸附组合抽气装置的性能进行了测试，结果如下：

①自启动性能检测

图6是依据实验数据绘出的P-t图和T-t图。其中曲线III是冷头温度随时间变化的T-t图。曲线I和II是真空室内气压随时间变化的P-t图。曲线I的初始条件为P₀＝1.2×10¹Pa，T₀为室温。数据表明在冷头温度为220K时，气压P急速下降至10^-1Pa以下，证明自启动成功。曲线II的初始条件是P₀＝8.3×10⁰Pa，T₀为室温，气压P也在220K附近开始急速下降，75分钟后气压趋向于极限压强，约为2×10³Pa。再一次证明自启动成功。

②真空保持时间的估测

真空保持时间t可依下式计算

$t=\frac{Q}{G}---\left(3\right)$

式中G为系统漏气和释气速率，简称漏释率，Q为压强P下吸附材料的饱和吸气量。

G值是通过实际测量得到的，其值取G＝7×10^-5Pa·l/s。

Q值测量是依据式

Q＝P_max×l    (4)

进行的，式中P_max是真空绝热要求的最高气压。在实验中首先使系统达到低温，压强处于极限气压，然后向系统输气直至气压达到并能维持在P_max＝1×10^-2Pa，这说明P_max即是吸附材料在这一条件下的饱和吸附值。使制冷系统停机，待容器内温度回升至室温，P_max也相应的上升至4.6×10³Pa，以此值代入4式，并考虑真空容积为V＝1l，有

Q＝4.6×10³×1＝4.6×10³Pa·l

将实际测到的Q与G值代入3式就可估算出真空维持时间t为

$t=\frac{Q}{G}=\frac{4.6\×{10}^3}{7\×{10}^{-5}}=6.6\×{10}^{7}s\≈2$ 年

P_max在室温下相当于4.6×10³Pa是经多次试验反复验证后的结果，可见本发明的低温吸附组合抽气装置的实验是可重复的，可靠性是高的；同时还表明当制冷机在室温下长期停机，由于器壁放气使真空压强升至4.6×10³Pa时，低温组合吸气泵仍能自启动工作。

实施例2

用紫铜材料，参考图3b加工低温吸附组合抽气装置的吸附头，其中吸附头直径为40mm，最大厚度为15mm。外环外径为18mm，外环内径为12mm，环深(即环形槽的深度)10mm，称为大容量吸附区。内环外径10mm，内径6mm，环深14mm，称为小容量吸附区。传热杆直径为5mm。在上述吸附区内总共载入椰壳活性炭6g，用细孔铜丝网将吸附孔封堵。

图5是低温吸附组合抽气装置在制冷机上的组装图。在传热板的上方是低温电子学器件，在传热板的下面，用螺钉和低温胶固定四个吸附头。

实施例3

用紫铜材料，参考图3c加工低温吸附组合抽气装置的吸附头，其中吸附头直径为40mm，最大厚度为20m。扇形外直经为38mm，内直径为8mm，大容量吸附区圆心角为50度，小容量吸附区圆心角为17度，扇形区深18mm。在上述吸附区内总共载入揶壳活性炭10克，用细孔铜丝网将吸附孔封堵。

图5是低温吸附组合抽气装置在制冷机上的组装图。在传热板的上方是低温电子学器件，在传热板的下面，用螺钉和低温胶固定4个吸附头。

实施例4

用紫铜材料，参考图3c加工低温吸附组合抽气装置的吸附头，其中吸附头直径为40mm，最大厚度为20m。扇形外直经为38mm，内直径为8mm，大容量吸附区圆心角为50度，小容量吸附区圆心角为17度，扇形区深18mm。在上述吸附区内总共载入揶壳活性炭10克，用细孔铜丝网将吸附孔封堵。

把低温吸附组合抽气装置组装在制冷机上。在传热板的上方安装低温电子学器件，在传热板的下面，用螺钉和低温胶固定1个吸附头。

实施例5

用紫铜材料加工低温吸附组合抽气装置的吸附头，其中吸附头做成一个20mm×20mm×12mm的长方体，该长方体上具有一个孔径为13mm、孔深为10mm的孔作为大容量吸附区，还具有一个孔径为5mm、孔深也为10mm的孔作为小容量吸附区。在上述吸附区内总共载入椰壳活性炭6g，用细孔铜丝网将吸附孔封堵。

图5是低温吸附组合抽气装置在制冷机上的组装图。在传热板的上方是低温电子学器件，在传热板的下面，用螺钉和低温胶固定四个吸附头。

Claims (7)

1. 一种用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，包括：吸附头(1)和传热板(2)；所述吸附头(1)固定安装在所述传热板(2)上，所述传热板(2)固定安装在制冷机冷头(7)上；其特征在于，所述吸附头是一具有至少一个孔状大容量吸附区(4)和至少一个孔状小容量吸附区(5)的容器，其中单个大容量吸附区(4)的容积至少为0.5mL，单个小容量吸附区(5)与大容量吸附区(4)的容积比值小于1∶5；所述大容量吸附区(4)和小容量吸附区(5)中放置吸附剂，所述吸附头(1)中放入吸附剂后，其上端使用金属丝网覆盖。

2. 按权利要求1所述的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，其特征在于，所述吸附头(1)可采用莲实分区型结构。

3. 按权利要求1所述的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，其特征在于，所述传热板(2)上可固定安装一个、两个或两个以上的吸附头(1)。

4. 按权利要求2所述的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，其特征在于，所述吸附头(1)包括四个大容量吸附区(4)及四个小容量吸附区(5)。

5. 一种用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，包括：吸附头(1)和传热板(2)；所述吸附头(1)固定安装在所述传热板(2)上，所述传热板(2)固定安装在制冷机冷头(7)上；其特征在于，所述吸附头是一具有至少一个槽状大容量吸附区(4)和至少一个槽状小容量吸附区(5)的容器，其中单个大容量吸附区(4)的容积至少为0.5mL，单个小容量吸附区(5)与大容量吸附区(4)的容积比值小于1∶5；所述大容量吸附区(4)和小容量吸附区(5)中放置吸附剂，所述吸附头(1)中放入吸附剂后，其上端使用金属丝网覆盖。

6. 按权利要求5所述的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，其特征在于，所述吸附头(1)可采用多环分区型或扇形分区型结构。

7. 按权利要求5所述的用于保持密封容器内高真空的低温吸附组合抽气装置，其特征在于，所述传热板(2)上可固定安装一个、两个或两个以上的吸附头(1)。

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