CN105676914B - 同时具有恒温和隔音功能的箱体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时具有恒温和隔音功能的箱体，涉及精密测量和现代控制技术领域。本发明由6块面板组成一个封闭空间，其中左面板、前面板、右面板、后面板和顶面板具有相同的板面结构，其内分别设置有温度传感器和加热膜；直流电源、温控电路、温度传感器、加热膜依次连接组成温度控制系统；温度传感器和数字万用表连接用于检测箱体内的温度。本发明对外界声音的隔离度高；当温控系统工作后，箱内温度波动较小；整个温控系统，除底板外，其余面板温度达到平衡的时间短；各面板温度稳定后，维持设定温度所需要的功耗小。总之，本发明是一种结合主动温度控制和被动隔音的结构，可广泛应用于需要进行环境参数控制的科学技术领域。

Description

同时具有恒温和隔音功能的箱体
技术领域
本发明涉及精密测量和现代控制技术领域，尤其涉及一种同时具有恒温和隔音功能的箱体。
背景技术
随着生物制药、纳米测量和激光技术等需要进行环境参数控制的科学技术领域的发展，它们对温度控制精度和均匀度的要求越来越高。比如对于细菌培养等生物实验，技术成熟的控制精度为±0.1ºC的商用恒温培养箱才能够满足其要求。在微纳加工领域，微机电系统（MEMS）通常具有各种微/纳米结构，比如微齿轮、微型孔、微型台阶等。这些微型器件的几何尺寸几乎都在微纳米量级，若要对这些微器件尺寸进行精密测量，则需要对其进行严格的环境参数控制，降低环境中温度、湿度和振动等因素对加工和尺寸测量的影响。由于环境温度的变化会极大影响尺寸测量的精度，通常情况下微纳米量级的测量需要在控温精度达到±0.01ºC的恒温环境下进行。在激光干涉仪的高精度测量领域，对减小环境参量的扰动，如温度、声音和振动等，提出了更高要求，不仅需要对温度进行高精度的控制，而且需要隔音来降低声压引起的微振动，以此来提高腔稳频的激光的频率稳定度。因此设计具备更高控温精度同时具备隔音功能的箱体结构具有很广泛的应用需求。
为了提高箱体对低频声音的隔离性能，箱体外层支撑铝板通常都设计得比较厚重。对这种厚重的支撑铝板直接进行控温，存在以下困难：首先箱体达到设定温度的响应时间长，不易通过测量其阶跃响应的方法来优化PID（比例积分微分）温度控制器的积分和微分时间，从而优化温控系统；其次由于铝板较重，热容较大，维持设定温度所需要的功率较大。这些问题都会严重影响箱体的控温精度和箱体闭合控温温度后箱内温度的长期稳定性。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种同时具有恒温和隔音功能的箱体。
本发明的目的是这样实现的：
在面板结构设计上增加一层薄铝板并对其进行控温，而不直接对外层厚重的支撑铝板进行控温。这一新的结构设计使得本发明在具备隔音功能的同时具备精密温度控制功能，且具有控温精度高、达到设定温度的响应时间短、维持设定温度所需要的功效小等优点。本发明采用的被动隔音和温度主动控制的方法可用于其他类似的恒温隔音装置。本发明机械结构部分简单，易于加工。
一、本发明的结构是：
由箱体，直流电源和温控电路以及数字万用表构成；
箱体由6块面板组成一个封闭空间，其中左面板、前面板、右面板、后面板和顶面板具有相同的板面结构，其内分别设置有温度传感器和加热膜；
直流电源、温控电路、温度传感器、加热膜依次连接组成温度控制系统；
温度传感器和数字万用表连接用于检测箱体内的温度。
二、本发明的操作方法
①将六块面板组装成一个密闭的箱体，将各面板的热敏电阻（温度传感器）和加热膜（执行器件）连接到箱外各自的温控电路中，分别对各面板控温，共六路温控；
②依次闭合箱体各面板的温度控制环路，分别对各面板进行控温；
③待各面板温度稳定后，逐步提高各面板温控环路的增益，直到对环境温度波动的压制效果最好，同时系统能够稳定长时间工作。
本发明具有下列优点和积极效果：
①箱体对外界声音的隔离度高，特别是对低频声压有接近100倍的衰减；
②当温控系统工作后，箱内温度波动较小，长期温度波动在0.005ºC以下；
③整个温控系统，除底板外，其余面板温度达到平衡的时间短；
④各面板温度稳定后，维持设定温度所需要的功耗小。
总之，本发明是一种结合主动温度控制和被动隔音的箱体结构，可广泛应用于激光技术、纳米测量、仪器测试、精密加工、生物制药和医学检测等需要进行环境参数控制的科学技术领域。
附图说明
图1是本发明的结构方框图；
图2是本发明顶面板的结构示意图；
图3是本发明底面板的结构示意图，图中：
100—箱体，
110—顶面板，
111—顶隔热泡沫， 112—顶支撑铝板， 113—顶铝箔气泡膜，
114—顶加热膜， 115—顶内层铝板， 116—顶吸音棉，
117—顶铜块， 118—顶温度传感器；
120—左面板， 130—前面板， 140—右面板， 150—后面板，
160—底面板，
161—底支撑铝板， 162—底加热膜， 163—底铝箔气泡膜，
164—底不锈钢板， 165—底座， 166—底温度传感器；
210—直流电源， 220—温控电路；
300—数字万用表。
图4是箱体闭合温控稳定后其内温度及所处实验室室内温度的波动比较图，
图中：
a是箱体闭合温控稳定后其内温度，
b是箱体所处实验室的室内温度；
图5是本发明隔音效果的定量测量图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步说明：
一、总体
如图1本发明由箱体100，直流电源210和温控电路220以及数字万用表300构成；
箱体100由6块面板组成一个封闭空间，其中左面板120、前面板130、右面板140、后面板150和顶面板110具有相同的板面结构，其内分别设置有温度传感器和加热膜；
直流电源210、温控电路220、温度传感器、加热膜依次连接组成温度控制系统；
温度传感器和数字万用表300连接用于检测箱体100内的温度。
二、功能部件
1、顶面板110
如图2，顶面板110包括顶隔热泡沫111、顶支撑铝板112、顶铝箔气泡膜113、顶加热膜114、顶内层铝板115、顶吸音棉116、顶铜块117和顶温度传感器118；
从上到下，顶隔热泡沫111、顶支撑铝板112、顶铝箔气泡膜113、顶加热膜114、顶内层铝板115和顶吸音棉116依次叠加成一个板状体；
在顶内层铝板115内设置有顶铜块117，在顶铜块117的两个圆孔内分别设置有两个顶温度传感器118，一个用于控温，另一个用于测温。
1）顶隔热泡沫111
顶隔热泡沫111是一种隔热保温材料。
用于减小顶面板110和箱体外空气的传热。
2）顶支撑铝板112
顶支撑铝板112是一块厚度为15毫米的铝板。
声波在固体中传播，一部分机械能转换为热能；在材料完全气密性的条件下，材料单位面积质量越大，其对临界频率以下频率段的声音的隔离能力越强；顶支撑铝板112设计得比较厚重，以提高其对中低频声音的隔离性能；考虑到固定支撑铝板112的螺丝的承重、密封组装及对声音的隔离效果等问题，对支撑铝板112的厚度做了折中处理。
3）顶铝箔气泡膜113
顶铝板气泡膜113是一种上下面为高反射镀铝膜、里面为双层聚乙烯气泡层的隔热材料；
其上下面能够反射热辐射，里面能够减缓热传导和阻隔热对流，用于减少箱体内空气与顶支撑铝板112之间的热量交换。
4）顶加热膜114
加热膜114是一种聚酰亚胺加热膜，作为顶面板温度控制系统的执行器件。
5）顶内层铝板115
顶内层铝板115是一块厚度为2毫米的薄铝板，作为顶面板110温度控制系统的被控温对象。顶内层铝板115表面做了氧化处理，目的在于减小顶内层铝板115与箱体内空气之间的热辐射。
6）顶吸音棉116
顶吸音棉116是一种多孔型的吸音材料，其内部充满贯通的微小间隙。
当声波入射到多孔材料表面时，可以进入细孔中去，引起孔隙内的空气和材料本身振动，空气的摩擦和粘滞作用使振动动能(声能)不断转化为热能，从而使声波哀减，消耗部分声能，即使有一部分声能透过材料到达壁面，也会在反射时再次经过吸声材料，声能又一次被吸收。多孔型的吸音材料具有吸声特性，即低频吸声差，高频吸声好。
7）顶铜块117
顶铜块117是一种方形的黄铜块，长×宽×高=35×35×7 毫米，其侧面设置有两个并排相距3.4毫米、直径为2.2毫米、深度为15毫米的圆孔，用于安装顶温度传感器118。
8）顶温度传感器118
顶温度传感器118是一种负温度系数的热敏电阻。
顶温度传感器118包括两个热敏电阻；这两个热敏电阻分别安装在顶铜块117侧面的两个圆孔内，其中一个用于控温，另一个用于测温。
2、底面板160
如图3，底面板160包括底支撑铝板161、底加热膜162、底铝箔气泡膜163、底不锈钢板164、底座165和底温度传感器166；
从上到下，支撑铝板161、底加热膜162、底铝箔气泡膜163、底不锈钢板164和底座165依次叠加成一个具有4个支撑脚的板状体；
在底支撑铝板161内设置有两个底温度传感器166，一个用于控温，另一个用于测温。
1）底支撑铝板161
底支撑铝板161是一块厚度为30毫米的铝板，由于需要支撑重物，底支撑铝板161设计比其它支撑铝板厚重，从而保证在支撑重物时底支撑铝板161的形变量小。
2）底加热膜162
加热膜162和顶加热膜114的结构和功能相同。
3）底铝箔气泡膜163
底铝箔气泡膜163和顶铝箔气泡膜113的结构和功能相同。
4）底不锈钢板164
底不锈钢板164是一块厚度为2毫米的薄不锈钢板.
用于固定填充底铝箔气泡膜163及减小底支撑铝板161和箱体外空气之间的传热。
5）底座165
底座165是四个圆柱体状不锈钢块.
用来支撑整个箱体。
3、直流电源210、温控电路220
1）直流电源210
直流电源210是一种可变直流稳压电源。
用于给温控电路220供电。
2）温控电路220
温控电路220是一种典型的模拟PID（比例微分积分）温度控制电路，包括电桥、前端放大器和运算放大器构成的PID控制器等子电路。
每块面板独立控温，所以需要6个温控电路。
4、数字万用表300
数字万用表300是一种通用的高精度的电子测量仪表。
用来测量温度传感器热敏电阻的阻值。
三、工作原理
1、温度控制
顶面板温度控制系统由直流电源210、温控电路220、顶温度传感器118、顶内层铝板115、顶加热膜114依次连接构成。顶温度传感器118固定在顶铜块117侧面的两个圆孔内，顶温度传感器118的头部涂上一层均匀且薄的导热硅脂，与圆孔的孔壁无压力接触，保证顶温度传感器118和顶铜块117之间具有良好的热传导。顶铜块117固定在顶内层铝板115的内侧。顶铜块117表面与顶内层铝板115内表面之间涂上一层均匀且薄的导热硅脂，保证顶铜块117与顶内层铝板115之间具有良好的热传导。顶面板温度控制系统的执行器件顶加热膜114通过背胶粘贴在被控温对象顶内层铝板115的外侧。顶隔热泡沫111通过背胶粘贴在顶支撑铝板112的外侧，顶内层铝板115和顶支撑铝板112之间填充有顶铝箔气泡膜113，顶隔热泡沫111和顶铝箔气泡膜113均起隔热保温的作用，能够降低铝板与空气之间的传热，从而降低箱体100维持设定温度所需要的功耗。
顶温度传感器118通过屏蔽线连接到数字万用表310构成顶面板环外温度测量系统，用于测量温控后顶面板110控温点近端的温度波动。
底面板温度控制系统由直流电源210、温控电路220、底温度传感器166、底加热膜162、底支撑铝板161依次连接构成。底温度传感器166安装在底支撑铝板161内侧的圆孔内。底温度传感器166的头部涂上一层均匀且薄的导热硅脂，与圆孔孔壁无压力接触，保证底温度传感器166和底支撑铝板161之间具有良好的热传导。底加热膜162通过背胶粘贴在底支撑铝板162外侧。底支撑铝板161和底不锈钢板164之间的底铝箔气泡膜163起隔热保温的作用。
2、隔音
采用顶支撑铝板112、底支撑铝板161等六块支撑铝板和硅胶条进行密闭安装，形成一种气密的箱体结构。厚重的支撑铝板对中低频声音具有较好的衰减作用，再加上吸音棉对中高频声音具有较好的衰减作用，能达到较好的隔音效果，从而使得本发明在具备恒温功能的同时具备隔音功能。
四、实际测量所得的结果
图4显示了本发明控温稳定后的控温效果，a为本发明控温稳定后箱体内的温度，b为本发明所处实验室的室内温度。
测量方法：为了测量箱体内空气温度的波动，在箱体内安装一钻有小孔的铝块，铝块与箱体通过绝热材料分开，热敏电阻安装在铝块上的小孔内。热敏电阻头部涂抹一层均匀的导热硅脂，与孔壁无压力接触。用数字万用表测量热敏电阻的阻值，从而转换为箱体内的温度。在箱体外，安装一个封装好的箔电阻，同样通过数字万用表来测量箔电阻的阻值，从而转换为实验室的室内温度。在箱体闭合温控稳定后，室温波动约为1 ºC，箱内温度对应波动约为0.005 ºC。
图4给出了箱体的隔音测试结果。
测试方法：在箱体外正对着箱体放置一扬声器，并给其施加一正弦电压信号，作为单频激励源。然后在箱体内放置一话筒，作为接收器。在本发明密闭的情况下，用锁相放大器测量箱内话筒输出的电压信号的有效值AC。在箱体完全打开的情况下，再测量话筒输出对应频率的正弦电压信号的有效值AO。本发明的隔音效果通过压制比来衡量，压制比SRa=AO/AC。通过频率扫描，给扬声器施加不同频率的正弦电压信号，从而测量本发明对不同频率声音的隔离效果。
实验表明，本发明对10-103Hz频域内的声音扰动，具有接近100倍左右的衰减；在某些频率如60 Hz处，具有最高1000倍的衰减；240 Hz附近的衰减突然降低是由于箱体的结构共振引起的。

Claims (1)

1.一种同时具有恒温和隔音功能的箱体，其特征在于：
由箱体(100)，直流电源(210)和温控电路(220)以及数字万用表(300)构成；
箱体(100)由6块面板组成一个封闭空间，其中左面板(120)、前面板(130)、右面板(140)、后面板(150)和顶面板(110)具有相同的板面结构，其内分别设置有温度传感器和加热膜；
直流电源(210)、温控电路(220)、温度传感器、加热膜依次连接组成温度控制系统；
温度传感器和数字万用表(300)连接用于检测箱体(100)内的温度；
所述的顶面板(110)包括顶隔热泡沫(111)、顶支撑铝板(112)、顶铝箔气泡膜(113)、顶加热膜(114)、顶内层铝板(115)、顶吸音棉(116)、顶铜块(117)和顶温度传感器(118)；
从上到下，顶隔热泡沫(111)、顶支撑铝板(112)、顶铝箔气泡膜(113)、顶加热膜(114)、顶内层铝板(115)和顶吸音棉(116)依次叠加成一个板状体；
在顶内层铝板(115)内设置有顶铜块(117)，在顶铜块(117)的两个圆孔内分别设置有两个顶温度传感器(118)，一个用于控温，另一个用于测温；
底面板(160)包括底支撑铝板(161)、底加热膜(162)、底铝箔气泡膜(163)、底不锈钢板(164)、底座(165)和底温度传感器(166)；
从上到下，支撑铝板(161)、底加热膜(162)、底铝箔气泡膜(163)、底不锈钢板(164)和底座(165)依次叠加成一个具有4个支撑脚的板状体；
在底支撑铝板(161)内设置有两个底温度传感器(166)，一个用于控温，另一个用于测温。
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