一种基于冷源与热源的恒温室温度调节系统

技术领域

本发明属于温度控制领域，具体涉及一种基于冷源与热源的恒温室温度调节系统。

背景技术

恒温室通常通过在密闭实验室中安装空调来实现，但空调作为一种完整的日用商品无法作太多的适应性改造，因而恒温室温度无法被精确控制。其他的一些恒温室方案通常采用压缩机换热，铺设空气循环管网及温度监测传感器，从而实现密闭空间的温度控制。这种方案通常建设投入大，存在热交换机温度不稳定而导致的温度控制灵敏度、准确度不足的问题。

由于导体电阻率受温度影响大，故在导体电阻率的高精度检测中要求检测温度恒定可控，因而对检测实验室环境温度也提出了更高的恒定性要求。但现有技术中无法提供符合要求的检测实验室环境温度。

专利99809644.X《控制恒温室内温度的方法和恒温设备》中，气流被引导流经2个热交换器以达到理想温度，再引入到恒温室以实现恒温控制。该方法中恒温室不完全密封，且换热器加热冷却温度无法精准控制，因而需要采用2级换热器以求达到精准进气温度控制。尽管如此，换热设备的温度依然由于热惯性而存在实时波动的问题，从而使经两级换热后的进气温度不精准。基于此，本发明提出具有物理恒定温度的冷热源换热器，用于改善恒温室的控温精度。

发明内容

为了克服现有技术中由于冷热源温度不恒定导致的控温灵敏度不足的缺点，提供一种冷源基于固液混合相、热源基于气液混合相的恒温室温度控制系统。该恒温控制系统布设成本相对低廉，且具有更高的控温精度。

本发明至少通过下述技术方案之一实现。

一种基于冷源与热源的恒温室温度调节系统，包括恒温室、进气管道、第一动力装置、换热系统和出气管道，

所述恒温室上开设有进气口和出气口，且恒温室内设置有多个温度传感器；

所述进气管道的入口与所述进气口相通，所述第一动力装置用于将恒温室内的空气从进气口经所述进气管道输送到所述换热系统中；

所述换热系统包括相互并联的用于提供热源的加热结构、用于提供冷源的冷却结构和无换热节流结构，所述加热结构包括加热管道、设置在加热管道上的第一控制阀、热源换热器和热源介质，加热管道内的空气在所述热源换热器中与所述热源介质提供的热能进行换热；所述冷却结构包括冷却管道、设置冷却管道上的第二控制阀、冷源换热器和冷源介质，冷却管道内的空气在所述冷源换热器内与所述冷源介质提供的冷能进行换热；所述无换热节流结构包括无换热管道和设置在无换热管道上的第三控制阀，所述加热管道、所述无换热管道和所述冷却管道的入口均分别与所述进气管道的出口相通，所述加热管道、所述冷却管道和所述无换热管道的出口均分别与所述出气管道的入口相通，所述出气管道的出口与所述恒温室上的所述出气口相通。

进一步地，所述进气口的数量有至少一个，所述出气口的数量有至少一个。可以根据实际需要设置进气口和出气口的数量，从而可以针对性地将控制恒温室内的不同位置的温度，提高温度调节的灵敏度。

进一步地，每个进气口和每个出气口处均相应设置有控制阀。如此设置，可以根据恒温室内的局部温度来控制相应进气口和出气口的开度，从而可以精确地控制恒温室的温度。

进一步地，多个所述温度传感器均匀分布在恒温室内。通过在恒温室内不同位置处布置温度传感器，可以对不同位置的温度进行测量，以便于实现恒温室温度精确调节。

进一步地，在所述加热管道、所述无换热管道和所述冷却管道的入口前设置有用于测量进气温度的进气温度传感器，在所述加热管道、所述无换热管道和所述冷却管道的出口设置有用于测量出气温度的出气温度传感器。

进一步地，所述加热结构还包括用于容纳所述热源介质的第一储件、与所述热源介质接触以产生热源的电热棒、热源输入管道和热源输出管道，所述第一储件、所述热源输入管道、所述热源换热器和所述热源输出管道形成热源环路。

进一步地，所述加热结构还设置有用于对第一储件进行稳压的稳压装置。

进一步地，还包括控制器和用于监测所述稳压装置的稳压传感器，所述稳压传感器与所述控制器电连接。

进一步地，所述冷却结构还包括用于容纳所述冷源介质的第二储件、冷源输入管道和冷源输出管道，所述第二储件、所述冷源输入管道、所述冷源换热器和所述冷源输出管道形成冷源回路。

进一步地，所述冷却结构还包括第二动力装置，所述冷源介质为固液混合物，所述第二动力装置用于将固液混合物中的能够提供冷能的液体通过所述冷源输入管道流经所述冷源换热器以与空气进行换热。

相对于现有技术，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)本发明由于采用固液混合物冷源介质及液汽混合物热源介质，因而冷源与热源具有固定的温度，减少了循环空气热交换中的变量，循环气流温度直接受控制阀开口控制，因而可迅速而准确的调节出气口气流温度，从而实现更精准更灵敏的恒温控制性能。

(2)本发明相比于现有恒温控制系统布设成本相对低廉。

附图说明

图1是本发明恒温室温度控制系统的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

请参阅图1，一种基于冷源与热源的恒温室温度调节系统，包括恒温室1、进气管道2、第一动力装置3、换热系统和出气管道4，恒温室1上开设有进气口11和出气口12，且恒温室内设置有多个温度传感器19。本实施例中，进气口11的数量有3个，分别定义为第一进气口R1、第二进气口R2和第三进气口R3，进气口11开设在恒温室1的其中一面墙壁上，3个进气口等间距设置，出气口12的数量有3个，分别定义为第一出气口C1、第二出气口C2和第三出气口C3，出气口12开设在与进气口11相对的另一墙壁上，3个出气口12等间距设置。可以理解的是，进气口11和出气口12的数量可根据实际需求增减。本实施例中的温度传感器有5个，分别定为为第一温度传感器W1、第二温度传感器W2、第三温度传感器W3、第四温度传感器W4和第五温度传感器W5，分别均匀设置在恒温室1内，也可以根据需要设置在恒温室的不同位置处，且温度传感器为电子温度计。

进气管道2的入口与3个进气口11均相通，第一动力装置3用于将恒温室1内的空气从进气口11经进气管道2输送到换热系统中，用于实现空气在管道和恒温室之间的循环。本实施例中的第一动力装置3为涡轮泵，用于将恒温室1中的空气送入换热系统中。

换热系统设置在恒温室1外，换热系统包括相互并联的用于提供热源的加热结构、用于提供冷源的冷却结构和无换热节流结构。

加热结构包括加热管道、设置在加热管道上的第一控制阀5、热源换热器和热源介质加热管道内的空气在热源换热器中与热源介质提供的热能进行换热；冷却结构包括冷却管道、设置冷却管道上的第二控制阀6、冷源换热器和冷源介质，冷却管道内的空气在冷源换热器内与冷源介质提供的冷能进行换热；无换热节流结构包括无换热管道和设置在无换热管道上的第三控制阀7，加热管道、无换热管道和冷却管道的入口均分别与进气管道2的出口相通，加热管道、冷却管道和无换热管道的出口均分别与出气管道4的入口相通，出气管道4的出口与恒温室1上的出气口12相通。并且，加热管道、无换热管道和冷却管道的入口前设置有用于测量进气温度的进气温度传感器8，在加热管道、无换热管道和冷却管道的出口设置有用于测量出气温度的出气温度传感器9，本实施例中的进气温度传感器8和出气温度传感器9均为电子温度计。通过设置无换热节流结构来调节管路中的气流大小，即增大进入无换热管路中的气流量，则进入加热管道或冷却管道中的气流量将降低，这样可以实现能量交换功率的调控，从而实现出气口气流温度的精准调控。用改变气流大小的方式来控制换热功率大小，以达成更为敏捷精确的温度控制目标。

冷却结构还包括第二动力装置10、用于容纳冷源介质的第二储件13、冷源输入管道和冷源输出管道，第二储件13、冷源输入管道、冷源换热器18和冷源输出管道形成冷源回路，冷源介质为固液混合物，第二动力装置10用于将固液混合物中的能够提供冷能的液体通过所述冷源输入管道流经所述冷源换热器以与空气进行换热。本实施例中的第二储件13为箱体结构，第二动力装置10为涡轮泵，冷源介质为冰水混合物，根据实际需要可选用熔点合适的其他材料的固液混合物(如采用冰水混合物作为冷源介质，则冷源的温度为0℃，此时工作需求温度不能低于0℃，如果需要的恒温室工作温度低于0℃，比如-5℃，此时需要选用熔点低于-5℃的物质作为冷源介质，比如水银熔点为-38.87℃)，此时液体温度为工质材料熔点，通过第二动力装置10驱动冰水混合物中的水顺时针流动(图示方向)，即将水输送至冷源输入管道，从冷源换热器18的底部进入，在冷源换热器18内与空气换热后从冷源输出管道流回第二储件13。换热降温后的空气经出气管道4和出气口12供应至恒温室1。

加热结构还包括用于容纳热源介质的第一储件14、与热源介质接触以产生热源的电热棒16、热源输入管道和热源输出管道，第一储件14、热源输入管道、热源换热器17和热源输出管道形成热源环路，热源介质是液气混合物。第一储件14上还设置有用于对第一储件14进行稳压的稳压装置，稳压装置可以是气球或气筒等变体积稳压容器，本实施例中为稳压气球15，稳压气球15与第一储件14相通。还包括控制器和设置在稳压装置附近的用于监测稳压装置的稳压传感器，稳压传感器与控制器电连接，并且通过控制器可以控制通入电热棒中的电流的大小，本实施例的稳压传感器为视频监视传感器，控制器为STM32单片机。本实施例的第一储件14为箱体结构，热源为水汽混合物，根据实际需求可选用其它沸点合适的材料的液气混合物(如采用水汽混合物作为热源介质，则热源的温度为100℃，此时工作需求温度不能高于100℃，如果需要的恒温室工作温度高于100℃，比如105℃，此时需要选用沸点高于105℃的物质作为热源介质，比如：对二甲苯，沸点138℃)，给电热棒16通电，加热液体，当液体达到沸点时，由于稳压气球15的存在，气压基本不变，液体及其蒸汽温度为该工质沸点。蒸汽进入图中右侧的热源输入管道，从热源换热器17右侧上端进入热源换热器，经过与空气换热冷却后凝结成液体，在重力的作用下液体沿热源换热器17内的换热片内壁流入左侧的热源输出管道，再回到第一储件14。当电热棒16加热过多时瓶内蒸汽压略微增大，多余的蒸汽进入稳压气球，稳压气球体积增大，通过稳压气球附近设置的视频监视传感器反馈给控制器，控制器降低输入电流，从而减少电热棒16的热量输入，进而减少蒸汽的产生。

本实施例中，第一控制阀5、第二控制阀6和第三控制阀7均为节气阀。

本实施例提供的温控系统在工作时，若进气温度高于恒温室设定温度，则关闭加热机构上的第一控制阀5，电热棒16断电，调节第一动力装置3和第二动力装置10的转速及第二控制阀6、第三控制阀7的开度，使得出气温度传感器7测量的温度值在设定温度所允许的误差范围内(比如，恒温室有一个期望的恒温值，这个值根据实际不同的工作需求来设定，比如需要在25℃测定导体的电阻率，此时恒温室的温度需求为25℃，通常允许一定的温度波动，比如0.1℃的温度波动，此时设定温度值为24.9℃-25.1℃)。第二控制阀6开度增大，第三控制阀7开度减小时，通过冷源换热器的气流增加，冷源换热增加，从而加快恒温室温度降低速度；第一动力装置3和第二动力装置10转速增大同样达成冷源换热增加的目的。其中第二控制阀6、第三控制阀7为主要调节对象，第一动力装置3和第二动力装置10为辅助调节对象。

若进气温度低于恒温室设定温度，则关闭第二控制阀6从而关闭冷却结构，电热棒16通电，调节电热棒16通电电流、第一动力装置3转速及第一控制阀5、第三控制阀7开度，使得出气温度传感器7测量的温度值在设定温度所允许的误差范围内。第三控制阀7开度增大，第一控制阀5开度减小时，通过热源换热器17的气流增加，热源换热增加，从而加快恒温室温度提升速度。其中第一控制阀5、第三控制阀7为主要调节对象，第一动力装置3、电热棒16通电电流为辅助调节对象。

在其中一个实施例中，各温度传感器19均与控制器的输入端连接以将温度信号传递给控制器，各进气口11和各出气口12处均分别设置有控制阀，每个控制阀均与控制器的输出端连接，从而根据各温度传感器19的温度信号调节相应进气口11或出气口12的开度，以实现恒温室温度的精确调节，控制阀均为节气阀。如，若第一温度传感器W1测量的温度超过预设范围，则将温度信号传递给控制器，控制器控制靠近第一温度传感器W1的第一进气口R1处的控制阀和第一出气口C1处的控制阀，加大这两处控制阀的开度，从而可以将第一温度传感器W1附近的高温空气更多地通过进气管道2送入换热系统，通过冷却机构进行换热降温后的空气，也可以在第一出气口C1处的控制阀开度更大的情况下更多地送入第一温度传感器W1附近，从而将此处温度降低；若第一温度传感器W1测量的温度低于预设温度，则将温度信号传递给控制器，控制器减小第一出气口C1处的控制阀的开度，并增大第一出气口C1处控制阀的开度，使得经加热结构加热后的空气更多地从第一出气口C1进入恒温室，从而可以使第一温度传感器W1附近的温度升高。以上，通过设置在不同位置处的温度传感器反馈的温度信号，由控制器控制相应地方处的进气口或出气口处控制阀的开度，即可精准实现对恒温室温度的调节。在该实施例中，结合多点位温度传感器监测与气体流通速率控制，从而实现恒温室温度精确调节，具有较高的灵敏度。

在其中一个实施例中，第一控制阀5、第二控制阀6、第三控制阀7、第一动力装置3、第二动力装置10均分别与控制器的输出端连接。各温度传感器测量的温度信号、稳压传感器测量的气压信号经数字采样后进入STM32单片机输入端，单片机处理接收到的信号并驱动相应的控制阀、涡轮泵完成调控。即，在换热过程中，控制器控制第一动力装置3打开，使其将空气送入换热系统。在恒温室1内温度低于预设范围时，控制器控制打开第三控制阀7、第一控制阀5，并且控制给电热棒通电，加热结构工作，对空气进行加热，加热后的空气进入恒温室以提高室内温度；当恒温室1内温度高于预设范围时，控制器控制打开第三控制阀7、第二控制阀6、第二动力装置10，冷却结构工作，对空气进行降温，降温后的空气进入恒温室内以降低室内温度。

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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。