一种精密恒温装置.pdf

本发明提供一种精密恒温装置，所述精密恒温装置的恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道相邻并行地盘绕在整个所述恒温腔体的壁中，每对水道的一端相连通形成一条水道通路，在所述恒温腔体上设有水道出/入口。当与恒温槽连接时，由于腔壁中独特的管道结构所产生的温度效应，将不仅在设置管道的所有区域实现均匀的温度，而且将大幅度提高温度的稳定度。根据发明提供的精密恒温装置用于为精密测量、精密加工和科学研究提供一种温度精密可控且具有高稳定特性的环境。根据发明提供的精密恒温装置的腔体内部的恒温性能可达到在未控温环境中最佳控温能力为每2小时内波动0.5mk。

1、  一种精密恒温装置，其特征在于，
所述精密恒温装置的恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道中的两条水道相邻并行地盘绕在整个所述恒温腔体的壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在所述恒温腔体上设有水道出/入口。

2、  根据权利要求1所述的精密恒温装置，其特征在于，
所述恒温腔体包括外恒温腔体和内恒温腔体，
所述外恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道中的两条水道相邻并行地盘绕在整个所述恒温腔体壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在外恒温腔体上设有水道出/入口，
所述内恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道中的两条水道相邻并行地盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在内恒温腔体上设有水道出/入口，

3、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，所述内恒温腔体壁中设置有四条水道，形成内外两层水道结构。其中两条水道位于内层，另两条位于外层，内层水道中的两条水道相邻并行地盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，外层水道中的两条水道与所述内层水道相对应且相邻并行地盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，所述内层水道中的水道的每一条与其相对应的所述外层水道中的一条水道的一端相连通形成两条水道通路。

4、  根据权利要求2或3所述的精密恒温装置，其特征在于，所述外恒温腔体壁中设有两条水道，所述两条水道相邻并行且地盘绕在整个所述外恒温腔体壁中，所述两条水道的一端相连通形成一条水道通路。

5、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，所述外恒温腔体和所述内恒温腔体之间具有空气隔离层。

6、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，在所述外恒温腔体和所述内恒温腔体上设置至少一个相对应的窗口。

7、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，所述内恒温腔体的顶盖密封固定在所述内恒温腔体的侧壁上，所述内恒温腔体的顶盖中的水道出/入口与所述内恒温腔体的侧壁中的水道出/入口用软管连通。

8、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，所述外恒温腔体的顶盖密封固定在所述外恒温腔体的侧壁上，所述外恒温腔体的顶盖中的水道出/入口与所述外恒温腔体的侧壁中的水道出/入口用软管连通。

9、  根据权利要求2所述的精密恒温装置，其特征在于，所述外恒温腔体的侧壁至少分成两个部分，各部分固定在所述内恒温腔体的底部向外延伸的法兰上，且所述各部分之间彼此相互固定连接。

一种精密恒温装置
技术领域
本发明涉及一种精密恒温装置，特别是涉及一种用于为精密测量、精密加工和科学研究提供一种温度精密可控且具有高稳定特性的环境的在腔壁中设有水道的精密恒温装置。
背景技术
现代科技将精度等级不断提高，由微米级进入纳米级，材料的热变性对测量、加工精度，精密仪器使用精度等都产生重要影响。现在很多都选用低膨胀系数或零膨胀系数的材料来制造重要的零部件，以减小温度变化所引起的零件热变形程度，保证设备或仪器的精度。但是在精密测量、加工过程中通常需要对环境温度进行严格控制，通常采用恒温措施将待测样品、工件或仪器保持在恒温环境中。美国LLL(Lawrence Livermore National Laboratory)实验室对材料热变性进行了大量基础性研究，在其试验条件下证明，在样品或工件温度变化0.006℃时，其相对位移量热变形误差达±0.019μm，故将安装LODTM(Large OpticalDiamond Turning Machine)超精密加工的实验室空气温度控制在0.005℃的变化范围内。对于局部的温度场又采用局部控制法，如使用大量的恒温液体浇淋，形成局部小环境的恒温区，将浇淋用的恒温水的温度控制在20℃±0.0005℃内，以保证良好的局部恒温区。但是该浇淋法不仅操作起来不方便，其控温效果及长时间温度稳定性均不如人意，而且实现对恒温水20℃±0.0005℃的控温准确度不仅技术复杂、成本高，而且只有精密控温实验室才有可能实现。而美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的分子测量机采用多层保温系统来控制测量机内部的温度。其核心部分位于多层控制测量环境的壳体中。壳体依次有温度控制层、真空控制层、主动隔振层、高真空腔和隔音腔，以减小环境温度对分子测量精度的影响。但是该多层保温系统的结构复杂，成本非常高。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种精密恒温装置，该精密恒温装置成本低廉、易于实现、可在常规环境中实现温度控制，为精密测量、精密加工等相关领域提供高准确度、高稳定性的温度空间。
本发明提供的精密恒温装置，其主要特征是在精密恒温装置的恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道相邻并行且以一定的形式盘绕在整个所述恒温腔体的壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在所述恒温腔体上设有水道出/入口。采用直接在腔体上焊接管道的形式，不仅增加了液体与管道的接触面，提高了控温效果，而且通过设计，可以实现将管道分布在腔体的各个部分中。
优选地，所述恒温腔体包括外恒温腔体和内恒温腔体，所述外恒温腔体的壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道相邻并行地盘绕在整个所述恒温腔体壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在外恒温腔体上设有水道出/入口，外恒温腔体通过绝热层直接面对外界环境温度变化，为内恒温腔体提供初级控温环境；内恒温腔体壁中成对设置有至少两条水道，其中每对水道相邻并行且以一定的形式盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，每对水道中的两条水道的一端相连通形成一条水道通路，在内恒温腔体上设有水道出/入口，内恒温腔体的温度合成效果直接决定了腔体内的温度稳定性。
优选地，所述内恒温腔体壁中设置有四条水道，形成内外两层水道，其中内层水道中的两条水道相邻并行且以一定的形式盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，外层水道中的两条水道与所述内层水道的两条水道相对应，即外层水道中的两条水道在所述内层水道的两条水道的正上方，且相邻并行并以相同的形式盘绕在整个所述内恒温腔体壁中，所述内层水道中的水道的每一条的一端分别与其相对应的所述外层水道中的水道相连通形成两条水道通路。通水时，分别在内、外层各设置一个入水口以实现相邻管道高低温度的抵消效果，实现更好的温度均匀性。
优选地，所述外恒温腔体壁中设有两条水道，所述水道相邻并行且以一定的形式盘绕在整个所述外恒温腔体壁中，所述水道的一端相连通形成一条水道通路。
优选地，所述外恒温腔体和所述内恒温腔体之间具有空气隔离层，可以阻止热流的快速传递。
优选地，在所述外恒温腔体和所述内恒温腔体上设置至少一个相对应的窗口，可以通过该窗口观察腔体内部的操作，或是通过该窗口可以实现腔体内、外之间信息交换或电连接等。
优选地，所述内恒温腔体的顶盖密封固定在所述内恒温腔体的侧壁上，所述内恒温腔体的顶盖中的水道出/入口与所述内恒温腔体的侧壁中的水道出/入口用软管连通；所述外恒温腔体的顶盖密封固定在所述外恒温腔体的侧壁上，所述外恒温腔体的顶盖中的水道出/入口与所述外恒温腔体的侧壁中的水道出/入口用软管连通。所述内、外恒温腔体的顶盖可以从所述内、外恒温腔体的侧壁上拆卸下来，方便对置于腔体内部的物品、器件进行操作。
优选地，所述外恒温腔体的侧壁至少分成两个部分，各部分固定在所述内恒温腔体的底部向外延伸的法兰上，且所述各部分之间彼此相互固定连接。这样可以方便外恒温腔体的侧壁的安装。
根据本发明的精密恒温装置，在未控温环境中能够将腔体内部的控温能力控制在每2小时波动0.5mk。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
图1是控温装置水流示意图；
图2是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的斜剖图；
图3是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的纵剖面图；
图4是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的横剖面图；
图5是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的内腔体端口图；
图6是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的腔体中局部管道接口的布局示意图；
图7是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的组成示意图；
图8是测得根据本发明一优选实施方式的精密恒温装置腔内的温度径向分布图；
图9是根据本发明一优选实施方式的精密恒温装置的内腔体水道与两台恒温槽连接作用的控温效果图；
图10是测得根据本发明一优选实施方式的精密恒温装置腔内的恒温效果的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对根据本发明的优选实施方式的精密恒温装置进行详细的说明。
为了制造恒温环境，根据本发明的优选的实施方式是采用图1的方式在腔体壁中设置水道，即将一条水道通路缠绕在腔体壁中，在F处按原缠绕路径返回，用以保持腔体内部的温度处于恒定状态。图1是控温装置水流示意图，图中假设水道通路长为L，温度损失系数为k，则水道通路在x处的温度可分别表示为：
t₁＝t₀-kx；t₂＝t₀-kx-2k(L-x)，
其中t₀为管线入口温度，则任意点平均温度为：
t＝(t₁+t₂)/2＝t₀-kL，
式中任意点的平均温度t仅与管线入口温度、管线总长度及温度损失系数有关。可见这种管道为成对布局的控温结构，由于相邻管线的温度平均效应，在管道所经历的区域将产生完全相同的控温效果。
图2是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的斜剖图，图3是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的纵剖面图，图4是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的横剖面图。本发明一优选实施方式的精密恒温装置100由内、外两个腔体构成，内、外两个腔体的壁中都布满水道，其中水道以图1的形式缠绕在腔体壁中。内、外两个腔体之间具有空气隔离层，如空气隔离层7、22、30。外恒温腔体4、外恒温腔体顶盖8和外恒温腔体底部的壁中布满水道，水道是以这样的形式分布的：相邻的两条水道并行以彼此相间的方式，如图1所示以“几”字形的方式，缠绕在外恒温腔体4、外恒温腔体顶盖8和外恒温腔体底部的壁中，外恒温腔体4、外恒温腔体顶盖8和外恒温腔体底部壁中的水道出/入口之间用软管连通，如图6所示，外恒温腔体底部水道出/入口43和外恒温腔体水道出/入口40用软管连通(图中未示出)，外恒温腔体水道出/入口42和外恒温腔体顶盖水道出/入口39用软管连通(图中未示出)，形成两条相通的水道，且这两条相通的水道的一端相连通形成一条水道通路。也就是说在整个外腔体中仅有一条水道通路，水从外腔体进/出水口33进入，在外腔体壁(含底、顶)中走一圈后沿原路径返回，从外腔体进/出水口33’出来形成一条水道回路。内腔体的内恒温腔体14、内恒温腔体顶盖23和内恒温腔体底部中的水道分布成两层，如水道10、11、12和13形成内层水道，水道18、19、20和21形成外层水道，如内恒温腔体顶盖23中也具有顶盖外层水道6和顶盖内层水道9，内恒温腔体底部也具有底部外层水道31和底部内层水道32。内层水道中的两条水道相邻并行且以彼此相间的方式，如图1所示以“几”字形的方式盘绕在内腔体壁中，外层水道与内层水道相对应(重叠)设置，如图3、4所示，外层水道与内层水道的横截面成“日”字形。外层水道中的两条水道相邻并行且以彼此相间的方式，如图1所示以“几”字形的方式，与内层水道相同的方式盘绕在内腔体壁中，内层水道中的两条水道的一端分别与在其正上方的外层水道中的水道相连通，形成两条水道通路，保证通水后内外两层水道中的温度高低相抵消。内恒温腔体14和内恒温腔体底部可以一体成型，内恒温腔体14和内恒温腔体顶盖23之间的水道出/入口用软管连接，如图6所示，内恒温腔体水道出/入口41和内恒温腔体顶盖出/入口38用软管连接。两个独立的水源分别从内腔体水道进水口24、26进入，假设内腔体水道进水口24连通的是内层水道，则内腔体水道进水口26连通的是外层水道，分别从内腔体水道出水口25、27流出，也就是说，一条水道通路中的水先走完内层水道，再流向其正上方的外层水道按内层水道的路径返回，从连通外层水道的内腔体水道出水口流出；另一条水道通路的水先走完外层水道，再流向其正下方的内层水道按外层水道的路径返回，从连通内层水道的内腔体水道出水口流出。
当然，内腔体中的水道也可以设置成如外腔体中的一条水道通路的形式，外腔体中的水道也可以设置成如内腔体中的两条水道通路的形式。当然，根据本发明的精密恒温装置根据需要也可以仅有如内腔体形式的腔体，或也可以仅有如外腔体形式的腔体。
图5是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的内恒温腔体端口图，结合图2，内恒温腔体顶盖23的端口与内恒温腔体14的端口相对应。在内恒温腔体14的端口断面34以径向方向向外延伸的法兰38上设置有若干个通孔36和若干个螺纹孔37，在密封槽35中置于密封圈，软管从通孔36通过以连接内恒温腔体14和内恒温腔体顶盖23的壁中的水道出/入口，以及连接外恒温腔体4和外恒温腔体顶盖8壁中的水道出/入口。通过螺钉将内恒温腔体顶盖23固定在内恒温腔体14上。当然也可以用其它方式将内恒温腔体顶盖固定在内恒温腔体14上，比如以卡扣配合方式等。
可以在内、外腔体上设置窗口，用于精密干涉测量中的光路通道或观察被控温空间5中的具体操作，或是作为被控温空间5与外界之间的信息交换窗口。在本发明一优选实施方式的精密恒温装置100的内、外恒温腔体4上设置了4个窗口16，窗口连接法兰15由螺钉17固定在外温腔腔体4上。当然，窗口16的个数可以根据实际需要设置，若不设置窗口16恒温效果更好。也可以在精密恒温装置100底部设置机械窗口1，方便外界对精密恒温装置100腔体内部的操作。
为了安装方便，可以将外恒温腔体4分成若干部分，按实际情况而设置，在本优选的实施方式中将外恒温腔体4分成四个部分，将外恒温腔体4的各个部分套装在内恒温腔体底部向外延伸的法兰上，再将外恒温腔体4的各个部分紧密连接在一起。可以在外恒温腔体4的外表面套上一层绝缘的壳体3。外恒温腔体顶盖8用螺钉或是用其它方式固定在外恒温腔体4上。
图7是本发明一优选实施方式的精密恒温装置的组成示意图。本发明一优选实施方式的精密恒温装置共具有三层水道，即外恒温腔体水道46、内恒温腔体外层水道47和内恒温腔体内层水道48。恒温槽701连接外恒温腔体水道46，恒温槽701采用恒温性能为0.02℃/小时的大功率恒温槽，恒温槽702、703为两台性能完全相同的，如恒温性能为0.01℃/小时的高精密恒温槽F32-HE。恒温槽702、703与内恒温腔体外层水道47和内恒温腔体内层水道38连接为：恒温槽702的水从内恒温腔体内层水道48走一圈后进入内恒温腔体外层水道47，从内恒温腔体外层水道47返回到恒温槽702，恒温槽703的水从内恒温腔体外层水道47走一圈后进入内恒温腔体内层水道48，从内恒温腔体内层水道48返回到恒温槽703。这样实现相邻管道高低温度的抵消效果。
恒温槽702、703的温度特性可分别近似表示为：Asin(ω₁t+Φ₁)，Asin(ω₂t+Φ₂)。A表示两台性能完全一致的恒温槽的温度波动幅度，ω₁、ω₂为各自的温度波动频率，非常接近但不完全相同，其大小与所处的环境直接相关，Φ₁、Φ₂为两台恒温槽所处的温度初相。两个恒温槽702、703的温度控制源的合成效果：
Asin[(ω₁+ω₂)t/2+(Φ₁+Φ₂)/2]cos[(ω₁-ω₂)t/2+(Φ₁-Φ₂)/2]
从上式可以看出，由于cos[(ω₁-ω₂)t/2+(Φ₁-Φ₂)/2]小于1，两个温度控制源的合成效果大大改善了恒温槽的温度波动性能，如图9所示。图9表示两台恒温槽的控温效果，其中，恒温槽的温度调控频率、初始相位是随机的，单台恒温槽的控温效果如图中的虚线和细实线所示。图中粗实线表示两台恒温槽连接本发明的精密恒温装置后的整体控温效果，由图可见，所表示的温度性能无论是波动幅度还是变化频率均优于单台恒温槽的控温效果。特别地，当两台性能相同的恒温槽处在完全相同温度环境中即有恒温槽的温度波动频率(ω)完全相同，其合成效果可表示为：
Asin[ωt+(Φ₁+Φ₂)/2]cos[(Φ₁-Φ₂)/2]，
可见其合成温度波动是恒定减小的。再特别地，当Φ₁、Φ₂位相相反即相差π时，则形成一种理想的恒温效果：无温度波动。
在根据本发明一优选实施方式的精密恒温装置100的被控温空间5中等间隔布置8支铂电阻传感器，将精密恒温装置100的被控温空间5抽成真空，测得被控温空间5中的温度径向分布图，如图8所示。可以看出，除了窗口16附近具有稍微的波动外，温度等温线是关于圆心对称的，越接近于圆心的位置温度的梯度越小，温度场在中心地区附近具有较好的均匀性。图10是测得根据本发明一优选实施方式的精密恒温装置腔内的恒温效果的曲线图。从图中可以看出本优选实施方式的精密恒温装置100的恒温性能最佳能达到在2小时内波动0.5mk(毫开尔文)。