SU1564600A1

SU1564600A1 - Thermostatting device

Info

Publication number: SU1564600A1
Application number: SU884424282A
Authority: SU
Inventors: Рафаил Григорьевич Джагупов; Игорь Григорьевич Белокур; Игорь Николаевич Черненко
Original assignee: Одесский Политехнический Институт
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1990-05-15

Abstract

Изобретение относитс к технике термостатировани , в частности к устройствам термостатировани небольших объектов. Целью изобретени вл етс уменьшение времени выхода на рабочий режим и уменьшение градиента температур по тепловой камере. Устройство дл термостатировани содержит теплоизол ционный кожух 5, внутри которого расположен нагревательный элемент 1 из пьезоэлектрического материала с точкой Кюри вблизи рабочей температуры. Электроды элемента 1 расположены на его внешней и внутренней поверхност х и подключены к выходу усилител 9 мощности, соединенного с генератором 10 переменного тока, температурный коэффициент частоты которого противоположен по знаку температурному коэффициенту частоты пьезокерамического материала. В устройство введен тепловой темпфер 2 из материала со значением коэффициента теплопроводности не менее 150 Вт/м^.град, образующий с нагревательным элементом 1 (тепловой камерой) неразъемное соединение. 1 ил.The invention relates to a technique of thermostating, in particular to devices for thermostating small objects. The aim of the invention is to reduce the time to reach the operating mode and to reduce the temperature gradient in the heat chamber. The device for thermostating contains a heat insulating casing 5, inside of which is located a heating element 1 of piezoelectric material with a Curie point near the operating temperature. The electrodes of the element 1 are located on its outer and inner surfaces and are connected to the output of a power amplifier 9 connected to an alternating current generator 10, the temperature coefficient of which frequency is opposite to the temperature coefficient of the frequency of the piezoceramic material. A thermal tempfer 2 made of a material with a coefficient of thermal conductivity of at least 150 W / m is introduced into the device ^. hail forming a permanent connection with the heating element 1 (heat chamber). 1 il.

Description

Изобретение относится к технике термостатирования, в частности к устройствам термостатирования небольших объектов, и может быть ис- $ пользовано в различных облаетях науки и техники при необходимости поддерживания постоянной температуры отдельных элементов или схем.The invention relates to thermostating technique, in particular to thermostating devices for small objects, and can be used in various fields of science and technology, if necessary, to maintain a constant temperature of individual elements or circuits.

Цель изобретения - уменьшение вре- jq мени выхода на рабочий режим и уменьшение градиента температур по тепловой камере.The purpose of the invention is to reduce the time jq of the transition to the operating mode and to reduce the temperature gradient in the heat chamber.

На чертеже представлена схема устройства для термостатирования. 15The drawing shows a diagram of a device for temperature control. fifteen

Устройство для термостатирования содержит нагревательный элемент 1 из пьезокерамики, например ТБК-3 или ЦТС-19, образующий тепловую камеру, тепловой демпфер 2, образующий рабо- 20 чую камеру, он изготовлен, например, из меди в форме стакана, причем толщина его стенок должна быть подобрана такой, чтобы обеспечить минимальный градиент температур по сечению 25 камеры. Дно 3 и крышка 4 теплового демпфера 2 имеют толщину, в 2-3 раза превышающую толщину его стенок. Внутренняя поверхность теплового демпфера 2, образующего рабочую камеру, покрыта теплостойким черным матовым лаком со степенью черноты не хуже 0,92, Нагреваемый элемент 1 - тепловая камера, помещена в теплоизоляционный кожух 5, например, из материала ИЛУ—3, обеспечивающий уменьшение энергопотребления и демпфировайие кратковременных изменений температуры окружающей среды. Крышка 4 теплового демпфера 2 - рабочей камеры, дд также покрыта теплоизоляцией 6. С целью защиты от механических повреждений устройство помещено в металлический кожух (не показан). Электроды 7 и 8 на внешней и внутренней поверх- 45 ности нагревательного элемента 1 тепловой камеры, подключены к выходу усилителя 9 мощности, выполненному по двухтактной схеме с трансформаторным выходом. Зход усилителя 9 мощности соединен с выходом генератора 10 переменного тока, содержащего в частотно-задающей цепи термочувствительный элемент 11, например пьезоэлектричес-» кий элемент или сегнетоэлектрический конденсатор с отрицательным знаком температурного коэффициента частоты ТКЧ. (частота генератора 10 уменьшается с ростом температуры). Для пред отвращения располяризации пьезокерамического нагревательного элемента 1резонатора, при работе вблизи точки Кюри Ήа его электроды 7 и 8 подается постоянное смещающее напряжение от блока питания (не показан) через развязывающий дроссель, препятствующий закорачиванию по переменному току выхода усилителя 9 мощности.The thermostatic control device comprises a heating element 1 made of piezoceramics, for example TBK-3 or TsTS-19, forming a heat chamber, thermal damper 2, forming a working chamber 20, it is made, for example, of copper in the form of a glass, and its wall thickness should be selected so as to provide a minimum temperature gradient along the section 25 of the chamber. The bottom 3 and the cover 4 of the thermal damper 2 have a thickness 2-3 times the thickness of its walls. The inner surface of the thermal damper 2, forming the working chamber, is coated with a heat-resistant black matte varnish with a blackness of no worse than 0.92. The heated element 1 is a heat chamber, placed in a heat-insulating casing 5, for example, made of ILU-3 material, which reduces energy consumption and damping short-term changes in ambient temperature. The cover 4 of the thermal damper 2 - the working chamber, dd is also covered with thermal insulation 6. In order to protect against mechanical damage, the device is placed in a metal casing (not shown). The electrodes 7 and 8 on the outer and inner surfaces of the heating element 1 of the heat chamber are connected to the output of the power amplifier 9, made in a push-pull circuit with a transformer output. The input of the power amplifier 9 is connected to the output of the alternator 10, which contains a temperature-sensitive element 11 in the frequency-setting circuit, for example, a piezoelectric element or a ferroelectric capacitor with a negative sign of the temperature coefficient of the frequency factor of the current-frequency characteristic. (the frequency of the generator 10 decreases with increasing temperature). To prevent the polarization of the piezoceramic heating element 1 of the resonator, when working near the Curie point Ήa, its electrodes 7 and 8 are supplied with a constant bias voltage from the power supply unit (not shown) through a decoupling inductor, which prevents the output of the power amplifier 9 to be shorted by alternating current.

Работа устройства для термостатирования основана на явлении внутренней автотермостабилизации, при этом термочувствительный источник тепла нагревательный элемент 1, служит тепу ловой камерой, а регулирование мощности нагрева происходит автоматически при изменении условий теплового баланса между тепловой энергией, выделяемой в нагревательном элементе 1 тепловой камере, и энергией, отдаваемой во внешнюю среду.. Вследствие непрерывного изменения мощности нагрева в зависимости от внешних условий принцип действия этого устройства близок к системе с пропорциональным регулированием.The operation of the thermostating device is based on the phenomenon of internal auto-thermal stabilization, while the heat-sensitive heat source of the heating element 1 serves as a heat chamber, and the heating power is controlled automatically when the conditions of the heat balance between the heat energy released in the heating element 1 of the heat chamber change and the energy given to the external environment .. Due to the continuous change in heating power depending on external conditions, the principle of operation of this device is close to a proportional control system.

Частота генератора 10 переменного тока выбирается равной частоте рабочей точки, расположенной на склоне резонансной характеристики нагревательного элемента 1 из пьезокерамики,The frequency of the alternator 10 is chosen equal to the frequency of the operating point located on the slope of the resonant characteristic of the heating element 1 from piezoceramics,

т.е. тепловой камеры, причем частота собственного резонанса должна быть немного выше частоты возбуждения.those. thermal chamber, and the frequency of natural resonance should be slightly higher than the excitation frequency.

Температура нагревательного элемента 1 - тепловой камеры, повышается до установления теплового равновесия, тогда подводимая мощность переменного тока сравнивается с теплом, рассеиваемым в окружающую среду. При понижении температуры окружающей среды резонансная частота нагревательного элемента 1 - тепловой камеры, приближается к частоте возбуждающего напряжения вследствие положительного знака ТКЧ, т.е. рабочая точка смещается вверх по резонансной характеристике. Так как рассеиваемая в нагревательном элементе 1 - тепловой камере, электрическая мощность зависит¹ от частоты возбуждения упругих колебаний резонансно, то она возрастает, повышая при этом температуру тепловой камеры. Аналогично повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению рассеиваемой в нагревательном элементе 1 - тепловой камере, электрической мощности и пони жению ее температуры. Внутри .рабочей, камеры, образованной тепловым демпфером 2, температура изменяется во много раз меньше изменения температуры окружающей среды. При этом коэффи- $ циент стабилизации определяется крутизной резонансной характеристики нагревательного элемента 1 - тепловой камеры.The temperature of the heating element 1, the heat chamber, rises until the thermal equilibrium is established, then the supplied AC power is compared with the heat dissipated into the environment. With decreasing ambient temperature, the resonant frequency of the heating element 1, the heat chamber, approaches the frequency of the exciting voltage due to the positive TFC, i.e. the operating point shifts up the resonance response. Since the electric power dissipated in the heating element 1 is a heat chamber, ¹ depends ^on the frequency of the excitation of elastic vibrations in a resonant manner, it increases, while increasing the temperature of the heat chamber. Similarly, an increase in the ambient temperature leads to a decrease in the power dissipated in the heating element 1 — the heat chamber, and to a decrease in its temperature. Inside the chamber, the chamber formed by the thermal damper 2, the temperature changes many times less than the change in ambient temperature. In this case, the stabilization coefficient is determined by the steepness of the resonance characteristic of the heating element 1 — the thermal chamber.

При включении в частотно-задающей цепи генератора 10 переменного тока термочувствительного элемента 11 происходит дополнительная стабилизация температуры в рабочей камере 2, что обусловлено знаком ТКЧ генератора 10 переменного тока, противоположным температурному возмущению.When the temperature-sensitive element 11 is turned on in the frequency-driving circuit of the alternator 10, the temperature is further stabilized in the working chamber 2, due to the TFC sign of the alternator 10, opposite to the temperature disturbance.

В предлагаемом устройстве нагревательный элемент 1 из пьезокерамики, 20 образующий тепловую камеру, разогревается за счет диссипации энергии упругих колебаний в пьезокерамике, упругие колебания передаются и в тепловой демпфер 2, вызывая его разогрев 25 за счет потерь механической энергии на внутреннее трение в каждом элементарном объеме материала теплового демпфера 2, т.е. имеет место одновременный разогрев всего тела теплового эд демпфера 2. Явление теплопроводности дополнительно усредняет тепловое поле во времени и в объеме тела теплового демпфера 2.In the proposed device, the heating element 1 of piezoelectric ceramics, 20 forming a thermal chamber, is heated by dissipation of the energy of elastic vibrations in piezoceramics, elastic vibrations are also transmitted to the thermal damper 2, causing it to heat 25 due to the loss of mechanical energy due to internal friction in each elementary volume of material thermal damper 2, i.e. there is a simultaneous heating of the whole body of the thermal ed damper 2. The phenomenon of thermal conductivity additionally averages the thermal field in time and in the volume of the body of the thermal damper 2.

Таким образом, поскольку время выхода на режим определяется временем ³³установления определенной величины температуры изотермического поля на внутренней поверхности рабочей ка меры - теплового демпфера, то в случае его разогрева диссипацией механической энергии при прочих равных условиях указанная величина температуры изотермического поля устанавливается раньше, чем это имело бы место в случае нагрева только за счет теплопроводности .Thus, since the time to enter the regime is determined by the time ³³ when a certain temperature of the isothermal field is established on the inner surface of the working chamber — the thermal damper, then, if it is heated by dissipation of mechanical energy, ceteris paribus, the indicated temperature of the isothermal field is set earlier than it had would be the case in case of heating only due to thermal conductivity.

Claims

Claim

A thermostatic control device comprising a heat-insulating casing, inside of which there is a piezoceramic heating element forming a heat chamber with a Curie point near the operating temperature, on the external and internal surfaces of which there are electrodes connected to the output of a power amplifier connected to an alternator, temperature coefficient whose frequency is opposite in sign to the temperature coefficient of the frequency of the piezoceramic material, characterized in that, in order to reduce To reduce the time required to reach the operating mode and reduce the temperature gradient along the heat chamber, the device is equipped with a thermal damper located inside the heating element, forming a working chamber and made of a material with a thermal conductivity of at least 150 W / m * deg, and the side surfaces of the heating element and the heat the dampers are integral.