CN103775791A

CN103775791A - 高气密性机电装置壳体

Info

Publication number: CN103775791A
Application number: CN201410060566.3A
Authority: CN
Inventors: 马要武; 阮芬; 马骏; 黄品真; 马千晶; 马千佳; 乔治·马
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2014-05-07
Also published as: US20170222388A1; WO2015124093A1

Abstract

本发明的高气密性机电装置壳体，具有底板、框体壁和壳体盖，这些部件的基材以及它们之间的连接处的基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，这些部件之间的连接处的至少一处，使用螺纹，挤压空芯金属密封圈，进行密封，其它连接处，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺和陶瓷成形烧结加工工艺中的一种及以上，进行密封。壳体具有窗口玻璃、管道、连通内外的电极。本发明的管道接口与可开通与关闭的阀门，密封时隔绝内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，使用螺纹推进或电动推进运动部件，直行或旋转方式，挤压空芯金属密封圈，进行连接密封。

Description

高气密性机电装置壳体

技术领域

本发明涉及一种机电装置，尤其涉及一种高气密性机电装置壳体。

背景技术

机电装置广泛地用于工业、农业、医疗等领域，机电装置种类很多，如激光器、照明光源、照相机、摄像机、计算机、数据库硬盘、电话机、示波器、万用电表、通讯设备、电信号处理器、微波组件、传感器、空调机、高温加热炉和超低温冷却装置，是可经常用到的机电装置。这些机电装置的壳体，有些不需要密封，有些必须要密封，有些在密封的情况下会产生更好性能。

激光器作为机电装置的一种，是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。由于激光器是高能量密度及高精密的发光装置，为了稳定保持性能，一些激光器壳体采用超低漏气的密封方法，并在壳体内部封入特殊的气体，例如氮气和惰性气体等。TO-Can和碟型壳体都是这样的激光器。气体激光器也只有在特殊气体存在时才能工作。金属，玻璃和陶瓷是气密性很好的材料，即漏气很低的材料。别的材料，例如塑料等有机材料的气密性不好。若激光器壳体的部件材料及密封界面是金属，玻璃和陶瓷，就可得到好的气密性。若激光器壳体还具有别的材料，这些的材料的密封效果是不被考虑的。这样的密封方法，这里称为气密性密封。采用橡皮圈，塑料或粘接剂的密封方法，因为其气密性差了几个数量级，这里不称为气密性密封。

然而，TO-Can和碟型壳体这样的激光器，都是采用金属焊接密封的。打开密封，修理，再密封很困难。好在TO-Can和碟型壳体这样的激光器，小型结构简单，大量生产，价格不贵。如有故障，一般不修理，采用更换。但是，对于大型结构复杂，价格贵的激光器，修理是必要的。为了容易开封，再密封，现在世界上这样的激光器大都采用橡皮圈或粘接剂进行密封。橡皮圈和粘接剂的密封方法，漏气大，与金属焊接密封方法相比，大几个数量级。因此，采用橡皮圈或粘接剂进行密封的大型激光器，稳定性和寿命都比TO-Can和碟型激光器差很多。

另外，几乎所有的固体激光器的倍频组件和放大组件，以及许多气体激光器的谐振腔都不是气密性密封。其内部许多零配件是通过调整到位的。在最佳调整位置，若不锁定，稳定性较差。若锁定，如何锁定才能可靠方便需要有很多技术。例如用粘接剂锁定是常用的简单方便方法。然而，许多粘接剂在遇到湿气等气体时，其形状会有变化，这就破坏了最佳调整位置。因为这些壳体不是气密性密封的，湿气等容易进入壳体内部，影响激光器的稳定性。

为了得到好的气密性，有个别大型激光器通过挤压金属铜垫圈进行密封，但因为需要非常大的挤压力，难于实现，这样的密封不常用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种密封性好，容易开封，拆开后再装配也容易保证良好气密性，且实现和保持合适气体环境的机电装置壳体。

为解决上述技术问题，本发明采用空芯金属密封圈进行密封。空芯金属密封圈不需要很大的挤压力，来填充缝隙进行密封。空芯金属密封圈可做成合适的形状，由不同硬软种类的金属构成。密封时，软的金属可填充缝隙进行密封，硬的金属在振动和长时间压力有变化时，具有弹性来顺应缝隙的变化。本发明采用如下技术方案：

高气密性机电装置壳体，具有底板、框体壁和壳体盖，这些部件的基材以及它们之间的连接处的基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，这些部件之间的连接处的至少一处，使用螺纹，挤压空芯金属密封圈，进行密封，其它连接处，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺和陶瓷成形烧结加工工艺中的一种及以上，进行密封。

所述壳体具有窗口玻璃、管道、连通内外的粗电极和细电极中的一种及以上，这些部件的基材，以及它们与所述底板、框体壁和壳体盖之间的连接处的基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，在这些部件之间的连接处，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺、陶瓷成形烧结加工工艺和空芯金属密封圈加压密封工艺中的一种及以上，进行密封。

所述底板和框体壁是一体的部件，或框体壁和壳体盖是一体的部件。

在所述底板、框体壁和壳体盖中的一种及以上，开设有用于安装机电元器件的壳体内部螺纹盲孔和壳体外部螺纹盲孔中的一种及以上。

在壳体外部的所述管道的密封工艺是，加热熔实、钳断、或连接阀门进行关闭。

高气密性机电装置壳体，具有管道接口，该管道接口连接密封时隔绝管道接口内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，使用螺纹推进运动部件，直行或旋转方式，挤压空芯金属密封圈，进行连接密封。

高气密性机电装置壳体，具有可开通与关闭的阀门，该阀门关闭时隔绝阀门内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，使用螺纹推进或电动推进阀门运动部件，直行或旋转方式，挤压或松开阀门内部的空芯金属密封圈，进行关闭或开通阀门。

两个及以上的壳体，通过使用管道、所述管道接口和所述阀门中的一种及以上，进行连接密封。

所述空芯金属密封圈是C型、弹簧增强C型、E型、W型、O型、U型和V型中的一种及以上。

在所述壳体内部，封入真空、氮气、惰性气体、冷媒气液体和液体中的一种及以上。

附图说明

图1是本发明的一个高气密性机电装置壳体的一个方向的斜视图；

图2是图1机电装置壳体的另一个方向的斜视图；

图3是图1机电装置壳体的剖视图；

图4是图3中C型空芯金属密封圈的结构示意图；

图5是图4中密封圈没有被压缩时断面图；

图6是图4中密封圈被压缩时的断面图；

图7是图3中弹簧增强C型空芯金属密封圈一部分的结构示意图；

图8是图7中密封圈没有被压缩时的断面图；

图9是图7中密封圈被压缩时的断面图；

图10是图1机电装置壳体盖打开时去掉管道和阀门的结构示意图；

图11是图1机电装置壳体盖打开时从底部朝上看时的结构示意图；

图12是本发明中阀门的结构示意图；

图13是图12中阀门的剖面图；

图14是图12中旋钮开关与阀体中分离状态的结构示意图；

图15是本发明中阀门和管道的管道接口连接结构示意图；

图16是本发明的一个没有窗口的高气密性机电装置壳体的结构示意图；

图17是本发明的一个太阳能充电或无线电充电的高气密性机电装置壳体的结构示意图；

图18是本发明的一个薄壁框体的高气密性机电装置壳体的结构示意图。

具体实施方式

图1和图2是本发明的一个高气密性机电装置壳体的两个不同方向的斜视图。壳体主要由底板1、框体壁2和壳体盖3组成。螺钉4将壳体盖3紧密地固定在框体壁2上。框体壁2的四角处有四个孔5可用螺钉将机电装置壳体固定在别的支架上。

机电装置是激光器时，壳体内部产生的激光，通过壳体窗口6输出。输出的激光可能需要耦合到光导纤维，这样在框体壁2上设置了螺钉孔7，以便固定耦合机构。螺钉孔7是盲孔，不是贯通壳体内外的通孔，所以螺钉孔7不影响壳体的密封性能。

壳体内部，放入激光器的元器件。这些元器件通常有晶体、玻璃、金属、温度控制元件、温度监控元件、湿度监控元件、光功率监控元件等。这些元器件通常用螺钉、焊接和粘接剂固定在壳体内部。对于激光器壳体来说，电源及电信号通过粗电极8和细电极9从外部与激光器内部的元器件相联。大电流通过粗电极8，小电流通过细电极9。

在很多情况下，激光器壳体内部一直保持氮气、惰性气体或真空的话，激光器的寿命会提高很多。如果，激光器壳体的底板1、框体壁2和壳体盖3的连接处的最后密封工序是在充满所需气体或真空的另一个大壳体，如手套箱中进行，所需气体或真空就被封入壳体内部了。

激光器壳体的底板1、框体壁2和壳体盖3的连接处的密封，在普通空气状况下通常比较容易做。这时，在其密封后，可通过连接在壳体上的管道10，将所需气体注入壳体内部或抽真空。然后将管道10钳断，烧实或用阀门11封闭。

图3是机电装置壳体的剖视图，以说明底板1、框体壁2和壳体盖3的气密性密封。为了得到好的气密性，底板1、框体壁2和壳体盖3的部件基材是金属、玻璃和陶瓷材料。这些部件表面可以有涂漆等，但涂漆等的密封效果这里不予考虑。底板1与框体壁2之间，放入C型空芯金属密封圈12。C型圈12是弹性好的金属材料。为了得到好的密封效果，C型圈可以表面抛光，并镀上金、银、铜、锡等软金属材料。同样与C型圈12接触的底板1与框体壁2表面，保持金属、玻璃和陶瓷材料，表面粗糙度小且平整，不能有涂漆等。这样，螺钉13加压可使C型圈12与底板1与框体壁2表面的接触很好，氦气的漏气率可低至1x10^-12Pa m³/sec每mm金属圈长度。1x10^-10Pa m³/sec约等于1x10^-9atm cc/sec，其意义是在1个标准大气压差下，氦气每30年漏气1cc，或空气每80年约漏气1cc。

图3的框体壁2与壳体盖3之间，放入金属弹簧增强C型圈14。金属弹簧增强C型圈14比C型圈12的密封性能好一个数量级。金属弹簧增强C型圈14放在壳体盖3处的环形槽15内。图3所示是还没有被压缩状态。螺钉4旋紧时，圆柱形螺旋弹簧被压缩成椭圆柱形。

图4是C型空芯金属密封圈12在没有被压缩时的结构示意图，其断面结构如图5所示，被压缩时，其断面结构如图6所示。

图7是弹簧增强C型圈14的一部分。它是由C型圈和穿设在C型圈内的螺旋弹簧圈16构成。图8和图9分别表示了没有被压缩时和被压缩时的剖面形状。螺旋弹簧圈16有利于顺应长度方向的框体壁2与壳体盖3表面的不平整。

空芯金属密封圈有许多种，根据剖面形状，还有O型、W型、E型、U型、V型、超级C型等，这些都可用于本发明的目的，选择时需考虑其密封性能，挤压力等参数。

为了简化密封和降低壳体成本，底板1和框体壁2可做成为一体成型的部件，或框体壁2和壳体盖3可做成为一体成型的部件。

关于粗电极8和细电极9分别与壳体，如框体壁2或壳体盖3之间，需要很好的密封方法。橡皮圈和粘结剂的密封方法不可采用，因其密封性能差。需要采用加热焊接的方法，如焊锡焊接、铜焊焊接、玻璃焊接和陶瓷成形烧结等。

关于管道10与壳体之间的密封方法。橡皮圈、塑料和粘结剂的密封方法不可，需要使用加热焊接的方法，如焊锡焊接、铜焊焊接、玻璃焊接和陶瓷成形烧结等。管道10可以是金属材料或玻璃材料。在充入好所需气体或抽好真空后，将金属材料或玻璃材料的管道10烧熔压实进行密封。

对于一部分的金属材料如铜和铝，还可简单地钳断管道10进行密封。钳断管道10时，金属材料管道10首先被挤压成小缝隙。然后钳断时的继续挤压，金属材料产生很大的塑性变形，缝隙两边的金属材料就被冷压焊接在一起，缝隙也就消失了。这种钳断密封的方法有很好的密封性能。

管道10的密封除了上述的烧熔压实密封和钳断密封外，还可以使用阀门11进行密封，以便多次开封，再密封。阀门11和管道10的连接密封可以是加热焊接密封，空芯金属密封圈挤压密封，或事先就是一体的部件。

图10是图1高气密性机电装置壳体的壳体盖打开时去掉管道和阀门的结构示意图。窗口6处安装有分隔壳体内部与外部的透明窗口玻璃17。壳体内部产生的激光，通过透明窗口玻璃17和窗口6输出。透明窗口玻璃17与壳体，如框体壁2或壳体盖3之间，需要很好的密封方法。橡皮圈和粘结剂的密封方法不可，需要使用加热焊接的方法，如焊锡焊接，玻璃焊接，陶瓷成形烧结等。当透明窗口玻璃15是熔点不太高的玻璃时，可用焊锡焊接，玻璃焊接，加热焊接的密封方法。框体壁2或壳体盖3通常是金属，用焊锡焊接玻璃时，一般事先在玻璃表面镀金属膜使玻璃表面金属化，这样焊锡就可牢固密切地焊住玻璃。当窗口玻璃是刚玉材料时，熔点高达2040℃，也可使用陶瓷成形烧结的密封方法。陶瓷烧结时的温度通常低于2000℃，不会烧熔刚玉材料。

图10还显示了底板1上的壳体内部螺纹盲孔18。该螺纹盲孔18用于固定壳体内部的元器件。根据需要螺纹盲孔18也可设置在框体壁2和壳体盖3上。螺纹盲孔18不是通孔，不影响壳体的密封。内部的元器件，除了用螺钉固定外，还可用焊接和粘结剂来固定。与图1相对，图10示意了不需要管道10和阀门11的状态。

图11是图1从下方看壳体盖3打开时的壳体。密封金属圈14放入壳体盖3处的环形槽15中。做为另一方法，环形槽也可设置在框体壁2处。

图11所示的底板1的底面除了螺钉13的螺钉孔外是平的。因为一部分大功率机电装置需要从底板1进行散热，平的底面有利于将热传导到别的冷却板上。还有些大功率机电装置，底板1中设置有水路，冷却水在水路中流动，把热量带走。

关于阀门11，这里需要很好的密封性能。通常的阀门内部采用橡皮圈密封，不可采用。本发明提出了一个高气密性的阀门，如图12和图13所示。19和20是阀门管道进出口，21是阀门旋钮，22是阀体，23是空芯金属密封圈，24是压块，25是橡皮密封圈。阀门关闭时隔绝阀门内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上。当旋紧旋钮开关21时，旋钮开关21推进压块24直行去挤压C型密封圈23。压块24上设有导向键26，如图14所示。导向键26与阀体22内筒的导向槽配合，使压块24只能直行，没有旋转。压块24压紧C型密封圈23时，可实现氦气的漏气率低于1x10^-10Pa m³/sec的气密性。如果省略导向键26，导向槽和压块24，阀门结构简单和成本低，但空芯金属密封圈23变成为被旋转挤压，密封性能一般没有具有导向键时的被直行挤压时的密封性能好。

当旋松旋钮开关21时，阀门管口19和管口20连通。为了不使在旋钮开关21处漏气太多，旋钮开关21圆柱体外周设置橡皮密封圈25进行密封。管口19和管口20连通时，外部的气泵或高压气瓶控制了壳体内部的气体状态，橡皮密封圈25漏气率高一点不重要。

图14是旋钮开关21与阀体22分离开的状态图。旋钮开关21旋松到一定程度时，旋钮开关21、压块24与C型密封圈23一起从阀体22的内筒里取出来。C型密封圈23被压块24上的4个防脱落爪卡在里面。同时压块24也卡在旋钮开关21上。有时为了保证高的气密性，空芯金属密封圈23只能密封一次，再次密封时需换新的。本发明的阀门，密封用空芯金属密封圈23可简单地从阀体22里取出来，方便更换。

图12至14所示的旋钮开关21是手动机械式的，对于电动阀门，旋钮开关可做成电动式的。电动式有旋转式和直行式，对于直行式电动开关，阀门内的导向槽和压块24都可省略。

本发明在阀体11和管道10的连接处，也采用空芯金属密封圈挤压密封以实现高气密性。该管道接口连接密封时隔绝管道接口内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上。图15显示了一个连接结构的剖面图。10是管道，28是螺丝帽，29是C型金属密封圈，30是具有螺纹的阀门管道进出口。当螺丝帽28拧紧到阀门管口30的螺纹时，螺丝帽25挤压管道10端部的凸缘，进一步将C型金属密封圈29挤压到阀门管口30，这样就实现了密封。图15的管道10和阀门管口30可以预先旋转到任何一个角度，拧紧螺丝帽28进行密封时不改变其角度，很方便。在一些低成本的情况下，管道10和螺丝帽28做成一个部件，这时阀门管口30在拧紧密封时可能会旋转到一个预先想不到的角度，因为是旋转挤压，密封的气密性效果一般会差些，但是成本会低一些。

图15中的阀门管口30也可以是另一个管道的管口，这样，管道长度可以延长，同时在管道接口，也能保持好的气密性。

在一些情况下，两个高气密性机电装置壳体需要通过管道连接在一起。例如，空调冷媒压缩机与空调散热器一般需要通过管道连接在一起。本发明的高气密性管道接口连接密封方法，具有好的高低温性能，耐久，与现在建筑及车辆用空调管道的喇叭口连接密封方法和橡皮圈密封方法相比，气密性更好。

图16是本发明的一个没有窗口的高气密性机电装置壳体的结构示意图。与图1不同之处在于：底板1与框体壁2一体制造成形为底部框体31，没有窗口6，没有管道10。该机电装置壳体适用于电信号处理装置。

图17是本发明的一个太阳能充电或无线电充电的高气密性机电装置壳体的结构示意图。与图1不同之处在于：底板1与框体壁2一体制造成形为底部框体31，没有电极，窗口32在壳体盖3上，电源可通过太阳能充电或无线电充电进行外部供电。

图18是本发明的一个薄壁框体的高气密性机电装置壳体的结构示意图。与图1不同之处在于：底板1与框体壁2一体制造成形为底部框体33，其下部为薄壁框体化底盘结构，省材料，重量轻。34是壳体盖。

本发明的机电装置壳体不限于上述图示的长方体形状，也可以是圆柱体和椭圆柱体等的复杂形状，例如壳体盖是圆形，底板是方形。另外，底板和壳体盖不限于平面的，也可以是凸凹不平的复杂曲面。另外，底板、框体壁和壳体盖中的任一个也可由数个部件组成，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺、陶瓷成形烧结加工工艺和空芯金属密封圈加压密封工艺中的一种及以上，进行密封连接。

本发明的机电装置壳体可以是高温加热炉壳体。高温加热炉壳体由框体壁和壳体盖等组成，他们之间的密封通常采用橡皮圈密封。橡皮圈材料的耐热温度一般在500℃以下，如果加热温度达到1000℃以上，使用橡皮圈进行密封会变得困难。橡皮圈附近可设置冷却水管来降温，但是使用耐热温度更高的空芯金属密封圈进行密封，可使结构更加简单。

同样，对于超低温冷却装置，如-196℃的液氮冷却装置，通常的橡皮圈等有机材料的耐低温度比-196℃要高得多，这时使用具有耐极低温度的空芯金属密封圈进行密封更好。

本发明涉及的高气密性壳体，可用作激光器、照明光源、照相机、摄像机、计算机、数据库硬盘、电话机、示波器、万用电表、通讯设备、电信号处理器、微波组件、传感器、空调机、高温加热炉和超低温冷却装置等的高气密性壳体，以适应于各种用途。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.高气密性机电装置壳体，其特征在于：壳体具有底板、框体壁和壳体盖，这些部件的基材以及它们之间的连接处的基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，这些部件之间的连接处的至少一处，使用螺纹，挤压空芯金属密封圈，进行密封，其它连接处，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺和陶瓷成形烧结加工工艺中的一种及以上，进行密封。

2.根据权利要求1所述的高气密性机电装置壳体，其特征在于：所述壳体具有窗口玻璃、管道、连通内外的粗电极和细电极中的一种及以上，这些部件的基材，以及它们与所述底板、框体壁和壳体盖之间的连接处的基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，在这些部件之间的连接处，使用焊锡焊接加工工艺、金属焊接加工工艺、玻璃焊接加工工艺、陶瓷成形烧结加工工艺和空芯金属密封圈加压密封工艺中的一种及以上，进行密封。

3.根据权利要求1或2所述的高气密性机电装置壳体，其特征在于：所述底板和框体壁是一体的部件，或框体壁和壳体盖是一体的部件。

4.根据权利要求1至3所述的任一种高气密性机电装置壳体，其特征在于：在所述底板、框体壁和壳体盖中的一种及以上，开设有用于安装机电元器件的壳体内部螺纹盲孔和壳体外部螺纹盲孔中的一种及以上。

5.根据权利要求2所述的高气密性机电装置壳体，其特征在于：在壳体外部的所述管道的密封工艺是，加热熔实、钳断、或连接阀门进行关闭。

6.高气密性机电装置壳体，其特征在于：壳体具有管道接口，该管道接口连接密封时隔绝管道接口内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，使用螺纹推进运动部件，直行或旋转方式，挤压空芯金属密封圈，进行连接密封。

7.高气密性机电装置壳体，其特征在于：壳体具有可开通与关闭的阀门，该阀门关闭时隔绝阀门内外的各部件基材是金属、玻璃和陶瓷中的一种及以上，使用螺纹推进或电动推进阀门运动部件，直行或旋转方式，挤压或松开阀门内部的空芯金属密封圈，进行关闭或开通阀门。

8.根据权利要求1至7所述的任一种高气密性机电装置壳体，其特征在于：两个及以上的壳体，通过使用管道、所述管道接口和所述阀门中的一种及以上，进行连接密封。

9.根据权利要求1至8所述的任一种高气密性机电装置壳体，其特征在于：所述空芯金属密封圈是C型、弹簧增强C型、E型、W型、O型、U型和V型中的一种及以上。

10.根据权利要求1至9所述的任一种高气密性机电装置壳体，其特征在于：在所述壳体内部，封入真空、氮气、惰性气体、冷媒气液体和液体中的一种及以上。