CN107182245B - 一种炉体移动式空间晶体生长炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种炉体移动式空间晶体生长炉，属于空间材料科学领域。本发明装置包括炉壳(1、2)及悬浮吸震机构(3、10)、加热炉炉体(4、11、12、13)、炉体移动机构(5)、样品升降及转位机构(6)、隔热底板(7)和样品安瓿(8)。本发明装置工作温度高、平均功耗低、整机振动噪声小的空间晶体生长炉，适合在返回式卫星或飞船等平台上开展空间材料科学实验研究，可实现在飞行试验中每循环完成多工位的晶体生长，最高工作温度可达1350℃。

Description

一种炉体移动式空间晶体生长炉

技术领域

本发明涉及一种炉体移动式空间晶体生长炉，属于空间材料科学领域。

背景技术

“空间材料科学”是当前“空间科学及其应用研究”领域中十分活跃的研究学科。利用空间微重力和超真空等环境条件，进行材料的加工工艺研究、晶体生长的物理过程探索以及制备在地面重力条件下很难获得或无法获得的、组分均匀的晶体材料是空间材料科学的主要研究方向，而利用在空间条件下获得的晶体生长规律指导地面的材料制备是空间材料科学研究的重要任务，它对发展我国的材料科学研究，促进航天技术为国民经济服务具有重要意义。

空间材料制备装置是从事空间材料科学研究必不可少的硬件设备，国际上的空间大国在过去几十年的空间材料科学试验中，发展了多种形式的空间材料制备装置，如温度梯度炉、等温加热炉、镜面反射炉、区熔加热炉、悬浮加热炉等。其中以电阻加热的温度梯度炉搭载次数最多，这主要是由于采用这种电阻加热方式，加热炉的工作温度范围宽，炉子的温场可调性和温度稳定性好，操作方便，制造工艺技术成熟。自1987年以来，我国已成功研制了多种空间材料实验装置，在返回式卫星和“神舟”号飞船上，圆满完成了一系列空间材料加工及试验任务。国内的空间炉，包括空间多用途材料加工炉、空间组合炉、功率移动炉和多工位晶体生长炉等，均采用合金电阻丝作为加热元件，而晶体生长过程则多是采用样品的移动来实现，而样品的移动由电机驱动，这样驱动电机本身的振动会不可避免的加载在样品上，从而影响晶体生长的质量。而如果采用炉体移动式装置，并结合其它减震措施，则可以大大减小这种影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作温度高、平均功耗低、整机振动噪声小、适于搭载返回式卫星和飞船的空间晶体生长炉，可实现在飞行试验中每循环完成多个工位的晶体生长试验。

本发明提供的空间晶体生长炉主要包括炉壳1、2及悬浮吸震机构3、10，加热炉炉体4、11、12、13，炉体移动机构5、样品升降及转位机构6、隔热底板7和样品安瓿8，其中：

加热炉炉体4、11、12、13与炉体移动机构5、样品升降及转位机构6分别固定在隔热底板7的两侧，炉壳1、2将它们封装在一个密闭的空间中并与加热炉炉体4、11、12、13固定连接；

悬浮吸震机构3、10固定在炉壳1、2上以缓冲炉壳上的振动；

炉体移动机构5和加热炉炉体4、11、12、13连接，炉体移动机构5控制加热炉炉体4、11、12、13作垂直轴向运动；

样品安瓿8通过螺纹固接在样品升降及转位机构6上。

上述炉壳1、2包括下半部分炉壳1与上半部分炉壳2，两者通过M6螺钉9固接在一起。

上述悬浮吸震机构3、10由四组悬浮垫3和两组悬浮垫10组成，四组悬浮垫3和两组悬浮垫10在高度上呈错位状的分布在大圆周外侧。

上述加热炉炉体包括炉体外壳4、导柱11、拉杆12和炉膛13，炉体外壳4套穿安装在两根导柱11上，可以沿导柱11的轴向移动，导柱11安装在下半部分炉壳1上，炉体外壳4与拉杆12固接，在拉杆12上有M12外螺纹，炉膛13固定在加热炉炉体中间部位，提供了样品安瓿8进出的空间。

本发明提供的空间晶体生长炉，其中的悬浮吸震机构由六组丁基橡胶垫圈组成，可吸收机械传动带来的振动，使整机振动水平减小到10^-3g；

本发明提供的空间晶体生长炉，其中的炉体移动机构功能在于实现晶体生长过程中的炉体移动，并采用了两对涡轮蜗杆传动、一对柔性传动配合的设计。涡轮蜗杆传动设计使传动件的运动方向相互垂直，防止了振动叠加，而在步进电机输出的第一对运动付中则采用了柔性传动结构(聚四氟乙烯与超硬铝齿轮配合)，同时在步进电机的安装上还使用了丁基橡胶垫块作为振动衰减元件，这些措施大大减小了驱动电机振动对晶体生长的影响；

本发明提供的空间晶体生长炉，其中的样品升降及转位机构也采用了两对涡轮蜗杆传动和两对对柔性传动配合的设计，进一步减小了振动影响；

简言之，本发明提供的空间晶体生长炉，其主要特点是整机振动噪声小，即在晶体生长过程中采用了炉体移动方式，并且在机械设计上采用了涡轮蜗杆传动、柔性传动配合和悬浮吸震机构，这些防震措施和设计可以消除或大大减小由于部件运动而产生的不规则振动，从而最大程度的消除和减小了机械振动对晶体生长的影响，达到了结构简单、防震效果好的目的。

本发明提供的空间晶体生长炉，其中的加热炉炉体采用了高功率密度的直接辐射电热丝设计，结合多层隔热铂辐射屏与超轻多孔保温材料混合封装的保温结构，大大提高了热能利用效率，保障了加热炉在低功耗的条件下实现较高的工作温度(最高达1350℃)。

本发明提供的空间晶体生长炉，不仅适用于晶体材料生长，而且也适用于其它材料的生长与制备试验，它可以达到的主要技术指标如下：

1.最高工作温度：1350℃

2.平均功耗：≤120瓦(功耗≤200瓦)

3.晶体生长有效长度：～70mm

4.加热炉炉体移动速度：1～6mm/h(分档可调、可扩充到40mm/h)

5.炉膛直径：

6.样品尺寸：

7.生长区的轴向温度梯度：～90℃/cm

(依生长材料的不同及材料生长位置的不同而有差异)

8.温度控制精度：±0.5℃

9.外形尺寸：

10.总重量：15.2Kg

本发明提供的空间晶体生长炉，采用了加热炉炉体相对样品移动的方式，比传统的样品移动的晶体生长方式有更强的抗干扰能力。因为在晶体生长过程中，电机驱动的机构运动会引起振动，改变空间微重力环境，影响晶体生长质量。而本发明提供的空间晶体生长炉，在晶体生长中，样品安瓿和晶体保持静止状态，加热炉炉体则沿着晶体生长方向移动，从而大大减小了机械振动对晶体生长过程的影响。

本发明提供的空间晶体生长炉，采用三套步进电机及其配合设计，解决了复杂机械动作的耦合问题，可实现空间材料加工实验所需要的三组机械动作，即加热炉炉体的移动(即晶体生长)、样品安瓿垂直进出炉膛以及样品安瓿的水平转位动作。这些主要运动部件采用单独分离的驱动传动机构来执行，它们之间不存在互相干扰，易于实现程序控制。并且其中的动力源全部采用了反应式步进电机，从而使整个系统的动作控制简单明了，提高了装置的安全可靠性。

本发明提供的空间晶体生长炉，为了保证样品转位精度，采取了使步进电机的转数n与样品转位角m成整数倍的设计，即：n＝Km(K为正整数)，以消除由于步进电机的步距角误差而引起的转位不到位现象。

附图说明

图1是空间晶体生长炉的整体结构图

图2是空间晶体生长炉的三维透视效果图(移去上半部分炉壳)

图3是炉壳及悬浮吸震机构的三维效果图

图4是加热炉炉体部分的三维效果图

图5是炉体移动机构的三维效果图

图6是样品升降及转位机构的三维效果图

具体实施方式

本发明提供的空间晶体生长炉的整体结构如图1所示，它主要由炉壳1、2及悬浮吸震机构3、10和加热炉炉体4、炉体移动机构5、样品升降及转位机构6四大部分组成。加热炉炉体4与炉体移动机构5、样品升降及转位机构6分别固定在隔热底板7的两侧，炉壳1、2将它们封装在一个密闭的空间中，以提高空间晶体生长炉与返回式卫星或飞船的机械相容性及热相容性。

图2所示为移去图1中上半部分炉壳2后的整体三维透视效果图。加热炉炉体4安装在下半部分炉壳1中，炉体移动机构5和样品升降及转位机构6安装在隔热底板7上，两个样品安瓿8通过螺纹固接在样品升降及转位机构6的架子上。

图3所示为炉壳及悬浮吸震机构的三维效果图。炉壳1、2是LY12硬铝焊接件，下半部分炉壳1与上半部分炉壳2分别自成一体，它们通过七颗M6(GB65-85)螺钉9固接在一起。悬浮吸震机构由四组悬浮垫3和两组悬浮垫10组成，结合俯视角度的A图和三维效果的B图来看，四组悬浮垫3和两组悬浮垫10在高度上呈错位状的分布在大圆周外侧，与下半部分炉壳1的焊接件紧密联接在一起。悬浮垫3和悬浮垫10的组成相同，它们都由一对丁基橡胶垫圈、LC4超硬铝M8螺杆和一对螺母构成，其中丁基橡胶垫圈具有相当的弹性，可以减小步进电机运行时的振动噪声。悬浮吸震机构的作用在于：一是提供空间晶体生长炉与返回式卫星或飞船联接的机械接口，二是吸收机械传动带来的振动。这种悬浮吸震结构简单可靠，可使整机振动水平减小到10^-3g。

图4所示为加热炉炉体部分的三维效果图。加热炉炉体4的外壳是LY12硬铝焊接件，它套穿安装在两根LC4超硬铝导柱11上，可以沿导柱11的轴向移动，导柱11安装在下半部分炉壳1上。加热炉炉体4与LC4超硬铝拉杆12固接，在拉杆12上有M12外螺纹。高纯氧化铝炉膛13则提供了样品安瓿8进出的空间。当拉杆12沿图中所示方向向上移动时，带动加热炉炉体4沿导柱11的轴向向上移动，实现晶体生长过程中的炉体移动方式。

加热炉炉体4中安置了三对测温热电偶，一对控温热电偶，它是空间晶体生长炉的主要耗能部件，提供了进行空间晶体生长所需的温场分布。炉膛13内侧采用了高功率密度的直接辐射电热丝(Pt-Rh丝)，其外侧为一组由多层隔热铂辐射屏与超轻多孔保温材料混合封装的保温层。电热丝采用了特殊设计的内嵌式结构，它被嵌装在炉膛13的内侧壁上，平行于炉膛13的轴向均匀的排列。电热丝直接对样品安瓿8进行加热，中间没有热阻层，从而提高了热能利用效率，减少了热损失。超轻多孔保温层采用硬硅钙石材料，该材料密度小，绝热效率高，导热系数只有0.035Kcal/m·h·℃。在加热炉炉体4中采用上述高效节能和保温隔热的结构设计易于产生较大的温度梯度，保障了加热炉在低功耗(≤120瓦)的条件下实现较高的工作温度(～1350℃)。

图5所示为炉体移动机构的三维效果图。反应式步进电机14通过四对丁基橡胶垫块15及螺钉、螺母安装在隔热底板7上，其传动输出轴与LC4超硬铝齿轮16固接，齿轮16与聚四氟乙烯齿轮17紧密啮合，为柔性传动配合。丁基橡胶垫块15的作用是减小步进电机14的振动影响。LY12硬铝传动箱壳体18(图5中采用了透视效果)通过四颗LC4超硬铝M4螺钉19安装在隔热底板7上。传动箱壳体18中，齿轮17与45钢蜗杆20固接在一起，在它们的垂直方向上，40Cr传动轴21上的涡轮22与蜗杆20啮合，蜗杆23与QSn6.5-0.1涡轮螺母24啮合，涡轮螺母24的内螺纹与拉杆12上的外螺纹25啮合。拉杆12的上端部安装有LC4超硬铝挡片26，在LY12硬铝支架27上装有两个KWX微动开关28、29，微动开关上各有一个弹簧触块30。

炉体移动机构的功能是在晶体生长过程中驱动加热炉炉体4按设定速度轴向移动，由于拉杆12与加热炉炉体固接在一起图4，所以该功能是由拉杆12的轴向移动来实现的。具体传动链说明如下：如图5所示，步进电机14驱动齿轮16的转动，然后依次经过齿轮17、蜗杆20、涡轮22、蜗杆23、涡轮螺母24、外螺纹25的传动配合，最后驱动了拉杆12的轴向移动，并带动挡片26在两个微动开关28、29的弹簧触块30之间直线运动。弹簧触块30的作用是提供拉杆12轴向移动的上下限位，当挡片26碰到弹簧触块30时，触发微动开关29启动到位信号，并控制步进电机14停止驱动，所以挡片26、微动开关28、29、弹簧触块30间接控制了加热炉炉体4轴向直线移动的行程空间。

步进电机14的步进角为1.5°，齿轮组(齿轮16、17)的传动比为22/33，两对涡轮蜗杆(蜗杆20/涡轮22、蜗杆23/涡轮螺母24)的传动比分别为i＝15和i＝20，选用的外螺纹25的螺距为T＝1.5，从而使步进电机14的驱动频率f每调整1KHz时，加热炉炉体4的移动速度(即晶体生长速度)的改变为0.05mm/h，即晶体生长速度与步进电机驱动频率的关系可简化为：V＝0.05fmm/h，这样就可以很方便的精确控制晶体生长速度。同时，在设计中采用了无间隙的涡轮螺母24/外螺纹25丝杠自动补偿传动结构，进一步提高了传动精度。

图6所示为样品升降及转位机构的三维效果图。反应式步进电机31的传动输出轴上固接有LC4超硬铝小齿轮32，小齿轮32与聚四氟乙烯大齿轮33啮合，为柔性传动配合。在LY12硬铝机壳34(图6中采用了透视效果)中，大齿轮33与45钢蜗杆35共轴，蜗杆35与QSn6.5-0.1涡轮36啮合。涡轮36与45钢小齿轮38共传动轴37，小齿轮38与H62黄铜大齿轮39啮合，大齿轮39固接在LY12硬铝横梁40上，横梁40的两端各安装有一个样品安瓿8，它可以沿其中心轴水平转动。反应式步进电机41的传动输出轴上固接有LC4超硬铝小齿轮42，小齿轮42与聚四氟乙烯大齿轮43啮合，为柔性传动配合。在LY12硬铝机壳44(图6中采用了透视效果)中，大齿轮43与一个45钢蜗杆共轴，该蜗杆与QSn6.5-0.1涡轮45啮合。涡轮45固接在45钢丝杆46上，丝杆46与ZL106铸铝活动架49上的孔通过螺纹配合，其上端固定在LY12硬铝横梁架47上，横梁架47两端的LC4超硬铝立柱48安装在隔热底板7上，活动架49与横梁40固接在一起，并套穿在立柱48上，可以沿其轴向上下滑动。

样品升降及转位机构的功能是实现在晶体生长前后样品安瓿8的快速进出炉膛13和换位。由于样品安瓿8安装在横梁40上，所以该功能是通过横梁40在垂直方向上随活动架49的上下直线移动和在水平平面内沿自身中心轴旋转来实现的。样品转位机构的具体传动链说明如下：如图6所示，步进电机31驱动小齿轮32的转动，然后依次经过大齿轮33、蜗杆35、涡轮36、传动轴37、小齿轮38、大齿轮39的传动配合，最后驱动了横梁40在水平平面内沿自身中心轴旋转，并带动样品安瓿8的旋转换位。另一方面，样品升降机构的具体传动链说明如下：如图6所示，步进电机41驱动小齿轮42的转动，然后依次经过大齿轮43、蜗杆、涡轮45、丝杆46的传动配合，最后驱动了活动架49沿立柱的轴向移动，并带动横梁40在垂直方向上上下直线移动，实现样品安瓿8的在晶体生长前后的进出炉膛13动作。

如上文所述，本发明提供的空间晶体生长炉，采用了三套步进电机驱动模块，它们分别控制加热炉炉体移动(即晶体生长)、样品安瓿在晶体生长前后进出炉膛和换位三个机械动作。这些主要运动部件采用单独分离的驱动传动机构来执行，减小了它们之间的相互干扰，从而提高了装置的减震效果。在炉体移动机构和样品升降及转位机构中，采用涡轮蜗杆传动设计，使传动件的运动方向相互垂直，防止振动叠加。此外，在步进电机输出的第一对运动付中采用了柔性传动结构(聚四氟乙烯与超硬铝齿轮的啮合)，在步进电机上还安装了丁基橡胶垫块作为振动衰减元件。这些设计达到了结构简单、防震效果好的目的。

本发明提供的空间晶体生长炉，其具体实验过程及各部分动作说明如下：结合图2、图4、图5、图6，起始时刻时，样品升降及转位机构6中的横梁40、样品安瓿8和活动架49处在立柱48的最上方位置，炉体移动机构5的拉杆12上的挡片26处在下限位弹簧触块30的位置，随后程序控制发出信号，驱动样品升降机构开始动作，样品安瓿8向下直线运动，快速进入炉膛13，与此同时，加热炉炉体4开始通电升温，直至炉膛13内升至程序设定的晶体生长温度并保温。当样品安瓿8向下运动到达一定位置时，程序控制发出指令信号，样品升降机构停止动作，炉体移动机构开始运行，拉杆12带动加热炉炉体4相对于样品安瓿8向上缓慢移动，此时炉膛13内一直保持在晶体生长温度，开始晶体生长过程，直至拉杆12上的挡片26碰到上限位弹簧触块，炉体移动机构停止动作，晶体生长过程结束。随后，加热炉炉体4断电降温，程序控制信号驱动样品升降机构再次工作，样品安瓿8向上直线移动，快速退出炉膛13，直至横梁40、样品安瓿8和活动架49回到起始时刻的最上方位置。与此同时，炉体移动机构也再次工作，加热炉炉体4沿导柱11向下直线移动，直至拉杆12上的挡片26碰到下限位弹簧触块30，回到起始位置。接下来程序控制发出指令信号，样品转位机构开始动作，通过横梁40的水平旋转，带动样品安瓿8的转动，上述已完成晶体生长实验的样品安瓿旋转至与其对称的180°位置，同时另一待制备的样品安瓿旋转180°至炉膛13正上方，接下来这一样品安瓿按照上述同样的动作顺序完成晶体生长实验。

Claims (4)

1.一种炉体移动式空间晶体生长炉，其特征在于主要包括炉壳(1、2)及悬浮吸震机构(3、10)、加热炉炉体(4、11、12、13)、炉体移动机构(5)、样品升降及转位机构(6)、隔热底板(7)和样品安瓿(8)，其中：

加热炉炉体(4、11、12、13)与炉体移动机构(5)、样品升降及转位机构(6)分别固定在隔热底板(7)的两侧，炉壳(1、2)将它们封装在一个密闭的空间中并与加热炉炉体(4、11、12、13)固定连接；

悬浮吸震机构(3、10)固定在炉壳(1、2)上以缓冲炉壳上的振动；

炉体移动机构(5)和加热炉炉体(4、11、12、13)连接，炉体移动机构(5)控制加热炉炉体(4、11、12、13)作垂直轴向运动；

样品安瓿(8)通过螺纹固接在样品升降及转位机构(6)上。

2.按权利要求1所述的一种炉体移动式空间晶体生长炉，其特征在于炉壳(1、2)包括下半部分炉壳(1)与上半部分炉壳(2)，两者通过M6螺钉(9)固接在一起。

3.按权利要求1或2所述的一种炉体移动式空间晶体生长炉，其特征在于悬浮吸震机构(3、10)由四组悬浮垫(3)和两组悬浮垫(10)组成，四组悬浮垫(3)和两组悬浮垫(10)在高度上呈错位状的分布在大圆周外侧。

4.按权利要求1或2所述的一种炉体移动式空间晶体生长炉，其特征在于所述的加热炉炉体包括炉体外壳(4)、导柱(11)、拉杆(12)和炉膛(13)，炉体外壳(4)套穿安装在两根导柱(11)上，可以沿导柱(11)的轴向移动，导柱(11)安装在下半部分炉壳(1)上，炉体外壳(4)与拉杆(12)固接，在拉杆(12)上有M12外螺纹，炉膛(13)固定在加热炉炉体中间部位，提供了样品安瓿(8)进出的空间。