CN108121379B - 控温装置及控温方法 - Google Patents

Abstract

一种控温装置，其特征在于，包括制冷机、中间热阻件、温度采集装置和控制系统；中间热阻件设于制冷机和控温对象之间；温度采集装置用于采集制冷机的冷头和控温对象的温度；中间热阻件和温度采集装置均与控制系统连接，控制系统用于调节中间热阻件的热阻。上述控温装置，通过控制系统控制调节中间热阻件的热阻值，可以调节制冷机的冷头传输至控温对象上的冷量，可自动实现温度的精确控制和灵活改变，运行稳定，控温过程稳定可靠。此外，相比于浸泡和加热系统，上述控温装置结构简单，操作易行，无低温液体的消耗，除了在该控温过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入，成本低廉。此外还提供一种控温方法。

Description

控温装置及控温方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种制冷机的控温及控温方法。

背景技术

随着低温生物学、低温材料学、低温超导等方面研究的发展，对于精确温度控制装置的应用越来越广泛。如低温生物学中，研究生物体在低温下的特性、活体组织和生物样本在特定温区的保存、精密的医疗仪器等技术中，都会应用到低温下的精确温度控制；在低温材料性能研究方面，低温温度的精确控制可以帮助研究材料在低温下的电阻、磁化强度、热导率及力学等方面的性质，从而寻找和研发低温下适用于各领域的材料，促进各科学领域的发展。

现有的技术通常分为两类，第一类是通过低温液体浸泡的方式实现。通过改变液体上方蒸汽的压强来改变液体温度，当蒸气压保持一定时，液体温度基本上也可以维持一定，能够保证系统维持在一个比较稳定的温度。这类方法的缺点是，需要将被控对象浸泡在低温液体中，对于大型仪器操作不便，系统庞大，此外，对于低温区，液氦消耗量大，成本高。第二类是使样品或装置与液体完全绝热或部分绝热，使用电加热来升高温度，通过对电加热器的控制来控制样品温度的变化。这种装置的缺点是样品温度的控制只能往温度高的方向调节，倘若要朝小的方向调节则可能会浪费大量的低温液体。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种操作灵活，成本低的控温装置及控温方法。

一种控温装置，包括制冷机、中间热阻件、温度采集装置和控制系统；

所述中间热阻件设于所述制冷机和控温对象之间；

所述温度采集装置用于采集所述制冷机的冷头和所述控温对象的温度；

所述中间热阻件和所述温度采集装置均与所述控制系统连接，所述控制系统用于调节所述中间热阻件的热阻。

在一个实施例中，所述中间热阻件为弹性固体或装有流体的容器；

当所述中间热阻件为弹性固体时，所述控温装置还装有用于改变所述弹性固体的弹力的预紧弹簧，所述预紧弹簧的一端和所述控温对象固定连接，所述预紧弹簧的另一端可活动固定；

当所述中间热阻件为装有流体的容器时，所述控温装置还装有用于改变流体压力的连接管道，所述连接管道的一端和所述容器连接，所述连接管道的另一端用于注入和回输流体。

在一个实施例中，还包括防护罩，所述制冷机的冷头、所述中间热阻件和所述控温对象均设于所述防护罩内。

在一个实施例中，还包括加热器，所述加热器设于所述控温对象上，所述加热器与所述控制系统连接。

在一个实施例中，所述温度采集装置包括第一温度计、第二温度计和温度采集单元，所述第一温度计设于所述制冷机的冷头上，用于测量所述制冷机的冷头的温度，所述第二温度计设于所述控温对象上，用于测量所述控温对象的温度，所述第一温度计和所述第二温度计分别和温度采集单元连接，所述温度采集单元和所述控制系统连接。

一种温控方法，包括以下步骤：

分别采集制冷机的冷头的温度和控温对象的温度；

根据所述制冷机的冷头的温度、所述控温对象的温度以及所述控温对象的预设温度，调节设于所述制冷机的冷头和所述控温对象之间的中间热阻件的热阻，使所述控温对象的温度保持稳定。

在一个实施例中，所述中间热阻件为弹性固体或装有流体的容器，调节所述制冷机的冷头和所述控温对象之间的中间热阻件的热阻分别通过以下两种方式进行：

通过调节所述弹性固体两端的预紧力，从而调节所述弹性固体的热阻；或通过调节所述容器内的流体的压力来调节所述容器内流体的密度，继而改变所述容器内流体的自然对流状态，从而调节所述容器内流体的热阻。

在一个实施例中，还包括以下步骤：根据控温对象的温度与预设温度之间的差值，对所述控温对象进行加热，并调节加热量，使所述控温对象的温度保持稳定。

上述控温装置，通过控制系统控制调节中间热阻件的热阻值，可以调节制冷机的冷头传输至控温对象上的冷量，可自动实现温度的精确控制和灵活改变，运行稳定，控温过程稳定可靠。此外，相比于浸泡和加热系统，上述控温装置结构简单，操作灵活易行，无低温液体的消耗，除了在该控温过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入，成本低廉。

上述控温方法，通过控制调节中间热阻件的热阻值，可以调节制冷机的冷头传输至控温对象上的冷量，可自动实现温度的精确控制和灵活改变，运行稳定，控温稳定性高，简单易行，成本低廉。

附图说明

图1为一实施方式的控温装置的结构示意图；

图2为另一实施方式的控温装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1，一实施方式的控温装置100，包括制冷机10、中间热阻件、温度采集装置和控制系统。

中间热阻件设于制冷机10和控温对象30之间。

温度采集装置用于采集制冷机10的冷头12和控温对象30的温度。

中间热阻件和温度采集装置均与控制系统连接，控制系统用于调节中间热阻件的热阻。

在一个实施方式中，请参考图1，中间热阻件为弹性固体22。此时，控温装置100还装有用于改变弹性固体22的弹力的预紧弹簧40，预紧弹簧40的一端和控温对象30固定连接，预紧弹簧40的另一端可活动固定。

在另一个实施方式中，请参考图2，中间热阻件为装有流体的容器24，容器24中充满流体，压力可调，通过调节压力可以改变热阻。此时，控温装置100还装有用于改变流体压力的连接管道50，连接管道50的一端和容器24连接，连接管道50的另一端用于注入或回输流体。优选地，流体管道50上的另一端上安装压力控制系统(图未示)，压力控制系统可以根据压力控制要求实现流体注入容器24内或自容器24回输，压力控制系统的另一端接用于注入流体的高压容器和用于回输流体的低压容器，从而控制容器24内流体的压力。

请参考图1和图2，控温装置100还包括加热器60，加热器60设于控温对象30上，加热器60与控制系统连接。加热器60的加热量可以通过控制系统进行调节，从而调节控温对象30的升降温速率。通过对中间热阻件的热阻的调节，热阻不同，则制冷机的冷头12和控温对象30之间的温差不同，配合加热器60加热量的微调，可使控温对象30保持一定范围内稳定的低温恒温值。

请参考图1和图2，温度采集装置包括第一温度计72、第二温度计74和温度采集单元(图未示)。第一温度计72设于制冷机10的冷头12上，用于测量冷头12的温度。第二温度计74设于控温对象30上，用于测量控温对象30的温度。第一温度计72和第二温度计74分别和温度采集单元连接，温度采集单元和控制系统连接。温度采集单元通过第一温度计72和第二温度计74采集冷头12和控温对象30的温度。控制系统根据冷头12和控温对象30之间的温差，调节设于制冷机10的冷头12和控温对象30之间的中间热阻件的热阻，使控温对象30的温度保持稳定。

请参考图1和图2，控温装置100还包括防护罩80，制冷机10的冷头12、中间热阻件和控温对象30均设于防护罩80内。进一步的，预紧弹簧40、连接管道50的一端、加热器60、第一温度计72和第二温度计74均设于防护罩80内。防护罩80用于减少控温装置100漏冷损失。

上述控温装置100，通过控制调节中间热阻件的热阻值，可以调节制冷机10的冷头12传输至控温对象30上的冷量，可自动实现温度的精确控制和灵活改变，运行稳定，控温过程稳定可靠。此外，相比于浸泡和加热系统，上述控温装置100结构简单，操作易行，无低温液体的消耗，除了在该控温过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入，成本低廉。

此外，本申请还提供一实施方式的温控方法，包括以下步骤：

S10、分别采集制冷机的冷头的温度和控温对象的温度。

具体的，请参考图1和图2，冷头12和控温对象30的温度可以通过温度采集装置进行采集。进一步的，冷头12通过和温度采集单元连接的第一温度计72进行测定。控温对象30通过和温度采集单元连接的第二温度计74进行测定。

S20、根据制冷机的冷头的温度、控温对象的温度以及控温对象的预设温度，调节设于制冷机的冷头和控温对象之间的中间热阻件的热阻，使控温对象的温度保持稳定。

具体的，控制系统根据制冷机的冷头12的温度、控温对象30的温度以及控温对象30的预设温度，对设于制冷机的冷头12和控温对象30之间的中间热阻件的热阻进行调节。

进一步的，当冷头12的温度处于降低状态，控温对象30的温度处于预设值时，此时，冷头12和控温对象30之间的温差在加大，则增大中间热阻件的热阻，减小冷头12对控温对象30的冷量传输，维持控温对象30的温度稳定。当冷头12温度有上升，控温对象30的温度处于预设值时，此时，冷头12和控温对象30之间的温差在减小，则减小中间热阻件的热阻，增加冷头12对控温对象30的冷量传输，维持控温对象30的温度稳定。当冷头12的温度保持不变，控温对象30的温度低于预设值时，此时，冷头12和控温对象30之间温差较大，则可以增加中间热阻件的热阻，减少冷头12对控温对象30的冷量传输，使控温对象30的温度升至预设值。当冷头12的温度保持不变，控温对象30的温度高于预设值时，可以则降低中间热阻件的热阻，增加冷头12对控温对象30的冷量传输，使控温对象30的温度尽快降低至预设值。

请参考图1，中间热阻件为弹性固体22。请参考图2，中间热阻件为装有流体的容器24。调节制冷机的冷头12和控温对象30之间的中间热阻件的热阻分别通过以下两种方式进行：

在如图1所示的实施例中，通过改变预紧弹簧40的状态调节弹性固体22两端的预紧力，从而调节弹性固体22的热阻。

在如图2所示的实施例中，通过调节容器24内的流体的压力来调节容器24内流体的密度，继而改变容器24内流体的自然对流状态，从而调节容器24内流体的热阻。

上述温控方法，还包括以下步骤：根据控温对象的温度与预设温度之间的差值，对控温对象进行加热，并调节加热量，使控温对象的温度保持稳定。该步骤与S20可以同步进行。也可以在S20前单独进行，或在S20后单独进行。

如图1和图2所示，可以采用加热器60对控温对象30进行加热。具体的，采用控制系统控制对控温对象30进行加热，并调节加热量。此外，容器24内流体的温度也会随着冷头12与加热器60的作用而改变。通过对中间热阻件的热阻的调节，热阻不同，则制冷机的冷头12和控温对象30之间的温差不同，配合加热器60加热量的微调，可使控温对象30保持一定范围内稳定的低温恒温值。

上述控温方法，通过控制调节中间热阻件的热阻值，可以调节制冷机的冷头传输至控温对象上的冷量，可自动实现温度的精确控制和灵活改变，运行稳定，控温稳定性高。上述控温方法，简单易行，除了在该控温过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入，成本低廉。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种控温装置，其特征在于，包括制冷机、中间热阻件、温度采集装置和控制系统；

所述中间热阻件设于所述制冷机和控温对象之间；

所述温度采集装置用于采集所述制冷机的冷头和所述控温对象的温度；

所述中间热阻件和所述温度采集装置均与所述控制系统连接，所述控制系统用于根据制冷机的冷头的温度、控温对象的温度以及控温对象的预设温度调节所述中间热阻件的热阻，当冷头的温度处于降低状态，控温对象的温度处于预设值时，此时，冷头和控温对象之间的温差在加大，则增大中间热阻件的热阻，减小冷头对控温对象的冷量传输，维持控温对象的温度稳定；当冷头温度有上升，控温对象的温度处于预设值时，此时，冷头和控温对象之间的温差在减小，则减小中间热阻件的热阻，增加冷头对控温对象的冷量传输，维持控温对象的温度稳定；当冷头的温度保持不变，控温对象的温度低于预设值时，此时，冷头和控温对象之间温差较大，则可以增加中间热阻件的热阻，减少冷头对控温对象的冷量传输，使控温对象的温度升至预设值；当冷头的温度保持不变，控温对象的温度高于预设值时，可以则降低中间热阻件的热阻，增加冷头对控温对象的冷量传输，使控温对象的温度尽快降低至预设值。

2.如权利要求1所述的控温装置，其特征在于，所述中间热阻件为弹性固体或装有流体的容器；

当所述中间热阻件为弹性固体时，所述控温装置还装有用于改变所述弹性固体的弹力的预紧弹簧，所述预紧弹簧的一端和所述控温对象固定连接，所述预紧弹簧的另一端可活动固定；

当所述中间热阻件为装有流体的容器时，所述控温装置还装有用于改变流体压力的连接管道，所述连接管道的一端和所述容器连接，所述连接管道的另一端用于注入和回输流体。

3.如权利要求1所述的控温装置，其特征在于，还包括防护罩，所述制冷机的冷头、所述中间热阻件和所述控温对象均设于所述防护罩内。

4.如权利要求1所述的控温装置，其特征在于，还包括加热器，所述加热器设于所述控温对象上，所述加热器与所述控制系统连接。

5.如权利要求1所述的控温装置，其特征在于，所述温度采集装置包括第一温度计、第二温度计和温度采集单元，所述第一温度计设于所述制冷机的冷头上，用于测量所述制冷机的冷头的温度，所述第二温度计设于所述控温对象上，用于测量所述控温对象的温度，所述第一温度计和所述第二温度计分别和温度采集单元连接，所述温度采集单元和所述控制系统连接。

6.一种温控方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别采集制冷机的冷头的温度和控温对象的温度；

根据所述制冷机的冷头的温度、所述控温对象的温度以及所述控温对象的预设温度，调节设于所述制冷机的冷头和所述控温对象之间的中间热阻件的热阻，使所述控温对象的温度保持稳定；当冷头的温度处于降低状态，控温对象的温度处于预设值时，此时，冷头和控温对象之间的温差在加大，则增大中间热阻件的热阻，减小冷头对控温对象的冷量传输，维持控温对象的温度稳定；当冷头温度有上升，控温对象的温度处于预设值时，此时，冷头和控温对象之间的温差在减小，则减小中间热阻件的热阻，增加冷头对控温对象的冷量传输，维持控温对象的温度稳定；当冷头的温度保持不变，控温对象的温度低于预设值时，此时，冷头和控温对象之间温差较大，则可以增加中间热阻件的热阻，减少冷头对控温对象的冷量传输，使控温对象的温度升至预设值；当冷头的温度保持不变，控温对象的温度高于预设值时，可以则降低中间热阻件的热阻，增加冷头对控温对象的冷量传输，使控温对象的温度尽快降低至预设值。

7.如权利要求6所述的温控方法，其特征在于，所述中间热阻件为弹性固体或装有流体的容器，调节所述制冷机的冷头和所述控温对象之间的中间热阻件的热阻分别通过以下两种方式进行：

通过调节所述弹性固体两端的预紧力，从而调节所述弹性固体的热阻；或

通过调节所述容器内的流体的压力来调节所述容器内流体的密度，继而改变所述容器内流体的自然对流状态，从而调节所述容器内流体的热阻。

8.如权利要求6所述的温控方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据控温对象的温度与预设温度之间的差值，对所述控温对象进行加热，并调节加热量，使所述控温对象的温度保持稳定。

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