CN112229094B - 一种恒温空气循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种恒温空气循环系统，在主循环回路以及并联旁路的两个三通节点后装配风阀用于调节每个分支的气体流量，当压缩机保持当前状态不变时，风机和风阀不变化。当压缩机需要从开启到关闭时，调节风机风量并同步调节旁路和主路的流量，直到控制蒸发器流量的风阀全部关闭，旁路风阀全部打开；当压缩机需要从关闭到开启时，调节风机风量，同步调节旁路和主路的流量，直到控制蒸发器流量的风阀全部打开，旁路风阀全部关闭。风阀调节配合压缩机状态切换始终保证流经加热器到腔体的流量不变。本发明通过旁路辅助切换制冷换热装置的工作状态以对系统进行节能，且保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。

Description

一种恒温空气循环系统
技术领域
本发明属于恒温空气循环系统领域，更具体地，涉及一种恒温空气循环系统。
背景技术
微环境净化装置多用于为半导体制造设备、精密测量设备提供恒温、恒湿及洁净的环境。现有技术中的微环境装置及净化间全部大多采用采用压缩机，蒸发器，冷凝器，膨胀阀构成的空调机组来进行温度控制或改进的技术有基于空调机组串联加热器控制的温度控制系统。但是现有技术没有在保证温度稳定的同时考虑在某些工况下关闭压缩机同样能够保证温度稳定并节能以及压缩机状态切换对目标点温度的影响。
专利CN107450637A公开了一种温湿度精密控制高洁净等级净化间，具有由墙板、顶板和双开门构成的净化间，所述墙板、顶板和双开门均由钢岩棉隔热夹芯板拼装而成，双开门下侧装有可伸缩的密封胶条，所述净化间内设置有温度调节装置和湿度调节装置，温度调节装置和湿度调节装置共同连接有主控装置，主控装置通过无线网连接有温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器的均匀设置在净化间内。该专利所述方案，仅依靠单个加热器进行温度控制，无法对空气进行制冷，调节范围较小，且单执行器控制，精度相较多级控制较差。
专利CN111013671A公开了一种动态热平衡恒温恒湿控制装置及控制方法，该发明使用压缩机机组进行降温，使用电加热器强制箱内温度缓慢升高，系统根据计算，控制热气流量迫使制冷系统增加制冷量，以平衡电加热输出的热量，在实现恒温的同时，箱内空气经循环风机引导至蒸发器，通过冷凝空气中的水分以实现降低湿度，当箱内的相对湿度达到设定点时，电加热输出量和加湿输出量将处于一个恒定的输出状态。该专利所述方案，在所有工作状态下都保持压缩机和加热器的工作，未采用独立的补风装置，且在循环至蒸发器前的空气温度低于设定点时，没有设计可行的节能方案。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种恒温空气循环系统，旨在解决现有空气恒温装置无法制冷，调节范围小或者可以制冷和加热但是无法节能的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种恒温空气循环系统，包括：补气装置、风机、制冷换热装置、加热装置、恒温腔体以及风机状态切换装置；
所述恒温腔体非密封，所述补气装置补进气体，以补偿从所述恒温腔体中漏出的气体；所述风机提供空气在补气装置、制冷换热装置、加热装置、恒温腔体以及风机状态切换装置之间流通的动力，所述制冷换热装置对流通的空气制冷，所述加热装置对流通的空气加热，以使所述恒温腔体中流通的空气的温度稳定保持在预设温度值；
所述风机状态切换装置用于在检测到补气装置补进气体的温度持续低于温度阈值时，逐步将从制冷换热装置处理后的空气不经所述恒温腔体流出，逐步增加风机风量且使风机风量的一部分不经所述制冷换热装置流经所述恒温腔体，以保证流经所述恒温腔体中的空气流量保持稳定，以及逐步关闭制冷换热装置，以停止对流通的空气进行制冷；
所述风机状态切换装置还用于在检测到补气装置补进气体的温度持续大于或等于温度阈值时，逐步开启制冷换热装置，且逐步关闭将制冷换热装置处理后的空气不经所述恒温腔体流出的旁路，以及逐步关闭使风机风量的一部分不经所述制冷换热装置流经所述恒温腔体的旁路，以开启制冷换热装置对流通的空气进行制冷；所述风机切换装置用于辅助切换所述制冷换热装置的工作状态以对恒温空气循环系统进行节能，且保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。
在一个可选的实施例中，所述补气装置包括进气口、补气口以及出气口，所述补气装置的进气口连接所述恒温腔体的出气口，所述补气装置的出气口连接所述风机的进气口，所述补气装置的补气口补入空气和补气装置的进气口进入的空气一起从补气装置的出气口流出；所述风机的出气口连接所述制冷换热装置的入气口；所述制冷换热装置的出气口连接所述加热装置的入气口；所述加热装置的出气口连接所述恒温腔体的入气口。
在一个可选的实施例中，所述风机状态切换装置包括第一旁路和第二旁路；所述第一旁路的进气口连接所述制冷换热装置的出气口，出气口连接所述补气装置的进气口；所述第二旁路的进气口连接所述风机的出气口，出气口连接所述加热装置的进气口。
在一个可选的实施例中，在检测到所述补气装置补气口进入的空气的温度持续低于预设温度阈值时，逐步关闭所述制冷换热装置，所述风机的风量逐步增加，且逐步开启第一旁路和第二旁路，以及逐步减小流经制冷换热装置的空气流量，使得经所述制冷换热装置处理的气体一部分逐步从第一旁路流出，不流经所述恒温腔体，且使得风机增加的风量从第二旁路流入加热装置，补偿从第一旁路流出的气体流量，以保持所述恒温腔体中的风量稳定；
当所述第二旁路完全打开时，逐步减小所述制冷换热装置的压缩机功率，且逐步减小所述风机的风量直至所述制冷换热装置停止工作。
在一个可选的实施例中，在检测到所述补气装置补气口进入的空气的温度持续大于或等于预设温度阈值时，所述风机的风量逐步增加，逐步开启所述制冷换热装置，且逐步增加风机流向所述制冷换热装置的空气流量，以及逐步增加所述制冷换热装置流向所述加热装置的空气流量；
当所述制冷换热装置完全开启时，减小所述风机的风量，且逐步关闭第一旁路和第二旁路。
在一个可选的实施例中，所述恒温空气循环系统还包括：第一风速传感器、第三风阀、第四风速传感器；
所述制冷换热装置包括：第一风阀、第三风速传感器、蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀；
所述第一旁路包括第四风阀和第五风速传感器；
所述第二旁路包括第二风阀和第二风速传感器。
在一个可选的实施例中，所述第一风速传感器的一端连接风机的出气口，所述第一风速传感器的另一端分别连接第一风阀的一端和第二风阀的一端，所述第一风阀的另一端连接第三风速传感器的一端，所述第三风速传感器的另一端连接蒸发器的第一端，所述蒸发器的第二端连接第三风阀的一端和第四风阀的一端，所述第三风阀的另一端连接第四风速传感器的一端，所述第四风速传感器的另一端连接加热装置；所述第一风阀的一端作为制冷换热装置的进气口，所述蒸发器的第二端作为制冷换热装置的出气口；
所述压缩机的进气口连接蒸发器的第三端，压缩机的出气口连接冷凝器的进气口，所述冷凝器的出气口连接膨胀阀的一端，所述膨胀阀的另一端连接蒸发器的第四端；
所述第二风阀的另一端连接第二风速传感器的一端，所述第二风速传感器的另一端连接所述第四风速传感器的另一端；
所述第四风阀的另一端连接第五风速传感器的一端，所述第五风速传感器的另一端连接所述补气装置的进气口；
所述第一风速传感器用于检测从风机出气口流出的风量，所述第二风速传感器用于检测第二旁路的风量，所述第三风速传感器用于检测流进蒸发器的风量，所述第四风速传感器用于检测从蒸发器流出的空气中流向加热装置的风量，所述第五风速传感器用于检测从第一旁路的风量。
在一个可选的实施例中，所述逐步关闭所述制冷换热装置，具体为：
逐步增加风机的风量，同时逐步开启所述第二风阀和第四风阀，当第二风阀全开时，逐步减小风机的风量同时逐步关闭所述第一风阀和第三风阀；所述第二风阀和第四风阀的开启速率，以及第一风阀和第三风阀的关闭速率基于第一风速传感器、第二风速传感器、第三风速传感器、第四风速传感器以及第五风速传感器检测的风量确定，所述风机的增加量等于第五风速传感器检测的风量，以保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。
在一个可选的实施例中，所述逐步开启所述制冷换热装置，具体为：
逐步增加风机的风量，同时逐步开启所述第一风阀和第三风阀，当第一风阀全开时，逐步减小风机的风量同时逐步关闭所述第二风阀和第四风阀；所述第二风阀和第四风阀的关闭速率，以及第一风阀和第三风阀的开启速率基于第一风速传感器、第二风速传感器、第三风速传感器、第四风速传感器以及第五风速传感器检测的风量确定，所述风机的减小量等于第五风速传感器检测的风量，以保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供一种恒温空气循环系统，在主循环回路的基础上，设计了两个并联气体旁路，第一个旁路以蒸发器入口与风机出口之间任意位置作为输入端，连接至蒸发器出口与加热器之间任意位置作为输出端，第二旁路以蒸发器出口与第一旁路出口之间任意位置作为输入端连接至腔体出风口后任意位置作为输出端。本发明分别在主循环回路以及并联旁路的两个三通节点后装配风阀用于调节每个分支的气体流量，当压缩机保持当前状态不变时，风机和风阀不变化。当压缩机需要从开启到关闭时，调节风机风量并同步调节旁路和主路的流量，直到控制蒸发器流量的风阀全部关闭，旁路风阀全部打开；当压缩机需要从关闭到开启时，调节风机风量，同步调节旁路和主路的流量，直到控制蒸发器流量的风阀全部打开，旁路风阀全部关闭。风阀调节配合压缩机状态切换始终保证流经加热器到腔体的流量不变。
本发明提供一种恒温空气循环系统，提出一种节能机制，通过判断补气温度与恒温腔体目标温度间的关系是否满足预设条件，来调整压缩机的工作状态。判断逻辑：对连续采样数据进行滤波，滤波采用滑动平均结合窗口尺度，经滤波的温度低于阈值时，关闭压缩机，经滤波的温度高于阈值时，开启压缩机，以达到长时间运行节能的目的。滑动平均滤波的窗口尺度和判断阈值的求解与系统的物理特性有关，经先验实验确定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的恒温循环空气系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的恒温循环空气系统工艺方案示意图。
图3为本发明实施例提供的切换压缩机工作状态的总流程示意图。
图4为本发明实施例提供的从压缩机开启到关闭风机和风阀的操作流程示意图。
图5为本发明实施例提供的从压缩机关闭到开启风机和风阀的操作流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100为恒温腔体，200为循环管路，300为温控柜，V1-V6均为风速传感器，T1-T7为温度传感器，G1-G6为风阀，G7为节流阀，P表示压力传感器，RH表示湿度传感器。
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楚明白，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。
本发明中的恒温循环空气系统在多级温度控制的基础上提出了一种长期运行稳定节能的方案，能够根据新风温度自适应进行压缩机状态切换。设计了两个重要回路用于旁通流经压缩机和流经腔体的气体，通过调节风机和风阀的开度来调节压缩机状态切换时的流量调节，避免其对腔体温度进行干扰。
如图1所示，恒温循环空气系统由温控柜300、温控腔体100以及循环管路200组成。温控柜300中放置有补气装置、风机、制冷换热装置、加热装置以及风机状态切换装置；恒温腔体100与温控柜300中的各个装置连接，补气装置包括进气口、补气口以及出气口，所述补气装置的进气口连接恒温腔体100的出气口，补气装置的出气口连接所述风机的进气口，所述补气装置的补气口补入空气和补气装置的进气口进入的空气一起从补气装置的出气口流出；所述风机的出气口连接所述制冷换热装置的入气口；所述制冷换热装置的出气口连接所述加热装置的入气口；所述加热装置的出气口连接所述恒温腔体100的入气口。
所述恒温腔体100非密封，补气装置补进气体，以补偿从所述恒温腔体100中漏出的气体。所述恒温腔体100内可放置精密测量设备，以供精密测量设备在恒温环境下工作。
循环管路200用于连接恒温腔体100和温控柜300。
如图2所示，恒温循环空气系统工艺方案包括压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器构成的制冷换热系统，用于空气加热的加热器1、加热器2、以及用于腔室物理状态反馈的湿度传感器和压力传感器，以及整个循环回路中用于反馈和温度检测的传感器，还有用于流量调节的风机F以及各个管路中的风阀及流量计，此外还有用于气体过滤的过滤器以及用于关闭循环的节流阀。
循环空气系统通过风机F来提供空气循环所需的压力，并可通过调节工作频率来调整转速对应调整循环风的流量。设计两个关键旁路用于压缩机状态切换时的气体流量调节，在蒸发器前设置旁路1，直接连接到加热器前，由风机出来的空气，经由风阀G1、G2调节，来调整流经蒸发器和旁通的流量，并在蒸发器出口设计另一旁路2直接连到恒温腔体的出口，旁路2的入口在旁路1出口之后，通过G3和G4分别调节流向恒温腔体和旁通气体的流量大小。经由蒸发器被制冷的空气在加热器1处进行第一级温度控制，在加热器2处进行第二级温度控制，分别以T3和T4/T6作为控制的反馈点。流出腔室的气体会回循环回到风机入口，同时一起流入的还有补气的进入的新风。
如图3所示
风机状态切换的主流程图包含了判断切换的逻辑。开始初始化风机，风阀以及压缩机状态，在初始化时，压缩机开启，风阀G1/G3全开，风阀G2/G4关闭；等到系统稳定一段时间之后，对连续采样的新风温度进行滤波处理，以Tm作为滑动平均滤波的窗口大小。根据滤波数据与腔体温度设定值的差值，以及当前压缩机的工作状态，判断是否切换：一共四种情况，当滤波后数据小于SV-Em，SV是恒温腔体的温度设定值，SV-Em为切换压缩机工作状态的温度阈值，且压缩机处于开启时，执行操作C1压缩机从开启切换到关闭，同步调整风机和风阀；当滤波后数据小于设定值-Em，且压缩机处于关闭时，执行操作C2保持压缩机关闭状态；当滤波后数据大于设定值-Em，且压缩机处于关闭时，执行操作C3压缩机从关闭切换到开启，同步调整风机和风阀；当压缩机处于开启时，执行操作C4：保持压缩机的开启状态；
如图4所示
操作C1的详细步骤为，当执行压缩机从开启到关闭状态时：(1)逐步增加风机F风量，同步开启风阀G2、G4，一部分流量不经过腔体从G4流出，增加的风机风量等于从G4所在旁通路的流量，△F＝△V5，开启G2，关闭G1，V3就会减小，开启G4，关闭G3，V4就会减小，V2的增加与V4减小同步，并保持V2+V4＝C，直至G2全开、V4＝0。(2)保持风机F流量一定时间，逐步减小压缩机功率。(3)降低风机F至C，同步减小风阀G1、G3，△F＝△V5；保持V2+V4＝C直至风阀G1，G3关闭，此时F＝V2＝C。
其中，C表示流经加热器到恒温腔体的流量恒定并保持在C。
如图5所示
操作C3的详细步骤为，当执行压缩机从关闭到开启状态时(1)逐步增加风机F风量，同步开启风阀G1，由于G1导通，一部分流量通过G4不流经腔体直接流出，所以增加的风机风量△F＝△V5，同步增大G1，保持V2＝C不变，直至G1全开，开启压缩机。(2)保持风机F流量一定时间，逐步提高压缩机功率。(3)减小风机风量，同步减小G2和G4、开始增大G3，保持V4+V2＝C，△F＝△V5，直至G4，G2关闭，此时，F＝V4＝C。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种恒温空气循环系统，其特征在于，包括：补气装置、风机、制冷换热装置、加热装置、恒温腔体以及风机状态切换装置；
所述恒温腔体非密封，所述补气装置补进气体，以补偿从所述恒温腔体中漏出的气体；所述风机提供空气在补气装置、制冷换热装置、加热装置、恒温腔体以及风机状态切换装置之间流通的动力；所述制冷换热装置对流通的空气制冷，所述加热装置对流通的空气加热，以使所述恒温腔体中流通的空气的温度稳定保持在预设温度值；所述补气装置包括进气口、补气口以及出气口，所述补气装置的进气口连接所述恒温腔体的出气口，所述补气装置的出气口连接所述风机的进气口，所述补气装置的补气口补入空气和补气装置的进气口进入的空气一起从补气装置的出气口流出；所述风机的出气口连接所述制冷换热装置的入气口；所述制冷换热装置的出气口连接所述加热装置的入气口；所述加热装置的出气口连接所述恒温腔体的入气口；
所述风机状态切换装置用于在检测到补气装置补进气体的温度持续低于温度阈值时，逐步将从制冷换热装置处理后的空气不经所述恒温腔体流出，逐步增加风机风量且使风机风量的一部分不经所述制冷换热装置流经所述恒温腔体，以保证流经所述恒温腔体中的空气流量保持稳定，以及逐步关闭制冷换热装置，以停止对流通的空气进行制冷；所述风机状态切换装置包括第一旁路和第二旁路；所述第一旁路的进气口连接所述制冷换热装置的出气口，出气口连接所述补气装置的进气口；所述第二旁路的进气口连接所述风机的出气口，出气口连接所述加热装置的进气口；
所述风机状态切换装置还用于在检测到补气装置补进气体的温度持续大于或等于温度阈值时，逐步开启制冷换热装置，且逐步关闭将制冷换热装置处理后的空气不经所述恒温腔体流出的旁路，以及逐步关闭使风机风量的一部分不经所述制冷换热装置流经所述恒温腔体的旁路，以开启制冷换热装置对流通的空气进行制冷；所述风机切换装置用于辅助切换所述制冷换热装置的工作状态以对恒温空气循环系统进行节能，且保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度；在检测到所述补气装置补气口进入的空气的温度持续低于预设温度阈值时，逐步关闭所述制冷换热装置，所述风机的风量逐步增加，且逐步开启第一旁路和第二旁路，以及逐步减小流经制冷换热装置的空气流量，使得经所述制冷换热装置处理的气体一部分逐步从第一旁路流出，不流经所述恒温腔体，且使得风机增加的风量从第二旁路流入加热装置，补偿从第一旁路流出的气体流量，以保持所述恒温腔体中的风量稳定；当所述第二旁路完全打开时，逐步减小所述制冷换热装置的压缩机功率，且逐步减小所述风机的风量直至所述制冷换热装置停止工作；在检测到所述补气装置补气口进入的空气的温度持续大于或等于预设温度阈值时，所述风机的风量逐步增加，逐步开启所述制冷换热装置，且逐步增加风机流向所述制冷换热装置的空气流量，以及逐步增加所述制冷换热装置流向所述加热装置的空气流量；当所述制冷换热装置完全开启时，减小所述风机的风量，且逐步关闭第一旁路和第二旁路。
2.根据权利要求1所述的恒温空气循环系统，其特征在于，所述恒温空气循环系统还包括：第一风速传感器(V1)、第三风阀(G3)、第四风速传感器(V4)；
所述制冷换热装置包括：第一风阀(G1)、第三风速传感器(V3)、蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀；
所述第一旁路包括第四风阀(G4)和第五风速传感器(V5)；
所述第二旁路包括第二风阀(G2)和第二风速传感器(V2)。
3.根据权利要求2所述的恒温空气循环系统，其特征在于，所述第一风速传感器(V1)的一端连接风机的出气口，所述第一风速传感器(V1)的另一端分别连接第一风阀(G1)的一端和第二风阀(G2)的一端，所述第一风阀(G1)的另一端连接第三风速传感器(V3)的一端，所述第三风速传感器(V3)的另一端连接蒸发器的第一端，所述蒸发器的第二端连接第三风阀(G3)的一端和第四风阀(G4)的一端，所述第三风阀(G3)的另一端连接第四风速传感器(V4)的一端，所述第四风速传感器(V4)的另一端连接加热装置；所述第一风阀的一端作为制冷换热装置的进气口，所述蒸发器的第二端作为制冷换热装置的出气口；
所述压缩机的进气口连接蒸发器的第三端，压缩机的出气口连接冷凝器的进气口，所述冷凝器的出气口连接膨胀阀的一端，所述膨胀阀的另一端连接蒸发器的第四端；
所述第二风阀(G2)的另一端连接第二风速传感器(V2)的一端，所述第二风速传感器(V2)的另一端连接所述第四风速传感器(V4)的另一端；
所述第四风阀(G4)的另一端连接第五风速传感器(V5)的一端，所述第五风速传感器(V5)的另一端连接所述补气装置的进气口；
所述第一风速传感器(V1)用于检测从风机出气口流出的风量，所述第二风速传感器(V2)用于检测第二旁路的风量，所述第三风速传感器(V3)用于检测流进蒸发器的风量，所述第四风速传感器(V4)用于检测从蒸发器流出的空气中流向加热装置的风量，所述第五风速传感器(V5)用于检测从第一旁路的风量。
4.根据权利要求3所述的恒温空气循环系统，其特征在于，所述逐步关闭所述制冷换热装置，具体为：
逐步增加风机的风量，同时逐步开启所述第二风阀(G2)和第四风阀(G4)，当第二风阀(G2)全开时，逐步减小风机的风量同时逐步关闭所述第一风阀(G1)和第三风阀(G3)；所述第二风阀(G2)和第四风阀(G4)的开启速率，以及第一风阀(G1)和第三风阀(G3)的关闭速率基于第一风速传感器(V1)、第二风速传感器(V2)、第三风速传感器(V3)、第四风速传感器(V4)以及第五风速传感器(V5)检测的风量确定，所述风机的增加量等于第五风速传感器(V5)检测的风量，以保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。
5.根据权利要求3所述的恒温空气循环系统，其特征在于，所述逐步开启所述制冷换热装置，具体为：
逐步增加风机的风量，同时逐步开启所述第一风阀(G1)和第三风阀(G3)，当第一风阀(G1)全开时，逐步减小风机的风量同时逐步关闭所述第二风阀(G2)和第四风阀(G4)；所述第二风阀(G2)和第四风阀(G4)的关闭速率，以及第一风阀(G1)和第三风阀(G3)的开启速率基于第一风速传感器(V1)、第二风速传感器(V2)、第三风速传感器(V3)、第四风速传感器(V4)以及第五风速传感器(V5)检测的风量确定，所述风机的减小量等于第五风速传感器(V5)检测的风量，以保证切换制冷换热装置工作状态的同时不影响流经所述恒温腔体的气体流量和温度。
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