CN106123163A - 精密气体控制装置及光学制造系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密气体控制装置及光学制造系统。该精密气体控制装置包括初级过滤器、蒸发器、冷凝器以及混合室，其中：初效过滤器用于将外部环境的空气进行初级过滤，并将经过初级过滤的气体分别输送到蒸发器和冷凝器；蒸发器用于对经过初级过滤得到的气体进行降温，以得到冷气；冷凝器用于对经过初级过滤得到的气体进行加热，以得到热气；混合室用于按照预设的比例混合冷气和热气。通过上述方式，本发明采用冷、热风混合的方式，能够节省外部冷水机，从而达到节能环保的效果。

Description

精密气体控制装置及光学制造系统
技术领域
本发明涉及超精密光学制造技术领域，特别是涉及一种精密气体控制装置及光学制造系统。
背景技术
超精密光学制造是指尺寸精度在100nm以内的加工制造技术，主要应用于高端装备制造领域。随着航空、精密仪器、光学和激光技术的迅速发展，以及人造卫星姿态控制和遥感器件、光刻和硅片加工设备等高精度平面、曲面和复杂形状零件的加工需求日益迫切，超精密加工应用范围日益扩大，它的特点是可直接加工出具有纳米级表面光洁度和亚微米级形面精度的表面，借以实现各种优化的、高成像质量的光学系统，并促使光学电子设备的小型化、阵列化和集成化。
在超精密光学加工制造过程中，当其设计精度达到亚微米级甚至纳米级的时候，由环境参数特别是温度引起的误差就成了精度进一步提高的一项主要障碍，例如超精密光学元件面形检测技术，目前高端ZYGO菲索干涉仪面形测量精度可以达到λ/10～λ/100，干涉检测的工艺过程和测量结果精度都对局部环境的指标提出高的需求。另外，在微动电机、激光干涉仪测量系统、三坐标测量系统、高精度位移测量系统等超精密制造过程中核心关键技术中，由于温度的空间分布不均匀和波动、漂移产生形变，从而导致运动误差；以激光干涉仪为代表的超精密传感、测量装置由于温度、湿度、压力的空间分布不均匀和波动、漂移产生测量误差；空气颗粒污染、化学污染而导超精密光学加工受到腐蚀或影响运行，除此以外，超精密光学制造系统中加工、装配精度都对环境要求极高。此时就必须考虑引入环境控制系统来保证设计精度的实现和实际应用的稳定性。
根据经验，针对超精密光学加工制造过程中环境控制的指标要求为：温度指标：控制范围：18～24℃，精度：优于±0.05℃，稳定性：±0.025℃/5min，均匀性：±0.1℃/1000mm。湿度指标：控制范围：<70％RH。气浴风速指标：控制范围：0-0.5m/s。精度：0.1m/s。洁净度指标：J6级净化/Class 1000。噪声指标：气浴内部≤50dB。
现有技术中，通常设计整体结构方案采用立体“回”字间结构。具体而言，首先，利用恒温恒湿空调机组在超精密制造实验室与外界之间的外围搭建过渡区域，在超精密制造实验室的上、左、右、前、后五个面(下部为回风侧)形成温度精度为±0.2℃的空气隔层，用以最大限度的隔离外界环境对实验室造成的影响。然后，采用另外一套恒温恒湿空调机组向实验室内部提供温度受控、湿度受控和层流处理后的空气，以保证实验室最终±0.02℃的温度精度和J6净化等级及其他要求。
但上述方案存在许多严重问题：1、大规模并且高额的环控基础建设工程及费用。2、环控实验室空间固定且不能移动，复用性不高。3、环境系统需要长时间运行且不能关机，稳定时间长，空调机组能耗巨大，后期的能耗费及维护费用惊人。4、环控空间浪费，例如一个30m2实验室内仅一台超精密光学制造设备需要高精度环境10m2。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种精密气体控制装置及光学制造系统，能够节省外部冷水机，从而达到节能环保的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种精密气体控制装置，该精密气体控制装置包括初级过滤器、蒸发器、冷凝器以及混合室，其中：
所述初效过滤器用于将外部环境的空气进行初级过滤，并将经过初级过滤得到的气体分别输送到所述蒸发器和所述冷凝器；
所述蒸发器用于对经过初级过滤得到的气体进行降温，以得到冷气；
所述冷凝器用于对经过初级过滤得到的气体进行加热，以得到热气；
所述混合室用于按照预设的比例混合所述冷气和热气。
其中，精密气体控制装置还包括：
第一混风风扇，用于将所述冷气输送到所述混合室内；
第二混风风扇，用于将所述热气输送到所述混合室内。
其中，精密气体控制装置还包括压缩机、低压开关以及高压开关，其中，所述低压开关的两侧分别连接所述蒸发器和所述压缩机，所述高压开关的两侧分别连接所述压缩机和所述冷凝器，其中：
所述压缩机用于对其内的制冷剂进行压缩，从而产生热量；
所述蒸发器内的液态的制冷剂吸收经过初级过滤得到的气体的热量，以变成气态的制冷剂，所述气态的制冷剂通过所述低压开关后进一步通过所述压缩机吸收所述压缩机产生的热量，并通过所述高压开关后输送到所述冷凝器中。
其中，精密气体控制装置还包括：
热膨胀阀，用于控制输入所述蒸发器的制冷剂的流量；
过滤干燥器，用于对所述冷凝器中的制冷剂进行过滤和干燥。
其中，精密气体控制装置还包括：
旁通阀，所述旁通阀的一侧与所述冷凝器相连接，另一侧与所述蒸发器相连接，其中，所述冷凝器内的气态的制冷剂提供热量给经过初级过滤得到的气体后变成液态的制冷剂，所述旁通阀用于对所述冷凝器输出的液态的制冷剂进行分流。
其中，精密气体控制装置还包括：
风阀，用于将经过所述冷凝器后的部分废弃气体排除到所述精密气体控制装置外。
其中，精密气体控制装置还包括：
高效过滤器，用于将所述混合室中的混合气体进行过滤，并通过气体管路输送到环境控制装置中。
其中，精密气体控制装置还包括：
主控器，用于与所述热膨胀阀、第一混风风扇、第二混风风扇以及混合室相连接，分别电气控制所述热膨胀阀的开度、第一混风风扇和第二混风风扇的开关以及混合室的预设比例。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光学制造系统，该光学制造系统包括精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中：
所述气体管路的两端分别连接所述精密气体控制装置和环境控制装置，用于将所述精密气体控制装置输出的气体输送到所述环境控制装置；
所述精密气体控制装置包括前文所述的精密气体控制装置；
所述环境控制装置包括：
高效过滤器，用于对所述精密气体控制装置输送的气体进一步净化过滤后输送到所需的环境中。
其中，环境控制装置还包括：
温度传感器、湿度传感器以及风速传感器，分别对环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给所述精密气体控制装置。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种精密气体控制装置及光学制造系统，该精密气体控制装置包括初级过滤器、蒸发器、冷凝器以及混合室，其中，初效过滤器用于将外部环境的空气进行初级过滤，并将经过初级过滤得到的气体分别输送到蒸发器和冷凝器，蒸发器用于对经过初级过滤得到的气体进行降温，以得到冷气，冷凝器用于对经过初级过滤得到的气体进行加热，以得到热气，混合室用于按照预设的比例混合冷气和热气。因此，本发明采用冷、热风混合的方式，能够节省外部冷水机，从而达到节能环保的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光学制造系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种精密气体控制装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，图1是本发明实施例提供的一种光学制造系统的结构示意图。如图1所示，本实施例的光学制造系统10包括精密气体控制装置100、气体管路200以及环境控制装置300。其中，精密气体控制装置100一侧与外部空气直接接触，一侧与气体管路200相连接，将外部环境的空气经过内部处理后送至气体管路200。具体处理将在下文详述。
气体管路200的两端分别连接精密气体控制装置100和环境控制装置300，用于将精密气体控制装置100输出的气体输送到环境控制装置300。其中，气体管路200优选为软管连接方式，方便移动。在气体实施例中，气体管路200也可为固定管路。
环境控制装置300包括高效过滤器800，设置在环境控制装置300的进风口，用于对精密气体控制装置100输送的气体进行净化过滤后输送到所需的环境中，以提高气体的洁净度。其中，高效过滤器800主要过滤气体内0.1μm和0.3μm以上尘埃粒子。高效过滤器800可更换及可拆卸。气体通过环境控制装置200内部的区间后排放到所在的空气环境中。
进一步的，环境控制装置300还包括温度传感器400、湿度传感器500以及风速传感器600，其分别对环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给精密气体控制装置100。具体的，光学制造系统10还包括电气连接线缆700，温度传感器400、湿度传感器500以及风速传感器600通过电气连接线缆700连接精密气体控制装置100，以将温度参数、湿度参数以及风速参数通过电气连接线缆700反馈给精密气体控制装置100。
可选的，温度传感器400、湿度传感器500以及风速传感器600可分别为一个或多个。当温度传感器400、湿度传感器500以及风速传感器600分别为多个时，其均匀设置在环境控制装置300的不同位置。
可选的，环境控制装置300可以为一个封闭或半封闭的设备，将其设置在实验室或者其他工作环境中，然后将需要高精度环境的超精密光学制造设备置于其中，进而仅对该超精密光学制造设备提供高精度环境。
其中，环境控制装置300的大小、尺寸可根据实际应用调节，其形状可为矩形、正方形等规则形状或不规则形状。其大小可以为3m3、6m3、9m3、15m3几个标准尺寸。由此其适用的环境面积大小包括3m3、6m3、9m3以及15m3。
因此，本发明实施例的光学制造系统10通过将精密气体控制装置100与环境控制装置300进行单独设置，使得环境控制装置300可以根据需要将进行合格气体输送到所需的局部环境中，从而实现仅对所需的局部环境进行控制，达到节省资源的目的。
光学制造系统10可放置在外部环境温度范围优于±2℃的温度精度的工作环境中，例如实验室，局部环境的温度精度可达优于±0.05℃。
可选的，光学制造系统10还可放置外部无控制的环境，则局部环境的温度控制精度和外部环境温度相关，内/外温度变化优选比例为：1：50。
可选的，精密气体控制装置100可根据计算配置，与多个环境控制装置300连接，从而实现对多个局部环境进行控制。
请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种精密气体控制装置的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的精密气体控制装置100包括气体回路和液体回路。其中，气体回路包括初级过滤器16、蒸发器2、冷凝器7、第一混风风扇4、风阀8、第二混风风扇9、混合室11以及高效过滤器12。
其中，初效过滤器16用于将外部环境的空气进行初级过滤，并将经过初级过滤得到的气体分别输送到蒸发器2和冷凝器7。具体而言，初效过滤器16包括初效过滤器1和初效过滤器6。其中，初效过滤器1分别与外部环境的空气和蒸发器2相连接，初效过滤器6分别与外部环境的空气和冷凝器7相连接。初效过滤器1和初效过滤器6将外部环境的空气进行的初级过滤，主要用于过滤5μm以上尘埃粒子。
可选的，初效过滤器1和初效过滤器6为板式、折叠式以及袋式等样式，过滤材料可为无纺布、尼龙网、活性碳滤材以及金属孔网等。
蒸发器2的气路部分分别与初效过滤器1和第一混风风扇4相连接，蒸发器2用于对经过初级过滤得到的气体进行降温，以得到冷气。具体的，蒸发器2内部包含有液态的制冷剂，在气体通过蒸发器2内盘管结构时，蒸发器2内的液态的制冷剂吸收经过初级过滤得到的气体的热量，以变成气态的制冷剂，从而对气体提供冷量，使得气体降温变成冷气。
第一混风风扇4分别与蒸发器2和混合室11相连接，用于将冷气均匀地输送到混合室11内。本实施例中，第一混风风扇4的个数根据风量可以为一个或多个。
冷凝器7的气路部分分别与初效过滤器6和第二混风风扇9相连接，冷凝器7用于对经过初级过滤得到的气体进行加热，以得到热气。具体的，冷凝器7内部包含有气态的制冷剂，在气体通过冷凝器7内的盘管结构时，冷凝器7内气态的制冷剂向经过初级过滤得到的气体提供热量，以变成液态的制冷剂，对气体提供热量，使得气体加热变成热气。
蒸发器2和冷凝器7通常采用翅片管式换热器，翅片管式换热器通常有几排与气流方向垂直的、外侧带翅片的翅片管组成。换热器形式、换热面积、迎风面积、总管长、水管排数和水管口径等结构参数可配置。
第二混风风扇9分别与冷凝器7和混合室11相连接，用于将热气输送到混合室11内。本实施例中，第二混风风扇9的个数根据风量可以为一个或多个。
混合室11的一侧与第一混风风扇4、第二混风风扇9相连接，另一侧与高效过滤器12相连接，混合室11用于均匀化第一混风风扇4和第二混风风扇9输送的气体，并按照预设的比例混合冷气和热气。
高效过滤器12分别与混合室11和外部环境相连接，用于将混合室11中的混合气体进行过滤，并通过外部环境的气体管路200输送到环境控制装置300中。高效过滤器12主要过滤气体内0.1μm和0.3μm以上尘埃粒子。高效过滤器12可更换，可拆卸。
风阀8分别与冷凝器7和外部环境相连接，用于将经过冷凝器7后的部分废弃气体排除到精密气体控制装置外。可选的，风阀8可以电动或者手动控制。
液体回路包括压缩机16、高压开关17、冷凝器7、旁通阀18、过滤干燥剂19、观察窗20、热膨胀阀21、蒸发器2以及低压开关22。
其中，压缩机16对其内的制冷液压缩，从蒸发器2内输送低压的制冷液蒸汽到冷凝器7成高压并循环，是整个液体回路的核心器件。
具体而言，低压开关22的两侧分别连接蒸发器2和压缩机16，高压开关17的两侧分别连接压缩机16和冷凝器7。
压缩机16用于对其内的制冷剂进行压缩，从而产生热量。
蒸发器2内由液态变为气态的制冷剂通过低压开关22，低压开关22对输入的气体进行低压开关控制。之后气体通过压缩机16吸收压缩机产生的热量，并通过高压开关17后输送到冷凝器7中，高压开关17对压缩机16内的高温、高压的气体进行高压开关控制。
低压开关22和高压开关17的作用是检测循环系统的压力，系统压力过高或者过低的时候，自动断路保护系统不受损坏。
热膨胀阀21分别与蒸发器2和观察窗20相连接，用于对制冷剂进行节流降压，控制输入蒸发器2的制冷剂的流量，从而控制蒸发器2对气体的降温程度。
过滤干燥器19分别与冷凝器7和观察窗20相连接，用于对冷凝器7中的制冷剂进行过滤和干燥。
观察窗20一侧与热膨胀阀21相连接，另一侧与过滤干燥剂19相连接，其作用提供一个窗口给客户对回路内状态观察。
旁通阀18的一侧与高压开关17相连接，另一侧与蒸发器2相连接。旁通阀18能够将高压段的高温气态制冷剂旁通到低压端(蒸发器)，保证系统始终保持在一个特定的最小回气压力状态下运行，起到保护作用，防止压缩机短路，同时也防止蒸发器结冰。
本实施例中，精密气体控制装置100还包括接水盘5，用于存储部分气体冷凝成的液体。
本实施例中，精密气体控制装置100还包括主控器13，主控器13用于与热膨胀阀21、第一混风风扇4、第二混风风扇9以及混合室11相连接。具体是通过控制线缆15与热膨胀阀21、第一混风风扇4、第二混风风扇9以及混合室11相连接。主控器13电气控制热膨胀阀21的开度，以控制调节进入蒸发器2的制冷剂流量。主控器13控制第一混风风扇4和第二混风风扇9的开关和转速，进一步的，主控器13控制第一混风风扇4和第二混风风扇9将气体通过管路均匀的输送到混合室11内。进一步的，主控器13电气控制混合室11的预设比例。
主控器13还通过电气连接线缆700与温度传感器400、湿度传感器500以及风速传感器60连接。
本实施例中，精密气体控制装置100还包括温度传感器3和10，分别用于测量从蒸发器2输出的气体以及混合室11中的气体的温度。并且温度传感器3和10分别通过控制线缆15与主控制器13相连接，以将测量得到的温度反馈给主控制器13。
进一步的，精密气体控制装置100还包括触摸屏14，主控器13与触摸屏14相连接，发送触摸屏需要的人机交互数据并接受触摸屏的控制指令。触摸屏14接收并实时显示主控器发送的环境数据，且提供外部人员控制操作。
综上所述，本发明的光学系统装置10实现对超精密光学制造过程需要超高精度环境的区域进行控制，提供局部稳定的温度、湿度、压力、风速、洁净度的气浴环境。主要应用于超精密光学制造系统加工、装配等环境控制精度要求极高的场合，满足超精密光学制造正常过程的指标要求，保障设计精度的实现和实际应用的稳定性，解决了以前设计不能移动、建造及维护费用高昂、空间浪费等问题。本发明的优点在于：局部环境控制精度高(温度优于±0.05℃，洁净度class1000级)，费用低，能耗低，可移动，易操作，维护方便。
进一步的，本发明采用冷、热风混合的方式，能够节省外部冷水机，从而达到节能环保的效果。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置包括初级过滤器、蒸发器、冷凝器以及混合室，其中：
所述初效过滤器用于将外部环境的空气进行初级过滤，并将经过初级过滤得到的气体分别输送到所述蒸发器和所述冷凝器；
所述蒸发器用于对经过初级过滤得到的气体进行降温，以得到冷气；
所述冷凝器用于对经过初级过滤得到的气体进行加热，以得到热气；
所述混合室用于按照预设的比例混合所述冷气和热气。
2.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
第一混风风扇，用于将所述冷气输送到所述混合室内；
第二混风风扇，用于将所述热气输送到所述混合室内。
3.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括压缩机、低压开关以及高压开关，其中，所述低压开关的两侧分别连接所述蒸发器和所述压缩机，所述高压开关的两侧分别连接所述压缩机和所述冷凝器，其中：
所述压缩机用于对其内的制冷剂进行压缩，从而产生热量；
所述蒸发器内的液态的制冷剂吸收经过初级过滤得到的气体的热量，以变成气态的制冷剂，所述气态的制冷剂通过所述低压开关后进一步通过所述压缩机吸收所述压缩机产生的热量，并通过所述高压开关后输送到所述冷凝器中。
4.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
热膨胀阀，用于控制输入所述蒸发器的制冷剂的流量；
过滤干燥器，用于对所述冷凝器中的制冷剂进行过滤和干燥。
5.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
旁通阀，所述旁通阀的一侧与所述冷凝器相连接，另一侧与所述蒸发器相连接，其中，所述冷凝器内的气态的制冷剂提供热量给经过初级过滤得到的气体后变成液态的制冷剂，所述旁通阀用于对所述冷凝器输出的液态的制冷剂进行分流。
6.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
风阀，用于将经过所述冷凝器后的部分废弃气体排除到所述精密气体控制装置外。
7.根据权利要求1所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
高效过滤器，用于将所述混合室中的混合气体进行过滤，并通过气体管路输送到环境控制装置中。
8.根据权利要求4所述的精密气体控制装置，其特征在于，所述精密气体控制装置还包括：
主控器，用于与所述热膨胀阀、第一混风风扇、第二混风风扇以及混合室相连接，分别电气控制所述热膨胀阀的开度、第一混风风扇和第二混风风扇的开关以及混合室的预设比例。
9.一种光学制造系统，其特征在于，所述光学制造系统包括精密气体控制装置、气体管路以及环境控制装置，其中：
所述气体管路的两端分别连接所述精密气体控制装置和环境控制装置，用于将所述精密气体控制装置输出的气体输送到所述环境控制装置；
所述精密气体控制装置包括如权利要求1-8任意一项所述的精密气体控制装置；
所述环境控制装置包括：
高效过滤器，用于对所述精密气体控制装置输送的气体进行净化过滤后输送到所需的环境中。
10.根据权利要求9所述的光学制造系统，其特征在于，所述环境控制装置还包括：
温度传感器、湿度传感器以及风速传感器，分别对环境的温度参数、湿度参数以及风速参数进行采集并反馈给所述精密气体控制装置。
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