用于控制阳极氧化槽液温度的装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于控制阳极氧化槽液温度的装置。


背景技术：

2.阳极氧化(anodic oxidation)工艺是一种金属或合金的电化学氧化工艺。在该工艺中，诸如铝的金属及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下，在外加电流的作用下，在金属(阳极)上形成一层氧化膜。阳极氧化工艺被广泛用于工业领域，尤其是用于在lcd加工中对用于等离子刻蚀工艺的上部电极进行处理，从而提高其耐电压、阻抗及耐腐蚀性能。
3.阳极氧化工艺通常在阳极氧化槽中进行，阳极氧化槽中的槽液温度是阳极氧化工艺一个重要参数。阳极氧化过程中会产生大量的热，但根据核心工艺的标准，氧化槽液的温度不能持续上升，否则会严重影响氧化皮膜的质量(因为例如当槽液温度从10℃上升到20℃时，阳极氧化膜的溶解速度会增加约3倍)。因此，必须对槽液温度进行控制并将其维持在一个适宜温度范围，例如根据不同成分的槽液设有不同的温度管理标准，在本发明涉及的示例性的槽液中，该温度需要维持在10-11℃的范围。
4.在现有技术中，氧化槽液例如通过如下方式进行降温，即，利用低温冷却液(其冷量由冷却机提供)与氧化槽液在板式换热器中进行热交换。其中，所述板式换热器包括冷却液侧以及氧化槽液侧。所述冷却液和氧化槽液分别由对应的泵进行泵送循环，其中负责氧化槽液循环的泵始终运行，而负责冷却液循环的泵则根据阳极氧化槽中的电子温度计检测并反馈给plc的温度值进行运行或停止(例如设定为，在温度值为11℃时运行并且在温度值为10℃停止)，通过冷却液泵的运行或停止，以控制进入板式换热器的流量进而维持氧化槽液的温度，即：当电子温度计反馈的温度值＞氧化槽液温度设定值时，冷却液泵运行；当电子温度计反馈的温度值＜氧化槽液温度设定值时，冷却液泵停止。
5.然而，通过冷却液泵的运行或停止来控制进入板式换热器的冷却液流量，存在以下几点不足之处：
6.1)在阳极氧化过程中，由于氧化槽体体积大、氧化槽液多，槽液无法均匀地循环，导致氧化槽液的温度波动频繁，从而造成冷却液泵的启动/停止频繁，而频繁启动不仅会造成电能消耗增加，而且也会缩短泵的寿命。
7.2)在冷却液泵启动之前，管道内的冷却液仍处于静止状态，直到冷却液泵启动之后管道内的冷却液才开始循环，此时氧化槽液与冷却液需要经过大约20至30分钟的热交换后才能真正达到预设温度的需求。这一过程造成了氧化槽液的冷却时间延长，进而使得在阳极氧化过程中氧化槽液的实际温度与工艺需求温度之间存在例如2-3℃的温差，影响氧化皮膜的质量。
8.因此，现有技术中的这种用于控制阳极氧化槽液温度的装置和方法并不完全令人满意。


技术实现要素：

9.基于上述现有技术，本实用新型的目的是，提供一种用于控制阳极氧化槽液温度的装置和方法，利用该装置和该方法能够至少部分地克服现有技术中的上述缺点，并且尤其是实现一方面在避免冷却液泵频繁启停的情况下可靠地将氧化槽液的温度保持在设定的温度范围内，并且另一方面避免由于从冷却液的静止状态到循环状态所需的时间导致的氧化槽液的冷却时间延长。
10.上述目的首先通过根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置得以实现，其包括：
11.板式换热器，所述板式换热器具有用于引入和输出氧化槽液的氧化槽液入口和氧化槽液出口，以及用于引入和输出冷却液的冷却液入口和冷却液出口；
12.与冷却液入口流体连通的冷却液输入管路和与冷却液出口流体连通的冷却液输出管路；
13.温度传感器，所述温度传感器被配置成用于检测氧化槽液的实际温度tr；
14.控制单元，所述控制单元与所述温度传感器电连接并且被配置成能够接收所述温度传感器测得的氧化槽液的实际温度tr；
15.设置在冷却液输出管路中的控制阀，所述控制阀具有阀入口、第一阀出口以及第二阀出口，所述控制阀被配置为，能响应于所述控制单元的控制指令相应地调节所述第一阀出口的开度og1和第二阀出口的开度og2。
16.本实用新型通过以设置在冷却液输出管路中的控制阀控制第一阀出口以及第二阀出口的开度，亦即控制冷却液液压回路中的冷却液的流量来控制氧化槽液的温度，从而可以保持冷却液泵持续开启，冷却液始终循环，这一方面避免了冷却液泵的频繁启动/停止，从而延长了冷却液泵的使用寿命；并且另一方面由于冷却液始终循环而避免了冷却液从静止状态到循环状态所引起的冷却时间的增加。
17.在一些实施方式中，所述开度如下进行调节：控制单元将从温度传感器接收的氧化槽液的实际温度tr与氧化槽液的设定温度ts进行比较，并且当tr＞ts时，控制单元向控制阀发出使第一阀出口的开度逐渐增大、并且使第二阀出口的开度逐渐减小的控制指令，当tr ＜ts时，控制单元向控制阀发出使第一阀出口的开度逐渐减小、并且使第二阀出口的开度逐渐增大的控制指令。
18.根据该实施方式，通过持续地将氧化槽液的实际温度tr与氧化槽液的设定温度ts进行比较并且借此逐渐调整各阀出口的开度，相对于现有技术实现了对氧化槽液温度更加精确的控制。
19.在一些实施方式中，在所述冷却液输入管路中设置有至少一个冷却液输入阀，在所述冷却液输出管路中设置有至少一个冷却液输出阀，在冷却液输入管路与冷却液输出管路之间设置有冷却液旁通管路，在所述冷却液旁通管路中设置有冷却液旁通阀。所述至少一个冷却液输入阀、至少一个冷却液输出阀和冷却液旁通阀优选地设置为手动操作的蝶阀，并且在装置由于发生故障或需要检修而需要停机的情况下可以通过关闭各阀来切断冷却液的循环并且防止冷却液泄漏。
20.在一些实施方式中，该装置还包括与氧化槽液入口流体连通的氧化槽液输入管路、与氧化槽液出口流体连通的氧化槽液输出管路以及在氧化槽液输入管路与氧化槽液输
出管路之间的氧化槽液旁通管路；在所述氧化槽液输入管路中设置有至少一个氧化槽液输入阀，在氧化槽液输出管路中设置有至少一个氧化槽液输出阀，在所述氧化槽液旁通管路中设置有氧化槽液旁通阀。所述至少一个氧化槽液输入阀、至少一个氧化槽液输出阀和氧化槽液旁通阀优选地设置为手动操作的蝶阀，并且在装置由于发生故障或需要检修而需要停机的情况下可以通过关闭各阀来切断冷却液的循环。
21.在一些实施方式中，所述第一阀出口与所述至少一个冷却液输出阀连接，所述第二阀出口与冷却液旁通阀连接。
22.在一些实施方式中，所述控制单元包括存储器，在所述存储器中存储有氧化槽液的所述设定温度ts，所述设定温度能够预先存储在存储器中或者由操作人员通过用于控制阳极氧化槽液温度的装置的输入装置手动输入到存储器中。在手动输入的情况下，可以灵活地调整设定温度，从而使根据本实用新型的装置适用于不同的工况和应用场景。
23.在一些实施方式中，所述开度能分级地调节，例如以5％为一个调节级，即0％，5％，10％
……
100％。或者所述开度能无级地调节，在这种情况下，实现了相比于分级调节对于开度并且进而对于氧化槽液温度更精确的调节。
24.在一些实施方式中，在所述冷却液输入管路中设置有流量计，所述流量计测量冷却液输入管路中的流量q。
25.在一些实施方式中，所述控制单元基于所述氧化槽液的实际温度 tr与氧化槽液的设定温度ts的温度差δt、所述流量q以及冷却液温度tc来调节所述第一阀出口的开度og1和第二阀出口的开度og2。优选地，所述控制单元将所述第一阀出口的开度og1和第二阀出口的开度og2分别调节成符合如下关系式：
26.og1＝c+k1*δt+k2*tc+k3*q
27.og2＝100％-og1
28.其中，c为常数，k1为第一系数，k2为第二系数，k3为第三系数。
29.在一些实施方式中，所述第一阀出口的开度og1和第二阀出口的开度og2之和为100％。
30.在一些实施方式中，所述控制单元包括延迟动作模块，所述延迟动作模块被配置成，在控制单元接收到来自温度传感器的温度值后，使得控制单元首先等待一个等待时间，在该等待时间期间，控制单元将从温度传感器接收到的n个温度值依次比较大小，并且在这n个温度值中的至少80％是依次递增或者依次递减的情况下才将控制指令传输给控制阀，其中，n为大于1的正整数。
31.通过这种延迟动作模块，可以避免执行机构的频繁动作，从而增加其使用寿命，同时，由于尽可能地避免了由于氧化槽液分布不均造成的对温度的误判断，也可以使得对氧化槽液的温度调节更加精确。
32.本实用新型的上述目的还通过一种用于利用根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置来控制阳极氧化槽液温度的方法，该方法包括如下方法步骤：
33.由控制单元获取氧化槽液的实际温度tr；
34.由控制单元接收来自氧化槽液的实际温度tr并将其与氧化槽液的设定温度ts进行比较；
35.并且当tr＞ts时，由控制单元向控制阀发出使第一阀出口的开度逐渐增大、并且
使第二阀出口的开度逐渐减小的控制指令，当tr ＜ts时，由控制单元向控制阀发出使第一阀出口的开度逐渐减小、并且使第二阀出口的开度逐渐增大的控制指令。
36.在根据本实用新型的方法的一些实施方式中，由控制单元基于所述氧化槽液的实际温度tr与氧化槽液的设定温度ts的温度差δt、所述流量q以及冷却液温度tc来调节所述第一阀出口的开度og1和第二阀出口的开度og2。
37.在根据本实用新型的方法的一些实施方式中，所述控制单元包括延迟动作模块，所述延迟动作模块被配置成，在控制单元接收到来自温度传感器的温度值后，使得控制单元首先等待一个等待时间，在该等待时间期间，控制单元将从温度传感器接收到的n个温度值依次比较大小，并且在这n个温度值中的至少80％是依次递增或者依次递减的情况下才将控制指令传输给控制阀，其中，n为大于1的正整数。
38.可以理解的是，在此未说明的对于根据本实用新型装置的变型方案以及优点的描述同样适用于根据本实用新型的方法，并且因此在此不再赘述。
附图说明
39.为了更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制，其中：
40.图1示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的板式换热器的正视图；
41.图2示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的氧化槽液循环侧的液压线路图；
42.图3示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的的冷却液循环侧的液压线路图；
43.图4示出根据现有技术的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的液压线路图，利用冷却液泵启/停控制阳极槽液温度方式的示意图；
44.图5示出根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的液压线路图，利用电动比例三通阀动作控制阳极槽液温度方式的示意图；
45.图6示出根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的温度曲线与现有技术中的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的温度曲线的对比。
具体实施方式
46.接下来将参照附图详细描述本实用新型的实用新型构思。这里所描述的仅仅是根据本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本实用新型的其他方式，所述其他方式同样落入本实用新型的范围。
47.在整个说明书和权利要求书中所使用的某些术语虽然大部分为人们所熟知，但可仍然需要作出一些解释。
48.术语“一个”、“一种”和“该”、“所述”可互换使用，“至少一个(种)”是指一个(种)或多个(种)所述要素。
49.术语“和/或”意指任一者或两者。例如“a和/或b”意指仅 a、仅b或a和b两者。
50.词语“优选”和“尤其是”是指在某些情况下可提供某些益处的本公开的实施方案。然而，在相同的情况或其它情况下，其它实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其它实施方案是不可用的，并且并不旨在将其它实施方案排除在本公开的范围之外。
51.术语“基本上”、“大约”表示允许合理范围内的误差。
52.在本实用新型的意义中，“阳极氧化槽液”、“槽液”或者说“氧化槽液”、“药液”指的是在阳极氧化工艺中在阳极氧化槽中用于阳极氧化的液体，这几种表述在本技术中表示同一概念并且可以混用。
53.在本实用新型的意义中，“冷却液”指的是在板式热交换器中用于冷却氧化槽液的液体，在本技术的示意性的实施例中，冷却液例如可以为26％的乙二醇溶液。
54.图1示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的板式换热器的正视图，利用所述板式换热器对阳极氧化槽中的槽液进行冷却，板式换热器包括多个优选相同构造的金属板、尤其是金属波纹板，在每个所述金属波纹板上设有开口，这些开口形成用于流体流动的通道，热量将在两种液体、即氧化槽液以及冷却液之间传递。
55.为此，如图1所示，板式换热器包括氧化槽液循环侧以及冷却液循环侧，所述氧化槽液循环侧具有用于氧化槽液的氧化槽液入口d2 和氧化槽液出口d1，所述冷却液循环侧具有用于冷却液的冷却液入口d3和冷却液出口d4。在所述氧化槽液循环侧以及冷却液循环侧中，氧化槽液和冷却液分别从入口进入板式热交换器、经由在金属波纹板上的开口形成的通道从出口离开，在此过程中，氧化槽液和冷却液通过金属波纹板在板式热交换器内进行热交换。
56.图2示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的液压线路图。图2示出与氧化槽液循环侧的氧化槽液入口d2流体连通的氧化槽液输入管路、与氧化槽液出口d1流体连通的氧化槽液输出管路以及在氧化槽液输入管路与氧化槽液输出管路之间的氧化槽液旁通管路。如图2所示，在所述氧化槽液输入管路与氧化槽液输出管路中分别设置有一个阀vd、ve，在所述氧化槽液旁通管路中设置有旁通阀vf。在一种优选的实施方式中，所述各阀 vd、ve和/或vf设计为手动操作型对夹手柄蝶阀，然而不言而喻，所述各阀也可以设计为电动的或者其他类型的阀。可以理解的是，虽然在本实施方式中所述各阀的数量为一个，但根据实际情况也可以设置成多个。在装置由于发生故障或需要检修而需要停机的情况下可以通过关闭各阀来切断冷却液的循环并且防止冷却液泄漏。
57.在正常运行中，阀vd和ve设置为常开的，从而氧化槽液循环侧的氧化槽液经由氧化槽液入口d2、板式换热器以及氧化槽液出口 d1始终处于循环中。在氧化槽液循环侧还设有图2中未示出的温度传感器，该温度传感器能实时地检测氧化槽液的实际温度tr。
58.图3示出根据本实用新型的一种实施方式的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的冷却液循环侧的液压线路图。图3示出与冷却液循环侧的冷却液入口d3流体连通的冷却液输入管路、与冷却液出口d4 流体连通的冷却液输出管路以及在冷却液输入管路与冷却液输出管路之间的冷却液旁通管路。如图3所示，在所述冷却液输入管路与冷却液输出管路中分别设置有阀va、vb，在所述冷却液旁通管路中设置有旁通阀vc。在一种优选的实施方式中，所述各阀va、vb和/或 vc设计为手动操作型对夹手柄蝶阀，然而不言而喻，所述各阀也
可以设计为电动的或者其他类型的阀。可以理解的是，虽然在本实施方式中所述各阀的数量为一个，但根据实际情况也可以设置成多个。在装置由于发生故障或需要检修而需要停机的情况下可以通过关闭各阀来切断冷却液的循环并且防止冷却液泄漏。在冷却液循环侧还包括在图3中未示出但在图5中示出的冷却液泵，该冷却液泵用于使冷却液在冷却液循环侧循环。
59.根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置包括控制单元，该控制单元优选设计为plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)。所述温度传感器将测得的氧化槽液的实际温度 tr传输给所述控制单元或者说plc。所述控制单元包括存储器，在所述存储器中存储有氧化槽液的设定温度ts，该设定温度优选可以预先存储在存储器中或者由操作人员通过用于控制阳极氧化槽液温度的装置的输入装置，例如键盘或触控屏来手动输入。
60.如图3所示，在根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置中在冷却液输出管路中设置有控制阀，优选电动比例积分三通阀。所述控制阀具有与冷却液出口d4连接的阀入口、与阀vb连接的第一阀出口和与旁通阀vc连接的第二阀出口。所述控制阀被配置为，能响应于所述控制单元的控制指令来调节所述第一阀出口和第二阀出口的开度。在此，“开度”是用百分比表示阀门打开程度的术语，例如0％表示全关，100％表示全开。在一些实施方式中，所述开度分级地调整，例如在0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、 80％、90％、100％的范围中调整。在另一些实施方式中，所述开度可以无级地调整。
61.所述开度通过图3中示出的控制阀的执行机构m来执行，所述执行机构例如根据控制阀响应于控制单元的控制信号生成的电信号被驱动，从而控制各阀出口的开度。在一种示例性的分级调整的实施方式中，电信号(电流大小)与开度的对应关系例如为0％(4ma)、 5％(5ma)、10％(6ma)、20％(7ma)、25％(8ma)、30％(9ma)、 40％(10ma)、45％(11ma)、50％(12ma)、60％(13ma)、65％ (14ma)、70％(15ma)、75％(16ma)、80％(17ma)、90％(18ma)、 95％(19ma)、100％(20ma)。
62.根据该实施方式，所述开度如下进行调节，即，控制单元将从温度传感器接收的氧化槽液的实际温度tr与氧化槽液的设定温度ts进行比较，并且当tr＞ts时，控制单元使第一阀出口的开度逐渐增大，并且使第二阀出口的开度逐渐减小，当tr＜ts时，控制单元使第一阀出口的开度逐渐减小，并且使第二阀出口的开度逐渐增大。
63.在一些实施方式中，在所述冷却液循环侧中，在所述冷却液输入管路中设置有流量计，所述流量计测量冷却液输入管路中的流量q。
64.所述冷却液由在图4和图5中示出的冷源(冷却机)提供，所述冷源能够输出不同温度tc的冷却液，图4和图5中示例性示出0℃的26％乙二醇作为冷却液。
65.在一些实施方式中，所述控制单元基于所述氧化槽液的实际温度 tr与氧化槽液的设定温度ts的温度差δt、所述流量q以及所述冷却液温度tc来控制所述第一阀出口和第二阀出口的开度。
66.在进一步的实施方式中，所述控制单元按照如下关系式控制所述第一阀出口的第一开度og1和所述第二阀出口的第二开度og2：
67.og1＝c+k1*δt+k2*tc+k3*q
68.og2＝100％-og1
69.其中，c为常数，k1为第一系数，k2为第二系数，k3为第三系数。
70.在本实施方式中，上述系数通过多次试运行后选择出的适宜的温度数据组限定拟合而出，所述适宜的温度数据组是指在多次试运行中温度波动较小或甚至最小的数据组。
71.在一种特别优选的实施方式中，所述控制单元按照如下关系式控制所述第一阀出口的第一开度og1和所述第二阀出口的第二开度 og2：
72.og1＝-0.0123+0.27*δt-0.0876*tc+0.0117*q
73.og2＝100％-og1。
74.根据一种优选的实施方式，所述第一开度og1与第二开度og2 的和为100％，从而确保冷却液循环时不会产生压力、流量的剧烈变化。
75.在一些实施方式中，所述控制单元包括延迟动作模块，所述延迟动作模块被配置成，在控制单元接收到来自温度传感器的温度值后，使得控制单元首先等待一个等待时间tw(该等待时间例如可为10s、20s、30s等)，在该等待时间期间，控制单元将从温度传感器接收到的n(n为大于1的正整数)个温度值依次比较大小，并且在这n个温度值中的至少80％、优选至少90％、尤其优选100％(取整运算) 是依次递增或者依次递减的情况下才将控制指令传输给执行机构。例如，在10s的时间内，控制单元接收到6个温度值10.0、10.1、10.3、 10.2、10.4、10.6，其中的5个(大于80％)温度值是依次递增的，则此时经过10s之后，控制单元将控制指令传输给执行机构以进行温度调节。如果这6个温度值为10.2、10.1、10.3、10.2、10.4、10.6，则其中只有4个(小于80％)，则此时经过10s之后，控制单元不将控制指令传输给执行机构，从而不进行温度调节。
76.通过这样的延迟动作模块，可以避免执行机构的频繁动作，从而增加其使用寿命，同时，由于避免了由于氧化槽液分布不均造成的对温度的误判断，也可以使得对氧化槽液的温度调节更加精确。
77.图4和图5示出根据现有技术的以及根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的液压线路图的对比。由图4可见现有技术中的用于控制阳极氧化槽液温度的装置。图4右侧示出氧化槽液循环侧的液压接线图，该接线图与图2中示出的基本相同。图4右侧还示出氧化液槽以及用于检测氧化槽液温度的温度传感器。
78.图4示出的现有技术中的这种装置仅通过冷却液泵对应于氧化槽液的实际温度和设定温度的比较的启动/停止来使得氧化槽液的温度保持恒定。如同上面已经解释的，现有技术中的这种调节装置具有泵的频繁启停和冷却时间长的缺点。
79.图5示出根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置的液压线路图。与现有技术不同，本实用新型通过以设置在冷却液输出管路中的控制阀控制第一阀出口以及第二阀出口的开度、亦即控制冷却液液压回路中的冷却液的流量来控制氧化槽液的温度，从而可以保持冷却液泵持续开启，冷却液始终循环，这一方面避免了冷却液泵的频繁启动/停止，从而延长了冷却液泵的使用寿命；并且另一方面由于冷却液始终循环而避免了冷却液从静止状态到循环状态所引起的冷却时间的增加。
80.图6示出了图5示出的根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置实现的温度随时间变化的曲线以及图4示出的现有技术中的用于控制阳极氧化槽液温度的装置实现的温度随时间变化的曲线的对比。在图6中，用虚线表示现有技术中的用于控制阳极氧化槽液温度的装置实现的温度曲线，用实线表示根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液
温度的装置实现的温度曲线。由图6可以明显看出，根据本实用新型的技术方案不仅避免了冷却液的泵频繁启停，而且其实现的温度曲线相对于现有技术波动更小。
81.此外，由于根据本实用新型的用于控制阳极氧化槽液温度的装置使得冷却液始终保持循环，也避免了由于从冷却液的静止状态到循环状态所需的时间导致的氧化槽液的冷却时间延长。
82.本实用新型的保护范围仅由权利要求限定。得益于本实用新型的教导，本领域技术人员容易认识到可将本实用新型所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本实用新型所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。