專利名稱：一種精密恒溫裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密恒溫裝置，特別是涉及一種用于為精密測量、 精密加工和科學研究提供一種溫度精密可控且具有高穩定特性的環境 的在腔壁中設有水道的精密恒溫裝置。
背景技術：
現代科技將精度等級不斷提高，由微米級進入納米級，材料的熱 變性對測量、加工精度，精密儀器使用精度等都產生重要影響。現在 很多都選用低膨脹系數或零膨脹系數的材料來制造重要的零部件，以 減小溫度變化所引起的零件熱變形程度，保證設備或儀器的精度。但 是在精密測量、加工過程中通常需要對環境溫度進行嚴格控制，通常
采用恒溫措施將待測樣品、工件或儀器保持在恒溫環境中。美國LLL (Lawrence Livermore National Laboratory )實3全室對材豸牛熱變性進4亍了大量 基礎性研究，在其試驗條件下證明，在樣品或工件溫度變化0.006。C時， 其相對位移量熱變形誤差iiiO.019pm，故將安裝LODTM( Large Optical Diamond Turning Machine )超精密加工的實驗室空氣溫度控制在 0.005。C的變化范圍內。對于局部的溫度場又采用局部控制法，如使用 大量的恒溫液體澆淋，形成局部小環境的恒溫區，將澆淋用的恒溫水 的溫度控制在2(TC士0.0005。C內，以保證良好的局部恒溫區。但是該澆 淋法不僅操作起來不方便，其控溫效果及長時間溫度穩定性均不如人 意，而且實現對恒溫水20。C士0.0005t:的控溫準確度不僅技術復雜、成 本高，而且只有精密控溫實驗室才有可能實現。而美國國家標準技術研究院(National Institute of Standards and Technology)的分子測量機采 用多層保溫系統來控制測量機內部的溫度。其核心部分位于多層控制 測量環境的殼體中。殼體依次有溫度控制層、真空控制層、主動隔振 層、高真空腔和隔音腔，以減小環境溫度對分子測量精度的影響。但 是該多層保溫系統的結構復雜，成本非常高。
發明內容
鑒于現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種精密恒溫裝置， 該精密恒溫裝置成本低廉、易于實現、可在常規環境中實現溫度控制， 為精密測量、精密加工等相關領域提供高準確度、高穩定性的溫度空間。
本發明提供的精密恒溫裝置，其主要特征是在精密恒溫裝置的恒 溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道相鄰并行且以 一定的形式盤繞在整個所述恒溫腔體的壁中，每對水道中的兩條水道 的一端相連通形成一條水道通路，在所述恒溫腔體上設有水道出/入 口。采用直接在腔體上焊接管道的形式，不僅增加了液體與管道的接 觸面，提高了控溫效果，而且通過設計，可以實現將管道分布在腔體 的各個部分中。
優選地，所述恒溫腔體包括外恒溫腔體和內恒溫腔體，所述外恒 溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道相鄰并行地盤 繞在整個所述恒溫腔體壁中，每對水道中的兩條水道的一端相連通形 成一條水道通路，在外恒溫腔體上設有水道出/入口，外恒溫腔體通過 絕熱層直接面對外界環境溫度變化，為內恒溫腔體提供初級控溫環境； 內恒溫腔體壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道相鄰并行且以一定的形式盤繞在整個所述內恒溫腔體壁中，每對水道中的兩條水 道的一端相連通形成一條水道通路，在內恒溫腔體上設有水道出/入 口 ，內恒溫腔體的溫度合成效果直接決定了腔體內的溫度穩定性。
優選地，所述內恒溫腔體壁中設置有四條水道，形成內外兩層水 道，其中內層水道中的兩條水道相鄰并行且以一定的形式盤繞在整個 所述內恒溫腔體壁中，外層水道中的兩條水道與所述內層水道的兩條 水道相對應，即外層水道中的兩條水道在所述內層水道的兩條水道的 正上方，且相鄰并行并以相同的形式盤繞在整個所述內恒溫腔體壁中， 所述內層水道中的水道的每一條的一端分別與其相對應的所述外層水 道中的水道相連通形成兩條水道通路。通水時，分別在內、外層各設 置一個入水口以實現相鄰管道高低溫度的抵消效果，實現更好的溫度 均勻性。
優選地，所述外恒溫腔體壁中設有兩條水道，所述水道相鄰并行 且以一定的形式盤繞在整個所述外恒溫腔體壁中，所述水道的一端相 連通形成一條水道通路。
優選地，所述外恒溫腔體和所述內恒溫腔體之間具有空氣隔離層， 可以阻止熱流的快速傳遞。
優選地，在所述外恒溫腔體和所述內恒溫腔體上設置至少一個相 對應的窗口 ，可以通過該窗口觀察腔體內部的操作，或是通過該窗口 可以實現腔體內、外之間信息交換或電連接等。
優選地，所述內恒溫腔體的頂蓋密封固定在所述內恒溫腔體的側 壁上，所述內恒溫腔體的頂蓋中的水道出/入口與所述內恒溫腔體的側
壁中的水道出/入口用軟管連通；所述外恒溫腔體的頂蓋密封固定在所述外恒溫腔體的側壁上，所述外恒溫腔體的頂蓋中的水道出/入口與所 述外恒溫腔體的側壁中的水道出/入口用軟管連通。所述內、外恒溫腔 體的頂蓋可以從所述內、外恒溫腔體的側壁上拆卸下來，方便對置于 腔體內部的物品、器件進行#:作。
優選地，所述外恒溫腔體的側壁至少分成兩個部分，各部分固定 在所述內恒溫腔體的底部向外延伸的法蘭上，且所述各部分之間彼此 相互固定連接。這樣可以方便外恒溫腔體的側壁的安裝。
根據本發明的精密恒溫裝置，在未控溫環境中能夠將腔體內部的
控溫能力控制在每2小時波動0.5mk。
下面結合附圖，對本發明的具體實施作進一步的詳細說明。對于 所屬技術領域的技術人員而言，從對本發明的詳細說明中，本發明的 上述和其他目的、特征和優點將顯而易見。
圖l是控溫裝置水流示意圖2是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的斜剖圖3是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的縱剖面圖4是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的橫剖面圖5是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的內腔體端口圖6是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的腔體中局部管道 接口的布局示意圖7是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的組成示意圖；圖8是測得根據本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置腔內的溫 度徑向分布圖9是根據本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的內腔體水道 與兩臺恒溫槽連接作用的控溫效果圖IO是測得根據本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置腔內的恒 溫效果的曲線圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對根據本發明的優選實施方式的精密恒溫裝置進行 詳細的i兌明。
為了制造恒溫環境，根據本發明的優選的實施方式是采用圖1的 方式在腔體壁中設置水道，即將一條水道通路纏繞在腔體壁中，在F 處按原纏繞路徑返回，用以保持腔體內部的溫度處于恒定狀態。圖1 是控溫裝置水流示意圖，圖中假設水道通路長為L，溫度損失系數為k， 則水道通路在x處的溫度可分別表示為
t,-kx; t2,-kx-2k(L-x),
其中to為管線入口溫度，則任意點平均溫度為
Hti+t2)/2=t0-kL,
式中任意點的平均溫度t僅與管線入口溫度、管線總長度及溫度 損失系數有關。可見這種管道為成對布局的控溫結構，由于相鄰管線 的溫度平均效應，在管道所經歷的區域將產生完全相同的控溫效果。圖2是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的斜剖圖，圖3是 本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的縱剖面圖，圖4是本發明一 優選實施方式的精密恒溫裝置的橫剖面圖。本發明一優選實施方式的 精密恒溫裝置100由內、外兩個腔體構成，內、外兩個腔體的壁中都 布滿水道，其中水道以圖1的形式纏繞在腔體壁中。內、外兩個腔體 之間具有空氣隔離層，如空氣隔離層7、 22、 30。外恒溫腔體4、外恒 溫腔體頂蓋8和外恒溫腔體底部的壁中布滿水道，水道是以這樣的形 式分布的相鄰的兩條水道并行以彼此相間的方式，如圖1所示以"幾" 字形的方式，纏繞在外恒溫腔體4、外恒溫腔體頂蓋8和外恒溫腔體底 部的壁中，外恒溫腔體4、外恒溫腔體頂蓋8和外恒溫腔體底部壁中的 水道出/入口之間用軟管連通，如圖6所示，外恒溫腔體底部水道出/ 入口 43和外恒溫腔體水道出/入口 40用軟管連通(圖中未示出)，外恒 溫腔體水道出/入口 42和外恒溫腔體頂蓋水道出/入口 39用軟管連通
(圖中未示出)，形成兩條相通的水道，且這兩條相通的水道的一端相 連通形成一條水道通路。也就是說在整個外腔體中^f叉有一條水道通路， 水從外腔體進/出水口 33進入，在外腔體壁(含底、頂)中走一圈后沿 原路徑返回，從外腔體進/出水口 33，出來形成一條水道回路。內腔體的 內恒溫腔體14、內恒溫腔體頂蓋23和內恒溫腔體底部中的水道分布成 兩層，如水道IO、 11、 12和13形成內層水道，水道18、 19、 20和21 形成外層水道，如內恒溫腔體頂蓋23中也具有頂蓋外層水道6和頂蓋 內層水道9，內恒溫腔體底部也具有底部外層水道31和底部內層水道 32。內層水道中的兩條水道相鄰并行且以彼此相間的方式，如圖1所 示以"幾，，字形的方式盤繞在內腔體壁中，外層水道與內層水道相對應
(重疊)設置，如圖3、 4所示，外層水道與內層水道的橫截面成"曰"所示以"幾，，字形的方式，與內層水道相同的方式盤繞在內腔體壁中， 內層水道中的兩條水道的一端分別與在其正上方的外層水道中的水道 相連通，形成兩條水道通路，保證通水后內外兩層水道中的溫度高低
相抵消。內恒溫腔體14和內恒溫腔體底部可以 一體成型，內恒溫腔體 14和內恒溫腔體頂蓋23之間的水道出/入口用軟管連接，如圖6所示， 內恒溫腔體水道出/入口 41和內恒溫腔體頂蓋出/入口 38用軟管連接。 兩個獨立的水源分別從內腔體水道進水口 24、 26進入，假設內腔體水 道進水口 24連通的是內層水道，則內腔體水道進水口 26連通的是外 層水道，分別從內腔體水道出水口 25、 27流出，也就是說， 一條水道 通路中的水先走完內層水道，再流向其正上方的外層水道按內層水道 的路徑返回，從連通外層水道的內腔體水道出水口流出；另一條水道 通路的水先走完外層水道，再流向其正下方的內層水道按外層水道的 路徑返回，從連通內層水道的內腔體水道出水口流出。
當然，內腔體中的水道也可以設置成如外腔體中的一條水道通路 的形式，外腔體中的水道也可以設置成如內腔體中的兩條水道通路的 形式。當然，根據本發明的精密恒溫裝置根據需要也可以僅有如內腔 體形式的腔體，或也可以僅有如外腔體形式的腔體。
圖5是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的內恒溫腔體端口 圖，結合圖2,內恒溫腔體頂蓋23的端口與內恒溫腔體14的端口相對 應。在內恒溫腔體14的端口斷面34以徑向方向向外延伸的法蘭38上 設置有若干個通孔36和若干個螺紋孔37,在密封槽35中置于密封圏， 軟管從通孔36通過以連接內恒溫腔體14和內恒溫腔體頂蓋23的壁中 的水道出/入口 ，以及連接外恒溫腔體4和外恒溫腔體頂蓋8壁中的水 道出/入口 。通過螺釘將內恒溫腔體頂蓋23固定在內恒溫腔體14上。當然也可以用其它方式將內恒溫腔體頂蓋固定在內恒溫腔體14上，比 如以卡扣配合方式等。
可以在內、外腔體上設置窗口，用于精密干涉測量中的光路通道
或觀察被控溫空間5中的具體操作，或是作為被控溫空間5與外界之 間的信息交換窗口。在本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置100的 內、外恒溫腔體4上設置了 4個窗口 16，窗口連接法蘭15由螺釘17 固定在外溫腔腔體4上。當然，窗口 16的個數可以根據實際需要設置， 若不設置窗口 16恒溫效果更好。也可以在精密恒溫裝置IOO底部設置 機械窗口 1，方便外界對精密恒溫裝置IOO腔體內部的操作。
為了安裝方便，可以將外恒溫腔體4分成若干部分，按實際情況 而設置，在本優選的實施方式中將外恒溫腔體4分成四個部分，將外 恒溫腔體4的各個部分套裝在內恒溫腔體底部向外延伸的法蘭上，再 將外恒溫腔體4的各個部分緊密連接在一起。可以在外恒溫腔體4的 外表面套上一層絕緣的殼體3。外恒溫腔體頂蓋8用螺釘或是用其它方 式固定在外恒溫腔體4上。
圖7是本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置的組成示意圖。本 發明一優選實施方式的精密恒溫裝置共具有三層水道，即外恒溫腔體 水道46、內恒溫腔體外層水道47和內恒溫腔體內層水道48。恒溫槽 701連接外恒溫腔體水道46，恒溫槽701采用恒溫性能為0.02匸/小時 的大功率恒溫槽，恒溫槽702、 703為兩臺性能完全相同的，如恒溫性 能為0.0rC/小時的高精密恒溫槽F32-HE。恒溫槽702、 703與內恒溫 腔體外層水道47和內恒溫腔體內層水道38連接為恒溫槽702的水 從內恒溫腔體內層水道48走一圈后進入內恒溫腔體外層水道47,從內 恒溫腔體外層水道47返回到恒溫槽702，恒溫槽703的水/人內恒溫腔體外層水道47走一圈后進入內恒溫腔體內層水道48，從內恒溫腔體內 層水道48返回到恒溫槽703。這樣實現相鄰管道高低溫度的抵消效果。
恒溫槽702、 703的溫度特性可分別近似表示為Asin(叫t+0！), Asin(co2t+(D2)。 A表示兩臺性能完全一致的恒溫槽的溫度波動幅度，w、 co2為各自的溫度波動頻率，非常接近但不完全相同，其大小與所處的 環境直接相關，&、 02為兩臺恒溫槽所處的溫度初相。兩個恒溫槽702、 703的溫度控制源的合成效果
Asin [((01+(02>/2+ ( dh+d^yg cos [((01-0)2>/2+ ( 0廣02)/2]
從上式可以看出，由于cos[(co1-co2)t/2+ ((D廣02)/2]小于1,兩個溫 度控制源的合成效果大大改善了恒溫槽的溫度波動性能，如圖9所示。 圖9表示兩臺恒溫槽的控溫效果，其中，恒溫槽的溫度調控頻率、初 始相位是隨機的，單臺恒溫槽的控溫效果如圖中的虛線和細實線所示。 圖中粗實線表示兩臺恒溫槽連接本發明的精密恒溫裝置后的整體控溫 效果，由圖可見，所表示的溫度性能無論是波動幅度還是變化頻率均 優于單臺恒溫槽的控溫效果。特別地，當兩臺性能相同的恒溫槽處在 完全相同溫度環境中即有恒溫槽的溫度波動頻率(co)完全相同，其合 成效果可表示為
Asin [cot + ( 0h+(J)2)/2] cos [ ( 0廣0)2)/2],
可見其合成溫度波動是恒定減小的。再特別地，當&、 02位相相 反即相差兀時，則形成一種理想的恒溫效果無溫度波動。
在根據本發明一優選實施方式的精密恒溫裝置100的被控溫空間5 中等間隔布置8支鉑電阻傳感器，將精密恒溫裝置100的^皮控溫空間5 抽成真空，測得被控溫空間5中的溫度徑向分布圖，如圖8所示。可以看出，除了窗口 16附近具有稍微的波動外，溫度等溫線是關于圓心 對稱的，越接近于圓心的位置溫度的梯度越小，溫度場在中心地區附 近具有較好的均勻性。圖IO是測得根據本發明一優選實施方式的精密 恒溫裝置腔內的恒溫效果的曲線圖。從圖中可以看出本優選實施方式
的精密恒溫裝置100的恒溫性能最佳能達到在2小時內波動0.5mk(毫 開爾文)。
權利要求
1、一種精密恒溫裝置，其特征在于，所述精密恒溫裝置的恒溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道中的兩條水道相鄰并行地盤繞在整個所述恒溫腔體的壁中，每對水道中的兩條水道的一端相連通形成一條水道通路，在所述恒溫腔體上設有水道出/入口。
2、 根據權利要求1所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述恒溫腔體包括外恒溫腔體和內恒溫腔體，所述外恒溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道 中的兩條水道相鄰并行地盤繞在整個所述恒溫腔體壁中，每對水道中 的兩條水道的一端相連通形成一條水道通路，在外恒溫腔體上設有水 道出/入口 ，所述內恒溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道 中的兩條水道相鄰并行地盤繞在整個所述內恒溫腔體壁中，每對水道 中的兩條水道的一端相連通形成一條水道通路，在內恒溫腔體上設有 水道出/入口 ，
3、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述內恒 溫腔體壁中設置有四條水道，形成內外兩層水道結構。其中兩條水道 位于內層，另兩條位于外層，內層水道中的兩條水道相鄰并行地盤繞 在整個所述內恒溫腔體壁中，外層水道中的兩條水道與所述內層水道 相對應且相鄰并行地盤繞在整個所述內恒溫腔體壁中，所述內層水道 中的水道的每一條與其相對應的所述外層水道中的 一條水道的 一端相 連通形成兩條水道通^各。
4、 根據權利要求2或3所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述外恒溫腔體壁中設有兩條水道，所述兩條水道相鄰并行且地盤繞在整 個所述外恒溫腔體壁中，所述兩條水道的一端相連通形成一條水道通路。
5、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述外恒 溫腔體和所述內恒溫腔體之間具有空氣隔離層。
6、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，在所述外 恒溫腔體和所述內恒溫腔體上設置至少一個相對應的窗口。
7、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述內恒 溫腔體的頂蓋密封固定在所述內恒溫腔體的側壁上，所述內恒溫腔體 的頂蓋中的水道出/入口與所述內恒溫腔體的側壁中的水道出/入口用 軟管連通。
8、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述外恒 溫腔體的頂蓋密封固定在所述外恒溫腔體的側壁上，所述外恒溫腔體 的頂蓋中的水道出/入口與所述外恒溫腔體的側壁中的水道出/入口用軟管連通。
9、 根據權利要求2所述的精密恒溫裝置，其特征在于，所述外恒 溫腔體的側壁至少分成兩個部分，各部分固定在所述內恒溫腔體的底 部向外延伸的法蘭上，且所述各部分之間彼此相互固定連接。
全文摘要
本發明提供一種精密恒溫裝置，所述精密恒溫裝置的恒溫腔體的壁中成對設置有至少兩條水道，其中每對水道相鄰并行地盤繞在整個所述恒溫腔體的壁中，每對水道的一端相連通形成一條水道通路，在所述恒溫腔體上設有水道出/入口。當與恒溫槽連接時，由于腔壁中獨特的管道結構所產生的溫度效應，將不僅在設置管道的所有區域實現均勻的溫度，而且將大幅度提高溫度的穩定度。根據發明提供的精密恒溫裝置用于為精密測量、精密加工和科學研究提供一種溫度精密可控且具有高穩定特性的環境。根據發明提供的精密恒溫裝置的腔體內部的恒溫性能可達到在未控溫環境中最佳控溫能力為每2小時內波動0.5mk。
文檔編號G05D23/01GK101504260SQ20081009745
公開日2009年8月12日 申請日期2008年5月27日 優先權日2008年5月27日
發明者羅志勇 申請人:中國計量科學研究院