Устройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллизатора

(19 (111 З(Я 1 0 05 В 23 30 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИЗОБРЕТ ПИСАНИЕд втОРСНОЬЮ СВИДВТЙЛЬС/ В влена тепловыми т цми в виде змееви бопроводов, запол паровой фазой теп женнцх механизмом ичины теплового п руб, причем связь осущес ми, выполнен замкнутых тр ных жидкой .и сителя и сна изменения ве ка тепловых убаовыхенонодлято 8П К заковско-техаллов С ук Кр 777 5,во СССР1978 (про(54)(57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРО ВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧИХ ЗОН КРИСТАЛЛИЗАТОРА, содержащее первый со-. суд, эаполненнь 1 й первым веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически связанный с кристаллиэатором, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повьые ния точности, надежности и расширения области применения, устройство снабжено вторым сосудом, .заполненным вторым веществом при температур фазового перехода 1-го рода, расположенным под кристаллизатором и тер мически связанным с рабочей зоной выращивания кристалла, а первый со". суд расположен над кристаллизатором и термически связан с рабочей зоной , насыщения раствора, термическая1(71)Специальное констнологическое бюро монА- температура фазовогоперехода 1-го родавторого вещества- температура фазовогоперехода 1-го родапервого вещества.2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что механизм для изменения величины теплового по тока тепловых труб выполнен в виде двух коллекторов, связанных с размещенными между ними вертикальными трубками, частично размещенными в полости сосуда, с возможностью их перемещения в вертикальной плоскости, причем первый коллектор, распол женнцй в сосуде, сообщен с трубопро водом тепловой трубы с нисходящим потоком теплоносителя, а второй кол лектор - с трубопроводом тепловой трубы с восходящим потоком теплоносителя.10 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 длявыращивания монокристаллов) и может бытЬ"использовано при проведении научных исследований в электротехнической, электронной, теплоэнергетической, Фармацевтической и других областях промышленности.Известно устройство терморегулнрования с помощью теплообменников, в котором по системе трубопроводов циркулирует теплоноситель. Терморегуляцию осуществляют изменением ко личества,и температуры теплоносителя, проходящего по теплообменнику Ц .В известном устройстве точность терморегулирования зависит от надежности и быстродействия датчиков температуры и исполнительных механизмов 1,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 термостат, содержащий сосуд, заполненный веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически, связанный с рабочим объемом, В данном термостате вещест во при температуре Фазового перехода меняет свою электропроводность, чтоприводит к изменению мощности электрического тока, используемого для нагрева рабочего объема 21 40Недостатками данного термостата являются: недостаточно высокая точность задания температуры, ограниченная наборбм электролитов, имею-. щих определенную температуру Фазового перехода; не полностью использованы потенциальные воэможности явления( стабильной точности температур Фазового перехода 1-го рода веществ - точность термостатирования 0,.01 оС; невозможность изменения температуры термостатирования в процессе работЫ в связи с необходимостью замены рабочего вещества, ве ществои 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 монокристаллов. Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования теипературы рабочих эон кристаллиэатора, содержащее первый сосуд, заполненный первыи веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически связанный с кристаллизатором, снабжено вторым сосудои, заполненныи вторым веществом при температуре Фазового перехода1-го рода, расположенным под кристаллизатором и термически связанным с рабочей .зоной выращивания кристал; ла, а первый сосуд расположен надкристаллиэатором и термически связан с рабочей зоной насыщения раствора, термическая связь осуществлена тепловыми трубами, выполненными в виде эмеевиковых замкнутых трубопроводов, заполненных жидкой и паровой Фазой теплоносителя и Снабженных механизмом для изменения величины теплового потока тепловых труб,причем1 вещ равзои вец ) 41 с где 1 ров. зои - температура рабочихзон кристаллизатора;ве - температура фазовогоперехода 1-го родапервого вещества;2 вец - температура Фазовогоперехода 1-го родавторого вещества.Механизм для изменения величинытеплового потока тепловых труб выполнен в виде двух коллекторов, связанных с размещенными между нимивертикальными трубками, частично размещенными в полости сосуда, с возможностью их перемещения в вертикальной плоскости,.причем первый коллектор, расположенный в сосуде, сообщенс трубопроводом тепловой трубы снисходящим потоком теплоносителя, авторой коллектор - с трубопроводомтепловой трубы с восходящим потокомтеплоносителя,Выполнение тепловой трубы в видезамкнутой 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 иза счет циркуляции его жидкой фазы.по змеевикам, наиболее полно удовлетворяет условиям теплообмена в кристаллиэаторе и обеспечивает высокуюточность стабилизации температурысколь угодно длительное время,На фиг.1 схематично изображеноустройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллиэатора,общий вид; на Фиг.2 представлен вариант выполнения механизма изменения величины теплового потока тепловых труб (узел 1 на Фиг.1).Устройство для регулирования температуры рабочих зон кристаллизатора содержит 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, котораяспособствует созданию разности температур между зовами и обеспечиваеттемпературную конвекцию раствора, 0заполняющего рабочий объем кристаллиэатора.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 загрузочноеотверстие 8.Разность температур в рабочих зонах достигается за счет первого 9 сосуда, заполненного первым 10 веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, и второго 11 сосуда, заполненого вторым 12 веществом при температуре фазового перехода 1-го рода, термически жестко связанных с рабочими зонами 2 и 4.Термическая связь между рабочими зонами 2 и 4 кристаллизатора и сосу 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 тура кипения которых не превышает температуру зоны 4 насыщения раствора.Изменение площади поверхности теплообмена обесйечивается механиэ 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 низма 20, работающего от ручного или автоматического привода по заданной программе.В качестве теплоносителей тепловых труб могут быть испол зованы би яарные аэеотоопные смеси например, ацетон-вода) для увеличения энтальпии теплоносителя. Кроме того, они дают достаточно больщой выбор по температурам кипения, 65 Устройство работает следующим об" разом;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 нагреаается и цикл ,повторяется. Нагретые слои раствора в 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 растворе. ния 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 г е. / 841 Подпи од, ул.Проектная, 4 ПП "Патент", г. мах. Погрешность в стабилизации температур рабочих зон зависит от колебания температуры фазового перехода вещества, которая при использованИи фазового перехода нетвердое тело- жидкость" 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 (+ 0,001 СС) во всем ВНКИПИ Заказ 7451/34. диапазоне температур, в котором ра"ботают тепловые трубы (4-3000 фК);простота эксплуатации, не требующаяперсонала высокой квалификации, сложного измерительного и контрольного 5 оборудования; долговременная надеж-ность системы. обеспечивающая циклвыращивания монокристаллов 1-2 года,обусловленная стабильностью температур фазового перехода 1-го рода ве О ществ, автономностью и автоматичностью работы тепловых труб, осуществляющих теплообмен между кристаллизатором и вспомогательными сосудами равномерность" .теплового 15 потока в рабочей зоне кристаллиза"тора с поверхности теплообменникаблагодаря высокой иэотермичностиповерхности тепловой трубы.