一種多功能溫度可控式液橋生成器的制造方法
【專利摘要】一種多功能溫度可控式液橋生成器，由支架、液橋生成裝置、溫控裝置和冷卻水箱四部分組成，所述液橋生成裝置包括垂直中心線位于同一直線上的上橋柱和下橋柱，以及觀察套管；所述上橋柱和下橋柱分別在支架上部的上橋柱安裝孔和支架下部的下橋柱安裝孔垂直安裝，上橋柱由上均勻送氣套管和上盤焊接組裝，下橋柱由下盤和下均勻送氣套管焊接組裝；所述觀察套管同軸套裝于上均勻送氣套管和下均勻送氣套管外表面并緊密貼合；所述上橋柱安裝孔側(cè)方支架上設(shè)置有緊固螺釘；所述溫控裝置包括加熱槽、加熱棒、熱電偶、溫度控制器、繼電器和電源，其中加熱槽焊接于支架上方的上均勻送氣套管外部；所述冷卻水箱焊接于下均勻送氣套管外部。
【專利說明】
一種多功能溫度可控式液橋生成器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流體物理學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多功能溫度可控式液橋生成 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 浮區(qū)法是一種廣泛應(yīng)用的制備晶體材料的方法，用于模擬浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)過程的 物理模型稱為液橋。理論研究表明，周圍剪切氣流、溫差和液橋體積比是影響液橋界面形狀 的主要因素，但傳統(tǒng)的液橋生成裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)這三種主要因素 的考察功能，因此研究結(jié)果往往比較片面，所得到的數(shù)據(jù)可靠性較差;此外，傳統(tǒng)的液橋生 成裝置普遍采用電熱膜直接對(duì)液橋進(jìn)行加熱的方式，容易造成液橋受熱不均勻且加熱過程 不穩(wěn)定，使得實(shí)驗(yàn)過程中液橋溫度頻繁跳動(dòng)，所獲得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差;此外，傳統(tǒng)液橋生 成裝置產(chǎn)生溫差的方式單純基于對(duì)液橋上盤的加熱，沒有對(duì)液橋下盤進(jìn)行冷卻，因此往往 獲得的溫差范圍較小。
[0003] 中國(guó)專利CN204849110U公開了一種周圍剪切氣流式液橋生成器，可以通入不同流 速與方向的剪切氣流，并且可任意調(diào)節(jié)液橋體積比，較傳統(tǒng)液橋生成器有了較大改進(jìn)，但該 液橋生成器不具備加熱與冷卻功能，只適用于常溫下研究剪切氣流和液橋體積比對(duì)液橋界 面形狀的影響，無法對(duì)液橋上下盤溫差引入的熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象進(jìn)行研究。熱毛細(xì)對(duì)流的振 蕩特征以及由定常流向湍流過渡的整個(gè)過程是現(xiàn)代流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)。只要在流體表面 存在溫度的不均勻性，就會(huì)驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng);但是當(dāng)流體表面的溫差超過一個(gè)臨界值時(shí)，這種 表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的熱毛細(xì)對(duì)流可以由定常流轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幜鳌＿@種臨界狀態(tài)附近的流動(dòng)情 況正是當(dāng)下研究的重點(diǎn)。這種臨界溫差狀態(tài)以及由定常流向振蕩流過渡的整個(gè)過程是傳統(tǒng) 液橋生成器和中國(guó)專利CN204849110U公開的液橋生成器所不能提供的。
[0004] 因此，亟需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全的多功能溫度可控式液橋生成器，在能夠通入 不同流速與方向的剪切氣流和調(diào)節(jié)液橋體積比的基礎(chǔ)上還可提供包括臨界溫差在內(nèi)的大 范圍可控溫差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種多功能溫度可控式液橋生成器，所述 液橋生成器功能多樣:通過上下均勻送氣套管可以向液橋提供不同流速與方向的周圍剪切 氣流;通過溫控裝置對(duì)上盤進(jìn)行加熱和冷卻水箱對(duì)下盤進(jìn)行冷卻可實(shí)現(xiàn)上、下盤產(chǎn)生大范 圍的可控溫差;通過調(diào)節(jié)上橋柱的高度可產(chǎn)生不同的體積比。本發(fā)明的技術(shù)方案為： 一種多功能溫度可控式液橋生成器，由支架、液橋生成裝置、溫控裝置和冷卻水箱四部 分組成，所述液橋生成裝置包括垂直中心線位于同一直線上的上橋柱和下橋柱，以及觀察 套管;所述上橋柱和下橋柱分別在支架上部的上橋柱安裝孔和支架下部的下橋柱安裝孔垂 直安裝，上橋柱由上均勻送氣套管和上盤焊接組裝，下橋柱由下盤和下均勻送氣套管焊接 組裝，上均勻送氣套管與上盤的連接處以及下均勻送氣套管與下盤的連接處均設(shè)有氣孔； 所述觀察套管同軸套裝于上均勻送氣套管和下均勻送氣套管外表面并緊密貼合，并且觀察 套管的內(nèi)徑與上均勻送氣套管和下均勻送氣套管的外徑相等;所述上橋柱安裝孔側(cè)方支架 上設(shè)置有緊固螺釘，通過調(diào)節(jié)緊固螺釘?shù)乃删o可使上橋柱上下移動(dòng)從而改變液橋的體積 比；所述溫控裝置包括加熱槽、加熱棒、熱電偶、溫度控制器、繼電器和電源，其中加熱槽焊 接于支架上方的上均勻送氣套管外部;所述冷卻水箱焊接于下均勻送氣套管外部。
[0006] 上述生成器中，所述上橋柱安裝孔和下橋柱安裝孔的孔壁上涂敷隔熱涂層，用于 防止工作時(shí)溫控裝置傳輸給上盤的熱量以及冷卻水箱傳輸給下盤的冷量散失。
[0007] 上述生成器中，所述上橋柱和下橋柱采用導(dǎo)熱性能良好的材質(zhì)制作，優(yōu)選銅或銅 合金；當(dāng)從上橋柱的上均勻送氣套管通入氣體時(shí)，氣體從上均勻送氣套管的上部進(jìn)入，經(jīng)上 均勻送氣套管的氣孔進(jìn)入觀察套管內(nèi)，再經(jīng)下均勻送氣套管的氣孔從下均勻送氣套管的下 部流出，反之亦然。
[0008] 上述生成器中，所述下均勻送氣套管外部焊接有托盤，并且托盤位于冷卻水箱上 方，用于作為觀察套管的底部支撐。
[0009] 上述生成器中，所述觀察套管為玻璃套管，其長(zhǎng)度根據(jù)上橋柱安裝孔的下平面與 托盤上表面之間的垂直距離確定。
[0010] 上述生成器中，所述溫控裝置中各部件工作時(shí)的連接方式為:加熱棒分別與電源 和繼電器相連形成加熱回路，并將加熱棒插入加熱槽;溫度控制器和繼電器相連形成控制 回路，熱電偶緊貼上盤。
[0011] 上述生成器中，所述加熱槽底部設(shè)置可拆卸的隔熱墊片，其中加熱槽內(nèi)的加熱介 質(zhì)選擇揮發(fā)性較低的50號(hào)硅油，甘油，或者乙二醇等。
[0012] 上述生成器中，所述冷卻水箱設(shè)有介質(zhì)入口和介質(zhì)出口，底部設(shè)置可拆卸的隔熱 墊片，冷卻水箱內(nèi)的冷卻介質(zhì)選擇制冷溫度在〇°C以下的介質(zhì)，如酒精和水的混合溶液，氯 化鈉溶液或氯化鈣溶液等。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)及其有益效果是： 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的液橋生成器相比，可同時(shí)研究周圍剪切氣流、溫差和液橋體 積比這三種因素對(duì)液橋界面形狀的影響，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程;并且本發(fā)明 上下盤溫差的實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求精確控制，且可以提供包括臨界溫差在內(nèi)的大范圍溫 差，便于研究由定常流向振蕩流過渡的整個(gè)過程，綜合考慮各因素對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的影響， 較現(xiàn)有液橋生成器所獲得的數(shù)據(jù)全面、穩(wěn)定、可靠，對(duì)研究浮區(qū)晶體生長(zhǎng)過程具有重要意 義。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的多功能溫度可控式液橋生成器的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的上橋柱的結(jié)構(gòu)示意圖；其中(a)為上橋柱的平面圖，（b)為上橋柱的剖面 圖，（c)為上橋柱的側(cè)視圖； 圖3是本發(fā)明的下橋柱的結(jié)構(gòu)示意圖；其中(a)為下橋柱的平面圖，（b)為下橋柱的剖面 圖，（c)為下橋柱的側(cè)視圖； 圖4是本發(fā)明的溫控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中，1-支架，2-緊固螺釘，3-隔熱墊片，4-上橋柱，5-下橋柱，6-觀察套管，7-加熱槽， 8-上均勻送氣套管，9-上盤，10-氣孔，11-下均勻送氣套管，12-冷卻水箱，13-托盤，14-下 盤，15-冷卻水箱的介質(zhì)入口，16-冷卻水箱的介質(zhì)出口，17-電源，18-繼電器，19-溫度控制 器，20-加熱棒，21-熱電偶。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于下述的實(shí)施 例。
[0016] -種多功能溫度可控式液橋生成器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由支架1、液橋生成裝置、 溫控裝置和冷卻水箱12四部分組成，所述液橋生成裝置包括垂直中心線位于同一直線上的 上橋柱4和下橋柱5,以及觀察套管6;所述上橋柱4和下橋柱5分別在支架上部的上橋柱安裝 孔和支架下部的下橋柱安裝孔垂直安裝，上橋柱4由上均勻送氣套管8和上盤9焊接組裝，下 橋柱5由下盤14和下均勻送氣套管11焊接組裝，上均勻送氣套管8與上盤9的連接處以及下 均勻送氣套管11與下盤14的連接處均設(shè)有氣孔10,上橋柱和下橋柱的結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3 所示;所述下均勻送氣套管外部焊接有托盤13，并且托盤位于冷卻水箱上方，用于作為觀察 套管的底部支撐;所述觀察套管6為玻璃套管，長(zhǎng)度為8cm，同軸套裝于上均勻送氣套管8和 下均勻送氣套管11外表面并緊密貼合，并且觀察套管6的內(nèi)徑與上均勻送氣套管8和下均勻 送氣套管11的外徑相等;所述上橋柱安裝孔側(cè)方支架上設(shè)置有緊固螺釘2,通過調(diào)節(jié)緊固螺 釘2的松緊可使上橋柱4上下移動(dòng)從而改變液橋的體積比;所述溫控裝置包括加熱槽7、加熱 棒20、熱電偶21、溫度控制器19、繼電器18和電源17，其中加熱槽7焊接于支架上方的上均勻 送氣套管8外部，加熱槽底部設(shè)置可拆卸的隔熱墊片3,加熱槽內(nèi)的加熱介質(zhì)為甘油;所述冷 卻水箱12焊接于下均勻送氣套管11外部，冷卻水箱12設(shè)有介質(zhì)入口 15和介質(zhì)出口 16,底部 設(shè)置可拆卸的隔熱墊片3,冷卻水箱內(nèi)的冷卻介質(zhì)選擇飽和氯化鈉溶液。
[0017] 上述生成器中，所述上橋柱安裝孔和下橋柱安裝孔的孔壁上涂敷復(fù)合硅酸鎂鋁隔 熱涂層，用于防止工作時(shí)溫控裝置傳輸給上盤的熱量以及冷卻水箱傳輸給下盤的冷量散 失。
[0018] 上述生成器中，所述上橋柱4和下橋柱5中上盤9和下盤14的直徑相等，上均勻送氣 套管8和下均勻送氣套管11的內(nèi)外徑相等，并且上均勻送氣套管8和下均勻送氣套管11的內(nèi) 徑要大于上盤和下盤的直徑;上橋柱和下橋柱采用導(dǎo)熱性能良好的純銅制作。
[0019] 上述生成器中，所述溫控裝置中各部件工作時(shí)的連接方式如圖4所示:加熱棒20分 別與電源17和繼電器18相連形成加熱回路，并將加熱棒20插入加熱槽7;溫度控制器19和繼 電器18相連形成控制回路，熱電偶21緊貼上盤9;溫度控制器具有設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度和顯示實(shí)測(cè) 溫度的功能，當(dāng)熱電偶測(cè)得的實(shí)測(cè)溫度高于設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，加熱回路中的繼電器則會(huì) 斷開，加熱棒停止加熱；當(dāng)測(cè)得的實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，加熱回路中的繼電器則 會(huì)接通，加熱棒繼續(xù)加熱；因此溫控裝置可使上盤達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度。
[0020] 采用本實(shí)施例的生成器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程如下:首先調(diào)節(jié)上橋柱的高度再用緊固螺 釘固定其位置以獲得所需要的液橋體積比，再使用微型注射栗將實(shí)驗(yàn)液體準(zhǔn)確地注入上盤 與下盤之間，形成液橋，靜止的液橋通過表面張力維持界面形狀;然后將加熱介質(zhì)甘油注入 加熱槽中，插入加熱棒(注意不能讓加熱棒與加熱槽的壁面接觸），再將熱電偶固定于上盤 處;在下盤處也連接一個(gè)熱電偶用于監(jiān)測(cè)下盤溫度，在冷卻水箱中注入飽和氯化鈉溶液(溫 度在-10° c)，安裝觀察套管;開啟電源和溫度控制器，通過溫度控制器設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度，對(duì)加 熱槽中的介質(zhì)加熱;接下來從上均勻送氣套管通入氣體，氣體從上均勻送氣套管的上部進(jìn) 入，經(jīng)上均勻送氣套管的氣孔進(jìn)入觀察套管內(nèi)，再經(jīng)下均勻送氣套管的氣孔從下均勻送氣 套管的下部流出，控制氣體的流速在液橋自由表面處形成自上而下的不同流速的剪切氣 流，反之亦然。
[0021] 利用本實(shí)施例的多功能溫度可控式液橋生成器研究氣流速度、氣流方向、溫差大 小和液橋體積比對(duì)液橋界面形狀的影響，可通過以下四個(gè)具體實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施： 實(shí)驗(yàn)方案一:氣流方向，溫差大小和液橋體積比一定的情況下，變換不同的氣流速度， 研究氣流速度對(duì)液橋界面形狀的影響。由于本實(shí)施例的液橋生成器的觀察套管6的內(nèi)徑和 上、下盤直徑都是定值，故通過控制氣體的流量就可以改變氣流速度。氣流速度通過以下公 式計(jì)曾.
式[1 ]中，U為氣流速度，Q為氣體流量，D為觀察套管的內(nèi)徑，d為上、下盤直徑。
[0022] 實(shí)驗(yàn)方案二:在氣流速度，溫差大小和液橋體積比一定的情況下，變換不同的氣 流方向，研究氣流方向?qū)σ簶蚪缑嫘螤畹挠绊?。本?shí)施例的液橋生成器可提供兩種氣流方 向：1)、氣流從上均勻送氣套管8注入，即氣流方向與重力方向一致;2)、氣流從下均勻送氣 套管11注入，即氣流方向與重力方向相反。
[0023] 實(shí)驗(yàn)方案三:在氣流速度，氣流方向和液橋體積比一定的情況下，變換不同的溫差 大小，研究溫差大小對(duì)液橋界面形狀的影響。溫差的大小可通過調(diào)節(jié)溫度控制器19來設(shè)定。
[0024] 實(shí)驗(yàn)方案四：在氣流速度，氣流方向和溫差大小一定的情況下，變換不同的液橋體 積比，研究液橋體積比對(duì)液橋界面形狀的影響。液橋體積比等于液橋體積和上、下盤之間 的圓柱體積之比。因?yàn)樯稀⑾卤P的直徑一定，所以通過調(diào)節(jié)上橋柱4的高度就可以改變上、下 盤之間的圓柱體積，同時(shí)，也相應(yīng)改變了液橋體積。調(diào)節(jié)上橋柱4達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的高度，再利 用緊固螺釘2固定其位置。
[0025] 其中，液橋體積是通過高速攝像機(jī)拍攝液橋界面形狀，再根據(jù)液橋界面形狀的數(shù) 字圖像計(jì)筧得出的，其計(jì)筧式為：
式[2]中，V〇為液橋體積，h為上、下盤之間的垂直距離，F(xiàn)(z)為液橋界面形狀的數(shù)字圖 像函數(shù)，z為液橋界面形狀的積分變量。
[0026] 上、下盤之間的圓柱體積是由上、下盤的直徑和上、下盤之間的垂直距離確定的， 其計(jì)算式為：
式[3 ]中，Vi為上、下盤之間的圓柱體積，h為上、下盤之間的垂直距離，d為上、下盤的直 徑。
[0027]則體積比的計(jì)算式為：
式[4]中，上、下盤的直徑d為定值，可通過游標(biāo)卡尺測(cè)得，上、下盤之間的垂直距離h是 實(shí)驗(yàn)變量，通過調(diào)節(jié)上橋柱的高度可得到不同的h。
[0028]在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，各個(gè)變量對(duì)液橋界面形狀的影響，通過高速攝像機(jī)拍攝液橋 界面的不同形狀來做進(jìn)一步分析。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于由支架、液橋生成裝置、溫控裝置和 冷卻水箱四部分組成，所述液橋生成裝置包括垂直中心線位于同一直線上的上橋柱和下橋 柱，以及觀察套管;所述上橋柱和下橋柱分別在支架上部的上橋柱安裝孔和支架下部的下 橋柱安裝孔垂直安裝，上橋柱由上均勻送氣套管和上盤焊接組裝，下橋柱由下盤和下均勻 送氣套管焊接組裝，上均勻送氣套管與上盤的連接處以及下均勻送氣套管與下盤的連接處 均設(shè)有氣孔;所述觀察套管同軸套裝于上均勻送氣套管和下均勻送氣套管外表面并緊密貼 合，并且觀察套管的內(nèi)徑與上均勻送氣套管和下均勻送氣套管的外徑相等;所述上橋柱安 裝孔側(cè)方支架上設(shè)置有緊固螺釘，通過調(diào)節(jié)緊固螺釘?shù)乃删o可使上橋柱上下移動(dòng)從而改變 液橋的體積比；所述溫控裝置包括加熱槽、加熱棒、熱電偶、溫度控制器、繼電器和電源，其 中加熱槽焊接于支架上方的上均勻送氣套管外部;所述冷卻水箱焊接于下均勻送氣套管外 部。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述上橋柱 安裝孔和下橋柱安裝孔的孔壁上涂敷用于防止工作時(shí)溫控裝置傳輸給上盤的熱量以及冷 卻水箱傳輸給下盤的冷量散失的隔熱涂層。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述下均勻 送氣套管外部焊接有托盤，并且托盤位于冷卻水箱上方。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述觀察套 管為玻璃套管，其長(zhǎng)度根據(jù)上橋柱安裝孔的下平面與托盤上表面之間的垂直距離確定。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述溫控裝 置中各部件工作時(shí)的連接方式為:加熱棒分別與電源和繼電器相連形成加熱回路，并將加 熱棒插入加熱槽;溫度控制器和繼電器相連形成控制回路，熱電偶緊貼上盤。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述加熱槽 底部設(shè)置可拆卸的隔熱墊片。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述冷卻水 箱設(shè)有介質(zhì)入口和介質(zhì)出口，底部設(shè)置可拆卸的隔熱墊片。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述加熱槽 內(nèi)的加熱介質(zhì)選擇50號(hào)硅油，甘油，或者乙二醇。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述冷卻水 箱內(nèi)的冷卻介質(zhì)選擇酒精和水的混合溶液，氯化鈉溶液或氯化鈣溶液。10. 根據(jù)權(quán)利要求1~9任一所述的一種多功能溫度可控式液橋生成器，其特征在于所述 上橋柱和下橋柱采用導(dǎo)熱性能良好的材質(zhì)制作，優(yōu)選銅或銅合金。
【文檔編號(hào)】C30B13/28GK105839174SQ201610400788
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】梁儒全, 趙俊楠, 李湛, 王奎陽(yáng), 張碩, 李曉媛, 閆付強(qiáng), 楊碩
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)