CN115629634B - 多模复合低压双层超精密温控装置 - Google Patents
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Abstract
多模复合低压双层超精密温控装置属于精密微环境控制技术；在密封良好的一级钢板密封箱外侧安装一级高效保温层，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；在一级钢板密封箱、二级钢板密封箱内侧均安装除湿装置、过滤净化装置及传感器组合，在一级钢板密封箱、二级钢板密封箱外安装抽真空装置；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低压双层超精密温控装置。
背景技术
微纳坐标机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。
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.)。该方案能够实现优于±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。
申请号为202110647110.7的专利文件公开了一种辐射低压环境模拟舱，其采用低压辐射的控温方式：利用恒温空气对舱壁进行控温，然后利用舱壁的热辐射效果对模拟舱内控温，该方式忽略了恒温空气对舱壁控温的同时对舱内的控温作用，而且该方法的对流控温功率要远远高于热辐射控温效果，对于辐射和对流控温功率没有采取有效的解耦措施，实际控温效果还是以热对流为主，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，传统常压环控方式能达到的精度已经不能满足要求；而高精度真空环控方式的环控响应时间又限制了其应用场景。再者，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，结合超精密测量仪器与加工装备对超精密环控设备的要求，提供一种多模复合低压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，装置内部处于低压状态，再结合传导辐射对流复合控温方式达到满足超精密控温需求的目的。
本发明的目的是这样实现的：
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、一级过滤净化装置分别安装在一级钢板密封箱内侧，一级抽真空装置安装在一级钢板密封箱外，所述一级除湿装置、一级过滤净化装置和一级抽真空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，所述辐射对流双模复合控温板由辐射板、对流板、隔热层构成；其中辐射板与对流板间隔布置在平面上，辐射板与对流板之间有隔热层，对流板由对流介质进入管、对流介质流出管、对流风机及对流换热器装配组成；二级除湿装置、二级过滤净化装置分别安装在二级钢板密封箱内侧，二级抽真空装置安装在二级钢板密封箱外，所述二级除湿装置、二级过滤净化装置和二级抽真空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；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、一级抽真空装置、二级抽真空装置、冷却组件的运行。本发明具有以下优点：
(1)本发明采用低压温控，兼顾内部微环境温度的控制精度和效率。本装置内部的一级抽真空装置和二级抽真空装置可将一级钢板密封箱、二级钢板密封箱内压强降到常压以下。低压温控中自然对流的干扰被有效的抑制，较常压状态，控温精度能够显著提高；控温效率比真空温控仍有很大的优势。解决了现有仪器装备难以兼顾内部微环境温度的控制精度和效率的问题。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、冷却组件对二级钢板密封箱内进行多模态控温。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独立调整辐射和对流的功率，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，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低压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低压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低压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低压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低压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、14一级抽真空装置、15二级抽真空装置、16核心发热部件、17冷却组件、17-1温度传感器、17-2循环冷却介质进入管、17-3循环冷却介质流出管。
具体实施方式
下面结合附图1-图5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、一级过滤净化装置7安装在一级钢板密封箱1内侧，一级抽真空装置14安装在一级钢板密封箱1外，所述一级除湿装置5、一级过滤净化装置7和一级抽真空装置14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，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；二级除湿装置6、二级过滤净化装置8安装在二级钢板密封箱2壁板上，二级抽真空装置15安装在二级钢板密封箱2外，所述二级除湿装置6、二级过滤净化装置8和二级抽真空装置15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16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17安装在二级钢板密封箱2箱体内腔内，所述冷却组件17中的循环冷却介质进入管17-2和循环冷却介质流出管17-3分别与核心发热部件16连接，所述冷却组件17中的温度传感器17-1安装在循环冷却介质流出管17-3上；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、一级抽真空装置14、二级抽真空装置15、冷却组件17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。
所述一级高效保温层3、二级高效保温层4采用真空隔热板。
所述隔热层12-3采用真空隔热板。
其中，核心发热部件16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16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。
在低压情况下，密封箱内空气分子的密度降低，热对流的控温效果被显著削弱，相应的热辐射控温的比重增加。较热对流方式，热辐射控温方式能够实现更高的控温精度。因此，低压状态下二级密封箱2内能够实现更高的温控精度。
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、一级抽真空装置14能够保障一级钢板密封箱1内湿度、洁净度和压强的安全稳定，二级除湿装置6、二级过滤净化装置8与二级抽真空装置15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、洁净度及压强的安全稳定；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16高精度控温；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；所述循环冷却介质经循环冷却介质进入管17-2对核心发热部件16进行冷却，由循环冷却介质流出管17-3流出，温度传感器17-1对循环冷却介质流出管17-3的温度进行监测；一级传感器组合9、二级传感器组合10、温度传感器17-1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17-2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、一级抽真空装置14、二级除湿装置6、二级过滤净化装置8与二级抽真空装置15的运行均由总控制器13进行控制。
在装置封闭初期，一级抽真空装置14、二级抽真空装置15维持装置内原有常压不变，循环介质管11、辐射对流双模复合控温板12、循环冷却介质进入管17-2、循环冷却介质流出管17-3将装置内的温度快速控制在目标温度附近；一级抽真空装置14、二级抽真空装置15开始工作，直至降到目标压强并维持不变，期间总控制器13调节装置内环境的稳定。在装置开启前，一级抽真空装置14、二级抽真空装置15逐渐将一级钢板密封箱1、二级钢板密封箱2内气压恢复到常压；期间总控制器13调节装置内环境参数与装置外一致。
Claims (5)
1.一种多模复合低压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)、一级过滤净化装置(7)分别安装在一级钢板密封箱(1)内侧，一级抽真空装置(14)安装在一级钢板密封箱(1)外，所述一级除湿装置(5)、一级过滤净化装置(7)和一级抽真空装置(14)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)，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；二级除湿装置(6)、二级过滤净化装置(8)分别安装在二级钢板密封箱(2)内侧，二级抽真空装置(15)安装在二级钢板密封箱(2)外，所述二级除湿装置(6)、二级过滤净化装置(8)和二级抽真空装置(15)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(16)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(17)安装在二级钢板密封箱(2)箱体内腔内，所述冷却组件(17)中的循环冷却介质进入管(17-2)和循环冷却介质流出管(17-3)均与核心发热部件(16)连接，所述冷却组件(17)中的温度传感器(17-1)安装在循环冷却介质流出管(17-3)上；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)、一级抽真空装置(14)、二级抽真空装置(15)、冷却组件(17)的运行。
2.根据权利要求1所述的多模复合低压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所述的多模复合低压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所述的多模复合低压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)采用真空隔热板。
5.根据权利要求4所述的多模复合低压双层超精密温控装置，其特征在于：所述隔热层(12-3)采用真空隔热板。
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