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关于SLX系列程序控制深冷箱温度均匀性的研究
郭嘉 王俊杰 阎献国
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摘要： 本文通过对SLX程序控制深冷箱工作腔内空间9点在-180℃、160℃ 两个温度点进行测试，然后通过对同一温度点多次测温得到的9点数据进行比较来获得该设备在低温和高温两个环境的温度均匀性值。
关键词：SLX系列程序控制深冷箱，液氮制冷，温度均匀性，9点测温
RESEARCH ON AVERAGE OF SLX DEEP-COOL EQUIPMENT’S TEMPERATURE
Guo Jia 1, Wang Jun-jie 2, YAN Xian-guo1
(1 Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024)
(2 Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS ,Beijing 100080)
Abstract: The subject of the paper is to obtain the average temperature degree of the deep cold container controlling by SLX program control deep-cool container when it is set in two different conditions, -180℃and 160℃, in the means of testing temperature of 9 points inside of the working space of deep cold container.
Key Words: SLX program control deep-cool container, liquid nitrogen, average of temperature
1 概述
深冷处理，又称超低温处理(SSZ)，是指以液氮为冷却介质对材料进行处理的方法而达到给材料改性的目的。它是常规冷处理的一种延伸，其英文名称为Cryogenic treatment，是一种从上世纪中期开始广泛应用于工业生产的一种新工艺。现有研究表明，深冷处理不仅可以显著提高黑色金属、有色金属、金属合金、碳化物、塑料(包括尼龙，泰氟龙)、硅酸盐等材料的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性，减小变形，而且操作简便、不破坏工件、无污染、成本低。具有可观的经济效益和市场前景。
作为一种新型的热处理工艺，深冷处理对设备的性能有着严格的要求。设备控温精度、控温范围、升降温速率、智能控制方式等性能好坏直接影响着深冷处理的效果。其中良好的温度均匀性对大型材料和小工件批量深冷处理效果尤为重要。鉴于此，我们对自己研制生产的深冷设备---SLX系列程序控制深冷箱，进行了空载状态下实验室环境的温度均匀性测试。
2 实验设备和方法
实验选用中国科学院理化技术研究所生产的SLX-312型号程序控制深冷箱及配套真空绝热输液软管、100L自增压液氮容器。温度传感器选用经过中国科学院低温计量测试站标定的PT100电阻温度计，通过计算机采集记录。测试系统见下图示。

（图片）

图 1 实验过程现场

SLX-312型号程序控制深冷箱性能参数如下：
·温度控制范围 200℃～－190℃
·温度均匀度：±1℃，温度平衡后0.5h
·控温精度：±2℃
·降温速率：1~10℃/min
·升温速度：1~10℃/min
·保温时间：任意设置
·加热器：电阻式
·控制方式：计算机控制
·配电规格：380伏/50赫兹 3相4线制
·真空绝然输液软管长：1.6m；
实验室环境恒温在25℃。在工作腔内用支架空间分布9个测温点，温度传感器用Pt100；其中测温点的分布如下图所示：

（图片）

图 2 箱体内测温点空间分布

设置深冷箱控温经过为：25℃经过80分钟降到-180℃，-180℃保温60分钟后经过120分钟升温到160℃，然后在160℃保温60分钟停止。控温曲线如下图：

（图片）

图 3 深冷箱控温曲线

3 实验结果与分析
⑴分别在深冷箱内温度达-180℃和160℃并且保温20分钟待工作腔内温度稳定后开始测温。

表1 在-180℃保温20分钟后测得9点的热阻值换成温度值数据

（图片）

表 2 在160℃保温20分钟后测得9点的热阻值换成温度值数据

（图片）

分析以上数据，可以发现SLX系列程序控制深冷箱在-180℃最大温差为0.97℃，最小温差为0.21℃；在160℃时最大温差为1.35℃，最小温差为0.88℃；具体温差带如下图。

（图片）

图 4 -180℃保温阶段温差带

（图片）

图 5 160℃保温阶段温差带

⑵ 通过对实验数据分析可以看出，SLX系列程序控制深冷箱在温度均匀性方面表现非常出色，尤其是在低温方面温度均匀性小于1℃，从而有效地保证了工件深冷处理效果的稳定。分析均匀性原因如下：
①SLX系列程序控制深冷箱采用智能化的PID控制。作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制系统原理图如下：

（图片）

图 5 PID控制系统原理图

e(t)为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，为系统参考输入(设定值)，y(t)为系统输出〔被控量)e(t)=r(t)-At), r(t)，称为偏差信号。深冷箱PID算法可以智能修正偏差量使得控制温度尽可能吻合设定温度。从而保证了深冷箱的控温精度。
②深冷箱结构采用内腔、外壳分离，中间用硬质聚氨酯泡沫作保温层。聚氨酯泡沫是泡沫聚氨基甲酸酯的简称。硬质聚氨酯泡沫塑料的热导率为 ，硬质泡沫聚氨酯中的气泡绝大多数为封闭气孔 因而吸水率特别小，吸湿对热导率的影响也很小。正是这种保温材料有效地阻止了深冷箱对外的热交换，使工作腔均匀保温。
③深冷箱采用多元喷射，并配有涡流分风机搅拌单元。这种结构保证了当液氮进入工作腔时呈发散状，再经过涡流风机搅拌单元使剩余的湍流气、液相氮均匀的进入工作腔，为工作腔提供均匀稳定的冷源。
4 结论
经过对SLX-312深冷箱均匀性测试得出如下结论：①低温段控温均匀度值<1℃；②高温段控温均匀度<2℃。这个性能指标完全避免了工件批处理时因在工作腔中摆放位置不同，而引起深冷处理效果的迥异。从根本上解决了以前深冷处理过程的不稳定，批处理工件次品多这种诟病，将我国小型深冷设备技术推向了一个新的高峰。
参考文献
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[2] 陈国邦，张鹏，低温绝热与传热技术，科学出版社，2004
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[4] 吴业正，小型制冷装置设计指导，机械工业出版社，2001
[5] 厦门宇光电子自动化公司，AI人工智能工业调节器使用说明书v6.5
[6] 新型PID控制及其应用，机械工业出版社，20005
作者简介
郭嘉，男，汉族，1981.11.13生于山西省，太原科技大学硕士研究生，研究方向：计算机辅助设计制造，现实习于中国科学院理化技术研究所，联系方式：13683185024，通讯地址：北京中关村北一条二号#69信箱，EMAIL:cryo@vip.sina.com 4/26/2007

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