[发明专利]基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置

说明书

基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置属于精密温控领域。采用基于半导体制冷片阵列的制冷模块实现制冷功能，通过电功率调节形式精确、快速调节制冷功率，采用具有翅片结构并浸没在循环水中的电加热器实现快速、精确加热功率调节，两者配合温度传感器和控制器实现循环水温度精确、快速闭环调节；在主动温度闭环反馈控制的基础上增加了动态的温度波动抑制模块，将一部分循环水截流存储于换热装置的一侧通道之中，并利用其热容对换热装置另一侧通道中的循环水进行温度波动抑制，提高冷水机供水温度稳定性，且截流的循环水可按需实时更新，具备动态特性。

技术领域

本发明属于精密温控技术领域，主要涉及一种基于动态热容滤波的高精度恒温循环冷却水装置。

背景技术

随着超精密测量、加工精度的不断提高，热污染逐渐凸显成为制约测量、加工精度和性能进一步提高的关键因素之一，在精密及超精密加工中，近40％～70％的加工误差来源于加工过程中的热污染。目前，普遍采用以水或复合冷却液等为循环介质的循环流体温度控制系统来实现对超精密测量、加工装备中温度敏感零部件、区域的高精度温度控制，或者作为高精度冷源用于高精度恒温空气的制备。因此，高精度恒温循环冷水机成为超精密测量、加工过程中热污染控制的一项核心关键技术。

传统循环冷水机均基于压缩制冷原理，受限于压缩制冷基本规律，只能在设计工况附近稳定高效地运行，即输出制冷功率范围较窄，无法从零开始输出，且系统响应速度慢，调节速度在分钟量级，可实现的温度稳定性一般在±0.1K量级，无法满足超精密测量、加工过程中的各类剧烈变化的热负载以及极高的温度稳定性需求(1.一种风冷冷水机组中风机的控制方法，专利申请号：CN107238240A；2.一种冷水机组能量调节结构，专利申请号：CN107289559A；3.一种复合冷却系统，专利申请号：CN107196461A)。因此，有基于半导体制冷器件的循环冷水机的技术方案被提出，采用基于半导体制冷器件的制冷模块替代了传统的压缩制冷系统，可实现±0.01K量级的温度稳定性。如果想进一步提高供水温度稳定性，从主动闭环反馈控制的角度来实现，技术难度十分巨大，且实现成本会急剧上升。因此参考“滤波”的概念，采用流体温度波动抑制装置串联在循环流体温度控制系统中的形式来进一步提高流体温度稳定性，以实现mK甚至更高量级的循环流体温度稳定性来满足超精密测量、加工的需求。

针对循环流体温度波动抑制问题，K.M.Lawton等提出了两类技术方案(1.Precision Temperature Control of High-Throughput Fluid Flows:Theoreticaland Experimental Analysis，第一作者：Lawton,K.M.，期刊：Journal of Heat Transfer,2001年123卷4期；2.Direct contact packed bed thermal gradient attenuators:Theoretical analysis and experimental observations.第一作者：Lawton,K.M，期刊：Review of Science Instruments，2003年74卷5期)。该方案特点是：1)将一个换热器的一侧通道内密封充满水作为温度波动抑制介质，并让循环流体通过另一侧通道，循环流体温度波动时，介质就会依靠自身的热容吸收或释放热量，以此来抑制循环流体的温度波动。2)在一个容器中充满不锈钢球，让循环流体从容器的一端流入经过不锈钢球后从另一端流出，以不锈钢球的热容来吸收或释放热量，从而抑制循环流体温度波动。这两类技术方案能有效工作的核心前提是介质温度必须处于循环流体温度波动范围之内。