CN113157016B - 一种原子钟用恒温箱和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种原子钟用恒温箱和使用方法，所述恒温箱包括：循环泵、第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀、箱体、隔热层、第一到第六热板、第一到第十二液冷管路、第一到第M温度传感器和控制系统；所述原子钟用恒温箱能够提供稳定的温度环境，并具有极高的控温精度以及极短的温度变化响应时间，能够容纳目前国内外市场上所有的氢钟和铯钟，减小外界温度变化对原子钟的影响，充分发挥原子钟的优良性能。

Description

一种原子钟用恒温箱和使用方法

技术领域

本发明涉及恒温箱技术领域，具体涉及一种原子钟用恒温箱和使用方法。

背景技术

原子钟是一种高精密尖端的时间频率信号发生设备，能够提供目前最为精准的时间间隔信号和秒脉冲信号；一般在温度环境很好的实验室内使用，但实验室的温度依然有较大的波动，一般在2度左右，这仍会影响原子钟的性能，造成输出信号的波动，影响原子钟的指标。采用恒温箱对原子钟进行二次温度稳定对于发挥原子钟性能和钟组形成本地时间具有迫切的需求。虽然目前国内外市场恒温箱的产品及专利较多，但是能够应用于原子钟的极少。ZL201410469078.8“一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统”提出了一种快速恒温箱自适应控制方法和控制系统；ZL201080070241.3“一种恒温箱”提出了一种通过空气流动对箱内进行冷却的装置；ZL201611258459.7“一种恒温箱及其对LED模组温度控制方法”提出了一种应用于LED模组通过热源和控制器进行控温的方法；ZL201310559669.X“一种基于PID控制的恒温箱”提出了一种基于PID控制，并采用加热室和制冷室进行加热和制冷的方法；ZL201410117067.3“微型恒温箱的温度控制系统和方法”提出一种用于生物、医学检验用的恒温箱；ZL201710193702.X“一种基于划窗预估的恒温箱温控算法”提出了一种基于PID算法的划窗预估方法，能够消除一定的滞后性。ZL201611003982.5“一种高精度恒温箱”提出了一种箱体、保温层和控温层分离的方法，有利于控温精度的提升；上述专利中箱体和控温精度都不能满足原子钟使用的需求；并且目前控温精度优于5％的恒温箱很少，需要专门定制，成本极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原子钟用恒温箱和使用方法，该恒温箱能够提供稳定的温度环境，并具有极高的控温精度以及极短的温度变化响应时间，能够减小外界温度变化对原子钟的影响，充分发挥原子钟的优良性能。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明一方面提供一种原子钟用恒温箱，所述恒温箱包括：

循环泵、第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀、箱体、隔热层、第一到第六热板、第一到第十二液冷管路、第一到第M温度传感器和控制系统；

其中，

当N＝1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，所述第一制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；

当N大于1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，第n制冷组件的输出端连接第n+1制冷组件的输入端，所述第N制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；其中，1≤n≤N-1；

所述箱体为框架结构，包括第一到第六面，其中第一面作为箱体的箱门，箱门通过合页固定在箱体的框架上；

所述隔热层通过螺栓设置在所述第一到第六面的外侧；

所述第一到第六热板分别设置在所述第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面的内侧；

所述第一到第二液冷管路通过卡箍设置在所述第一热板靠近箱体内侧的第一面上；第一和第二液冷管路的输入端分别连接所述第一电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第三到第四液冷管路通过卡箍设置在所述第二热板靠近箱体内侧的第二面上；第三和第四液冷管路的输入端分别连接所述第二电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第五到第六液冷管路通过卡箍设置在所述第三热板靠近箱体内侧的第三面上；第五和第六液冷管路的输入端分别连接所述第三电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第七到第八液冷管路通过卡箍设置在所述第四热板靠近箱体内侧的第四面上；第七和第八液冷管路的输入端分别连接所述第四电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第九到第十液冷管路通过卡箍设置在所述第五热板靠近箱体内侧的第五面上；第九和第十液冷管路的输入端分别连接所述第五电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第十一到第十二液冷管路通过卡箍设置在所述第六热板靠近箱体内侧的第六面上；第十一和第十二液冷管路的输入端分别连接所述第六电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第一到第M温度传感器均匀分布在所述第一到第六面上；

所述第一到第十二液冷管路的输出端均连接至所述循环泵的输入端；

所述第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀和第一到第M温度传感器均通过数据线与所述控制系统相连接；

其中，N为大于等于1的自然数，M为12的倍数。

在一个具体实施例中，所述循环泵用于对冷却工质进行泵浦；

所述第一到第N制冷组件用于响应所述控制系统的控制，改变接收到的冷却工质的温度；

所述第一到第六电控分流阀响应所述控制系统的控制，将流入的冷却工质分为两路；

所述第一到第M温度传感器用于随箱体内温度的变化而改变自身阻值，并将自身的阻值数据实时输出给所述控制系统；

所述控制系统包括工控机、电流模块和电压模块，用于接收并分析所述第一到第M温度传感器输出的阻值数据得到箱体内温度数据，并根据所述箱体内温度数据对所述第一到第N制冷组件和第一到第六电控分流阀进行控制；

其中，所述控制系统通过控制输送给所述电控分流阀的电压来控制流入电控分流阀的冷却工质的流速以及分出两路冷却工质的流量比例；通过控制输送给所述制冷组件的电流进而控制所述冷却工质的温度。

在一个具体实施例中，所述冷却工质为乙二醇水溶液或纯净水。

在一个具体实施例中，所述第一到第N制冷组件均为半导体制冷器。

在一个具体实施例中，所述箱门的边缘还设置有橡胶密封条。

在一个具体实施例中，所述隔热层为金属真空隔板或在中间放置有聚氨脂泡沫、气凝胶或真空绝热板的两块金属板。

在一个具体实施例中，所述第一到第十二液冷管路均涂有导热硅脂，并在不同区域形成不同弯曲形状；其中，第一和第二液冷管路在开关门处采用软管连接。

本发明另一方面提供一种上述的恒温箱的使用方法，包括：

首先循环泵对冷却工质进行泵浦，并将冷却工质输送给第一到第N制冷组件；

第一到第M温度传感器根据箱体内的温度改变自身阻值，并将自身阻值数据实时输出给控制系统；控制系统根据接收到的阻值数据得到箱体内温度数据；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行降温；当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行升温；

第一到第N制冷组件将降温或升温后的冷却工质输送给第一到第六电控分流阀；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度高于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时高于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度低于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时低于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

之后第一到第十二液冷管路将冷却工质输送回循环泵，完成冷却工质的循环使用。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的一种原子钟用恒温箱和使用方法能够提供稳定的温度环境，并具有极高的控温精度以及极短的温度变化响应时间，能够容纳目前国内外市场上所有的氢钟和铯钟，减小外界温度变化对原子钟的影响，充分发挥原子钟的优良性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有的技术方案，下面将对具体实施方式或现有的技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本申请的一种实施方式，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示出根据本发明一个实施例的一种原子钟用恒温箱部分组成结构示意图。

图2示出根据本发明一个实施例的一种原子钟用恒温箱箱体框架及部分液冷管路示意图。

图3示出根据本发明一个实施例的一种原子钟用恒温箱的使用方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以做出变形与改进，也应视为本发明的保护范围。

本实施例一方面提供一种原子钟用恒温箱，如图1所示，图1中仅示出恒温箱箱体中的一个面和一个与该面对应的电控分流阀，本领域技术人员可以理解，恒温箱箱体的其他五个面与该面组成结构相同且每个面分别有一个电控分流阀与之对应，所述恒温箱包括：

循环泵、第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀、箱体、隔热层、第一到第六热板、第一到第十二液冷管路、第一到第M温度传感器和控制系统；

其中，

所述循环泵用于对冷却工质进行泵浦。所述冷却工质为乙二醇水溶液或纯净水，优选乙二醇水溶液。

所述第一到第N制冷组件均为半导体制冷器，利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电流通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可吸收热量和放出热量，可以实现制冷或制热的目的，根据腔体内原子钟的散热量选取制冷组件的参数，制冷组件一般选择具有300w以上的制冷量，可以选用一个制冷组件，在腔体内大散热量的情况下也可以选择将N个制冷组件级联，N为大于等于1的自然数，在本实施例中，以两个制冷组件级联为例，即在本实施例中N取2。第一到第N制冷组件用于响应所述控制系统的控制，改变接收到的冷却工质的温度。

如图2所示，所述箱体为框架结构，包括第一到第六面，其中第一面作为箱体的箱门，箱门通过合页固定在箱体的框架上，所述箱门的边缘还设置有高强度橡胶密封条来保证箱体密封。

电控分流阀一般为1分2型，通过控制电压可以控制流入电控分流阀的冷却工质的流速以及分出两路冷却工质的流量比例，本实施例采用了六个电控分流阀，每个电控分流阀对应箱体的一个面；所述第一到第六电控分流阀用于响应所述控制系统的控制，将流入的冷却工质分为两路。

所述第一到第M温度传感器用于随箱体内温度的变化而改变自身阻值，并将自身的阻值数据实时输出给所述控制系统。

当N＝1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，所述第一制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；

当N大于1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，第n制冷组件的输出端连接第n+1制冷组件的输入端，所述第N制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；其中，1≤n≤N-1；

所述隔热层通过螺栓设置在所述第一到第六面的外侧；所述隔热层为金属真空隔板或在中间放置有聚氨脂泡沫、气凝胶或真空绝热板的两块金属板。

所述第一到第六热板分别设置在所述第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面的内侧；

所述第一到第二液冷管路通过卡箍设置在所述第一热板靠近箱体内侧的第一面上；第一和第二液冷管路的输入端分别连接所述第一电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第三到第四液冷管路通过卡箍设置在所述第二热板靠近箱体内侧的第二面上；第三和第四液冷管路的输入端分别连接所述第二电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第五到第六液冷管路通过卡箍设置在所述第三热板靠近箱体内侧的第三面上；第五和第六液冷管路的输入端分别连接所述第三电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第七到第八液冷管路通过卡箍设置在所述第四热板靠近箱体内侧的第四面上；第七和第八液冷管路的输入端分别连接所述第四电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第九到第十液冷管路通过卡箍设置在所述第五热板靠近箱体内侧的第五面上；第九和第十液冷管路的输入端分别连接所述第五电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第十一到第十二液冷管路通过卡箍设置在所述第六热板靠近箱体内侧的第六面上；第十一和第十二液冷管路的输入端分别连接所述第六电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第一到第十二液冷管路均涂有导热硅脂来提高导热率，并在不同区域形成不同弯曲形状来提高制冷效率；其中，第一和第二液冷管路在开关门处采用软管连接，防止夹伤破损。

所述第一到第M温度传感器均匀分布在所述第一到第六面上；其中，M为12的倍数，在本实施例中M取72，每个面上有12个均匀分布的温度传感器；

所述第一到第十二液冷管路的输出端均连接至所述循环泵的输入端；

所述第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀和第一到第M温度传感器均通过数据线与所述控制系统相连接；

所述控制系统包括工控机、电流模块和电压模块，用于接收并分析所述第一到第M温度传感器输出的阻值数据得到箱体内温度数据，并根据所述箱体内温度数据对所述第一到第N制冷组件和第一到第六电控分流阀进行控制；其中，所述控制系统通过控制输送给所述电控分流阀的电压来控制流入电控分流阀的冷却工质的流速以及分出两路冷却工质的流量比例；通过控制输送给所述制冷组件的电流进而控制所述冷却工质的温度。

本实施例另一方面提供一种上述恒温箱的使用方法，如图3所示，包括：

首先循环泵对冷却工质进行泵浦，并将冷却工质输送给第一到第N制冷组件；

第一到第M温度传感器根据箱体内的温度改变自身阻值，并将自身阻值数据实时输出给控制系统；控制系统根据接收到的阻值数据得到箱体内温度数据；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行降温；当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行升温；

第一到第N制冷组件将降温或升温后的冷却工质输送给第一到第六电控分流阀；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度高于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时高于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度低于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时低于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

之后第一到第十二液冷管路将冷却工质输送回循环泵，完成冷却工质的循环使用。

本实施例所提供的一种原子钟用恒温箱和使用方法能够提供稳定的温度环境并能够实现多温区控制和控温点迅速锁定，并具有极高的控温精度，控制精度可达到1％(20-35℃控温区间)，以及极短的温度变化响应时间，能够快速响应温度的变化并能容纳目前国内外市场上所有的氢钟和铯钟，减小外界温度变化对原子钟的影响，充分发挥原子钟的优良性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种原子钟用恒温箱，其特征在于，所述恒温箱包括：

循环泵、第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀、箱体、隔热层、第一到第六热板、第一到第十二液冷管路、第一到第M温度传感器和控制系统；

其中，

当N＝1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，所述第一制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；

当N大于1时，所述循环泵的输出端连接第一制冷组件的输入端，第n制冷组件的输出端连接第n+1制冷组件的输入端，所述第N制冷组件的输出端分别连接所述第一到第六电控分流阀的输入端；其中，1≤n≤N-1；

所述箱体为框架结构，包括第一到第六面，其中第一面作为箱体的箱门，箱门通过合页固定在箱体的框架上；

所述隔热层通过螺栓设置在所述第一到第六面的外侧；

所述第一到第六热板分别设置在所述第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面的内侧；

所述第一到第二液冷管路通过卡箍设置在所述第一热板靠近箱体内侧的第一面上；第一和第二液冷管路的输入端分别连接所述第一电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第三到第四液冷管路通过卡箍设置在所述第二热板靠近箱体内侧的第二面上；第三和第四液冷管路的输入端分别连接所述第二电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第五到第六液冷管路通过卡箍设置在所述第三热板靠近箱体内侧的第三面上；第五和第六液冷管路的输入端分别连接所述第三电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第七到第八液冷管路通过卡箍设置在所述第四热板靠近箱体内侧的第四面上；第七和第八液冷管路的输入端分别连接所述第四电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第九到第十液冷管路通过卡箍设置在所述第五热板靠近箱体内侧的第五面上；第九和第十液冷管路的输入端分别连接所述第五电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第十一到第十二液冷管路通过卡箍设置在所述第六热板靠近箱体内侧的第六面上；第十一和第十二液冷管路的输入端分别连接所述第六电控分流阀的第一输出端和第二输出端；

所述第一到第M温度传感器均匀分布在所述第一到第六面上；

所述第一到第十二液冷管路的输出端均连接至所述循环泵的输入端；

所述第一到第N制冷组件、第一到第六电控分流阀和第一到第M温度传感器均通过数据线与所述控制系统相连接；

其中，N为大于等于1的自然数，M为12的倍数；

所述循环泵用于对冷却工质进行泵浦；

所述第一到第N制冷组件用于响应所述控制系统的控制，改变接收到的冷却工质的温度；

所述第一到第六电控分流阀响应所述控制系统的控制，将流入的冷却工质分为两路；

所述第一到第M温度传感器用于随箱体内温度的变化而改变自身阻值，并将自身的阻值数据实时输出给所述控制系统；

所述控制系统包括工控机、电流模块和电压模块，用于接收并分析所述第一到第M温度传感器输出的阻值数据得到箱体内温度数据，并根据所述箱体内温度数据对所述第一到第N制冷组件和第一到第六电控分流阀进行控制；

其中，所述控制系统通过控制输送给所述电控分流阀的电压来控制流入电控分流阀的冷却工质的流速以及分出两路冷却工质的流量比例；通过控制输送给所述制冷组件的电流进而控制所述冷却工质的温度。

2.根据权利要求1所述的恒温箱，其特征在于，所述冷却工质为乙二醇水溶液或纯净水。

3.根据权利要求1所述的恒温箱，其特征在于，所述第一到第N制冷组件均为半导体制冷器。

4.根据权利要求1所述的恒温箱，其特征在于，所述箱门的边缘还设置有橡胶密封条。

5.根据权利要求1所述的恒温箱，其特征在于，所述隔热层为金属真空隔板或在中间放置有聚氨脂泡沫、气凝胶或真空绝热板的两块金属板。

6.根据权利要求1所述的恒温箱，其特征在于，所述第一到第十二液冷管路均涂有导热硅脂，并在不同区域形成不同弯曲形状；其中，第一和第二液冷管路在开关门处采用软管连接。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的恒温箱的使用方法，其特征在于，包括：

首先循环泵对冷却工质进行泵浦，并将冷却工质输送给第一到第N制冷组件；

第一到第M温度传感器根据箱体内的温度改变自身阻值，并将自身阻值数据实时输出给控制系统；控制系统根据接收到的阻值数据得到箱体内温度数据；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行降温；当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，调节输送给第一到第N制冷组件的电流，控制所述第一到第N制冷组件对冷却工质进行升温；

第一到第N制冷组件将降温或升温后的冷却工质输送给第一到第六电控分流阀；

当箱体内温度超出原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度高于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时高于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

当箱体内温度低于原子钟所能承受的温度时，控制系统根据所述箱体内温度数据判断温度低于箱体内平均温度的区域，调节输出给该区域液冷管路对应的电控分流阀的电压，加大该电控分流阀中冷却工质的流速和与该区域液冷管路对应的电控分流阀输出端的冷却工质流量比例；当同一面的两条液冷管路所在区域的温度同时低于箱体内平均温度时，则仅加大该面对应的电控分流阀中冷却工质的流速；

之后第一到第十二液冷管路将冷却工质输送回循环泵，完成冷却工质的循环使用。

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