一种真空下金属蒸汽流量控制装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及真空镀膜技术，更具体地说，涉及一种真空下金属蒸汽流量控制装置及其控制方法。


背景技术：

2.物理气相沉积技术是当前广泛应用的材料表面处理技术，在真空环境中将金属、合金或化合物进行蒸发，形成的金属蒸汽在基板上凝固沉积。采用该技术对材料表面进行镀膜，镀层具有较好的耐磨性、耐腐蚀性、硬度和干润性，可显著提高材料性能和使用寿命。采用该技术进行镀膜处理，无“三废”产生，对环境无污染。该技术在机械、电子、五金、航空航天、化工等材料领域得到广泛应用，成为绿色制造的一项重要应用技术。
3.在物理气相沉积技术应用中，镀层材料有多种，如锌、铝、镁、铬等，镀膜速度一般较快，通常可达1～3m/s，为了得到较好的镀层表面质量和喷镀效果，要求喷镀过程的金属蒸汽流量和压力保持相对恒定。另外，对于不同的材料，镀层厚度要求不同，为了得到合理的镀层厚度，通过设置待镀材料的运行速度，实现镀层厚度和蒸发量的工艺匹配。但是，当待喷镀产线出现异常情况时，已经蒸发出的金属蒸汽无法关闭，蒸发出的金属蒸汽在产线腔体内弥散，在产线设备上冷凝。因此，在真空镀膜工艺中，金属蒸汽流量调节和开关控制的方法和装置对真空镀膜应用技术至关重要。
4.现有真空镀膜装置上常见的阀门装置主要用于流体或水蒸汽的控制阀，而金属蒸汽一般温度较高，而且金属较活泼，常用的阀门极易被金属蒸汽侵蚀和损坏，难以满足长时间的连续使用要求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种真空下金属蒸汽流量控制装置及其控制方法，实现金属蒸汽的精确调节和开关，有利于提高真空镀膜质量和工艺的顺行。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一方面，一种真空下金属蒸汽流量控制装置，包括阀体、智能控制器和plc；
8.所述阀体上设有金属蒸汽入口管道、金属蒸汽出口管道，所述金属蒸汽入口管道和所述金属蒸汽出口管道在所述阀体内部连通；
9.所述阀体内开设有内孔，所述内孔与所述金属蒸汽入口管道、所述金属蒸汽出口管道均连通，所述内孔中设有阀芯；
10.所述阀体内设有加热系统和测温系统，所述加热系统用以对所述阀体进行加热，所述测温系统用以测量所述阀体的温度，并将测得温度信号反馈至所述加热系统中，实现温度闭环控制；
11.所述阀体的顶部设有与所述阀芯相连的阀芯位移控制系统，用以控制所述阀芯在所述内孔中的位移，实现对所述金属蒸汽入口管道和所述金属蒸汽出口管道的启闭控制；
12.所述智能控制器用以接受加热系统、测温系统和阀芯位移控制系统的数据，并进行计算输出结果至所述plc，由所述plc控制所述阀芯位移控制系统的运行。
13.较佳的，所述金属蒸汽出口管道设于所述阀体的侧面，所述金属蒸汽入口管道设于所述阀体的底部；或
14.所述金属蒸汽入口管道设于所述阀体的侧面。
15.较佳的，所述加热系统包括多个阀体加热器。
16.较佳的，所述阀体加热器的数量为1～6个。
17.较佳的，所述测温系统的数量与所述加热系统的数量一致。
18.较佳的，所述阀芯位移控制系统包括设于所述阀体顶部的平台高度调节器，所述平台高度调节器上设有安装平台，所述安装平台上设有阀芯升降控制器，所述阀芯升降控制器通过阀芯传动杆与所述阀芯相连；
19.所述阀芯传动杆的上方具有位移传感器。
20.较佳的，所述内孔垂直向设于所述阀体内，所述阀芯的尾部位于所述阀体的顶部。
21.较佳的，所述阀体与所述阀芯的接触面上设有应变片。
22.较佳的，所述内孔与所述阀芯的接触面上设有多道密封槽，所述密封槽内设有陶瓷纤维棉。
23.另一方面，一种真空下金属蒸汽流量控制方法，包括以下步骤：
24.1)设定所述的装置中的所述阀芯的参数位置，和所述阀体的加热温度ta；
25.2)启动所述加热系统，所述阀体的温度数据实时传输至所述智能控制器，当所述阀体加热至设定温度时，所述智能控制器向所述plc发出信号，具备开启所述阀芯的条件；
26.3)所述plc发出执行指令，控制所述阀芯位移控制系统向外移动所述阀芯，使金属蒸汽从所述金属蒸汽入口管道进入所述阀体，通过所述阀芯移动开启的截面，金属蒸汽从所述金属蒸汽出口管道流出；
27.4)当需要关闭金属蒸汽时，所述plc发出执行指令，控制所述阀芯位移控制系统向内插入所述阀芯，直至所述阀芯处于关闭位置，完成关闭后，再关闭所述加热系统。
28.较佳的，所述步骤1)中设定所述阀芯的参数位置具体为：
29.设定所述阀芯的关闭位置、零位、开启过程区域长度和完全开启位置；
30.当所述阀芯处于关闭位置时，所述金属蒸汽入口管道和所述金属蒸汽出口管道处于完全关闭状态，关闭位置的坐标值y＝-l1；
31.当所述阀芯向外移动，处于零位时，所述金属蒸汽入口管道和所述金属蒸汽出口管道处于完全关闭状态，关闭位置至零位的距离为l1，零位的坐标值y＝0；
32.当所述阀芯继续向外移动，其开启截面随着向外位移的增大而增大，直至所述阀芯处于完全开启位置，零位至完全开启位置的距离为2r，完全开启位置的坐标值y＝2r。
33.较佳的，所述步骤3)所述阀芯开启具体为：
34.所述阀芯位移控制系统向外移动所述阀芯时，将发生的位移数据和坐标数据发送至所述智能控制器，所述智能控制器计算所述阀芯的位置、开启的截面积，判断出所述阀芯的位置状态。
35.较佳的，所述阀芯的位置状态判断为：
36.当所述阀芯的坐标值y在-l1～0时，所述阀芯处于关闭位置；
37.当所述阀芯的坐标值y在0～2r时，所述阀芯处于部分开启位置；
38.当所述阀芯的坐标值y在≥2r时，所述阀芯处于完全开启位置。
39.较佳的，所述阀芯的截面积s计算如下：
[0040][0041]
公式中，r为所述内孔的半径，y为所述阀芯的坐标值。
[0042]
较佳的，所述金属蒸汽入口管道和所述金属蒸汽出口管道的开度值k计算如下：
[0043][0044]
公式中，s为所述阀芯的截面积，r为所述内孔的半径，y为所述阀芯的坐标值。
[0045]
本发明所提供的一种真空下金属蒸汽流量控制装置及其控制方法，还具有以下几点有益效果：
[0046]
1)可用于高温金属蒸汽流量的精确稳定控制；
[0047]
2)本发明装置结构和控制方法相对简单，易于实现自动化控制。
附图说明
[0048]
图1是本发明装置中金属蒸汽入口管道和金属蒸汽出口管道之间为垂直设置时的立体示意图；
[0049]
图2是图1本发明装置的俯视图(标明a-a向)；
[0050]
图3是图2中a-a向剖视示意图(阀芯处于关闭位置)；
[0051]
图4是图1本发明装置的俯视图(标明b-b向)；
[0052]
图5是图4中b-b向剖视示意图(阀芯处于完全打开位置)；
[0053]
图6是本发明装置中金属蒸汽入口管道和金属蒸汽出口管道之间为水平设置时的立体示意图；
[0054]
图7是图6本发明装置的俯视图(标明c-c向)；
[0055]
图8是图7中c-c向剖视示意图(阀芯处于关闭位置)。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0057]
请结合图1至图5所示，本发明所提供的一种真空下金属蒸汽流量控制装置，包括阀体1、智能控制器和plc；
[0058]
阀体1上设有金属蒸汽入口管道2、金属蒸汽出口管道3，金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3在阀体1内部连通，金属蒸汽入口管道2设于阀体1的底部，金属蒸汽出口管道2设于阀体1的侧面，金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3之间为垂直连通设置。
[0059]
阀体1内开设有用以插入阀芯4的内孔，内孔垂直向设置，并与金属蒸汽入口管道2、金属蒸汽出口管道3均连通，阀芯4也垂直向插入内孔中，阀芯4的尾部设有止挡块，止挡块与阀体1的上表面接触，利用阀芯4的插入和向外移动对金属蒸汽入口管道2、金属蒸汽出
口管道3进行关闭和开启操作。通过阀芯4的插入和向外移动的控制，可对内孔通道的截面积进行调节，从而实现金属蒸汽流量的精确控制。
[0060]
阀体1内设有加热系统和测温系统，加热系统用以对阀体1进行加热，防止金属蒸汽在阀体1和阀芯4之间凝结。测温系统用以测量阀体1的温度，并将测得温度信号反馈至加热系统中，实现温度闭环控制，使阀体1温度加热至目标温度后进行恒温控制。
[0061]
阀体1的顶部设有与阀芯4相连的阀芯位移控制系统，阀芯位移控制系统包括设于阀体1顶部的平台高度调节器5，平台高度调节器5上设有安装平台6，安装平台6居中位置上设有阀芯升降控制器7，阀芯升降控制器7通过阀芯传动杆8与阀芯4相连，阀芯传动杆8的上方具有位移传感器。平台高度调节器5控制安装平台6与阀体1上表面的间距，阀芯升降控制器7驱动阀芯传动杆8，实现阀芯4在内孔中的插入和向外位移控制。
[0062]
智能控制器用以接受加热系统、测温系统和阀芯位移控制系统的数据，并进行计算输出结果至plc，由plc控制阀芯位移控制系统中各部件的运行，以实现对金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3的启闭控制，从而达到金属蒸汽流量的精确控制的目的。
[0063]
加热系统包括多个阀体加热器，一般数量在1～6个左右，测温系统的数量与所述加热系统的数量一致，为了控制加热系统的加热温度，加热系统根据测温系统反馈的温度信号，实时调整加热功率，实现阀体1上温度闭环控制。
[0064]
阀体1的上表面与阀芯4尾部的止挡块的接触面上设有应变片13，用以检测阀芯4对阀体1的压应力。
[0065]
内孔与阀芯1的接触面上设有多道密封槽14，密封槽14内设有柔性的陶瓷纤维棉，防止金属蒸汽从内孔与阀芯1之间的间隙逸出。
[0066]
上述本发明装置实施例中，阀体1的材质可选用高纯石墨或耐高温金属，在阀体1的内外表面可根据工艺需求进行涂镀涂层，以提高阀体1的耐磨和耐腐蚀性能，从而提高阀体1的使用寿命。
[0067]
本发明还提供了一种真空下金属蒸汽流量控制方法，包括以下步骤：
[0068]
1)设定本发明装置中的阀芯4的参数位置，和阀体1的加热温度ta。
[0069]
设定阀芯4的关闭位置、零位、开启过程区域长度和完全开启位置。
[0070]
当阀芯4处于关闭位置时，金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3处于完全关闭状态，关闭位置的坐标值y＝-l1。
[0071]
当阀芯4向外移动，处于零位时，金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3处于完全关闭状态，关闭位置至零位的距离为l1，零位的坐标值y＝0。
[0072]
当阀芯4继续向外移动，其开启截面随着向外位移的增大而增大，直至阀芯4处于完全开启位置，零位至完全开启位置的距离为2r，完全开启位置的坐标值y＝2r。
[0073]
对于同一阀体1和阀芯4，相关参数只需设定一次。
[0074]
2)启动加热系统，阀体1的温度数据实时传输至智能控制器，当阀体1加热至设定温度ta时，智能控制器向plc发出信号，具备开启阀芯4的条件。
[0075]
3)plc发出执行指令，控制阀芯位移控制系统向外移动阀芯4，使金属蒸汽从金属蒸汽入口管道2进入阀体1，通过阀芯4移动开启内孔通道的截面，金属蒸汽从金属蒸汽出口管道3流出。
[0076]
阀芯4开启具体为：
[0077]
阀芯位移控制系统向外移动阀芯4时，位移传感器将发生的位移数据和坐标数据发送至智能控制器，智能控制器计算阀芯4的位置、开启的截面积，判断出阀芯4的位置状态。
[0078]
阀芯的位置状态判断为：
[0079]
当阀芯4的坐标值y在-l1～0时，阀芯处于关闭位置；
[0080]
当阀芯4的坐标值y在0～2r时，阀芯处于部分开启位置；
[0081]
当阀芯4的坐标值y在≥2r时，阀芯处于完全开启位置。
[0082]
经积分计算，阀芯4开启时的内孔通道截面积与阀芯4向外位移时所处的坐标呈现函数关系。若内孔半径为r，阀芯4从零位开始向外发生位移，其坐标值为y时，阀芯4开启时的内孔通道截面积s计算公式如下：
[0083][0084]
则，金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3的开度值k计算公式如下：
[0085][0086]
在金属蒸汽压力一定的条件下，控制阀芯4开启截面积大小，可实现金属蒸汽流量的控制。当阀芯4发生位移时，其坐标值y在0～2r范围内变化时，可通过控制阀芯位移控制系统对阀芯4位移进行调节，达到金属蒸汽流量精确控制的目的。在该过程中，若需增大或减小金属蒸汽流量，则在控制系统输入流量参数，智能处理器计算出位移量及调节方法，发送给plc，plc将执行指令发送给阀芯位移控制系统执行，实现阀芯4位移的增大或减小调节。增大阀芯4位移，使其坐标值y增大，则金属蒸汽流量增大；反之减小阀芯4位移，减小坐标值y，进而实现减小金属蒸汽流量的调节。
[0087]
4)当需要关闭金属蒸汽时，plc发出执行指令，控制阀芯位移控制系统向内插入阀芯4，直至阀芯4处于关闭位置，完成关闭后，再关闭加热系统。
[0088]
本发明方法具体实施过程如下：
[0089]
在金属蒸汽蒸发前，标定阀芯4的参数位置坐标，设定阀体1加热的目标温度。在阀芯传动杆8上方安装有位移传感器，测量阀芯传动杆8上方平面与位移传感器之间的距离，当阀芯4处于关闭位置时(如图3所示)，位移传感器的测量值用于标定阀芯4的关闭位置坐标为y＝-l1；当阀芯4处于零位时，位移传感器的测量值用于标定阀芯4的零位坐标为y＝0；当阀芯4处于开启区域时，位移传感器的测量值用于标定阀芯4的开启区域坐标为y＝0～2r；当阀芯4处于完全开启位置时，位移传感器的测量值用于标定阀芯4的完全开启位置坐标为y＝2r(如图5所示)。其中，l1的长度范围为2～400mm，r的长度范围为8～500mm。设定阀体1加热的目标温度为t1，t1的温度范围为300～700℃。
[0090]
阀芯4的参数位置只需标定1次，若无结构改变，该标定参数可设置为默认值。若金属材料成分没有发生变化，设定的阀体1加热的目标温度可设置为默认值。
[0091]
第一步，启动阀体1内的加热系统，可根据具体工艺需求，设置n个阀体加热器，n可在1～6个范围内选择使用。在本实施例中采用n＝2，在阀体1内位于金属蒸汽出口管道3上
方的阀体上部加热器9，及在阀体1内位于金属蒸汽出口管道3下方的阀体下部加热器10，可将阀体1加热至目标温度t1。启动阀体上部加热器9和阀体下部加热器10，阀体1上安装有对应阀体上部加热器9的阀体上部测温系统11，及对应阀体下部加热器10的阀体下部测温系统12，阀体上部加热器9和阀体下部加热器10根据测温系统反馈的温度信号，将阀体1加热至目标温度t1。当阀体1温度达到目标温度t1时，向plc发送允许金属蒸汽通过信号，此时，具备金属蒸汽流量控制条件。
[0092]
其中，阀体加热器的加热方式可采用电阻加热或感应加热，当阀体1的材料为导电材料时，阀体加热器可采用感应加热器或电阻加热器；当阀体1的材料为非金属材料时，一般采用电阻加热器。
[0093]
第二步，当金属蒸汽形成后，温度和压力满足工艺要求，向plc发送条件已具备的信号，允许金属蒸汽的流量控制，plc向阀芯位移控制系统发出开启阀芯4的指令。
[0094]
当需要开启阀体1内的金属蒸汽通道时，阀芯位置控制系统向阀芯升降控制器7发送上升指令，阀芯升降控制器7将阀芯传动杆8向上升，带动阀芯4上升。当阀芯4从y＝-l1处开启至y＝0处时，阀体1内的蒸汽通道即将开启；当阀芯4在y＝0至y＝2r高度范围内上升移动时，阀体1内的蒸汽通道处于开启过程；当阀芯4升至y＝2r处时，阀体1内的蒸汽通道处于完全开启状态(如图5所示)。
[0095]
当阀芯4处于开启过程，即阀芯4位置处于y＝0～2r范围内时，具有一定压力和温度的金属蒸汽可通过金属蒸汽入口管道2进入阀体1内的内孔，并从金属蒸汽出口管道3流出。可设置阀体1内的蒸汽通道的开启度k值，实现金属蒸汽流量调节。假设在一定温度和压力条件下，阀芯4完全开启时，通过阀体1内的蒸汽通道的流量为q，则阀体1内的蒸汽通道的开启度k变化时，金属蒸汽流量与开启度k成正比。而开启度k与阀芯4的高度坐标y相关(如公式(2)所示)。
[0096]
若需增大或减小金属蒸汽流量，可输入阀体1内的蒸汽通道开启度k，智能处理器根据开启度k的数值，计算阀芯4的位置坐标y、要调节的位移量和调节方向。智能处理器将计算结果发送给plc，由plc将控制信息发送给阀芯位移控制系统。阀芯位移控制系统向阀芯升降控制器7发出上升或下降指令，同时在阀体1上方的位移传感器实时检测阀芯4的位置，当阀芯4到达设定坐标，则阀芯升降控制器7停止运行并锁定位置。
[0097]
当需关闭阀体1内的金属蒸汽通道，阀芯位置控制系统向阀芯升降控制器7发送下降指令，阀芯升降控制器7将阀芯传动杆8向下降，将阀芯4下降至y＝-l1。为了防止阀芯4下降到位后压力太大而压损，在阀体1的上表面安装了应变片13，当阀芯4上沿与应变片13接触时，产生压应力，测量的压应力值实时发送至plc，当出现压应力时阀芯4已降至完全关闭位置，plc向阀芯升降控制器7发出停止下降指令。
[0098]
第四步，当完成金属蒸汽的蒸发，需关闭金属蒸汽通道时，阀芯4下降至完全关闭位置(如图3所示)，阀体上部加热器9和阀体下部加热器10停止加热。
[0099]
上述本发明方法实施例中，阀体1上的金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3既可采用垂直设计(如图1所示)，也可采用金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3在同一直线的设计，即为金属蒸汽入口管道2和金属蒸汽出口管道3分别设于阀体1上的相对两侧面(如图6所示)。
[0100]
上述本发明方法实施例中，在阀体1和阀芯4接触的内孔接触面上，密封槽14数量
可根据具体工艺需求进行选择，数量可在0～3道之间选择。
[0101]
采用上述本发明装置和方法，适用于温度范围为室温～700℃的金属蒸汽流量开启、关闭和流量大小调节。
[0102]
上述本发明装置和方法可应用于真空下的真空镀膜产线，尤其适用于真空镀锌、镀镁、镀铝或其它合金金属蒸汽等，可实现金属蒸汽流量精确控制，有利于得到较好的金属镀层质量。本发明技术操作简单，易于实施，具有广阔的应用前景。
[0103]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。