Герметичный корпус

Полезная модель может быть использована при создании герметичной проходной оптики для ввода в замкнутые объемы лазерного излучения.
Известен малогабаритный подводный светильник, содержащий герметичный корпус, галогенную лампу и термостойкое окно, которое выполнено из пластины кристалла лейкосапфира, ось которого перпендикулярна главной оптической оси рефлектора. Термостойкое окно герметично перекрывает лицевую поверхность корпуса. Патент Российской Федерации №2115860, МПК F21V 31/00, 20.07.1998. Недостатком является недолговечная герметичность соединения термостойкости окна и корпуса, обусловленная применением уплотнительных колец. В качестве материала уплотнения применена радиационно стойкая резина марки ИРП. Известно, что использование уплотнительных колец как отдельных элементов, установленных между составными частями устройства, а также органических материалов, к которым относятся резины, налагает ограничения на температурные условия эксплуатации такого соединения и не позволяет решать задачу долговременной герметичности всего узла.
Известен герметичный корпус с входным окном из лейкосапфира, выполненный из алюмокерамики, в котором стенка герметичного корпуса через алюминиевую прокладку с двухсторонней отбортовкой соединена по всему периметру с входным окном. Патент Российской Федерации №128780, МПК H01J 17/00, 27.05.2013. Недостатком является ограниченная область применения герметичного комплекса с входным окном, обусловленная использованием алюмокерамики. Использование алюмокерамических корпусных деталей в создании ответственных элементов приборов и устройств затруднено ввиду сложности их дальнейшего герметичного соединения с металлическими конструкциями. Кроме того, значительная разность в коэффициентах термического расширения алюмокерамического материала и металлов ограничивает температурный диапазон применения таких конструкций.
Известен также выполненный из нержавеющей стали герметичный корпус, содержащий входное окно, в котором между входным окном и стенкой корпуса установлена металлическая демпфирующая оправа, зазор между входным окном и металлической демпфирующей оправой заполнен связующим материалом металлическим припоем или стеклоцементом, а металлическая демпфирующая оправа соединена сваркой по всему периметру со стенкой герметичного корпуса. Патент Российской Федерации №145664, МПК G12B 9/04, H05K 5/06, H05K 5/03, 27.06.2014.
Известен также выполненный из нержавеющей стали герметичный корпус, содержащий входное окно из прозрачного в заданном оптическом диапазоне материала, между входным окном и стенкой корпуса установлена металлическая демпфирующая оправа, зазор между входным окном и металлической демпфирующей оправой заполнен связующим материалом -металлическим припоем или стеклоцементом, а металлическая демпфирующая оправа, соединенная сваркой по всему периметру со стенкой герметичного корпуса, имеет толщину, рассчитываемую по соотношению
,
o
где h - толщина металлической демпфирующей оправы;
ok
λ - коэффициент теплопроводности материала входного окна;
ok
h - толщина входного окна;
o
λ - коэффициент теплопроводности материала металлической демпфирующей оправы. Патент Российской Федерации №166242, МПК G12B 9/04, Н05К 5/06, Н05К 5/03, 20.11.2016. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
-1
Известно, что во входном окне герметичного корпуса при определенных условиях могут возникать существенные термооптические аберрации, искажающие пропускаемый лазерный пучок. При пропускании лазерного пучка большой мощности входное окно может нагреваться на несколько десятков градусов. Например, для ввода (вывода) излучения непрерывного HF-лазера используют окна из оптического кварцевого стекла КИ. Указанный лазер работает на 8-и длинах волн от 2,64 до 2,87 мкм, причем около 24% мощности лазера приходится на длины волн более 2,8 мкм (Химические лазеры. Пер. с англ. Под ред. Р. Гросса и Дж. Бота. - М.: Мир, 1980. - 664 с.), для которых показатель поглощения стекла КИ составляет 0,02 см (ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия). Приращение температуры элементарного объема входного окна из кварцевого стекла КИ при пропускании излучения HF-лазера без учета отвода тепла можно приближенно оценить по уравнению
где T(t) - температура в момент времени t;
0
Т - начальная температура;
χ - показатель поглощения материала входного окна на длине волны воздействующего излучения;
R - коэффициент отражения материала входного окна;
k - доля мощности лазерного излучения, попадающая в полосу поглощения материала входного окна;
q - плотность мощности лазерного излучения;
с и ρ удельная теплоемкость и плотность материала входного окна.
2
Расчет по уравнению (1) для кварцевого стекла КИ при плотности мощности лазерного излучения 200 Вт/см и времени t = 20 с дает приращение температуры входного окна на 11,5 К. Следовательно, при прохождении лазерного пучка через объем входного окна он будет искажаться термооптическими аберрациями, возникающими при наличии градиента температуры в объеме материала входного окна (Слюсарев Г.Г. Влияние температурного градиента стекла оптических систем на изображение, даваемое последними // Оптика и спектроскопия. - 1959. - Том VI. Вып. 2. - С. 211-218). Если термооптические аберрации превышают допустимое значение, необходимо приостановить использование проходной оптики до ее охлаждения. Так как температура окна относительно мала, отвод тепла будет осуществляться в основном за счет теплопроводности (конвективный теплообмен и радиационные потери будут существенно ниже, чем отвод тепла по механизму теплопроводности). В этих условиях может оказаться, что наибольшим тепловым сопротивлением будет обладать металлическая демпфирующая оправа, имеющая наименьшую площадь поперечного сечения по сравнению с входным окном и герметичным корпусом.
Для обеспечения эффективного теплообмена между входным окном и корпусом мощность теплового потока, проходящего через поперечное сечение демпфирующей оправы должна быть не меньше мощности теплового потока, проходящего через боковую поверхность входного окна при равном градиенте температуры:
1
где Р - мощность теплового потока, проходящего через поперечное сечение демпфирующей оправы 2;
o
S - площадь поперечного сечения демпфирующей оправы;
gradT - градиент температуры;
2
_
P мощность теплового потока, проходящего через боковую поверхность входного окна;
ok
S - площадь боковой поверхности входного окна.
Учитывая, что минимальная площадь поперечного сечения демпфирующей оправы составляет
ok
где R - радиус входного окна,
а площадь боковой поверхности входного окна составляет
из (2) с учетом (3) и (4) получим
.
Расчеты по соотношению (5) показывают, что, при толщине входного окна из кварцевого стекла КИ 3 см, толщина демпфирующей оправы из титана должна быть не менее 0,27 см. Выбор толщины демпфирующей оправы по соотношению (5) позволяет обеспечить максимальную теплопередачу от входного окна на стенку корпуса и уменьшить время охлаждения входного окна. В этом случае время охлаждения входного окна будет определяться только теплофизическими свойствами материала окна и его геометрическими размерами. В противном случае тепловой поток через демпфирующую оправу будет меньше, чем через боковую поверхность входного окна, что приведет к возрастанию времени охлаждения входного окна и снижению времени полезного использования установки, в которой используется герметичный корпус.
Недостатком прототипа является низкая функциональная возможность, заключающаяся только в пропускании лазерного излучения. Во многих случаях необходимо не только пропускание лазерного излучения в герметичный объем, но и фокусировать его. Например, при изучении свойств лазерной плазмы необходимо фокусировать лазерное излучение на мишени в тонкую линию. Для этого применяют цилиндрические линзы. Но их применение приводит к увеличению в два раза потерь на отражение лазерного излучения, так как количество отражающих поверхностей увеличивается в два раза.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей герметичного корпуса и уменьшение потерь на отражение при вводе лазерного излучения в замкнутый объем и его фокусировке на мишени в тонкую линию.
Технический результат достигается тем, что в герметичном корпусе из нержавеющей стали, содержащем входное окно из прозрачного в заданном оптическом диапазоне материала, установленную между входным окном и стенкой корпуса металлическую демпфирующую оправу, толщину которой определяют по соотношению, связывающему коэффициенты теплопроводности материала входного окна и материала демпфирующей оправы и толщину входного окна, зазор между входным окном и металлической демпфирующей оправой заполнен связующим материалом - металлическим припоем или стеклоцементом, а металлическая демпфирующая оправа соединена сваркой по всему периметру со стенкой герметичного корпуса, входное окно выполнено монолитным, имеющим цилиндрическую часть, направленную к излучению, и плоскую часть, опирающуюся на оправу, при этом толщины оправы и плоской части входного окна связаны соотношением
,
o
где h - толщина металлической демпфирующей оправы;
ok
λ - коэффициент теплопроводности материала входного окна;
ok
h - толщина плоской части входного окна;
o
λ - коэффициент теплопроводности материала металлической демпфирующей оправы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлен разрез герметичного корпуса, где: 1 - стенка корпуса, 2 - металлическая демпфирующая оправа, 3 - входное окно, 4 -связующий материал, 5 - сварной шов.
ok
Входное окно 3 изготовлено из кварцевого стекла КИ или лейкосапфира. Входное окно 3 изготавливают монолитным, имеющим цилиндрическую часть, направленную к излучению, и плоскую часть толщиной h. Цилиндрическая часть входного окна 3 осуществляет фокусировку лазерного излучения, а через плоскую часть, имеющую тепловой контакт с оправой 3, осуществляет отвод выделенного в окне тепла. Таким образом, формируют входное окно в виде плоскоцилиндрической линзы, которая будет фокусировать лазерное излучение в фокальной плоскости в линию, длина которой равна диаметру вводимого лазерного пучка, а ширина определяется фокусным расстоянием линзы и расходимостью лазерного излучения, и осуществлять отвод тепла из объема входного окна.
Металлическая демпфирующая оправа 2 изготовлена из титана. Стенка корпуса 1 может быть изготовлена из стали 12Х18Н10Т. В качестве связующего материала 4 использован металлический (медно-серебряный) припой ПСр-72 или стеклоцемент СЦНК 77-2. Сварной шов 5 сформирован сваркой.
Для обеспечения эффективного теплообмена между входным окном 3 и корпусом 1 толщину оправы выбирают по соотношению (1). При этом под толщиной окна понимается минимальная толщина окна в его сечении (см. чертеж). Расчеты по соотношению (1) показывают, что при толщине входного окна из кварцевого стекла КИ 3 см толщина демпфирующей оправы из титана должна быть не менее 0,27 см.
Сборку герметичного корпуса производят следующим образом.
-3
Вариант с металлическим припоем. На металлической демпфирующей оправе 2 расположено входное окно 3 с возможно малым зазором. Сверху на зазор накладывают связующий материал 4, а именно металлический припой в виде проволоки или штампованного кольца. Собранный узел помещают в печь и осуществляют пайку в вакууме (давление менее 10 Па) при температуре, превышающей температуру плавления металлического припоя, обычно 800-840°С. После пайки входного окна 3 и демпфирующей оправы 2 производят их отжиг для снижения внутренних напряжений.
Затем демпфирующую оправу 2 соединяют с краем стенки 1 (по возможности, в стенке корпуса для последующей сварки предусматривают тонкостенную часть - закраину для компенсации различия термического расширения материалов) посредством сварки по замкнутому контуру (используют, например, лазерную сварку).
2
Вариант со стеклоцементом. Связующий материал 4 стеклоцемент предварительно просушивают при температуре 190°С в течение 20 минут и засыпают на металлическую демпфирующую оправу 2. Обеспечивают спрессовку стеклоцемента (например, технологической втулкой) с удельным давлением около 15 г/см, получая при этом прочный промежуточный элемент кольцеобразной формы. Металлическую демпфирующую оправу 2 вместе со слоем опрессованного стеклоцемента нагревают до температуры 370-400°С и выдерживают при этой температуре 1 минуту. После этого остеклованное кольцо стеклоцемента, спаянное с поверхностью металлической демпфирующей оправы 2, соединяют с входным окном 3. Позиционируют входное окно 3 в металлической демпфирующей оправе 2, нагревают в печи до температуры 370°С, выдерживают при этой температуре один час и далее со скоростью 5°С/мин доводят температуру до 440°С. Выдерживают при этой температуре 30-60 минут, обеспечивая полную кристаллизацию стеклоцемента. Затем полученную сборку остужают со скоростью не более 3-5°С/мин. Скорость охлаждения выбирают в зависимости от геометрических размеров и материалов паянных элементов, обеспечивая тем самым уменьшение возникающих внутренних напряжений. Далее производят отжиг сборки и, таким образом, устраняют возможные внутренние напряжения спая. Получают вакуум-плотный закристаллизованный слой стеклоцемента с плавным швом пайки 4. Высоких вакуумных свойств данного соединения достигают благодаря отсутствию органических связующих веществ в пресс-порошке стеклоцемента.
Затем демпфирующую оправу 2 соединяют с краем стенки 1 (по возможности, в стенке корпуса для последующей сварки предусматривают тонкостенную часть - закраину для компенсации различия термического расширения материалов) посредством сварки по замкнутому контуру (используют, например, лазерную сварку).
Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается от прототипа наличием новых признаков и формой выполнения, которые придают объекту новые свойства, проявляющиеся в техническом результате.