專利名稱：一種提升和維持真空腔體真空度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明應(yīng)用于真空及CCD制冷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用TEC制冷器給分子篩制冷來(lái)提升和維持真空腔體真空度的方法。
背景技術(shù)：
天文用CXD 為了提高成像信號(hào)的信噪比，抑制由CXD電路產(chǎn)生的熱噪聲和暗電流，工作時(shí)通常制冷至低于-50° C，有些型號(hào)C⑶甚至要求工作溫度低于-80° C。在設(shè)計(jì)CXD系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)CCD溫度特性，通常將CCD放置在真空杜瓦中，使用液氮、TEC制冷器或者制冷機(jī)等進(jìn)行深度制冷。為了提高制冷效率，防止氣體對(duì)流導(dǎo)致的熱交換，CCD杜瓦要保持較高的真空度，一般維持在10E-3mbar以上，杜瓦真空度越高，制冷效率就會(huì)越高，所需制冷耗功率越低，因此如何能使CCD杜瓦保持較高真空度就成了一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。目前天文界CCD杜瓦維持較高真空度的方法是使用離子泵技術(shù)，也就是首先使用真空泵將杜瓦抽至較高真空度10E-6mbar以上，然后啟動(dòng)離子泵，離子泵工作時(shí)能不斷吸附杜瓦內(nèi)零部件揮發(fā)的氣體，始終能夠?qū)⒍磐哒婵斩染S持在10E-6mbar或更高空度。但是離子泵的使用有很大局限性，首先對(duì)真空杜瓦要求高，內(nèi)部放氣量不能大，大放氣量狀態(tài)離子泵不能啟動(dòng)，強(qiáng)行啟動(dòng)離子泵會(huì)很快報(bào)廢，不可逆轉(zhuǎn)，而離子泵價(jià)格十分昂貴，且屬于一次性設(shè)備，離子泵吸附飽和達(dá)到使用壽命后，需更換新離子泵，如果發(fā)生使用失誤可能造成離子泵不的損壞；其次是離子泵啟動(dòng)后不能斷電，如果發(fā)生意外斷電離子泵停止工作，離子泵將失去吸附作用，此時(shí)杜瓦內(nèi)部的電線等部件由于在真空狀態(tài)下不斷揮發(fā)氣體、積累，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室證明，大概只須經(jīng)過(guò)1-2小時(shí)的時(shí)間，杜瓦真空度會(huì)迅速降至IOE-1mbar以下，達(dá)到離子泵不能啟動(dòng)的狀態(tài)，如果要重新啟動(dòng)離子泵恢復(fù)杜瓦工作狀態(tài)，需要使用真空泵將杜瓦重新抽真空至10E-6mbar以上，才能啟動(dòng)離子泵。這表明，離子泵技術(shù)的使用需要的條件很苛刻，而且運(yùn)行和維護(hù)代價(jià)比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種利用TEC制冷器給分子篩制冷來(lái)提升和維持真空腔體真空度的方法，即在杜瓦內(nèi)部設(shè)置由TEC制冷的分子篩，在真空度10E-3mbar基礎(chǔ)上，有效吸附杜瓦內(nèi)部殘留大氣和電線等部件不斷揮發(fā)的氣體，使真空度提升至10E-6mbar級(jí)別，并能長(zhǎng)時(shí)間維持，且分子篩吸附飽和后，經(jīng)過(guò)釋放處理，可以恢復(fù)性能，反復(fù)使用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種提升和維持真空腔體真空度的方法，包括以下步驟:(I)將真空腔體抽真空至10E_3mbar以上盡可能高的真空度；(2)所述真空腔體內(nèi)，TEC制冷器通電工作，TEC制冷器的冷端給與其熱導(dǎo)通的分子篩制冷至盡可能低的溫度。所述分子篩在真空低溫狀態(tài)下吸附真空腔體內(nèi)的殘留大氣和真空部件揮發(fā)氣體，使真空腔體的真空度提升至10E-6mbar以上，并長(zhǎng)期維持。
優(yōu)選地，所述步驟(I)的真空腔體為CXD杜瓦，內(nèi)部設(shè)有CXD探測(cè)器、TEC制冷器、分子篩。優(yōu)選地，所述步驟(I)利用真空泵將CXD杜瓦抽真空。優(yōu)選地，所述步驟(3) TEC制冷器的冷端分別與分子篩和CXD探測(cè)器熱導(dǎo)通。優(yōu)選地，所述步驟(3) TEC制冷器熱端的熱量可以通過(guò)散熱系統(tǒng)帶走。優(yōu)選地，所述散熱系統(tǒng)采用風(fēng)冷或水冷散熱系統(tǒng)。優(yōu)選地，在步驟(2)前或后，關(guān)閉真空腔體抽口閥門，停止抽真空；如果能夠較長(zhǎng)時(shí)間抽真空，在步驟(2)之后停止抽真空的提升真空的效率更高。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):I)本發(fā)明分子篩作為氣體吸附劑，在真空環(huán)境中溫度越低，分子篩的吸附能力越強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)TEC制冷器給分子篩強(qiáng)力制冷，當(dāng)分子篩溫度達(dá)到低于_40°C，這是通過(guò)水冷給分子篩冷卻降溫 達(dá)不到的。分子篩的吸附能力倍增，將真空度提高到10E-6mbar以上，有效防止氣體對(duì)流熱傳遞，有效節(jié)省TEC制冷器的制冷能量，提高對(duì)CCD探測(cè)器的制冷效率。2)本發(fā)明有效解決了真空腔體較高真空度自密封問(wèn)題，解決了使用離子泵維持真空不能斷電，一旦斷電需要重新對(duì)真空腔體抽真空來(lái)使離子泵恢復(fù)工作的難題，而且使用TEC制冷分子篩作為真空維持裝置，在一定程度上可以替代昂貴的一次性離子泵設(shè)備，由其是分子篩飽和后經(jīng)過(guò)活化處理可反復(fù)使用，具有很高性價(jià)比。3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在TEC制冷器持續(xù)工作條件下，較高真空度維持時(shí)間超過(guò)12個(gè)月以上。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，即使TEC意外發(fā)生斷電，分子篩雖然吸附能力大大降低，但仍具吸附能力，只要在48小時(shí)內(nèi)恢復(fù)供電,真空腔體真空杜仍能在30-60分鐘內(nèi)恢復(fù)至10E-6mbar級(jí)別，無(wú)須抽真空處理，因此，可按照實(shí)際觀測(cè)需求，白天不觀測(cè)TEC可斷電節(jié)能，夜晚觀測(cè)TEC通電，使用方便，限制條件少，具有明顯節(jié)能效果。


圖1為發(fā)明的工作原理圖。圖2為本實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的B-B剖面圖；圖4為杜瓦的真空腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述:本發(fā)明分子篩作為氣體吸附劑，如圖1所示，在真空腔體I中溫度越低，分子篩5的吸附能力越強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)TEC制冷器6給分子篩強(qiáng)力制冷，當(dāng)分子篩溫度達(dá)到低于_40°C，分子篩的吸附能力倍增，分子篩能夠強(qiáng)力、大量吸附真空腔體內(nèi)的殘留大氣成分和線纜揮發(fā)物，能將真空度提高到10E-6mbar以上，有效防止氣體對(duì)流熱傳遞，有效節(jié)省TEC制冷器的制冷能量，提高對(duì)CCD探測(cè)器的制冷效率。實(shí)施例1
如圖2、3所示，本實(shí)施例包括真空腔體1、CXD探測(cè)器3、TEC制冷器、風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7、分子篩5，所述TEC制冷器采用三級(jí)TEC制冷片6 ；如圖3所示，所述三級(jí)TEC制冷片6的冷端通過(guò)冷指2分別與分子篩5和CXD探測(cè)器3進(jìn)行熱導(dǎo)通，TEC制冷器的冷端給分子篩深度制冷，熱端與風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7熱導(dǎo)通，進(jìn)行強(qiáng)力散熱，保證TEC制冷效率。所述冷指2的一端與CCD探測(cè)器3底部接觸，另一端與三級(jí)TEC制冷片6冷端接觸。所述分子篩5固定設(shè)置在冷指2上。所述冷指2靠近CXD探測(cè)器3的一端連接溫度傳感器4，用于檢測(cè)CCD探測(cè)器3溫度，根據(jù)探測(cè)的溫度進(jìn)行溫控。如圖2、4、5所示，所述風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7是由熱沉11和風(fēng)扇14連接組成。如圖2、4所示，所述真空腔體I包括真空腔體13，該真空腔體13上部通過(guò)玻璃密封壓圈8和玻璃O型密封圈9固定設(shè)置光學(xué)封窗玻璃10，達(dá)到密封效果；所述真空腔體13內(nèi)部設(shè)置CCD探測(cè)器3、分子篩5和三級(jí)TEC制冷片6，底部由熱沉11密封設(shè)置；所述熱沉11的上端設(shè)置為平面，通過(guò)腔體O型密封圈12與真空腔體13密封連接，并與真空腔體13內(nèi)部的三級(jí)TEC制冷片6的熱端連接進(jìn)行熱傳導(dǎo)；熱沉11的下端加工成表面積很大的散熱通道，在真空腔體I外與風(fēng)扇14連接，熱沉11上有安裝孔位，風(fēng)扇14用螺栓連接散熱通道。所述真空腔體13側(cè)壁設(shè)置CXD電路接口 15、TEC制冷溫控電路接口 16、杜瓦真空抽口 17。使用時(shí)，將所述CXD電路經(jīng)接口 15和TEC制冷溫控電路經(jīng)接口 16分別焊接在各自的航空密封插座上，保證真空腔體I內(nèi)、外電路正確連接。安裝CCD探測(cè)器3，密封真空腔體1，將風(fēng)扇14安裝在真空腔體I底部熱沉11上；連接外部電路航空插座；將真空腔體I安裝在望遠(yuǎn)鏡后端，保證CXD成像靶面嚴(yán)格位于望遠(yuǎn)鏡成像焦面。I)使用真空泵連接杜瓦真空抽口 17,將真空腔體I真空度抽至10E_3mbar以上，可盡量抽高真空度使效果更佳；2)關(guān)閉真空腔體抽口閥門 和真空泵，使真空腔體進(jìn)入自密封階段；3)開(kāi)啟TEC制冷片6的制冷控制器電路，同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇14散熱，TEC制冷器開(kāi)始制冷，三級(jí)TEC制冷片6通電后一端變冷一端變熱,冷端和熱端會(huì)有一個(gè)溫度差。冷端與分子篩5和CXD探測(cè)器3熱導(dǎo)通，熱端與風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7熱導(dǎo)通，三級(jí)TEC制冷片6熱端的熱量被風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7帶走，不會(huì)有大量熱量積累，如此熱端通過(guò)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)7將TEC產(chǎn)生的熱量不斷被帶走，TEC冷熱兩端達(dá)到較大溫差，冷端連接的CCD探測(cè)器3的溫度降的更低。同時(shí)，分子篩5通過(guò)三級(jí)TEC制冷片6制冷進(jìn)行熱傳導(dǎo)降溫，可將真空腔體內(nèi)的分子篩用降溫至能夠達(dá)到的制冷極限低溫。4)所述分子篩在10E-3mbar真空度以上開(kāi)始有效吸附真空腔體內(nèi)的殘留大氣成分和真空內(nèi)線纜等部件揮發(fā)物，分子篩溫度越低，分子篩的吸附能力越強(qiáng)，在30-60分鐘內(nèi)，分子篩可以將真空度提高到10E-6mbar或10E-6mbar以上，這種較高的真空狀態(tài)，可以防止氣體對(duì)流熱傳遞，并能長(zhǎng)期維持，有效節(jié)省三級(jí)TEC制冷片6的制冷能量和能耗，提高對(duì)CXD探測(cè)器3的制冷效率。在真空和低溫的環(huán)境下，CXD探測(cè)器3的暗電流和熱噪聲被壓制，能夠捕捉極為微弱的電信號(hào)，用于觀測(cè)探極暗、極遠(yuǎn)發(fā)光星體。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于，TEC制冷器的熱端的熱量可以通過(guò)水冷方式的散熱系統(tǒng)帶走，即在熱沉11的下端連接水冷散熱系統(tǒng)(圖略)；首先將真空腔體I真空度抽至10E-4mbar以上，TEC制冷器通電工作，TEC制冷器的冷端給與其熱導(dǎo)通的分子篩制冷至盡可能低的溫度，分子篩進(jìn)行強(qiáng)力吸附后，關(guān)閉真空腔體抽口閥門，停止抽真空。本發(fā)明上述實(shí)施例僅為本專利較好的實(shí)施方式，凡采用本技術(shù)方案描述的構(gòu)造、特征及在其精神原理上的變 化、修飾均屬于本專利的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將真空腔體抽真空至10E-3mbar以上； (2)所述真空腔體內(nèi)，TEC制冷器通電工作，TEC制冷器的冷端給與其熱導(dǎo)通的分子篩制冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于，所述分子篩在真空低溫狀態(tài)下氣體吸附能力倍增進(jìn)行吸附，使真空腔體的真空度提升至10E-6mbar以上,并維持。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于，所述步驟Cl)的真空腔體為CXD杜瓦，內(nèi)部設(shè)有CXD探測(cè)器、TEC制冷器、分子篩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于:所述步驟(1)利用真空泵對(duì)CXD杜瓦進(jìn)行抽真空。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于:所述步驟(2)TEC制冷器的冷端分別與分子篩和CXD探測(cè)器熱導(dǎo)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于:所述步驟(2)TEC制冷器熱端的熱量通過(guò)散熱系統(tǒng)帶走。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于:所述散熱系統(tǒng)采用風(fēng)冷或水冷散熱系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的提升和維持真空腔體真空度的方法，其特征在于，在所述步驟(2)前或后，關(guān)閉真空腔體抽口閥門，停止抽真空。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用TEC制冷器給分子篩制冷提升和維持真空腔體真空度的方法，將真空腔體抽真空到至少10E-3mbar以上可達(dá)到的極限真空度；給TEC制冷器通電,TEC冷端對(duì)分子篩制冷至可達(dá)到的極限低溫;分子篩被深度制冷后,氣體吸附能力倍增,能夠強(qiáng)力吸附真空腔體內(nèi)殘留大氣和真空部件揮發(fā)氣體，關(guān)閉真空腔體抽口閥門后,可使真空度維持在10E-6mbar水平，并能長(zhǎng)期維持。本發(fā)明分子篩作為氣體吸附劑,分子篩溫度越低，吸附能力越強(qiáng)，使用TEC制冷器給分子篩深度制冷,分子篩的吸附能力倍增，有效提升并維持真空腔體真空度，能夠滿足較高真空度設(shè)備使用需求，體積小，成本低，效率高，使用簡(jiǎn)便、可重復(fù)使用。
文檔編號(hào)F25B21/02GK103234299SQ20131011541
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者賈磊 申請(qǐng)人:賈磊