一种用于光腔的多级恒温系统

1.本发明涉及一种光腔温控系统，具体涉及一种用于光腔的多级恒温系统。


背景技术：

2.光腔是光学实验和光学器件中的关键部件，在监测气体(如n2o，一氧化二氮)浓度的光学吸收光谱仪中具有重要应用。一氧化二氮是一种具有较高全球变暖潜能的温室气体，同时也是臭氧层损耗的主要原因之一，因此，对n2o的浓度监测具有重要意义，既有助于环境保护，又对气候变化研究具有指导价值。
3.在n2o浓度监测过程中，光腔的温度变化对于测量结果有着非常重要的影响。首先，光腔的温度会影响待测气体的物理状态，如密度、折射率和压强等，这些物理量的变化与测量结果的准确性密切相关。另外，光腔中的气体温度变化也会影响气体分子的热运动，从而影响气体的吸收光谱特性，进而影响测量的可靠性。因此，保证测试过程中光腔始终处于一个相对恒定的温度范围内是至关重要的。
4.然而，目前的光腔恒温系统普遍存在以下问题：
5.精度不够高：现有的恒温系统大多采用单级温控技术，其温度控制精度较低，很难满足高精度光学系统对温控精度的要求。
6.温控不稳定：传统的pid控制系统在处理非线性系统时表现不佳，通常需要将非线性系统进行线性化处理，从而造成控制稳定性的波动。
7.散热性能差：现有恒温系统的散热性能往往难以满足高功率光学系统的需求，容易导致光学系统过热，影响光学性能。
8.为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于光腔的多级高精度恒温系统。


技术实现要素：

9.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种用于光腔的多级恒温系统，以解决现有技术中光腔恒温精度较差、温控不稳定且散热能力低下的问题，实现了散热能力的提升、温度的温控，进而保证光腔的恒温效果好、精度高，浓度监测结果准确。
10.本发明的目的通过以下技术方案实现：
11.一种用于光腔的多级恒温系统，包括壳体、设置于壳体内并用于调节光腔温度的一级恒温子系统以及控制壳体内部温度的二级恒温子系统；
12.所述的一级恒温子系统包括包覆于光腔外的换热板、包覆于换热板外的绝热层、设置于换热板与绝热层之间的一级温度传感器以及调温水箱；
13.所述的调温水箱与换热板管道连接，将换热板中的换热流体引出至调温水箱内换热后，重新输入换热板；
14.所述的调温水箱外侧设置有一级半导体制冷片、热管和水箱散热结构；所述的一级半导体制冷片贴合调温水箱侧壁，一级半导体制冷片与调温水箱换热；所述的热管贴合
一级半导体制冷片和水冷散热结构设置，将一级半导体制冷片的热量传递至水冷散热结构，所述的水箱散热结构进行散热；
15.根据一级温度传感器的信号输出，调整一级半导体制冷片和水箱散热结构的功率以控制光腔的温度；
16.所述的二级恒温子系统包括设置于绝热层外侧表面的二级温度传感器以及分别设置于壳体不同侧面上的吸气结构和排气结构。
17.优选地，所述的换热板基于光腔的进气孔和出气孔的位置设置为至少三段的多段结构，每一段换热板独立控温；所述的一级温度传感器对应于多段结构的换热板设置有至少三个，其中，进气孔与出气孔处分别设置至少一个一级温度传感器。
18.优选地，所述的换热板内的流道为u形管结构。
19.优选地，所述的一级温度传感器为rtd传感器，精度为0.01℃。因而，一级恒温子系统的控温精度为0.01℃。
20.优选地，所述的调温水箱的壁面为双层结构，其中，外层为保温层且一侧壁面开设开口，所述的一级半导体制冷片贴合设置于开口中。
21.优选地，所述的调温水箱内设置有若干隔板，将调温水箱的流体通道划分为若干段小段通道，使通过的流体形成湍流。隔板的设置在增长调温水箱内流体流程的同时，还能增加湍流区域。湍流中存在的各种漩涡、涡流等不规则流动结构，可以有效增加流体的表面换热系数，进而提高传热效率，使温度更均匀，控温效果得以保障。
22.优选地，所述的二级温度传感器基于光腔的进气孔和出气孔的位置设置至少三个，其中，进气孔与出气孔处分别设置至少一个二级温度传感器；所述的二级温度传感器为rtd传感器，精度为0.1℃。因而，二级恒温子系统的控温精度为0.1℃。
23.优选地，所述的吸气结构包括吸气风扇，所述的排气结构包括排气风扇；吸气结构与排气结构分别设置于光腔两侧，使光腔位于吸气结构与排气结构之间的风道上。
24.优选地，所述的排气结构还包括二级半导体制冷片和散热片，所述的二级半导体制冷片的冷端贴合设置于排气风扇的出风面，所述的散热片贴合于二级半导体制冷片的热端；所述的二级半导体制冷片表面涂抹导热剂，所述的二级半导体制冷片四周设置保温结构；
25.根据二级温度传感器的信号输出，调整二级半导体制冷片的功率以控制壳体内部温度。
26.优选地，所述的保温结构为保温棉，所述的导热剂为导热硅脂。
27.优选地，所述的壳体的壁面还设有散热口，包括柱状散热口和/或条状散热口，增加空气流动的通道数量。
28.优选地，所述的绝热层采用的绝热材料为聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、真空板等低导热材料。
29.优选地，所述的水箱散热结构包括与热管相贴合设置的散热鳍片以及与散热鳍片贴合设置的水箱散热风扇。
30.本发明的工作原理为：
31.通过一级恒温子系统直接控制光腔的温度，全包覆的换热板对光腔具有高精度、高热传导率的特点，一级温度传感器、一级半导体换热片的配合使用使换热流体温度稳定，
进而光腔内温度稳定；通过二级恒温子系统为一级恒温子系统提供换热缓冲空间，减小一级恒温子系统的换热负担并提高系统的稳定性。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33.本发明通过多段结构换热板、多个一级温度传感器和调温水箱的设计，实现了光腔温度的分段控制，该策略能够针对不同区域的温度需求进行精确调整，确保整个光腔内的温度分布更加均匀，对于保证输出光束质量具有重要意义。
34.通过排气结构和吸气结构的设置，有助于在壳体内部产生良好的空气流动，实现绝热层表面均匀的温度分布，加速了壳体内部热量的传递和散发，减少局部热点的出现。
35.低热导率的绝热层可以有效降低外部环境温度对光腔的影响，同时减小换热板热量的流失，这种绝热层设计有助于维持光腔内部恒定的温度环境，使光腔在各种环境条件下都能保持优良性能。
36.一级恒温系统具有较高的热传导率，能更快速地从热源传输热量至换热板，提高加热/制冷效果；确保在光腔内的流动气体温度突然增高或降低时做出迅速调整；更均匀地分布热量，在整个系统中实现恒定的温度。
37.二级恒温系统具有缓冲作用，有助于减小一级恒温系统控制器的负担，提高系统的稳定性；当温度波动或负载变化较大时，也可以提供一定程度的调节，从而保持一级恒温系统的温度较为稳定。
38.本发明结构集成度高、体积小，特别适用于n2o浓度监测，可用于不同环境、天气情况，还满足车载条件。对于可能存在的温度突变情况，可以保证较高的控温稳定性和准确性。
附图说明
39.图1为多级恒温系统的结构示意图；
40.图2为换热板的结构示意图；
41.图3为调温水箱的结构示意图；
42.图4为二级恒温子系统的结构示意图；
43.图中：1-光腔；2-基座；3-二级温度传感器a；4-二级温度传感器b；5-二级温度传感器c；6-出气口；7-进气口；8-第一换热板；9-第二换热板；10-第三换热板；11-绝热层；12-进气孔；13-出气孔；14-一级温度传感器a；15-一级温度传感器b；16-一级温度传感器c；17-调温水箱；18-热管；19-水箱散热结构；20-外层；21-一级半导体制冷片；22-内层；23-隔板；24-进水口；25-出水口；26-壳体；27-排气风扇a；28-排气风扇b；29-吸气风扇a；30-吸气风扇b；31-二级半导体制冷片a；32-二级半导体制冷片b；33-保温棉a；34-保温棉b；35-散热片；36-柱状散热口；37-条状散热口。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
45.下面将结合附图阐述本发明的具体实施方式，需要说明，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧”等方位名词皆基于附图所示的方位或位置关系。
46.实施例1
47.一种用于光腔1的多级恒温系统，如图1-4所示，包括壳体26、设置于壳体26内并用于调节光腔1温度的一级恒温子系统以及控制壳体26内部温度的二级恒温子系统；
48.所述的一级恒温子系统包括包覆于光腔1外的换热板、包覆于换热板外的绝热层11、设置于换热板与绝热层11之间的一级温度传感器以及调温水箱17；
49.所述的调温水箱17与换热板管道连接，将换热板中的换热流体引出至调温水箱17内换热后，重新输入换热板；
50.所述的调温水箱17外侧设置有一级半导体制冷片21、热管18和水箱散热结构19；所述的一级半导体制冷片21贴合调温水箱17侧壁，一级半导体制冷片21与调温水箱17换热；所述的热管18贴合一级半导体制冷片21和水冷散热结构19设置，将一级半导体制冷片21的热量传递至水冷散热结构19，所述的水箱散热结构19进行散热；
51.根据一级温度传感器的信号输出，调整一级半导体制冷片21和水箱散热机构19的功率以控制光腔1的温度；
52.所述的二级恒温子系统包括设置于绝热层11外侧表面的二级温度传感器以及分别设置于壳体26不同侧面上的吸气结构和排气结构。
53.更具体地，本实施例中：
54.如图1-4所示，本实施例的多级恒温系统的作用对象为光腔1，一级恒温子系统中的换热板包覆于光腔1外，绝热层11再包覆于换热板外，一级温度传感器设置于换热板与绝热层11之间以测定换热板的温度，调温水箱17与换热板的流道相连以控制换热流体的温度。
55.如图1所示，光腔1通过基座2固定于壳体26中心位置，靠近两端端头处分别有进气孔12与出气孔13，壳体26对应的设置有进气口7与出气口6，以便连接进气软管和出气软管。
56.如图2所示，根据光腔1的进气孔12与出气孔13的位置，换热板采用三段式结构，其中第一换热板8处对应出气孔13至一端端部，第二换热板9为光腔1中段(出气孔13至进气孔12)，第三换热板10对应进气孔12至另一端端部。三段换热板内部均采用u形管结构以通过换热流体，每一段换热板的换热流体分别通过热管18与调温水箱17进行换热，实现每段换热板的单独控制换热功率。
57.如图2所示，与换热板对应的，一级温度传感器也设置有三个，其中，一级温度传感器a14贴合设置于第一换热板8的出气孔13处，一级温度传感器c16贴合设置于第三换热板10的进气孔12处，一级温度传感器b15穿过绝热层11(绝热层11预设有容一级温度传感器b15穿过的开孔)并设置于第二换热板9的中心，使一级温度传感器沿水平方向等间隔分布。绝热层11包覆于换热板以及一级温度传感器外侧保证温度信号的准确性；绝热层11采用聚氨酯泡沫材料或聚乙烯泡沫材料或真空板材料，具有低热导率。一级温度传感器采用rtd(热电阻)传感器，测温精度为0.01℃，使一级恒温子系统的控温精度达0.01℃；传感器的温度探头采取与光腔1外壁面相切的形式设置。
58.如图3所示，调温水箱17为中空结构，内部形成容换热流体通过的空腔，外壳采取双层结构，其中，外层20为保温层，内层22为分隔层。调温水箱17的外壳上设置有贯通的进水口24和出水口25，分别通过管道与换热板相连，以将换热板内的换热流体引出至调温水箱17内进行换热，并在换热完成后将换热流体输回至换热板中；调温水箱17的内部设置多道隔板23，隔板23为矩形结构且采取竖直形式离散排布于内层22的底面，将由进水口24至
出水口25之间形成的流道划分为大量的小段通道，使进入调温水箱17的换热流体具有较长的行程并可在小隔板23空隙处形成湍流区域，提升换热效率。外层20采用保温材料制成，减少调温水箱17内部与大气环境之间发生的热交换，降低热损失。
59.如图3所示，调温水箱17在外层20底部设有矩形开口，使一级半导体制冷片21贴合内层22，从而与调温水箱17内部的换热流体进行换热，控制调温水箱17内换热流体的温度；外层20的侧面上还设置有水箱散热结构19，由散热鳍片以及水箱风扇共同构成；热管18由调温水箱17底部延伸至调温水箱侧面，并且热管18贴合一级半导体制冷片21与散热鳍片以传到热量。一级半导体制冷片21一侧与调温水箱17进行换热，控制换热流体的温度，另一侧通过热管18将热量传递至散热鳍片，确保一级半导体制冷片21的工作状态，随后水箱风扇对散热鳍片进行散热，避免热量堆积，换热后的换热流体用以控制光腔内温度恒定。
60.半导体制冷片的热端和冷端温度可以通过控制电流的大小和方向来进行调节，电流大小对应温度调节、改变电流方向可以改变热流的方向，因而可实现加热或冷却，使得该多级恒温系统可通用于正负温度偏差。
61.一级恒温子系统中：一级温度传感器检测得到的温度信号作为调节一级半导体制冷片21功率以及水箱散热结构19功率的依据，控制光腔1的表面温度为25.00
±
0.01℃，实现光腔1温度的闭环控制。
62.如图1和图4所示，壳体26的右侧侧壁下方位置设有排气结构，其水平高度低于光腔1设置；壳体26的左侧侧壁上方位置设有吸气结构，其水平高度高于光腔1设置；吸气结构与排气结构的组合设置使壳体26内部能够产生良好的空气流动，而光腔1介于吸气结构与排气结构之间，使光腔1位于两者形成的风道上，可有效避免绝热层11发生局部积热。在绝热层11表面等间隔的分布有三个二级温度传感器，其中，二级温度传感器a3设置于绝热层11下方靠近出气孔13处，二级温度传感器c5设置于绝热层11上方靠近进气孔12处，二级温度传感器b4设置于绝热层11中部，并与排气结构呈相对设置。该三个二级温度传感器为rtd(热电阻)传感器，测温精度为0.1℃，使二级恒温子系统的控温精度达0.1℃。
63.如图4所示，吸气结构包括有一对吸气风扇，排气结构包括有一对排气风扇以及与该对排气风扇配合的二级半导体制冷片和散热片35。壳体26上开设4个开口，分别用于装配吸气风扇a29、吸气风扇b30、排气风扇a27、排气风扇b28；二级半导体制冷片a31的冷端和二级半导体制冷片b32的冷端分别贴合于排气风扇a27和排气风扇b28表面设置，而散热片35则贴合于二级半导体制冷片a31的热端和二级半导体制冷片b32的热端设置。在二级半导体制冷片a31和二级半导体制冷片b32的周围分别填充有保温棉a33和保温棉b34，降低热损失；并且在各二级半导体制冷片的表面均涂抹有导热硅脂以提高热导率进而提高换热效率。此外，在壳体26的其他侧壁上，还可根据需要开设有额外的柱状散热口36(呈阵列形式排布)和条状散热口37，以增加空气流动的通道数量，为留出余量发挥缓冲作用；需要注意的是，设置于顶面的散热口需以远离吸气结构的位置设置，避免刚进入壳体26的空气由散热口直接排出而未起到良好的散热效果。
64.二级恒温子系统中：二级温度传感器检测得到的温度信号作为调节二级半导体制冷片功率以及吸气风扇和排气风扇转速的依据，控制壳体26内部的温度为25.0
±
0.1℃，实现壳体26内部温度的闭环控制。二级恒温子系统的控温精度可较一级恒温子系统略低，以提供有效缓冲空间，减小一级恒温子系统的控温精度负担。
65.需要说明的是，如实施例1所述的分段换热板的划分、一级温度传感器和二级温度传感器的设置、壳体26侧面的散热口均是示意性的，本发明并不以此为限，具体的设置数量以及设置位置可以根据实际需求而定，本具体实施方式下的设置是基于流体仿真的温度场分布而提供的一种优选方案。并且，对于一级恒温子系统以及二级恒温子系统的温度控制目标也可根据实际应用对象/条件/状态选择合适的数值，并选择对应的运行状态。
66.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，包括壳体(26)、设置于壳体(26)内并用于调节光腔(1)温度的一级恒温子系统以及控制壳体(26)内部温度的二级恒温子系统；所述的一级恒温子系统包括包覆于光腔(1)外的换热板、包覆于换热板外的绝热层(11)、设置于换热板与绝热层(11)之间的一级温度传感器以及调温水箱(17)；所述的调温水箱(17)与换热板管道连接，将换热板中的换热流体引出至调温水箱(17)内换热后，重新输入换热板；所述的调温水箱(17)外侧设置有一级半导体制冷片(21)、热管(18)和水箱散热结构(19)；所述的一级半导体制冷片(21)贴合调温水箱(17)侧壁，一级半导体制冷片(21)与调温水箱(17)换热；所述的热管(18)贴合一级半导体制冷片(21)和水冷散热结构(19)设置，将一级半导体制冷片(21)的热量传递至水冷散热结构(19)，所述的水箱散热结构(19)进行散热；根据一级温度传感器的信号输出，调整一级半导体制冷片(21)和水箱散热结构(19)的功率以控制光腔(1)的温度；所述的二级恒温子系统包括设置于绝热层(11)外侧表面的二级温度传感器以及分别设置于壳体(26)不同侧面上的吸气结构和排气结构。2.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的换热板基于光腔(1)的进气孔(13)和出气孔(12)的位置设置为至少三段的多段结构，每一段换热板独立控温；所述的一级温度传感器对应于多段结构的换热板设置有至少三个，其中，进气孔(13)与出气孔(12)处分别设置至少一个一级温度传感器。3.根据权利要求2所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的换热板内的流道为u形管结构。4.根据权利要求2所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的一级温度传感器为rtd传感器，精度为0.01℃。5.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的调温水箱(17)的壁面为双层结构，其中，外层为保温层且一侧壁面开设开口，所述的一级半导体制冷片(21)贴合设置于开口中。6.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的调温水箱(17)内设置有若干隔板(23)，将调温水箱(17)的流体通道划分为若干段，使通过的流体形成湍流。7.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的二级温度传感器基于光腔(1)的进气孔(13)和出气孔(12)的位置设置至少三个，其中，进气孔(13)与出气孔(12)处分别设置至少一个二级温度传感器；所述的二级温度传感器为rtd传感器，精度为0.1℃。8.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的吸气结构包括吸气风扇，所述的排气结构包括排气风扇；吸气结构与排气结构分别设置于光腔(1)两侧，使光腔(1)位于吸气结构与排气结构之间的风道上。9.根据权利要求8所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的排气结构还包括二级半导体制冷片和散热片(35)，所述的二级半导体制冷片的冷端贴合设置于排气风扇的出风面，所述的散热片(35)贴合于二级半导体制冷片的热端；所述的二级半导体制
冷片表面涂抹导热剂，所述的二级半导体制冷片四周设置保温结构；根据二级温度传感器的信号输出，调整二级半导体制冷片的功率以控制壳体(26)内部温度。10.根据权利要求1所述的一种用于光腔的多级恒温系统，其特征在于，所述的壳体(26)的壁面还设有散热口，包括柱状散热口(36)和/或条状散热口(37)。

技术总结
本发明涉及一种光腔温控系统，具体涉及一种用于光腔的多级恒温系统，包括壳体、设于壳体内并用于调节光腔温度的一级恒温子系统以及控制壳体内部温度的二级恒温子系统。一级恒温子系统包括包覆于光腔外的换热板、包覆于换热板外的绝热层、设于换热板与绝热层之间的一级温度传感器及调温水箱；调温水箱与换热板管道连接，外侧设有一级半导体制冷片、热管和水箱散热结构；一级半导体制冷片与调温水箱换热，热管传递一级半导体制冷片的热量至水箱散热结构进行散热。与现有技术相比，本发明解决现有技术中光腔恒温精度较差、温控不稳定且散热能力低下的问题，实现了散热能力的提升、温度的温控，保证光腔的恒温效果好、精度高。精度高。精度高。


技术研发人员：张宏利 陆宇凡 王驰 陈金波
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/6