专利名称：全天候宽温带精密温度控制系统的制作方法
技术领域：
本发明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°C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。
发明内容
本发明提供一种可靠性好、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°C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。本发明采用如下技术方案本发明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°C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。本发明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、
3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tl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，本发明有益效果体现在1、本发明采用机械制冷、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、本发明所使用的三种工作模式可以实现全天候、-60 70°C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、本发明的控温范围宽，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、本发明功能结构简明，模块化程度高，使用灵活方便，管理维护便捷。5、本发明可以实现自动运行、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。
图1为本发明的结构原理方框图；图2温度控制系统性能示意图；图3为本发明的机械制冷模块构成框图；图4为本发明的风冷冷却模块构成框图；图5为本发明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；Ul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，Tl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。
具体实施例方式参见图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Ul、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TO驱动的强制闭式冷媒循环在冷媒回路中，储液器TO中的冷媒依 次经液泵TO、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TO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Ul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Tl、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°C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
ο参见图3，机械制冷单元Ul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 Ul中的制冷压缩机1和变频风机2Α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Τ2检测的被控对象 温度信号t2为主参数，以冷媒温度传感器Tl检测的冷媒温度传感器tl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。对于本发明所提供的技术方案，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。
权利要求
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(Ul)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(Tl)检测 的冷媒温度tl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。
全文摘要
本发明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；本发明将-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。本发明用于对光、电系统等实现全天候、宽温带工作环境温度精密控制。
文档编号F25B29/00GK101975489SQ201010530438
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者江斌, 王正, 王铁军 申请人:合肥工业大学