專利名稱：寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種能夠提供低溫和高溫液體熱源的恒溫循環(huán)裝置，尤其是能夠在同一臺設(shè)備上提供的溫度范圍超過-40℃到+200℃、升溫和降溫速率超過2℃/min、溫度波動度優(yōu)于±0.1℃、在整個溫度范圍內(nèi)不需要更換傳熱介質(zhì)和能夠進(jìn)行溫度程序控制的實(shí)驗(yàn)室使用的恒溫循環(huán)設(shè)備。本發(fā)明提供的裝置能廣泛應(yīng)用于石油化工、制藥、電子、巖土工程、國防軍工和航空航天等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的恒溫循環(huán)裝置主要用于向設(shè)備外部提供高溫或低溫液體熱源。該類裝置的主要結(jié)構(gòu)包括加熱器(或制冷器)、循環(huán)泵、換熱容器以及控制裝置。
現(xiàn)有的恒溫循環(huán)裝置所提供的熱源的溫度范圍較小，應(yīng)用范圍相應(yīng)較小，其結(jié)構(gòu)也視其溫度范圍的不同而有變化。對于-40℃到+200℃的溫度范圍，目前需分別用三種溫度循環(huán)裝置才能覆蓋如果溫度范圍在5～95℃之間，即可以用水作為傳熱介質(zhì)的循環(huán)裝置即為常溫恒溫循環(huán)裝置，如冷卻水循環(huán)裝置(或叫冷水機(jī))就是其中的一種。如果溫度范圍在室溫直到-40℃以下，通常需要使用有機(jī)溶劑或低黏度導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)的循環(huán)裝置即為低溫恒溫循環(huán)裝置。如果溫度范圍在室溫直到+200℃以上，通常需要使用高閃點(diǎn)導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)的循環(huán)裝置即為高溫恒溫循環(huán)裝置。由于這些裝置的溫度范圍小，如果某一個實(shí)驗(yàn)同時需要進(jìn)行低溫和高溫處理(包括化學(xué)反應(yīng)工藝控制、材料或產(chǎn)品的保溫或變溫試驗(yàn)等)，當(dāng)溫度范圍超出現(xiàn)有設(shè)備能夠提供的溫度范圍，或者雖然溫度范圍符合要求，但實(shí)現(xiàn)整個溫度范圍需要中途更換工作液時，任何一臺裝置都不能單獨(dú)完成試驗(yàn)。因此就有可能增加試驗(yàn)的難度，中斷試驗(yàn)甚至造成試驗(yàn)失敗、無法重復(fù)等。
另外，很多實(shí)驗(yàn)為了縮短試驗(yàn)周期，要求按比正常溫度變化更快的速率進(jìn)行模擬變溫試驗(yàn)，因此除了對溫度波動度有比較高的要求以外，同時希望溫度變化的速率要快，而且可以按照一定的規(guī)律進(jìn)行編程。現(xiàn)有的裝置一般不能同時兼顧較好的溫度波動度和較快的溫度變化速率。為了解決這個問題，現(xiàn)有裝置采用了手動切換功率的辦法，即在升溫和降溫過程中，使用較大的加熱或制冷功率使升溫或降溫迅速；當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時，使用較小的加熱或制冷功率使恒溫穩(wěn)定。這種方法雖然簡單，但無法實(shí)現(xiàn)按一定規(guī)律進(jìn)行編程控制的連續(xù)變溫要求，同樣造成試驗(yàn)無法重復(fù)進(jìn)行。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種改進(jìn)的恒溫循環(huán)裝置，它不僅具有很寬的溫度范圍，在整個溫度范圍不需要更換傳熱介質(zhì)，還能解決高精度恒溫和升降溫速率之間的矛盾，使其在一個極寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)快速的高精度溫度編程模擬試驗(yàn)成為可能。
本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，包括換熱容器、循環(huán)泵、儲液箱、控制器以及裝于換熱容器內(nèi)的加熱器，循環(huán)泵裝于換熱容器上，出口管以及進(jìn)口管分別與用戶系統(tǒng)相接，出口管內(nèi)裝有溫度傳感器，換熱容器外部周圍包敷有保溫材料，所說的控制器通過線路分別與各傳感器、各閥門、循環(huán)泵及加熱器進(jìn)行電連接，該裝置還包括至少一個制冷器，制冷器中的蒸發(fā)器裝于換熱容器內(nèi)，所說的換熱容器由罐體和蓋板組成密閉結(jié)構(gòu)，換熱容器與循環(huán)泵、出口管及進(jìn)口管構(gòu)成介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)并與大氣隔離，儲液箱與換熱容器用裝有電磁閥的管道接通。
所說的膨脹機(jī)構(gòu)是電子式膨脹閥。
所說的循環(huán)泵是磁力泵。
所說的出口管上裝有壓力傳感器。
所說的換熱容器的外部周圍的保溫材料包敷結(jié)構(gòu)是內(nèi)層是耐高溫和耐低溫的保溫材料，外層是耐低溫和耐中溫的材料。
本實(shí)用新型提供的恒溫循環(huán)裝置，由于換熱容器與循環(huán)泵、出口管、進(jìn)口管所構(gòu)成的介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)采用全封閉結(jié)構(gòu)，使傳熱介質(zhì)可以在一定壓力下工作，解決了介質(zhì)選擇和需要中途更換等困難，避免了傳熱介質(zhì)低溫吸收水汽和高溫?fù)]發(fā)、氧化等問題。該裝置同機(jī)配置了制冷機(jī)和加熱器，其提供的溫度范圍超過-40℃到+200℃，可在一個極寬的溫度范圍內(nèi)為控制合成的工藝過程、測試新產(chǎn)品新材料的性能等提供條件，最佳溫度波動度可達(dá)到±0.01℃，最大升溫和降溫速率均可超過5℃/min，并可以按照正弦和線性規(guī)律程序控制溫度的變化過程。使用該裝置后可真正滿足高精度和自動化測量的要求，可提高研究結(jié)果的可靠性和性能測試的準(zhǔn)確性，對改善國內(nèi)科研條件，促進(jìn)測試手段的發(fā)展完善和產(chǎn)品工藝改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。


圖1是該恒溫循環(huán)裝置的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是控制器示意圖。
具體實(shí)施方式
該裝置具有至少一個制冷器、循環(huán)泵、換熱容器、儲液箱、加熱器和一個控制器。制冷器主要包括風(fēng)冷或水冷式冷凝器1、制冷壓縮機(jī)2、膨脹機(jī)構(gòu)13、蒸發(fā)器19和干燥過濾器11等。制冷劑通過管道依次從壓縮機(jī)、冷凝器、過濾器、膨脹機(jī)構(gòu)及蒸發(fā)器后又回到壓縮機(jī)。循環(huán)泵主要采用磁力泵，該泵由電動機(jī)6、磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)5和泵體8等組成，其中磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動磁體與密閉換熱容器20的蓋板制成一體，確保密封良好。循環(huán)泵的密封機(jī)構(gòu)必須能夠承受不小于1Mpa的壓力和符合裝置溫度范圍要求的溫度沖擊，循環(huán)泵與密閉換熱容器之間采用管道或浸入式(即泵體直接浸入傳熱介質(zhì)中)結(jié)構(gòu)連接。密閉換熱容器由罐體和蓋板組成，其中安裝了制冷蒸發(fā)器11、加熱器16等基本加熱制冷部件。密閉換熱容器能夠承受不小于1Mpa壓力。為了確保換熱高效和溫度均勻，內(nèi)部安裝了導(dǎo)流裝置21和攪拌葉輪15。溫度傳感器7安裝于循環(huán)泵出口的快速流體當(dāng)中，確保溫度傳感快速靈敏。循環(huán)裝置出口管10-1中還安裝了檢測換熱容器內(nèi)介質(zhì)液位的壓力檢測傳感器9。如果外循環(huán)管路泄漏或換熱容器內(nèi)沒有充滿介質(zhì)，壓力傳感器指示的循環(huán)泵壓力就會下降，從而命令控制器執(zhí)行自動充液或關(guān)閉循環(huán)泵工作。換熱容器的外部周圍首先采用能夠同時耐高溫和低溫的保溫材料17包裹，然后再用能有效阻斷空氣的高致密性的耐低溫和耐中溫的材料18保護(hù)。同時耐高溫和耐低溫的材料包括石棉、玻璃纖維或發(fā)泡硅膠等，高致密性的耐低溫和耐中溫的材料包括發(fā)泡丁晴橡膠(NR)、發(fā)泡硅膠或采用聚氨酯直接發(fā)泡。儲液箱3的功能主要是為了確保換熱容器20和用戶系統(tǒng)22內(nèi)足夠的介質(zhì)液體。如果循環(huán)裝置工作時壓力檢測傳感器9檢測到壓力不足，則需要開啟電磁閥14自動補(bǔ)充介質(zhì)；至于儲液箱內(nèi)介質(zhì)液位是否正常，由最高、最低液位傳感器4-1及4-2檢測。依據(jù)溫度范圍，制冷器管路和循環(huán)裝置的其它所有液體管路需要采用符合溫度要求的保溫材料進(jìn)行保溫處理。
除了定溫工作不一定需要啟動制冷器以外，為了滿足高低溫快速連續(xù)變溫和用戶系統(tǒng)熱負(fù)荷變化不定的情況，制冷器壓縮機(jī)的工作是連續(xù)的，而電子式膨脹閥受控制器控制可以實(shí)現(xiàn)快速制冷和精密恒溫的要求(該閥可自制或外購)。依據(jù)溫度范圍、制冷量和工作介質(zhì)的不同，溫度波動度一般在±0.1～0.05℃左右。加熱器功率的選擇依據(jù)最高溫度要求和升溫速率來確定。制冷器功率的選擇依據(jù)最低溫度要求和降溫速率來確定如果最低溫度在-40℃以上，一般采用單級壓縮機(jī)制冷；如果溫度需要低到-60℃左右，可以采用雙級壓縮機(jī)制冷或多元自復(fù)疊壓縮機(jī)制冷(即一個以上制冷器)；如果最低溫度低于-60℃以下，可以采用二元或多元復(fù)疊和多元自復(fù)疊壓縮機(jī)(也即一個以上制冷器)制冷。現(xiàn)有裝置能夠達(dá)到的溫度范圍為-80～+250℃，最大升溫和降溫速率大于5℃/min。根據(jù)具體需要解決的溫度方案，可以利用本實(shí)用新型的控制器，將溫度范圍擴(kuò)大到-120～+400℃，最大升溫和降溫速率提高到5～20℃/min之間，并提供正弦和線性規(guī)律的混合編程功能。
由于本實(shí)用新型所提供的溫度范圍變寬，設(shè)備運(yùn)行過程中傳熱介質(zhì)、循環(huán)泵的密封材料和制冷系統(tǒng)的冷凍油等均長期經(jīng)受熱脹冷縮和高低溫沖擊。受傳熱介質(zhì)的傾點(diǎn)、運(yùn)動黏度和閃點(diǎn)等限制，目前也很難有一種介質(zhì)能夠在常壓下同時滿足在最低溫度和最高溫度范圍使用(如美國道康寧silicone210導(dǎo)熱硅油，在常壓下其適用的溫度范圍是-65～+280℃，如果循環(huán)系統(tǒng)允許一定的壓力，則可以將最高溫度提高到+350℃左右)。此外低溫時傳熱介質(zhì)容易吸收空氣中的水份而使介質(zhì)凝點(diǎn)提高或渾濁，當(dāng)溫度超過100℃時吸收的水汽又會重新?lián)]發(fā)，高溫下介質(zhì)揮發(fā)、冒煙和氧化等問題可能造成試驗(yàn)環(huán)境惡劣和傳熱介質(zhì)在短時間內(nèi)變質(zhì)或失效。
采用密閉的換熱容器可以很好地解決介質(zhì)選擇的困難問題。換熱容器采用了完全密封的結(jié)構(gòu)，其作用是隔絕工作介質(zhì)與外界環(huán)境的聯(lián)系，從而防止介質(zhì)在低溫下冷凝吸收空氣中的水分和在高溫下介質(zhì)冒煙、氧化變質(zhì)等。換熱容器的大小按以下原則確定可以將循環(huán)泵泵體、電熱器和蒸發(fā)器方便地安裝，確保換熱介質(zhì)達(dá)到最佳的換熱效果，升溫和降溫速率符合用戶對熱容量的需求。
為了確保整個循環(huán)系統(tǒng)密閉，循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)和密封是解決問題的關(guān)鍵所在。如果循環(huán)系統(tǒng)的密閉只是為了解決介質(zhì)與外界空氣隔絕的問題，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的壓力一般不會超過0.1Mpa，采用機(jī)械密封的循環(huán)泵即可符合要求，但仍然要求機(jī)械密封能夠長期承受符合裝置溫度范圍要求的高溫和低溫的連續(xù)沖擊。如果循環(huán)系統(tǒng)的密閉需要承受0.1Mpa以上的壓力和溫度范圍較寬時，采用機(jī)械密封已經(jīng)不能滿足要求，主要問題是機(jī)械密封的耐久性不夠，從而影響整個裝置的性能和壽命，其次是低溫下循環(huán)泵工作對制冷量的消耗越來越大。本實(shí)用新型采用的是釤鈷磁高效率磁力驅(qū)動循環(huán)泵，其密封的性能可以承受大于1Mpa的工作壓力，其獨(dú)特的磁耦合結(jié)構(gòu)降低了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對制冷量的消耗，其最高使用溫度可以達(dá)到+350℃以上。循環(huán)泵的流量和揚(yáng)程的選擇在確保用戶要求的同時，應(yīng)考慮所采用介質(zhì)的運(yùn)動黏度和換熱容器本身換熱攪拌的需要。
由于循環(huán)系統(tǒng)為密閉結(jié)構(gòu)，密閉換熱容器通過電磁閥14連接到與大氣連通的儲液箱內(nèi)。當(dāng)循環(huán)裝置與用戶系統(tǒng)連通并開始工作時，換熱容器內(nèi)的介質(zhì)被不斷循環(huán)到用戶系統(tǒng)，換熱容器內(nèi)的液位下降，從而使循環(huán)泵的壓力迅速下降；控制器根據(jù)壓力的變化確定是否需要向換熱容器內(nèi)補(bǔ)充介質(zhì)，如果需要則開啟供液電磁閥14，如果不需要，則自動關(guān)閉該電磁閥，從而確保換熱容器內(nèi)的介質(zhì)符合正常工作需要。此外密閉換熱容器上部留有一段空氣層，作為高低溫變化時的脹縮空間。如果儲液箱的液位下降或超過到一定限度，控制系統(tǒng)的液位檢測功能能夠提示液位異常的信號。
該循環(huán)裝置與用戶系統(tǒng)之間采用可以承受壓力和高溫、低溫的不銹鋼波紋管連接，連接部位采用螺紋接口，波紋管外面使用發(fā)泡硅膠保溫。控制器12主要包括中央控制單元(CPU)、電源電路和輸入輸出隔離及驅(qū)動電路等。該控制器應(yīng)當(dāng)設(shè)有符合人機(jī)對話要求的鍵盤面板和溫度、狀態(tài)顯示器，用于設(shè)定和顯示裝置的控制溫度及工作狀態(tài)。控制器可以傳感溫度、液位和壓力等信號，控制加熱器16功率和膨脹機(jī)構(gòu)13的開度，必要時還可以控制循環(huán)泵的流量、冷凝器風(fēng)扇風(fēng)量或壓縮機(jī)功率等?？刂破鞲鶕?jù)用戶指令和各種傳感器信號，通過電腦軟件，控制和協(xié)調(diào)制冷器、加熱器、循環(huán)泵和各種閥門的工作。該恒溫循環(huán)裝置利用由微電腦控制的制冷器和加熱器來實(shí)現(xiàn)降溫、升溫和恒溫?？刂破鞲鶕?jù)溫度傳感器測量到的溫度值和用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度或按一定規(guī)律變化的程序控制溫度數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)制冷器的制冷量控制閥門(電子式膨脹閥)或加熱器功率。溫度偏低時，制冷量閥門關(guān)閉到足夠小的位置，使制冷量減到最小但仍然能夠確保制冷系統(tǒng)正常工作；依據(jù)實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度誤差的大小，控制加熱器以全功率工作或減小的功率工作。溫度偏高時，加熱器停止工作；依據(jù)實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度誤差的大小，控制制冷量閥門以最大制冷功率工作或減小的功率工作。溫度恒定時，控制器將根據(jù)用戶系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化自動協(xié)調(diào)制冷量閥門或加熱器的工作，使實(shí)際溫度精確恒定在用戶設(shè)定的溫度點(diǎn)上。
本裝置的工作過程是這樣的首先按要求將循環(huán)裝置的出口管10-1和進(jìn)口管10-2與用戶系統(tǒng)的入口和出口連接，確認(rèn)各連接部位連接準(zhǔn)確、牢固，并依據(jù)溫度范圍對各部位進(jìn)行保溫處理。啟動循環(huán)裝置，控制器首先檢測到循環(huán)泵的壓力不足，即需要向循環(huán)管添加介質(zhì)。電磁閥14自動打開，并向管路中充液，這時請注意觀察控制器指示的儲液箱中的液位狀況，必要時及時補(bǔ)充。充液正常后，控制器指示循環(huán)管路壓力正常，電磁閥自動關(guān)閉。這時控制器將根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差異大小，控制加熱器和膨脹閥的工作。當(dāng)溫度誤差較大時，加熱器或膨脹閥以最大功率狀態(tài)工作，并以最快的速度升溫或降溫；當(dāng)實(shí)際溫度接近設(shè)定溫度時，控制器逐漸減小加熱器的功率或膨脹閥的開度，最后控制器將協(xié)調(diào)加熱器和膨脹閥的工作使溫度穩(wěn)定地保持在設(shè)定溫度點(diǎn)上。如果設(shè)定溫度發(fā)生改變、外界條件變化或用戶系統(tǒng)熱負(fù)荷發(fā)生變化等引起實(shí)際溫度和設(shè)定溫度不一致時，控制系統(tǒng)將重復(fù)以上過程使溫度以最大速率或程序控制的速率達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
權(quán)利要求1.寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，包括換熱容器(20)、循環(huán)泵、儲液箱(3)、控制器(12)以及裝于換熱容器內(nèi)的加熱器(16)，循環(huán)泵裝于換熱容器上，出口管(10-1)以及進(jìn)口管(10-2)分別與用戶系統(tǒng)相接，出口管內(nèi)裝有溫度傳感器(7)，換熱容器外部周圍包敷有保溫材料，所說的控制器通過線路分別與各傳感器、各閥門、循環(huán)泵及加熱器進(jìn)行電連接，其特征在于該裝置還包括至少一個制冷器，制冷器中的蒸發(fā)器(19)裝于換熱容器內(nèi)，所說的換熱容器由罐體和蓋板組成密閉結(jié)構(gòu)，換熱容器與循環(huán)泵、出口管及進(jìn)口管構(gòu)成介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)并與大氣隔離，儲液箱與換熱容器用裝有電磁閥(14)的管道接通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的膨脹機(jī)構(gòu)是電子式膨脹閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的循環(huán)泵是磁力泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的出口管上裝有壓力傳感器(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的出口管上裝有壓力傳感器(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的換熱容器的外部周圍的保溫材料包敷結(jié)構(gòu)是內(nèi)層是耐高溫和耐低溫的保溫材料(17)，外層是耐低溫和耐中溫的材料(18)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的換熱容器的外部周圍的保溫材料包敷結(jié)構(gòu)是內(nèi)層是耐高溫和耐低溫的保溫材料(17)，外層是耐低溫和耐中溫的材料(18)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的換熱容器的外部周圍的保溫材料包敷結(jié)構(gòu)是內(nèi)層是耐高溫和耐低溫的保溫材料(17)，外層是耐低溫和耐中溫的材料(18)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬溫度范圍動態(tài)恒溫循環(huán)裝置，其特征在于所說的換熱容器的外部周圍的保溫材料包敷結(jié)構(gòu)是內(nèi)層是耐高溫和耐低溫的保溫材料(17)，外層是耐低溫和耐中溫的材料(18)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種能夠提供低溫和高溫液體熱源的恒溫循環(huán)裝置，能廣泛應(yīng)用于石油化工、制藥、電子、巖土工程、國防軍工和航空航天等領(lǐng)域。本實(shí)用新型所提供的裝置，不僅具有很寬的溫度范圍，還能解決高精度恒溫和升降溫速率之間的矛盾，并在整個溫度范圍不需要更換傳熱介質(zhì)。提供的技術(shù)方案是該裝置包括至少一個制冷器、換熱容器、循環(huán)泵、儲液箱、控制器以及裝于換熱容器內(nèi)的加熱器，另有進(jìn)、出口管分別與用戶系統(tǒng)相接，出口管裝有壓力及溫度傳感器，所說的換熱容器是密閉結(jié)構(gòu)且外部周圍包敷有保溫材料，換熱容器與循環(huán)泵、出口管及進(jìn)口管構(gòu)成介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)并與大氣隔離，儲液箱與換熱容器用裝有電磁閥的管道接通，循環(huán)泵裝于換熱容器上。
文檔編號F25B30/00GK2681050SQ200420020000
公開日2005年2月23日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月5日
發(fā)明者徐月明 申請人:徐月明