CN105839174B - 一种多功能温度可控式液桥生成器 - Google Patents
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Abstract
一种多功能温度可控式液桥生成器，由支架、液桥生成装置、温控装置和冷却水箱四部分组成，所述液桥生成装置包括垂直中心线位于同一直线上的上桥柱和下桥柱，以及观察套管；所述上桥柱和下桥柱分别在支架上部的上桥柱安装孔和支架下部的下桥柱安装孔垂直安装，上桥柱由上均匀送气套管和上盘焊接组装，下桥柱由下盘和下均匀送气套管焊接组装；所述观察套管同轴套装于上均匀送气套管和下均匀送气套管外表面并紧密贴合；所述上桥柱安装孔侧方支架上设置有紧固螺钉；所述温控装置包括加热槽、加热棒、热电偶、温度控制器、继电器和电源，其中加热槽焊接于支架上方的上均匀送气套管外部；所述冷却水箱焊接于下均匀送气套管外部。
Description
技术领域
本发明属于流体物理学技术领域，特别是涉及一种多功能温度可控式液桥生成器。
背景技术
浮区法是一种广泛应用的制备晶体材料的方法，用于模拟浮区法晶体生长过程的物理模型称为液桥。理论研究表明，周围剪切气流、温差和液桥体积比是影响液桥界面形状的主要因素，但传统的液桥生成装置结构复杂、功能单一，不能同时实现对这三种主要因素的考察功能，因此研究结果往往比较片面，所得到的数据可靠性较差；此外，传统的液桥生成装置普遍采用电热膜直接对液桥进行加热的方式，容易造成液桥受热不均匀且加热过程不稳定，使得实验过程中液桥温度频繁跳动，所获得的数据稳定性较差；此外，传统液桥生成装置产生温差的方式单纯基于对液桥上盘的加热，没有对液桥下盘进行冷却，因此往往获得的温差范围较小。
中国专利CN204849110U公开了一种周围剪切气流式液桥生成器，可以通入不同流速与方向的剪切气流，并且可任意调节液桥体积比，较传统液桥生成器有了较大改进，但该液桥生成器不具备加热与冷却功能，只适用于常温下研究剪切气流和液桥体积比对液桥界面形状的影响，无法对液桥上下盘温差引入的热毛细对流现象进行研究。热毛细对流的振荡特征以及由定常流向湍流过渡的整个过程是现代流体力学的研究热点。只要在流体表面存在温度的不均匀性，就会驱动流体运动；但是当流体表面的温差超过一个临界值时，这种表面张力梯度驱动的热毛细对流可以由定常流转变为振荡流。这种临界状态附近的流动情况正是当下研究的重点。这种临界温差状态以及由定常流向振荡流过渡的整个过程是传统液桥生成器和中国专利CN204849110U公开的液桥生成器所不能提供的。
因此，亟需一种结构简单、功能齐全的多功能温度可控式液桥生成器，在能够通入不同流速与方向的剪切气流和调节液桥体积比的基础上还可提供包括临界温差在内的大范围可控温差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多功能温度可控式液桥生成器，所述液桥生成器功能多样：通过上下均匀送气套管可以向液桥提供不同流速与方向的周围剪切气流；通过温控装置对上盘进行加热和冷却水箱对下盘进行冷却可实现上、下盘产生大范围的可控温差；通过调节上桥柱的高度可产生不同的体积比。本发明的技术方案为：
一种多功能温度可控式液桥生成器，由支架、液桥生成装置、温控装置和冷却水箱四部分组成，所述液桥生成装置包括垂直中心线位于同一直线上的上桥柱和下桥柱，以及观察套管；所述上桥柱和下桥柱分别在支架上部的上桥柱安装孔和支架下部的下桥柱安装孔垂直安装，上桥柱由上均匀送气套管和上盘焊接组装，下桥柱由下盘和下均匀送气套管焊接组装，上均匀送气套管与上盘的连接处以及下均匀送气套管与下盘的连接处均设有气孔；所述观察套管同轴套装于上均匀送气套管和下均匀送气套管外表面并紧密贴合，并且观察套管的内径与上均匀送气套管和下均匀送气套管的外径相等；所述上桥柱安装孔侧方支架上设置有紧固螺钉，通过调节紧固螺钉的松紧可使上桥柱上下移动从而改变液桥的体积比；所述温控装置包括加热槽、加热棒、热电偶、温度控制器、继电器和电源，其中加热槽焊接于支架上方的上均匀送气套管外部；所述冷却水箱焊接于下均匀送气套管外部。
上述生成器中，所述上桥柱安装孔和下桥柱安装孔的孔壁上涂敷隔热涂层，用于防止工作时温控装置传输给上盘的热量以及冷却水箱传输给下盘的冷量散失。
上述生成器中，所述上桥柱和下桥柱采用导热性能良好的材质制作，优选铜或铜合金；当从上桥柱的上均匀送气套管通入气体时，气体从上均匀送气套管的上部进入，经上均匀送气套管的气孔进入观察套管内，再经下均匀送气套管的气孔从下均匀送气套管的下部流出，反之亦然。
上述生成器中，所述下均匀送气套管外部焊接有托盘，并且托盘位于冷却水箱上方，用于作为观察套管的底部支撑。
上述生成器中，所述观察套管为玻璃套管，其长度根据上桥柱安装孔的下平面与托盘上表面之间的垂直距离确定。
上述生成器中，所述温控装置中各部件工作时的连接方式为：加热棒分别与电源和继电器相连形成加热回路，并将加热棒插入加热槽；温度控制器和继电器相连形成控制回路，热电偶紧贴上盘。
上述生成器中，所述加热槽底部设置可拆卸的隔热垫片，其中加热槽内的加热介质选择挥发性较低的50号硅油，甘油，或者乙二醇等。
上述生成器中，所述冷却水箱设有介质入口和介质出口，底部设置可拆卸的隔热垫片，冷却水箱内的冷却介质选择制冷温度在0°C以下的介质，如酒精和水的混合溶液，氯化钠溶液或氯化钙溶液等。
与现有技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
本发明结构简单，与传统的液桥生成器相比，可同时研究周围剪切气流、温差和液桥体积比这三种因素对液桥界面形状的影响，节省实验成本的同时简化实验过程；并且本发明上下盘温差的实现可以根据实验要求精确控制，且可以提供包括临界温差在内的大范围温差，便于研究由定常流向振荡流过渡的整个过程，综合考虑各因素对晶体生长过程的影响，较现有液桥生成器所获得的数据全面、稳定、可靠，对研究浮区晶体生长过程具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的多功能温度可控式液桥生成器的整体结构示意图；
图2是本发明的上桥柱的结构示意图；其中（a）为上桥柱的平面图，（b）为上桥柱的剖面图，（c）为上桥柱的侧视图；
图3是本发明的下桥柱的结构示意图；其中（a）为下桥柱的平面图，（b）为下桥柱的剖面图，（c）为下桥柱的侧视图；
图4是本发明的温控装置的结构示意图；
其中，1-支架，2-紧固螺钉，3-隔热垫片，4-上桥柱，5-下桥柱，6-观察套管，7-加热槽，8-上均匀送气套管，9-上盘，10-气孔，11-下均匀送气套管，12-冷却水箱，13-托盘，14-下盘，15-冷却水箱的介质入口，16-冷却水箱的介质出口，17-电源，18-继电器，19-温度控制器，20-加热棒，21-热电偶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
一种多功能温度可控式液桥生成器，其结构如图1所示，由支架1、液桥生成装置、温控装置和冷却水箱12四部分组成，所述液桥生成装置包括垂直中心线位于同一直线上的上桥柱4和下桥柱5，以及观察套管6；所述上桥柱4和下桥柱5分别在支架上部的上桥柱安装孔和支架下部的下桥柱安装孔垂直安装，上桥柱4由上均匀送气套管8和上盘9焊接组装，下桥柱5由下盘14和下均匀送气套管11焊接组装，上均匀送气套管8与上盘9的连接处以及下均匀送气套管11与下盘14的连接处均设有气孔10，上桥柱和下桥柱的结构分别如图2和图3所示；所述下均匀送气套管外部焊接有托盘13，并且托盘位于冷却水箱上方，用于作为观察套管的底部支撑；所述观察套管6为玻璃套管，长度为8cm，同轴套装于上均匀送气套管8和下均匀送气套管11外表面并紧密贴合，并且观察套管6的内径与上均匀送气套管8和下均匀送气套管11的外径相等；所述上桥柱安装孔侧方支架上设置有紧固螺钉2，通过调节紧固螺钉2的松紧可使上桥柱4上下移动从而改变液桥的体积比；所述温控装置包括加热槽7、加热棒20、热电偶21、温度控制器19、继电器18和电源17，其中加热槽7焊接于支架上方的上均匀送气套管8外部，加热槽底部设置可拆卸的隔热垫片3，加热槽内的加热介质为甘油；所述冷却水箱12焊接于下均匀送气套管11外部，冷却水箱12设有介质入口15和介质出口16，底部设置可拆卸的隔热垫片3，冷却水箱内的冷却介质选择饱和氯化钠溶液。
上述生成器中，所述上桥柱安装孔和下桥柱安装孔的孔壁上涂敷复合硅酸镁铝隔热涂层，用于防止工作时温控装置传输给上盘的热量以及冷却水箱传输给下盘的冷量散失。
上述生成器中，所述上桥柱4和下桥柱5中上盘9和下盘14的直径相等，上均匀送气套管8和下均匀送气套管11的内外径相等，并且上均匀送气套管8和下均匀送气套管11的内径要大于上盘和下盘的直径；上桥柱和下桥柱采用导热性能良好的纯铜制作。
上述生成器中，所述温控装置中各部件工作时的连接方式如图4所示：加热棒20分别与电源17和继电器18相连形成加热回路，并将加热棒20插入加热槽7；温度控制器19和继电器18相连形成控制回路，热电偶21紧贴上盘9；温度控制器具有设定实验温度和显示实测温度的功能，当热电偶测得的实测温度高于设定的实验温度时，加热回路中的继电器则会断开，加热棒停止加热；当测得的实测温度低于设定的实验温度时，加热回路中的继电器则会接通，加热棒继续加热；因此温控装置可使上盘达到稳定的设定实验温度。
采用本实施例的生成器进行实验的过程如下：首先调节上桥柱的高度再用紧固螺钉固定其位置以获得所需要的液桥体积比，再使用微型注射泵将实验液体准确地注入上盘与下盘之间，形成液桥，静止的液桥通过表面张力维持界面形状；然后将加热介质甘油注入加热槽中，插入加热棒（注意不能让加热棒与加热槽的壁面接触），再将热电偶固定于上盘处；在下盘处也连接一个热电偶用于监测下盘温度，在冷却水箱中注入饱和氯化钠溶液（温度在-10°C），安装观察套管；开启电源和温度控制器，通过温度控制器设定实验温度，对加热槽中的介质加热；接下来从上均匀送气套管通入气体，气体从上均匀送气套管的上部进入，经上均匀送气套管的气孔进入观察套管内，再经下均匀送气套管的气孔从下均匀送气套管的下部流出，控制气体的流速在液桥自由表面处形成自上而下的不同流速的剪切气流，反之亦然。
利用本实施例的多功能温度可控式液桥生成器研究气流速度、气流方向、温差大小和液桥体积比对液桥界面形状的影响，可通过以下四个具体实验方案实施 ：
实验方案一：气流方向，温差大小和液桥体积比一定的情况下，变换不同的气流速度，研究气流速度对液桥界面形状的影响。 由于本实施例的液桥生成器的观察套管6的内径和上、下盘直径都是定值，故通过控制气体的流量就可以改变气流速度。气流速度通过以下公式计算：
[1]
式[1]中，U为气流速度，Q为气体流量，D为观察套管的内径，d为上、下盘直径。
实验方案二：在气流速度，温差大小和液桥体积比一定的情况下， 变换不同的气流方向， 研究气流方向对液桥界面形状的影响。本实施例的液桥生成器可提供两种气流方向：1)、气流从上均匀送气套管8注入，即气流方向与重力方向一致；2)、气流从下均匀送气套管11注入， 即气流方向与重力方向相反。
实验方案三：在气流速度，气流方向和液桥体积比一定的情况下，变换不同的温差大小，研究温差大小对液桥界面形状的影响。温差的大小可通过调节温度控制器19来设定。
实验方案四：在气流速度，气流方向和温差大小一定的情况下，变换不同的液桥体积比， 研究液桥体积比对液桥界面形状的影响。液桥体积比等于液桥体积和上、下盘之间的圆柱体积之比。因为上、下盘的直径一定，所以通过调节上桥柱4的高度就可以改变上、下盘之间的圆柱体积，同时，也相应改变了液桥体积。调节上桥柱4达到实验要求的高度，再利用紧固螺钉2固定其位置。
其中，液桥体积是通过高速摄像机拍摄液桥界面形状，再根据液桥界面形状的数字图像计算得出的，其计算式为：
[2]
式[2]中，V 0 为液桥体积，h为上、下盘之间的垂直距离，F(z)为液桥界面形状的数字图像函数，z为液桥界面形状的积分变量。
上、下盘之间的圆柱体积是由上、下盘的直径和上、下盘之间的垂直距离确定的，其计算式为：
[3]
式[3]中，V 1 为上、下盘之间的圆柱体积，h为上、下盘之间的垂直距离，d为上、下盘的直径。
则体积比的计算式为：
[4]
式[4]中，上、下盘的直径d为定值，可通过游标卡尺测得，上、下盘之间的垂直距离h是实验变量，通过调节上桥柱的高度可得到不同的h。
在整个实验过程中， 各个变量对液桥界面形状的影响，通过高速摄像机拍摄液桥界面的不同形状来做进一步分析。
Claims (8)
1.一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于由支架、液桥生成装置、温控装置和冷却水箱四部分组成，所述液桥生成装置包括垂直中心线位于同一直线上的上桥柱和下桥柱，以及观察套管；所述上桥柱和下桥柱分别在支架上部的上桥柱安装孔和支架下部的下桥柱安装孔垂直安装，上桥柱由上均匀送气套管和上盘焊接组装，下桥柱由下盘和下均匀送气套管焊接组装，上均匀送气套管与上盘的连接处以及下均匀送气套管与下盘的连接处均设有气孔；所述观察套管同轴套装于上均匀送气套管和下均匀送气套管外表面并紧密贴合，并且观察套管的内径与上均匀送气套管和下均匀送气套管的外径相等；所述上桥柱安装孔侧方支架上设置有紧固螺钉，通过调节紧固螺钉的松紧可使上桥柱上下移动从而改变液桥的体积比；所述温控装置包括加热槽、加热棒、热电偶、温度控制器、继电器和电源，其中加热槽焊接于支架上方的上均匀送气套管外部，所述温控装置中各部件工作时的连接方式为：加热棒分别与电源和继电器相连形成加热回路，并将加热棒插入加热槽；温度控制器和继电器相连形成控制回路，热电偶紧贴上盘；所述加热槽底部设置可拆卸的隔热垫片；所述冷却水箱焊接于下均匀送气套管外部。
2.根据权利要求1所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述上桥柱安装孔和下桥柱安装孔的孔壁上涂敷用于防止工作时温控装置传输给上盘的热量以及冷却水箱传输给下盘的冷量散失的隔热涂层。
3.根据权利要求1所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述下均匀送气套管外部焊接有托盘，并且托盘位于冷却水箱上方。
4.根据权利要求3所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述观察套管为玻璃套管，其长度根据上桥柱安装孔的下平面与托盘上表面之间的垂直距离确定。
5.根据权利要求1所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述冷却水箱设有介质入口和介质出口，底部设置可拆卸的隔热垫片。
6.根据权利要求1所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述加热槽内的加热介质选择50号硅油，甘油，或者乙二醇。
7.根据权利要求1所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述冷却水箱内的冷却介质选择酒精和水的混合溶液，氯化钠溶液或氯化钙溶液。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种多功能温度可控式液桥生成器，其特征在于所述上桥柱和下桥柱采用导热性能良好的材质制作，选自铜或铜合金。
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