CN203855681U - 一种热交换法蓝宝石生长炉系统及其电源控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种热交换法蓝宝石生长炉系统及其电源控制系统，该电源控制系统包括：调节器、温度检测器和能够将交流电转换为直流电的直流电源，其中：所述直流电源连接于所述调节器和加热器之间，响应调节器的控制信号设置功率；所述温度检测器与所述调节器相连，用于检测所述加热器的温度，并将检测结果反馈给所述调节器。该电源控制系统通过使用直流电源替换了现有中的可控硅交流电源，不仅提高了电源输出功率的精度，而且消除了供电系统功率因数的波动对晶体生长炉温度的影响，在节约生产成本和使用成本的基础上，大大提高了生成晶体的质量。
Description
技术领域
本申请涉及控制领域，更具体地说，涉及一种热交换法蓝宝石生长炉系统及其电源控制系统。
背景技术
蓝宝石具有一系列优良的光学、力学、热学性质，它广泛应用于珠宝装饰、医疗设备、工业生产以及军事等领域。1969年，F.Schmid和D.Viechnicki发明了一种新的晶体生长方法，称为Schmid-Viechnicki方法，1972年改称为热交换法(Heat Exchanger Method)。
目前，应用热交换法生长蓝宝石是科学研究以及工业生产蓝宝石的主要方法。热交换法生产蓝宝石，在晶体生长阶段，使用恒功率模式，即设定功率不变，通过改变氦气流量，实现晶体的生长，此阶段要求电源传给加热器的有功功率不变。
现有技术中，如图1所示，图1为现有技术中热交换法蓝宝石生长炉的电源控制系统的结构图。三相可控硅交流电源通过三根电缆与加热器相连从而为加热器进行供电，然后由温度检测器检测加热器的温度，并将检测到的温度反馈给调节器，调节器根据接收到的反馈温度对电源功率进行调控。该方法采用工频、可控硅整流直流输出模式，但是电源的功率因数低、转换效率低、电流畸变大，在恒功率设定模式下，温度随电网的波动呈现24小时波动，导致炉内的温度的波动，从而影响晶体生长的质量。为了消除这个波动对晶体生长的影响，企业一般采用在交流电源前级增加UPS(UninterruptiblePower System，不间断电源)的办法，虽然在一定程度上缩减了波动对晶体生长的影响，却大大增加了设备的生产成本和使用成本。
实用新型内容
有鉴于此，本申请提供了一种热交换法蓝宝石生长炉系统及其电源控制系统，可以消除外部电网功率因数的波动对晶体生长炉温度的影响，提高晶体的质量的同时，还可以减少设备的造价和使用成本。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种热交换法蓝宝石生长炉电源控制系统，包括：调节器、温度检测器和能够将交流电转换为直流电的直流电源，其中：
所述直流电源连接于所述调节器和加热器之间，响应调节器的控制信号设置功率；
所述温度检测器与所述调节器相连，用于检测所述加热器温度，并将检测结果反馈给所述调节器。
优选的，所述调节器为PID调节器。
优选的，所述直流电源为IGBT高频直流电源。
优选的，所述交流电为三相380V交流电。
优选的，所述温度检测器为红外温度传感器。
优选的，所述温度检测器为热电偶温度传感器。
一种热交换法蓝宝石生长炉系统，包括：加热器以及上述一种电源控制系统。
优选的，所述加热器为石墨加热器。
优选的，所述加热器通过冷水电缆与所述直流电源相连。
优选的，所述冷水电缆为2根。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种热交换法蓝宝石生长炉系统及其电源控制系统。该电源控制系统通过使用直流电源替换了现有中的可控硅交流电源，不仅提高了电源输出功率的精度，而且消除了供电系统功率因数的波动对晶体生长炉温度的影响，在节约生产成本和使用成本的基础上，大大提高了生成晶体的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中热交换法蓝宝石生长炉的电源控制系统的结构图；
图2为本申请实施例一公开的一种蓝宝石生长炉电源控制系统的结构图；
图3为本申请实施例二公开的一种蓝宝石生长炉系统的结构图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
本实用新型实施例一公开了一种热交换法蓝宝石生长炉的电源控制系统。如图2所示，图2为本申请实施例一公开的一种蓝宝石生长炉电源控制系统的结构图。
该系统包括：调节器201、直流电源202和温度检测器203，其中：
直流电源202连接于调节器201与加热器之间，能够将交流电转换为直流电为加热器进行供电，并能够响应调节器的控制信号设置功率。
此处所述的交流电可以为三相380V交流电，也可以为单相220V交流电或者三相600V交流电，在此不作限制，可以根据具体需要进行选择。
直流电源202具体为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)高频直流电源，或者可以根据需要选择其他直流电源，在此不作限制。
IGBT是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管)的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT高频直流电源的性能明显优越于现有中使用的可控硅三相交流电源，如：功率因数高，谐波分量小，体积小等，而且传统的可控硅三相交流电源控制装置需要增加UPS装置来提高工厂供电的精度，这样额外增加了设备的费用，也增加了电路的损耗。如下表1所示，表1即为本申请所用的IGBT高频直流电源与现有技术中可控硅交流电源的性能对比。
表1IGBT高频直流电源与可控硅交流电源的性能对比
晶闸管整流就是利用可控硅整流元件，把交流电变换成大小可调的直流电。可控硅整流元件是一种大功率半导体器件，它具有同半导体二极管相似的单向导电特性，但它的导通可控制，所以它是具有可控的单向导电特性的整流元件。
温度检测器203与调节器201相连，用于检测加热器的温度，并将检测到的温度反馈给调节器201。
在本申请实施例中，该温度检测器203可以为红外温度传感器，也可以为热电偶温度传感器，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。
其中，红外温度传感器测温属于非接触式温度测量，具有高灵敏度与高信噪比，而且功耗低、反应时间快的优点。
调节器201可以为PID调节器，调节器201用于根据设定的温度、功率对直流电源202的功率进行设定。由于在生产过程中，加热器的温度可能会有小范围的波动，温度检测器203检测到加热器的实时温度并反馈给调节器201，调节器201将原设定的温度减去接收到的反馈温度，再结合设定的功率对直流电源202的功率进行设定。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种热交换法蓝宝石生长炉的电源控制系统。该电源控制系统通过使用直流电源替换了现有中的可控硅交流电源，不仅提高了电源输出功率的精度，而且消除了供电系统功率因数的波动对晶体生长炉温度的影响，在节约生产成本和使用成本的基础上，大大提高了生成晶体的质量。
实施例二
本实用新型实施例二公开了一种热交换法蓝宝石生长炉系统。
该生长炉系统包括如实施例一所给出的任意一种电源控制系统以及加热器。
其中，加热器可以为石墨加热器，也可以为其它可适用的加热器，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。加热器通过水冷电缆与直流电源相连，水冷电缆具体为2根。
如图3所示，图3为本申请实施例二公开的一种蓝宝石生长炉系统结构图。该系统包括：PID调节器301、IGBT高频直流电源302、石墨加热器303以及红外温度传感器304。
其中，IGBT高频直流电源302连接于PID调节器301和石墨加热器303之间，能够将交流电转换为直流电从而给石墨加热器303供电，并能够响应PID调节器301的控制信号设置功率。
此处所述的交流电可以为三相380V交流电，也可以为单相220V交流电或者三相600V交流电，在此不作限制，可以根据具体需要进行选择。
当然，需要说明的是，此处的IGBT高频直流电源也可以替换为其他直流电源，在此不作限制。
IGBT是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管)的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT高频直流电源的性能明显优越于现有中使用的可控硅三相交流电源，如：功率因数高，谐波分量小，体积小等，而且传统的可控硅三相交流电源控制装置需要增加UPS装置来提高工厂供电的精度，这样额外增加了设备的费用，也增加了电路的损耗。
晶闸管整流就是利用可控硅整流元件，把交流电变换成大小可调的直流电。可控硅整流元件是一种大功率半导体器件，它具有同半导体二极管相似的单向导电特性，但它的导通可控制，所以它是具有可控的单向导电特性的整流元件。
IGBT高频直流电源302通过2根冷水电缆与石墨加热器303相连，此处相比于现有技术，节约了一跟冷水电缆，相应的，也就节约了这一根电缆的能耗。
红外温度传感器304与PID调节器301和石墨加热器303相连，用于检测石墨加热器303的实时温度，并将检测结果反馈给PID调节器301。
需要说明的是，此处红外温度传感器可以替换为热电偶温度传感器，在此不作限制，可以根据具体情况进行选择。
PID调节器301用于根据设定的温度、功率对IGBT高频直流电源302的功率进行设定。由于在生产过程中，石墨加热器303的温度可能会有小范围的波动，红外温度传感器304检测到石墨加热器303的实时温度并反馈给PID调节器301，PID调节器301将原设定的温度减去接收到的反馈温度，再结合设定的功率对IGBT高频直流电源302的功率进行设定。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种热交换法蓝宝石生长炉系统。该系统通过使用直流电源替换了现有中的可控硅交流电源，不仅提高了电源输出功率的精度，而且消除了供电系统功率因数的波动对晶体生长炉温度的影响，在节约生产成本和使用成本的基础上，大大提高了生成晶体的质量。进一步的，由于使用高频直流供电，加热器部分的电极由3个变成了2个，不仅免去了使用UPS设备的费用，还因为少使用了一根水冷电缆，使这部分的能耗也随之减少1/3。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种热交换法蓝宝石生长炉的电源控制系统，其特征在于，包括：调节器、温度检测器和能够将交流电转换为直流电的直流电源，其中：
所述直流电源连接于所述调节器和加热器之间，响应调节器的控制信号设置功率；
所述温度检测器与所述调节器相连，用于检测所述加热器的温度，并将检测结果反馈给所述调节器。
2.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述调节器为PID调节器。
3.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述直流电源为IGBT高频直流电源。
4.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述交流电为三相380V交流电。
5.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述温度检测器为红外温度传感器。
6.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于，所述温度检测器为热电偶温度传感器。
7.一种热交换法蓝宝石生长炉系统，其特征在于，包括：加热器以及权利要求1～6任意一项所述的一种电源控制系统。
8.根据权利要求7所述的生长炉系统，其特征在于，所述加热器为石墨加热器。
9.根据权利要求7所述的生长炉系统，其特征在于，所述加热器通过冷水电缆与所述直流电源相连。
10.根据权利要求9所述的生长炉系统，其特征在于，所述冷水电缆为2根。
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Cited By (2)
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| CN105350076A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-24 | 山西晶科光电材料有限公司 | 一种蓝宝石晶体生长温度的监测方法 |
| CN107815727A (zh) * | 2017-11-16 | 2018-03-20 | 浙江晶盛机电股份有限公司 | 一种用于单晶炉的快捷化料机构 |
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