CN104328486B - 一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统 - Google Patents

一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统，该装置包括压力传感器、电子流量阀、PLC控制器，其中，压力传感器，电子流量阀与PLC控制器通过信号线连接和通信，压力传感器安装在冷却出水口位置，电子流量阀安装在冷却进水口。出水压力变化通过压力传感器传输给PLC控制器，PLC控制器调节电子流量阀就能使水压自动保持在所需压力的±0.01兆帕度，从而形成冷却水压力的闭环控制。利用本专利能在使泡生法蓝宝石长晶设备冷却水系统进出水压力变化控制在0.01兆帕以内，减少了水压波动对晶体生长过程的影响，提高了晶体生长的质量。

Description

一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统
技术领域
本专利涉及泡生法蓝宝石晶体制造领域，尤其涉及一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统，同时可适用于其他相似领域。
背景技术
蓝宝石又称白宝石，是世界上硬度仅次于金刚石的晶体材料，由于具有优良的物理、机械、化学及红外透光性能，一直是微电子、航空航天、军工等领域急需的材料，尤其是光学级大尺寸蓝宝石材料，由于其具有性能稳定、市场需求量大、综合利用率及产品附加值高等特点，成为近年国内外研究开发和产业化热点。
蓝宝石晶体制造的一般过程是将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长，为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。也可以缓慢的（或分阶段的）上提晶体，以扩大散热面。晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力。不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。目前常用的高温溶液顶部籽晶法是该泡生法的改良和发展。
由于温度梯度很小，泡生法蓝宝石晶体生长过程是一个及其缓慢的降温过程，每小时的功率降幅低于50W，而加热功率则高达50KW。生长过程中微小的波动就对晶体生长过程产生影响。长晶设备中影响功率的因素除了热场外，还有水冷系统，多余的热量需要通过水冷带走，由于水冷系统的水量很大，一般可达到6000升/小时，微小水压偏差就意味着水流量的变化，那么水冷系统携带的热量的就有明显变化，这对晶体生长过程将有显著的影响，为此采用一种可自动控制水压的装置对于生长高质量的晶体非常重要，自动控制过程对于提高工作效率也非常有利。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力控制装置，抑制水压波动，提高了晶体生长的质量。
（二）技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统，包括安装在冷却出水口的压力传感器，安装在冷却进水口的电子流量阀，进行集中控制的PLC控制器，其中，所述的压力传感器、电子流量阀与所述的PLC控制器通过信号线连接和通信。
所述的压力传感器的精度达到0.01兆帕，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信。
所述的电子流量阀的调节精度达到1升/秒，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信。
所述的PLC控制器内部设置冷却水压力自动控制算法，所述的冷却水压力自动控制算法包括以下步骤：
步骤一：调节所述的电子流量阀的流量为Q，使所述的压力传感器达到P0；
步骤二：检测所述的压力传感器，获得出水压力P1，并计算压力偏差△P= P1-P0，如果△P的绝对值大于0.01兆帕，则进入步骤三；
调节所述的电子流量阀的流量，调节量△Q=-S2△P/（ρQ）,然后返回步骤二，其中，S为所述的冷却进水口的截面积，ρ为冷却水的密度。
（三）有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：利用该冷却水水压自动控制装置，可以使泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水系统进出水压力变化控制在0.01度以内，减少了水压波动对晶体生长过程的影响，提高了晶体生长的质量。
附图说明
图1为长晶设备的原理框图；
图2为冷却水压力自动控制算法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步展开说明，但需要指出的是，本发明所要求保护的结构并不限于实施例及说明书附图中的具体结构。对于本领域普通技术人员可以推知的其他结构形式，亦属于本发明所要求保护的范围之内。
一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统，包括安装在冷却出水口3的压力传感器4，可以检测冷却水的出口压力，还包括安装在冷却进水口2的电子流量阀5，可调节冷却水的流量大小，以及进行集中控制的PLC控制器，其中，所述的压力传感器4、电子流量阀5与所述的PLC控制器通过信号线连接和通信。
所述的压力传感器4的精度达到0.01兆帕，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信。所述的电子流量阀5的调节精度达到1升/秒，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信。
所述的PLC控制器内部设置冷却水压力自动控制算法，所述的冷却水压力自动控制算法包括以下步骤：
步骤一：调节所述的电子流量阀5的流量为Q，使所述的压力传感器4达到P0；
压力值 P0为额定工作压力。
步骤二：检测所述的压力传感器4，获得出水压力P1，并计算压力偏差△P= P1-P0，如果△P的绝对值大于0.01兆帕，则进入步骤三；
在步骤二中，所述的压力传感器4不间断地检测冷却水的出口压力，如果压力发生偏离，则进入步骤三进行处理。
步骤三：调节所述的电子流量阀的流量，调节量△Q=-S2△P/（ρQ）,然后返回步骤二，其中，S为所述的冷却进水口的截面积，ρ为冷却水的密度。
根据伯努利方程，P+ρgh+ρV2/2=C，其中， g为重力加速度， V为流速，h为所在高度，C是一个常量，而管道的高度是固定的，所以也可以认为h是一个常量。对该公式进行两边求导数，得到：△P+ρV△V=0，因为Q=SV，所以S2△P+ρQ△Q=0，最终得到△Q=-S2△P/（ρQ）。

Claims (1)

1.一种泡生法蓝宝石长晶设备的冷却水压力闭环控制系统，包括安装在冷却出水口的压力传感器，安装在冷却进水口的电子流量阀，进行集中控制的PLC控制器，其中，所述的压力传感器、电子流量阀与所述的PLC控制器通过信号线连接和通信；所述的压力传感器的精度达到0.01兆帕，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信；所述的电子流量阀的调节精度达到1升/秒，具有数字接口可与所述的PLC控制器进行数字通信，其特征在于：所述的PLC控制器内部设置冷却水压力自动控制算法，所述的冷却水压力自动控制算法包括以下步骤：
步骤一：调节所述的电子流量阀的流量为Q，使所述的压力传感器达到P0；
步骤二：检测所述的压力传感器，获得出水压力P1，并计算压力偏差△P= P1-P0，如果△P的绝对值大于0.01兆帕，则进入步骤三；
步骤三：调节所述的电子流量阀的流量，调节量△Q=-S2△P/（ρQ）,然后返回步骤二，其中，S为所述的冷却进水口的截面积，ρ为冷却水的密度。
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