用于金属的密封的方法和设备与流程

本公开涉及在包括但不限于利用负压能量传递的储能装置中气密密封马氏体金属，例如锂。在一个实践中，本发明涉及气密密封蓝宝石窗口，在所述蓝宝石窗口之间设置马氏体金属，该组件在前述储能装置中作为其低温应用的一部分进行预压缩。

背景技术：

在利用低温温度的负压能量传递系统中，例如，在美国专利no.5113661和7581403以及deeks，d.h，“entropydrivenabsolutenegativepressuresystemsforthefutureofelectricpower”，ieeexplore2015中描述的(其中的每一个的内容通过引用并入本文)，有必要使马氏体金属(例如锂)的预压缩在塑性点的范围内。施加这种压力对于低温应用的开始是时间关键的，因为必须避免马氏体金属的破裂。通过将金属密封件焊接或硬钎焊到蓝宝石上以进行这种加压的气密密封已被证明是有问题的。例如，诸如钼的金属或诸如kovar的合金(其是匹配蓝宝石窗口的热膨胀系数所必需的)可以硬钎焊到每个蓝宝石窗口。

然而，将kovar直接硬钎焊到每个蓝宝石窗口，然后将这两个密封件焊接在一起会导致密封件中的潜在变形，从而导致完整性的损失。直接硬钎焊和焊接的钼密封件存在同样的问题并且也难以加工，因此在商业上不可行。此外，这些密封件的焊接和/或硬钎焊在一起需要对这样组装的部件进行退火，同时包含马氏体金属，例如锂，这会引起与马氏体金属和蓝宝石的化学反应。因此需要一种气密和商业实践的密封件并改善上述问题。

技术实现要素：

在一个实施例中，本发明涉及一种用于预压缩马氏体金属的气密密封组件，该组件组合地包括：第一蓝宝石窗口和第二蓝宝石窗口，第一和第二蓝宝石窗口相对于彼此设置以限定两者之间的空间；设置在该空间中并与第一和第二蓝宝石窗口接触的马氏体金属，第一和第二蓝宝石窗口构造成围绕马氏体金属的周边限定内部通道，内部通道从该空间向外延伸并且尺寸构造成在内部通道内容纳马氏体金属的膨胀和收缩；和用于联接第一和第二蓝宝石窗口并气密密封该空间和内部通道的装置。

在一个实施例中，用于联接和气密密封的装置包括：置于第一和第二蓝宝石窗口之间的垫圈，垫圈围绕第一和第二蓝宝石窗口的周边延伸；以及多个紧固件，其可以包括正压部件，以固定垫圈和第一和第二蓝宝石窗口。

在另一实施例中，用于联接和气密密封的装置包括金属密封构件，该金属密封构件置于第一和第二蓝宝石窗口之间，并围绕第一和第二蓝宝石窗口的周边延伸。金属密封构件可以包括分别固定到第一和第二蓝宝石窗口的第一和第二金属密封件，以及置于第一和第二金属密封件之间的波纹管元件。波纹管元件可以是具有基本上一个或多个u形横截面的金属环。

在另一个实施例中，公开了一种气密密封用于预压缩马氏体金属的组件的方法。在一种实践中，采用可选地具有正压部件的周边紧固件和垫圈。在另一个实施例中，波纹管元件，例如具有一个或多个u形横截面的金属波纹管环被硬钎焊或焊接到金属密封件上，金属密封件通过硬钎焊或软钎焊到位于蓝宝石窗口的内周边上的金属化区域而固定到第一和第二蓝宝石窗口。

附图说明

图1以横截面示出了在环境温度下采用垫圈的本发明的组件的实施例。

图2以横截面示出了在低温温度下的图1的实施例。

图3以横截面示出了用于本发明的组件的蓝宝石窗口的实施例。

图3a示出了具有金属化区域的本发明的蓝宝石窗口的内面的平面图。

图4以横截面示出了图3的具有固定的金属密封件蓝宝石窗口。

图4a以横截面示出了本发明的波纹管元件的实施例。

图4b是图4a的波纹管元件的透视图。

图5以横截面示出了在环境温度下采用金属密封元件的本发明的另一个实施例。

图6以横截面示出了在低温温度下的图5的实施例。

具体实施方式

详细参照图1，示出了根据本发明的采用垫圈的用于预压缩马氏体金属的气密密封组件的一个实施例的横截面图。图1的组件在环境温度下示出。该组件包括第一蓝宝石窗口2和第二蓝宝石窗口4，它们在空间上相对于彼此定位以在其间形成空间，在该空间内设置有马氏体金属9。蓝宝石窗口2和4可以是任何几何形状，例如圆形、矩形、正方形等。在一种实践中，蓝宝石窗口2和4是圆形的并且尺寸基本相同，具有基本相同的大小，优选地形状相同并且具有与本文所讨论的特征相同的尺寸。

在负压能量传递系统的背景下，例如，在美国专利no.5113661和7581403以及deeks，d.h，“entropydrivenabsolutenegativepressuresystemsforthefutureofelectricpower”，ieeexplore2015中描述的，蓝宝石窗口2和4的厚度越薄，热传递越大；然而，蓝宝石窗口越薄，它变得越弱，导致需要将晶格或格栅图案附接到一个或两个蓝宝石窗口的外表面以加强它们。蓝宝石窗口的厚度也会影响激光束通过的低温冷却的熔融石英微透镜组件的焦点。该光束由标准激光器或熔融石英光纤耦合激光器产生。激光束用于通过作用于马氏体金属中的光学掺杂材料来驱动该过程。该光学掺杂可以采用碳化硼(掺杂剂)和/或其他硬质高熔点材料的形式，并且可以包括嵌入金属锂中的一个或多个靶物。一个或多个微透镜组件用于聚集激光束，以便将光学掺杂物加热到大于预压缩的马氏体金属的沸点的温度，但不将激光束集中到足以损坏光学掺杂(掺杂物)的强度。激光束在穿过蓝宝石窗口时必须充分聚焦，以免在掺杂材料上产生太小的光斑尺寸，并且避免使激光束的强度大大超过驱动应用所需的强度，否则低温冷却的熔融石英透镜组件会性能降低。

考虑到这些参数，如图3中更详细所示，第一蓝宝石窗口2具有从外边缘2a偏移距离“d”并围绕蓝宝石窗口的内部面的周边延伸的凹槽15a，而第二蓝宝石窗口4具有从外边缘4a偏移距离“d”并围绕蓝宝石窗口的内部面的周边延伸的凹槽15b。蓝宝石窗口2和4在空间上定位以在内面16a和16b之间形成空间，马氏体金属9设置在该空间内。任何马氏体金属都可用于9，优选金属锂，包括马氏体金属的同位素，例如合金化和/或光学掺杂和/或电子或磁性掺杂的锂。

如图1所示，马氏体金属9与第一和第二蓝宝石窗口的内面16a和16b接触。凹槽15a和15b构造成使得当它们叠置或对齐时，它们限定内部通道(或空隙)10，其向外延伸并且还优选地从设置马氏体金属9的空间垂直地延伸以在马氏体金属在环境温度(例如约25℃)和低温温度(例如约-250℃)之间循环时容纳马氏体金属的膨胀和收缩。如图所示，内部通道10的横截面基本上是矩形的，但是也可以采用其他横截面形状。

马氏体金属9具有周边。固定到周边并围绕其延伸的是抑制装置8(containmentmeans)。抑制装置构造成当组件处于低温温度时在内部通道10与第一和第二蓝宝石窗口2和4之间形成密封。在一个实施例中，抑制装置包括垫片。用于抑制装置的结构材料包括但不限于不锈钢(例如316不锈钢)、镍、铁-镍-钴合金(例如市售的kovar)、镍-铁合金(例如市售的invar)、或其组合。该组件具有用于联接第一和第二蓝宝石窗口并气密密封内部通道10和马氏体金属9所在的空间的装置。内部通道10可以填充惰性气体，例如氩气。

在一个实施例中，联接第一和第二蓝宝石窗口并气密密封内部通道和马氏体金属空间的装置位于第一和第二蓝宝石窗口的周边，并包括置于第一和第二蓝宝石窗口之间的垫圈3，垫圈3围绕第一和第二蓝宝石窗口2和4的周边延伸。垫圈3可以可选地包括邻接的波纹管或包括离散的波纹管段，例如，垫圈3的横截面可以是连续的u形，或者可以具有u形横截面的不连续的区段。优选地具有正压部件的多个紧固件用于固定垫圈3和蓝宝石窗口2和4。正压部件包括但不限于垫片、弹簧、碟形弹簧、波形弹簧、贝氏弹簧垫圈、弹簧垫圈及其组合。

图1中所示的用于联接的装置包括用垫片5固定的延伸通过穿过第一和第二蓝宝石窗口2和4以及垫圈3的孔1a的螺栓1(也可以采用螺钉等)，以及螺母7。图1中描绘的正压部件是波形弹簧6。优选地，垫圈3具有与蓝宝石窗口基本相同的热膨胀系数。用于垫圈3的可使用的结构材料包括但不限于玻璃填充的聚四氟乙烯(ptfe)(例如25％玻璃填充的ptfe)、ptfe、不锈钢、聚四氟乙烯、镍、铁-镍-钴合金(例如市售的kovar)、镍-铁合金(例如市售的invar)、或其组合。图1还示出了石英微透镜11和掺杂剂12。

图1的组件在环境温度下示出。如图所示，马氏体材料9延伸到内部通道10中。图2示出了在低温温度下的图1的实施例。如图2所示，马氏体金属9已收缩并且在抑制垫片8和蓝宝石窗口2和4之间已形成密封。图2还描绘了与图1相比蓝宝石窗口2和4之间的空间的收缩(变窄)。如图2所示在压缩状态下，马氏体金属9在收缩期间通过波形弹簧6保持与蓝宝石窗口正压接触。用于压缩和减压第一和第二蓝宝石窗口同时保持与马氏体金属接触的装置包括但不限于锁紧垫片13，其可以精确地控制所施加的压力的量，并且还使得马氏体金属保持与蓝宝石窗口的正压接触。

图5描述了该组件具有用于联接第一和第二蓝宝石窗口并气密密封内部通道10和马氏体金属9所在的空间的装置的另一实施例。在图5中，该装置包括金属密封构件，该金属密封构件置于第一和第二蓝宝石窗口之间，并围绕第一和第二蓝宝石窗口的周边延伸。对于该实施例，参考图3、图3a、图4和图4a以及图5：在一种实践中，图3和3a(图3a描绘了两个相同的蓝宝石窗口中的一个，特别是图3的沿着线3a的上蓝宝石窗口2)示出了第一和第二蓝宝石窗口2和4具有分别从外边缘2a和4a偏移的凹槽15a和15b。分别从外边缘2a至2b和4a至4b延伸的每个内周面至少为了图5的实施例的目的而具有金属化区域14a和14b。金属化区域可以用一种或多种金属或金属合金真空沉积，例如但不限于不锈钢、镍、铁-镍-钴合金(例如市售的kovar)、镍-铁合金(例如市售的invar)或其组合。

如图4所示，金属密封构件包括第一金属密封件，该第一金属密封件具有由间隔件17a分开的相对侧壁18a和19a。侧壁18a由硬钎焊或软钎焊(例如银焊料钎焊)通过金属化区域14a固定到第一蓝宝石窗口2。类似地，具有由间隔件17b分开的侧壁18b和19b的第二金属密封件由硬钎焊或软钎焊通过金属化区域14b固定到第二蓝宝石窗口4。第一和第二金属密封件分别具有凸缘20a和20b，凸缘20a和20b围绕并保护第一和第二蓝宝石窗口的外边缘2a和2b。金属密封件可以整体地包括部件侧壁、空间、凸缘；或者这些部件可以通过本领域已知的方法单独提供和连接在一起，例如，焊接等。

图4a以横截面示出了波纹管元件21作为环实施例，但是可以使用与蓝宝石窗口的形状一致的波纹管元件的其他构造。图4b示出了图4a的波纹管环21的透视图。波纹管环21置于第一和第二金属密封元件之间并附接到第一和第二金属密封元件。如图5所示，波纹管环21具有基本上u形的横截面，以便当组件在环境温度和低温温度之间循环时允许压缩和减压，并且围绕第一和第二蓝宝石窗口2和4的周边延伸。

在一个实施例中，波纹管环21具有u形侧面21a中的一个的外表面，通过硬钎焊或焊接或其组合附接到第一金属密封件的侧壁18a。然后将包含金属锂9或其他马氏体金属的抑制垫片8放入波纹管环的中心。接下来，第二金属密封件与波纹管环的外圆周的外周边对齐，然后u形侧面21b的另一个外表面通过硬钎焊或焊接或其组合附接到第二金属密封件的侧壁18b。在环境温度下，抑制垫片8可以但不需要与蓝宝石窗口2和4形成密封，以便将马氏体金属限制在环境温度下。惰性气体，例如氩气，可以用于填充内部通道10。石英微透镜组件11在进行低温冷却的同时可以熔融到光纤耦合激光器的光纤上。在操作中，通过锁紧垫片13和/或正压部件(例如波形弹簧6)中的至少一个来实现压力的减轻或消除。当抑制垫片8从蓝宝石窗口2和4解除密封时，一个或多个弹簧塞销22(springchockpin)用于避免锂的破裂。在环境温度下，弹簧塞销22伸出。

优选地，波纹管环21和第一金属密封件(18a，17a，19a，20a)和第二金属密封件(18b，17b，19b，20b)的部件都具有基本相同的热膨胀系数。用于波纹管环和第一和第二金属密封件的可用的结构材料包括但不限于不锈钢、镍、铁-镍-钴合金(例如市售的kovar)、镍-铁合金(例如市售的invar)或其组合。

图5的组件在环境温度下示出。如图所示，马氏体材料9延伸到内部通道10中。图6示出了在低温温度下的图5的实施例。如图6所示，马氏体金属9收缩并且在抑制垫片8和蓝宝石窗口2和4之间形成密封。u形波纹管环21充分地压缩和减压，以在收缩期间保持马氏体金属9和蓝宝石窗口2和4的正压接触。波形弹簧13或用于压缩和减压第一和第二蓝宝石窗口的其他合适装置可以精确地控制所施加的压力。

参照图6，在低温温度下，金属抑制垫片8与蓝宝石窗口2和4形成密封，并将马氏体金属9限制在该空间内。来自锁紧垫片(13)、或弹簧、碟形弹簧、贝氏碟形弹簧、波碟弹簧、弹簧垫片、波形弹簧或其组合中的至少一个的压力的施加导致受限制的马氏体金属9承受8在马氏体金属的塑性点范围内的压力。弹簧塞销22在低温温度下缩回。

本组件提供了马氏体金属预压缩所需的正压的精确调节，而没有马氏体金属的破裂或泄漏。这种预压缩的施加可以在不同阶段发生。例如，用于使用波纹管元件密封马氏体金属的初始预压缩远小于马氏体金属的塑性点。然而，在低温应用中必要的预压缩的施加必须在马氏体金属的塑性点范围内。现有技术，例如，hori等人的journalofjapaninstituteoflightmetal,vol.50,no.12(2000),pp.660-665“plasticworkabilityofpurelithium,”(其内容通过引用并入本文)讨论了马氏体金属锂的可加工性，特别是塑性点压力的施加与破裂时间的关系(由于施加该压力导致的金属移动)。必须避免这种破裂，因为在该应用冷却到低温温度之前以及在抑制垫片抵靠蓝宝石窗口收缩以密封锂之前锂金属会泄漏出抑制垫片。因此，将用于预压缩的正确压力施加到在塑性点压力范围内的特定压力对于在操作之前低温应用的最终组装是时间关键的。这种塑性点范围在本领域中是已知的，例如，hori等人的图8具体地示出了施加的压力与锂破裂时间的关系。马氏体金属到塑性点的预压缩必须在组装和/或冷却的最后阶段和/或恰好在低温设备操作之前发生。在预加压到塑性点之后组装低温应用装置的剩余时间应根据基于该图的特定压力给出的时间选取。

同样地，当使低温应用升温至环境温度或高于抑制垫片不再相对于蓝宝石窗口密封马氏体金属的温度时，必须移除(降压或减压)马氏体金属到塑性点范围的加压。这也是时间关键的，并且由与例如hori示例的相同的施加压力与破裂时间关系支配；然而，由于马氏体晶相变化的逆转热，这个关键时间可能会有所延长。

在另一个实施例中，本公开涉及一种密封用于预压缩马氏体金属的组件的方法。该方法包括：(i)提供用于预压缩马氏体金属的如本文描述的组件，该组件包括第一和第二蓝宝石窗口，在第一和第二蓝宝石窗口之间具有空间，并且其具有设置在所述空间中并与第一和第二蓝宝石窗口接触的马氏体金属，第一和第二蓝宝石窗口构造成围绕马氏体金属的周边限定内部通道，内部通道从所述空间向外延伸并且尺寸构造成在内部通道内容纳马氏体金属的膨胀和收缩；(ii)借助于置于第一和第二蓝宝石窗口之间并围绕第一和第二蓝宝石窗口的周边延伸的垫圈将第一和第二窗口彼此密封；和(iii)通过具有正压部件的多个紧固件将第一和第二蓝宝石窗口彼此固定，紧固件延伸通过第一和第二蓝宝石窗口以及垫圈，其中，紧固件可以包括例如螺栓、螺钉及其组合，并且正压部件包括垫片、弹簧、碟形弹簧、波形弹簧、贝氏碟形弹簧、弹簧垫片及其组合。

在另一实施例中，(i)的组件进一步包括提供从马氏体金属释放压力的装置，以防止当马氏体金属加压时马氏体金属的破裂；在这方面用于释放压力的装置包括但不限于一个或多个破裂销，例如一个或多个弹簧塞销。

在另一实施例中，本公开涉及一种密封用于预压缩马氏体金属的组件的方法，该方法包括：(i)提供用于预压缩马氏体金属的如本文所述的组件，其包括第一和第二蓝宝石窗口，在第一和第二蓝宝石窗口之间具有空间，并且其具有设置在所述空间中并与第一和第二蓝宝石窗口接触的马氏体金属，第一和第二蓝宝石窗口构造成围绕马氏体金属的周边限定内部通道，内部通道从所述空间向外延伸并且尺寸构造成容纳内部通道内的马氏体金属的膨胀和收缩；和(ii)借助于波纹管元件将第一和第二窗口彼此密封，所述波纹管元件具有固定到第一金属密封件的第一侧面和固定到第二金属密封件的第二侧面，所述第一金属密封件附接到第一蓝宝石窗口，所述第二金属密封件附接到第二蓝宝石窗口，其中，例如，波纹管元件的第一和第二侧面通过硬钎焊或焊接或其组合固定。在另一实施例中，(i)的组件进一步包括提供从马氏体金属释放压力的装置，以防止马氏体金属的破裂；在这方面用于释放压力的装置不受限制地包括一个或多个破裂销，例如一个或多个弹簧塞销。

在另一实施例中，本公开涉及一种预压缩马氏体金属的方法，该方法包括(i)提供用于预压缩马氏体金属的如本文所述的组件，其包括第一和第二蓝宝石窗口，在第一和第二蓝宝石窗口之间具有空间，并且具有设置在所述空间中并与第一和第二蓝宝石窗口接触的马氏体金属，第一和第二蓝宝石窗口构造成围绕马氏体金属的周边限定内部通道，内部通道从所述空间向外延伸并且尺寸构造成容纳内部通道内的马氏体金属的膨胀和收缩，以及围绕马氏体金属的周边延伸并固定到马氏体金属的周边的抑制装置，其构造成在低温温度下在内部通道与第一和第二蓝宝石窗口之间形成密封；(ii)用以下中任一个将第一和第二蓝宝石窗口彼此密封：(a)置于第一和第二蓝宝石窗口之间并围绕第一和第二蓝宝石窗口的周边延伸的垫圈，以及具有正压部件的多个紧固件，紧固件可以包括螺栓，螺钉及其组合，并且正压部件包括垫片、弹簧、碟形弹簧、波形弹簧、贝氏蝶形弹簧、弹簧垫片及其组合，紧固件延伸通过第一和第二蓝宝石窗口和垫圈，或(b)波纹管元件，其具有固定到第一金属密封件的第一侧面和固定到第二金属密封件的第二侧面，所述第一金属密封件气密地附接到第一蓝宝石窗口，所述第二金属密封件气密地附接到第二蓝宝石窗口，例如，波纹管元件的第一和第二侧面通过硬钎焊或焊接或其组合固定；和(iii)将马氏体金属加压到马氏体金属的塑性点范围内而不使马氏体金属破裂。这种塑性点在本领域中是已知的，对于锂，参见例如如上所述的hori的图8，其内容并入本文。在另一实施例中，步骤(iii)的加压还包括用抑制装置例如垫片8气密密封其内设置有马氏体金属的空间，以及可选地气密密封内部通道。例如，步骤(iii)的加压在以下时间发生：(a)在组件冷却到低温温度期间，或(b)当组件已经处于低温温度时，在任何一种情况下，马氏体金属都会收缩或开始收缩，并且抑制装置将移动以形成对蓝宝石窗口的气密密封。加压可以通过波形弹簧13与正压部件(例如波形弹簧6)或波纹管元件(例如，具有u形横截面，其允许足够的弯曲以补充步骤(iii)的加压)一起进行。在一个实施例中，当组件被冷却到低温温度时，或者当它已经处于低温温度时，随着马氏体金属被加压到塑性点的范围内，在少于使马氏体金属破裂所需的时间，马氏体金属被抑制装置密封在所述空间内。在另一个实施例中，(i)的组件还包括为组件提供从马氏体金属释放压力的装置，以防止马氏体金属在加压并气密密封在所述空间内时破裂；并且步骤(iii)的加压还包括激活该装置以释放压力，这种装置包括但不限于来自马氏体金属的一个或多个破裂销，例如一个或多个弹簧塞销，以防止马氏体金属的破裂。在一个实施例中，释放压力的装置位于组件的外部并且不是组件的一部分；也就是说，它们与组件分开并被配置为撞击组件；在一个实施例中，一个或多个弹簧塞销撞击组件以向加压机构提供剪式升降动作，该动作可以释放压力。用于释放压力的装置，例如，一个或多个弹簧塞销可以手动操作或由预设的温度和/或压力值触发自动操作。

在另一个实施例中，当允许组件升温到高于低温的温度时，进入空间内的马氏体金属的气密密封，即在抑制装置和蓝宝石窗口之间形成的密封，开始破坏，并且在发生该密封破坏之前减压马氏体金属是时间关键的，并且发生在马氏体金属的塑性点范围内。

前面的描述和所公开的实施例仅是示例性的，并不限制本发明的范围。