CN107992127B - 基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置 - Google Patents
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Abstract
基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置属于精密温控领域。采用基于半导体制冷片阵列的制冷模块实现制冷功能，通过电功率调节形式精确、快速调节制冷功率，采用具有翅片结构并浸没在循环水中的电加热器实现快速、精确加热功率调节，两者配合温度传感器和控制器实现循环水温度精确、快速闭环调节；在主动温度闭环反馈控制的基础上增加了动态的温度波动抑制模块，将一部分循环水截流存储于换热装置的一侧通道之中，并利用其热容对换热装置另一侧通道中的循环水进行温度波动抑制，提高冷水机供水温度稳定性，且截流的循环水可按需实时更新，具备动态特性。
Description
技术领域
本发明属于精密温控技术领域，主要涉及一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置。
背景技术
随着超精密测量、加工精度的不断提高，热污染逐渐凸显成为制约测量、加工精度和性能进一步提高的关键因素之一，在精密及超精密加工中，近40％～70％的加工误差来源于加工过程中的热污染。目前，普遍采用以水或复合冷却液等为循环介质的循环流体温度控制系统来实现对超精密测量、加工装备中温度敏感零部件、区域的高精度温度控制，或者作为高精度冷源用于高精度恒温空气的制备。因此，高精度恒温循环冷水机成为超精密测量、加工过程中热污染控制的一项核心关键技术。
传统循环冷水机均基于压缩制冷原理，受限于压缩制冷基本规律，只能在设计工况附近稳定高效地运行，即输出制冷功率范围较窄，无法从零开始输出，且系统响应速度慢，调节速度在分钟量级，可实现的温度稳定性一般在±0.1K量级，无法满足超精密测量、加工过程中的各类剧烈变化的热负载以及极高的温度稳定性需求(1.一种风冷冷水机组中风机的控制方法，专利申请号：CN107238240A；2.一种冷水机组能量调节结构，专利申请号：CN107289559A；3.一种复合冷却系统，专利申请号：CN107196461A)。因此，有基于半导体制冷器件的循环冷水机的技术方案被提出，采用基于半导体制冷器件的制冷模块替代了传统的压缩制冷系统，可实现±0.01K量级的温度稳定性。如果想进一步提高供水温度稳定性，从主动闭环反馈控制的角度来实现，技术难度十分巨大，且实现成本会急剧上升。因此参考“滤波”的概念，采用流体温度波动抑制装置串联在循环流体温度控制系统中的形式来进一步提高流体温度稳定性，以实现mK甚至更高量级的循环流体温度稳定性来满足超精密测量、加工的需求。
针对循环流体温度波动抑制问题，K.M.Lawton等提出了两类技术方案(1.Precision Temperature Control of High-Throughput Fluid Flows:Theoreticaland Experimental Analysis，第一作者：Lawton,K.M.，期刊：Journal of Heat Transfer,2001年123卷4期；2.Direct contact packed bed thermal gradient attenuators:Theoretical analysis and experimental observations.第一作者：Lawton,K.M，期刊：Review of Science Instruments，2003年74卷5期)。该方案特点是：1)将一个换热器的一侧通道内密封充满水作为温度波动抑制介质，并让循环流体通过另一侧通道，循环流体温度波动时，介质就会依靠自身的热容吸收或释放热量，以此来抑制循环流体的温度波动。2)在一个容器中充满不锈钢球，让循环流体从容器的一端流入经过不锈钢球后从另一端流出，以不锈钢球的热容来吸收或释放热量，从而抑制循环流体温度波动。这两类技术方案能有效工作的核心前提是介质温度必须处于循环流体温度波动范围之内。
同时，有采用相变材料作为介质的技术方案被提出(1.Experimentalinvestigation of stabilization of flowing water temperature with a water-PCMheat exchanger，第一作者：Vít,Tom
会议：EPJ Web of Conferences.2014年；2.Thermal Storage as a Way to Attenuate Fluid-Temperature Fluctuations:Sensible-Heat Versus Latent-Heat Storage Materials，第一作者：Pavel Charvat，期刊：Materials and Technology，2014年48卷3期；3.Temperature regulator unit forfluid flow in a channel using phase change material，第一作者：Alawadhi,E.M.，期刊：Applied Thermal Engineering，2005年25卷2期)。方案以相变材料为温度波动抑制介质并包裹在铜管外壁，循环流体自管内流过，构成套管换热结构。并利用相变材料在相变过程中能吸收或释放巨大的热能且自身温度几乎维持不变的特性来实现对管内循环流体温度波动的抑制功能。这类技术方案能有效工作的核心前提是流体温度波动范围在相变材料的相变温度范围之内，才能有效利用相变材料的潜热容。
现有循环冷水机技术方案及产品，受原理限制存在以下问题，不能满足步进扫描光刻机、高分辨力显微镜等超精密制造装备、超精密仪器对高精度、动态性能的需求：
(1)不具有动态温度波动抑制方法，冷水机的温度动态响应速度和温度稳定性指标互相制约，不能同时兼顾。温度动态响应速度、温度稳定性两个核心指标中，提高一方面性能必须牺牲另一方面。
(2)压缩机、加热棒等现有制冷/加热技术方案，执行器本身具有较大热容、较大热阻和较低的响应速度，导致器件本身具有较大热迟滞，进一步制约装置的温度控制动态性能。
现有的温度波动抑制方案，也都存在共性问题，即不具备跟随循环流体温度设定点变化的动态温度波动抑制能力：
(1)以水、金属球或相变材料为介质的技术方案，由于水、金属球或相变材料都是静止且无源的，不具备调节自身温度的能力，因此装置工作前都需要将水或金属球的温度提前设置到循环流体温度点或提前制备相应的相变材料；
(2)同样由于水、金属球或相变材料不具备调节自身温度的能力，因此散热等因素会使水、金属球或相变材料等介质的温度随时间逐渐发生漂移，此时介质不但无法有效抑制循环流体温度波动，反而会导致循环流体温度随介质温度一起漂移；
(3)如果在工作过程中循环流体温度设定值发生了改变，则会出现循环流体温度与介质温度不匹配的现象，即循环流体和介质之间存在超过循环流体自身温度波动峰值的温差，此时介质非但无法有效抑制循环流体的温度波动，还会使得循环流体温度偏离设定点，成为一个干扰源，需要重新调节介质温度，而相变材料只有在相变温度范围内才具有极大的热容，而相变温度通常是一个极窄的温度范围，因此一种相变材料只能对温度设定点在该相变温度范围之内的循环流体温度波动进行抑制，当循环流体温度设定值为其他温度时，需要重新配置与之相匹配的相变材料才能实现循环流体温度波动抑制效果。
综上所述，现有的流体温度波动抑制技术方案无法解决实时跟随循环流体温度设定点的动态循环流体温度波动抑制问题。而目前用以制备高精度恒温循环冷却水的循环冷水机的温度调整时间一般在分钟量级，具有一定的动态性能。当采用现有的循环流体温度波动抑制装置技术方案与恒温循环冷水机串联构成循环流体温度控制系统时，虽然可以提高循环流体的温度稳定性，却极大地限制了循环流体温度控制系统的动态性能。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，结合精密测量、加工过程中的动态高精度温度稳定性需求，提供一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，在达到mK量级温度稳定性的同时兼顾了循环冷水机的动态温控性能。
本发明的技术解决方案是：
一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，由水泵、制冷模块、加热模块、温度传感器C、热负载、水箱、加热功率驱动器、制冷功率驱动器和控制器组成，水泵、制冷模块、加热模块、温度传感器C、热负载、水箱通过主管路串联构成水循环系统，温度传感器C设置在与热负载入口相连的主管路中，加热功率驱动器、制冷功率驱动器的控制信号输入端均与控制器的信号输出端连接，加热功率驱动器的功率信号输出端与加热模块连接，制冷功率驱动器的功率信号输出端与制冷模块连接，水泵与控制器的信号输出端连接，温度传感器C与控制器的信号输入端连接，在主管路中设置温度波动抑制模块，温度波动抑制模块由入口支管路A、入口支管路B、出口支管路A、出口支管路B、温度传感器A、温度传感器B、电控阀和换热装置组成，换热装置由工作流体通路和滤波介质通路组成；入口支管路A的一端连接主管路，入口支管路A的另一端连接工作流体通路的入口，入口支管路B的一端连接主管路，入口支管路B的另一端连接滤波介质通路的入口，出口支管路A和出口支管路B的一端均通过主管路与温度传感器C直接连通，出口支管路A的另一端连接工作流体通路的出口，出口支管路B的另一端连接滤波介质通路的出口；温度传感器A设置在与入口支管路A、入口支管路B连接的主管路中，温度传感器B设置在出口支管路B中，电控阀设置在入口支管路B中；温度传感器A、温度传感器B分别与控制器的信号输入端连接，电控阀与控制器的信号输出端连接。
所述的换热装置采用套管式换热结构、管壳式换热结构或板式换热结构。
所述制冷模块采用半导体制冷模块。
所述的电控阀采用电动开关阀。
所述的加热模块采用翅片式电加热棒。
所述换热装置为螺旋板式换热结构。
所述的电控阀是电磁开关阀。
所述换热装置采用交叉流换热形式。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)本发明提出一种直接利用循环流体自身作为热容滤波介质的创新性方案，不需要额外准备其他热容滤波介质，并且由于利用循环流体自身作为热容滤波介质，其温度总是与当前循环流体温度相同，无需提前单独调节热容滤波介质的温度。
(2)本发明提出的技术方案中，通过温度传感器实时监测热容滤波介质的温度，可以及时发现热容滤波介质温度由于散热等产生的缓慢漂移，从而及时更新热容滤波介质，杜绝了外部干扰通过温度波动抑制装置对循环流体温度稳定性的影响。
(3)本发明提出的创新性技术方案可实现温度波动抑制模块中热容滤波介质的自动更新，使温度波动抑制模块具备传统方案和现有产品所不具备的动态响应能力；采用温度传感器配合控制器监测循环流体温度变化，并控制电控阀开闭从而实现热容滤波介质随循环流体温度变化而实时更新，在进一步提高流体温度控制系统的温度稳定性的同时也满足了流体温度控制系统的动态响应需求。
(4)本发明提出的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置首次引入了基于动态热容滤波的流体温度波动抑制方法，在不降低系统动态响应速度的基础上有效提高了温度稳定性。
(5)本发明提出的恒温循环冷却水装置技术方案中采用小热容、低热阻、控制响应速度快的半导体制冷模块和翅片式电加热棒，减小了制冷、加热两个核心执行器的迟滞，进一步提高了装置的温度控制动态性能。原理实验表明，可实现mK级温度稳定性和百秒量级的温度控制响应速度，动态性能远远优于现有技术。
附图说明
图1为基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置结构原理图。
图2为基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置控制原理图。
图3为基于半导体制冷的制冷模块结构原理图。
图中件号说明：1水泵、2制冷模块、2a制冷通路、2b散热通路、2c半导体制冷器、2d冷冻水源、2e散热管路、2f制冷模块入口、2g制冷模块出口、3加热模块、4温度传感器A、5电控阀、6换热装置、6a工作流体通路、6b滤波介质通路、7温度传感器B、8温度传感器C、9热负载、10水箱、11温度波动抑制模块、12主管路、13入口支管路A、14入口支管路B、15出口支管路A、16出口支管路B、17加热功率驱动器、18制冷功率驱动器、19控制器。
具体实施方式
下面结合图1、图2给出本发明的具体实施方式：
一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，由水泵1、制冷模块2、加热模块3、温度传感器C 8、热负载9、水箱10、加热功率驱动器17、制冷功率驱动器18和控制器19组成，水泵1、制冷模块2、加热模块3、温度传感器C 8、热负载9、水箱10通过主管路12串联构成水循环系统，温度传感器C 8设置在与热负载9入口相连的主管路12中，加热功率驱动器17、制冷功率驱动器18的控制信号输入端均与控制器19的信号输出端连接，加热功率驱动器17的功率信号输出端与加热模块3连接，制冷功率驱动器18的功率信号输出端与制冷模块2连接，水泵1与控制器19的信号输出端连接，温度传感器C 8与控制器19的信号输入端连接，在主管路12中设置温度波动抑制模块11，温度波动抑制模块11由入口支管路A 13、入口支管路B14、出口支管路A 15、出口支管路B16、温度传感器A 4、温度传感器B 7、电控阀5和换热装置6组成，换热装置6由工作流体通路6a和滤波介质通路6b组成；入口支管路A 13的一端连接主管路12，入口支管路A 13的另一端连接工作流体通路6a的入口，入口支管路B14的一端连接主管路12，入口支管路B 14的另一端连接滤波介质通路6b的入口，出口支管路A 15和出口支管路B 16的一端均通过主管路12与温度传感器C8直接连通，出口支管路A15的另一端连接工作流体通路6a的出口，出口支管路B16的另一端连接滤波介质通路6b的出口；温度传感器A 4设置在与入口支管路A 13、入口支管路B14连接的主管路12中，温度传感器B 7设置在出口支管路B 16中，电控阀5设置在入口支管路B 14中；温度传感器A 4、温度传感器B 7分别与控制器19的信号输入端连接，电控阀5与控制器19的信号输出端连接。
所述的换热装置6采用套管式换热结构、管壳式换热结构或板式换热结构。
所述制冷模块2采用半导体制冷模块。
所述的电控阀5采用电动开关阀。
所述的加热模块3采用翅片式电加热棒。
所述换热装置6为螺旋板式换热结构。
所述的电控阀5是电磁开关阀。
所述换热装置6采用交叉流换热形式。
装置工作时，水泵1驱动循环冷却水依次流过制冷模块2、加热模块3、换热装置6、热负载9以及水箱10，并不停循环；温度传感器C 8采集水温反馈给控制器19，经过控制器19计算后输出信号给制冷功率驱动器18或加热功率驱动器17，从而驱动制冷模块2或加热模块3，实现对循环水的温度调节；通过电控阀5的开闭可以将一部分循环流截流在换热装置6的滤波介质通路6b中，利用其热容可以抑制换热装置6的工作流体通路6a中的循环水的温度波动；同时，温度传感器A 4、温度传感器B 7采集温度值并反馈给控制器19，判断是否需要更新换热装置6的滤波介质通路6b中的水，并输出信号给电控阀5以控制其开或闭，由此实现动态的温度波动抑制效果。
本实施例中，换热装置6采用板式换热结构；制冷模块2采用半导体制冷模块；电控阀5采用电磁开关阀；加热模块3采用翅片式电加热棒；循环水温度设置20℃。
本实施例中，换热装置6直接利用需要抑制波动的循环流体自身作为热容滤波介质，不需要额外准备其他热容滤波介质，并且介质温度总是与当前循环流体温度相同，无需提前单独调节热容滤波介质的温度；同时通过温度传感器B 7实时监测热容滤波介质的温度，可以及时发现热容滤波介质温度随外界干扰而产生的漂移，从而及时更新热容滤波介质，杜绝了外部干扰通过换热装置6对循环流体温度稳定性的响应；此外，还实现了换热装置6中热容滤波介质的自动更新，使温度波动抑制模块11具备了与流体温度控制系统相匹配的动态响应能力；采用温度传感器A 4和温度传感器B 7配合控制器19监测循环流体温度变化，并控制电控阀5开闭从而实现热容滤波介质随循环流体温度变化而实时更新，在进一步提高流体温度控制系统的温度稳定性的同时也满足了流体温度控制系统的动态响应需求。
本实施例中，引入了的温度波动抑制模块11在不降低系统动态响应速度的基础上有效提高了温度稳定性；同时采用了小热容、低热阻、控制响应速度快的半导体制冷模块和翅片式电加热棒，减小了制冷模块2、加热模块3的迟滞，进一步提高了装置的温度控制动态性能；最终可实现mK级温度稳定性和百秒量级的温度控制响应速度。
图3给出的是制冷模块2的一个实施例。本实施例中，半导体制冷器2c的热端与散热通路2b的外壁接触，半导体制冷器2c的冷端与制冷通路2a的外壁接触，冷冻水源2d通过散热管路2e与散热通路2b的入口连通，制冷模块2通过制冷模块入口2f和制冷模块出口2g串联设置在循环流体温度控制系统的主管路12中；冷冻水源2d提供冷冻水，冷冻水流经散热通路2b并带走热量后经与散热通路2b出口相连的散热管路2e排出。
Claims (8)
1.一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，由水泵(1)、制冷模块(2)、加热模块(3)、温度传感器C(8)、热负载(9)、水箱(10)、加热功率驱动器(17)、制冷功率驱动器(18)和控制器(19)组成，水泵(1)、制冷模块(2)、加热模块(3)、温度传感器C(8)、热负载(9)、水箱(10)通过主管路(12)串联构成水循环系统，温度传感器C(8)设置在与热负载(9)入口相连的主管路(12)中，加热功率驱动器(17)、制冷功率驱动器(18)的控制信号输入端均与控制器(19)的信号输出端连接，加热功率驱动器(17)的功率信号输出端与加热模块(3)连接，制冷功率驱动器(18)的功率信号输出端与制冷模块(2)连接，水泵(1)与控制器(19)的信号输出端连接，温度传感器C(8)与控制器(19)的信号输入端连接，其特征在于：在主管路(12)中设置温度波动抑制模块(11)，温度波动抑制模块(11)由入口支管路A(13)、入口支管路B(14)、出口支管路A(15)、出口支管路B(16)、温度传感器A(4)、温度传感器B(7)、电控阀(5)和换热装置(6)组成，换热装置(6)由工作流体通路(6a)和滤波介质通路(6b)组成；入口支管路A(13)的一端连接主管路(12)，入口支管路A(13)的另一端连接工作流体通路(6a)的入口，入口支管路B(14)的一端连接主管路(12)，入口支管路B(14)的另一端连接滤波介质通路(6b)的入口，出口支管路A(15)和出口支管路B(16)的一端均通过主管路(12)与温度传感器C(8)直接连通，出口支管路A(15)的另一端连接工作流体通路(6a)的出口，出口支管路B(16)的另一端连接滤波介质通路(6b)的出口；温度传感器A(4)设置在与入口支管路A(13)、入口支管路B(14)连接的主管路(12)中，温度传感器B(7)设置在出口支管路B(16)中，电控阀(5)设置在入口支管路B(14)中；温度传感器A(4)、温度传感器B(7)分别与控制器(19)的信号输入端连接，电控阀(5)与控制器(19)的信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述的换热装置(6)采用套管式换热结构、管壳式换热结构或板式换热结构。
3.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述制冷模块(2)采用半导体制冷模块。
4.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述的电控阀(5)采用电动开关阀。
5.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述的加热模块(3)采用翅片式电加热棒。
6.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述换热装置(6)为螺旋板式换热结构。
7.根据权利要求4所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述的电控阀(5)是电磁开关阀。
8.根据权利要求1所述的基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置，其特征在于：所述换热装置(6)采用交叉流换热形式。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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