CN104076841B - 一种高精密温控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高精密温控装置，包括双级无接触磁力搅拌机构、具有桶盖的外桶、强力磁性搅拌机台、温度探头、电加热棒、PID温控系统，双级无接触磁力搅拌机构包括框架、烧杯、磁性搅拌子，烧杯放在框架内，烧杯内底部放置磁性搅拌子，温度探头安装在烧杯的外壁上，双级无接触磁力搅拌机构整体放在外桶内，外桶整体放在强力磁性搅拌机台上，电加热棒放置在外桶内，电加热棒及温度探头的导线一起接入到PID温控系统。烧杯内和外桶内根据需要可以放入不同的溶液，构成双层油浴结构。本发明的优点在于：采用双层油浴和双级无接触磁力搅拌机构，温控精度和温度均匀性均能达到0.02℃，应用于对控温精度要求高、且对溶液浓度和温度梯度要求高的工艺。
Description
技术领域
本发明涉及温控装置，尤其涉及一种高精密的温控装置。
背景技术
目前制作周期极化铌酸锂波导芯片的制作工艺相对比较复杂，国内具有制作周期极化铌酸锂波导芯片完整工艺能力的厂家非常的少，主要原因除了制作成本高之外，其制作工艺也非常的复杂。而质子交换是周期极化铌酸锂波导芯片制作工艺的其中的一个重要制作环节。
铌酸锂波导芯片在做质子交换时，需要将芯片放置在120～220℃左右的苯甲酸溶液中，产生质子交换过程的原理是将苯甲酸溶液中的氢离子(质子)扩散到晶片中，替代晶格中的锂离子。质子交换过程一般需要24小时左右才能完成，在此过程中，苯甲酸溶液的温度均匀性需要能够达到0.02℃，其主要原因是质子交换过程中扩散的均匀性将影响和决定最后成品的铌酸锂光波导传输损耗。温度的高低主要影响质子交换速率的快慢，但温度的均匀性将直接影响最后成品的光波导的传输损耗。
现有技术中，如发明专利《一种质子交换工艺隔离控温装置》(专利号为201010259963.5)公开了一种控温装置，其特点是使用双层空气隔热结构，利用磁力搅拌/旋转及上下抖动装置实现，仅可满足温控精度为1℃、溶液温度梯度小于1℃的工艺要求，远远达不到温控精度和温度均匀性为0.02℃的需求。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于提供一种温控精度和温度均匀性均能达到0.02℃的高精密温控装置。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种高精密温控装置，包括外桶(15)、强力磁性搅拌机台(17)、温度探头(18)、电加热棒(20)、PID温控系统(21)以及桶盖(22)，外桶(15)整体放在强力磁性搅拌机台(17)上，电加热棒(20)放置在外桶(15)内，电加热棒(20)的通电导线及温度探头(18)的导线一起接入到PID温控系统(21)之中，桶盖(22)盖在外桶(15)上，其改进点在于：还包括双级无接触磁力搅拌机构，所述双级无接触磁力搅拌机构包括框架(1)、旋转主轴(2)、一级磁铁组(3)、二级磁铁组(4)、搅拌叶轮(5)、垫块(6)、烧杯(7)、磁性搅拌子(8)，所述框架(1)由一分隔部(101)分成上下两部分，垫块(6)固定在框架(1)内的分隔部(101)的上方，烧杯(7)放在垫块(6)上，烧杯(7)内底部放置磁性搅拌子(8)，温度探头(18)安装在烧杯(7)的外壁上，所述双级无接触磁力搅拌机构整体放在外桶(15)内，电加热棒(20)位于双级无接触磁力搅拌机构的外围，一级磁铁组(3)和二级磁铁组(4)分别固定安装在旋转主轴(2)的下端和上端，搅拌叶轮(5)固定安装在旋转主轴(2)的中段，且一级磁铁组(3)、二级磁铁组(4)、搅拌叶轮(5)与磁性搅拌子(8)同轴放置，旋转主轴(2)可转动的安装在分隔部(101)，搅拌叶轮(5)和一级磁铁组(3)位于框架(1)内的分隔部(101)的下方，二级磁铁组(4)位于框架(1)内的分隔部(101)的上方，且位于烧杯(7)的正下方，所述烧杯(7)内和外桶(15)内根据需要放入溶液，构成双层油浴结构。
具体的，可以用螺钉将垫块(6)固定在框架(1)上，也可以采用粘结、卡扣等现有的各种固定方式。
为了使烧杯(7)放置的更稳固，垫块(6)最好设置成三个或者三个以上。
外桶(15)及桶盖(22)外可以包裹上隔热保温材料(16)。
作为优化的方案，所述四个温度探头(18)安装在烧杯(7)外壁的上下左右四个位置。
作为优化的方案，所述电加热棒(20)弯成W形状，以增加与装在外桶(15)内的溶液的接触面积，以保证加热时温度在横向、纵向的均匀分布，可使桶中的溶液的温度均匀性更好。
外桶(15)是无磁性材料。
当本发明所述的高精密温控装置用于质子交换时，可以在所述烧杯(7)内放入苯甲酸溶液(14)，烧杯(7)上盖有密封盖(11)，装有铌酸锂波导芯片(9)的样品篮(10)用吊绳吊在密封盖(11)上，样品篮(10)底部开孔，可使苯甲酸溶液(14)完全渗透到样品篮(10)中，装有铌酸锂波导芯片(9)的样品篮(10)在苯甲酸溶液(14)中的位置，要使得铌酸锂波导芯片(9)完全浸泡在苯甲酸溶液(14)中，所述外桶(15)内放入硅油(19)。
为了使烧杯(7)的密封性更好，密封盖(11)内与烧杯(7)接触的位置装有密封圈(12)。
为了方便密封盖(11)的打开，密封盖(11)上部装有把手(13)。
磁性搅拌子(8)的搅拌速率维持在140～220RPM，以防止局部液体过热，而且不形成涡流，保证液温均匀分布。
所述磁性搅拌子(8)外包裹有耐高温耐腐蚀的塑料，比如特氟龙，避免了由于磁性材料直接接触苯甲酸溶液(14)而对苯甲酸溶液(14)产生污染。
本发明的优点在于：采用本发明的装置，温控精度和温度均匀性均能达到0.02℃，应用于对控温精度要求高、且对溶液浓度和温度梯度要求高的工艺。
特别适合为生产周期极化铌酸锂波导芯片提供质子交换工艺及高精密温控，实现高精度的同时无污染。具体表现为：
1、利用硅油和苯甲酸双层油浴结构，其中苯甲酸位于烧杯中，硅油位于外桶中，相对于现有技术中使用空气作为隔热层，硅油可作为加热介质，且液体导热性较好，可使内层的苯甲酸溶液均匀受热，同时为内层的苯甲酸溶液达到保湿的效果；实验结果表明，使用双层油浴结构，温控精度高，温度均匀性好，可以达到0.02℃，比现有技术的温控精度1℃高出两个数量级；
2、采用双级无接触磁力搅拌机构，且磁性搅拌子外包裹有耐高温耐腐蚀的塑料(比如特氟龙)，避免了由于直接接触而对苯甲酸溶液产生污染；
3、使用W形状的电加热棒，在加热时可以增加与硅油的接触面积，达到横向、纵向的均匀加热；
4、为保证硅油和苯甲酸溶液的温度均匀性可以长时间维持在±0.02℃的工艺要求，优选的，磁性搅拌子的搅拌速率维持在140～220RPM左右，这样做可以防止局部液体过热，而且不形成涡流，保证液温均匀分布。
附图说明
图1为本发明高精密温控装置中双级无接触磁力搅拌机构图；
图2是在图1的基础上加上外桶及保温材料、磁性转台示意图；
图3是高精密温控装置的完整结构示意图；
图4是电加热棒结构示意图，其中图4a是主视图，图4b是俯视图，图4c是立体结构图；
图5是双级磁铁组和磁性搅拌子示意图；
图6是本发明中的样品篮结构示意图，其中图6a是主视图，图6b是右视图，图6c是立体结构图；
图7是本发明中搅拌转速分别在140、160、180、200、220RPM时，在120分钟内的温度波动图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
请参阅图1至图3所示，本发明高精密温控装置包括双级无接触磁力搅拌机构、外桶15、隔热保温材料16、强力磁性搅拌机台17、温度探头18、电加热棒20、PID温控系统21以及桶盖22，所述双级无接触磁力搅拌机构包括框架1、旋转主轴2、一级磁铁组3、二级磁铁组4、搅拌叶轮5、垫块6、烧杯7、磁性搅拌子8、密封盖11、密封圈12、把手13。
双级无接触磁力搅拌机构的具体连接及位置关系如下：所述框架1由一分隔部101分成上下两部分，垫块6固定在框架1内的分隔部101的上方，具体的，可以用螺钉将垫块6固定在框架1上，也可以采用粘结、卡扣等现有的各种固定方式。烧杯7放在框架1内的垫块6上，为了使烧杯7放置的更稳固，垫块6最好设置成三个或者三个以上。一级磁铁组3和二级磁铁组4分别固定安装在旋转主轴2的下端和上端，搅拌叶轮5固定安装在旋转主轴2的中段。旋转主轴2可转动的安装在分隔部101，搅拌叶轮5和一级磁铁组3位于框架1内的分隔部101的下方，二级磁铁组4位于框架1内的分隔部101的上方，且位于烧杯7的正下方。烧杯7内底部放置磁性搅拌子8，且与一级磁铁组3、二级磁铁组4、搅拌叶轮5同轴放置。烧杯7上盖有密封盖11，为了使烧杯7的密封性更好，密封盖11内与烧杯7接触的位置装有密封圈12，为了方便密封盖11的打开，密封盖11上部装有把手13。
温度探头18安装在烧杯7的外壁上，所述双级无接触磁力搅拌机构整体放在外桶15内，外桶15外可以包裹上隔热保温材料16，外桶15整体放在强力磁性搅拌机台17上。电加热棒20放置在外桶15内，位于双级无接触磁力搅拌机构的外围，电加热棒20的通电导线及温度探头18的导线一起接入到PID温控系统21之中，桶盖22盖在外桶15上，桶盖22外可以包裹上隔热保温材料16。外桶15是无磁性材料。
这里需要说明的是，四个温度探头18是安装在烧杯7外壁的上下左右不同位置的，如图2所示，而不是把温度探头18直接放置在烧杯7内的溶液中直接测量温度，原因有二：其一，由于溶液大多对于电子温度探头18有腐蚀性，会造成电子仪器的破坏；其二，如果将温度探头18放置在烧杯7内部的溶液中，会对溶液造成污染，如果该装置用于质子交换，则会影响质子交换的纯净度。由于温度探头18紧贴在烧杯7的外壁，且分别放置在烧杯7的上下左右不同位置，当四个温度探头18反馈温度在某一具体温度(例如125℃)±0.02℃的范围内，则可以认为烧杯7内部的溶液的温度也在(125±0.02)℃的范围内。
所述电加热棒20的结构图如图4所示，弯成W形状，以增加与装在外桶15内的溶液19的接触面积，以保证加热时温度在横向、纵向的均匀分布，可使溶液19中的温度均匀性更好。
所述外桶15可以是不锈钢或者铝等无磁性材料，但不锈钢导热系数较低，散热慢，保温性能会更好，所以优选的，外桶15采用不锈钢材料。
所述框架1可以是铝制的，也可以是不锈钢或者钛合金等金属制品。
所述搅拌叶轮5可以是铝制的，也可以是不锈钢或者耐高温的塑料，比如特氟龙。
所述垫块6可以是不锈钢材料的，或者是耐高温的塑料，比如特氟龙。
所述密封盖11采用耐高温耐腐蚀的塑料或者绝热材料，比如特氟龙或者陶瓷。
该高精密温控装置的安装过程如下所述。
如图1所示，首先将框架1搭建好，将垫块6固定在框架1上，将旋转主轴2与一级磁铁组3、二级磁铁组4、搅拌叶轮5一起安装到框架1上；然后将装好溶液14的烧杯7放在框架1内，直接接触到垫块6，并将磁性搅拌子8放入溶液14内，磁性搅拌子8与旋转主轴2、一级磁铁组3、二级磁铁组4、搅拌叶轮5同轴放置，直接接触烧杯7的底端，如图5所示；再将需要控温的产品放置在烧杯7之中，盖上密封盖11。参阅图2，将装好的双级无接触磁力搅拌机构(如图1所示)安装上温度探头18，然后将整个双级无接触磁力搅拌机构部分放入到外桶15中，桶外包裹上隔热保温材料16，将外桶15整体放在强力磁性搅拌机台17上。继续参阅图3，在外桶15内加入溶液19，然后将电加热棒20放置在外桶15内，浸没在溶液19中，位于双级无接触磁力搅拌机构的外围，将电加热棒20的通电导线及温度探头18的导线一起接入到PID温控系统21之中，盖上桶盖22，桶盖22外包裹上隔热保温材料16。
PID温控系统21可通过“探测-反馈-调节-再探测”的方法，使得双层油浴结构中的溶液19的温度均匀性保持在±0.02℃，进而保持烧杯7内的溶液14的温度均匀性控制在±0.02℃。
本发明所述的高精密温控装置，在开启强力磁性搅拌机台17后，将带动固定在外桶15上的旋转主轴2转动，与旋转主轴2连带的一级磁铁组3、二级磁铁组4及搅拌叶轮5同轴转动，二级磁铁组4利用旋转磁场，进一步带动位于盛放溶液14的烧杯7内的磁性搅拌子8同轴转动。
当本发明所述的高精密温控装置用于质子交换时，所述烧杯7内放入苯甲酸溶液14，装有铌酸锂波导芯片9的样品篮10用吊绳吊在密封盖11上，样品篮10底部有细小圆孔102，如图6所示，可使苯甲酸溶液14完全渗透到样品篮10中，装有铌酸锂波导芯片9的样品篮10在苯甲酸溶液14中的位置，要使得铌酸锂波导芯片9完全浸泡在苯甲酸溶液14中。所述外桶15内放入硅油19。
因为苯甲酸溶液14的升华温度小于110℃，而加工中使用的温度在120～220℃范围内，所以盛放苯甲酸溶液14的烧杯7必须使用密封盖11进行密封，避免苯甲酸升华渗出。
硅油19即使在120～220℃左右也有一定的粘性，所以用搅拌叶轮5进行搅拌；烧杯7中的苯甲酸溶液14中则使用一个磁性搅拌子8进行搅拌。磁性搅拌子8的搅拌速率优选的可维持在140～220RPM左右，这样做可以防止局部溶液过热，而且不形成涡流，保证液温均匀分布。
所述样品篮10和吊绳可以是耐高温耐腐蚀的塑料或者绝热材料，比如特氟龙或者陶瓷。
所述磁性搅拌子8外包裹有耐高温耐腐蚀的塑料，比如特氟龙，避免了由于磁性材料直接接触苯甲酸溶液14而对苯甲酸溶液14产生污染。
图7为本发明所述的温控装置应用在质子交换时在转速分别为140、160、180、200、220RPM时，120分钟以内的温度波动图，其数据从图2中四个温度探头18得出。从图7中可以明显看出，苯甲酸溶液14的温控精度完全控制在0.02℃以内，因此本温控装置完全可以达到在质子交换过程中所需的高温控精度、低溶液温度梯度的工艺要求。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精密温控装置，包括外桶(15)、强力磁性搅拌机台(17)、温度探头(18)、电加热棒(20)、PID温控系统(21)以及桶盖(22)，外桶(15)整体放在强力磁性搅拌机台(17)上，电加热棒(20)放置在外桶(15)内，电加热棒(20)的通电导线及温度探头(18)的导线一起接入到PID温控系统(21)之中，桶盖(22)盖在外桶(15)上，其特征在于：还包括双级无接触磁力搅拌机构，所述双级无接触磁力搅拌机构包括框架(1)、旋转主轴(2)、一级磁铁组(3)、二级磁铁组(4)、搅拌叶轮(5)、垫块(6)、烧杯(7)、磁性搅拌子(8)，所述框架(1)由一分隔部(101)分成上下两部分，垫块(6)固定在框架(1)内的分隔部(101)的上方，烧杯(7)放在垫块(6)上，烧杯(7)内底部放置磁性搅拌子(8)，温度探头(18)安装在烧杯(7)的外壁上，所述双级无接触磁力搅拌机构整体放在外桶(15)内，电加热棒(20)位于双级无接触磁力搅拌机构的外围，一级磁铁组(3)和二级磁铁组(4)分别固定安装在旋转主轴(2)的下端和上端，搅拌叶轮(5)固定安装在旋转主轴(2)的中段，且一级磁铁组(3)、二级磁铁组(4)、搅拌叶轮(5)与磁性搅拌子(8)同轴放置，旋转主轴(2)可转动的安装在分隔部(101)，搅拌叶轮(5)和一级磁铁组(3)位于框架(1)内的分隔部(101)的下方，二级磁铁组(4)位于框架(1)内的分隔部(101)的上方，且位于烧杯(7)的正下方，所述烧杯(7)内和外桶(15)内根据需要放入溶液，构成双层油浴结构。
2.如权利要求1所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述垫块(6)为至少三个。
3.如权利要求1所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述外桶(15)及桶盖(22)外包裹上隔热保温材料(16)。
4.如权利要求1所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述温度探头(18)有四个，分别安装在烧杯(7)外壁的上下左右四个位置。
5.如权利要求1所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述电加热棒(20)弯成W形状。
6.如权利要求1所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述外桶(15)是无磁性材料。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述烧杯(7)内放入苯甲酸溶液(14)，烧杯(7)上盖有密封盖(11)，装有铌酸锂波导芯片(9)的样品篮(10)用吊绳吊在密封盖(11)上，样品篮(10)底部开孔，装有铌酸锂波导芯片(9)的样品篮(10)在苯甲酸溶液(14)中的位置是使得铌酸锂波导芯片(9)完全浸泡在苯甲酸溶液(14)中，所述外桶(15)内放入硅油(19)。
8.如权利要求7所述的一种高精密温控装置，其特征在于：磁性搅拌子(8)的搅拌速率维持在140～220RPM。
9.如权利要求7所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述磁性搅拌子(8)外包裹有耐高温耐腐蚀的塑料。
10.如权利要求9所述的一种高精密温控装置，其特征在于：所述耐高温耐腐蚀的塑料为特氟龙。
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