Установка для выращивания кристаллов из раствора

 

Предлагаемая полезная модель направлена на создание надежной установки для выращивания из раствора высококачественных кристаллов больших размеров, которые предназначены, в частности, для использования в оптикоэлектронных приборах. Установка содержит термостат, кристаллизатор, заполненный маточным раствором, кристаллодержатель, электрические нагреватели, датчик температуры, подключенный к системе управления кристаллизационной установкой, датчик уровня жидкости. Полость между термостатом и кристаллизатором, внутри которого установлен с возможностью вращения посредством электропривода кристаллодержателя, заполнена промежуточным теплоносителем, циркуляция которого обеспечивается мешалкой, снабженной электроприводом. Датчик температуры размещен в названной полости между стенками кристаллизатора и термостата, в этой же полости размещены термоэлектрические нагреватели и датчик уровня промежуточного теплоносителя. Система управления кристаллизационной установкой выполнена в виде двух электрически взаимосвязанных блоков - блока управления и исполнительного силового блока, причем управляющий блок подключен к датчику температуры, датчику уровня промежуточного теплоносителя и к термоэлектрическим нагревателям и она обеспечивает поддержание задаваемой температуры в термостате с большой точностью. Исполнительный силовой блок подключен к электроприводу вращения кристаллодержателя и к электроприводу мешалки. Система управления кристаллизационной установкой имеет систему резервирования электропитания и обеспечивает надежную и стабильную работу установки для выращивания кристаллов. В качестве промежуточного теплоносителя может применяться дистиллированная вода. Для привода кристаллодержателя используют бесщеточный мотор-редуктор, а термостат и кристаллизатор могут выполняться из стекла.

Предлагаемая полезная модель относится к области техники, связанной с выращиванием кристаллов, которые в настоящее время широко используются, в частности, в оптико-электронных приборах, например в фотоприемной аппаратуре, работающей в ультрафиолетовом диапазоне волн.

Известно устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизатор, термостат и датчик температуры, подключенный к системе регулирования температуры роста кристалла (Патент RU 2285068, «Способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для его осуществления», МПК С30В 7/08, С30В 29/14, опубл. 10.10.2006).

Основным недостатком известного устройства является трудность поддержания стабильной температуры в течение периода выращивания кристалла, который может длиться от двух недель до нескольких месяцев. В процессе выращивания кристалла отклонение температуры маточного раствора (раствора, из которого растет кристалл) не должно превышать ±0,05°С от заданного значения, что крайне трудно обеспечить в известном устройстве, поскольку поддержание заданной температуры обеспечивается путем циркуляции маточного раствора через гидравлическую систему, содержащую механические клапаны, нагреватель, фильтр, насос и трубопроводы. Кроме того, контакт маточного раствора с металлическими элементами гидравлической системы управления приводит к загрязнению этого раствора, что отрицательно сказывается на качестве выращиваемого кристалла. Данная система регулирования конструктивно сложна и в силу этого потенциально ненадежна.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание установки для выращивания кристаллов из раствора с измененной конструкцией как самой установки для выращивания кристаллов так и системы регулирования температуры роста кристалла для повышения точности регулирования и обеспечения стабильности термостатирования.

Техническим результатом является повышение надежности установки точности, улучшение точности регулирования температуры роста кристалла, что обеспечивает увеличение времени выращивания кристалла, повышение его качества и получение выращиваемых кристаллов больших размеров.

Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержит термостат, заполненный промежуточным теплоносителем, резервуар с маточным раствором, из которого растет кристалл (кристаллизатор) платформа, на которой растет кристалл (кристаллодержатель), датчик температуры, подключенный к системе управления роста кристалла, датчик уровня, электрические нагреватели, подключенные к системе управления ростом кристалла, конвекционный ротор (мешалка). Кристаллодержатель, установленный в кристаллизаторе имеет возможность вращения посредством электропривода. Для обеспечения равномерности температуры в термостате обеспечивается циркуляция промежуточного теплоносителя мешалкой, снабженной электроприводом. Датчик температуры размещен в полости между стенками кристаллизатора и термостата, в этой же полости размещены термоэлектрические нагреватели и датчик уровня промежуточного теплоносителя. Система регулирования роста кристалла выполнена в виде двух взаимосвязанных блоков - блока управления и исполнительного силового блока, причем датчик температуры, датчик уровня промежуточного теплоносителя и термоэлектрические нагреватели подключены к управляющему блоку, а электропривод вращения кристаллодержателя подключен к исполнительному силовому блоку.

В качестве промежуточного теплоносителя возможно применение дистилированной воды, а в качестве электропривода кристаллодержателя для повышения надежности используется бесщеточный мотор-редуктора. Возможно подключение блока управления через разветвительную коробку в сеть, для связи с ЭВМ. Кристаллизатор и термостат могут быть выполнены из оптически прозрачного материала, например, стекла. Блок управления с целью повышения надежности установки снабжены резервной аккумуляторной системой электропитания.

Сущность полезной модели поясняется схемой установки, представленной на фигуре.

Установка содержит термостат 1 и кристаллизатор 2, полость между которыми заполнена промежуточным теплоносителем 3, например, дистиллированной водой. Внутри кристаллизатора 2, заполненного маточным раствором, размещен с возможностью вращения кристаллодержатель 4, на которой происходит рост кристалла 5. Уровень промежуточного теплоносителя 6 внутри термостата 1 контролируется посредством датчика уровня 7. В промежуточном теплоносителе установлен датчик температуры 8. Кроме того, в полости между термостатом и кристаллизатором, заполняемой промежуточным теплоносителем, размещены термоэлектрические нагреватели 9 и мешалка 10. Кристаллодержатель 4 снабжен приводящим его во вращение электроприводом 11, мешалка 10 снабжена электроприводом 12. Датчик уровня 7, датчик температуры 8 и термоэлектрические нагреватели 9 подключены к блоку управления 13 посредством электрических линий 14, 16 и 16, соответственно. Посредством электрической линии 17 силовой исполнительный блок 18 также подключен к блоку управления 13. Электропривод 11 кристаллодержателя 4 электрической линией 19 связан с силовым блоком 18, а электропривод 12 мешалки 10 электрической линией 20 также связан с силовым блоком 18. Термостат и кристаллизатор могут выполняться из прозрачного материала, например, стекла. Установка через разветвительную коробку 21 может быть подключена к сети, сформированной из нескольких установок для связи с ЭВМ.

Установка работает следующим образом. В кристаллизатор 2, заполненный маточным раствором, и который может быть выполнен из оптически прозрачного материала, например, стекла, размещен кристаллодержатель 4 с затравочным кристаллом, из которого вырастает кристалл 5. Кристаллодержатель 4 может приводиться во вращение посредством электропривода 11. Кристаллизатор в свою очередь размещают внутри термостата 1, выполненного, например, из оптически прозрачного материала, в качестве которого может применяться стекло. Полость между термостатом 1 и кристаллизатором 2 заполняют промежуточным теплоносителем 3, например, дистиллированной водой. Температура промежуточного теплоносителя регулируется в соответствии с заданной технологической программой путем управления термоэлектрическими элементами 9 при помощи блока управления 13 Равномерное распределение температуры по объему промежуточного теплоносителя обеспечивается в результате вращения электроприводом 12 мешалки 10. Одновременно с выполнением технологической программы по сигналу с блока управления 13 системы регулирования роста кристалла осуществляется периодическое вращение кристалле держателя 4 электроприводом 11 кристалле держателя. Вращение кристаллодержателя кристаллоносца 4 в среде маточного раствора обеспечивает равномерное смывание граней растущего кристалла 5, что важно для достижения его высокого качества. Длительность процесса роста кристалла определяется типом выращиваемого кристалла. Независимо от длительности процесса выращивания (от двух недель до нескольких месяцев) в устройстве обеспечивается термостатирование маточного раствора с точностью ±0,01°С.

В принципе перемещение слоев маточного раствора внутри кристаллизатора может обеспечиваться стеклянной мешалкой, размещенной внутри кристаллизатора.

Регулирование температуры маточного раствора посредством использования промежуточного теплоносителя (вместо непосредственного изменения температуры маточного раствора с помощью термоэлектрических нагревателей) позволяет предотвратить загрязнение маточного раствора и. как следствие, ухудшение качества выращенного кристалла. Например, в прототипе маточный раствор входит в контакт с металлическими деталями электронагревателя, клапанов и трубопроводов, что приводит к загрязнению маточного раствора и окислению этих узлов.

В случае возникновения проблем в системе штатного электропитания установки автоматически начинает функционировать резервная система питания, что предотвращает нарушение процесса выращивания кристалла.

Пример реализации установки.

Поскольку высокая надежность установки в целом и качество регулирования во многом связаны с качеством применяемых составных частей кристаллизационного устройства, то в качестве исполнительного двигателя 11, приводящего в движение кристаллоносец 4, был использован электрический двигатель BLUM220-GFS (бесщеточный мотор) с редуктором GFS2G15 и с силовым узлом (контроллером скорости) BLUD20C фирмы Oriental Motor.

Использование бесщеточного мотор-редуктора в качестве исполнительного двигателя кристаллоносца обеспечило:

- возможность задания скорости вращения платформы в диапазоне от 0 до 100%;

- поддержание заданной скорости вращения платформы в независимости от размеров и массы растущего кристалла;

- возможность плавного запуска и останова вращения кристаллоносца, что исключает резкие воздействия на растущий кристалл;

- возможность эксплуатации мотора без обслуживания в течение всего срока службы (замена щеток, доливка масла в редуктор);

- реализацию принципа «прямого привода».

«Прямой привод» позволил отказаться от применения различных передаточных механизмов (зубчатая, червячная, ременная, цепная передача), что привело к существенному упрощению и удешевлению конструкции при обеспечении высокой степени надежности.

В качестве исполнительного двигателя 12 мешалки 10, которая служит для улучшения конвекции жидкости в термостате, использовался электродвигатель 2IK6A-CW2E фирмы Oriental Motor.

Данный двигатель развивает высокую скорость вращения, обладает низким уровнем акустического шума и имеет большой ресурс непрерывной работы.

Для измерения температуры дистиллированной воды внутри термостата был применен датчик температуры (медный термопреобразователь сопротивления, ТПС) ТСМ Метран-204-33-180-В-4-1-Т3-ГП фирмы Метран. Данный датчик обладает малой погрешностью измерения, абсолютной линейностью преобразования температуры и высокой долговременной стабильностью.

Для нагрева воды в термостате был применен нагревательный элемент (НЭ), изготовленный под заказ, МОЛИТЭН-300.

Контроль уровня жидкости в термостате обеспечивался датчиком уровня жидкости (ДУ) ДУОЖ 2110 (251.3839).

В настоящее время управление подобными кристаллизационными установками осуществляется промышленными системами автоматического регулирования общего назначения (иногда их называют программируемые контроллеры). В связи с относительно большой продолжительностью роста кристаллов (до полугода непрерывного роста) весомое значение имеет надежность аппаратуры. Использование стандартных систем приводит к усложнению процессов задания программы управления условиями в кристаллизаторе, измерения и контроля параметров роста кристаллов в связи с неудобным интерфейсом с пользователем и скудными средствами отображения информации. Появляется необходимость дополнять систему измерительными и исполнительными устройствами, так как подобные системы не имеют их в своем составе и существенно увеличивается общая стоимость системы в связи с высокой стоимостью программируемых контроллеров.

С учетом этих недостатков для управления кристаллизационной установкой была разработана и использована система управления кристаллизационной установкой (СУКРУС-1), представленная блоками 13 и 14.

Созданная система СУКРУС-1 не имеет перечисленных недостатков и имеет следующие преимущества:

- удобный интерфейс и простота использования;

- высокая надежность;

- устойчивость к внешним возмущениям;

- высокая точность измерений и регулирования;

- минимальное количество составных частей;

- простота сборки и наладки;

- невысокая цена.

Система СУКРУС-1 состоит из следующих составных частей:

- блока управления (БУ), выполняющего функции управления и контроля всех составных частей системы кроме исполнительного двигателя (ИД) термостата. В БУ производятся вычисление результатов измерений, через него осуществляется связь с оператором, а также взаимодействие с ЭВМ;

- силового блок (СБ), выполняющего функции управления исполнительным двигателем кристаллизатора и мешалки термостата.

- преобразователя интерфейсов (ПИ) RS-485 / RS-232, служащего для соединения одного или нескольких БУ, объединенных в сеть, с ЭВМ;

- коробки разветвительной (КР), служащего для соединения в сеть RS-485 нескольких БУ;

- GSM модема, служащего для связи с оператором или удаленной системой посредством GSM-связи;

Основные технические характеристики, характеризующие кристаллизационную установку и систему управления приведены в табл.

Таблица.
ПараметрЗначение
Диапазон измеряемых температур раствора, °С 0+100
Разрешающая способность, °С 0,01
Динамическая погрешность, °С ±0,01
Максимальная коммутируемая мощность ТЭНов, кВт 5
Напряжение питания, В220±10%
Частота сети питания, Гц50±1%
Потребляемая мощность (без ТЭНов), Вт 3,5
Время сохранения функционирования логики при аварии сети, ч 2
Интерфейс связи с ЭВМRS-485
Максимальная удаленность управляемых элементов от блока управления, м10
Габариты блока управления, мм 215×170×110
Вес блока управления, кг 2 кг
Диапазон регулирования скоростей вращения мотора платформы-кристаллодержателя, 1/мин6,7133
Диапазон регулирования времени разгона/торможения мотора платформы-кристаллодержателя, с010
Максимально допустимый момент на валу мотора платформы-кристаллодержателя, Н·м1,4
Максимально допустимая инерционность нагрузки на валу мотора платформы-кристаллодержателя, кг·м2 1,4·10-3
Номинальная количество оборотов вращения мотора термостата, 1/мин1200
Номинальный момент на валу мотора термостата, мН·м 49

При использовании данной установки с указанной системой управления был успешно выращен кристалл, имеющий большие размеры и вес 1,4 кг. Кристалл обладает отличными оптическими свойствами, что доказывает промышленную применимость предлагаемой установки.

1. Установка для выращивания кристаллов из раствора, содержащая термостат, кристаллизатор, заполненный маточным раствором, кристаллодержатель и датчик температуры, подключенный к системе управления кристаллизационной установкой, отличающаяся тем, что полость между термостатом и кристаллизатором, внутри которого установлен с возможностью вращения посредством электропривода кристаллодержатель, заполнена промежуточным теплоносителем, циркуляция которого обеспечивается мешалкой, снабженной электроприводом, датчик температуры размещен в названной полости между стенками кристаллизатора и термостата, в этой же полости размещены термоэлектрические нагреватели и датчик уровня промежуточного теплоносителя, а система управления кристаллизационной установкой выполнена в виде двух электрически взаимосвязанных блоков - блока управления и исполнительного силового блока, причем управляющий блок подключен к датчику температуры, датчику уровня промежуточного теплоносителя и к термоэлектрическим нагревателям, а исполнительный силовой блок подключен к электроприводу вращения кристаллодержателя и к электроприводу мешалки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя применена дистиллированная вода.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электропривода кристаллоносца применен бесщеточный мотор-редуктор.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок управления через разветвительную коробку подключен в сеть, сформированную из нескольких установок, контролируемых компьютером.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что термостат и кристаллизатор выполнены из оптически прозрачного материала, например, стекла.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок управления снабжен резервной аккумуляторной системой электропитания.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам предназначенным для электрических испытаний и может быть использована для экспериментальных исследований режимов работы вентильно-индукторного электропривода

Полезная модель относится к области систем выхлопа поршневых двигателей внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области электрохимической технологии обработки воды с обеззараживанием и может быть использована при разработке устройств для получения воды, обогащенной ионами серебра в медицинских целях
Наверх