CN115509275A - 多模复合与主动气浴双层超精密温控装置 - Google Patents
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Abstract
多模复合与主动气浴双层超精密温控装置属于精密微环境控制技术领域；在密封良好的一级钢板密封箱外侧安装高效保温层，内侧安装循环介质管；在一级钢板密封箱内部，安装密封良好的二级钢板密封箱，在二级钢板密封箱外侧安装二级高效保温层，内侧安装辐射对流双模复合控温板；在密封箱的内侧，且位于核心发热部件上侧设置有气浴组件，气浴组件对核心发热部件所在区域进行气浴；在一级钢板密封箱、二级钢板密封箱内侧均安装有除湿装置、过滤净化装置及传感器组合，在二级钢板密封箱内安装冷却组件；传感器组合将实时监测到的环境参数送到总控制器，总控制器以传导辐射对流复合方式调控一级钢板密封箱和二级钢板密封箱内部的温度，本装置解决了现有技术难以兼顾微环境温度的控制精度和效率的问题。
Description
技术领域
本发明属于精密微环境控制技术领域，具体涉及一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置。
背景技术
随着超精密加工与测量水平的不断提高，环境参数如温度、湿度、压强和洁净度等的扰动成为制约超精密加工装备与测量仪器精度和性能提高的关键因素。扫描隧道显微镜等超精密仪器、光刻机等超精密制造装备，技术密集度与复杂度极高，各项关键指标均达到了现有技术能力的极限，代表了目前测量与加工制造的最高水平。扫描隧道显微镜的测量精度达到了纳米量级，步进扫描光刻机的定位精度与套刻精度均达到纳米量级，如此高的定位精度和运动精度都来自于其内部的激光干涉计量框架。仪器装备的运行过程中，温度、湿度、压强和洁净度等环境参数会发生波动，如果得不到控制，激光干涉计量框架的准确性会显著降低，甚至会导致计量框架失灵。这对环境参数控制技术提出了新的挑战。
现有技术中，申请号为201810171584.7的专利文件公开了一种常压热辐射的控温方式：粗控温夹筒对精密内控温筒热辐射耦合控温，精密内控温筒以热辐射的方式控制其内部温度。但是该方案中自然对流的控温作用要远大于热辐射控温效果，而且无法避免控温过程中热对流作用的干扰，热辐射控温精度高的特点没有得到发挥。
再有，传统温度的控制方式只考虑占主导地位的传热方式。在对循环水进行温度控制时，只考虑热传导的作用(赵艺文.基于自抗扰控制的浸液高精度温度控制技术研究.华中科技大学,2107.)；对气浴气体进行温度控制时只考虑到热对流作用(赵强君.光刻机内部气体温度控制模型及算法研究.华中科技大学,2107.)。这种单一的控温方式越来越难以满足工业生产等场合需求，被忽略的传热方式成为制约控温精度重要因素。NIST研制的分子测量机采用的真空辐射控温方案抑制了空气的自然对流，电阻加热线包覆的铜制外壳包裹着测量核心，外壳和测量核心的表面均镀有哑光金以保持两者之间辐射耦合的稳定性，(1.Kramar J,Jun J,Penzes W,et al.THE MOLECULAR MEASURING MACHINE.2008；2.USDepartment of Commerce,NIST.Nanometer Resolution Metrology with the NISTMolecular Measuring Machine.Measurement Science&Technology.)。该方案通过热惯性和可调热载荷的方式，实现优于±0.001℃量级的温控精度，但这种方案的响应时间长达数天甚至数个月，难以满足超精密加工制造对效率的要求。
另外，申请号202110647092.2的专利文件公开了一种交叉辐射对流的高精度控温装置，该装置采用的是交叉辐射对流的控温方式，来自冷水机组的液体通过第一精调加热装置和第二精调加热装置后送到分水器，分水器将液体均匀送到交叉辐射对流装置。通过水泵变频调节交叉辐射对流装置流量大小，自动适应测量平台上热源变化，提高热交换效率，通过精调加热装置精准控制集水器温度，达到测量平台温度可控可调的目的。但是该方案没有给出足够的辐射对流控温细节，根据发明内容的描述，该装置对流与辐射功率不可能完全解耦，无法发挥热辐射高精度控温和热对流快速控温的优势。
综上所述，面对超精密仪器设备和大型超精密制造装备对微环境参数控制越来越高的要求，传统的单一温度控制方式精度低、调整时间较长；复合控温方式没有对各控温功率进行解耦，无法发挥复合控温方式温控精度和效率的优势。上述技术都不能满足超精密加工装备与测量仪器精度和效率的要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，结合超精密仪器设备和大型超精密制造装备对超精密环控设备的要求，提供一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置。装置采用双层结构衰减装置外的温度干扰，再结合传导辐射对流复合与主动气浴控温控温方式达到满足超精密控温需求的目的。
本发明的技术解决方案是：
在一级钢板密封箱内部安装二级钢板密封箱，所述二级钢板密封箱与一级钢板密封箱之间留有间距；一级高效保温层固装在一级钢板密封箱的侧壁外面上，将一级钢板密封箱整体覆盖包容，在所述一级钢板密封箱侧壁内面上固装循环介质管，一级除湿装置和一级过滤净化装置分别安装在一级钢板密封箱内侧，所述一级除湿装置和一级过滤净化装置分别将一级钢板密封箱箱体内部与箱体外部连通，一级传感器组合安装在一级钢板密封箱箱体内腔内；在所述二级钢板密封箱的侧壁外面上整体覆盖包容的固装二级高效保温层，在所述二级钢板密封箱侧壁内面上安装辐射对流双模复合控温板，二级除湿装置和二级过滤净化装置分别安装在二级钢板密封箱内侧，所述二级除湿装置和二级过滤净化装置分别将二级钢板密封箱箱体内部与一级钢板密封箱腔体连通，核心发热部件位于二级钢板密封箱箱体腔内，二级传感器组合、冷却组件安装在二级钢板密封箱箱体内腔内，所述冷却组件中的循环冷却介质进入管和循环冷却介质流出管均与核心发热部件连接，所述冷却组件中的温度传感器安装在循环冷却介质流出管上；气浴板位于核心发热部件的正上方，安装在二级钢板密封箱箱体腔内；总控制器分别控制一级除湿装置、二级除湿装置、一级过滤净化装置、二级过滤净化装置、一级传感器组合、二级传感器组合、循环介质管、辐射对流双模复合控温板、冷却组件、气浴板的运行。
本发明提供的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，具有以下优点：
(1)本发明采用了多种传热方式复合的温控方法，提高温控精度和效率。本装置的一级钢板密封箱安装循环介质管对一级钢板密封箱内进行控温、二级钢板密封箱安装有辐射对流双模复合控温板循环冷却介质进入管对二级钢板密封箱进行多模态控温。本装置冷却组件对核心发热部件进行快速冷却、高精度控温，辐射对流双模复合控温板可以调整辐射和对流的功率，同时，装置内的气浴板对核心发热部件进行气浴，辐射对流双模复合控温板中的辐射板配合调整核心发热部件的温度，实现良好的控温效果。解决了现有仪器装备单一控温方式难以兼顾控温温控精度和效率的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)本发明采取了合理的隔离措施，减小外层环控区域对内层环控区域微环境的干扰。本装置安装有高效保温层，能够避免密封箱外的温度干扰对密封箱内的影响。在密封箱内，气浴组件工作区域外的气压略低于工作区域内气压，区域内外形成微正压结构。区域内气浴气体的温控精度要高于区域外的空气，区域内复合控温方式能取得更高的控温精度有效阻隔气浴区域外的温度干扰，保证高精度核心发热部件所在区域的控温精度。解决了现有仪器装备低精度环控区域对高精度环控区域干扰的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
(3)本发明采取了合理的解耦温控功率的措施，保证复合控温方式的温控精度和效率。本装置二级钢板密封箱内气浴组件的对流功率由气浴组件控制、冷却组件的传导冷却功率由冷却组件控制、辐射对流双模复合控温板上辐射功率由辐射板控制、对流功率由对流板控制，气浴组件、冷却组件、辐射板与对流板的温度控制互相独立。冷却组件的传导冷却效果主要依赖循环冷却介质，其与双模复合控温机构之间不会形成温度的串扰。而辐射板与对流组件两者之间有隔热层将辐射板与对流板隔离，能够解决复合控温功率耦合问题，将不同的控温方式优势互补，解决了现有仪器装备复合控温方式中不同控温方式控温功率难以解耦、相互干扰，造成复合控温方式的温控精度和效率难以得到有效发挥的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置的总体结构示意图；
图2为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置的循环介质管结构示意图；
图3为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置中突出辐射对流双模复合控温机构的示意图；
图4为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置中突出辐射对流双模复合控温机构中突出对流组件的正视图；
图5为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置中突出辐射对流双模复合控温机构中突出对流组件的侧视图；
图6为本发明的一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置中突出气浴板机构的示意图。
图中件号说明：1一级钢板密封箱、2二级钢板密封箱、3一级高效保温层、4二级高效保温层、5一级除湿装置、6二级除湿装置、7一级过滤净化装置、8二级过滤净化装置、9一级传感器组合、10二级传感器组合、11循环介质管、11-1循环介质流入管、11-2循环介质流出管、12辐射对流双模复合控温板、12-1辐射板、12-2对流板、12-3隔热层、12-4对流介质进入管、12-5对流介质流出管、12-6对流风机、12-7对流换热器、13总控制器、14核心发热部件、15冷却组件、15-1温度传感器、15-2循环冷却介质进入管、15-3循环冷却介质流出管、16气浴板、16-1气浴进风口、16-2气浴孔板。
具体实施方式
下面结合图图1-图6给出本发明的具体实施例。
在一级钢板密封箱1内部安装二级钢板密封箱2，所述二级钢板密封箱2与一级钢板密封箱1之间留有间距；一级高效保温层3固装在一级钢板密封箱1的侧壁外面上，将一级钢板密封箱1整体覆盖包容，在所述一级钢板密封箱1侧壁内面上固装循环介质管11，一级除湿装置5和一级过滤净化装置7分别安装在一级钢板密封箱1内侧，所述一级除湿装置5和一级过滤净化装置7分别将一级钢板密封箱1箱体内部与箱体外部连通，一级传感器组合9安装在一级钢板密封箱1箱体内腔内；在所述二级钢板密封箱2的侧壁外面上整体覆盖包容的固装二级高效保温层4，在所述二级钢板密封箱2侧壁内面上安装辐射对流双模复合控温板12，二级除湿装置6和二级过滤净化装置8分别安装在二级钢板密封箱2内侧，所述二级除湿装置6和二级过滤净化装置8分别将二级钢板密封箱2箱体内部与一级钢板密封箱1腔体连通，核心发热部件14位于二级钢板密封箱2箱体腔内，二级传感器组合10、冷却组件15安装在二级钢板密封箱2箱体内腔内，所述冷却组件15中的循环冷却介质进入管15-2和循环冷却介质流出管15-3均与核心发热部件14连接，所述冷却组件15中的温度传感器15-1安装在循环冷却介质流出管15-3上；气浴板16位于核心发热部件14的正上方，安装在二级钢板密封箱2箱体腔内；总控制器13分别控制一级除湿装置5、二级除湿装置6、一级过滤净化装置7、二级过滤净化装置8、一级传感器组合9、二级传感器组合10、循环介质管11、辐射对流双模复合控温板12、冷却组件15、气浴板16的运行。
所述一级传感器组合9、二级传感器组合10均包含温度传感器、湿度传感器、压强传感器和环境洁净度传感器。
所述循环介质管11由循环介质流入管11-1与循环介质流出管11-2连接构成。
所述辐射对流双模复合控温板12由辐射板12-1、对流板12-2、隔热层12-3构成；其中辐射板12-1与对流板12-2间隔布置在平面上，辐射板12-1与对流板12-2之间有隔热层12-3，对流板12-2由对流介质进入管12-4、对流介质流出管12-5、对流风机12-6及对流换热器12-7装配组成。
所述一级高效保温层3、二级高效保温层4优选地采用真空隔热板。
所述隔热层12-3优选地采用真空隔热板。
其中，核心发热部件14为二级密封箱2内超精密测量、加工制造装备中对环境参数要求高的或者发热严重影响仪器设备工作的区域或部件，本方案可以对核心发热部件14实现稳定控温。
在超精密环境控制中温度、湿度与压强三者相互耦合在一起的，湿度、压强的波动直接影响温度的稳定性。洁净度是压强的重要影响因素，空气中悬浮颗粒的数量直接影响所能达到的压强。
装置工作时，一级钢板密封箱1、二级钢板密封箱2完全密封构成封闭的环境，一级高效保温层3能够衰减装置外温度波动对一级钢板密封箱1内部的影响，防止装置外的温度波动耦合到一级钢板密封箱1和二级钢板密封箱2内微环境中；二级高效保温层4能够衰减一级钢板密封箱1温度波动对二级钢板密封箱2内部的影响，防止一级钢板密封箱1内的温度波动耦合到二级钢板密封箱2内微环境中；一级除湿装置5、一级过滤净化装置7能够保障一级钢板密封箱1内湿度、洁净度的安全稳定，二级除湿装置6与二级过滤净化装置8能够保障二级钢板密封箱2内超精密测量、加工制造装备的湿度、洁净度的安全稳定；具有良好控温精度的温度、流速可调的循环冷却介质对循环介质管11、辐射对流双模复合控温板12、核心发热部件14高精度控温，具有良好控温精度的温度可变的恒温气浴介质供给气浴板16，所述循环介质管11内循环冷却介质由循环介质流入管11-1进入，经循环介质流出管11-2流出，参与到一级钢板密封箱1的温度控制中；辐射对流双模复合控温板12的辐射板12-1采用电控温的方式控制自身温度，以热辐射的形式参与到二级钢板密封箱2内微环境的控制中，对流板12-2的对流换热器12-7的温度采用循环冷却介质控温方式，具有良好控温精度的温度、流速可调的循环冷却介质由对流介质进入管12-4进入对流换热器12-7，经对流介质流出管12-5流出；对流风机12-6运行后，空气在对流换热器12-7处进行控温，以对流的方式参与二级钢板密封箱2内微环境的控制中，隔热层12-3隔离辐射板12-1、对流板12-2间的热量串扰；恒温气浴介质由气浴进风口16-1进入气浴板16，由密布孔洞的气浴孔板16-2均匀的对气浴区域进行喷洒控温，可以理解的是，二级密封箱2有相应的回风装置能够使装置正常运行；所述循环冷却介质经循环冷却介质进入管15-2对核心发热部件14进行冷却，由循环冷却介质流出管15-3流出，温度传感器15-1对循环冷却介质流出管15-3的温度进行监测；传一级传感器组合9、二级传感器组合10、温度传感器15-1将监测的环境参数和循环冷却的温度送到总控制器13处；进入气浴进风口16-1的恒温气浴介质、循环介质流入管11-1、对流介质进入管12-4、循环冷却介质进入管15-2的循环介质温度、辐射板12-1的温度、对流风机12-6的转速、一级除湿装置5、一级过滤净化装置7、二级除湿装置6与二级过滤净化装置8的运行均由总控制器13进行控制。
Claims (6)
1.一种多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：在一级钢板密封箱(1)内部安装二级钢板密封箱(2)，所述二级钢板密封箱(2)与一级钢板密封箱(1)之间留有间距；一级高效保温层(3)固装在一级钢板密封箱(1)的侧壁外面上，将一级钢板密封箱(1)整体覆盖包容，在所述一级钢板密封箱(1)侧壁内面上固装循环介质管(11)，一级除湿装置(5)和一级过滤净化装置(7)分别安装在一级钢板密封箱(1)内侧，所述一级除湿装置(5)和一级过滤净化装置(7)分别将一级钢板密封箱(1)箱体内部与箱体外部连通，一级传感器组合(9)安装在一级钢板密封箱(1)箱体内腔内；在所述二级钢板密封箱(2)的侧壁外面上整体覆盖包容的固装二级高效保温层(4)，在所述二级钢板密封箱(2)侧壁内面上安装辐射对流双模复合控温板(12)，二级除湿装置(6)和二级过滤净化装置(8)分别安装在二级钢板密封箱(2)内侧，所述二级除湿装置(6)和二级过滤净化装置(8)分别将二级钢板密封箱(2)箱体内部与一级钢板密封箱(1)腔体连通，核心发热部件(14)位于二级钢板密封箱(2)箱体腔内，二级传感器组合(10)、冷却组件(15)安装在二级钢板密封箱(2)箱体内腔内，所述冷却组件(15)中的循环冷却介质进入管(15-2)和循环冷却介质流出管(15-3)均与核心发热部件(14)连接，所述冷却组件(15)中的温度传感器(15-1)安装在循环冷却介质流出管(15-3)上；气浴板(16)位于核心发热部件(14)的正上方，安装在二级钢板密封箱(2)箱体腔内；总控制器(13)分别控制一级除湿装置(5)、二级除湿装置(6)、一级过滤净化装置(7)、二级过滤净化装置(8)、一级传感器组合(9)、二级传感器组合(10)、循环介质管(11)、辐射对流双模复合控温板(12)、冷却组件(15)、气浴板(16)的运行。
2.根据权利要求1所述的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：所述一级传感器组合(9)、二级传感器组合(10)均包含温度传感器、湿度传感器、压强传感器和环境洁净度传感器。
3.根据权利要求1所述的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：所述循环介质管(11)由循环介质流入管(11-1)与循环介质流出管(11-2)连接构成。
4.根据权利要求1所述的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：所述辐射对流双模复合控温板(12)由辐射板(12-1)、对流板(12-2)、隔热层(12-3)构成；其中辐射板(12-1)与对流板(12-2)间隔布置在平面上，辐射板(12-1)与对流板(12-2)之间有隔热层(12-3)，对流板(12-2)由对流介质进入管(12-4)、对流介质流出管(12-5)、对流风机(12-6)及对流换热器(12-7)装配组成。
5.根据权利要求1所述的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：所述一级高效保温层(3)、二级高效保温层(4)优选地采用真空隔热板。
6.根据权利要求4所述的多模复合与主动气浴双层超精密温控装置，其特征在于：所述隔热层(12-3)优选地采用真空隔热板。
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-
2022
- 2022-10-07 CN CN202211220596.7A patent/CN115509275B/zh active Active
Patent Citations (7)
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