一种基于热电-压缩复合式制冷的三维低温场构建装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于热电

【技术实现步骤摘要】
一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置与方法


[0001]本专利技术属于三维低温场
，涉及一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置与方法。

技术介绍

[0002]低温场在科学研究中被广泛应用，如电子产品的低温测试、医疗器件的低温保存以及精密零件的低温装配等。低温场的不同应用场合对应了不同的低温需求、不同的制冷方案以及系统设计。在超低温加工领域内，由于低温场的构建效果直接影响着冰夹具的结构特性，因此在实际加工时对于构建三维低温场的构建需求往往较为苛刻。研究表明，在
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50℃低温场内冰夹具的刚性最佳。此外，稳定、均匀的低温场可以保证在加工过程中冰夹具的持续性，而温度场的快速构建可以节省大量加工准备时间。在三维空间内快速构建低温场，其难点之一在于低温场的构建与维持需要大冷量制冷系统支持，而现有的大冷量制冷系统往往时滞性较高，无法实现快速构建温度场的要求；其难点之二在于在超低温加工的三维空间内，温度场依靠自然热传导实现温度场内外的温度均匀一致性，往往需要大量时间，而这又与温度场构建的快速性需求形成冲突。因此，若想实现快速构建均匀三维低温场，必须提出一种新的制冷方案与相应的结构设计。
[0003]在实际研究过程中，低温场的构建已存在一些方案。如有研究采用液氮循环管路制冷与液氮喷头局部加强冷，但该方案中低温场形成时间较长，且场内不同区域的温度差异性较大。还有研究采用半导体制冷的方案，满足了快速构建温度场以及精准调控的需求。但是单一的半导体制冷受限于热端热量排出问题，往往无法实现超低温制冷，且大多局限于二维冷面制冷，对三维温度场的构建研究不足。除此以外，在超低温加工中还有采用涡流管制冷、斯特林制冷等温度场构建技术来构建低温场，但它们大多是从单一冷源辐射冷量至整个空间，无法同时兼顾所构建低温场的快速性、均匀性与稳定性要求。因此，亟需一种快速构建稳定均匀低温场的装置与方法，同时满足超低温与大冷量需求，应用于超低温加工领域，为冻结式冰固持装夹技术构建适宜的加工环境。
[0004]专利技术专利申请公布号CN 113478269 A(名称：面向一体式结构薄壁阵列的在位冰冻加工方法)公开了一种在位冰冻加工方法。该专利技术实现了超低温大冷量冷却，但冷却时间过长，不满足快速构建低温场的需求。专利技术专利申请公布号CN 111230548 A(名称：冰冻定位装置和冰冻定位方法)公开了一种基于半导体制冷片及其散热流道的冰冻装夹方案，该专利技术构建了一种快速冰冻定位装置，但所能构建的温度场最低为
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8℃，且易受加工热的影响，对极端超低温温度场构建并不适用。专利技术专利申请公布号CN 111089445 A(名称：一种
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86℃超低温冰箱温度均匀系统)公开了一种利用电磁感应原理使风扇运转，强迫箱体内气流流动构建均匀温度场的装置。但该专利技术仅适用于构建气态均匀温度场。在温度场内部为固态填充情况下，该专利技术无法构建均匀温度场。
[0005]综上，在超低温加工领域亟待发展一种三维低温温度场构建技术，实现在三维层
面上快速构建低温温度场，且满足在大冷量制冷情况下保持温度场温度均匀性的温度场构建需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对构建三维低温场难以同时保证构建温度场的快速性与温度场均匀稳定性这一问题，专利技术了一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置与方法。本专利技术由三维冰冻平台、热电制冷组件、金属管路、载冷罐和相变制冷柜组成。本专利技术中，采用三维冰冻平台提供冰冻平台，引导冷量传递；利用可伸缩的铜柱作为定位与冷量传递装置，协同半导体制冷阵列保障温度场的均匀性；采用热电制冷组件作为二级冷源，为冰冻台直接提供制冷量；采用相变制冷柜内设有的两级压缩制冷循环作为一级冷源，维持载冷罐内部温度。本专利技术通过上述一级冷源与二级冷源形成的复合式制冷系统以及对应的结构设计，实现三维低温度场的快速构建，与稳定维持均匀温度场。本专利技术所研制的装置降温速率快，温度场均匀一致性高，对低温温度场的调控灵活性高且控温精准，实现了快速构建稳定、均匀的低温场，以及相应的温度控制功能。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置，包括三维冰冻平台1、热电制冷组件2、金属管路3、载冷罐4和相变制冷柜5。所述三维冰冻平台1是所构建的三维低温场的形成平台。所述热电制冷组件2作为二级冷源，为在三维冰冻平台1中所构建的低温场直接提供制冷量。所述载冷罐4通过金属管路3连接相变制冷柜5的冷端与热电制冷组件2的热端，起到冷量储存作用。所述相变制冷柜5内设有两级压缩制冷循环作为一级冷源，为载冷罐4提供制冷量。
[0009]所述三维冰冻平台1包括冰冻台101、可伸缩铜柱102、定位头103、移动平台104和载冷剂流通通道105。其中，冰冻台101为箱体结构，其通过定位头103固定于移动平台104上。冰冻台101箱体空间内表面均设有可伸缩铜柱102。冰冻台101箱体底部设有双层夹层，其中最底层为载冷剂流通通道105，其出口和入口分别通过金属管路E305与金属管路F306与载冷罐4相连；次底层为热电制冷阵列A201的放置空间。
[0010]所述热电制冷组件2包括热电制冷阵列A201、大功率热电制冷阵列B202、热电制冷阵列C203、载冷台上盖204、载冷台205、载冷通道206、线缆207、控制器208、载冷剂入口209和载冷剂出口210。其中，载冷台205为上下开口的矩形框架结构，置于冰冻台101外周；载冷台205内部由上至下分别设有三层载冷通道206；载冷台205上对应每层载冷通道206的位置处均设有载冷剂入口209和载冷剂出口210，载冷剂由载冷剂入口209流入，沿着每层载冷通道206绕冰冻台101一周后，由载冷剂出口210流出。载冷台205的内壁上由上至下分别贴有一层大功率热电制冷阵列B202和一层热电制冷阵列C203，二者的热端面向载冷通道206，与载冷剂发生强制热交换；冷端面向冰冻台101的上层空间，为构建低温温度场提供冷量。热电制冷阵列A201安装在冰冻台101底部的次底层空间中，其热端面向载冷剂流通通道105与载冷剂强制换热，冷端面向冰冻台101的上层空间。载冷台上盖204设于载冷台205顶部，为保温与防止液体溅出。控制器208通过线缆207连接各热电制冷阵列，为各热电制冷阵列提供分离可控的电压。
[0011]所述金属管路3包括金属管路A301、金属管路B302、金属管路C303、金属管路D304、
金属管路E305和金属管路F306。其中，金属管路A301连接相变制冷柜5的流体入口与载冷罐4的冷却介质出口。金属管路B302连接相变制冷柜5的流体出口与载冷罐4的冷却介质入口。金属管道C303和金属管道D304分别从载冷罐4连接至载冷台的载冷剂出口210与载冷剂入口209。金属管道E305与金属管道F306分别从载冷罐4连接至冰冻台底部载冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置，其特征在于，该装置包括三维冰冻平台(1)、热电制冷组件(2)、金属管路(3)、载冷罐(4)和相变制冷柜(5)；所述三维冰冻平台(1)包括冰冻台(101)、可伸缩铜柱(102)、定位头(103)，移动平台(104)和载冷剂流通通道(105)；其中，冰冻台(101)为箱体结构，其通过定位头(103)固定于移动平台(104)上；可伸缩铜柱(102)安装于冰冻台(101)箱体空间内表面；冰冻台(101)箱体底部设有双层夹层，其中最底层为载冷剂流通通道(105)，次底层为热电制冷阵列A的放置空间；所述热电制冷组件(2)包括热电制冷阵列A(201)、大功率热电制冷阵列B(202)、热电制冷阵列C(203)、载冷台上盖(204)、载冷台(205)、载冷通道(206)、线缆(207)、控制器(208)、载冷剂入口(209)和载冷剂出口(210)；其中，载冷台(205)为上下开口的矩形框架结构，置于冰冻台(101)外周；载冷台(205)内部由上至下分别设有三层载冷通道(206)；载冷台(205)上对应每层载冷通道(206)的位置处均设有载冷剂入口(209)和载冷剂出口(210)，载冷剂由载冷剂入口(209)流入，沿着每层载冷通道(206)绕冰冻台(101)一周后，由载冷剂出口(210)流出；载冷台(205)的内侧空间由上至下分别贴有一层大功率热电制冷阵列B(202)和一层热电制冷阵列C(203)，二者的热端面向载冷通道(206)，与载冷剂发生强制热交换，冷端面向冰冻台(101)的上层空间，为构建低温温度场提供冷量；热电制冷阵列A(201)安装在冰冻台(101)底部的次底层空间中，其热端面向载冷剂流通通道(105)与载冷剂强制换热，冷端面向冰冻台(101)的上层空间；载冷台上盖(204)设于载冷台(205)顶部，为保温与防止液体溅出；控制器(208)通过线缆(207)连接各热电制冷阵列，为各热电制冷阵列提供分离可控的电压；所述载冷罐(4)通过金属管路(3)连接相变制冷柜(5)的冷端与热电制冷组件(2)的热端以传输流体，内设有循环泵，强制载冷剂循环流动；所述相变制冷柜(5)内设有两级压缩制冷循环，为一级冷源，其蒸发器通过金属管路(3)延伸至载冷罐(4)内，为载冷剂提供持续制冷。2.根据权利要求1所述的一种基于热电
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压缩复合式制冷的三维低温场构建装置，其特征在于，所述金属管路(3)包括金属管路A(301)、金属管路B(302)、金属管路C(303)、金属管路D(304)、金属管路E(305)和金属管路F(306)；其中，金属管路A(301)连接相变制冷柜(5)的流体入口与载冷罐(4)的冷却介质出口；金属管路B(302)连接相变制冷柜(5)的流体出口与载冷罐(4)的冷却介质入口；金属管道C(303)和金...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永青，熊文涛，刘海波，王诚鑫，朱志祥，李旭，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：