热电制冷摄象机密封腔真空阀的研制

目前，热电制冷CCD摄象机技术在国外已经相当成熟但国内尚无产品生产的报道，因此，进口品价格一直居高不下。另外，CMOS成象器件较CCD的集成度更高，成本更低，而且没有CCD成象器件的读出噪声，具有良好的市场前景。为此，研制热电制冷的CMOS摄象机是我国医疗设备行业面临的重要课题。

热电制冷摄象机主要由光电转换成象器件及数据处理电路、热电制冷器与外部散热器、真空密封腔和电源及其控制器等组成。其中，热电制冷器、电源及其控制器产生的恒定低温，可成千倍地降低光电转换器件的温度噪声，提高信噪比和成象系统的品质；真空密封腔既为成象器件提供了洁净的工作环境、排除了结霜的可能，同时也基本上排除了因温差引起的气体对流传热的能量损失，提高了热电制冷器的工作效率。考虑到摄象机在使用和运输过程中可能的碰撞、振动以及密封腔内材料的放气等因素，那么随着时间的推移，密封腔内的真空度将有所下降，为再次抽真空的可行和方便，必须用真空阀进行密封。另外，作为医疗成象设备的部件，热电制冷摄象机还应该满足整体的美学要求、体积限制等，因此对真空阀也有特殊要求。

2.1热电制冷摄象机密封腔的基本结构热电制冷摄象机的核心是光电转换成象器件，首先应该保证在任何条件下光信号的正常传输，防止各种因素对光信号的阻塞、衰减及散射；其次应避免在降温的过程中，成象器件表面结霜；第三，应尽量提高热电制冷器的效率。

由于要求成象器件工作在一40 ~―60°C的温度范围内，因此热电制冷器必是多级连接的。这样在多级热电制冷器的冷、热端之间将存在较大的温度梯度，若采用不凝性气体置换除霜，则气体的对流和传热必然存在，必然消耗冷量，必然降低制冷器的效率。综合考虑光电转换、结霜除霜和提高制冷器效率的需要，应该将成象器件连同热电制冷器置于设有光学玻璃窗的真空密封腔体内；此外，根据热电制冷器的正方形结构和工作过程中必须将热量传出腔体的特点，和成象器件、热电制冷器的电源线、信号线、控制线等也必须穿过腔体的需要，以及医疗设备对摄象机小型化的要求，采用优化方法将密封腔体设计成正方形底座和倒凹型盖两部分，通过凹槽中的O形圈及螺纹紧固构成一体，所示为腔体的基本结构。

座之间、光学透镜与腔体盖之间采用环氧树脂粘接与机械加固相结合的方式密封；导线与腔体之间采用胶木板穿孔固定导线，胶木板再与腔体粘接的方式密封，而且在腔体的内外面都做同样处理，以保证较高的机械强度。

2热电制冷摄象机密封腔真空阀的特殊性由可以看出，密封腔的前端设有光路窗口后端又有热端散热器，若在侧面安装真空阀，不仅增大了摄象机的体积，而且影响整机的美观；若在腔体底座后面安装真空阀，也只有散热器另一侧两个100X 30的空间可以利用，否则将改变外部散热器的对称结构。因此，热电制冷摄象机对真空阀的要求一是密封性能好，二是体积小。而市场上各生产厂家供应的真空阀都是标准件，或是专用件，通径大，体积大（最小的抽气孔径为10mm，法兰直径40mm）；即使通过定做小通径（通径为6mm）的真空阀来减小阀门的体积，也因阀体与腔体之间必须通过法兰密封及固定，阀体本身的大小还是不能符合摄象机允许的空间，因此必须重新设计。

由于密封腔及其真空阀是为成象器件提供所需要的工作环境而设置的，内部的成象器件和热电制冷器都是半导体器件，不能承受高温环境，加之腔体内设置有多层绝热屏，工作时腔体壁的温度基本与环境温度相同，所以，用于热电制冷摄象机密封腔的真空阀属于常温、高真空密封阀，这样就可以选用常温密封材料。根据实际需要，我们采用一体化设计，直接在密封腔的底座上加工真空阀的阀体该阀的抽气进口直径为6mm，内部呈直通截止阀结构，阀体只有50X30X17mm，这样，不仅结构紧凑，还解决了真空阀与腔体间的密封；其内部结构和实物分别如、所示。

其中，阀座与阀盖间采用金属密封，并在阀盖的凸台处增加弹性密封圈，进一步加强阀座与阀盖间的密封；阀体与阀杆间采用弹性体密封，并在阀杆与弹性体之间涂抹真空脂润滑，以保证良好的动密封。

对阀体密封性能的检验分两步进行，一是检漏；二是真空保持。

当阀体及密封腔组装结束、环氧树脂固化，腔体内还未安装热电制冷器和模拟发热体之前，先进行检漏实验，目的是检验阀体与阀座粘接的质量、阀杆与弹性体及阀盖与阀座之间的静密封性能。具体方法是：关闭阀门，保证阀盖与阀座密封良好；将抽气口接入高压气源，并将阀体连同腔体一起浸入水中；调节气源压力至1MPa后，观察有无气泡产生，并注意听有无高压气体漏入腔体时的“丝丝”声，4小时未见上述现象，可以肯定阀杆与弹性体之间、阀盖与阀座之间、紧固螺栓与阀体之间的静密封是可靠的。

待腔体的密封检漏通过后，再安装制冷器及模拟成象器件、抽真空，进行真空阀的动密封实验。腔体的真空处理是在西安交通大学电子物理研究所的超高真空系统上进行的。待真空度达到10 4toiT以上的某一稳定值时，反复地关闭、开启阀门，同时注意观察电离规指针的位置变化，若指针没有明显的变化（一至二个最小刻度），说明真空阀的动密封是可靠的。实验中，腔体内的真空度最高为7Xmitorr，达到了环氧树脂密封的真空极限一1（T6tTT数量级，肯定了阀杆与弹性之间动密封的可靠性。

水时泵叶轮破坏严重都是汽蚀和磨损连合作用的结果，至少也是造成脱流形成旋涡，从而加剧了泥沙磨损的破坏，如叶片进口穿孔。设计合理的叶轮流道和叶片形状可避免诱发汽蚀和旋涡，以减轻泥沙磨损破坏。我们对该工程四种规格泵的叶轮都根据原叶轮的破坏情况进行了重新设计，有的多次进行修改4.其次是材料抗磨蚀能力增加。钢板具有组织细密、韧性好、不易脱落等优点，耐汽蚀和磨损破坏优于铸铁和铸钢，因为在钢板焊接叶轮上曾使用过铸钢制成的前盖板，但运行8000多小时后在铸钢前盖板圆弧处发现麻点破坏痕迹（见）但同样的钢板前盖板完好。第三是提高了叶轮的制造质量。一方面钢板焊接叶轮可更好地符合设计图纸；另一方面整个流道都可进行机械加工，提高了表面光洁度，避免了凹凸不平对过流形成扰动，诱发汽蚀或旋涡，有利于稳定层流底层，可保护金属表面受泥沙的冲击破坏。

4结语含沙水泵过流表面的破坏，是国内外研究者多年研究的课题，都在寻找延长叶轮等易损件使用寿命的方法，并从不同角度也提出了一些措施，如修改水力设计，选用耐汽蚀和磨损材料，提高过流部件制造质量和表面光洁度等。但在不增加造价、能够大规模工业化生产、并能广泛推广使用等方面，使用钢板焊接叶轮是行之有效的方法之一。

钢板与铸铁、铸钢相比有组织细密、韧性好不易脱落等优点，这在实际使用中得到了证实。与原球铁叶轮相比，采用钢板焊接叶轮，可增加使用寿命，提高泵的运行效率，减少维修费用等，仅在一个泵站推广使用，每年就节约备件费和电费几百万元，具有明显的经济效益和推广价值。