CN109799850B - 用于多个qcm的温度控制系统及温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于多个QCM的温度控制系统及温度控制方法，涉及温度控制技术领域，为解决同时测试多个QCM时所使用的冷却系统液氮消耗量大且管路安装复杂的问题。所述温度控制系统包括：恒温机构、传热组件以及石英晶体微天平；恒温机构包括：恒温器、制冷器及制热器，制冷器包括与恒温器连通的自增压液氮罐；传热组件包括连接件和夹持件，连接件分别与恒温器和夹持件连接，夹持件的数量为多个；石英晶体微天平安装于夹持件，石英晶体微天平上安装有加热件。所述温度控制系统的恒温机构中，自增压液氮罐仅为恒温器输送液氮即可为所有石英晶体微天平降低温度，液氮消耗量少且管路数量少、安装过程更为简单。

Description

用于多个QCM的温度控制系统及温度控制方法

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其是涉及一种用于多个QCM的温度控制系统及温度控制方法。

背景技术

针对双组元发动机羽流污染物在空间环境下的沉积特性展开研究时，需设置工装夹持QCM(Quartz crystal microbalance，石英晶体微天平)测量待测材料发生气体吸附和脱附后的质量改变量，同时要求对真空条件下的QCM表面进行低温控制，以模拟空间中航天器材料表面的低温条件。

QCM通过夹持件固定于真空舱内，夹持件与冷却系统连接，冷却系统用于降低QCM进行低温控制。冷却系统通常包括蓄冷模块，蓄冷模块安装在真空舱内部，并与QCM连接，向蓄冷模块内输送液氮，以降低蓄冷模块的温度，然后通过蓄冷模块降低QCM的温度。

目前，冷却系统仅针对单一QCM进行设计，而实验开展中为避免数据的偶然性或保证实验条件的多样性需设置多个QCM进行测量，若在真空舱内布置多个QCM，则需要连接多个冷却系统。一方面，在降低QCM温度过程中，多个冷却系统同时启动，液氮消耗量更大；另一方面，由于布置有多个冷却系统，冷却系统内的管道较多，安装及布置均较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多个QCM的温度控制系统，以解决现有技术中存在的同时测试多个QCM时所使用的冷却系统液氮消耗量大且管路安装复杂的技术问题。

本发明提供的用于多个QCM的温度控制系统，包括：恒温机构、传热组件以及多个石英晶体微天平；

所述恒温机构包括：恒温器、制冷器和制热器，所述制冷器和所述制热器分别与所述恒温器连接；所述制冷器用于降低所述恒温器的温度，所述制热器用于升高所述恒温器的温度，所述制冷器包括与所述恒温器连通的自增压液氮罐；

所述传热组件包括连接件和夹持件，所述连接件分别与所述恒温器和所述夹持件连接，所述夹持件的数量为多个，所述夹持件至少有部分区域伸入真空舱；

多个所述石英晶体微天平一一对应安装于多个所述夹持件伸入所述真空舱的区域，所述石英晶体微天平上安装有加热件。

在上述技术方案中，进一步地，所述连接件的数量与所述夹持件的数量相等，各所述连接件与各所述夹持件一一对应连接。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述传热组件还包括用于与所述真空舱连接的法兰，所述法兰设置有多个通孔，所述连接件连接于所述法兰的一侧，各所述夹持件穿过所述通孔伸出到所述法兰的另一侧。

在上述任一技术方案中，优选地，所述连接件包括连接杆和连接板，所述连接板连接于所述连接杆的一端，所述夹持件与所述连接板连接，所述连接板与所述法兰之间设置有绝热垫。

在上述任一技术方案中，优选地，所述传热组件还包括导热板，所述连接件通过所述导热板与所述恒温器连接，所述导热板分别与各所述连接件连接。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述夹持件的夹持面涂覆有导热膏。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述恒温器外侧包覆有保温层。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述恒温器设置有进液口和出液口，所述进液口与所述自增压液氮罐连通，所述进液口与所述自增加液氮罐之间设置有第一低温阀，所述出液口处设置有第二低温阀和安全阀。

相对于现有技术，本发明所述的用于多个QCM的温度控制系统具有以下优势：

本发明所述的用于多个QCM的温度控制系统能够应用于发动机真空羽流污染特性研究。本发明所述的温度控制系统能够应用于对多个QCM进行温度控制，具体地，在使用的过程中，将待检测的石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance，简称QCM)安装到传热组件的夹持件上，由于夹持件的数量为多个，因此可通过多个夹持件同时固定多个石英晶体微天平。在检测之前，通过制冷器中的自增压液氮罐向恒温器通入液氮，从而使恒温器的温度降低，通过制热器使得恒温器的温度升高，通过制冷器和制热器来控制恒温器的温度，恒温器的温度通过传热组件传导到石英晶体微天平处，从而改变石英晶体微天平的温度，此外，石英晶体微天平可通过其自身连接的加热件进一步对温度进行调节，以实现各石英晶体微天平在不同温度状态下进行检测。

如上，与现有技术中的制冷系统相比，本申请提供的用于多个QCM的温度控制系统，传热组件可通过多个夹持件固定多个石英晶体微天平，且通过一个恒温器同时对多个石英晶体微天平的温度进行调节，并通过石英晶体微天平上各自对应连接的加热件对石英晶体微天平的温度进行进一步调节，以使得各石英晶体微天平最终可以达到不同目标温度。由于自增压液氮罐仅为恒温器输送液氮即可为所有石英晶体微天平降低温度，因此液氮消耗量少且管路数量少、安装过程更为简单。

本发明的另一目的在于提出一种温度控制方法，以解决现有技术中存在的同时测试多个QCM时所使用的冷却系统液氮消耗量大且管路安装复杂的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种温度控制方法，应用于上述技术方案所述的用于多个QCM的温度控制系统，包括：

所述用于多个QCM的温度控制系统的传热组件上安装有多个石英晶体微天平，取多个所述石英晶体微天平的目标温度中的最低值T_min；

通过制冷器和制热器调节恒温器的温度，使得恒温器的温度达到T_min；

所述传热组件将所述恒温器的温度传导到石英晶体微天平，使得各所述石英晶体微天平的温度均达到T_min；

通过加热件加热对应的所述石英晶体微天平，使得各所述石英晶体微天平的温度升高到各自的目标温度。

在上述技术方案中，进一步地，调节所述恒温器的温度的过程具体为：

通过所述自增压液氮罐向所述恒温器内通入液氮以使得恒温器的温度降低到T_min以下；

启动所述制热器以升高所述恒温器的温度到T_min。

所述温度控制方法与上述用于多个QCM的温度控制系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统的系统图；

图2为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中恒温器、传热组件与QCM的装配图；

图3为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统的传热组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中连接件的结构示意图一；

图5为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中连接件的结构示意图二；

图6为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中连接件的结构示意图三；

图7为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中夹持件的结构示意图一；

图8为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中夹持件的结构示意图二；

图9为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中夹持件的结构示意图三；

图10为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中绝热垫的结构示意图；

图11本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中绝热垫的剖视图；

图12为本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统中法兰的结构示意图。

图中：101-自增压液氮罐；102-第一低温阀；103-保温软管；104-安全阀；105-第二低温阀；201-进液口；202-出液口；203-恒温器；204-加热片；205-恒温控制主机；210-导热板；211-连接件；2111-连接柱；2112-连接板；212-夹持件；2121-固定座；2122-夹爪；220-绝热垫；221-凹槽；230-密封圈；300-法兰；310-通孔；401-QCM；402-测控及温控主机；500-真空舱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统，包括：恒温机构、传热组件以及多个石英晶体微天平(为便于描述，在下文中将石英晶体微天平均称为QCM，其在附图中的标号为401)。其中：

恒温机构包括：恒温器203、制冷器和制热器，制冷器和制热器分别与恒温器203连接，制冷器为了降低恒温器203的温度，制冷器包括与恒温器203连通的自增压液氮罐101，自增压液氮罐101向恒温器203输送液氮，具体为液氮经恒温器203的液氮的进液口201进入恒温器203内部的循环管路，从而使得恒温器203的温度降低，后经恒温器203的液氮的出液口202最终排入大气。自增压液氮罐101用以液氮的保存、输出和补给，罐内配备的增压系统能通过液氮的液化产生压力实现连续排液，工作表压为0.09Mpa。

制热器为了增加恒温器203的温度，制冷器与制热器相互协调工作，从而使得恒温器203的温度达到设定温度。制热器可选用加热带，加热带通电工作，利用电流的热效应使加热带电阻发热，并通过热传导的方式对恒温器203进行加温。

传热组件包括：连接件211和夹持件212，连接件211分别与恒温器203和夹持件212连接，夹持件212的数量为多个，夹持件212至少有部分区域伸入真空舱500。连接件211和夹持件212均为导热材料制成，例如铜。由于对结构进行加工所选用的毛坯料的大小由零件的最大尺寸决定，为节省加工材料，降低成本，因此将传热组件分为连接件211和夹持件212两部分，连接件211与夹持件212分部进行加工后再组装，如此使用的毛坯料的总量较少，成本更低。

QCM401安装于夹持件212伸入真空舱500的区域，也就是说，夹持件212伸入真空舱500，且将QCM401固定在真空舱500内。QCM401上安装有加热件，加热件用于为对应的QCM401加热，以使得该QCM401的热量升高。具体地，加热件可以选用加热片204，加热片204通电工作，利用电流的热效应使加热片204的电阻发热，并通过热传导的方式对QCM401表面进行加温。

本发明实施例的用于多个QCM的温度控制系统在使用的过程中，将待检测的QCM401安装到传热组件的夹持件212上，由于夹持件212的数量为多个，因此可通过多个夹持件212同时固定多个QCM401。在检测之前，通过制冷器中的自增压液氮罐101向恒温器203通入液氮，从而使恒温器203的温度降低，通过制热器使得恒温器203的温度升高，通过制冷器和制热器来控制恒温器203的温度，恒温器203的温度通过传热组件传导到QCM401处，从而改变QCM401的温度，此外，QCM401可通过其自身连接的加热件进一步对温度进行调节，以使得不同的QCM401最终达到不同的目标温度。

进一步地，在本实施例的一种具体实施方式中，在恒温器203的表面设置有第一温度传感器，在QCM401的表面设置有第二温度传感器。第一温度传感器与恒温器203上的恒温控制主机205连接，第一温度传感器向温控主机反馈恒温器203的表面温度，第一温控主机与制冷器和制热器分别连接，并根据第一温度传感器的反馈调节制冷器与制热器，从而使得恒温器203的温度保持在设定温度。QCM401配备有测控及温控主机402，第二温度传感器与QCM401的测控及温控主机402连接，用以向QCM401的测控及温控主机402反馈QCM401的表面温度，测控及温控主机402与QCM401表面的加热件连接，以根据第二温度传感器的反馈调节加热件的加热功率，从而使得各QCM401的温度保持在各自的目标温度。

在本实施例的一种具体实施方式中，连接件211的数量可以为一个或者多个，当连接件211的数量为一个时，可以使用该连接件211同时与多个夹持件212进行连接，连接件211将恒温器203的温度同时传输到多个夹持件212。或者，连接件211的数量可以为多个，可以通过数个连接件211为一个夹持件212传输热量，也可以通过一个连接件211为数个夹持件212传输热量。

或者，如图2所示，在本实施例的一种优选实施方式中，连接件211的数量与夹持件212的数量相等，各连接件211与各夹持件212一一对应连接。

进一步地，如图2和图12所示，传热组件还包括用于与真空舱500连接的法兰300，法兰300设置有多个通孔310，连接件211连接于法兰300的一侧，各夹持件212穿过通孔310伸出到法兰300的另一侧。法兰300的设置使得本实施例提供的用于多个QCM的温度控制系统可应用于多种类型的真空舱500中，适用范围广。

如图3-图6所示，在本实施例中，优选地，连接件211包括连接杆和连接板2112，连接板2112连接于连接杆的一端，夹持件212与连接板2112连接，连接板2112与法兰300之间设置有绝热垫220，绝热垫220的材质可选用材质为聚四氟乙烯。

在本实施例的一种优选实施方式中，如图10和图11所示，绝热垫220为环形结构，且与法兰300上的通孔310同轴，绝热垫220背离法兰300的一侧设置有凹槽221，凹槽221内设置有密封圈230，连接件211的连接板2112背离连接杆的一侧的端面与密封圈230接触，从而实现绝热垫220与连接件211的交界面之间的密封。进一步地，在法兰300上朝向绝热垫220的一侧也设置有凹槽221，凹槽221内设置有密封圈230，通过密封圈230实现法兰300与绝热垫220间交界面的密封。

进一步地，如图2所示，传热组件还包括导热板210，连接件211通过导热板210与恒温器203连接，导热板210分别与各连接件211连接。导热板210的其中一侧端面与恒温器203的外表面接触并相连，导热板210的另一侧与各连接件211中连接杆的一端连接，连接杆的另一端与连接板2112连接，连接板2112的截面尺寸大于连接杆的截面尺寸。

如图7-图9所示，在本实施例的一种具体实施方式中，夹持件212包括固定座2121和夹爪2122，固定座2121用于与连接件211连接。夹爪2122的数量为两个，两个夹爪2122的一端均安装于固定座2121上，两个夹爪2122均为弧形结构，两个夹爪2122的开口相对，在两个夹爪2122之间形成QCM401容置区，用于固定QCM401。

夹持件212与QCM401接触的面称为夹持面，夹持件212的夹持面涂覆有导热膏，进一步地，在QCM401的外侧面也可涂覆有导热膏，导热膏可选用导热硅胶或液态金属，从而使得夹持件212与QCM401之间的传热效率更高，实现真空条件下更为良好的热传导。

为减少冷却后的恒温器203与大气进行热交换耗散冷量，恒温器203外侧包覆有保温层。具体地，保温层包覆于恒温器203外的非连接区域。保温层可由福乐斯保温材料制成。

如图1和图2所示，为便于向恒温器203内通入液氮，恒温器203设置有进液口201和出液口202，进液口201与自增压液氮罐101连通，进液口201与自增加液氮罐之间设置有第一低温阀102，出液口202处设置有第二低温阀105和安全阀104。如图1所示，在进液口201处连接有进液管路，进液管路与自增压液氮罐101连通，第一低温阀102安装在进液管路上。进液管路可采用保温软管103，保温软管103用以在外界大气条件下输送液氮。保温软管103内径10mm，保温软管103的管芯材质选用H62黄铜或304不锈钢。保温软管103外径80mm，管芯外采用福乐斯保温材料进行包覆，使得保温软管103内液氮与外界大气隔热而保温，减少输送过程中的冷量损失。

在出液口202处连接有出液管路，出液管路连通有泄压管路，第二低温阀105设置在出液管路上，安全阀104设置在泄压管路上。第一低温阀102为自增压液氮罐101上低温专用阀门，用于控制由自增压液氮罐101液氮供给的启停，以及液氮输入到恒温器203内的液氮的流速流量，第二低温阀105为排液管路手阀，用于控制由恒温器203内排出的液氮的流速流量，系统工作时需打开此阀以保证管路内的液氮顺利排出，可通过调节流量控制管路内的液氮流速，进而改变系统的冷却能力。安全阀104排放压力为0.19MPa，用于意外情况下(如液氮输送管路内憋压时)的紧急泄压。

在本实施例中，恒温器203的工作原理为利用液氮的对流传热作用实现吸热降温，恒温器203的材质为紫铜，其内部设置有液氮流动管路。恒温器203的其中一个侧面与加热器连接，另外三个侧面分别设置有装配孔，用于与传热组件连接。在上述实施例中，仅说明了将其中一个传热组件与恒温器203连接的安装方式，在本实施例的其他具体实施方式中，传热组件的数量还可以为两个或者三个，不同传热组件可安装于恒温器203的不同侧面。当然，在仅具有一个传热组件时，在恒温器203上，有三个安装区域可以选择。

实施例二

本发明实施例二提出一种温度控制方法，应用于上述实施例一提供的用于多个QCM的温度控制系统(如图1所示)，温度控制方法包括：

用于多个QCM的温度控制系统的传热组件上安装有多个石英晶体微天平，取多个石英晶体微天平的目标温度中的最低值T_min；

通过制冷器和制热器调节恒温器203的温度，使得恒温器203的温度达到T_min；

传热组件将恒温器203的温度传导到石英晶体微天平，使得各石英晶体微天平的温度均达到T_min；

通过QCM401表面的加热件加热对应的QCM401，使得各QCM401的温度升高到各自的目标温度。

进一步地，调节恒温器203的温度的过程具体为：

通过自增压液氮罐101向恒温器203内通入液氮以使得恒温器203的温度降低到T_min以下；

启动制热器以升高恒温器203的温度到T_min。

具体地，通过自增压液氮罐101向恒温器203通入液氮的过程具体为：

打开第一低温阀102和第二低温阀105，使得自增压液氮罐101开始向恒温器203供给液氮；

调节第一低温阀102和第二低温阀105，改变进液管路和出液管路内液氮的流速流量，使得恒温器203冷却至略低于设定温度T_min。

举例来说，若在用于多个QCM的温度控制系统的传热组件上共安装有四个QCM401时，温度控制方法具体如下：

确定四个QCM401的目标温度分别为T₁、T₂、T₃和T₄，取四者中最低温度为T_min；

打开第一低温阀102和第二低温阀105，使得自增压液氮罐101开始向恒温器203供给液氮；

调节第一低温阀102和第二低温阀105，改变进液管路和出液管路内液氮的流速流量，使得恒温器203冷却至略低于设定温度T_min；

开启恒温控制主机205，将恒温器203的设定温度T_min输入到恒温控制主机205，恒温控制主机205控制恒温器203表面的加热片204，使得恒温器203的温度升高到设定温度T_min；

开启QCM401的测控及温控主机402，设定各QCM401的目标温度，测控及温控主机402通过控制各QCM401表面的加热件，使得各QCM401的温度分别升高到其自身的目标温度；

完成实验测量后依次关闭测控及温控主机402、恒温控制主机205与第一低温阀102，待出液管路内所有液氮排出后关闭第二低温阀105。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，包括：恒温机构、传热组件以及多个石英晶体微天平；

所述恒温机构包括：恒温器、制冷器和制热器，所述制冷器和所述制热器分别与所述恒温器连接；所述制冷器用于降低所述恒温器的温度，所述制热器用于升高所述恒温器的温度，所述制冷器包括与所述恒温器连通的自增压液氮罐；

所述传热组件包括连接件和夹持件，所述连接件分别与所述恒温器和所述夹持件连接，所述夹持件的数量为多个，所述夹持件至少有部分区域伸入真空舱；

多个所述石英晶体微天平一一对应安装于多个所述夹持件伸入所述真空舱的区域，所述石英晶体微天平上安装有加热件。

2.根据权利要求1所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述连接件的数量与所述夹持件的数量相等，各所述连接件与各所述夹持件一一对应连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述传热组件还包括用于与所述真空舱连接的法兰，所述法兰设置有多个通孔，所述连接件连接于所述法兰的一侧，各所述夹持件穿过所述通孔伸出到所述法兰的另一侧。

4.根据权利要求3所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述连接件包括连接杆和连接板，所述连接板连接于所述连接杆的一端，所述夹持件与所述连接板连接，所述连接板与所述法兰之间设置有绝热垫。

5.根据权利要求2所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述传热组件还包括导热板，所述连接件通过所述导热板与所述恒温器连接，所述导热板分别与各所述连接件连接。

6.根据权利要求1所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述夹持件的夹持面涂覆有导热膏。

7.根据权利要求1所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述恒温器外侧包覆有保温层。

8.根据权利要求1所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，所述恒温器设置有进液口和出液口，所述进液口与所述自增压液氮罐连通，所述进液口与所述自增压液氮罐之间设置有第一低温阀，所述出液口处设置有第二低温阀和安全阀。

9.一种温度控制方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的用于多个QCM的温度控制系统，其特征在于，包括：

所述用于多个QCM的温度控制系统的传热组件上安装有多个石英晶体微天平，取多个所述石英晶体微天平的目标温度中的最低值T_min；

通过制冷器和制热器调节恒温器的温度，使得恒温器的温度达到T_min；

所述传热组件将所述恒温器的温度传导到石英晶体微天平，使得各所述石英晶体微天平的温度均达到T_min；

通过加热件加热对应的所述石英晶体微天平，使得各所述石英晶体微天平的温度升高到各自的目标温度。

10.根据权利要求9所述的温度控制方法，其特征在于，调节所述恒温器的温度的过程具体为：

通过所述自增压液氮罐向所述恒温器内通入液氮以使得恒温器的温度降低到T_min以下；

启动所述制热器以升高所述恒温器的温度到T_min。

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