在内部进行补充的外壳

摘要

本发明涉及在内部补充的气体容纳外壳和在内部补充外壳(100)的方法。该补充气体源(200)包括容纳在渗透膜(210)中的气体。

说明书

技术领域

本发明涉及在内部进行补充的气体容纳外壳和在内部补充该外壳的方法。本发明在计算机硬盘存储设备中特别有用。

背景技术

气体容纳外壳在很多应用中是有利的。通常，通过使用例如机械紧固器、焊接或粘结剂连接两个或多个部分而形成外壳。一个或多个构件被设置在外壳中，并且外壳充有一种气体或多种气体例如惰性气体。完成的外壳容纳气体环境以及被该外壳保护的一个或多个构件。

例如，在外壳中保护一些硬盘驱动器。该外壳自身通常位于空气环境中，而外壳内部充有惰性气体(例如氦)。通常，硬盘驱动器外壳中的氦环境降低了用于旋转碟片的能量以及磁头对周边压力飞行高度的敏感性。氦环境还允许制造商制造具有较低飞行高度的驱动器，从而导致更快速的数据存取速率。

其中外壳部分相连接的接头易于泄漏从而允许外壳中的气体离开和/或周边气体进入该外壳。在一些应用中，外壳可以使用例如粘结剂、垫圈和/或密封件进行密封以减轻或者基本消除气体在周边环境和外壳内部之间的流动。然而，气体可以扩散通过用于密封外壳的材料(例如粘结剂和垫圈)。通过泄漏、扩散或一些其它机制，在外壳中的理想气体的相对量通常随着时间降低。

通常，为了具有有效性，外壳中的理想气体环境应该在构件寿命期间被保持，该寿命可以是数年(例如，两、三或五年或者甚至更长)。因此，经常期望补充外壳中的气体以延长其使用寿命。一种补充方法要求破坏在外壳部分之间的连接，利用气体对外壳再填充，并且将其再次密封。另一方法包括为外壳配备填充端口并且使用外部气体供给源以补充外壳中的环境。两种方法均可能要求从其使用环境移除外壳以便填充，或者围绕外壳提供另外的空间以提供进口。填充端口的设置也使得泄漏具有更大的发生机会并且可能要求另外的垫圈或密封件，它们可能允许该理想气体从外壳扩散出去，和/或周边气体扩散到外壳中。

另一补充源包括不可渗透的存储箱以用于保持气体，一个或多个阀以允许气体离开该存储箱，以及一系列的控制器以操作该阀(一个或多个)。虽然使用这种设备可以不要求打开外壳或者设置填充端口，这种设备的尺寸、重量和复杂度在很多应用中是不理想的。

发明内容

本发明人已经研制出一种包括渗透膜的气体源，它将在内部补充外壳中的气体环境。

简言之，在一个方面，本发明提供一种在内部补充的外壳，其包括位于该外壳内部的气体源，其中该气体源包括容纳在渗透膜中的气体。

在一些实施例中，该气体源包括多个气泡。

在一些实施例中，该渗透膜包括玻璃或玻璃/陶瓷。

在一些实施例中，该渗透膜包括金属和/或涂覆金属氧化物的玻璃或玻璃/陶瓷。

在一些实施例中，该气泡被混入树脂中。

在一些实施例中，该气体源具有小袋，其包括聚合物薄膜以及可选地金属和/或金属氧化物涂层。

上面的本发明简介并不旨在描述本发明的各个实施例。本发明的一个或多个实施例的细节也在下面的描述中阐明。从该描述以及从权利要求可以清楚本发明的其它特征目的和优点。

附图说明

图1示意示例性的惰性气体环境；

图2A示意根据本发明实施例的气体源；

图2B示意图2A的气体源的截面视图。

具体实施方式

容纳气体环境的外壳用于很多应用中。外壳的尺寸和形状，以及用于形成外壳的材料的性质可以根据最终使用要求而不同，包括例如容纳在外壳中的构件的尺寸和形状、外壳的可用空间以及外壳中的理想环境。参考图1，示例性外壳100包括两个部分，外罩110和顶盖120。外壳100容纳有构件140和一种气体环境。

通常，外壳可包括利用任何已知方式包括例如机械紧固器(例如螺钉、栓、铆钉)、焊接和/或粘结剂连接的任何数目的部分。在一些实施例中，可在接缝处设置垫圈以降低泄漏。在一些实施例中，该垫圈可以是粘性垫圈，它能够连接外壳的部分并且密封所形成的接缝。参考图1，粘性垫圈130将顶盖120连接到外罩110。

在一些实施例中，外壳充有一种或多种惰性气体。如在这里使用地，“惰性”气体是在通常使用条件(例如，温度和压力)下基本不表现出与外壳中的构件以及外壳中的其它材料(例如气体)发生化学反应的气体。可以使用任何惰性气体。示例性的惰性气体包括氦、氖、氩、氪和氮。在一些实施例中，理想的是低密度惰性气体(例如，氦)。

在一些实施例中，外壳充有一种或多种反应气体。如在这里使用地，“反应”气体是与外壳中的至少一个构件或外壳中的其它材料(例如气体)在通常使用条件(例如，温度和压力)下发生反应的气体。可以使用任何已知的反应气体。例如，还原气体可被用于与外壳中的氧化气体发生反应。在一些实施例中，使用还原气体以清除氧化气体将延长外壳中的构件的寿命。示例性的反应气体包括氢、氧、一氧化碳、甲醛、乙硼烷和氨。在一些实施例中，该反应气体不是氢气。

通常，可以使用任何已知的气体，这要根据例如在外壳中的所期望的环境。在一些实施例中，可以使用惰性气体(例如氦)。在一些实施例中，可以使用反应(例如还原性)气体。

一种特定气体可以在一种应用是惰性的，但在另一应用中是反应的，这是由于例如材料、温度或压力的变化。例如，在一些实施例中，二氧化碳可以是惰性气体，而在其它实施例中，二氧化碳可能是反应气体。

通常，在外壳中的特定气体的相对量可以由该气体在该外壳中的摩尔分数(即，该特定气体的摩尔数相对于气体的总摩尔数)定义。在一些实施例中，在外壳中的特定气体的相对量可被表示为该气体在外壳中的分压力，其中气体分压力等于该气体的摩尔分数乘以外壳中的总压力。

通常，外壳中理想气体(一种或多种)的相对量随着时间降低，这限制了外壳中的构件的有用寿命。例如，反应气体将随着时间被消耗，周边气体可以泄漏或者扩散进入外壳中，和/或理想气体可以泄漏或扩散离开外壳。外壳中的特定气体的损耗率被定义为气体相对量随着时间降低的速率(例如，该气体的分压力随时间降低的速率)。通常，损耗率将随着例如特定气体泄漏和/或扩散离开外壳的速率的升高其它气体泄漏或扩散进入外壳的速率的升高而升高，以及对于反应气体，随着该特定气体反应的速率的升高而升高。

外壳中的特定气体的损耗率也受到其补充速率即补充该特定气体的速率的影响。在本发明的一些实施例中，通过将气体源定位于外壳中，外壳中的理想气体在内部被补充。在本发明的一些实施例中，通过将气体源定位在外壳的部分之间，外壳中的理想气体在内部被补充。该气体源包括容纳于渗透膜中的一种或多种气体。

参考图2A和2B，示意出本发明气体源的一个实施例。气泡200包括具有平均厚度T以及平均直径D的膜210。一种或多种气体被储存在空腔220中。

为了在给定气泡容积下，提高能够用以补充的气体量，气体可在高压下存储在气泡中。在一些实施例中，存储压力至少大约200kPa(29psi)(在一些实施例中，至少大约1000kPa(145psi)，至少大约1725kPa(250psi)，或者甚至至少大约2750kPa(400psi))。

通常，气泡可以具有任何形状、尺寸(例如平均直径)、尺寸分布、容积、膜厚度、密度和纵横比(对于球形气泡为平均直径与平均壁厚的比)。

气泡可具有任意的形状。在一些实施例中，气泡是基本球形的从而承受最大的内部压力。其它形状包括具有任意数目的侧边的几何三维多边形，包括例如立方体、圆柱体、半球体、半圆柱体、棱椎体等。

在一些实施例中，气泡可具有尺寸分布(例如直径或容积)。在一些实施例中，该分布可由颗粒尺寸特征函数描述，例如Gaussian、Lorentzian或对数正态。该分布可以是单峰的(包括例如仅一种颗粒尺寸)或多峰的(例如，双峰的、三峰的等)。通常，多峰分布提供提高的装填密度。

在一些实施例中，气泡可具有至少大约1微米(μm)的中径(即，50^th百分位数)(在一些实施例中，至少大约5μm，至少大约10μm，或甚至至少大约20μm)。在一些实施例中，气泡可具有低于大约5000μm的平均尺寸(在一些实施例中，低于大约1000μm，低于大约500μm，低于大约100μm，或甚至低于大约50μm)。在一些实施例中，气泡具有至少大约50立方微米的每气泡平均内部容积(在一些实施例中，至少大约250立方微米，或甚至至少大约500立方微米)。在一些实施例中，气泡具有低于大约十亿立方微米的平均容积(在一些实施例中，低于大约250兆立方微米，或低于50兆立方微米，或甚至低于5兆立方微米)。

通常，膜210可包括任何材料(一种或多种)，只要在使用条件(例如温度)下该材料对于存储在气泡中的气体是可渗透的。示例性的膜包括玻璃、玻璃/陶瓷、金属(例如Ti和Pd)、金属氧化物、金属和金属氧化物的多层，其它金属化合物例如氮化物、碳化物和硅化物、合金以及聚合物材料。在一些实施例中，该膜包括相同或不同材料的多个层。选择用于膜的材料(一种或多种)可以依赖于例如渗透性(即，所存储气体通过膜的输送速率)、密度和机械性能(例如，抗张强度、抗破碎性)。

通常，气体通过特定膜材料的渗透性可由常规实验(见例如ASTM测试方法D73796和D3985)确定。渗透率在文献中也有报导。(见，例如Vacuum Technology，Roth，A.，North Holland Publishing Co.，第164和166页(1976)。)通常，渗透性可依赖于例如膜的成分、各层厚度以及是否存在针孔、气孔或者一个或多个层中的图案。

在一些实施例中，膜的平均厚度至少为0.01μm(在一些实施例中，至少0.1μm，或甚至至少0.5μm)。在一些实施例中，膜的平均厚度低于20μm(在一些实施例中，低于5.0μm，或甚至低于2.0μm)。在一些实施例中，气泡可具有膜厚度的分布。在一些实施例中，多个气泡的平均渗透率可通过调节膜厚度的分布而被控制。

玻璃气泡可由任何已知方法制造。(见例如美国专利3,365,315和4,767,726)此外，可用于本发明中的玻璃气泡能够在商业上获得，包括，例如，能够以商标Scotchlite Glass Bubbles从3M Company，St.Paul，Minnesota获得的那些玻璃气泡。陶瓷气泡也能够在商业上获得，包括，例如，可从3M Company以商标Zlight Spheres和Zeeospheres获得的那些陶瓷气泡。

在一些实施例中，膜的渗透性可通过改变膜的特性而被调节。通常，膜厚度或密度的增加降低渗透性。而且，一个或多个层可被施加到膜的表面以降低渗透性。例如，无机材料(例如金属和/或金属氧化物)可被施加到玻璃或玻璃陶瓷膜。在一些实施例中，金属例如可以使用金、银、铜、锡、锌、铝、钨、铬、锆、钛、镍、钯和/或铂。其它有用材料包括碳和硅以及含有金属和/或非金属的合金。在一些实施例中，可以使用氮化钛、氧化锡或氧化铝。

在一些实施例中，层(一个或多个)的厚度至少大约0.2纳米(nm)(在一些实施例中，至少大约0.3nm，至少大约0.5nm，或甚至至少大约1nm)。在一些实施例中，层(一个或多个)的厚度低于大约20nm(在一些实施例中，低于大约10nm，或低于大约5nm，或甚至低于大约2nm)。

在一些实施例中，在一个或多个层中存在气孔或针孔。在一些实施例中，一个或多个层可被施加到膜的仅一部分。在一些实施例中，气泡的仅一部分具有被施加到膜的另外的层。通常，这些特性的每一个均可被调节以控制多个气泡的平均渗透率。

任何已知方法可被用于向玻璃气泡施加无机材料的薄膜层(见例如美国专利4,618,525)包括例如物理汽相沉积(溅射涂膜、蒸发涂覆和阴极电弧沉积)、化学汽相沉积、化学镀和湿化学方法例如凝胶涂覆。在商业上可获得的被涂覆的玻璃气泡包括例如那些能够以商标Conduct-O-Fill从Potters Industries，Inc.，ValleyForge，Pennsylvania获得的玻璃气泡。

在一些实施例中，气泡表面可利用例如有机材料处理，例如，环氧硅烷和异丁烯酸氯化铬。示例性表面处理气泡包括可从3M Company以商标Scotchlite Glass Bubbles(例如D32/4500、H20/1000和A20/1000)获得的那些气泡。

能够以任何方法将气体源结合在外壳中。在一些实施例中，气泡可以松散地放置在外壳中。在一些实施例中，气泡可被放置在渗透性容器中，例如，聚合物袋子或小袋，以及放置在外壳中的小袋。在一些实施例中，该聚合物小袋可被涂覆有例如金属或金属氧化物以控制惰性气体通过小袋的壁的渗透率。

在一些实施例中，气泡可以结合有树脂。在一些实施例中，气泡可被粘附到树脂表面和/或局部的封装在树脂中。在一些实施例中，气泡的一部分可以完全地封装在树脂中。在一些实施例中，基本上所有的(例如高于90％，按重量百分比，在一些实施例中，高于95％，或甚至高于99％)的气泡可以完全地封装在树脂中。

通常，可以使用任何已知的树脂。在一些实施例中，可以选择树脂以控制气体从气泡内部通过树脂到外壳内部的渗透率。示例性的树脂包括丙烯酸脂、异丁烯酸酯、环氧树脂、硅树脂、石蜡和聚酯。树脂可以是热塑性的、热硬化性的、弹性体的或热塑性弹性体。在一些实施例中，可以使用高度交联的树脂(例如环氧树脂)。在一些实施例中，可以使用高度结晶质的树脂(例如，聚乙烯和乙烯-乙烯醇)。树脂可以通过例如水分、热、光化学辐射(例如可见光、UV)或电子束固化。

气泡可以任何已知方法被结合到树脂中包括例如将气泡混合到熔融树脂或树脂溶液(例如水或溶解液)。在一些实施例中，可以使用例如双辊磨利用树脂碾磨气泡。在一些实施例中，气泡可被添加到挤压机并且与树脂混合。在一些实施例中，气泡可被添加到随后聚合以形成树脂的预聚合混合物。

在一些实施例中，树脂可以是粘结剂。在一些实施例中，填充气泡的粘结剂可用于连接外壳中的部件，和/或连接外壳的部分。在一些实施例中，树脂可用于形成用于外壳的垫圈(例如，放置在外壳的部分之间)。在一些实施例中，可将含有气泡的树脂施加(例如涂覆)到外壳的一个或多个内表面。在一些实施例中，树脂可被施加到外壳中的构件的一个或多个表面。

除了气泡，树脂可具有其它材料，包括例如、硅石、滑石、碳黑、导电和/或导热颗粒，流变学改性剂(例如触变剂)、增粘计、可塑剂、起泡剂、纤维、实心和/或中空小珠、染料和/或色素。

在一些实施例中，气体可被存储在渗透容器中例如小袋，并且可将小袋放置在外壳中。该小袋可包括涂覆的或未被涂覆的聚合物薄膜。涂层包括有机和无机(例如金属和/或金属氧化物)材料。

由包括容纳于渗透膜中的理想气体的气体源提供的补充率是各种参数的函数，包括例如膜的平均渗透性、容纳于渗透膜中的理想气体的总体积、外壳中的理想气体的分压力、容纳气体的渗透膜被封装于其中的树脂，如果有的话，以及外壳中的温度和压力。通常，由于理想气体通过渗透膜扩散，补充率可以随着时间变化。

在一些实施例中，期望提供一种具有足以基本上防止在外壳中的气体耗尽的补充率的气体源，即，补充率应该高于或者等于理想气体通过例如反应、泄漏和/或扩散而被从外壳移除的总速率。

在一些实施例中，期望提供具有足以保持外壳中的理想气体的相对量(例如，分压力)关于其初始相对量处于理想水平的补充率的气体源。在一些实施例中，该补充率应该足以保持外壳中的理想气体的分压力处于其初始分压力的至少20％，在一些实施例中至少50％，并且在一些实施例中，至少75％，或者甚至其初始分压力的至少90％。

在一些实施例中，外壳中的理想气体的分压力应该被保持为外壳中的构件的工作寿命。在一些实施例中，外壳中的理想气体的分压力应该被保持为至少一年，在一些实施例中，至少两年，在一些实施例中，至少三年，以及甚至至少五年，或甚至更长。

实例

下面的具体的但是非限制性的实例用于示意本发明。所有百分比均为重量百分比，除非另外指明。

未被涂覆的气泡

使用以商标Scotchlite Glass Bubbles S60/10,000从3M Company获得的气泡。该玻璃被报导为具有70-80％的SiO₂，8-15％的CaO，3-8％的Na2O，和2-6％的B₂O₃。平均气泡密度被报导为0.60+/-0.02g/cc，中径(即，50^th百分位数)为30微米，平均壁厚为1.3微米并且内部直径为28微米。

铝涂覆气泡

未被涂覆的气泡的试样利用薄(大致1000埃)的铝层涂覆。当从溅射源利用金属原子熔剂涂覆时搅拌气泡。然后，经由反应溅射沉积将氧化铝薄膜沉积到铝层上，该反应溅射沉积包括在铝溅射期间同时添加氧气。被涂覆气泡的密度为0.65g/cm³。

气体填充

未被涂覆的和铝涂覆的气泡均被填充。在下面的实例中，被涂覆气泡在施加涂层之后被填充。通常，气泡可在已经施加一个或多个涂层之前或之后被气体填充。

大致七十克的气泡被装载到高压釜中，该高压釜然后被密封并被抽空。该高压釜利用氦气被加压到6.9兆帕斯卡(MPa)(1000磅每平方英寸(psi))并且被加热至300℃。一旦温度达到300℃，氦气的压力以6.9MPa(1000psi)的增量增加并且在各个增量处保持一个小时。当达到48MPa(7000psi)的压力时，系统被保持恒定三个小时。高压釜然后被冷却和通风，并且将气泡从高压釜移除。

可以使用理想气体定律(即，P₁/T₁＝P₂/T₂)计算气泡中气体压力的一个估计。因此，当P₁＝48MPa，T₁＝573K(300℃)和T₂＝298K(25℃)，在周边温度下计算出气泡中的压力P₂为25MPa(3640psi)。

气泡渗透性

使用气相色谱分析测量通过渗透经由气泡膜从玻璃气泡释放的气体量。被涂覆的和未被涂覆的气泡均在周边和升高的温度下测试。为了在测试之前降低氦损失，在从高压釜移除之后，所有气泡在-20℃下存储直至被选择用于测试。在表1中给出试样的总结。

表1

  实例  涂层  温度  质量(g)  1  无  21℃  50.1  2  无  70℃  50.6  3  铝  21℃  60.6  4  铝  70℃  60.6

对于各个实例，气泡在2.54cm×2.54cm(1英寸×1英寸)塑料称重器皿中称重，然后将其放置到容纳周边空气的容器管。容器管的容积大致为600mL。管的接头利用高真空油脂密封。实例1和3被保持在周边温度(21℃)下，而实例2和4被放置在70℃的炉子中。

气相色谱分析(GC)用于监视容器管中的大气成分的变化。容器管中的大气的小部分被周期性地去除并且存储在试样器皿中。在采样之前，保持在升高温度下管被从炉子移除允许其冷却至室温大约30分钟。经由锥窝接头各个试样器皿被连接到气相色谱分析的采样端口。用于GC分析的操作参数示于表2。每克气泡的从气泡渗出的气体体积示于表3和4。

表2

  仪器  从Agilent Technologies获得的HP  5890 GC  载气(Carrier gas)  氩(大致3mL/min)  柱体(Column)  从Chrompack Inc.，Raritan，New  Jersey获得的5埃25m×0.32mm分子筛  排出压力(Head pressure)  0.083Mpa(12psi)  注入衬里(Injection  liner)  2mm内直径(保持在180℃)  分导流(Split flow)  50mL/min  炉程序(Oven program)  40℃下两分钟，然后以10℃/min  增加到100℃  探测(Detection)  热传导率(在220℃测量)

表3：未被涂覆气泡的渗透

  每克气泡氦的毫升数  时间(小时)  实例1  实例2  0  0  --  3  6  33  21  29  98  46  46  124  119  73  159  171  84  172  216  90  --  218  --  179  293  --  190  294  99  --  389  107  192  485  114  199  696  124  202

表4：被涂覆气泡的渗透

  每克气泡氦的毫升数  时间(小时)  实例1  实例2  0  0  0  14  2  12  45  5  28  61  6  35  88  8  --  91  --  44  166  13  --  167  --  60  261  17  --  262  --  74  357  21  --  358  --  83  569  27  --  570  --  102

气泡中的气体的实际体积

方法1：气相色谱分析

充氦的未被涂覆气泡的试样被放置在如上所述的容器管中。容器管和气泡被放置在150℃的炉子中一周时间。然后将管从炉子移除，允许其冷却至室温，并且如上所述使用分析管中的大气。发现气泡容纳每克气泡250mL的氦。

类似地，充氦的未被涂覆的气泡的试样被放置在容器管中并且放置在600℃的炉子中十分钟时间。然后将管从炉子移除，允许其冷却至室温，并且如上所述使用分析管中的大气。气泡容纳每克气泡191mL的氦。

方法2：等压压碎测试

为了确定容纳于气泡中的氦量，将0.364克(g)的气泡放置在气囊中(从National Latex Products获得的#1032橡胶气囊)，该气囊容纳3.5g的甘油(从EM Science Corp.获得的分析级甘油)。通过浸入容纳于量筒中的10W-30机器润滑油中，测量充有气泡和甘油的气囊的初始容积。然后，使气囊及其所含物经受足够的等压压力(138MPa(20,000psi))以使气泡破裂并释放存储于其中的氦。通过测量在量筒中的油的位移确定气囊的体积增加。

测试充氦玻璃气泡的两个试样。第一试样，在从高压釜移除之后一个小时内进行测试，在0.417g试样中含有18mL的氦(43.2mL/g)。基于该体积，被填充气泡中的压力被计算为2.74MPa(397psi)。第二试样，从高压釜移除之后24个小时内进行测试，在0.364g试样中含有8mL的氦(22.0mL/g)。被填充气泡中的压力被计算为1.76MPa(255psi)。

在不背离本发明范围和精神的前提下，本领域普通技术人员可以清楚本发明的各种改进利改变。