林小軍 高炳天 馮 浩 崔敬忠 楊 璐

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所；3.新疆神火煤電有限公司)

銣泡充銣控制工藝工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)

林小軍1高炳天1馮 浩2崔敬忠2楊 璐3

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所；3.新疆神火煤電有限公司)

介紹了銣泡充制銣量控制工裝設(shè)備冷卻體組件，設(shè)備采用了兩路冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻芯結(jié)構(gòu)用多孔通道冷卻方式增大冷卻面積，利用位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)冷卻體裝置使銣泡與ZnO介質(zhì)合理接觸，使玻璃集成器儲(chǔ)存的銣在銣泡內(nèi)定量沉積。該工藝工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，提高了銣泡產(chǎn)品的合格率。

銣泡充制 銣量控制 位置調(diào)節(jié) 冷卻體

銣?zhǔn)且环N銀白色稀有堿金屬，銣原料價(jià)格昂貴[1]。銣泡組件是二代導(dǎo)航星載銣鐘物理部分的核心部件，它在激勵(lì)電路的作用下為物理部分提供穩(wěn)定的抽運(yùn)光，該抽運(yùn)光的特征譜線激發(fā)的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率是星載銣鐘輸出頻率源的基準(zhǔn)，銣泡內(nèi)銣量的多少與銣燈輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性有密切關(guān)系，因此銣泡充制工藝的主要問(wèn)題是銣量控制問(wèn)題[2]。目前銣泡充制時(shí)主要采用手工火焰驅(qū)趕，銣量控制僅憑充制人員憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)觀察，存在較大誤差，由于生產(chǎn)過(guò)程中銣量不能有效控制，要得到銣量達(dá)標(biāo)的燈泡需要反復(fù)充制大量的銣泡，并經(jīng)過(guò)多次篩選，生產(chǎn)周期和勞動(dòng)強(qiáng)度成倍增加，直接影響星載銣鐘生產(chǎn)任務(wù)的按期完成。同時(shí)，由于銣量偏差較大，銣泡質(zhì)量難以控制，造成原材料浪費(fèi)嚴(yán)重，也增加了后續(xù)調(diào)試、測(cè)試的難度[3～6]。有效冷卻是銣泡質(zhì)量控制的關(guān)鍵問(wèn)題，換熱面積的增大可提高冷卻效果[7]，冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從材料和過(guò)流面積著手[8]。為解決這些問(wèn)題，在充制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)銣在銣泡內(nèi)定點(diǎn)均勻沉積，研制銣泡充制過(guò)程中的銣量控制工藝設(shè)備，為星載原子鐘和小型原子鐘的產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支持。

1 工藝工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銣泡充制控制工藝工裝設(shè)備主要由溫控烘箱隔熱底座、銣泡冷卻體組件及位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置的技術(shù)關(guān)鍵是控制玻璃集成器銣泡與冷卻體方槽盛裝導(dǎo)熱介質(zhì)ZnO粉末接觸，通過(guò)自然冷卻完成銣量定點(diǎn)收集。

圖1 銣泡充制銣量控制工藝工裝設(shè)備簡(jiǎn)圖

1.1 烘箱隔熱箱體

溫控烘箱的結(jié)構(gòu)主要由保溫箱體和保溫蓋組成。由于銣泡冷卻體組件的管線、密封件及信號(hào)線等件不適宜長(zhǎng)時(shí)間在高溫狀態(tài)下工作，因而充銣冷卻體組件必須儲(chǔ)藏在箱體內(nèi)與高溫隔離。溫控烘箱提供銣泡充制銣量所需的溫度，冷卻體裝置通過(guò)烘箱底板裝入烘箱。溫控烘箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫控烘箱要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工藝過(guò)程：一是除氧過(guò)程，烘箱溫度可達(dá)到400～500℃；二是銣量充制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)玻璃集成器組件主管路銣源的加熱，溫度控制范圍200～250℃，實(shí)現(xiàn)銣泡內(nèi)銣量的定量收集。

圖2 溫控烘箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 冷卻體組件

冷卻體組件整體置于烘箱底板保溫箱內(nèi)，主要由外保溫罩、冷卻芯及絕熱層等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。制冷介質(zhì)進(jìn)出水管用隔熱高溫軟管與溫度傳感器信號(hào)線一同從軸孔引出，冷卻體組件整體用鍍銀保溫罩罩住。冷卻裝置用冷水通過(guò)傳導(dǎo)方式冷卻ZnO介質(zhì)，制冷機(jī)供應(yīng)冷水溫度-30～-20℃，通過(guò)冷卻裝置三面開(kāi)多孔通道流動(dòng)，使ZnO介質(zhì)溫度在溫控烘箱內(nèi)200～250℃的高溫環(huán)境冷卻到20℃以下，以便使銣泡與介質(zhì)接觸處的產(chǎn)生溫度梯度，逐漸將玻璃集成器中飽和銣蒸汽冷凝沉積在銣泡內(nèi)。

圖3 銣泡冷卻體組件結(jié)構(gòu)示意圖

兩個(gè)銣泡冷卻體分別安裝在位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的小托板上，左右各一，可拆卸進(jìn)行清潔或更換。銣泡冷卻體設(shè)計(jì)有銣泡可浸入的U形槽，槽內(nèi)盛裝銣泡冷卻介質(zhì)，左右各10個(gè)對(duì)稱排布。每個(gè)冷卻芯的進(jìn)出口管路設(shè)計(jì)為兩進(jìn)兩出，進(jìn)口和出口與制冷機(jī)隔熱高溫軟管連接，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冷卻芯結(jié)構(gòu)示意圖

保溫罩采用0.5mm厚鋼板制作，上表面與冷卻芯配合均勻開(kāi)方孔或條形槽，使銣泡通過(guò)外保溫罩伸入U(xiǎn)形槽與銣泡冷卻介質(zhì)接觸；下底面敞開(kāi)，內(nèi)外鍍高反射銀涂層，減少冷卻芯的輻射得熱。保溫罩內(nèi)徑長(zhǎng)、寬尺寸比銣泡冷卻體實(shí)際尺寸加大10mm，留出位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的空間，罩在微調(diào)大板上，將冷卻體組件罩住。

銣泡冷卻芯外層5面包裹的絕熱層厚20mm，開(kāi)孔上表面包裹的絕熱層厚10mm，選耐高溫優(yōu)質(zhì)絕熱材料。

1.3 位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

冷卻體裝置位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由左右冷卻體、移位小板、移位中板、移位大板及升降軸組成。該裝置主要由水平移位機(jī)構(gòu)和豎直移位機(jī)構(gòu)兩大塊組成。水平移位機(jī)構(gòu)主要包括銣泡充制平臺(tái)在水平面上的運(yùn)動(dòng)(包括左右運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)以及在水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等)，而豎直位移機(jī)構(gòu)研究的是銣泡充制平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，使銣泡充制平臺(tái)和相應(yīng)的銣泡輕輕接觸。

升降裝置實(shí)現(xiàn)的功能是將冷卻體組件從儲(chǔ)藏箱體內(nèi)升起[9]，使導(dǎo)熱介質(zhì)ZnO粉末與玻璃集成器銣泡的浸入深度保持1～2mm。用伺服電機(jī)、減速器與絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)。升降機(jī)構(gòu)主要由升降桿、升降板、絲母/絲杠、光軸/導(dǎo)套、減速器及伺服電機(jī)等組成。其功能是準(zhǔn)確升降移位大板和升降微調(diào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器和絲桿運(yùn)動(dòng)，銣泡升降平臺(tái)可以通過(guò)升降導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)引的路徑移動(dòng)。

水平移位機(jī)構(gòu)主要由移位中板、移位大板及絲杠螺母機(jī)構(gòu)等組成。兩個(gè)銣泡冷卻體分別與小板固定，中板與小板用燕尾槽連接，選用絲杠螺母機(jī)構(gòu)，分別通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻芯U形槽相對(duì)銣泡正確位置。實(shí)現(xiàn)單個(gè)冷卻體組件通過(guò)手動(dòng)調(diào)整絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的左右、前后位置移位及角度轉(zhuǎn)動(dòng)，解決銣泡手工制作后不可避免的位置誤差和尺寸誤差問(wèn)題。平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用了板式滾柱鏈承載結(jié)構(gòu)，降低了運(yùn)動(dòng)摩擦力，使調(diào)節(jié)更加靈活。

2 結(jié)束語(yǔ)

銣泡充制過(guò)程中的銣量控制工藝工裝設(shè)備通過(guò)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)銣泡與冷卻體方槽盛裝導(dǎo)熱介質(zhì)ZnO粉末的有效接觸，利用板式滾柱鏈制作精密移位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)洳泡充制的對(duì)中調(diào)節(jié)。兩個(gè)冷卻體組件采用了兩路冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻芯結(jié)構(gòu)用多孔通道冷卻方式，增大了冷卻面積，冷卻體組件冷卻效果良好。溫控保溫箱將充銣裝置儲(chǔ)藏在箱體內(nèi)與高溫隔離，充銣時(shí)將保溫箱蓋掀去，升起充銣裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)保溫性能良好，溫控烘箱升溫正常，溫控250℃恒溫下，保持4h，手感保溫箱底外表面不發(fā)熱。該技術(shù)為軍用小型化銣原子鐘和商用銣原子鐘的銣泡批量生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

[1] 曹冬梅,張雨山,高春娟,等.提銣技術(shù)研究進(jìn)展[J].鹽業(yè)與化工,2011,40(5):44～47.

[2] 馮浩,崔敬忠, 翟浩,等.銣鐘光譜燈老化的實(shí)驗(yàn)研究和壽命評(píng)估[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2015，(1):1～7.

[3] 劉昊, 劉亮明. 銣和銫的應(yīng)用前景及其制約因素[J]. 南方國(guó)土資源, 2015，(11):31～33.

[4] 支紅軍. 銣及其材料的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 新疆有色金屬, 2013, 36(1):50～52.

[5] 馮浩, 崔敬忠. 量熱技術(shù)在銣光譜燈中的應(yīng)用研究[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 2014，(3):22～25.

[6] 單志強(qiáng), 舒新前, 馮吉福,等. 銣及其化合物制備技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 金屬功能材料, 2013，20(2)：63～66.

[7] 蔣旭,姜曉霜,厲彥忠.立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設(shè)計(jì)[J]. 化工機(jī)械,2014, 41(4):517～519.

[8] 趙虎群, 高學(xué)理, 焦光聯(lián),等. 混合離子交換器的內(nèi)部過(guò)流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 化工機(jī)械, 2013, 40(1):130～131.

[9] 高炳天, 林小軍, 權(quán)富成. 銣泡充制工裝設(shè)備移位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2012，(5):45～47.

DesignofToolingEquipmentforRubidium-BubbleFillingControl

LIN Xiao-jun1, GAO Bing-tian1, FENG Hao2, CUI Jing-zhong2,YANG Lu3

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2014A-118)；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(144GKCA024 )。

林小軍(1979-)，副教授，從事制造過(guò)程信息技術(shù)的研究，316766440@qq.com。

TQ060.3

A

0254-6094(2017)03-0319-04

2016-09-03，

2016-10-08)

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