局部控制热流以便更精确地调控机器温度的制作方法

专利名称：局部控制热流以便更精确地调控机器温度的制作方法
局部控制热流以便更精确地调控机器温度
本公开涉及温度控制系统，更具体地说涉及一种系统和方法，其 提供局部温度控制以便允许在系统的不同区域进行独立而精确的温度 调控。
在许多系统中，需要冷却水以便从热产生源中排出热量。热产生 源可以包括马达、传动器、铸模、工艺或其他能源。需要热调控来使 机器部件、产品和或加工温度处于良好状态，以便为设备的正确操作 做准备以及确保可预测的加工行为。在这样的系统中，通常从温控的 蓄水池中供应冷却水。然而，快速的温度控制几乎是不可能的，因为 需要花费时间来调节蓄水池中的冷却水体积。此外，该温度限于单个 温度设定值。
参照

图1，其示出了一种机器冷却装置10。冷却水通常由蓄水池 12供应，其经过温度控制到达管道网络14。该管道系统14可以包括 多个关口 (pass)(热交换器l5)，以便在系统中的不同位置从多个 热源将热量排出和或使要求一定绝对温度级别的部件处于良好状态。 蓄水池12中的水温设定值通常设定为固定值，或者在具有温度传感器 的非常慢的反馈环中进行控制以便补偿漂移效应(drift effect)。 在要求精确而稳定的机器温度的高精度机器或设备16中，这种冷却方 法具有一些重大的缺陷，即池的容量使得它不可能响应或者快速预测 机器中的温度或热负荷变化，这导致温度的波动。而且，单池U的冷 却水经常并行地供应给机器中的多个热交换器，根据流向局部交换器 和局部热源的冷却水流量，这将局部地导致不同的平均机器温度。例 如，池12供给歧管(manifold) 18，该歧管提供给三个管路20、 21 和22。每条路径到达机器的不同部分因而导致了不同的热负载，但是 所有的路径都返回到冷却单元池12。
机器中有大大小小的热源，大的热源将需要大的冷却水流量以便 实现或多或少均匀的机器温度。因为需要更高的泵浦功率(pumpingpower)，大的制冷水流量引起振动。这些振动是高精度机器中的机械 振动的主要来源之一。
依照示例性实施例，通过使用局部受控的热发生器和散热器，由 流体排出或者添加的热量导致更佳和更快受控的局部机器温度。
温度调控系统包括热发生器/排热设备，其在需要进行温度控制的 部件或在接近该部件的位置处，耦合到管道系统。该管道系统配置成 传送有一定温度值的流体，在局部温度控制的控制范围内，对于一个 或多个需要进行温度控制的部件可以达到局部设定值温度。具有反馈 传感器的控制器被配置成控制热发生器/排热设备，使得与到达、位于 或者接近需要进行温度控制的部件的流体进行的热交换量，产生局部 温度，其由所述控制反馈传感器监视、精确地维持在所述控制器设定 值温度。
温度调控方法和系统，包括具有流体的池，该流体具有温度值， 使得在局部温度控制器的控制范围内，可以达到局部设定值温度。管 道系统将该流体从所述池并行地传送到一个或多个需要进行温度控制 的部件。在所述流体路径之一中的热发生器/排热设备放置在需要进行 温度控制的部件处或该部件附近。对于每个热发生器/排热设备而言， 局部温度控制器和反馈传感器被配置成控制该热发生器/排热设备，使 得在与位于或者接近需要进行温度控制的部件处，通过流体交换的热 量导致局部温度，该局部温度由控制反馈传感器监视，以便局部地并 且精确地维持在所述局部设定值温度。
根据本申请的示例性实施例的下列详细描述，本申请的这些和其
他的目的、特征和优点将变得显而易见，所述描述应当结合附图来进 行阅读。
本申请将详细地给出参照下列附图的优选实施例的下列描述，其
中
图1为示出了 一种现有技术机器冷却装置的示意图2为示出了依照一个示例性实施例的机器冷却装置的示意图，
所述机器冷却装置具有局部温度控制设备，该局部温度控制设备分布
在机器中以便提供局部热流控制；图3为示出了示例性的热流控制设备的截面图，该热流控制设备 具有前馈和反馈传感器以便监视和控制输入和输出流体温度；
图4为示出了具有局部加热器的示例性热流控制设备的截面图， 该局部加热器(heater)放置在流区域之外；
图5为示出了具有反馈传感器的示例性热流控制设备的截面图， 该反馈传感器安装在待进行温度控制的机器部件上或机器部件内；
图6为示出了示例性的热流控制设备的截面图，其中所述设备包 括安装在待进行温度控制的机器部件上或机器部件内的反馈传感器和 加热器；以及
图7为示出了具有不同温度流体的示例性热流控制设备的截面图， 所述不同温度流体混合在一起以便达到期望的输出温度流，其中所述 至少 一 个流由阀门进行门控以便控制输出流体温度。
本申请示例性的提供了一种系统、装置和方法，通过使用单池提 升系统的快速而精确的温度控制。尽管本发明可以采用多个池，但是 这里描述的示例性的实施例可以共有单个池，因为可以局部地控制每 个感兴趣点的温度。
应当理解的是，这些附图中示出的部件可以以不同的硬件形式来 实现。尽管在冷却液和局部加热器(local heater)方面来描述实施 例，但是也可以采用热流体和冷却设备这两种相反的情况。冷却设备 可以包括，例如在热主流(hot main stream)中混合冷流或者局部地 使用冷却液类型的热交换器。此外，根据环境状况，可以在单个位置 局部i也进4于加热和制冷。
可以以许多方式实现加热和制冷部件。例如，加热线圈可以包括 通过管状物的热流体、电阻性线團、辐射或者任何其他加热方法。出 于说明的目的，这里描述的加热部件包4舌电阻性加热线圈；然而，如 上所述，本发明并不限于这种类型的加热部件。在图中所描述的部件 可以按照不同的组合来实现，并且提供了可以结合在单个部件或多个 部件中的功能。例如，单个机器可以具有单个温度控制设备或者多个 温度控制设备，该温度控制设备采用了 一个或多个受控的温度池。
现在参照附图，其中相似的附图标记代表相同或者相似的部件， 首先参照图2，其示例性地示出了系统100,该系统用于局部地监视和控制温度。在机器102的原理结构图中，示出了系统100,(在图中) 机器102有三个局部位置，分别是104、 106、 108，其中使用管道系统 IOI局部地控制温度。其中，在本发明的实施例中，可以适用的其他配 置和机器包括聚合物造型、轴承、具有机电部件的设备、马达、致动 器、电流引起的电阻发热、激光器/二极管或半导体部件、几何测量机 器、IC制造设备或者需要在一个或多个位置进行温度控制的任何其他 应用。
局部热部件(heat element) 110净皮用来局部地控制由i者如水之类 的循环池流体211 (图2)添加/排出的热量。优选地，流体211包括 单相液体，不过也可以采用单相气体。有利的是，机器设备或者感兴 趣区域的局部温度可以通过使用局部热部件110来更好且更快地进行 控制。在一个实施例中，为了利用加热器实现正热和负热(热排出) 的控制，将所述的输入流体温度设置为低于机器温度期望值的某个点， 使得在标称情况下所述的加热器(heater)总是产生热。例如，在特定
的情况下，精密机器可能需要22. oo士o. oix:的局部温度调节，冷却池 112中冷却液(例如水)的温度可以被设为约n.5x:。 一般来说，将 所述的输入流体温度设置成某个值，使得在局部温度控制的控制范围 内，可以实现或达到该局部设定值的温度。通过使用更低温度的冷却 水使得利用更少的水流冷却大热源成为可能，这反过来降低了振动的
级别。采用冷却剂用作负热源以将热从机器102的位置104、106和108 处排走，以便补充该机器中的正热源或者由局部热部件IIO(例如这种 情况中的加热器)产生的热。
由于局部加热器IIO控制位置104、 106和108处的机器温度，对 于池112中流体的高温要求是不必要的。控制水或机器温度局部接近 所述热源，使得可以在该热源中更快的发生和促进(热)交换。局部 热部件110由控制器116控制，该控制器基于由反馈传感器114所监 -現的在位置104、 106和108处或附近的温度信号。在位置104、 106 和108处或附近指的是在邻近位置，并且可以追溯到受监视的实际部 件或区域位置，但是该位置仍然在该区域的局部。由于反馈传感器114 接近或位于感兴趣的点，因而可以更精确地控制局部机器温度。每个 局部热部件IIO使用控制器116和反馈传感器114，以便尽可能独立的 控制所述局部区域的温度。还可以应用前馈(传感器)信号来预测已知热源或者相关温度变化，以便优化该温度控制精度。有利的是，可 以采用单一池来调控多个感兴趣点的温度。此外，可以规划每个感兴 趣点或者将其设定为特定温度，或者设定为与其他局部受控区域相独 立的温度分布。而且，由于温度是局部受控的，因而它可以独立于池 流体温度。
在这个例子中，通过调控由冷却液排出的热量，使用一个或多个
局部热部件(加热器)110来局部地控制机器温度。低于机器的期望温 度值的冷却液从所述池112中并行地(但是也可以考虑串行的设置) 供应给放置了局部热部件110的不同位置。每个局部热部件110将局 部地添加适当的热量给冷却液以便控制该机器温度。利用这个精密机 器的例子，期望的局部温度可以是22r，局部反馈传感器114将感测 该局部温度(初始时为21. 5X:)，在该温度上，(由于相对于"x:的 控制设定值的偏移)，控制器116将通过操作或者驱动加热器110 (例 如使用PI控制)供热以设法达到并且维持在期望的设定值温度来做出 反应。加热器110可以用于将去往局部热交换器118的冷却液加热到 合适的温度级别。加热器也可以与待进行温度控制的机器部件结合在 一起。
参照图3,其示意性地示出了一个实施例，其中流向热交换器206 的供应管路204中的冷却液202由流体中的电加热器208加热。工作 原理是根据加热部件208来示例性地描述的；然而，除加热部件208 外，还还以采用制冷部件或者用制冷部件替代加热器208。来自加热器 208前面的温度传感器210的信号可以用作前馈控制，以便补偿池中 (例如图2中的池112)的输入液体的温度波动。前馈控制210也可以 用来预测已知的热源波动(例如马达电流的增大、轴承中轴的转速的 增大、铸模中期望循环温度的变化等等)。温度传感器212设置在加 热器208之后，用于控制流向局部热交换器206的冷却液202的温度 级别。该反馈传感器212也可以设置在需要进行温度控制的机器部件 或设备处。
控制器216用于收集来自传感器210和212的信号并且引导加热 器(或制冷器)208 (使用例如PI或PID控制算法)设法使得由反馈 传感器212监视的温度保持尽可能接近所述温度设定值或者设定值的 分布(profile),在一个实施例中，温度分布程序218可以与更高电流消耗、铸模循环中的点、轴承速度变化等等的触发事件同步。通过 这种方式，该控制器可以更好地预测已知热负栽的变化，得到更小的 控制误差。
参照图4，其示出了一个实施例，其中绕冷却供应通道310螺旋地 设置电加热器308。通过这种方式，加热器308保持在冷却液312之外。 在通道310内部，存在螺旋形翅片(fin) 314以^(更增加到流体312的 热转移。
参照图5和6，其示意性地示出了加热器408、 409与待进行温度 控制的机器部件406结合在一起的实施例。图5示出了加热器408与 流体热交换器410结合在一起的实施例。在这个实施例中，绕流体通 道412螺旋地设置加热器导线，并且反馈温度传感器416包含在机器 部件406中。在图6中，加热器409与流体热交换器411分开。在这 些情况下，在待调节的机器部件406上利用由温度传感器"6测量的 温度来对该温度控制进行反馈。也可以将前馈控制418应用到输入流 体的温度或者应用在例如可以被测量的致动器电流或者其他参数上， 这可以局部地影响该温度。
参照图7，其示出了热发生/排热设备的实施例，其中流体温度通 过合并具有不同温度Tl和T2的两个或多个流体502和504来进行调 节。流体温度通过使用阀门506调节所述两个流体502或504中的一 个的流量来进行控制。阀门506可以使用反馈传感器510来加以控制， 所述反馈传感器510用于测量混合流体512的温度。混合流体512可 以当作用于局部地控制温度的制冷或加热机构。这个实施例的优点在 于，可以几乎瞬时地调节冷却剂温度。该方法包括两个制冷剂 (coolant)供应源，其用于提供给流502和504中的每一个。在其他 实施例中，可以采用更大数量的流体。
这里描述的实施例可以应用在所有机器、系统或产品中，其中需 要通过流体进行温度控制/调节。用于温度控制的这些实施例对于高精 度机器和需要高的热精度和稳定性的设备是特别有用的。
前面已经描述了用于局部控制热流以便更精确地调控机器温度的 系统、装置和方法的优选实施例(其旨在起说明作用而不是限制作用)， 应当指出的是，本领域技术人员根据上面的讲授可以做出许多修改和 变化。因此可以理解的是，可以对所记载的本申请的特定实施例进行改变，这些改变处于由随附权利要求所限定的所公开实施例的范围和 主旨之内。因此描述了专利法所要求的细节和特征之后，由专利证书
所要求和所希望(Letters Patent)保护的内容在随附的权利要求中 进行了阐述。
在解释这些随附的权利要求时，应当理解的是
a) 术语"包括"并不排除在给定权利要求中未列出的其他部件或 行为；
b) 上述部件中的术语"一"或"一个，，并不排除存在多个这样的 部件；
c) 权利要求中的任何附图标记并没有限制其范围；
d) 若干"装置"可以由同一项目或硬件或软件实现的结构或功能 来表示；
e) 任何所公开的部件都可以包括硬件部分(例如包括分立的和集 成的电子电路)、软件部分(例如计算机编程)及其任意组合；
f) 硬件部分可以包括模拟部分和数字部分中的一种或两种；
g) 除非另有特别说明，任何所公开的设备或其部分都可以组合在 一起或者划分成更细的部分；以及
h) 除非有明确说明，没有指定特定的动作顺序。
权利要求
1.一种温度调控系统(100)，其包括具有流体的池(112)，该流体具有温度值，使得在局部温度控制器(116)的控制范围内，可以达到局部设定值温度；管道系统(101)，其将该流体从所述池传送到一个或多个需要进行温度控制的部件；至少一个热发生器/排热设备(110)，在所述流体路径之一中，其被放置在需要进行温度控制的部件(118)处或在其附近；以及对于每个热发生器/排热设备，局部温度控制器(116)和反馈传感器(114)被设置成控制该热发生器/排出设备，使得与位于或者接近需要进行温度控制的部件的流体发生热交换，从而导致由控制反馈传感器监视的局部温度局部地并且精确地维持在所述局部设定值温度。
2. 如权利要求1所述的系统，还包括前馈信号(210),其由局 部温度控制器使用，用来预测热负载或相关温度的变化。
3. 如权利要求1所述的系统，还包括前馈传感器(210)，被设 置成监视输入流体的温度，所述输入流体的温度被局部温度控制器用 来预测输入流体的温度波动。
4. 如权利要求1所述的系统，其中管道系统(101)将所述流体 从所述池并行地传送到所述一个或多个需要进行温度控制的部件。
5. 如权利要求1所述的系统，其中反馈传感器(114)位于需要 进行温度监视的机器部件内。
6. 如权利要求1所述的系统，其中反馈传感器(114)位于所述 的管道系统内，该管道系统位于或者接近需要进行温度监视的机器部 件。
7. 如权利要求1所述的系统，其中反馈传感器(114)监视输出 流体的温度，使得利用热发生器/排热设备来控制输出流体的温度。
8. 如权利要求1所述的系统，还包括局部温度控制器(110)， 其被配置成依照触发事件启动热发生器/排热设备。
9. 如权利要求8所述的系统，其中触发事件包括需要温度监视的 机器部件的操作变化。
10. 如权利要求1所述的系统，其中热发生器/排热设备(110)包括来自不同温度的多个流量的流体混合物(512),其中调控所述流 量中的至少一个以便提供期望的温度。
11. 一种温度调控系统(100)，其包括 具有流体的池(112),所述流体具有第一值的受控温度； 管道系统(101)，其被配置成将该流体从所述池传送到一个或多个需要进行温度控制的部件；热发生设备(110)，其被放置在需要进行温度控制的部件处或在 其附近，该热发生设备被配置成加热以便控制所述需要进行温度控制 的部件；以及局部控制器(116)，其被设置成依照反馈传感器(114)启动所 述的热发生设备，使得热发生设备加热以便将温度提高到所述第一值 之上，从而在所述需要进行温度控制的部件处局部地并且精确地维持 设定值温度。
12. 如权利要求11所述的系统，还包括前馈信号(210),其由 局部控制器用来预测已知热负载或相关温度的变化。
13. 如权利要求11所述的系统，还包括前馈传感器(210),被 配置成监视输入流体的温度，所述输入流体的温度被局部控制器用来 预测输入流体的温度波动。
14. 如权利要求11所述的系统，其中管道系统(101)将所述流 体从所述池并行地传送到所述一个或多个需要进行温度控制的部件。
15. 如权利要求11所述的系统，其中反馈传感器(114)位于需 要进行温度监视的机器部件内。
16. 如权利要求11所述的系统，其中反馈传感器(ll"位于管 道系统内，所述管道系统位于需要进行温度监视的机器部件处或在其 附近。
17. 如权利要求l所述的系统，其中反馈传感器(114)监视输出 流体的温度，使得利用热发生设备来控制输出流体的温度。
18. 如权利要求l所述的系统，还包括局部控制器(116)，其被 配置成依照触发事件启动热发生设备。
19. 如权利要求18所述的系统，其中触发事件包括需要进行温度 监视的机器部件的操作变化。
20. 如权利要求l所述的系统，其中热发生设备(110)包括来自具有不同温度的多个流量的流体混合物(512)，其中调控所述流体中 的至少一个以便提供期望的温度。
21. —种用于调控机器部件的局部温度的方法，包括 提供池(112)，其通过一个装置由多个流体路径所共用，所述池具有流体，该流体具有第一值的受控温度；将该流体(212 )从所述池传送到需要进行温度控制的部件；以及 在需要温度控制的部件处或者附近，通过产生或排出在所述部件 的处或接近的热来产生热变化(110),所述产生或排出热通过感测局 部温度并且依照设定值温度控制热发生/排出设备来实现，使得热发生 /排出设备对于每个部件局部地控制这些部件的温度，以便相对于所述 第一值并且独立于其他部件精确地维持该温度。
22. 如权利要求21所述的方法，其中所述感测(210)包括前馈 传感，其用来监视输入流体的温度，从而预测热负栽的变化。
23. 如权利要求21所述的方法，其中所述感测(114)包括监视 输出流体的温度，使得输出流体的温度利用热发生/排热设备来进行控 制。
24. 如权利要求21所述的系统，还包括控制器(116),其被配 置成依照触发事件启动热发生/排热设备(110)，所述的方法包括前 馈感测(210)和反馈感测(212)，以便分别监视输入和输出流体的 温度，并且利用热发生/排热设备调节这些流体的温度。
25. 如权利要求21所述的方法，其中触发事件包括需要温度监视的机器部件的操作变化。
26. 如权利要求21所述的方法，其中产生包括混合来自多个流量 (512)的不同温度流体，使得所述流量中的至少一个被调控以便提供期望的温度。
全文摘要
一种温度调控方法和系统(100)，包括具有流体的池(112)，该流体具有温度值，使得在局部温度控制器的控制范围内，可以达到局部设定值的温度。管道系统(101)将该流体从所述池传送到一个或多个需要进行温度控制的部件。在所述流体路径之一中的热发生器/排热设备(110)被放置在需要进行温度控制的部件处或者在其附近。对于每个热发生器/排热设备而言，局部温度控制器(116)和反馈传感器(114)被配置成控制该热发生器/排热设备，使得与位于或者接近需要进行温度控制的部件的流体处发生热交换从而导致局部温度，该局部温度由控制反馈传感器监视，以便局部地并且精确地维持在所述局部设定值的温度。
文档编号G05D23/19GK101322077SQ200680045121
公开日2008年12月10日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年11月30日
发明者H·J·埃金克, J·德克斯, J·范德桑登, R·T·H·梅森, T·A·M·鲁伊尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司