CN109338468B - 一种晶体称重装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大重量级蓝宝石晶体的长晶炉的晶体称重装置。由于现有的蓝宝石长晶炉，普遍是将晶体称重装置安放于真空腔外,而与水冷式籽晶转轴分离，其密封设计比较简单，但称重误差明显。真空腔内外压力变化使水冷式籽晶转轴及称重传感器受额外的随机的压差载荷，导致晶体称重出现随机的不可控误差。本发明即为解决此难题，将晶体称重装置安放于真空腔内，即与长晶真空腔室直接连通，以彻底消除真空腔内外的随机压差载荷对晶体称重影响，且此装置带有循环冷却水系统，通过合理设计动态密封的循环冷却水系统，避免意外泄漏而污染真空腔。

Description

一种晶体称重装置
技术领域
本申请涉及蓝宝石晶体制造技术领域，尤其是一种长晶炉的晶体称重装置。
背景技术
蓝宝石晶体是一种具有优良物理、化学、光学和电气性能的现代工业基础材料，在新能源、新光源、智能电子产品、航天航空、军工等领域具有独特优势。
随着市场竞争的加剧，蓝宝石晶体的规格重量越来越大，以低成本生长出大重量高品质的蓝宝石单晶体是大势所趋。因此对蓝宝石长晶炉的称重装置提出了严酷要求。此称重装置连接长晶炉的实时信号采集与反馈控制系统，晶体实时重量是整个晶体生长工艺过程中极其重要的工艺数据与评判依据，为工艺参数自动调整和优化所必需。
因为长晶工艺需要，蓝宝石长晶炉内部包括长晶真空腔体的中心部位温度极高(必须高于蓝宝石熔点2050℃，大大超过绝大多数材料的耐温极限)，同时引晶需要籽晶转轴下端置于此真空腔内，使籽晶与蓝宝石熔体接触，所以需要采用水冷式籽晶转轴，即引进循环冷却水以满足合适的长晶热场及籽晶转轴自身动态密封结构需要。由于技术的复杂性，传统的蓝宝石长晶炉所使用的称重装置，是将称重装置安放于真空腔外，即采用称重装置与水冷式籽晶转轴分离设计，其密封结构比较简单，但真空腔内外的随机压力变化使水冷式籽晶转轴及称重传感器受额外的不可控的压差载荷，称重误差影响非常明显。尤其在长晶的初始状态和生长高品质晶体过程中，晶体重量的轻微变化几乎淹没在压差载荷的随机干扰中。由此轻则使长晶工艺参数难以调整和优化，长晶周期延长、能源消耗增大，晶体缺陷增多，长晶工艺自动化也难以进行，致使产品质量和成本缺乏竞争力；重则使引晶失败、晶体生长终止而报废，甚至损坏晶体坩埚和贵重的长晶设备，损失巨大。
上述传统的蓝宝石长晶炉所使用的称重装置，在大重量级的蓝宝石长晶称重中，缺陷尤为明显，对操作人员经验要求高，难以自动化批量长晶，成为大规模生长大重量(如200kg、300kg、400kg及以上)、高品质的蓝宝石单晶体的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的，在于解决传统的蓝宝石长晶炉所使用的称重装置，受额外的随机的压差载荷干扰，导致晶体称重出现随机的不可控误差，难以自动化批量长晶的技术瓶颈，由此提出一种用于大重量级蓝宝石晶体的长晶炉的晶体称重装置，此装置将置于真空腔内可控气体中，以提高晶体的称重精密度暨称重可靠性。
而针对上述问题，本发明同时提供了该合金电阻器的制造方法。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种晶体称重装置，包括密封的真空腔体、磁流体密封件、水冷式籽晶转轴、籽晶转轴水冷套、波纹管、称重传感器、提拉装置、冷却螺旋盘管；其中，所述磁流体密封件、籽晶转轴水冷套、称重传感器、提拉装置均位于真空腔体内部；水冷式籽晶转轴的上端与提拉装置连接而下端延伸出真空腔体；波纹管位于真空腔体外部并包围水冷式籽晶转轴延伸出真空腔体的部分；所述冷却螺旋盘管包括安装在真空腔体侧壁上的进液管、同样安装在真空腔体侧壁上的出液管以及位于真空腔体内并围绕籽晶转轴水冷套设置的螺旋盘管，所述螺旋盘管包括流入管与流出管，该流入管的一端与进液管连通而另一端与籽晶转轴水冷套连通，流出管的一端与出液管连通而另一端与籽晶转轴水冷套连通；所述进液管、流入管、籽晶转轴水冷套、流出管、出液管形成回路。
有益效果：本发明的晶体称重装置具有一个真空腔室，且此真空腔室通过不锈钢焊接波纹管与主机的长晶真空腔室直接连通，整套称重传感器套件及相关机构结构件、水冷式籽晶转轴的循环冷却水系统即封闭于此真空腔室，以彻底消除真空腔内外的随机压差载荷对晶体称重影响。同时，本晶体称重装置带有动态密封的循环冷却水系统(进液管、流入管、籽晶转轴水冷套、流出管、出液管形成的回路)，该回路的进液管及出液管均在密封环境下自真空腔室外进液和出液，避免意外泄漏而污染真空腔。
此晶体称重装置采用柔性联轴器和自调节对中的浮动结构，旨在除了准确且平稳传递长晶所需运动及动力外，还构成灵敏的载荷传递机构，使籽晶转轴下端挂载的晶体重量或相关载荷准确地传递到称重传感器(上下双量程套件)，以实时地精确测量晶体重量。
进一步的，所述真空腔体包括上真空腔体、下真空腔体、连接法兰；所述连接法兰将上真空腔体及下真空腔体连接并密封；所述连接法兰中设有供水冷式籽晶转轴穿过的开口。
进一步的，还包括传感器下安装座、传感器上安装座、传感器保护座；称重传感器的顶部固定于传感器保护座、称重传感器的底部固定于传感器下安装座，传感器保护座再固定于传感器上安装座，另外称重传感器带有传感器调节件。
水冷式籽晶转轴通过上磁流体密封件、安装座浮动铰链组件浮动安装于传感器上安装座。故而，本发明中的晶体称重装置，称重传感器的上下安装座均采用自调节对中的浮动结构，带有传感器作用范围精细调节和过载保护限位结构，以消除零部件加工和安装导致的附加载荷。
进一步的，传感器上安装座与传感器下安装座通过传感器安装座铰链组件、自调节浮动组件构成转动副。该水冷式籽晶转轴与称重传感器联接采用自调节对中的浮动吊装式结构，以消除零部件加工和安装导致的附加载荷。在籽晶转轴自重和晶体重量作用下，籽晶转轴自动调节到竖直位置，与主机的长晶真空腔室对中。
进一步的，提拉装置包括、籽晶转轴驱动电机、减速机、减速机联轴器；减速机联轴器与水冷式籽晶转轴上端通过柔性联轴器与连接；籽晶转轴驱动电机、减速机位于真空腔体外部上方，减速机联轴器连接的转轴下端贯穿真空腔体并向真空腔体内延伸，该贯穿位置设置外磁流体密封件。
进一步的，还设有包围并承载所述下真空腔体的该称重安装座，称重安装座的外侧连接有连接机架。
附图说明
图1为本发明称重装置的立体图。
图2为本发明称重装置另一个角度的立体图。
图3为本发明称重装置的内部剖视图(图4中A-A方向剖视图)。
图4为本发明称重装置的整体俯视图(按工作位置)。
图5为图3中B-B方向剖视图。
图6为图3中C-C方向剖视图。
图7为图3中D-D方向剖视图。
图中零部件说明：
1.波纹管 2.水冷式籽晶转轴 3.下真空腔体 4.称重安装座 5.连接机架 6.传感器下安装座 7.传感器安装座铰链组件 8.传感器上安装座 9.柔性联轴器 10.外磁流体密封件 11.减速机联轴器 12.减速机 13.籽晶转轴驱动电机 14.上真空腔体 15.上传感器紧固件 16.传感器保护座 17.传感器调节件 18.传感器上块 19.传感器下块 20.称重传感器(上下双量程套件) 21.下传感器紧固件 22.真空腔连接法兰 23.上磁流体密封件24.上螺旋盘管 25.下螺旋盘管 26.籽晶转轴水冷套 27.下磁流体密封件 28.安装座浮动铰链组件 29.减速机安装座 30.自调节浮动组件。
具体实施方式
参见图1-图7，称重装置整体安装于称重安装座4，由连接机架5与主机设备的提升机构(图中为示出)连接，以完成引晶长晶工艺所需的提升和下降运动。由上真空腔体14、下真空腔体3、真空腔连接法兰22(有孔连通上下真空腔体)构成完整的真空腔室，通过焊接波纹管1与主机的长晶真空腔室(图中为示出)直接连通，整套称重传感器套件及相关机构结构件、水冷式籽晶转轴的循环冷却水系统即封闭于此真空腔室。
参见图3，称重传感器(上下双量程套件)20分别用配套传感器紧固件15、21固定于传感器保护座16和传感器下安装座6，传感器保护座16再固定于传感器上安装座8，另外上称重传感器带有传感器调节件17，作精细调节和过载限位之用。
参见图3、图5、图6，籽晶转轴水冷套26有滚动轴承及密封套件，与水冷式籽晶转轴2构成精密转动副，籽晶转轴水冷套26上下分别有上磁流体密封件23、下磁流体密封件27，构成真空密封系统。籽晶转轴驱动电机13通过减速机12、减速机联轴器11、外磁流体密封件10，再通过柔性联轴器9与水冷式籽晶转轴2上端联接，以驱动水冷式籽晶转轴2转动，保证引晶长晶工艺所需的旋转运动且无泄漏。磁流体密封件、籽晶转轴水冷套26、称重传感器20、提拉装置均位于真空腔体内部。水冷式籽晶转轴2的上端与提拉装置连接而下端延伸出真空腔体。波纹管1位于真空腔体外部并包围水冷式籽晶转轴延伸出真空腔体的部分；所述冷却螺旋盘管包括安装在真空腔体侧壁上的进液管201、同样安装在真空腔体侧壁上的出液管202以及位于真空腔体内并围绕籽晶转轴水冷套26设置的螺旋盘管，所述螺旋盘管包括流入管203与流出管204。该流入管203的一端与进液管201连通而另一端与籽晶转轴水冷套26连通。流出管204的一端与出液管202连通而另一端与籽晶转轴水冷套26连通。所述进液管201、流入管203、籽晶转轴水冷套26、流出管204、出液管202形成回路。
参见图3、图5、图6，传感器下安装座6固定于真空腔连接法兰22，传感器上安装座8与传感器下安装座6通过传感器安装座铰链组件7、自调节浮动组件30，构成精密转动副。水冷式籽晶转轴2通过上磁流体密封件23、安装座浮动铰链组件28浮动安装于传感器上安装座8，构成灵敏的载荷传递机构，使籽晶转轴下端挂载的晶体重量或相关载荷准确地传递到称重传感器(上下双量程套件)20。
参见图7，籽晶转轴水冷套26的内部分段隔离腔体与上螺旋盘管24、下螺旋盘管25、水冷式籽晶转轴2的内部循环管腔构成完整的循环冷却水系统，其中籽晶转轴水冷套26与上螺旋盘管24、下螺旋盘管25采用真空密封结构连接，上螺旋盘管24、下螺旋盘管25与下真空腔体3也采用真空密封结构连接，保证真空腔室无泄漏无污染。上螺旋盘管24、下螺旋盘管25功能相当于变化了外形的真空波纹管。
以上实施例只为阐述本发明的基本原理和特征，本发明不受上述实施例的限制。

Claims (7)

1.一种晶体称重装置，其特征在于：包括密封的真空腔体、磁流体密封件、水冷式籽晶转轴、籽晶转轴水冷套、波纹管、称重传感器、提拉装置、冷却螺旋盘管；
其中，所述磁流体密封件、籽晶转轴水冷套、称重传感器、提拉装置均位于真空腔体内部；水冷式籽晶转轴的上端与提拉装置连接而下端延伸出真空腔体；波纹管位于真空腔体外部并包围水冷式籽晶转轴延伸出真空腔体的部分；
所述冷却螺旋盘管包括安装在真空腔体侧壁上的进液管、同样安装在真空腔体侧壁上的出液管以及位于真空腔体内并围绕籽晶转轴水冷套设置的螺旋盘管，所述螺旋盘管包括流入管与流出管，该流入管的一端与进液管连通而另一端与籽晶转轴水冷套连通，流出管的一端与出液管连通而另一端与籽晶转轴水冷套连通；所述进液管、流入管、籽晶转轴水冷套、流出管、出液管形成回路。
2.根据权利要求1所述的晶体称重装置，其特征在于：所述真空腔体包括上真空腔体、下真空腔体、连接法兰；所述连接法兰将上真空腔体及下真空腔体连接并密封；所述连接法兰中设有供水冷式籽晶转轴穿过的开口。
3.根据权利要求2所述晶体称重装置，其特征在于：还包括传感器下安装座、传感器上安装座、传感器保护座；称重传感器的顶部固定于传感器保护座、称重传感器的底部固定于传感器下安装座，传感器保护座再固定于传感器上安装座，另外称重传感器带有传感器调节件。
4.根据权利要求3所述晶体称重装置，其特征在于：水冷式籽晶转轴通过上磁流体密封件、安装座浮动铰链组件浮动安装于传感器上安装座。
5.根据权利要求3或4所述晶体称重装置，其特征在于：传感器上安装座与传感器下安装座通过传感器安装座铰链组件、自调节浮动组件构成转动副。
6.根据权利要求1或2或3所述晶体称重装置，其特征在于：提拉装置包括、籽晶转轴驱动电机、减速机、减速机联轴器；减速机联轴器与水冷式籽晶转轴上端通过柔性联轴器与连接；籽晶转轴驱动电机、减速机位于真空腔体外部上方，减速机联轴器连接的转轴下端贯穿真空腔体并向真空腔体内延伸，该贯穿位置设置外磁流体密封件。
7.根据权利要求6所述晶体称重装置，其特征在于：还设有包围并承载所述下真空腔体的称重安装座，称重安装座的外侧连接有连接机架。
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