388-基于半导体制冷的高精度恒温水系统实验研究.pdfVIP

基于半导体制冷的 高精度恒温水系统实验研究 曹琳，刘华坤，李海龙 南京理工大学能源与动力工程学院 摘 要：在高精密技术领域，热变形引起的误差占总误差的 40%-70%，高精度温度控制 已成为行业发展的主要制约因素之一。常规高精密测试系统采用压缩机作为温控元件，但压 缩机运行中的诸多问题远不能满足高精密加工与测量的温度控制要求，而半导体制冷在自身 优势的基础上，可与现代智能调节技术相结合实现高精密环境的温度控制。本文提出一种基 于半导体制冷的高精度恒温水系统，试制了实验样机，搭建了实验台,对基于半导体制冷的 高精度恒温水系统的性能、供水控制精度和抗干扰性进行了实验研究。实验结果表明，系统 能够及时响应供水温度变化，供水温度的波动范围维持在±0.01℃以内；系统能够快速响应 启动和负载冲击，具备较好的抗干扰能力。 关键词：高精度温度控制，半导体制冷，双向趋近调节；专家 PID 控制 0. 引言 随着工业科技的飞速发展，诸如航天航空、化工、精密加工、计量等高精密加工测量行 业对高精度温度控制的要求进一步提高。统计表明：在高精密加工测量领域，温度飘移对加 工及测量精度有着较大的影响，由热变形引起的误差占总误差的 40%-70%，已成为制约超精 密加工、计量等行业发展的主要因素之一 [1,2] 。国内外微纳米加工与测量技术对精密仪器设 [3] 备温度控制的精度要求为±0.005℃，有些甚至是±0.001℃ 。 在高精密测试系统中，通常采用的温度保证措施是将高精度测量仪器放于恒温室内，采 用数码涡旋或变频压缩机作为温控元件来控制温度[4] 。由于压缩机本身存在的无法零点启动 以及启停振动较大等问题，环境温度波动明显，使得加工及测量结果产生较大误差。半导体 制冷（热电制冷）是通过加载直流电将电能转化成为热量（或冷量)的一种新型绿色制冷技 术[5] 。半导体制冷热惯性小、调节速度快、能量调节性精度高（能够实现瓦级调节），结合 现代智能调节技术可实现高精密环境的温度控制。然而，半导体制冷的冷热端散热方式成为 [6,7] 影响半导体制冷性能的关键因素之一 。 基于此，本文提出采用机械制冷与半导体制冷联合系统，利用精密机械制冷的冷水机组 提供±0.1℃精度的冷却水为半导体热端散热，通过整流桥和调压器精确加载半导体制冷量， 利用高分辨率可控硅控制电加热以PWM方式进行微调，通过制冷量与电加热量双向趋近调节 方法和专家PID控制方式使半导体制冷系统提供稳定的精度达到±0.01℃恒温水，供高精密 设备冷却使用。 1.高精度恒温水系统设计 1.1 系统设计 高精度恒温水系统的主要功能是循环输出流量和温度可控的恒温循环水，通过恒温循环 水的流动与外部负载不断进行热交换，以达到对外部负载进行温度控制和稳定冷却的目的。 系统主要由半导体制冷组件、热端散热系统、冷端冷却系统、可控硅电加热和水箱以及管路 组件等构成，原理图如图1所示。半导体组件由三组半导体集成，每组制冷量为1kW，冷水通 过半导体组件冷端面进行精度调节，半导体热端散热由变频机械制冷冷水机组提供的控制精 度为±0.1℃的冷却水承担；水箱系统由可控硅电加热、液位开关、水箱以及管路附件构成， 其功能是调节并消除多余的冷量，增加系统的热惰性，提高系统控制稳定性；变频水泵用于 精确调节系统水流量；外部连接对象就是用户使用侧。 图 1 STC 系统原理图和实验样机 2. 实验设计 STC 系统样机试制和测试实验在广东某空调公司测试中心完成。半导体作为 STC 系统调 节核心，其性能的优劣对整个系统的运行特性及稳定性有着重要的影响，需要对 STC 系统的 运行性能、运行稳定性及抗干扰能力进行实验测试分析。 2.1 半导体制冷性能实验 名义工况：冷却水进水 20℃，出水 22℃；冷冻水进水 20.8℃，出水 20℃。 实测值：冷却进水 19.9℃，冷却出水为 22.6℃，冷却水流量为 2.07m3/h；冷冻进水温 度为 20.62℃，冷冻出水温度为 19.42，冷冻水流量为 1.955 m3/h。 名义工况下，半导体制冷系统稳定运行，100%能力输出，制冷效率为 0.73。