Устройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллизатора

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧИХ ЗОН КРИСТАЛЛИЗАТОРА , содержащее первый со- . суд, заполненйый первым веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически связанный с кристаллизатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, надежности и расширения области применения, устройство снабжено вторым сосудом, заполненным вторым веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, расположенным под кристаллизатором и термически связанным с рабочей зоной выравнивания кристалла, а первый со суд расположен над кристаллизатором и термически связан с рабочей зоной насыщения раствора, термическая связь осуществлена тепловыми труба-х ми, выполненными в виде змеевиковых замкнутых трубопроводов, заполненных жидкой.и паровой фазой теплоносителя и снабженных механизмом для изменения величины теплового потока тепловых труб, причем t, t. хаеь раб. зон 7 ееш, где tp(, - температура рабочих зон кристаллизатора; -температура фазового Zeeu, перехода 1-го рода второго вещества} -температура фазового Ч вец перехода 1-го рода первого вещества. 2. Устройство по п. 1, отли (Л чаю щ е е с я тем, что механизм для изменения величины теплового потока тепловых труб выполнен в виде двух коллекторов, связанных с раз§ мещенными между ними вертикальными трубками, частично размещенными в полости сосуда, с возможностью их перемещения в вертикальной плоскости , причем первый коллектор, расположенный в сосуде, сообщен с трубопроводом тепловой трубы с нисходящим потоком теплоносителя, а второй кол00 лектор - с трубопроводом тепловой трубы с восходящим потоком теплоносо сителя . сх

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (195 (И) Mg 0 05 В 23 ЗО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTCPCNCBIV CBIBBTBCBCTBV (21) 3431002/18-24 (22) 26.04.82 (46) 15.10.84. Бюл. 9 38 (72) tO.Á.Áîãoìoëoâ и В.П.Казаков (71)Специальное конструкторско-технологическое бюро монокристаллов СО

АН СССР (53) 621.555.5 (088.8) (56) 1. Патент СНА Р 3577765, кл. 204-195, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

9 767730, кл. G 05 D 23/30,1978 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧИХ 30Н КРИСТАЛЛИЗАТОРА, содержащее первый со-. суд, заполненный первым веществом при температуре фазового перехода

1-ro рода, термически связанный с кристаллизатором, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, надежности и расширения области применения, устройство снабжено вторым сосудом, .заполненным вторым веществом при температуре фазового перехода 1-ro рода, расположенным под кристаллизатором и термически связанным с рабочей зоной выращивания кристалла, а первый со". суд расположен над кристаллизатором и термически связан с рабочей зоной, насыщения раствора, термическая

1 связь осуществлена тепловыми труба-.. ми, выполненными в виде змеевиковых замкнутых трубопроводов, заполненных жидкой .и паровой фазой теплоносителя и снабженных механизмом для изменения величины теплового потока тепловых труб, причем

X 66ы, аб. ЪОн 2 ееи, где P 6 „ — температура рабочих эон кристаллизатора;

- температура фазового перехода 1-ro рода второго вещества; — температура фазового перехода 1-го рода первого вещества. Q

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что механизм для изменения величины теплового потока тепловых труб выполнен в виде двух коллекторов, связанных с размещенными между ними вертикальными трубками, частично размещенными в полости сосуда, с возможностью их перемещения s вертикальной плоскости, причем первый коллектор, располо женный в сосуде, сообщен с трубопроводом тепловой трубы с нисходящим потоком теплоносителя, а второй кол лектор — с трубопроводом тепловой трубы с восходящим потоком теплоносителя.

1118978

60

Цель изобретения — повышение точности и надежности устройства регулирования температуры, а также расширение области его применения.

Изобретение относится к прецизионному регулированию температуры (конкретно — к устройствам регулирования температуры в системах термостатирования и стационарных установках для выращивания монокристаллов) и может бытЬ"использовано при проведении научных исследований в электротехнической, электронной, теплоэнергетической, фармацевтической и других областях промышленности.

Известно устройство териорегулнрования с помощью теплообменников, в котором по системе трубопроводов циркулирует теплоноситель. Териорегуляцию осуществляют изменением ко- 15 личества.и температуры теплоносителя, проходящего по теплообменнику (1) .

В известном устройстве точность терморегулирования зависит от надежности и быстродействия датчиков температуры и исполнительных механизмов (клапанов и вентилей ), от необходимости применения импульсного режима регулирования. Однако надежность. регулирования температуры в процессе долговременной работы (цикл выращивания некоторых ионокристаллов составляет 1-2 года) недостаточна.

Наиболее близким к предлагаемому является териостат, содержащий сосуд, заполненный веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически. связанный с рабочим объемом. В данном термостате вещест- 35 во -при температуре фазового перехода меняет свою электропроводность, что приводит к изменению мощности электрического тока, используемого для нагрева рабочего объема(2! 40

Недостатками данного термостата являются: недостаточно высокая точность задания температуры, ограниченная наборбм электролитов, имею-. щих определенную температуру Фазового перехода; не полностью использонаны потенциальные воэможности явлениями стабильной точнОсти температур фазового перехода 1-го рода вещестн — точность термостатирования 0,.01ОС- невозможность изменения температуры териостатирования в процессе работЫ в связи с необходимостью замены рабочего вещества, ве ществом с другой температурой фазового перехода невозможность регу- лирования температуры в широких пределах, невозможность плавного изменения температуры по заданной программе, что является необходимым условием для роста монокристаллон.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры рабочих эон кристаллиэатора, содержащее первый сосуд, заполненный первым веществом при температуре фазового перехода 1-ro рода, термически снязанный с кристаллизатором, снабжено вторым сосудои, заполненныи вторым веществом при температуре фазового перехода

1-го рода, расположенным под кристаллизатором и термически связанным с рабочей .зоной выращивания кристал; ла, а первый сосуд расположен над кристаллиэатором и термически связан с рабочей зоной насыщения раствора, термическая связь осуществлена тепловыми трубами, выполненными в виде эмеевиковых замкнутых трубопроводов, заполненных жидкой и пароной фазой теплоносителя и Снабженных механизмом для изменения величины теплового потока тепловых труб, причем

1вещ @в зои 2вец 1

41 а где . . 0 температура рабочих зон кристаллизатора; температура фазоного перехода 1-го рода первого вещества; 2вее,- температура фазового перехода 1-го рода второго вещества.

Механизм для изменения величины теплового потока тепловых труб выполнен в виде двух коллекторов, связанных с размещенными межДу ними вертикальными трубками, частично размещенными в полости сосуда, с возможностью их перемещения s вертикальной плоскости,.причем первый коллектор, расположенный в сосуде, сообщен с трубопроводом тепловой трубы с нисходящим потоком теплоносителя, а второй коллектор — с трубопроводом тепловой трубы с восходящим потоком теплоносителя.

Выполнение тепловой трубы в виде замкнутой эмеевиковой системы трубопроводов с зонами испарения и конденсации, в которой эона испарения заполнена жидким теплоносителем, а теплообмен происходит как эа счет фазовых переходов теплоносителя, так и за счет циркуляции его жидкой фазы. по змеевикам, наиболее полно удовлетворяет условияи теплообмена в кристаллиэаторе и обеспечивает высокую точность стабилизации температуры сколь угодно длительное время.

На фиг.1 схематично изображено устройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллиэатора, общий вид; на фиг.2 представлен вариант выполнения механизма изменения величины теплового потока тепловых труб (узел I на фиг.1).

1118978

Устройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллизатосодержит рабочий объем кристаллиэатора 1, включакщий рабочие зоны 2 (зону выращивания монокристалла 3) и 4 (эона насыщения раствора). Рабочие зоны 2 и 4 образованы теплоизоляционной перегородкой 5, которая способствует созданию разности температур между зонами и обеспечивает температурную конвекцию раствора, заполняющего рабочий объем кристал лиэатора.

В рабочей зоне 2 создается строго определенная температура источниками тепла 6., вынесенными из рабочей 15 зоны 2. В зоне 4 поддерживается более низкая температура, где соли 7 растворяются и, по мере расходования, догружаются через загрузочное отверстие 8.

Разность температур в рабочих зонах достигается за счет первого 9 сосуда, заполненного первым 10 веществом при температуре фазового перехода 1-ro рода, и второго 11 сосуда, заполненого вторым 12 веществом при температуре фазового перехода

1-ro рода, термически жестко связанных с рабочими зонами 2 и 4.

Термическая связь между рабочими зонами 2 и 4 кристаллизатора и сосу- 30 дами 9 «и 11 осуществлена с помощью тепловых труб 13 и 14., выполненных в виде эмеевиковых замкнутых трубопроводом, заполненных жидкой и паровой фазой теплоносителей, темпера- 35 тура кипения которых не превышает температуру зоны 4 насыщения раствора.

Изменение площади поверхности теплообмена обесйечивается механиэ- 4 мами 15 и 16, которые изменяют величину теплового потока в тепловых трубах (фиг.2).

Каждый механизм включает ряд вертикальных трубок 17, частично погруженных в вещество сосудов 10 или 12.

Трубки 17 сообщены с коллекторами 18 и 19, которые сообщены трубопроводами тепловнх труб с восходящими и нисходящими потоками теплоносителя.

Трубки 17 выполнены с воэможностью вертикального перемещения относительно уровня поверхности вещества и коллекторов 18 и 19. Перемещаться могут как отдельные трубки, так и несколько или.все вместе, от меха- 55 низма 20, работающего от ручного или автоматического привода по заданной программе.

В качестве теплоносителей тепловых труб могут быть испол зованы би- 60 яарные аэеотоопные смеси (например, ацетон-вода) для увеличения энтальпии теплоносителя. Кроме того, они дают достаточно большой выбор по температурам кипения. 65

Устройство работает следующим. образом;

При подводе тепла к первому нижнему сосуду 9 от источника тепла.6 вещество 10, заполняющее сосуд 9, находится в состоянии фазового перехода при стабильной температуре.

В испарителе тепловой трубы 13, размещенном в веществе 10, образующиеся пузырьки пара теплоносителя вытесняют его жидкую фазу в конденсатор, находящийся в рабочей зоне 2 кристаллизатора, где происходит выращивание монокристалла 3 и нагрев раствора, заполняющего рабочий объем кристаллизатора 1.

Теплоноситель тепловой трубы 13 в конденсаторе охлаждается и по нисходящей ветви поступает в испаритель, где вновь нагрейается и цикл ,повторяется. Нагретые слои раствора

te кристаллиэаторе вновь поднимаются вверх и через отверстия в теплоизоляционной перегородке 5 поступают в более холодную рабочую зону 4, где происходит их охлаждение за счет испарителя другой тепловой трубы 14.

Теплоноситель тепловой трубы 14, подогревшись от раствора, вытесняется в конденсатор, расположенный во втором (верхнем) сосуде 11, запол:ненном веществом .12, имеющим температуру фазового перехода ниже температуры фазового перехода вещества 10 в сосуде 9.

Теплоноситель тепловой трубы 14 в конденсаторе охлаждается и по нисходящей ветви вновь поступает в испаритель в рабочей. зоне 4, где нагревается и, таким образом, цикл повторяется. Охлажденные слои раствора, .как более плотные,.опускаются вниз, растворяя кристаллы соли 7 и насыщая тем самым раствор. По мере растворения соли 7 ее догружают через загрузочные отверстия 8. Конвектируемый раствор после насыщения вновь прогревается в рабочей зоне 2 конденсатором тепловой трубы 13.и, достигнув степени насыщения, достаточной для выбранного режима работы, отдает часть соли для роста монокристалла 3. Таким образом, цикл повторяется.

Настройка устройства на определенную температуру рабочих зон 2 и 4 осуществляется изменением площади поверхности теплообмена тепловых труб 13 и 14. Грубая настройка производится подбором количества витков спирали теплообменника. Точная настройка — при помощи механизмов 15 и 16 путем опускания или подъема трубопроводов, в которых циркулирует теплоноситель, относительно уровня вещества в вспомогательных объемах.

После настройки система работает, в автономном и автоматическом режи-.

1118978

Фиа. /

ВНКИПИ Заказ7451/34. rhpam 841 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная, 4 мах. Погрешность в стабилизации температур рабочих зон зависит от колебания температуры фазового перехода вещества, которая при использовании фазового перехода "твердое теложидкость" пренебрежимо мала.

Предлагаемое устройство может быть применено для регулирования температуры рабочих зон кристаллизатора, а также в термостатах с одной или двумя ступенями регулирования. По сравнению с известными устройствами терморегулирования обеспечивается простота изготовления всего устройства, не требующего прецизионного уровня изготовления узлов и деталей высокая точность териостатирования и терморегулирования (+ 0,001С C) во всем диапазоне температур, в котором работают тепловые трубы (4-30004К); простота эксплуатации, не требующая персонала высокой квалификации, сложного измерительного и контрольного оборудования; долговременная надежность системы. обеспечивающая цикл выращивания монокристаллов 1-2 года, обусловленная стабильностью температур фазового перехода 1-го рода ве10 ществ, автономностью и автоматичностью работы тепловых труб, осуществляющих теплообмен между кристаллизатором и вспомогательными сосудами равномерность " .теплового 5 потока в. рабочей зоне кристаллиза" тора с поверхности теплообменника благодаря высокой иэотермичности поверхности тепловой трубы.