CN115341197B - 喷淋冷却一体板及用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷淋冷却一体板及用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，包括本体，本体设置通入冷却媒介的第一冷却管路和第二冷却管路，且第一冷却管路和第二冷却管路的流入和流出路径相反；本体的中间设置喷淋通道，喷淋通道的两侧分别开设多个喷淋孔，同侧的多个喷淋孔错落排布；第一冷却管路设置第一冷却管路入口和第一冷却管路出口，冷却媒介由第一冷却管路入口的流入，分为多路，多路的冷却媒介在本体内经过一个来回的路径后，多路的冷却媒介合为一路从第一冷却管路出口流出；第二冷却管路位于喷淋通道的中间，且沿本体的长度方向设置。本发明使化学源气流的流动更稳定、利用率更高，化学源气流可与氧气混合更充分，有利于MOCVD生产高性能薄膜。

Description

喷淋冷却一体板及用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统

技术领域

本发明涉及高温超导材料制备技术领域，尤其是指一种喷淋冷却一体板及用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统。

背景技术

高温超导材料在电力、新能源、医疗设备、国防装备等领域都有着广泛的应用前景。国内外都有不少公司致力于高温超导带材产业化开发及应用展示，高温超导带材正在形成一个新兴的产业。高温超导带材是表面镀有金属氧化物薄膜的金属薄带，其厚度一般在50μm-100μm之间，宽度在4mm-20mm之间，长度则可长可短，短至几厘米，长至几公里。

制备高温超导带材超导层的一种主流方法是MOCVD法(金属有机化学气相沉积法)制备。MOCVD法是在真空环境下把金属有机化学源泵入到蒸发器里，蒸发器以及输运管道都有加热系统，通过加热把化学源蒸汽输运到沉积腔的喷淋系统，在喷淋系统内进行均匀打散、与氧气混合等动作后，来到超导带材表面，超导带材紧贴弧形板，弧形板被加热到1000℃左右，在这种高温条件下，化学源与氧气就能在超导带材表面沉积超导薄膜。目前，现有的喷淋系统结构如图1所示，其喷淋路径如下：喷淋腔-喷淋板-冷却板-氧气板-挡流板。

然而，现有的喷淋系统存在以下不足之处：(1)高温下，冷却板与喷淋板由于温差大，热变形量不一致使得两者接触不好，最终导致冷却效果不好，喷淋板温度不易控制；(2)化学源气流流过的途径直角较多，容易形成湍流，再加上两侧没有挡板，导致大部分化学源气流直接被真空泵抽走，无法到达带材表面成膜，化学源利用率较低；(3)氧气板直接受到弧形板的热辐射，温度较高，导致氧气板的氧气孔附近化学源容易和氧气发生反应，严重的会堵塞氧气孔。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种喷淋冷却一体板及用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统。

本发明所采用的技术方案如下：

一种喷淋冷却一体板，包括本体，所述本体设置通入冷却媒介的第一冷却管路和第二冷却管路，且所述第一冷却管路和所述第二冷却管路的流入和流出路径相反；

所述本体的中间设置喷淋通道，所述喷淋通道的两侧分别开设多个喷淋孔，同侧的多个所述喷淋孔错落排布；

所述第一冷却管路设置第一冷却管路入口和第一冷却管路出口，冷却媒介由所述第一冷却管路入口的流入，分为多路，所述多路的冷却媒介在所述本体内经过一个来回的路径后，所述多路的冷却媒介合为一路从所述第一冷却管路出口流出；

所述第二冷却管路位于所述喷淋通道的中间，且沿所述本体的长度方向设置；所述第二冷却管路设置第二冷却管路入口和第二冷却管路出口；冷却媒介由所述第二冷却管路入口流入，从所述第二冷却管路出口流出。

其进一步的技术特征在于：同侧的多个所述喷淋孔按多列排布，且同列的所述喷淋孔在同一水平线上，相邻两列的所述喷淋孔的圆心不在同一垂直线上。

其进一步的技术特征在于：沿所述本体的周长设置多个连接孔。

其进一步的技术特征在于：所述本体还设置热电偶。

其进一步的技术特征在于：所述冷却媒介为气体或液体。

一种用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，包括：

扩散板，设有扩散通道，扩散化学源气流；

如上述所述的喷淋冷却一体板，对化学源气流进行冷却；

隔热模块，隔绝对所述喷淋冷却一体板的热辐射；

氧气板，设置在所述隔热模块之下，输送氧气；

导流板，设置在所述氧气板之下，均匀散开从所述喷淋冷却一体板流下来的气流，并且改变氧气流向，混合氧气与从所述喷淋冷却一体板流下来的气流；

挡流模块，限制化学源气流从沉积区流出。

其进一步的技术特征在于：所述隔热模块包括至少一组第一隔热片、至少一组隔热板和至少一组第二隔热片，所述第一隔热片设置在所述喷淋冷却一体板和所述隔热板之间，所述第二隔热片设置的所述喷淋冷却一体板的两侧。

其进一步的技术特征在于：所述导流板的截面形状为三角形。

其进一步的技术特征在于：所述挡流板包括第一挡流板和第二挡流板，所述第一挡流板设置在所述导流板的长度两侧，所述第二挡流板设置在所述导流板的宽度两侧。

其进一步的技术特征在于：所述第一挡流板包括呈L型设置的第一连接板和第二连接板，且第二连接板的截面为弧形。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明提供的喷淋冷却一体板冷却效率高，冷却均匀，高温下不易变形。

2、本发明提供的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统中各部件体积较小，成本低。

3、本发明提供的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统结构设计灵活，易拆卸。

4、本发明提供的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统中化学源气流的流动更稳定、利用率也更高，与氧气混合更充分，有利于金属有机化学气相沉积生产高性能薄膜。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有的喷淋系统的结构示意图。

图2是本发明中喷淋系统的主视图。

图3是本发明中喷淋系统的侧视图。

图4是本发明中喷淋系统的爆炸图。

图5是本发明中喷淋冷却一体板的结构示意图。

图6是图5中喷淋通道的局部放大示意图。

图7是本发明中喷淋冷却一体板的透视图。

图8是本发明中第一隔热片的结构示意图。

图9是本发明中隔热板的结构示意图。

图10是本发明中第二隔热片的结构示意图。

图11是本发明中氧气板的结构示意图。

图12是本发明中导流板的结构示意图。

图13是本发明中第一挡流板的结构示意图。

图14是本发明中第二挡流板的结构示意图。

图15是本发明中扩散板的结构示意图。

图16是图15中的局部放大示意图。

说明书附图标记说明：1、喷淋冷却一体板；11、喷淋孔；12、第一冷却管路；13、第一冷却管路入口；14、第一冷却管路出口；15、第二冷却管路；16、连接孔；17、第二冷却管路入口；18、第二冷却管路出口；2、第一隔热片；3、隔热板；4、第二隔热片；5、氧气板；6、导流板；7、第一挡流板；8、第二挡流板；9、扩散板；10、弧形板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

实施例1：

结合图5-图7，一种喷淋冷却一体板，包括本体，本体设置通入冷却媒介的第一冷却管路12和第二冷却管路15，且第一冷却管路12和第二冷却管路15的流入和流出路径相反；

本体的中间设置喷淋通道，喷淋通道的两侧分别开设多个喷淋孔11，同侧的多个喷淋孔11错落排布；

第一冷却管路12设置第一冷却管路入口13和第一冷却管路出口14，冷却媒介由第一冷却管路入口13的流入，分为多路，多路的冷却媒介在本体内经过一个来回的路径后，多路的冷却媒介合为一路从第一冷却管路出口14流出；

第二冷却管路15位于喷淋通道的中间，且沿本体的长度方向设置；第二冷却管路15设置第二冷却管路入口17和第二冷却管路出口18；冷却媒介由第二冷却管路入口17流入，从第二冷却管路出口18流出。

上述提供了一种喷淋冷却一体板，解决现有的冷却板与喷淋板在高温下，由于温差大，热变形量不一致使得两者接触不好，最终导致冷却效果不好，喷淋板温度不易控制的问题。

在本实施例中，同侧的多个喷淋孔11按多列排布，且同列的喷淋孔11在同一水平线上，相邻两列的喷淋孔11的圆心不在同一垂直线上。具体地，喷淋孔11共有六列，喷淋通道的每侧设置三列喷淋孔11。其中，第一冷却管路入口13的离喷淋孔11较近，用于提高对喷淋孔11的冷却效率；第一冷却管路出口14离密集喷淋孔较远，用于对非喷淋孔区域进行冷却。第二冷却管路15贯穿喷淋通道的中间，用于提高对喷淋孔11的冷却效率。

在本实施例中，第一冷却管路12为两进两出的气体管路，即冷却媒介由第一冷却管路入口13流入，然后分为两路，两路的冷却媒介在喷淋冷却一体板1内经过一个来回的路径后，两路的冷却媒介合为一路从第一冷却管路出口14流出。

在本实施例中，沿本体的周长设置多个连接孔16。优选地，连接孔16为螺丝孔，螺丝孔用于将喷淋冷却一体板1进行装配。

在本实施例中，本体还设置热电偶。具体地，本体开设四个热电偶孔，热电偶孔内安装热电偶，四个热电偶分别测量喷淋孔11喷淋的化学源气流的温度，从而可以对喷淋冷却一体板1进行冷却和控温。

在本实施例中，冷却媒介为气体或液体。优选地，冷却媒介采用压缩空气，通过空压机可提供最大7公斤压力的压缩空气。

本实施例的工作原理如下：

冷却媒介通入互相独立的第一冷却管路12和第二冷却管路15，且第一冷却管路12的压力和第二冷却管路15的压力是单独可调的。

压缩空气由第一冷却管路入口13流入，然后分为两路，两路压缩空气在喷淋冷却一体板1内经过一个来回的途径后，两路压缩空气合为一路从第一冷却管路出口14流出；第二冷却管路15采用左进右出的冷却途径，即压缩空气由第二冷却管路入口17流入，从第二冷却管路出口18流出。使用时，调节第一冷却管路12和第二冷却管路15的气体压力，达到使喷淋冷却一体板1温度均匀的目的。

综上所述，本实施例将喷淋板和冷却板集成化，冷却效率高、冷却均匀。

实施例2：

结合图2-图4，一种用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，包括：

扩散板9，设有扩散通道，扩散化学源气流；

如实施例1提供的喷淋冷却一体板1，对化学源气流进行冷却；

隔热模块，隔绝对喷淋冷却一体板的热辐射；

氧气板5，设置在隔热模块之下，输送氧气；

导流板6，设置在氧气板5之下，均匀散开从喷淋冷却一体板1流下来的气流，并且改变氧气流向，混合氧气与从喷淋冷却一体板1流下来的气流；

挡流模块，限制化学源气流从沉积区流出。

上述提供了一种用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，解决现有的喷淋系统的问题，例如，高温下冷却板与喷淋板由于温差大，热变形量不一致使得两者接触不好，最终导致冷却效果不好，喷淋板温度不易控制；化学源气流流过的途径直角较多，容易形成湍流，再加上两侧没有挡板，导致大部分化学源气流直接被真空泵抽走，无法到达带材表面成膜，化学源利用率较低；氧气板直接受到弧形板的热辐射，温度较高，导致氧气板的氧气孔附近化学源容易和氧气发生反应，严重的会堵塞氧气孔。

结合图15和图16，在本实施例中，扩散通道设有扩散孔，且扩散孔的孔位与喷淋冷却一体板1的喷淋孔11的孔位错开分布，扩散板起到打散气流，达到使沉积到基材的气流更加均匀的目的。

结合图8-图10，在本实施例中，隔热模块包括至少一组第一隔热片2、至少一组隔热板3和至少一组第二隔热片4，第一隔热片2设置在喷淋冷却一体板1和隔热板3之间，第二隔热片4设置的喷淋冷却一体板1的两侧。

具体地，一组隔热板3在喷淋冷却一体板1的前后各一片，两组第一隔热片2在喷淋冷却一体板1的前后各一片，一组第二隔热片4在喷淋冷却一体板1的左右各一片。

如图11所示，在本实施例中，氧气板5的两侧设置有氧气输送管道，氧气板5上设有均匀分布的密集氧气孔，氧气通过氧气输送管道流入氧气板5并通过氧气孔均匀地流出氧气板5。

如图12所示，在本实施例中，导流板6的截面形状为三角形。三角形的导流板6的作用如下：(1)起到让从喷淋冷却一体板1流下来的气流均匀散开，减少湍流；(2)改变氧气流向，让氧气与从喷淋板流下来的气流充分混合；(3)帮助氧气板5隔绝辐射上来的热量，降低氧气板5的温度，减少化学源在氧气板5上反应的量。

结合图13和图14，在本实施例中，挡流板包括第一挡流板7和第二挡流板8，第一挡流板7设置在导流板6的长度两侧，第二挡流板8设置在导流板6的宽度两侧。

具体地，为有效限制化学源气流被泵抽走，提高化学源气流利于率的作用，第一挡流板7包括呈L型设置的第一连接板和第二连接板，且第二连接板的截面为弧形。

在本实施例中，还包括弧形板10，弧形板10设置在挡流板下方，弧形板10用于放置带材。

本实施例可以通过仿真计算进一步优化整个喷淋系统，例如喷淋冷却一体板1的喷淋孔11、隔热板3、导流板6、挡流板的尺寸和/或形状等。

本实施例的工作原理如下：

首先，化学源气流(温度270℃-300℃)从上往下运动，先到达喷淋冷却一体板1，经过喷淋冷却一体板1的喷淋孔11后化学源气流被均匀打散开后，化学源气流继续往下运动；

其次，化学源气流经过第一隔热片2、隔热板3和第二隔热片4后，来到氧气板5处，并与氧气板5出来的打散的氧气(温度大于300℃)发生均匀混合后，继续向下运动。

然后，化学源气流和氧气混合后的混合气流到达导流板6，由于导流板6形状的原因在前后方向上进一步散开后，继续向下运动。

最后，混合气流到达第一挡流板7和第二挡流板8，由于第一挡流板7、第二挡流板8与下方的弧形板10的缝隙很小，所以大部分的混合气流能够继续往下运动到达弧形板10表面的带材上(温度约为1000℃)，并在高温下在带材表面成膜，达到制备超导层的作用，而只有小部分的化学源、氧气混合气流是被真空泵直接抽走。

综上所述，本实施例把冷却管路直接集成到喷淋板内部形成喷淋冷却一体板1，并加入隔热模块，隔热模块例如各种隔热板，改善冷却效果不好的问题；氧气板5的下方增加导流板6，既改善化学源气流内湍流较多的现象，又可以帮助氧气板5隔绝热量；本实施例增加第一挡流板7和第二挡流板8，使得化学源气流更难被真空泵抽走，提高化学源气流的利用率。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：包括：

扩散板（9），设有扩散通道，扩散化学源气流；

喷淋冷却一体板（1），对化学源气流进行冷却；所述喷淋冷却一体板（1）包括本体，所述本体设置通入冷却媒介的第一冷却管路（12）和第二冷却管路（15），且所述第一冷却管路（12）和所述第二冷却管路（15）的流入和流出路径相反；

所述本体的中间设置喷淋通道，所述喷淋通道的两侧分别开设多个喷淋孔（11），同侧的多个所述喷淋孔（11）错落排布；

所述第一冷却管路（12）设置第一冷却管路入口（13）和第一冷却管路出口（14），冷却媒介由所述第一冷却管路入口（13）流入，分为多路，所述多路的冷却媒介在所述本体内经过一个来回的路径后，所述多路的冷却媒介合为一路从所述第一冷却管路出口（14）流出；

所述第二冷却管路（15）位于所述喷淋通道的中间，且沿所述本体的长度方向设置；所述第二冷却管路（15）设置第二冷却管路入口（17）和第二冷却管路出口（18）；冷却媒介由所述第二冷却管路入口（17）流入，从所述第二冷却管路出口（18）流出；

隔热模块，隔绝对所述喷淋冷却一体板的热辐射；

氧气板（5），设置在所述隔热模块之下，输送氧气；

导流板（6），设置在所述氧气板（5）之下，均匀散开从所述喷淋冷却一体板（1）流下来的气流，并且改变氧气流向，混合氧气与从所述喷淋冷却一体板（1）流下来的气流；

挡流模块，限制化学源气流从沉积区流出。

2.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：同侧的多个所述喷淋孔（11）按多列排布，且同列的所述喷淋孔（11）在同一水平线上，相邻两列的所述喷淋孔（11）的圆心不在同一垂直线上。

3.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：沿所述本体的周长设置多个连接孔（16）。

4.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述本体还设置热电偶。

5.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述冷却媒介为气体或液体。

6.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述隔热模块包括至少一组第一隔热片（2）、至少一组隔热板（3）和至少一组第二隔热片（4），所述第一隔热片（2）设置在所述喷淋冷却一体板（1）和所述隔热板（3）之间，所述第二隔热片（4）设置的所述喷淋冷却一体板（1）的两侧。

7.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述导流板（6）的截面形状为三角形。

8.根据权利要求1所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述挡流模块包括第一挡流板（7）和第二挡流板（8），所述第一挡流板（7）设置在所述导流板（6）的长度两侧，所述第二挡流板（8）设置在所述导流板（6）的宽度两侧。

9.根据权利要求8所述的用于金属有机化学气相沉积的喷淋系统，其特征在于：所述第一挡流板（7）包括呈L型设置的第一连接板和第二连接板，且第二连接板的截面为弧形。