一种用于准分子激光器放电腔的冷却水流量控制系统的制作方法

1.本发明涉及准分子激光器技术领域，特别涉及一种用于准分子激光器放电腔的冷却水流量控制系统。


背景技术：

2.准分子激光器的放电腔室在工作状态时，绝大多数的电源注入能量都会转换为热量，需要通过水冷方式及时散热，从而使激光器工作在恒温的状态下；同时，准分子激光器电极放电过程中，电极之间的工作气体会发生反应，不能保持放电前的状态，必须通过吹扫的方式使放电腔内的气体按照设计的路径高速流动，气体的高速流动是通过一个几千瓦的电机驱动叶轮来实现的，电机的这部分动能最终也大部分转化为了放电腔的热量；此外，反应后的气体也需要通过散热使气体降温，恢复活性。目前，通过在准分子激光器的放电腔室内设置散热器来进行相关的散热，散热器内的冷却水通道通过的水流量最大需要几十升每分钟。在这个过程中如果水流量发生波动，放电腔内的气体温度也会随之发生波动。
3.为了保证准分子激光的光束指标的稳定性，准分子激光器的工作温度波动需控制在一定的范围内，并且其温度波动范围越小越能获得指标更稳定的准分子激光输出，因此，散热器中冷却水的流量的稳定性极其重要。
4.现有的放电腔水冷技术中，通过调整电磁比例阀的开度来调整通过散热器内的冷却水流量，从而实现放电腔内部的温度保持在在准分子激光器的最佳工作温度。由于电磁比例阀自身的特点，电磁比例阀阀芯处液体通经的截面积不能做的太大，流经阀门流量调节口的流速不能太高。因为阀芯密封面过大或者流速过高的话，阀芯受到的冲击力就会很大，这样阀芯会发生抖动甚至出现阀芯调节失效的问题，造成电磁比例阀失效。同时，电磁比例阀在高负荷下长期运行也容易造成电磁线圈的损坏。这也是目前商用准分子激光器配水模块出现故障的主要原因。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中准确分子激光器配水模块无法满足准分子激光器高重频流量要求的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于准分子激光器放电腔的冷却水流量控制系统，包括设置在放电腔内的散热器和温度传感器、设置在放电腔外的pid模块和用于提供冷却水的冷水机以及用于连接所述散热器和所述冷水机的管路模块，所述管路模块包括使冷却水由所述冷水机流向所述散热器的第一管路、使冷却水由所述散热器流向所述冷水机的第二管路，所述第一管路包括并联的第一支路和第二支路，所述第一支路上设置有电磁比例阀，所述第二支路上设置有电动比例阀，所述pid模块分别通信连接于所述电磁比例阀、所述电动比例阀和所述温度传感器。
7.可选地，所述第二支路上还设置有与所述电动比例阀串联的电磁阀，所述电磁阀通信连接于所述pid模块，冷却水依次通过所述电磁阀和所述电动比例阀进入所述散热器。
8.可选地，所述第一支路上设置有与所述电磁比例阀串联的第一流量计，冷却水依次通过所述电磁比例阀和所述第一流量计进入所述散热器；所述第二支路上设置有与所述电磁阀、所述电动比例阀串联的第二流量计，冷却水依次通过所述电磁阀、所述电动比例阀和所述第二流量计进入所述散热器；所述第一流量计和所述第二流量计均通信连接所述pid模块。
9.可选地，当准分子激光器在频率3khz以下工作时，所述第一支路开启，所述第二支路关闭。
10.可选地，当准分子激光器在频率4khz工作时，所述第二支路的所述电磁阀打开，所述电动比例阀打开到30％，所述pid模块通过所述第二流量计采集的流量信息结合所述温度传感器对所述第一支路的所述电磁比例阀进行开启度调节控制。
11.可选地，当准分子激光器在频率6khz工作时，所述第二支路的所述电磁阀打开，所述电动比例阀打开到50％，所述pid模块通过所述第二流量计采集的流量信息结合所述温度传感器对所述第一支路的所述电磁比例阀进行开启度调节控制。
12.可选地，在burst模式工作状态下，当准分子激光器停止放电时，所述电磁阀关闭，所述电动比例阀的开启位置保持放电时的工作位置，所述第一支路保持打开。
13.可选地，在burst模式工作状态下，当准分子激光器放电时，所述第一支路和所述第二支路均开启。
14.可选地，当准分子激光器的发热量超过了所述pid模块中程序预设的范围时，同时调整所述第一支路的所述电磁比例阀和所述第二支路的所述电动比例阀，并通过监控所述第一支路上的所述第一流量计和所述第二支路上的所述第二流量计的流量，保证进入所述放电腔内的流量不变的情况下将所述第一支路上的所述电磁比例阀调整到最佳工作范围。
15.由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
16.本发明提供一种用于准分子激光器放电腔的冷却水流量控制系统，包括设置在放电腔内的散热器和温度传感器、设置在放电腔外的pid模块和用于提供冷却水的冷水机以及用于连接散热器和冷水机的管路模块，管路模块包括使冷却水由冷水机流向散热器的第一管路、使冷却水由散热器流向冷水机的第二管路，第一管路包括并联的第一支路和第二支路，第一支路上设置有电磁比例阀，第二支路上设置有电动比例阀，pid模块分别通信连接于电磁比例阀、电动比例阀和温度传感器。通过采用电磁比例阀和电动比例阀并联的模式，使准分子激光器的冷却水流量范围可以覆盖更大功率、更高重频的工况需求。
附图说明
17.图1是本技术提供的冷却水流量控制系统的结构示意图。
18.图2是本技术提供的冷却水流量控制系统的电磁比例阀的结构示意图。
19.图3是本技术提供的冷却水流量控制系统的电动比例阀的结构示意图。
20.附图标记说明如下：
21.10、放电腔；20、散热器；30、温度传感器；40、pid模块；50、管路模块；51、第一管路；511、第一支路；512、电磁比例阀；5121、电磁比例阀阀座；5122、阀芯；5123、弹簧；5124、线圈；5125、阀芯密封面；5126、阀座密封面；513、第一流量计；514、第二支路；515、电动比例阀；5151、电动比例阀阀座；5152、阀盘；5153、伸缩机构；5154、减速机构；5155、驱动电机；
5156、位置传感器；5157、结构支撑件；5158、静密封面；5159、动密封面；516、电磁阀；517、第二流量计；52、第二管路；60、冷水机。
具体实施方式
22.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
23.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
25.本技术提供了一种用于准分子激光器放电腔10的冷却水流量控制系统，包括设置在放电腔10内的散热器20和温度传感器30、设置在放电腔10外的pid模块40和用于提供冷却水的冷水机60以及用于连接散热器20和冷水机60的管路模块50，pid模块40分别通信连接温度传感器30和管路模块50。
26.管路模块50包括使冷却水由冷水机60流向散热器20的第一管路51、使冷却水由散热器20流向冷水机60的第二管路52。
27.第一管路51上设置包括并联设置的第一支路511和第二支路514，第一支路511上设置有电磁比例阀512，第二支路514上设置有电动比例阀515，电磁比例阀512和电动比例阀515均与pid模块40通信连接。放电腔10内的温度传感器30通过通信线路将温度信号传递到pid模块40，然后pid模块40将控制信号通过通信线路传递给电磁比例阀512和电动比例阀515。
28.冷水机60中的冷却水出口端分别连接第一支路511和第二支路514，使得冷水机60中的恒温冷却水在第一支路511中经过电磁比例阀512，恒温冷却水在第二支路514中经过电动比例阀515，电磁比例阀512通过调整阀门开度大小来调整通过第一支路511的冷却水流量，电动比例阀515通过调整阀门开度大小来调整通过第二支路514的冷却水流量，然后经过第一支路511和第二支路514的恒温冷却水汇入一条主管路，主管路连接放电腔10内的散热器20，在散热器20中，冷切介质与放电腔10中的高温气体进行热量交换后经第二管路52流出放电腔10，最后回到水冷机，通过第一支路511和第二支路514中的冷却水的流量变化的总和来实现放电腔10内部的温度保持在准分子激光器的最佳工作温度。
29.电磁比例阀512包括电磁比例阀阀座5121、设置在电磁比例阀阀座5121上的阀芯5122、弹簧5123和线圈5124，电磁比例阀阀座5121上开设有供冷却水流进的入口以及供冷却水流出的出口。电磁比例阀512工作时，液体通过入口进入电磁比例阀512中，线圈5124接
受输入的电流信号将其转换成电磁力，电磁力作用在阀芯5122上使其向上移动，此时与阀座密封面5126分开，液体可以从入口流到出口。线圈5124随着接受到的电流信号的大小变化其产生的电磁力也发生变化。电磁力吸引阀芯5122上升，这个过程中需要克服弹簧5123对阀芯5122的弹力。当线圈5124对阀芯5122吸引力与弹簧5123对阀芯5122弹力平衡时阀芯5122停止运动，此时阀芯密封面5125与阀座密封面5126有一个开度，这个开度的大小决定了液体的通过能力。当电流改变时阀门的开度也随之发生改变，通过阀门的液体流量也随之改变。
30.电动比例阀515包括电动比例阀阀座5151、设置在电动比例阀阀座5151上的阀盘5152、伸缩机构5153、减速机构5154、驱动电机5155、位置传感器5156和结构支撑件5157，电动比例阀阀座5151上开设有供冷却水流人的入口和流出的出口。电动比例阀515工作时，液体通过入口进入电动比例阀515中，驱动电机5155接收到输入的电流信号后进行转动，驱动电机5155的转动经过减速机构5154转速下降扭矩增加，之后再带动伸缩机构5153转动，伸缩机构5153上有螺纹，随着转动其可以上下移动，从而带动阀盘5152上下移动，使得阀盘5152上的动密封面5159与电动比例阀阀座5151上的静密封面5158的开口大小发生改变，从而液体流过电动比例阀515的流量也发生改变。电动比例阀515上的位置传感器5156是用来检测阀盘5152的位置，从而判断电动比例阀515开启的大小，使得电动比例阀515的控制以形成一个闭环。
31.由于电动比例阀515的阀芯5122采用硬性的机械连接，其抗冲击力的能力更强，可以将阀门的口径做的更大，可以适合大流量的流量控制，且相对于电磁比例阀512，电动比例阀515的控采用的是闭环控制，流量控制精度更高，电动比例阀515的阀芯5122采用硬性的机械连接，其阀盘5152和阀座密封处的结构设计更加具有灵活性，这样可以使得电动比例阀515阀芯5122的整个行程所对应的流量更加线性，在面对流体扰动时阀芯5122更加稳定，流经电动比例阀515的流量也更加稳定。而由于电磁比例阀512的阀芯5122结构是线圈5124直接驱动的，阀芯5122在接收大电磁力后到阀芯5122运动到相应的位置所用的时间更短。因此，相对于在冷却管路中单独使用电磁比例阀512无法满足准分子激光器高重频流量的要求，以及在冷却管路中单独使用电动比例阀515无法满足准分子激光器在burst模式下执行运动速度慢，无法快速调整流量实现精确温控的问题，通过采用电磁比例阀512和电动比例阀515并联的模式，避免了使准分子激光器的冷却水流量范围可以覆盖更大功率、更高重频的工况需求。
32.进一步地，第二支路514上还设置有与电动比例阀515串联的电磁阀516，冷却水依次通过电磁阀516和电动比例阀515进入散热器20，电磁阀516通过开启和闭合来实现第二支路514的快速开启和关闭，补偿了电动比例阀515从开启的某个位置到完全关闭状态或者从完全关闭状态到某个开启位置需要时间较长的问题，使得在面对burst模式下以及工作频率切换时放电腔10发热量波动较大，放电腔10内仍然能保持腔体温度处于最佳工作温度。
33.进一步地，第一支路511上设置有与电磁比例阀512串联的第一流量计513，冷却水依次通过电磁比例阀512和第一流量计513进入散热器20；第二支路514上设置有与电磁阀516、电动比例阀515串联的第二流量计517，冷却水依次通过述电磁阀516、电动比例阀515和第二流量计517进入散热器20。第一流量计513和第二流量计517均通信连接pid模块40，
第一流量计513通过通信线路将第一条支路上的流量信息实时反馈给pid模块40。第二条支路水路上安装第二流量计517，第二流量通过通信线路将第二条支路上的流量信息实时反馈给pid模块40。pid模块40通过放电腔10内的温度传感器30反馈的温度信号，并结合第一支路511上第一流量计513、第二支路514上第二流量计517的流量信息对第一支路511上的电磁比例阀512和第二支路514上的电动比例阀515开度进行调节，合理的分配第一支路511和第二支路514上的冷却水流量，以实现高精度、高流量的水流控制，从而达到放电腔10快速、高精度的温度控制。通过在第一支路511和第二支路514上分别安装流量计，使得两个支路的流量动态可调，可以保证电磁比例阀512和电动比例阀515都在最佳工作区间内进行工作，提高控温精度。
34.该冷却水流量控制系统的使用工况如下：
35.当准分子激光器在频率3khz以下工作时，第一支路511开启，第二支路514关闭，也即电磁阀516关闭，此时冷却水通过第一支路511的电磁比例阀512、第一流量计513然后进入放电腔10，通过放电腔10上的散热器20进行换热后冷却水流回冷水机60。此过程中pid模块40接受到准分子激光器的命令，通过放电腔10内部的温度传感器30、电磁比例阀512三方形成回路进行控温，此时第一流量计513只是起到监测校准作用，第二支路514不参与温控工作；
36.当准分子激光器在频率4khz工作时，第二支路514的电磁阀516打开，电动比例阀515打开到30％，冷却水流从冷水机60流经第二支路514，第二流量计517采集到第二支路514的流量信息反馈给pid模块40。pid模块40结合温度传感器30、第二流量计517的信息，对第一支路511的电磁比例阀512进行开启度调节控制，使得这放电腔10可以达到最佳工作温度；
37.当准分子激光器在频率6khz工作时，第二支路514电磁阀516打开，电动比例阀515打开到50％，冷却水流从冷水机60流经第二支路514，第二流量计517采集到第二支路514的流量信息反馈给pid模块40。pid模块40结合温度传感器30、第二流量计517的信息，对第一支路511的电磁比例阀512进行开启度调节控制，使得放电腔10可以达到最佳工作温度；
38.准分子激光器在频率3khz、4khz和6khz的工作模式下，第一支路511上的电磁比例阀512始终工作在最佳工作区间内(流量与开启度线性关系最佳的工作范围)，第二支路514的电动比例阀515开启状态是为了提供一个稳定的大流量；
39.在burst模式工作状态下，当准分子激光器停止放电时，电磁阀516关闭，第二支路514截断流量，而电动比例阀515的开启位置仍然在放电时的工作位置，此时第一支路511的电磁比例阀512开启就能让放电腔10保持在最佳工作温度；当准分子激光器放电时，电磁阀516迅速打开，第二支路514的冷却水通路恢复，提供大流量的冷却水，第一支路511上的电磁比例阀512用于微调流量；如此可以满足在burst工作模式下放电腔10发热量急速改变但准分子激光器放电腔10温度不能有波动的要求，即冷却水流量变化速度要又大又快；
40.当准分子激光器的发热量超过了pid程序预设的范围时，第一支路511上的电磁比例阀512开启区间超出了其最佳工作范围，同时调整第一支路511上的电磁比例阀512和第二支路514的电动比例阀515，通过监控第一支路511上的第一流量计513和第二支路514上的第二流量计517的流量，保证进入放电腔10内的流量不变的情况下将第一支路511上的电磁比例阀512调整到最佳工作范围。
41.通过本技术提供的冷却水流量控制系统，能够充分利用电磁比例阀512流量调节速率高，但流量的调节范围较小；电动比例阀515流量调节范围大，流量调节精度高，但是流量调节速率较低的特点。采用电磁比例阀512和大口径的电动比例阀515并联的方式，整个温度控制系统的压力可以控制在一个较小的范围内，这样准分子激光器供应的冷却水的压力可以更低，降低了准分子激光器冷却水管路的设计难度，提高了准分子激光器水路的安全可靠性，整个温度控制系统的压力可以控制在一个较小的范围内，这样准分子激光器供应的冷却水的温度、压力适应范围更宽，可以更好的兼容半导体长的厂务设施；且通过pid模块40的控制逻辑，在电磁阀516、流量计的辅助下，使电磁比例阀512和电动比例阀515都工作在自己的最佳工作区间内，同时满足准分子激光器放电腔10温控水流量精度高、流量大、流量变化大、流量变化快的要求。采用电磁阀516、电动比例阀515、流量计串联后再与电磁比例阀512、流量计并联的方式，整套温控系统中的监测控制元器件更多，能够根据准分子激光器的不同工作模式开发出相应的最佳控温方式。
42.本发明提供一种用于准分子激光器放电腔10的冷却水流量控制系统，包括设置在放电腔10内的散热器20和温度传感器30、设置在放电腔10外的pid模块40和用于提供冷却水的冷水机60以及用于连接散热器20和冷水机60的管路模块50，管路模块50包括使冷却水由冷水机60流向散热器20的第一管路51、使冷却水由散热器20流向冷水机60的第二管路52，第一管路51包括并联的第一支路511和第二支路514，第一支路511上设置有电磁比例阀512，第二支路514上设置有电动比例阀515，pid模块40分别通信连接于电磁比例阀512、电动比例阀515和温度传感器30。通过采用电磁比例阀512和电动比例阀515并联的模式，使准分子激光器的冷却水流量范围可以覆盖更大功率、更高重频的工况需求；且采用电磁比例阀512和电动比例阀515并联的模式，利用电动比例阀515流量控制精度更高的特长，使控温系统的相对控温精度比采用多个电磁比例阀512并联的控温精度更高。
43.虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。