CN103234299A - 一种提升和维持真空腔体真空度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用TEC制冷器给分子筛制冷提升和维持真空腔体真空度的方法，将真空腔体抽真空到至少10E-3mbar以上可达到的极限真空度；给TEC制冷器通电,TEC冷端对分子筛制冷至可达到的极限低温;分子筛被深度制冷后,气体吸附能力倍增,能够强力吸附真空腔体内残留大气和真空部件挥发气体，关闭真空腔体抽口阀门后,可使真空度维持在10E-6mbar水平，并能长期维持。本发明分子筛作为气体吸附剂,分子筛温度越低，吸附能力越强，使用TEC制冷器给分子筛深度制冷,分子筛的吸附能力倍增，有效提升并维持真空腔体真空度，能够满足较高真空度设备使用需求，体积小，成本低，效率高，使用简便、可重复使用。

Description

一种提升和维持真空腔体真空度的方法

技术领域

本发明应用于真空及CCD制冷技术领域，具体涉及一种利用TEC制冷器给分子筛制冷来提升和维持真空腔体真空度的方法。

背景技术

天文用CCD为了提高成像信号的信噪比，抑制由CCD电路产生的热噪声和暗电流，工作时通常制冷至低于-50°C，有些型号CCD甚至要求工作温度低于-80°C。在设计CCD系统时，根据CCD温度特性，通常将CCD放置在真空杜瓦中，使用液氮、TEC制冷器或者制冷机等进行深度制冷。为了提高制冷效率，防止气体对流导致的热交换，CCD杜瓦要保持较高的真空度，一般维持在10E-3mbar以上，杜瓦真空度越高，制冷效率就会越高，所需制冷耗功率越低，因此如何能使CCD杜瓦保持较高真空度就成了一个必须考虑的问题。

目前天文界CCD杜瓦维持较高真空度的方法是使用离子泵技术，也就是首先使用真空泵将杜瓦抽至较高真空度10E-6mbar以上，然后启动离子泵，离子泵工作时能不断吸附杜瓦内零部件挥发的气体，始终能够将杜瓦真空度维持在10E-6mbar或更高空度。但是离子泵的使用有很大局限性，首先对真空杜瓦要求高，内部放气量不能大，大放气量状态离子泵不能启动，强行启动离子泵会很快报废，不可逆转，而离子泵价格十分昂贵，且属于一次性设备，离子泵吸附饱和达到使用寿命后,需更换新离子泵，如果发生使用失误可能造成离子泵不的损坏；其次是离子泵启动后不能断电，如果发生意外断电离子泵停止工作，离子泵将失去吸附作用，此时杜瓦内部的电线等部件由于在真空状态下不断挥发气体、积累，经实验室证明，大概只须经过1-2小时的时间，杜瓦真空度会迅速降至10E-1mbar以下，达到离子泵不能启动的状态，如果要重新启动离子泵恢复杜瓦工作状态，需要使用真空泵将杜瓦重新抽真空至10E-6mbar以上，才能启动离子泵。这表明，离子泵技术的使用需要的条件很苛刻，而且运行和维护代价比较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种利用TEC制冷器给分子筛制冷来提升和维持真空腔体真空度的方法，即在杜瓦内部设置由TEC制冷的分子筛，在真空度10E-3mbar基础上，有效吸附杜瓦内部残留大气和电线等部件不断挥发的气体，使真空度提升至10E-6mbar级别，并能长时间维持，且分子筛吸附饱和后，经过释放处理，可以恢复性能，反复使用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提升和维持真空腔体真空度的方法，包括以下步骤：

(1)将真空腔体抽真空至10E-3mbar以上尽可能高的真空度；

(2)所述真空腔体内，TEC制冷器通电工作,TEC制冷器的冷端给与其热导通的分子筛制冷至尽可能低的温度。

所述分子筛在真空低温状态下吸附真空腔体内的残留大气和真空部件挥发气体，使真空腔体的真空度提升至10E-6mbar以上，并长期维持。

优选地，所述步骤（1）的真空腔体为CCD杜瓦，内部设有CCD探测器、TEC制冷器、分子筛。

优选地，所述步骤（1）利用真空泵将CCD杜瓦抽真空。

优选地，所述步骤（3）TEC制冷器的冷端分别与分子筛和CCD探测器热导通。

优选地，所述步骤（3）TEC制冷器热端的热量可以通过散热系统带走。

优选地，所述散热系统采用风冷或水冷散热系统。

优选地，在步骤（2）前或后，关闭真空腔体抽口阀门，停止抽真空；如果能够较长时间抽真空，在步骤（2）之后停止抽真空的提升真空的效率更高。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）本发明分子筛作为气体吸附剂,在真空环境中温度越低，分子筛的吸附能力越强，经实验证明，通过TEC制冷器给分子筛强力制冷,当分子筛温度达到低于-40℃，这是通过水冷给分子筛冷却降温达不到的。分子筛的吸附能力倍增,将真空度提高到10E-6mbar以上，有效防止气体对流热传递，有效节省TEC制冷器的制冷能量，提高对CCD探测器的制冷效率。

2）本发明有效解决了真空腔体较高真空度自密封问题，解决了使用离子泵维持真空不能断电，一旦断电需要重新对真空腔体抽真空来使离子泵恢复工作的难题，而且使用TEC制冷分子筛作为真空维持装置，在一定程度上可以替代昂贵的一次性离子泵设备，由其是分子筛饱和后经过活化处理可反复使用，具有很高性价比。

3）经实验证明，在TEC制冷器持续工作条件下，较高真空度维持时间超过12个月以上。经过实验室验证，即使TEC意外发生断电，分子筛虽然吸附能力大大降低，但仍具吸附能力，只要在48小时内恢复供电，真空腔体真空杜仍能在30-60分钟内恢复至10E-6mbar级别，无须抽真空处理，因此，可按照实际观测需求，白天不观测TEC可断电节能，夜晚观测TEC通电，使用方便，限制条件少，具有明显节能效果。

附图说明

图1为发明的工作原理图。

图2为本实施例1的结构示意图；

图3为图2的B-B剖面图；

图4为杜瓦的真空腔体的结构示意图；

图5为风冷散热系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明分子筛作为气体吸附剂,如图1所示，在真空腔体1中温度越低，分子筛5的吸附能力越强，经实验证明，通过TEC制冷器6给分子筛强力制冷,当分子筛温度达到低于-40℃，分子筛的吸附能力倍增,分子筛能够强力、大量吸附真空腔体内的残留大气成分和线缆挥发物，能将真空度提高到10E-6mbar以上，有效防止气体对流热传递，有效节省TEC制冷器的制冷能量，提高对CCD探测器的制冷效率。

实施例1

如图2、3所示,本实施例包括真空腔体1、CCD探测器3、TEC制冷器、风冷散热系统7、分子筛5，所述TEC制冷器采用三级TEC制冷片6；

如图3所示，所述三级TEC制冷片6的冷端通过冷指2分别与分子筛5和CCD探测器3进行热导通，TEC制冷器的冷端给分子筛深度制冷，热端与风冷散热系统7热导通，进行强力散热，保证TEC制冷效率。所述冷指2的一端与CCD探测器3底部接触，另一端与三级TEC制冷片6冷端接触。所述分子筛5固定设置在冷指2上。所述冷指2靠近CCD探测器3的一端连接温度传感器4，用于检测CCD探测器3温度，根据探测的温度进行温控。

如图2、4、5所示，所述风冷散热系统7是由热沉11和风扇14连接组成。如图2、4所示，所述真空腔体1包括真空腔体13，该真空腔体13上部通过玻璃密封压圈8和玻璃O型密封圈9固定设置光学封窗玻璃10,达到密封效果；所述真空腔体13内部设置CCD探测器3、分子筛5和三级TEC制冷片6，底部由热沉11密封设置；所述热沉11的上端设置为平面,通过腔体O型密封圈12与真空腔体13密封连接,并与真空腔体13内部的三级TEC制冷片6的热端连接进行热传导；热沉11的下端加工成表面积很大的散热通道,在真空腔体1外与风扇14连接,热沉11上有安装孔位,风扇14用螺栓连接散热通道。所述真空腔体13侧壁设置CCD电路接口15、TEC制冷温控电路接口16、杜瓦真空抽口17。

使用时，将所述CCD电路经接口15和TEC制冷温控电路经接口16分别焊接在各自的航空密封插座上，保证真空腔体1内、外电路正确连接。安装CCD探测器3，密封真空腔体1，将风扇14安装在真空腔体1底部热沉11上；连接外部电路航空插座；将真空腔体1安装在望远镜后端，保证CCD成像靶面严格位于望远镜成像焦面。

1)使用真空泵连接杜瓦真空抽口17，将真空腔体1真空度抽至10E-3mbar以上，可尽量抽高真空度使效果更佳；

2)关闭真空腔体抽口阀门和真空泵，使真空腔体进入自密封阶段；

3)开启TEC制冷片6的制冷控制器电路，同时开启风扇14散热，TEC制冷器开始制冷，三级TEC制冷片6通电后一端变冷一端变热，冷端和热端会有一个温度差。冷端与分子筛5和CCD探测器3热导通，热端与风冷散热系统7热导通，三级TEC制冷片6热端的热量被风冷散热系统7带走，不会有大量热量积累，如此热端通过风冷散热系统7将TEC产生的热量不断被带走，TEC冷热两端达到较大温差，冷端连接的CCD探测器3的温度降的更低。同时，分子筛5通过三级TEC制冷片6制冷进行热传导降温，可将真空腔体内的分子筛用降温至能够达到的制冷极限低温。

4)所述分子筛在10E-3mbar真空度以上开始有效吸附真空腔体内的残留大气成分和真空内线缆等部件挥发物，分子筛温度越低，分子筛的吸附能力越强，在30-60分钟内，分子筛可以将真空度提高到10E-6mbar或10E-6mbar以上，这种较高的真空状态，可以防止气体对流热传递，并能长期维持，有效节省三级TEC制冷片6的制冷能量和能耗，提高对CCD探测器3的制冷效率。

在真空和低温的环境下，CCD探测器3的暗电流和热噪声被压制，能够捕捉极为微弱的电信号，用于观测探极暗、极远发光星体。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，TEC制冷器的热端的热量可以通过水冷方式的散热系统带走，即在热沉11的下端连接水冷散热系统（图略）；首先将真空腔体1真空度抽至10E-4mbar以上，TEC制冷器通电工作,TEC制冷器的冷端给与其热导通的分子筛制冷至尽可能低的温度，分子筛进行强力吸附后，关闭真空腔体抽口阀门,停止抽真空。

本发明上述实施例仅为本专利较好的实施方式，凡采用本技术方案描述的构造、特征及在其精神原理上的变化、修饰均属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将真空腔体抽真空至10E-3mbar以上；

(2)所述真空腔体内，TEC制冷器通电工作,TEC制冷器的冷端给与其热导通的分子筛制冷。

2.根据权利要求1所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于，所述分子筛在真空低温状态下气体吸附能力倍增进行吸附，使真空腔体的真空度提升至10E-6mbar以上，并维持。

3.根据权利要求1所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于，所述步骤（1）的真空腔体为CCD杜瓦，内部设有CCD探测器、TEC制冷器、分子筛。

4.根据权利要求3所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于：所述步骤（1）利用真空泵对CCD杜瓦进行抽真空。

5.根据权利要求4所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于：所述步骤（2）TEC制冷器的冷端分别与分子筛和CCD探测器热导通。

6.根据权利要求5所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于：所述步骤（2）TEC制冷器热端的热量通过散热系统带走。

7.根据权利要求6所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于：所述散热系统采用风冷或水冷散热系统。

8.根据权利要求1或7所述的提升和维持真空腔体真空度的方法，其特征在于，在所述步骤（2）前或后，关闭真空腔体抽口阀门,停止抽真空。

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