专利名称：一种抽空玻璃腔体的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于抽空一个玻璃腔体的方法及装置，该玻璃腔体由玻璃壁限定(即封闭)，玻璃壁上有一个孔口，抽空操作通过该孔口实现。本发明是针对抽真空门和/或窗用玻璃(window glazing)(“真空窗用玻璃”)而开发的，而且下文也是在上述意义上对本发明进行叙述的。但应当理解本发明还有更广泛的应用，例如抽空阴极射线管，包括电视显象管，真空瓶，太阳能收集器板以及板状显示装置等。
窗用玻璃的抽空存在特殊的问题(相对于抽空许多其他玻璃物体而言)，主要表现为进行了抽空的区域在最终产品上不应突出，此外抽空过程必须适合具有大表面积或线性尺寸的玻璃板。抽空过程还涉及将窗用玻璃在一个所谓烘箱中加热至较高温度的操作(同时将待抽空的腔体与抽空系统相连)，以将气体从玻璃板表面区域和支撑柱上去除。
在一种实施抽空过程的方法中，在其中一块玻璃板的外表面上连接(即密封)有一根小泵出管，该小管与该玻璃板上的一个通孔相连通。该小管和玻璃板之间是通过焊接用玻璃进行连接的，通常上述连接操作与在两片玻璃之间进行焊接用玻璃边缘密封的操作同时进行。焊接用玻璃密封一般在450℃左右实现，也就是说，在一个足以熔化焊接用玻璃且可形成一个无泄漏接缝的温度下进行，但该温度低于可引起玻璃板显著变形的温度。
完成焊接用玻璃密封操作后，上述结构通常被冷却到室温。然后，在上述泵出管上放置一个金属制成的抽空头，该抽空头与远处的一个真空泵相连。该抽空头包括一个中央腔体，该中央腔体可容纳泵出管，并且可与真空泵相连。在抽空头的中央腔体的周围还装有一个带凹槽的O形环，该O形环安装成可在抽空过程中将玻璃板包围着管的部分密封。
上述窗用玻璃和抽空头被装入烘箱，在其中实现抽空操作的同时整个结构被加热至排气温度。然后，通过将该泵出管加热到其熔点从而将其出口端封闭。
上述抽空过程中的一个固有问题来源于采用0形环实现抽空头与玻璃板之间的密封。上述结构的所有元件在烘箱中均被加热至一个大致相同的温度，事实上由于所有弹性的(即聚合物的)O形环材料均会在200℃以上发生分解，因此就使得排气温度严重受限。其后果是，为了能在较低的温度得到足够的排气效果，上述过程必须保持很长时间。这就限制了制造效率，从而提高了制造成本。
上述过程的另一个问题是需要两个加热步骤，一个是加热到较高温度(约450℃)以形成焊接用玻璃密封，另一个是加热到较低温度(约200℃)以实现对腔体的抽空。上述两步工艺需要控制温度变化速率以防止导致在窗用玻璃中留下过量机械应力，因而这种工艺还进一步增加了制造时间。此外，上述两步工艺消耗的能量远大于采用一步工艺所需的能量。
本发明从广义上讲提供一种抽空腔体的方法，该腔体至少部分地由一个包含抽空孔口的玻璃壁所包围，该方法包括如下步骤(a)用一个抽空头覆盖上述抽空孔口和该抽空孔口周围的玻璃壁部分，该抽空头上具有(i)一个与抽空孔口相连通的第一腔，以及(ii)至少一个围绕在该第一腔周围的其它腔，该其它腔被玻璃壁的围绕着抽空孔口的部分封闭，(b)抽空该被封闭的其它腔，或者如果抽空头上有不止一个其它腔，则抽空其上的每一个其它腔，以及(c)通过抽空头上的第一腔将腔体抽空。
本发明还提供一种装置，用于抽空一个至少部分地由带抽空孔口的玻璃壁所包围的腔体，该装置包括
(a)一个抽空头，该抽空头覆盖上述孔口和玻璃壁在该孔口周围的部分，且包括一个与上述孔口相连通的第一腔和至少一个包围着该第一腔的其它腔，(b)一个第一导管，它与上述第一腔相连通，用于将真空泵与第一腔相连，以及(c)一个其它导管，它与所述其它腔相连通，或者如果有多个其它腔的话，则与每一个其它腔分别相连，并且用于将真空泵与所述或每一个其它腔相连。优选特性在本发明的各个方面中，优选地将抽空头上的第一腔和其它腔分别与不同的真空泵系统相连。但是，对所述或每一个其它腔的抽空强度应比对第一腔的抽空强度低得多(即，以产生一个真空度不太高的真空状态)。
如前所述，本发明适用于制造抽空的窗用玻璃，在该应用中，待抽空的腔体包括一个由两层边缘密封的玻璃板限定的空间。其中一片玻璃上装有一个泵出管以形成抽空孔口，而且抽空头的第一腔的形状和尺寸设计得可容纳该泵出管。
在了解本发明上述优选方面的基础上，本发明还包括一种形成抽空窗用玻璃的方法，其中在抽空工艺进行的同时也实现了腔体的热致排气。优选的情况下，排气过程在略低于(一般低于50℃-100℃)玻璃板边缘密封温度的温度下进行。
下面对实施本发明的一种装置和方法的优选实施方案进行阐述，从而使本发明得到更充分地理解。下列阐述将参照附图进行。
图6是抽空头的一个改进形式的竖直剖面图，该抽空头安装在待抽空的窗用玻璃的一部分上；以及图7是抽空头的另一个改进形式的竖直剖面图，该抽空头安装在待抽空的窗用玻璃的一部分上。
发明详述如
图1所示，一个全金属的抽空头10安装在待抽空的窗用玻璃11上。该窗用玻璃包括两层平板玻璃12和13，这两层玻璃板保持间隔开的面对面正对关系。玻璃板一般由钠钙玻璃制成并在其边缘通过一道边缘密封的焊接用玻璃焊缝14相互连接。
腔体15由两层玻璃板12和13限定，这两层玻璃由一个支撑柱16的网络或阵列保持间隔开来。腔体15被抽空至真空度低于10-3Torr，这使得两层玻璃之间的气体热导相对于其它热流动机理可以忽略不计。
玻璃板12上有一个开口17，一个玻璃泵出管18安装在该开口17中并向外突出。该泵出管通过一条焊接用玻璃焊缝19与玻璃板实现密封。
在泵出管18的周围装有一条金属丝20，该金属丝可在腔体15被抽空后熔化，从而将泵出管封闭，当然也可采用其他技术来达到上述目的。
抽空头10包括一个金属体21，其中包括或制成有一个中央的第一腔22。第一腔22的形状和尺寸设计得可容纳泵出管18，并提供了气体在腔体15的抽空或排气过程中自由运动的空间。
第一腔22通过孔口23和导管24与真空泵25相连，该真空泵安装在烘箱32外部，如图2所示。
该抽空头10的金属体21中还包括一个第二环形腔26。该第二腔26围绕着第一腔22并在使用中由围绕在泵出管18周围的玻璃板12的表面所封闭。第一环形凸脊27位于第一腔22和第二腔26之间，而第二环形凸脊28包围第二环形腔26。两个凸脊27和28在一个小区域上与玻璃板12的表面相接触，从而限制气体流入第二腔26以及两个腔22和26之间。
第二腔26通过孔口29和导管30与一个其它真空泵31相连，如图2所示。
一般而言，抽空头10的外径为50mm-100mm，而第一中央腔22的直径为约10mm-20mm。凸脊27和28的径向宽度均为约1mm，但也可在0.10mm-10mm的范围内。
图3示出制造一个抽空的窗用玻璃单元的顺序步骤。
首先将玻璃板12和13装配成一个间隔开的关系(如上所述)，然后将未熔化的焊接用玻璃焊缝14沉积在玻璃板13的边缘周围。相似地，将未熔化的焊接用玻璃焊缝19沉积在位于玻璃板12上开口17中的泵出管18周围。
然后通过一次加热过程完成进一步的制造步骤。当两片玻璃板装配完成且焊接用玻璃焊缝沉积完毕后，将抽空头10安装在玻璃板12的表面上，以将泵出管18包围，两个环形凸脊27和28之间的环形腔26就通过泵31进行抽空。在这一初始步骤中两层玻璃板之间的腔体15并未被抽空。
最终的包括抽空头10的装配组件在烘箱32中被加热至约450℃，在这一过程中，焊接用玻璃熔化形成包围着窗用玻璃边缘和泵出管边缘的焊缝。接下来将窗用玻璃和抽空头冷却至焊接用玻璃的凝固温度(约为380℃)，然后通过将高真空系统25与抽空头的中央腔22相连接，开始对两层玻璃板12和13之间的腔体15进行抽空。对腔体的抽空操作一直保持到窗用玻璃和抽空头冷却下来为止。在上述冷却过程中，采用的具体温度和时间安排取决于窗用玻璃内表面获得足够排气效果所需的时间。
当排气和抽空均完成后，泵出管18被熔化并由于金属丝元件20熔化而被封闭。
真空泵31可以包括一个机械真空泵，通常是指前级泵，该泵可达到约10-3Torr的临界真空度。但是，采用图中所示的这种装置，气体将经过外凸脊28处发生一些泄漏，因而在第二凸脊27和28之间的第二腔26内所能达到的真空度取决于泄漏的幅度和导管30的抽吸速度，导管30将抽空头和泵31相连。
在第二腔26中形成比1Torr低得多的真空度是比较简单的，但这样的真空水平并不是低得足以将窗用玻璃的腔体15抽空，当第一腔通过真空泵25抽空后，密封真空足以促进在窗用玻璃的腔体中达到所需的真空度。
用来产生高真空水平的真空泵系统25可包括一个扩散泵或涡轮分子泵。这种真空系统可达到的基本压力为10-5Torr或更小。
从第二腔26到第一中央腔22也会发生一些气体泄漏，但由于抽空头的结构特点使得泄漏的幅度足够小，而对该抽空工具的第一腔中的压力影响非常小或者可以忽略不计。
为使上述抽空工艺有效，玻璃板与抽空头的接触表面必须很平以使尺寸偏差很小，并且还没有显著的划痕。然而，用浮法工艺制成的钠钙玻璃的平面度偏差非常小，而在外形尺寸约为50-100mm的抽空工具上，平面度偏差通常小于几微米。相似地，抽空头也可在高精度的车床上加工，使其平面度与所制造的玻璃板为一个数量级，从而使其能对凸脊27和28的表面进行密封。
上述加工的结果是当对抽空头的第二环形腔26进行抽空时，该抽空头被大气压力压到玻璃板上。它们的表面贴得足够近，使得经过密封凸脊27和28的泄漏变得小至可以接受。
图4示出抽空头10安装在3mm厚的钠钙玻璃板上时，第二环形腔26压力(P环形)和第一中央腔压力(P中央)的试验值，和流经内凸脊27的气体的热导(C气隙)值。试验数据是在玻璃板和抽空头10被加热到450℃和后续被冷却的循环过程中测得的。在上述测量中使用的抽空头10有一个外径为16mm的密封凸脊27和一个外径为80mm的密封凸脊28。每个密封凸脊27和28的宽度均为1mm。
为得到上述测量数据，通过一条与抽空头10相连的长1m、内径10mm的导管30对环形空间26进行抽空。
用不同的抽空头10进行试验得到大量数据，这些抽空头的密封凸脊的宽度在1-10mm范围内，而外径在50-100mm的范围内，测量不同抽空头的P环形。
从抽空头10的外密封凸脊28漏气的速率(通常称为“透气率”)可通过真空技术标准参考文献中的相关公式确定。与环形空间22相连的真空系统的透气率可由下式得出透气率＝S管(P环形－P抽气端)(1)上式中S管表示通过管34中的抽气速度，单位是L.s-1；而P抽气端表示与环形腔26相连的真空系统抽气端的压力。对于一个一般的旋转泵，P抽气端可以忽略不计，因此在保证良好精度的基础上，公式(1)可简化为透气率＝S管P环形(2)
在试验压力(在第二环形腔26中)下，分子碰撞的平均自由程比管34的直径小得多。基于上述条件，透气率可由真空技术标准参考文献中的相关公式给出S管＝90(d4/l)P环形(3)其中d和l的单位是cm，而P环形的单位是Torr。
公式(3)是按分子量为30的气体推出的，分子量30与空气的主要成分氮(28)和氧(32)的分子量相近。对于其他气体，抽气速度将有细微的差别但并不明显。
利用公式(2)和(3)可推出透气率是P环形的函数透气率＝90(d4/l)P环形2(4)该公式仅在真空系统中的分子碰撞平均自由程比管30的直径小得多而且P抽气端可以忽略不计的情况下适用。若在能保证有效地从接触表面清除灰尘和粒子的情况下，由公式(4)得到的透气率通常小于0.01Torr L.s-1。
如果将数字0.01L.s-1看作可能通过外密封凸脊28的泄漏速率的上限，就可以在环形腔26中的给定所需压力P环形的情况下，利用公式(4)进行计算来选择与该环形腔26相连的抽空导管30的合适尺寸。大体上，人们发现在抽空导管30的一个较大尺寸范围内可以获得足够低的压力。
从图4中的结果可以观察到在加热和冷却抽空头的过程中，环形腔26的压力和内密封表面27的热导均有轻微的波动。这些波动是因为玻璃在高温发生轻微软化而导致金属和玻璃表面发生较小的相对运动以及金属和玻璃的热膨胀系数不同而造成的。
在本发明的一些应用场合可能会优选地采用两步加热工艺，例如当希望在窗用玻璃中包含一种热活性反应金属吸气剂时，这样就能在该装置使用期间净化从该装置的内部空间排出的任何气体。这种金属吸气剂需要在真空中被加热至高温使其达到化学活性，但如果这种物质在空气中被加热超过450℃时，会发生不可逆的降解。因此，如需采用这种吸气剂，则只能在边缘密封工艺完成之后将其装入窗用玻璃中。然后在进行第二次加热之前将窗用玻璃抽气，由于吸气剂将处于真空状态下，从而防止其在第二次加热(至约350℃)过程中发生降解。
实践发现在两步加热工艺中使用抽空头时，内凸脊表面27可能不能与玻璃12的表面很好地密封。其原因是使焊接用玻璃熔化进而形成边缘密封所需的加热温度过高，导致玻璃板有轻微的变形。由此产生的泵出管周围玻璃表面的平面度偏差可能会导致内部金属密封凸脊27与玻璃之间形成一个明显的缝隙。
上述问题可以通过在内部密封凸脊27和玻璃表面之间放置一个厚度为10-50微米的铝箔衬垫来解决。铝箔衬垫将在大气压力引起的力作用下产生变形，从而在内部密封凸脊27和玻璃表面形成良好密封。
图5示出利用真空窗用玻璃样品进行实验所得的实验数据，该样品是在两步工艺中采用抽空头10制成的。图5中示出在一个抽空循环中当窗用玻璃的温度升高到300℃以上然后再降温过程中，第二环形腔26中的压力(P环形)，第一中央腔22中的压力(P中央)和窗用玻璃中的压力(P窗用玻璃)的变化情况。图5A为未使用铝箔衬垫时测定的数据，图5B为采用一个18微米厚的铝箔衬垫时测得的数据，从图中可看出由于经过内部凸脊27的泄漏减小而使中央腔22中的压力明显增大。
图6示出抽空头的一个替代实施方案，其中抽空头10上具有同心的一个第二环形腔26和第三环形腔33。这种设计需要配备第一、第二和第三密封凸脊27，28，34。
第二和第三环形腔26、33分别通过导管30、35与一个抽空系统(图中未示出)相连。第二、第三环形腔26、33可以分别设有一个单独的抽空系统，也可与一个共同的抽空系统相连。但不管上述二者采取何种方式，第一中央腔22始终需与一个单独的真空系统(大体的低压系统)相连。
采用上述装置，内部环形腔26中的真空度相对而言将不受到外部第三环形腔33的影响。
图7示出抽空头的另一个替代设计，它适用于当泵出管18装在与玻璃板12的一个边缘非常靠近的地方。图7中的装置与图1有些类似，除了其第一腔22和环绕第一腔的第二腔26是偏心布置的以外。这需要第二腔26的横截面环绕第一腔的周边发生变化。
在本发明上述范围内还可作进一步的变型和修改。
权利要求
1.一种抽空一个至少部分地被玻璃壁包围的腔体的方法，该玻璃壁上具有一个抽空孔口，该方法包括如下步骤(a)用一个抽空头覆盖上述抽空孔口和该抽空孔口周围的玻璃壁部分，该抽空头上具有(i)一个与抽空孔口相连通的第一腔，以及(ii)至少一个围绕在该第一腔周围的其它腔，该腔被玻璃壁围绕着抽空孔口的部分封闭，(b)抽空该被封闭的其它腔，或者如果抽空头具有不止一个其它腔，则抽空其上的每一个其它腔，以及(c)通过抽空头上的第一腔将腔体抽空。
2.权利要求1中所述的方法，其特征在于第一腔和其它腔分别由第一和其它真空泵抽空。
3.权利要求2中所述的方法，其特征在于腔体和第一腔被抽空至低于被封闭的其它腔中的压力，或者如果有不止一个其它腔的话，则将其抽空至低于所有其它腔的压力。
4.权利要求3中所述的方法，其特征在于所述被封闭的其它腔或者如果有不止一个其它腔，则每个其它腔都被抽真空至约100-10-3Torr，而腔体和第一腔被抽空至为10-3-10-5Torr。
5.上述任一权利要求中所述的方法，其特征在于，当用于其中腔体是由两片间隔开的边缘经密封的玻璃板所限定的真空窗用玻璃时，对第一腔和其它腔进行抽空操作的同时实现了对腔体的热致排气。
6.一种抽空一个至少部分地被玻璃壁包围的腔体的装置，该玻璃壁上具有一个抽空孔口，该装置包括(a)一个抽空头，该抽空头覆盖上述孔口和玻璃壁在该孔口周围的部分，且包括一个与上述孔口相连通的第一腔和至少一个包围着该第一腔的其它腔，(b)一个第一导管，它与上述第一腔相连通，且用于将真空泵与第一腔相连，以及(c)一个其它导管，它与其它腔相连通，或者如果具有多个其它腔的话，则它与每一个其它腔分别相连，并且用于将真空泵与所述或每一个其它腔相连。
7.权利要求6中所述的装置，其特征在于抽空头只具有一个围绕着第一腔的其它腔(即第二腔)，该抽空头具有(i)在第一腔和第二腔之间的一个内环形凸脊，它与围绕着孔口的玻璃壁的部分相接触，以及(ii)围绕着第二腔的一个外环形凸脊，它也与围绕着孔口的玻璃壁的部分相接触。
8.权利要求6或7中所述的装置，其特征在于第一腔和其它腔同心布置。
9.权利要求7中所述的装置，其特征在于第一腔和第二腔偏心布置，第二腔的横截面绕腔体的周边有变化。
10.一种参照附图大体如上文描述的用以抽空一个至少部分地被玻璃壁包围的腔体的方法，该玻璃壁上具有一个抽空孔口。
11.一种大体如附图所示以及前面参照附图所描述的用以抽空一个至少部分地被玻璃壁包围的腔体的装置，该玻璃壁上具有一个抽空孔口。
全文摘要
一种抽空一个例如在真空玻璃中至少部分地被玻璃壁(12)包围的腔体(15)的装置和方法,该玻璃壁上具有一个抽空孔口(18)。使用一个抽空头(10)覆盖在上述抽空孔口(18)和该孔口周围的玻璃壁(12)部分。该抽空头上(10)具有一个与抽空孔口(18)相连通的第一腔(22),和至少一个围绕在该第一腔(22)周围的其它腔(26)。第一腔(22)和其它腔(26)通过导管(24,30)与各自的真空泵(25,31)相连,真空泵向第一腔(22)和其它腔(26)施加不同的负压,从而使腔体(15)通过第一腔(22)抽空。在抽空腔体(15)的同时,窗用玻璃也被施以高温,从而将其中的气体排出。
文档编号H01J9/385GK1333857SQ99815622
公开日2002年1月30日 申请日期1999年11月4日 优先权日1998年11月13日
发明者R·E·科林斯, M·伦曾, N·吴 申请人:悉尼大学