CN201858816U - 全天候宽温带精密温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是系统构成包括由机械制冷单元、风冷冷却单元和电热单元构成的冷热源模块；冷媒回路以液体泵作为冷媒循环的驱动源，储液器中冷媒依次经液体泵、具有微通道的热沉和三通阀，在三通阀的出口端经两条并联支路的某一通路，后经主回路的电热模块回流至储液器中；两条并联支路，一路是经三通阀出口A的机械制冷单元通道、另一路是经三通阀出口B的风冷冷却单元通道；本实用新型将-60℃至70℃的宽温带分解为制冷区、风冷区和供热区，测控系统根据实时运行状态分区控制温控系统运行在制冷、风冷和供热模式。本实用新型用于对光、电系统等实现全天候、宽温带工作环境温度精密控制。

Description

全天候宽温带精密温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及制冷与人机环境工程技术领域，具体涉及一种应用在-60～70℃的宽温带气候条件的精密调节温度的控制系统。

背景技术

飞机、舰船的电子仓室，通讯、监测、预警、制导等功能的机动车辆、舰船或运载工具，激光装置等光电系统等，通常都有全天候、宽温区工作的需求，常常具有热流密度大或热流量大的特点，必须使用人机环境控制设备为其提供合适的工作环境温度，以保障其安全、可靠、高效和准确地工作；甚至要求很高的温度控制精度和很快的降温速率，以提高其工作的稳定性、可靠性、准确性、机动性和效率。

曾经使用的以热电制冷为冷热源的温度控制系统存在有工作温区窄、启动速度慢、效率低的局限，不能满足宽温区精密控温以及快速启动的需求。

机械制冷具有制冷量调节范围宽、降温速度快、能效水平高，在较宽的环境温度变化范围工作可靠的优点。但在较低的外界环境温度下进行制冷时，其经济性和可靠性不佳。当环境温度更低时，甚至需要供热为被控对象调节工作环境温度。

实用新型内容

本实用新型提供一种可靠性好、模块化程度高、使用维护便捷的全天候宽温带精密温度控制方法及系统，以满足全天候、宽温区工作、具有大热流量和高热流密度特点的光、电设备与仪器的环境控制需要，能够在-60～70℃的宽环境温度范围内实现局部环境温度的精密控制，保证被控对象安全、可靠、稳定、高效和准确地运行。

本实用新型采用如下技术方案

本实用新型全天候宽温带精密温度控制系统，其特点是系统构成包括：

冷热源模块，其由机械制冷单元、风冷冷却单元和电热单元构成；

冷媒回路，其以液体泵作为冷媒循环的驱动源，储液器中冷媒依次经液体泵、具有微通道的热沉和三通阀)，在三通阀的出口端经两条并联支路的某一通路，后经主回路的电热模块回流至储液器中；所述的两条并联支路，一路是经三通阀出口A的机械制冷单元通道、另一路是经三通阀出口B的风冷冷却单元通道；

测控系统，其由冷媒温度传感器、被控对象温度传感器、环境温度传感器和以微处理器为控制中心的测控单元组成；

将-60～70℃的宽温带分解为制冷区、风冷区和供热区，所述测控系统根据实时运行状态分区控制为不同的三种工作模式，所述三种工作模式分别是在所述制冷区启动机械制冷工作模式，在所述风冷区切换为风冷冷却工作模式，在所述供热区切换为电热工作模式。

本实用新型全天候宽温带精密温度控制系统的结构特点也在于：

所述机械制冷单元采用蒸气压缩式制冷结构，按制冷剂的流向依次设置压缩机、具有变频调速风机的冷凝器组件、干燥过滤器、节流机构、蒸发冷却器和气液分离器，所述气液分离器的出口端与压缩机进口端连接，构成机械制冷循环系统；以所述变频调速风机作为调节机构，以适应环境温度变化及热负荷变化。

所述风冷冷却单元采用气液热交换器，由变频调速风机驱动空气强制对流，冷媒在气液热交换器中与空气完成热交换；以所述变频调速风机调节所述气液热交换器的换热能力，以适应环境温度变化及热负荷变化。

所述电热单元由并联设置的供热主电热器和副电热器组成；以所述副电热器在三种工作模式中执行冷媒的温度精调，实现精密温度控制。

在所述测控系统中采用可精密调温的串级控制方式，以副电热器作为串级控制的内环执行器，以被控对象温度传感器检测的被控对象温度信号t2为主参数，以冷媒温度传感器检测的冷媒温度t1为副参数，设置电量控制器调节所述副电热器产生的电热量，精密控制被调对象温度。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型采用机械制冷、风冷冷却和电热供热三种工作模式，采用串级控制方式精调冷媒温度，可以精密控制被控对象工作温度。

2、本实用新型所使用的三种工作模式可以实现全天候、-60～70℃的宽温带自动温度控制，确保被控系统稳定、可靠、准确、高效运行。

3、本实用新型的控温范围宽，使用效果明显优于热电制冷；由于采用了风冷工作模式，满足了被控对象在环境温度较低条件下还需要供冷的运行要求，提高了系统的可靠性和节能性能。

4、本实用新型功能结构简明，模块化程度高，使用灵活方便，管理维护便捷。

5、本实用新型可以实现自动运行、远程控制和人机通讯。在光电装置、电力电子设备与仪器、通讯工程、能源系统、武器装备、机载设备等领域有一定的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理方框图；

图2温度控制系统性能示意图；

图3为本实用新型的机械制冷模块构成框图；

图4为本实用新型的风冷冷却模块构成框图；

图5为本实用新型的电热模块构成框图；

图6为温度精密控制原理框图。

图中标号：1压缩机、2冷凝器组件，2A变频调速风机，2B冷凝换热器，3干燥过滤器，4节流机构，5蒸发冷却器，6气液分离器，7气液热交换器，8冷却风机，9主电热器，10副电热器；

U1机械制冷单元，U2风冷冷却单元，U3电热单元，U4测控单元，U5储液器，U6液体泵，U7热沉，U8三通阀，T1冷媒温度传感器，T2被控对象温度传感器，T3环境温度传感器，K1、K2、K3中间继电器。

具体实施方式

参见图1，本实施例全天候宽温带精密温度控制系统的系统构成为：

由机械制冷单元U1、风冷冷却单元U2和电热单元U3构成冷热源系统。

设置由液体泵U6驱动的强制闭式冷媒循环：在冷媒回路中，储液器U5中的冷媒依次经液泵U6、热沉U7和三通阀U8，在三通阀U8的出口端分流经两条并联支路的某一路，后经主回路中电热模块U3返回储液器U5中，两条并联支路一路是经三通阀出口A的机械制冷单元U1、另一路是经三通阀出口B的风冷冷却单元U2；其中，电热单元U3串接在冷媒的主回路中，机械制冷单元U1和风冷冷却单元U2的出口并联连接在电热单元的入流口，冷媒经过精调温度后，通过具有微通道的热沉U7与被控对象进行热交换。

设置由冷媒温度传感器T1、被控对象温度传感器T2、环境温度传感器T3和测控单元U4组成测控系统。

参见图2，将-60～70℃的宽温带分解为制冷区、风冷区和供热区，在制冷区启动机械制冷模块实现制冷模式，在风冷区启动风冷冷却模块实现风冷模式，在供热区，启动电热模块实现供热模式。

分温区控制三通控制阀U8的流向，在制冷模式和供热模式下，三通阀出口A导通、B关闭，在供热模式中，制冷压缩机1停止工作；在风冷模式下，三通控制阀出口A关闭、B导通。

参见图3，机械制冷单元U1采用蒸气压缩式制冷结构，按制冷剂的流向依次设置制冷压缩机1、带有变频调速风机2A的冷凝器组件2、干燥过滤器3、节流机构4、蒸发冷却器5和气液分离器6，气液分离器6的出口端与所述制冷压缩机进口端连接，由蒸发冷却器5为冷媒提供冷量，冷凝风机变速调节以改善宽温区制冷的稳定性，以适应环境温度变化及热负荷变化。

参见图4，风冷冷却单元U2采用气液热交换器7，由变频调速风机8根据冷媒的温度变频调节风机8转速，以调节冷却空气的流量，形成环境冷空气的强制流动，并与气液热交换器7中的冷媒完成热交换，以使在一定温度范围内冷媒温度稳定，达到节能的效果。

参见图5，电热单元U3由并联设置的供热主电热器9和调温副电热器10组成。其中，供热主电热器9仅在供热(包括冷启动)模式下工作，控制系统根据主参数的偏差，或室外的温度参数控制供热主电热器9所在回路中的中间继电器K1、K2的导通与断开，供热主电热器9的作用是供热，并确保控温对象冷启动时的快速预热；副电热器10精调冷媒温度。

参见图1和图6，供热模式时，三通阀U8的出口A导通、出口B关闭，机械制冷单元U1中的制冷压缩机1和变频风机2A停止运转。副电热器10在制冷、风冷和供热三个工作模式中都投入工作，作为串级控制方式的内环，以被控对象温度传感器T2检测的被控对象温度信号t2为主参数，以冷媒温度传感器T1检测的冷媒温度传感器t1为副参数，设置电量控制器调节副电热器10的电热量，精调冷媒温度，达到精密控制被调对象温度的目的。本实施例采用串级控制方式控制被调对象温度，外环粗调冷媒温度，响应快；内环精调副电热器能量，精度高。

根据需要，可选择乙二醇、酒精或其他液体工质作为冷媒。

控制系统的设置：

控制系统由微电脑处理器及其输出输入接口、变频器、驱动电路、电量控制器、继电器、温度传感器及其测量电路等组成。

变频器控制冷凝风机和冷却风机的转速，调节制冷和风冷模式的供冷量。

继电器用于执行微电脑处理器的指令，控制制冷压缩机、液体泵、风机和电热器的启停，以及三通控制阀支路的切换。

对于本实用新型所提供的技术方案，还可以进行各种修改和变型，如可将图3的冷凝换热器2B与图4的气液热交换器7集成为一体，采用平行流换热器或管片式换热器结构；采用一只变频风机以替代变频调速风机2A和冷却风机8的调速风机功能；采用变速压缩机替代定速压缩机；可根据具体被控对象及其负荷特性划分温度区间；可根据温度精度的需要或被控对象的技术要求调整控制方式，如采用自适应、前馈、补偿等控制原理来实现；也可根据实际运行温度范围对系统结构进行简化或等效替换。

Claims (5)

1.一种全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是系统构成包括：

冷热源模块，其由机械制冷单元(U1)、风冷冷却单元(U2)和电热单元(U3)构成；

冷媒回路，其以液体泵(U6)作为冷媒循环的驱动源，储液器(U5)中冷媒依次经液体泵(U6)、具有微通道的热沉(U7)和三通阀(U8)，在三通阀(U8)的出口端经两条并联支路的某一通路，后经主回路的电热模块(U3)回流至储液器(U5)中；所述的两条并联支路，一路是经三通阀出口A的机械制冷单元(U1)通道、另一路是经三通阀出口B的风冷冷却单元(U2)通道；

测控系统，其由冷媒温度传感器(T1)、被控对象温度传感器(T2)、环境温度传感器(T3)和以微处理器为控制中心的测控单元(U4)组成；

将-60～70℃的宽温带分解为制冷区、风冷区和供热区，所述测控系统根据实时运行状态分区控制为不同的三种工作模式，所述三种工作模式分别是在所述制冷区启动机械制冷工作模式，在所述风冷区切换为风冷冷却工作模式，在所述供热区切换为电热工作模式。

2.根据权利要求1所述的全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是所述机械制冷单元(U1)采用蒸气压缩式制冷结构，按制冷剂的流向依次设置压缩机(1)、具有变频调速风机(2A)的冷凝器组件(2)、干燥过滤器(3)、节流机构(4)、蒸发冷却器(5)和气液分离器(6)，所述气液分离器(6)的出口端与压缩机(1)进口端连接，构成机械制冷循环系统；以所述变频调速风机(2A)作为调节机构，以适应环境温度变化及热负荷变化。

3.根据权利要求1所述的全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是所述风冷冷却单元(U2)采用气液热交换器(7)，由变频调速风机(8)驱动空气强制对流，冷媒在气液热交换器(7)中与空气完成热交换；以所述变频调速风机(8)调节所述气液热交换器的换热能力，以适应环境温度变化及热负荷变化。

4.根据权利要求1所述的全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是所述电热单元(U3)由并联设置的供热主电热器(9)和副电热器(10)组成；以所述副电热器(10)在三种工作模式中执行冷媒的温度精调，实现精密温度控制。

5.根据权利要求1所述的全天候宽温带精密温度控制系统，其特征是在所述测控系统中采用可精密调温的串级控制方式，以副电热器(10)作为串级控制的内环执行器，以被控对象温度传感器(T2)检测的被控对象温度信号t2为主参数，以冷媒温度传感器(T1)检测的冷媒温度t1为副参数，设置电量控制器调节所述副电热器(10)产生的电热量，精密控制被调对象温度。

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