CN104571223B - 应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，由依次连接的压缩机制冷系统、中间环路换热系统和半导体制冷系统组成，压缩机制冷系统通过板式换热器与中间环路换热系统连接，压缩机制冷系统提供的冷水通过中间环路换热系统为半导体制冷系统中的半导体制冷模块散热冷却，通过中间环路换热系统，将压缩机制冷系统与半导体制冷系统有机的结合，采用层层叠进的控制方式，为高端装备提供超高精度控制等级的冷冻水，控制精度可达±0.01℃，同时又能保证系统全年无障碍稳定运行。本发明，将为精密环境控制关键技术的研究和成套装备的研制，提供有力的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于高端装备的精密环境控制技术领域，具体涉及一种为高端装备提供精密环境控制的适应于全年无障碍运行的制冷空调设备。
背景技术
在精密测量仪器与先进加工装备中，尤其是以计量型坐标测量机、高端数控机床、步进扫描光刻机等微电子装备为代表的高端与尖端装备中，以高精度恒温循环水冷、恒温气浴为典型技术特征的精密环境控制技术是核心关键技术，主要作用体现在：冷却高端加工装备的电机，消除热污染和重要零部件的热变形，保证测量与加工精度；对核心零部件及核心精密敏感区域进行气浴冷却，形成稳定均匀流场与温度场，带走设备内部局部空间的残余热量，进一步保证测量与加工精度。目前，高端与尖端装备制造业对精密环境控制技术提出了很高的精度要求，恒温循环冷却水的长期温度稳定性要求达到0.01℃。在未来，由于装备精度的进一步提高，上述精度要求还会向更高的温度稳定性发展。
在精密环境控制相关的产品方面，由于国内对精密环境控制技术的研究起步较晚，水平较低，导致国内高端数控机床等配置的均为进口产品，价格非常昂贵。同时，高端测量仪器、数控机床、半导体集成电路、半导体照明（LED）等新兴技术领域又对精密环境控制技术及成套设备均具有广泛的市场需求。目前，精密环境控制关键技术研究及成套设备的研制，尚有一些核心技术问题需要解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，为精密环境控制关键技术的研究和成套装备的研制，提供有力的技术支撑。
本发明，主要由三大部分构成：压缩机制冷系统（A）、中间环路换热系统（B）和半导体制冷系统（C）。压缩机制冷系统通过板式换热器与中间环路换热系统连接，压缩机制冷系统提供的冷水通过中间环路换热系统为半导体制冷系统中的半导体制冷模块（19）散热冷却。通过中间环路换热系统，将压缩机制冷系统与半导体制冷系统有机的结合，采用层层叠进的控制方式，既能提供三种温度控制精度等级的冷冻水，又能保证半导体制冷系统全年无障碍稳定运行。
本发明，所述压缩机制冷系统包括：变频压缩机、定频压缩机、油分离器、室外机、变频器、储液器、干燥过滤器、电磁阀、电子膨胀阀、气液分离器、热力膨胀阀和板式换热器。压缩机制冷系统是由一套变频压缩机制冷系统和一套定频压缩机制冷系统构成，此系统是为整个温度控制装备系统提供初级精度的冷水，温度控制精度为±0.5℃的冷冻水。采用变频压缩机制冷系统与定频压缩机制冷系统并联配合应用，可经济实现0-100%的制冷容量调节。同时，利用冷凝风机变频技术和冷凝压力控制装置，可实现全年制冷运行，保证整个控制装备实现无障碍运行。
本发明，所述中间环路换热系统包括：板式换热器、定频水泵、三通调节阀、电加热器、定压罐、补水阀和Y型过滤器。中间环路换热系统是通过高精度的三通流量调节阀和可控硅PID微调节的电加热器，将压缩机制冷系统提供的精度为±0.5℃的冷冻水，经板式换热器换热，调节成次级精度的冷水，次级控制精度为±0.1℃，作为下一调节系统半导体制冷系统的冷却水。
本发明，所述半导体制冷系统包括：半导体制冷模块、冷却水集水器、冷冻水集水器、冷却水分水器、冷冻水分水器、管道加热器、变频水泵、单向阀、压差调节阀等。半导体制冷系统是利用中间环路换热系统提供的高精度的冷却水冷却半导体散热端，通过半导体制冷模块、可控硅PID微调节的电加热器以及变频水泵调节，从而制出更高精度的冷冻水，最终的控制精度为±0.01℃，作为用户端冷却使用。其中，半导体制冷模块分三级控制，每级的半导体制冷模块由单个制冷片通过串并联结合的方式连接，通过内置换热铜管的散热铝块将制冷片的冷热端连接，连接端采用绝热棉隔开，热端的热量通过铝块内置换热铜管内的冷却水带走，冷端的冷量通过铝块内置换热铜管内的冷冻水带走。系统采用半导体制冷模块分级设置，辅助于PWM调节技术，将半导体制冷量达到几十瓦级甚至是几瓦级的调节精度，并结合可控硅PID微调节的电加热器，进而达到控制精度为±0.01℃的冷冻水温。
本发明，应用于高端装备的超精密温度控制装置，具有如下特点：
（1）通过中间环路换热系统，将压缩机制冷系统与半导体制冷系统有机的结合起来，既解决了压缩机制冷系统控制精度受限的弊端，又解决了半导体制冷系统稳定散热要求，从而实现为高端装备提供超高精度冷却水的需求。
（2）采用一套完整的设备即可实现，同时提供三种控制精度级别的冷冻水温需求，方便用户选择使用。
（3）压缩机变频技术、风机/水泵变频技术、PWM半导体调节技术以及可控硅PID电加热调节技术有机融合，使得高端装备的超精密温度控制装置既能实现超精密水温控制，又能达到全年无障碍稳定运行的目的。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
图中，1-变频压缩机；2-定频压缩机；3-油分离器；4-室外机；4B-变频装置的室外机；5-变频器；6-储液器；6B-变频装置的储液器；7-干燥过滤器；7B-变频装置的干燥过滤器；8-电磁阀；8B-变频装置的电磁阀；9-电子膨胀阀；10-气液分离器；10B-变频装置的气液分离器；11-热力膨胀阀；12-板式换热器；13-定频水泵；14-三通调节阀；15-电加热器；16-定压罐；17-补水阀；18-Y型过滤器；19-半导体制冷模块；20-冷却水集水器；21-冷冻水集水器；22-冷却水分水器；23-冷冻水分水器；24-管道加热器；25-变频水泵；26-单向阀；27-压差调节阀；A-压缩机制冷系统；B-中间环路换热系统；C-半导体制冷系统；D1-用户用水；D2-用户回水。
具体实施方式
参照图1，一种应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，由依次连接的压缩机制冷系统A、中间环路换热系统B和半导体制冷系统C组成，压缩机制冷系统A通过板式换热器12与中间环路换热系统B连接，压缩机制冷系统提供的冷水通过中间环路换热系统B为半导体制冷系统C中的半导体制冷模块19散热冷却。
所述压缩机制冷系统包括变频压缩机制冷装置和定频压缩机制冷装置，定频压缩机制冷装置由依次连接的定频压缩机2（输出端）、室外机4、储液器6、干燥过滤器7、电磁阀8、热力膨胀阀11、板式换热器12、气液分离器10、定频压缩机2（输入端）组成：变频压缩机制冷装置由依次连接的变频压缩机1（输出端）、油分离器3、变频装置的室外机4B、变频装置的储液器6B、变频装置的干燥过滤器7B、变频装置的电磁阀8B、电子膨胀阀9、板式换热器12、变频装置的气液分离器10B、变频压缩机1（输入端）组成。
所述中间环路换热系统由依次连接的板式换热器12、电加热器15、冷却水分水器22、半导体制冷模块19、冷却水集水器20、Y型过滤器18、定频水泵13、三通调节阀14组成，三通调节阀14的第三通与电加热器15的输入端连接。中间环路换热系统通过板式换热器12、定频水泵13、三通调节阀14、电加热器15，将压缩机制冷系统与半导体制冷系统有机的结合，可实现全年稳定运行的压缩机制冷系统冷冻水精度的提高，并用于半导体制冷系统散热冷却用，解决了半导体制冷系统散热受外界环境影响的弊端，保证了其全年无障碍运行。
所述半导体制冷系统：用户回水D2经冷冻水分水器23、半导体制冷模块19、冷冻水集水器21、管道加热器24、Y型过滤器18、变频水泵25、单向阀26、用户用水D1形成循环，同时，在冷冻水分水器23的输入端与单向阀26输出端之间，设置压差调节阀27；在Y型过滤器18和变频水泵25之间，设有定压罐16。半导体制冷系统通过半导体制冷模块19、冷却水集水器20、冷冻水集水器21、冷却水分水器22、冷冻水分水器23、管道加热器24、变频水泵25、压差调节阀27，经半导体制冷模块的分级巧妙设计，利用PWM冷量调节技术，并辅助可控硅PID电加热调节方法，实现了为高端装备提供冷却用的超高精度温度控制的冷冻水。
本发明，通过压缩机制冷系统、中间环路换热系统和半导体制冷系统，采用层层叠进的控制理念，有效利用压缩机制冷系统和半导体制冷系统的优点，进而达到既能为高端装备提供冷却用的超高精度温度控制的冷却水，又能实现全年无障碍稳定运行。
本发明，各级运行控制精度为：压缩机制冷系统提供±0.5℃的初级温度精度的冷冻水，中间环路换热系统提供±0.1℃次级温度精度的冷却水，半导体制冷系统提供±0.01℃最终温度精度的冷冻水。
Claims (4)
1.一种应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，其特征在于：由依次连接的压缩机制冷系统（A）、中间环路换热系统（B）和半导体制冷系统（C）组成，压缩机制冷系统（A）通过板式换热器（12）与中间环路换热系统（B）连接，半导体制冷系统（C）由依次连接的冷冻水分水器（23）、半导体制冷模块（19）、冷冻水集水器（21）、管道加热器（24）、Y型过滤器（18）、变频水泵（25）和单向阀（26）组成，由单向阀（26）的输出端提供用户用水（D1），用户回水（D2）连接冷冻水分水器（23），压缩机制冷系统提供的冷水通过中间环路换热系统（B）为半导体制冷系统（C）中的半导体制冷模块（19）散热冷却。
2.根据权利要求1所述的应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，其特征在于：中间环路换热系统由依次连接的板式换热器（12）、电加热器（15）、冷却水分水器（22）、半导体制冷模块（19）、冷却水集水器（20）、Y型过滤器（18）、定频水泵（13）、三通调节阀（14）组成，三通调节阀（14）的第三通与电加热器（15）的输入端连接，中间环路换热系统通过由冷却水分水器（22）输入，由冷却水集水器（20）输出，中间经过半导体制冷模块（19）的冷却通道为半导体制冷模块（19）提供冷水散热冷却。
3.根据权利要求1或2所述的应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，其特征在于：所述压缩机制冷系统包括变频压缩机制冷装置和定频压缩机制冷装置，定频压缩机制冷装置由依次连接的定频压缩机（2）、室外机（4）、储液器（6）、干燥过滤器（7）、电磁阀（8）、热力膨胀阀（11）、板式换热器（12）、气液分离器（10）组成；变频压缩机制冷装置由依次连接的变频压缩机（1）、油分离器（3）、变频装置的室外机（4B）、变频装置的储液器（6B）、变频装置的干燥过滤器（7B）、变频装置的电磁阀（8B）、电子膨胀阀（9）、板式换热器（12）和变频装置的气液分离器（10B）组成。
4.根据权利要求1所述的应用于高端装备冷却用超精密水温控制装置，其特征在于：在所述单向阀（26）的输出端与冷冻水分水器（23）的输入端之间，设有压差调节阀（27）。
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