一种高密封性能的光学观察窗口的制作方法

1.本发明属于光学观察窗领域，更具体地，涉及一种高密封性能的光学观察窗口。


背景技术：

2.光学观察窗是很多实验中必不可少的结构之一，常见于真空室以及各种需要进行光学诊断的装置中，用来观察真空室内部的状态，或者观察诊断装置中的等离子体状态。良好的真空密封是开展实验的重要基础，一些特殊的实验装置，对真空度的要求更高。由此，光学观察窗密封性能的好坏关系着实验能否顺利进行，具有重大意义。传统光学观察窗中，窗口法兰被焊接在钢材质的真空室上，通过拧紧法兰上的固定螺丝，使得密封橡胶圈发生形变，夹紧窗口镜片，实现密封。这种密封方式结构简单、密封性能好，在很多钢制真空室上得到了广泛应用。
3.在场反等离子体研究装置中，由于其特殊的放电结构，放电区域的管子不能采用钢结构，而是采用石英玻璃管。如果仍然采用传统焊接窗口法兰的方式固定窗口镜片，由于石英玻璃本身材质的脆性，当抽真空达到一定程度时，容易造成法兰处石英玻璃局部受力不均匀而破裂。此外，由于场反等离子体研究装置的研究需求，会石英玻璃管外面缠绕线圈，线圈为焊接有法兰的石英玻璃管的安装造成困难。因此，无法采用焊接法兰的方式进行场反等离子体研究装置中光学诊断窗口的安装。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种高密封性能的光学观察窗口，其目的在于对石英玻璃管的内壁和外壁进行真空软密封，满足不便于焊接法兰的石英玻璃管的高密封要求和安装需求。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高密封性能的光学观察窗口，包括：窗体法兰、光学窗口片、石英玻璃管、第一密封圈和密封圈组，所述光学窗口片和石英玻璃管分别固定连接在所述窗体法兰的两侧；所述窗体法兰中用于外套连接所述石英玻璃管的筒状结构上设置有环形凹槽，所述第一密封圈设置在所述环形凹槽中；当所述光学观察窗口中抽真空时，所述第一密封圈发生形变以真空密封所述石英玻璃管的内壁；所述窗体法兰与石英玻璃管一侧的连接端面处形成为环形沟道；所述密封圈组套设在所述环形沟道内的石英玻璃管上，用于在外力作用下发生形变以真空密封所述石英玻璃管的外壁。
6.更进一步地，还包括：第一密封压板和第一螺栓；所述第一螺栓用于连接所述第一密封压板和所述窗体法兰，使得所述第一密封压板挤压所述密封圈组变形以真空密封所述石英玻璃管的外壁。
7.更进一步地，所述第一密封压板的截面形状为l形，一个端面抵接所述密封圈组，另一个平面通过所述第一螺栓连接所述窗体法兰。
8.更进一步地，还包括：垫片，设置在所述环形沟道内，且位于所述密封圈组与窗体
法兰之间。
9.更进一步地，所述密封圈组包括依次套设在所述石英玻璃管上的三个密封圈，所述三个密封圈的形状依次为圆形、方形和圆形。
10.更进一步地，还包括：第二密封压板、第二螺栓以及分别位于所述光学窗口片两侧的第二密封圈和第三密封圈；所述第二螺栓用于连接所述第二密封压板和所述窗体法兰，使得所述第二密封圈、光学窗口片和第三密封圈被固定在所述第二密封压板和窗体法兰之间。
11.更进一步地，还包括：所述第二密封压板以及所述窗体法兰中用于固定所述光学窗口片的端面中均设置有凹槽，分别用于放置并固定所述第三密封圈和第二密封圈。
12.更进一步地，所述第二密封圈和第三密封圈的形状均为方形。
13.更进一步地，所述环形凹槽和第一密封圈的数量均为两个，每一所述环形凹槽中设置有一所述第一密封圈。
14.更进一步地，所述第一密封圈的形状为圆形。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
16.(1)在窗体法兰上开槽以在窗体法兰与石英玻璃管内壁之间放置密封圈，当石英玻璃管内抽真空时，密封圈由于大气压作用离开槽口并填满窗体法兰与石英玻璃管内壁之间的间隙，实现石英玻璃管的内壁密封；在石英玻璃管与窗体法兰的一连接端面处形成环形沟道，以放置外壁密封圈，外壁密封圈受力变形以贴紧石英玻璃管外壁，实现石英玻璃管的外壁密封；由此，在不焊接至法兰的情况下，实现了石英玻璃管内壁和外壁的真空密封，既避免石英玻璃管受损，又实现了良好的密封效果，且实际操作中拆装方便；
17.(2)利用螺栓连接外壁密封压板与窗体法兰，拧紧螺栓的过程中为外壁密封圈提供相应的外力，挤压外壁密封圈变形，可以通过调节螺栓的拧紧程度调节外壁密封的程度，以在保证密封性能的基础上满足不同的密封需求；
18.(3)将外壁密封圈设置为圆形密封圈 方形密封圈 圆形密封圈相配合的形式，中间的方形密封圈一方面起到形变密封的功能，另一方面可以隔开其两侧的圆形密封圈，使得这两个圆形密封圈不至于因为形变而错位，从而实现更好的密封效果；
19.(4)将密封光学窗口片的密封圈的形状设计为方形，在对光学窗口片的过程中，更大的接触面积保证了更好的密封效果，且减小了光学窗口片上的压强，避免损坏光学窗口片。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的高密封性能的光学观察窗口的剖视图；
21.图2为本发明实施例提供的高密封性能的光学观察窗口的爆炸图；
22.图3a
‑
3c分别为本发明实施例提供的高密封性能的光学观察窗口的整体工程图、正视图和侧视图；
23.图4a
‑
4c分别为本发明实施例提供的窗体法兰与石英玻璃管内壁圆形密封圈合体后的效果图、正视图和侧视图。
24.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
25.1为窗体法兰，2为光学窗口片，3为石英玻璃管，4为第一密封圈，5为密封圈组，61
为第一密封压板，62为第一螺栓，63为垫片，71为第二密封压板，72为第二螺栓，73为第二密封圈，74为第三密封圈。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
28.图1为本发明实施例提供的高密封性能的光学观察窗口的剖视图。参阅图1，结合图2
‑
图4c，对本实施例中高密封性能的光学观察窗口进行详细说明。
29.参阅图1和图2，高密封性能的光学观察窗口包括窗体法兰1、光学窗口片2、石英玻璃管3、第一密封圈4和密封圈组5。光学窗口片2和石英玻璃管3分别固定连接在窗体法兰1的两侧。窗体法兰1中用于外套连接石英玻璃管3的筒状结构上设置有环形凹槽，第一密封圈4设置在环形凹槽中，石英玻璃管3套设在筒状结构和第一密封圈4上。当光学观察窗口中抽真空时，第一密封圈4发生形变以真空密封石英玻璃管3的内壁。窗体法兰1与石英玻璃管3一侧的连接端面处形成为环形沟道；密封圈组5套设在环形沟道内的石英玻璃管3上，密封圈组5的外侧与窗体法兰1相接触，用于在外力作用下发生形变以真空密封石英玻璃管3的外壁。高密封性能的光学观察窗口的整体结构如图3a图3b和图3c所示。
30.本实施例中，根据功能的不同，可以将高密封性能的光学观察窗口中的元件划分为三个模块，分别为光学窗口片密封模块、石英玻璃管外壁密封模块和石英玻璃管内壁密封模块，核心元件为窗体法兰1，用于将其他各个元件连接在一起。
31.高密封性能的光学观察窗口还包括第一密封解压板61、第一螺栓62和垫片63。石英玻璃管外壁密封模块主要包括第一密封解压板61、第一螺栓62、垫片63、密封圈组5、石英玻璃管3和窗体法兰1。垫片63为密封垫片，参阅图1，垫片63放置于窗体法兰1的杯状凹槽内，且位于窗体法兰1和石英玻璃管3之间；密封圈组5放置在窗体法兰1与石英玻璃管3连接端面处形成的环形凹槽内，且与垫片63相接触。
32.密封圈组5的内径与石英玻璃管3的外径相配合，以套设在石英玻璃管3的外壁上，实现石英玻璃管3外壁的密封。第一螺栓62穿过第一密封压板61上的通孔并与窗体法兰1上的螺纹孔相耦合，以连接第一密封压板61和窗体法兰1，使得第一密封压板61挤压密封圈组5变形以真空密封石英玻璃管3的外壁。进一步地，可以通过改变第一螺栓62的耦合程度，调节第一密封压板61在窗体法兰1的环形沟道内的内嵌深度，从而改变密封圈组5的形变程度，以改变密封圈组5在石英玻璃管3外壁的贴合程度。第一螺栓62的耦合深度越深，密封圈组5与石英玻璃管3外壁之间的贴合越紧，密封效果越好。
33.第一密封压板61的截面形状为l形，如图1和图2所示，一个端面(即环形侧面的端截面)抵接密封圈组5，第一螺栓62穿过另一个平面(即垂直于环形侧面的平面)上的通孔以与窗体法兰1上的螺纹孔相耦合，从而连接第一密封压板61和窗体法兰1。
34.本发明实施例中，密封圈组5包括三个密封圈，这三个密封圈的形状依次为圆形、
方形和圆形，并依次套设在石英玻璃管3上。密封圈组5中的三个密封圈在外力作用下发生形变从而紧贴石英玻璃管3的外壁，实现密封功能。中间的方形密封圈一方面起到形变密封的功能，另一方面可以隔开其两侧的圆形密封圈，使得这两个圆形密封圈不至于因为形变而错位，因此密封圈组5限于圆形密封圈与方形密封圈相组合的形式。三个密封圈便可以实现极好的密封效果，且对光学观察窗口的尺寸不会有明显影响，因此将密封圈组5中密封圈的数量限定为三个。可以理解的是，也可以将密封圈组5中密封圈的数量设置为其他值。
35.石英玻璃管内壁密封模块主要包括窗体法兰1、石英玻璃管3和第一密封圈4。本实施例中，窗体法兰1中用于外套连接石英玻璃管3的筒状结构上设置的环形凹槽的数量为两个，如图4a图4b和图4c所示，相应的，第一密封圈4的数量也为两个(参阅图1中示出的附图标记4
‑
1和附图标记4
‑
2)，每一个环形凹槽中设置有一个第一密封圈4。第一密封圈4的形状为圆形，窗体法兰1上开有两个环形凹槽，两个第一密封圈固定在槽内，随后套有第一密封圈的窗体法兰1被塞入石英玻璃管3内，当光学观察窗口的真空室抽真空时，圆形密封圈在大气压作用下在环形凹槽内发生移动，由于窗体法兰1与石英玻璃管3外壁之间的距离小于第一密封圈4的直径，因此该第一密封圈4会在大气压的作用下发生形变而卡在窗体法兰1和石英玻璃管3的内壁之间，从而实现石英玻璃管内壁的密封。本实施例中，两个第一密封圈便可以实现很好的密封效果，因此将第一密封圈的数量限定为两个。可以理解的是，数量越多，相当于为内壁密封设置有多重密封，当密封要求更高时，也可以将第一密封圈的数量设置为更多个，当密封要求不高时，也可以将第一密封圈的数量设置为一个。
36.高密封性能的光学观察窗口还包括第二密封压板71、第二螺栓72以及分别位于光学窗口片2两侧的第二密封圈73和第三密封圈74。光学窗口片密封模块主要包括第二密封压板71、第二螺栓72、第二密封圈73、第三密封圈74、光学窗口片2和窗体法兰1。第二密封圈73和第三密封圈74将光学窗口片2夹在中间，以对光学窗口片2进行密封。第二螺栓72穿过第二密封压板71上的通孔与窗体法兰1上的螺纹孔相耦合，以连接第二密封压板71和窗体法兰1，使得第二密封圈73、光学窗口片2和第三密封圈74被固定在第二密封压板71和窗体法兰1之间。进一步地，可以通过调节第二螺栓72与窗体法兰1的螺纹孔的耦合程度，来调节第二密封圈73和第三密封圈74挤压光学窗口片2的松紧。
37.第二密封圈73和第三密封圈74的形状均为方形，材料例如为橡胶材质，可以保护光学窗口片2。将第二密封圈73和第三密封圈74的形状设计为方形，可以和光学窗口片2之间有更大的接触面积，一方面保证在锁紧第二螺栓72时，更大的接触面积减小了光学窗口片2上的压强，使得光学窗口片2不易被压坏；另一方面，更大的接触面积保证了更好的光学窗口片密封效果。根据本发明实施例，第二密封压板71中设置有凹槽，用于固定第三密封圈74。窗体法兰1中用于固定光学窗口片2的端面中也设置有凹槽，用来固定第二密封圈73。
38.本发明实施例中提供的高密封性能的光学观察窗口，针对场反等离子体研究装置的特定需求，不在石英玻璃管上焊接法兰盘的情况下实现了真空密封，既保护了石英玻璃管不受破坏，也实现了良好的密封效果，同时兼顾了拆装方便的实际操作需求。
39.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，包括：窗体法兰(1)、光学窗口片(2)、石英玻璃管(3)、第一密封圈(4)和密封圈组(5)，所述光学窗口片(2)和石英玻璃管(3)分别固定连接在所述窗体法兰(1)的两侧；所述窗体法兰(1)中用于外套连接所述石英玻璃管(3)的筒状结构上设置有环形凹槽，所述第一密封圈(4)设置在所述环形凹槽中；当所述光学观察窗口中抽真空时，所述第一密封圈(4)发生形变以真空密封所述石英玻璃管(3)的内壁；所述窗体法兰(1)与石英玻璃管(3)一侧的连接端面处形成为环形沟道；所述密封圈组(5)套设在所述环形沟道内的石英玻璃管(3)上，用于在外力作用下发生形变以真空密封所述石英玻璃管(3)的外壁。2.如权利要求1所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，还包括：第一密封压板(61)和第一螺栓(62)；所述第一螺栓(62)用于连接所述第一密封压板(61)和所述窗体法兰(1)，使得所述第一密封压板(61)挤压所述密封圈组(5)变形以真空密封所述石英玻璃管(3)的外壁。3.如权利要求2所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，所述第一密封压板(61)的截面形状为l形，一个端面抵接所述密封圈组(5)，另一个平面通过所述第一螺栓(62)连接所述窗体法兰(1)。4.如权利要求2所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，还包括：垫片(63)，设置在所述环形沟道内，且位于所述密封圈组(5)与窗体法兰(1)之间。5.如权利要求1
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4任一项所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，所述密封圈组(5)包括依次套设在所述石英玻璃管(3)上的三个密封圈，所述三个密封圈的形状依次为圆形、方形和圆形。6.如权利要求1所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，还包括：第二密封压板(71)、第二螺栓(72)以及分别位于所述光学窗口片(2)两侧的第二密封圈(73)和第三密封圈(74)；所述第二螺栓(72)用于连接所述第二密封压板(71)和所述窗体法兰(1)，使得所述第二密封圈(73)、光学窗口片(2)和第三密封圈(74)被固定在所述第二密封压板(71)和窗体法兰(1)之间。7.如权利要求6所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，还包括：所述第二密封压板(71)以及所述窗体法兰(1)中用于固定所述光学窗口片(2)的端面中均设置有凹槽，分别用于放置并固定所述第三密封圈(74)和第二密封圈(73)。8.如权利要求6或7所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，所述第二密封圈(73)和第三密封圈(74)的形状均为方形。9.如权利要求1所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，所述环形凹槽和第一密封圈(4)的数量均为两个，每一所述环形凹槽中设置有一所述第一密封圈(4)。10.如权利要求1或9所述的高密封性能的光学观察窗口，其特征在于，所述第一密封圈(4)的形状为圆形。
技术总结
本发明公开了一种高密封性能的光学观察窗口，属于光学观察窗领域，包括：窗体法兰、光学窗口片、石英玻璃管、第一密封圈和密封圈组，光学窗口片和石英玻璃管分别固定连接在窗体法兰的两侧；窗体法兰中用于外套连接石英玻璃管的筒状结构上设置有环形凹槽，第一密封圈设置在环形凹槽中；当光学观察窗口中抽真空时，第一密封圈发生形变以真空密封石英玻璃管的内壁；窗体法兰与石英玻璃管一侧的连接端面处形成为环形沟道；密封圈组套设在环形沟道内的石英玻璃管上，用于在外力作用下发生形变以真空密封石英玻璃管的外壁。对石英玻璃管的内壁和外壁进行真空软密封，增大密封强度且不会破坏石英玻璃管，满足石英玻璃管的高密封要求和安装需求。安装需求。安装需求。


技术研发人员：高丽 杨诚宇 陈志鹏 丁永华
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.04.19
技术公布日：2021/7/15