气密玻璃至金属密封组件及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201510237689.4 | 申请日 | 2010-04-16 | 公开(公告)号 | CN104909585A | 公开(公告)日 | 2015-09-16 |
| 申请人 | 艾默生电气公司; | 发明人 | 弗朗茨·迪特尔·佩特雷克; 艾伯塔斯·扬·亨德里克·科尔克曼; | ||||
| 摘要 | 公开了一种观察玻璃组件或气密终端组件中的玻璃至金属气密密封组件，其包括玻璃部件、中间部件和外环。中间部件设置在玻璃部件周围。玻璃部件熔合到中间部件。具有比玻璃部件的 热膨胀 系数大的 热膨胀系数 的外环朝向玻璃部件压缩中间部件，以产生气密压缩密封。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造观察玻璃组件的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 气密玻璃至金属密封组件及其制造方法[0001] 本申请为于2011年11月16日提交、申请号为201080021530.4、发明名称为“气密玻璃至金属密封组件及其制造方法”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2009年4月16日，国际申请号为PCT/US2010/031385。 [0002] 相关申请的交叉引用 [0003] 本申请要求2009年4月16日申请的美国临时申请第61/169,883号的权益，该申请的整体公开通过引用结合于此。 技术领域[0004] 本公开涉及气密(hermetic)玻璃至金属密封组件。更加具体地，本公开涉及具有如下结构的气密玻璃至金属密封组件，所述结构允许对材料的广泛选择，减少制造成本，并且适合于在气密密封的观察玻璃装置和气密终端组件中使用。 背景技术[0005] 在此提供的背景描述目的是为了一般地呈现本公开的背景。当前指定的发明人的工作，在这个背景部分中描述的程度上，以及描述中的可能没有另外限定为提交时的现有技术的那些方面，既没有明显也没有隐含地被承认为针对本公开的现有技术。 [0006] 传统的观察玻璃组件例如可以安装到工艺管或容器，以允许人观察工艺管里面的内容(例如流体)。观察玻璃组件一般地包括玻璃和在玻璃周围的金属环。可以将玻璃熔合或密封到金属环。金属环保护在其中的玻璃。通过将金属环焊接或硬焊到工艺管，将观察玻璃组件安装到工艺管。 [0007] 由于接合玻璃、金属环、导体和工艺管方面的困难，用于传统的观察玻璃和/或气密终端组件的材料受到限制。在高压应用中，玻璃一般熔合到金属环，以便以升高的温度在其间形成气密密封。金属环一般需要具有高熔点，以避免在升高的温度下快速氧化。此外，金属环一般由可焊接的金属制成，以允许金属环接合到工艺管。 [0008] 激光焊接也可以用来将金属环接合到工艺管。激光焊接需要特殊的技能和维护，以避免对气密终端组件生成热冲击。因此，将传统的观察玻璃和/或气密终端组件安装到工艺管是耗时的，并且比较昂贵。 发明内容[0009] 公开了一种适合于气密密封的观察玻璃或气密终端组件的气密玻璃至金属密封组件及其制造方法。 [0010] 根据本公开的观察玻璃组件包括透明部件(例如透镜)、中间部件和外环。中间部件位于透明部件的外围周围。透明部件接合到中间部件。外环压缩中间部件，使其变形，并且在外环、中间部件和透明部件之间形成压缩密封。外环具有比透明部件的热膨胀系数大的热膨胀系数。 [0011] 观察玻璃组件包括壳体主体、透明部件(例如透镜)、中间部件和外环。中间部件位于透明部件的外围边界周围。透明部件接合到中间部件。外环压缩中间部件，使其变形，并且在外环、中间部件和透明部件之间加强密封。中间部件通过软焊接头和硬焊接头中的至少一个直接接合到壳体主体。 [0012] 根据本公开的气密终端组件包括中心密封玻璃部件、穿过中心密封玻璃部件的至少一个导电构件、中间部件和外环。中间部件设置在中心密封玻璃部件周围并且接合到中心密封玻璃部件。外环在中间部件周围压缩并且使中间部件变形。外环具有比中心密封玻璃部件的热膨胀系数大的热膨胀系数。 [0013] 本公开进一步提供了一种密封组件，该密封组件包括壳体主体、中心密封玻璃部件、穿过中心密封玻璃部件的至少一个导电构件、中间部件和外环。中间部件设置在中心密封玻璃部件周围。外环在中间部件周围压缩并且使中间部件变形。 [0014] 一种制造观察玻璃组件的方法包括：装配所述观察玻璃组件，所述观察玻璃组件包括透明部件、在所述透明部件周围的中间部件和在所述中间部件周围的外环；将装配的所述观察玻璃组件加热到等于或大于透明部件的玻璃化转变温度的温度，以便所述透明部件的熔化材料填充所述透明部件和所述中间部件之间的间隙；冷却装配的所述观察玻璃组件以允许所述透明部件凝固，以便所述透明部件直接熔合到所述中间部件；以及在所述透明部件直接熔合到所述中间部件之后，使装配的所述观察玻璃组件冷缩，以便所述外环在所述中间部件的外围周围施加压缩力。 [0015] 本教导还提供了一种制造气密终端组件的方法。该方法包括：装配气密密封组件，所述气密终端组件包括中心密封玻璃部件、穿过所述中心密封玻璃部件的至少一个导电构件、在所述中心密封玻璃部件周围的中间部件和在所述中间部件周围的外环；将所述组件加热到等于或大于所述中心密封玻璃部件的转变温度的温度，以便所述中心密封玻璃部件的熔化材料填充所述中心密封玻璃部件和所述中间部件之间的间隙；冷却所述组件以允许所述中心密封玻璃部件凝固并直接熔合到所述中间部件和所述导电构件，以在其间提供气密密封；以及在所述中心密封玻璃部件直接熔合到所述中间部件之后，使所述组件冷缩，以便所述外环在所述中间部件的外围周围施加压缩力。 [0016] 另外，一种制造气密玻璃至金属压缩密封组件的方法包括：将中间部件放置在外部件中，使得所述外部件完全包围所述中间部件；加热所述中间部件和所述外部件，以便所述中间部件和所述外部件两者都热膨胀；将玻璃部件放置在所述中间部件之内，使得所述中间部件完全包围所述玻璃部件；以及冷却所述中间部件和所述外部件，以便所述中间部件和所述外部件两者由于冷缩而缩紧，使得所述外部件在所述中间部件和所述玻璃部件周围施加压缩力。 [0018] 从详细的描述和附图中，将会更加充分地理解本发明，其中： [0019] 图1是根据本公开的教导的观察玻璃组件的顶视图； [0020] 图2是根据本公开的教导的观察玻璃组件的截面图； [0021] 图3是图示根据本公开的教导的观察玻璃组件的透明部件、外环和中间部件之间的界面的示意图； [0022] 图4是结合了根据本公开的教导的观察玻璃组件的容器的截面图； [0023] 图5是根据本公开的教导的气密终端组件的局部截面图；以及 [0024] 图6是根据本公开的教导的另一个气密终端组件的局部截面图。 具体实施方式[0025] 现在参考附图来更加充分地描述示例实施例。在此使用的术语目的只是为了描述具体的示例实施例，而不打算成为限制。如在此使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“该”同样可以旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。术语“包括”、“包含”和“具有”是开放式的，因此指出了存在陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。在此描述的方法步骤、过程和操作并不被解释为必定要求它们按照讨论或示意的具体顺序来执行，除非具体地标识为执行的顺序。还要理解的是，可以使用额外或代替的步骤。 [0026] 为了易于描述，可以在此使用空间相对的术语比如“内”、“外”、“之下”、“以下”、“下方”、“以上”和“上方”等，以描述如附图中图示的一个元件或特征相对于别的(一个或多个)元件或(一个或多个)特征的关系。空间相对的术语可以旨在包含除了附图中描绘的取向之外的使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果附图中的装置翻转，则描述为在其它元件或特征“以下”或“之下”的元件于是会在其它元件或特征“以上”取向。这样一来，示例术语“以下”就可以包含以上和以下这两个取向。装置可以另外取向(旋转90度或以其它取向)，并且在此使用的空间相对的描述符做相应解释。 [0027] 本公开描述了一种用于气密玻璃至金属压缩密封的组件和制造这种组件的方法。一般而言，该组件包括：玻璃部件，其例如可以包括观察玻璃材料或密封玻璃材料；中间部件；以及环部件。玻璃部件在其外围被中间部件紧密地包围，并且中间部件在其外围被环部件包围，所述环部件以压配合的方式附接，如在此描述的那样。 [0028] 针对玻璃部件和环部件各自的热膨胀系数各异，使得环部件的热膨胀系数大于玻璃部件的热膨胀系数。玻璃至金属压缩密封组件通过以下来实现：当加热并使环部件热膨胀时，在放置在中间部件和玻璃部件周围之后，进行冷却和收缩，以在玻璃部件和中间部件的界面以及中间部件和环部件的界面处产生气密压缩密封。 [0029] 中间部件包括比较有韧性的材料(与玻璃部件和环部件相比)，使得它可以在由冷却的环部件产生的压缩力之下变形，以便填充中间部分与玻璃部件和环部件之间各自界面处的任何微小空间。作为结果的中间部件的变形机械地接合或联锁了组件的各个部件，以实现希望的密封。玻璃部件可以另外熔合到也可以不另外熔合到中间部件。如在此使用的那样，“熔合”意味着通过或者似乎通过熔化而联合在一起。熔合的材料典型地通过化学、分子和/或粘结键来接合。在将玻璃部件熔合到中间部件的情况下，或者在不将玻璃部件熔合到中间部件的情况下，根据本公开可以实现玻璃至金属压缩密封。 [0030] 参考图1，根据本公开的教导的观察玻璃组件10包括中心部件/透明部件12(比如像透镜)、外环14和它们之间的中间部件16。透明部件12可以是任何可熔的或不可熔的玻璃、晶体材料或陶瓷材料(包括单晶体和多晶体)。例如，硼硅酸盐、苏打石灰硅酸盐和蓝宝石(结晶体)是用于透明部件12的合适材料。虽然透明部件12在图1中被示出为具有一般圆形的形状，但是透明部件12可以具有别的适当的形状或构造。 [0031] 参考图2，中间部件16包括管状薄壁结构，该结构包括第一部分18、第二部分20、内周面22和由内周面22限定的内部空间24。“薄壁结构”包括与透明部件12和外环14的尺寸相比而言比较薄的壁，以便当施加压缩力时，“薄”壁可以挤压和卷缩在外环14与透明部件12之间。外环14的热膨胀系数大于透明部件12的热膨胀系数。因此，外环14和透明部件12之间冷缩的不同导致了透明部件12和中间部件16的第一部分18之间以及外环14和中间部件16的第一部分18之间的界面处的压缩力。中间部件16的第一部分18因此被外环14和透明部件12之间的压缩力挤压和卷缩。 [0032] 仅仅作为例子，“薄壁”的厚度相对于透明部件12的外径的比率(亦即t1/ODt)或者沿着径向方向的“薄壁”的厚度(t1)相对于外环14的管状壁的厚度(t2)的比率(亦即t1/t2)可以取决于观察玻璃组件10的单独部件的材料和热膨胀系数而变化。仅仅作为例子，外环14的外径ODo相对于透明部件12的外径ODt(亦即ODo/ODt)应当足够大，以便外环14和透明部件12可以对中间部件16施加足够的压缩力，以在外环14和透明部件12之间挤压和卷缩中间部件16。在图示的例子中，t1/t2近似为1/3。 [0033] 第一部分18接合到透明部件12和外环14。透明部件12的外围也可以熔合到中间部件16邻近于第一部分18的内周面22。第二部分20可以附接到工艺管或容器(未示出)，以便将观察玻璃组件安装到工艺管或容器。第一部分18可以具有沿着径向方向X测量的等于或小于第二部分20的厚度。 [0034] 虽然第一部分18在图2中被示出为设置在中间部件16的边缘，该中间部件16呈管状薄壁结构的形式，但是第一部分18可以设置在中间部件16的任何部分。“第一”部分18用来指示中间部件16的接合到透明部件12的部分，而“第二”部分20则用来指示管状薄壁的没有接合到透明部件12的部分。 [0036] 外环14由金属制成，所述金属具有足够的机械强度以保护透明部件12免受径向冲击。外环14可以具有闭环形状，并且可以安装在中间部件16的第一部分18周围。代替地，外环14可以包括任何形状的板(例如方板)，该板具有第一部分18插入其中的圆形或椭圆形的孔。外环14的屈服强度和热膨胀系数每个都大于或等于中间部件16的屈服强度和热膨胀系数。在装配时，外环14压缩透明部件12和外环14之间的第一部分18，并且使第一部分18变形。 [0038] 为了制造观察玻璃组件10，将透明部件12放置在由中间部件16限定的内部空间24中。外环14装配在中间部件16的第一部分18周围。透明部件12、外环14和中间部件 16的组件颠倒放置，以便第二部分20在顶部，并且第一部分18在底部。将组件放置在高温炉(仅仅作为例子，比如玻璃密封炉)中，以便加热、熔化、接合并冷却观察玻璃组件10。 [0039] 更加具体地，观察玻璃组件10被加热到近似600℃至1250℃。在升高的温度下，透明部件12、中间部件16和外环14膨胀。中间部件16的热膨胀系数大于透明部件12的热膨胀系数。热膨胀方面的差异导致透明部件12和中间部件16之间的环形间隙。 [0040] 透明部件12在玻璃化转变温度下软化。对于苏打石灰玻璃而言，玻璃化转变温度近似为520-600℃。当持续加热时，透明部件12变成熔融状态。透明部件12在其熔融状态下变形流动以填充环形间隙。其后，将观察玻璃组件10移动到玻璃密封炉的冷却区。随着观察玻璃组件10的温度下降至透明部件12的玻璃化转变温度，透明部件12开始凝固。环形间隙中的熔化材料凝固，使得透明部件12接合并且有可能熔合到中间部件16的内周面22。 [0041] 随着观察玻璃组件10的温度持续下降，透明部件12、外环14和中间部件16开始由于冷缩而收缩。中间部件16的内周面22在冷缩的过程之前已经接合到透明部件12。当冷缩开始时，中间部件16的内径等于透明部件12的外径。因此，中间部件16的收缩受到透明部件12的抑制。中间部件16的受到抑制的收缩导致了透明部件12和中间部件16的界面处的压缩力。压缩力由透明部件12在中间部件16的内周周围施加。 [0042] 在加热之前，外环14的内径可以大于中间部件16的第一部分18的外径，以便外环14可以装配到中间部件16。在外环14和中间部件16之间可以存在间隙。在加热时，如果外环14的热膨胀不同于中间部件16，则间隙可能扩大。间隙在冷却期间减小。然而，间隙不能减小到观察玻璃组件10被加热之前的原始尺寸，因为中间部件16在受到透明部件12抑制的情况下不能收缩到它的原始尺寸。在一个点，外环14的内径变得等于中间部件16的外径，并且外环14的内周面接触中间部件16的外周面。 [0043] 参考图3，虚线A表示当中间部件16的外径等于外环14的内径时在中间部件16和外环14之间的界面。在这一点上，没有力施加在中间部件16的第一部分18和外环14之间。第一部分18和第二部分20可以是具有恒定厚度的整体薄壁结构的部分。因此，在这一点上，第一部分18的厚度等于第二部分20的厚度。 [0044] 随着观察玻璃组件10的温度持续下降，由于热膨胀方面的差异和中间部件16的相对韧性，外环14开始压缩中间部件16。外环14的热膨胀系数大于中间部件16的热膨胀系数。因此与中间部件16相比，外环14收缩至更大的程度。当外环14的内径变得小于中间部件16的管状薄壁结构的外径时，缩紧的外环14在外环14和中间部件16之间的界面处给予压缩力F。 [0045] 随着温度持续下降，压缩力F增加。当压缩力F变得大于中间部件16的屈服强度时，中间部件16的第一部分18经受塑性变形。外环14具有大于预期压缩力的屈服强度并且不屈服。因此，外环14在透明部件12和外环14之间挤压并使第一部分18变形，直到压缩力F被直接施加到透明部件12为止。由于收缩接触，在外环14和中间部件16之间形成金属对金属密封30。注意，气密密封在外环14和中间部件16之间不是必要的。 [0046] 中间部件16的薄壁结构的厚度被选择，以便当外环14使第一部分18变形时，压缩力F可以针对透明部件12挤压第一部分18并且被直接施加到透明部件12。第一部分18变得卷缩，并且第一部分18的厚度减小。外环14具有足够的机械强度，以在不屈服的情况下针对透明部件12施加压缩力，并且保护透明部件12免受冲击力。 [0047] 类似地，随着温度下降，在中间部件16和透明部件12之间生成压缩力，以帮助使中间部件16变形。径向地施加透明部件12的压缩力，以确保在透明部件12和中间部件16之间以及在中间部件16和外环14之间形成压缩密封。这样的压缩不仅牢固地将透明部件12保持在中间部件16内部，而且还提高了其间的密封。透明部件12和中间部件16之间的-9 压缩密封28是耐压和持久的，并且可以防止氦泄漏。压缩密封28可以具有1×10 mbar·l/sec以下的泄漏率。 [0048] 在观察玻璃组件10完成之后，通过将中间部件16的第二部分20软焊或硬焊到工艺管，观察玻璃组件10连接到工艺管。中间部件16的材料并不限于具有高熔点的那些材料，而是可以进行选择以具有与工艺管相类似的性质，以便于在其间接合。例如，当工艺管由铜制成时，中间部件16可以由铜制成，以便观察玻璃组件10可以通过软焊接合到工艺管。 [0049] 类似地，外环14的材料并不限于可焊接的金属，从而增加了对用于外环14的材料(比如奥氏体不锈钢)的选择。对用于中间部件16和外环14的材料的增加的选择增加了对接合方法(例如焊接、硬焊和软焊)的选择。因此，可以显著减少制造时间和成本。 [0050] 参考图4，容器40包括工艺管42和在接头46处接合到工艺管42的观察玻璃组件44。接头46可以是软焊接头、硬焊接头或者通过任何其它接合方法形成。观察玻璃组件44包括透明部件48、外环50和中间部件52。透明部件48和外环50具有类似于图1和2的透明部件12和外环14的结构。 [0051] 中间部件52限定了包括第一管54、第二管56和第三管58的T形管状体。第一管54和第二管56对准并连接到工艺管42。箭头B指示流体运输设备40中运输的流体的流向。第三管58包括薄壁结构，该薄壁结构包括第一部分60和第二部分62。第一部分60熔合到透明部件48。第二部分62邻近于第一管54和第二管56设置。T形管体可以是标准T管，其由与工艺管42类似的材料制成。因此，观察玻璃组件44可以通过软焊连接到工艺管42。 [0052] 根据本公开，观察玻璃组件10或44可以包括中间部件16或52，其具有适合于容器40的工艺管42或壳体主体的构造。因此，任何现有的或标准管都可以用作中间部件16或52，以便于将中间部件接合到容器40的工艺管42或壳体主体。此外，中间部件16或52可以由这样的材料形成，所述材料可以通过焊接、硬焊或软焊接合到工艺管42或壳体主体。因此，可以显著减少观察玻璃组件的制造和装配成本。 [0053] 此外，因为本公开的观察玻璃组件增加了对材料的选择并且可以容易地接合到别的材料，所以观察玻璃组件可以找到除了工艺管或流体运输设备之外的更多应用。例如，观察玻璃组件可以接合到罐或者并入其中需要气密和透明功能的任何其它薄壁部件中(例如液面监视、光监视、颜色监视等)。进一步，可以通过观察玻璃组件10的透明部件48插入传感器，以便监视工艺管中包含的流体的状况。 [0054] 另外参考图5和6，本教导进一步提供了一种气密终端组件110，其包括至少一个导电构件118，用于将电流从终端组件110的一侧传导到终端组件110的另一侧。如图5所示，终端组件110的构造在某些方面基本上类似于观察玻璃组件10。因此，对观察玻璃组件10的各个部件的描述适用于终端组件110。然而，重要的是要注意到，中心玻璃密封部件112具有玻璃配方，其适合于向导电构件118提供气密的玻璃至金属密封。 [0055] 可以用与观察玻璃组件10相同的方式来制造终端组件110。因此，在此描述的制造观察玻璃组件10的方法也描述了制造终端组件110的方法。 [0056] 类似于观察玻璃组件10和观察玻璃组件44，终端组件110的中间部件116可以使用任何适当的接合装置或方法安装到任何适当的装置。例如，以关于中间部件52在图4中描述和图示的类似方式，中间部件116可以经由接头46安装到容器40的工艺管42。 [0057] 导电构件118延伸穿过中心玻璃密封部件112，并且可以跨越中心玻璃密封部件112传导电信号，比如像供湿度传感器、流量传感器和/或控制器等使用。导电构件118可以包括多种适当形式的导体如引脚、导线、杆、盘、轧制板或平板中的任何一种。导体118可以由任何适当的导电材料制成，比如铜、金、钢或铜芯钢。导电构件118可以是单一的或模块化的。如图5所示，通过玻璃密封部件112可以提供多个导电构件118。 [0058] 导电构件118可以用任何适当的方式密封在玻璃密封部件112之内，以在导电构件118和玻璃密封部件112之间形成气密密封。例如，在将玻璃密封部件112与外环114和中间部件116进行装配以制造终端组件110之前，可以在导电构件118已经气密密封在其中(所谓的“全玻璃终端”)的情况下预先形成玻璃密封部件112。代替地，玻璃密封部件112可以预先形成有一个或多个通孔120，通孔120完全延伸穿过玻璃密封部件112，并且每个被制定尺寸和成形以容纳导电构件118。在将玻璃密封部件112与外环114和中间部件116进行接合之前或之后，导电构件118可以插入孔120中。当玻璃密封部件112在制造过程期间从被加热到熔融状态冷却时，形成与导电构件118的气密密封。更进一步，导电构件118可以在装配期间的熔融状态的同时插入到玻璃密封部件112中，从而消除了对预先形成的孔120的需要。 [0059] 特别地参考图6，示出了终端组件110’的代替构造。在终端组件110’中，外环114’例如包括壳体的凸缘部分。中间部件116’容纳在凸缘部分中。在装配期间，凸缘部分和中间部件116’被加热以便热膨胀。未加热的预先形成的全玻璃终端112’然后插入到设置在中间部件116’处的开口中。然后冷却终端组件110’。如上所述，形成了气密玻璃至金属压缩密封。 |
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