（精密仪器及机械专业论文）微纳米测量环境恒温气流组织及均匀温度场数值模拟(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

微纳米测量环境恒温气流组织及均匀温度场数值模拟 摘要 本论文所研究的课题来源于国家自然科学基金，重大国际合作项目“纳米测 控环境控制机理和关键技术研究”。 环境保障一直是测控领域中急待解决的问题，在高精度的纳米测控中环境保 障更成为影响测控结果的关键因素。高精度的纳米测量是建立在对环境的严格控 制的基础上的，真正需要高精密测量环境的只是测量仪器本身，所以研究小型的 超高精密的恒温恒湿洁净抗振的纳米测量环境具有重要的意义。 由于测量仪器在测试腔内工作时会产生热量，造成温度的不均匀，从而影响 t n 量结果。除了对测试腔的恒温恒湿气流进行有效的组织以尽快达到温度的动 态平衡外，还可以将测试腔内的局部热源进行隔离，单独进行热补偿。 数值模拟恒温恒湿测试腔内气流组织，设计合理箱体结构，使测试腔内以最 快的速度达到温度场的均匀，以满足温度精度要求及均匀性指标，是本课题的主 要目的。 关键词：纳米测量环境均匀温度场气流组织数值模拟恒温箱 a c c u r a c yr e s e a r c hi nt h em e c h a n i c a lv i s u a lm e a s u r i n gs y s t e m a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi s p a r to fa l li n t e m a t i o n a lc o o p e r a t i o np r o j e c tw i mn o a h a u s t r a l i au n i v e r s i t ya n df o u n d e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rc o n t r a c tn u m b e r ：5 0 4 2 0 1 2 0 1 3 4 t h ee n v i r o n m e n tp l a y sa l l i m p o r t a n tr o l e i n h i g h - p r e c i s en a n o - s c a l e m e a s u r e m e n t h i 曲一p r e c i s em e a s u r e m e n t i sb a s e do nc o n t r o lo f e n v i r o n m e n t ，b u to n l y m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t si t s e l fn e e d sh i g h - p r e c i s ee n v i r o n m e n t ，s oi ti s v e r y s i g n i f i c a n tt od e s i g n ah i g h p r e c i s ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e i n s u l a t e dc a b i n e tf o r n a n o s c a l em e a s u r e m e u t t h ei n s t r u m e n t si sh e a t e dw h e ni tw o r k s i tm a k e st h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r eu n u n i f o r m i t y , t h u sa p p e a r e ds o m eb l i n da r e ao ft e m p e r a t u r eo ri n t e n s i v e a i rm o v e m e n t ，i ti n f l u e n c et h er e s u l to fm e a s u r e m e n t t h et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo f t h ew o r k i n gp l a c ei sd e p e n d i n go nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n b e s i d e s ，w h e n r e d u c et h et e m p e r a t u r eo fi n l e ta i rf l o wd o e s n tw o r ko b v i o u s l y p l u s ，w ec a ni s o l a t e t h eh e a ts o u r c ea n d c o o l i n g i ts e p a r a t e n e s s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e t e m p e r a t u r e f i e l do ft h es e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o nd e v i c ei s d e s c r i b e do nt h i sp a p e r ，a n dan u m e r i c a ls t u d yo nt h e t e m p e r a t u r ep r o f i l ei nas e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nd e v i c ew a sc a r r i e do u tu s i n gt h i s m o d e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa p p l i e dt ot h ep r e s e n tt h e r m o s t a t e dc o n t a i n e r s t h e n t h es p a c et e m p od i r e c t i o ni nt h ec a s eo f t h eg a sf l o w s ，d i s t r i b u t i o no f p r e s s u r ei ne a c h p o i n t ，t h ed a t ao ft h r e e d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l d ，e t c a r eg a i n e d t h ep r o b l e m s i np r e s e n tt h e r m o s t a t e dc o n t a i n e r sa r ed i s c u s s e d ，t h ef a c t o ri n f l u e n c i n gc u r r e n ta i r o r g a n i z a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l da r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：n a n o s c a l em e a s u r e m e n t ，u n i f o r m i t yo f t e m p e r a t u r e ，a i rd i s t r i b u t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e r m ot a n k 插图清单 图1 1 构想中理想的纳米测量环境 图1 - 2 美国n i s t 的m o l e c u l a rm e a s u r i n gm a c h i n e 示意图 图1 - 3 韩国b u p e 的超高精度c m m 图2 1 恒温箱体结构模型 图2 - 2 恒温箱照片 图2 3 侧送风仿真图 图2 - 4 孔板送风仿真图 图2 - 5 导风口照片 图2 - 6 孔板照片 图2 7 半导体制冷原理图 图2 8m a a 0 5 0 t 1 2 图2 - 9m a a 0 5 0 t - 1 2 性能曲线图 图2 1 0m a a 0 5 0 t - 1 2 外观尺寸图 图2 - 1l 制冷片安装示意 图3 - 1 基本程序结构图 图4 - 1 半导体制冷模型m o d e l 图4 2 半导体制冷模型网格m e s hm o d e l 图4 3 压力分布图( 无热源) 图4 - 4 速度矢量图( 无热源) 图4 5 中截面压力分布图( 有热源) 图4 - 6 中截面压力矢量图( 有热源) 图4 7 中截面速度分布图( 有热源) 图4 8 中截面速度矢量图( 有热源) 图4 - 9 中截面温度矢量图( 有热源) 图4 1 0 中截面温度分布图( 有热源) 图4 1 1 三维空间的温度矢量图( 有热源) 图4 1 2 空箱无热源模型网格 图4 1 3 截面压力分布图( 无热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 4 截面压力矢量图( 无热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 5 截面速度分布图( 无热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 6 截面速度矢量图( 无热源v = o 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 7 截面温度矢量图( 无热源v = o 5m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 8 截面温度分布图( 无热源v = o 5m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 1 9 三维空间的压力分布图( 无热源v = 0 5m s ，t = 2 9 2 k ) 图4 2 0 三维空间的速度矢量图( 无热源v = 0 5m s ，t = 2 9 2 k ) l 2 3 5 6 6 8 3 3 4 5 5 6 6 5 3 3 4 4 5 5 5 5 5 5 6 7 8 8 8 8 8 8 9 9 一 一 一 一 一 一1 1 l 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 一 ；| 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 - 2 8 图4 - 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图4 3 8 图4 3 9 图4 4 0 图4 4 1 图4 4 2 图4 1 4 3 图4 4 4 图4 4 5 图4 4 6 图4 4 7 图4 4 8 图+ 5 1 图5 2 图5 3 图5 。4 图5 5 闺5 - 6 图5 7 图5 8 三维空间的温度分布图( 无热源v = 0 5m s ，t = 2 9 2 k ) 2 9 截面速度分布图( 无热源v = 3m s ，t = 2 9 2 k ) 3 0 截面速度矢量图( 无热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 0 截面温度矢量图( 无热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 0 截面温度分布图( 无热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 0 三维空间的速度矢量图( 无热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 l 三维空间的温度分布图( 无热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 1 截面压力分布图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 2 截面压力矢量图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 2 截面速度分布图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 2 截面速度矢量图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 2 截面温度矢量图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 2 截面温度分布图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) i 3 2 三维空间的速度矢量图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 3 三维空间的温度分布图( 无热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 3 出口截面速度分布图( 有热源v = 0 5 m s 。t = 2 9 2 k ) 3 4 出口截面速度矢量图( 有热源v = o 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 4 出口截面温度分布图( 有热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 4 出口截面温度矢量图( 有热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 4 中截面温度分布图( 有热源v = o 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 5 中截面速度分布图( 有热源v = 0 5 r n s ，t = 2 9 2 k ) 3 5 三维空间的温度分布图( 有热源v = 0 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 5 中截面速度分布图( 有热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 6 中截面温度分布图( 有热源v = 3 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 6 中截面温度分布图( 有热源v = 5 m s ，t = 2 9 2 k ) 3 7 中截面温度分布图( 有热源v = o 5 m s ，t = 2 9 1 k ) 3 6 中截面温度分布图( 有热源v = 3 m s ，t = 2 9 1 k ) 3 7 中截面温度分布图( 有热源v = 5 m s ，t = 2 9 1 k ) 3 7 顶吹风恒温腔网格模型3 9 内截面速度矢量图3 9 内截面紊流动能分布4 0 球形结构的网格模型4 0 球形结构截面速度分布4 1 球形截面速度矢量图4 1 球形三维速度矢量图4 l 拱形结构网格模型4 2 图5 - 9 拱形结构截面速度矢量图 图5 1 0 拱形结构截面紊流动能分布， 图5 1 1 构想的新型恒温箱结构 图5 1 2 新型恒温箱结构图 图5 1 3 新箱体气流及网格模型 图5 1 4 截面速度矢量图， 图5 - 1 5 截面压力分布图 图5 1 6 截面温度分布图 图5 1 7 三维压力分布图 图5 1 8 三维速度分布图 图5 1 9 三维温度分布图 图6 - 1 模糊自适应p i d 控制降温曲线 图6 2 模糊自适应p i d 控制温度波动曲线 表格清单 表2 - 1m a a 0 5 0 t - 1 2 性能参数 表6 - 1 模糊白适应p i d 控制稳态温度数据 。6 4 8 铊铊们钙钳牾们 5 6 6 7 7 4 4 o 4 4 一 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金罂互些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文中作了明确的说明并表示谢 意。一 学位论文作者签名：i 砺签字日期：p 衫年彭月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍 王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多j 睡 签字日期：弘衫年多月多日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师躲谚 签字日期哆加；年 1 电话 邮编 日辛m 工vy 致谢 本论文是在我的导师张辉教授的悉心指导下完成的，在此我要先对张老师说 一句：“非常感谢您! ”刚刚进入研一时，师兄们对张老师的尊敬我都看在眼内， 在读研的两年多时间里，我更切身体会到张老师对科学研究敏锐的洞察力、清晰 的科研思路、丰富的实践经验、严谨的治学作风，这些将使我在以后的工作中受 益无穷。在生活中，张老师对我们研究生的生活非常照顾和关心，回顾一下我的 研究生生活，仅仅一句谢谢又怎能表达我对老师的感激之情呢。在此向张老师表 示衷心的感谢，并致以深深的敬意。感谢张老师在我学业和生活上给予的关心和 帮助。 感谢张阳老师和张宇师兄在我三年的学习中提供的热情而有益的帮助。在平 时的学习中，还得到了很多老师的帮助和指导以及张士峰、丁艳、徐慧博、倪化 生、卞铭、汪翔等同学及好友的鼓励和帮助，在这里一并表示感谢。同时感谢学 院提供的良好的学习气氛和友善的生活环境，感谢在这里度过的三年愉快的时 光。 感谢我的父母，是他们给予的爱使我在人生的路上披荆斩棘，勇往直前。 谨以此文献给所有关心、帮助我的父母、家人、老师和朋友们! 作者：王琚 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 概述 本课题来源国家自然科学基金，重大国际合作项目“纳米测控环境控制机理 和关键技术研究”( 项目编号：5 0 4 2 0 1 2 0 1 3 4 ) 环境保障一直是测控领域中急待解决的问题，在高精度的纳米测控中环境保 障更成为影响测控结果的关键因素。高精度的纳米测量是建立在对环境的严格控 制的基础上的，真正需要高精密测量环境的只是测量仪器本身，所以研究小型的 超高精密的恒温恒湿洁净抗振的纳米测量环境具有重要的意义。 由于测量仪器在测试腔内工作时会产生热量，造成温度场的不均匀，从而影 响了测量结果。除了通过对测试腔的恒温恒湿气流进行有效的组织以尽快达到温 度的动态平衡外，还可以将测试腔内的局部热源进行隔离，单独进行热补偿，以 达到温度场的均匀化。数值模拟恒温恒湿测试腔内气流组织，设计合理箱体结构， 使测试腔内以最快的速度达到温度场的均匀分布，以满足温度精度要求及均匀性 指标。 由此，我们构想一个理想的高精度抗振恒温恒湿洁净的纳米测量环境，如图 卜l 所示。 图l - i 构想中理想的纳米测量环境 纳米测量仪器放置在一个封闭的洁净的测试腔内，分离的制冷机构将洁净的 恒温恒湿空气注入测试腔，通过对测试腔气流组织的设计控制，对局部热源的隔 离补偿，以及温湿度的精确控制，来达到测试腔内温度场湿度场均匀的目的，满 足测试环境的稳定性，从而保证纳米测量仪器工作的可靠性。 同时，工作台采用被动隔振和主动隔振相结合的方式来实现振动的有效隔 离。 本研究项目的预期目标为：温度控制：2 0 + 0 0 2 。c ；相对湿度：5 0 5 ；振 动：小于l o p m s ，；洁净度：i 0 0 0 1 0 0 0 0 级。此环境的建立，将有助于纳米狈0 量 科研的开展，还可以将此成果和设备推广应用到纳米工程的其他领域，女h m e m s 组件、激光光刻、光通讯器件、纳米碳管等。因此本项目的研究具有重要的科学 意义和工程价值。 1 2 国内外研究现状 微观尺度的测量系统早期是采用光学显微镜，尔后出现了扫描电子显微镜。1 9 8 2 年g b i n n i g 、h r o h r e r 等人发明了扫描隧道显微，将纳米尺度的二维测量与一维 位移的测量相结合，首次实现了纳米尺度的三维测量。根据扫描隧道显微镜的基 本原理，现在已发展了一系列具有纳米级精度的扫描探针显微镜，如原子力显微 镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、导弹电子发射显微镜、扫描离 子导电显微镜、扫描近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜、扫描热显微镜等。 这些新型的显微镜技术都利用探针与样品的不同的相互作用来探测表面在纳米 尺度上表现出来的物理和化学性质，而这些物理化学性质可以在众多的学科中带 来深层次的影响。所以进行精确的纳米尺度的测量和计量是世界各个国家重点研 究的方向，其中一些国家已经取得了一些成果。 美国n i s t 的m m m ( m o l e c u l a r m e a s u r i n g m a c h i n e ) 在设计时采用了多层结 构( 附图1 ) ，以保证核心层( 即测试腔) 的恒温恒湿洁净环境，从而保证测试 结果的准确性。 m m m 的测量内核是在重重环境保护罩内工作的。在这些保护罩下可以得到 隔振、隔音、真空、恒温、恒湿等功能。m m m 在设计上采用球形结构，其优点 是刚性好和易于控温。其测量核心部分的材料是直径为3 5 c m 空心高导无氧铜球 结构。【5 】 图卜2 美国n i s t 的m o l e c u l a rm e a s u r i n gm a c h i n e 示意图 同样，德国p t b ( p h y s i k a l i s c h t e c h n i s e h eb u n d e s a n s t a l o 、英国n p l ( n a t i o n a l p h y s i c a ll a b o r a t o r y ) 、日本东京大学、荷兰e i n d h o v e n 大学、美国n o r t hc a r o l i n a & m i t 大学等纳米测量研究机构也筹划建立高精密的纳米测量环境。 韩国b u p e 的超高精度c m m 韩国b u p e ( b i l l i o n t hu n c e r t a i n t yp r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ) 在实施u p c m m ( u l t r a p r e c i s i o nc m m ) 研究计划时也提出了设计制造小型的恒温恒湿抗振洁净的测量 环境，并提出了严格的测量环境控制要求。测试腔具有4 层封闭式的结构，即绝 热层、隔音层、真空层和测试层，控温目标要达到2 0 c - 4 - 0 0 0 1 。其研究表明： 当温度变化1 的时候，由于系统的机械热变形所引起的相对不确定度的误差就 可以达到1 0 m 。 4 1 图卜3 韩国b u p e 的超高精度c m m 第一层箱体可以提供给整个仪器一个相对低波动性的温度环境。其波动范围 为o 1 。 第二层是作为控制环节的中间层。使用一个可以产生热量的马达，并在激光 光源上固定热管，以传递所产生的热量。这一层的温度波动范围为o 0 1 。 最后一层是工作核心层，在这一层内实现高精度的定位测量。其内部为真空 环境。所有的热量都从这个层内移走，最终达到o 0 0 1 的温度波动性。 整个的三层温度控制是一个系统化的控制过程，从而达到最终的控制目标。 另外，每一个隔离层上都镀膜并抽成真空状态，这样不仅可以隔热，同时也可以 达到隔声和隔振的功能。 1 3 课题研究目标及主要研究内容 小型恒温箱系统结构的设计；用c a d 系统建立已有恒温箱气流流场几何模 型，对箱内气流的流动进行理论分析，分析箱内不同腔内不同的气流组织，选择 合适的待求参数；确定气流运动的初始条件及边界条件，选择合理的c f d 物理 数学模型和数值离散方法，用通用c f d 软件对不同腔的气流组织进行详细的数 值分析；分析影响气流组织及温度均匀度的各个因素，如半导体制冷片冷风速度， 褰疫，虢及麓抟豹缝构对藿瀑气浚黟影穗，凌定最佳气滚缝绥方案，提爨缀稳霞 化方案；考虑加入髑部热源后对气流组织和均匀温度场的影响，研究局部热源的 隔离和快速补偿方案；对优化后的恒温腔进行宓验评价，进行试验设计，与流场 温度场孵c f d 模拟进行对比，评价实际因素慰气流组织和淤发均匀度的影响，捡 验溢浚均匐度。 数值模拟恒温憾湿测试腔内气流组织，设计优化箱体结构，满足温度均匀性 指标，温度控制由2 0 - - 0 i 至2 0 0 0 5 ，墩后达到2 0 0 0 2 。 4 第二章高精度小型纳米测量恒温箱的结构概述及分析 2 1 高精度小型纳米测量恒温箱的结构概述 本文设计的高精度小型纳米测量恒温箱采用的立方体三腔分离结构，在立方 体箱体结构中划分出恒温腔、静压腔和制冷腔。空气通过回风1 3 ，从恒温腔底部 中流入制冷腔，在制冷腔中经半导体制冷片冷却、混合后由交流风机吹入静压腔， 在静压腔中空气再次混合，通过孔板流至工作区间，即恒温腔。通过空气的蹦流 换热使制冷片上产生的热量传递到恒温腔内，保证其温度的稳定性。 为使空气组织更加均匀，静压腔中加入导风口及孔板，导风口为漏斗状，使 空气流过后均匀分布在一定区域，当静压腔压力高与恒温腔时，孔板上下两侧的 压差使静压腔空气均匀流过孔板，形成活塞式气流，孔板下方气流形成不稳定流， 空气得到充分的混合，使温度场和速度场的均匀性较好。 箱体外部保温采用8 0 m m 超细保温棉填充层。 箱体结构如图： 图2 - 1 恒温箱体结构模型 豳2 - 2 恒温箱照片 2 2 恒温箱体绪构分析 2 2 1 恒温箱气流组织形式的选择 宴醛工程中，豢耀戆气流组织方式蠢： 上送下回 上送上回 下送上回 孛邦送风方式 气流组东是由送回鼹日懿其俗结梅形式来僚涯的。 考虑到我们希望的恒温箱内仪器的工作环境，要求全局温度恒定且均匀，风 速平稳不能出现死区，而且对空气有湿度及洁净级别的要求，我们可以考虑以下 几瓣气流组织方察： ( 1 ) 喷西擎翻送菇 这种气流组织形式一般用予侧向送风射流，也可双侧对喷下回。用于恒温箱 体结构时的缺点艇：侧向送风射流会在腔内形成大回漩涡流，在腔体的角落存在 滞留区。该滞留赋出于用于气流与送风射流的热鹱交换很小，形成气流死区，艘 濂漶驻蠹不裁嚣域。 髑2 - 3 侧送风仿真圈 在恒温腔的中间区域，大回旋涡流与射流有着不同程度的热质交换，此热质 交换随着接触面积和流动速度的不同而变化，大回旋涡流流速较射流流速小，温 度也较为均匀，整个工作地带处于回流状态，因而有着比较均匀稳定的温度场及 速度场。 侧送风的优点：侧送风方式的管道布置简单，施工方便，而且在设计合理计 算正确的基础上，可以满足射流扩散和温度速度衰减的要求，可以达到o 5 。c 甚至更高的精度要求。 本文要求的小型纳米高精度测量箱，要求温度工况下送风风速不能过大，空 气流动引起的振动不能影响测量精度，而侧送风一般射流送风风速较大，并且存 在角落里的小滞留区域，即温度死区，故不采用。 ( 2 ) 置换通风方式 置换通风方式是一种新型通风方式，广泛应用于舒适性空调中。置换通风的 原理是利用空间内空气的分层温度梯度达到空气置换流通的目的，因此，在空间 温度上必然存在较大的温度梯度，即存在较大的上下区域温差，所以不符合本文 要求。 ( 3 ) 散流器送风 喷口或散流器送风可能形成三种不同的气流流型：散流器平送流型或散流器 下送流型，以及送吸型散流器上送上回。 由此也产生不同的空气流动方式：回流与直流。 在散流器贴附平顶扩散的情况下，由于起作用范围大，扩散块，射程较侧送 风为短，能与空间内空气充分混合，且只有工作区处于回流状态，可以形成比较 均匀的温度场和梯度场。 散流器下送密集布置一般用于净化空调，在有较高净化要求的情况下使用。 散流器上送上回不利于工作区域的热质交换。 散流器平送一般用于空间温度波动1 0 5 。c 的精度要求，很难达到 0 0 5 的精度要求。 ( 4 ) 孔板送风 孔板送风广泛应用于高精度恒温室和洁净室。【8 】 孔板送风能够在工作区域形成比较均匀的速度场和温度场，气流形式为直流 或不稳定流。 当空气流过孔板时，可以形成活塞气流，满足工作区间对风速小，区域温差 小的严格要求，同时也可以满足较高的洁净要求。 孔板送风分为全面孔板和局部孔板两种方式；当全面孔板的孔口速度以及送 风温差满足一定大小，并且是均匀送风时，一般会在孔口下方形成下送直流流型， 主要用于有较高净化要求的空调工程；当孑l 口速度和送风温差都较小时，孔板下 方将形成上送下回不稳定流，不稳定流由于送风气流与空间内空气充分混合，区 域温差小，并且风速也小，适合本文的高精度和低速要求，故本文选取全局孔板 的气流组织方式。 图2 - 3 孔板送风仿真 2 2 2 箱体的绝热、冷负荷计算及送风景 ( 1 ) 绝热的方法和类型 绝热分为非真空绝热和真空绝热两中。 真空绝热是在绝热空间保持一定的真空度的绝热形式，真空绝热又分为高 真空绝热、真空多孔绝热、高真空多层绝热和多屏绝热等几种。 9 】【1 0 】 高真空绝热亦称为单纯真空绝热。一般要求在绝热空间保持1 3 3 m p a 以下压 强的真空度，这样就可以消除气体的对流传热和绝大部分的残留气体导热，以达 到良好的绝热效果。单纯的高真空绝热具有结构简单，紧凑，热容量小，制造方 便等有点，故在液氮的贮存，氢氦的液化装置及各种实验设备及管道中广泛应用。 但由于高真空绝热空间高真空度的获得与保持比较困难，一般在大型装置中很少 应用。 真空多孔绝热是在绝热空间类填充绝热材料( 粉末或纤维) ，再将绝热空间 抽至一定的真空度。只要在不高的真空度下( 约l o p a ) 就可以消除多孔介质问 的气体对流导热，从而大大减小高真空获得与保持的困难。由于这类绝热的热导 率只有对及绝热的几十分之一，且真空度要求不高，内部压力约为p = 1 l o p a 左右，因此得到了广泛的应用，尤其在低温技术中，其最大的缺点是要求夹层的 间距大，结构复杂较笨重。 多层绝热又称高真空多层真空绝热，它是一种在绝热空间中安置许多层平行 于冷壁的辐射屏来大幅度减少辐射热，以此达到高效绝热目的的一种绝热结构。 当热壁温度从3 0 0 k 降到7 7 k ，其有效热导率降低9 5 4 ，因而在超低温技术中 的应用更为普遍，也更加经济。 多屏绝热是一种多层防辐射屏与蒸汽冷屏相结合的绝热结构，是多层绝热的 一大改进，但它也同前者一样更加适用于超低温绝热技术。 非真空绝热也称为普通堆积绝热，即在需要绝热的表面包裹或充填一定厚 度的绝热材料，以达到绝热的目的。 常见的堆积绝热材料有：固体泡沫型，固体粉末型和固体纤维型等。普通堆 积绝热的热传导主要是固体传导和气体传导，它们的热流量占该类绝热结构中总 热量的9 0 左右。 为了减少固体导热，普通堆积绝热材料尽可能选用密度小的绝热材料，如常 用的膨胀珍珠岩，气凝胶，超细玻璃棉，聚苯乙烯，泡沫塑料等。 堆积绝热的保护层常有下面几种结构：涂抹式保护层，毡，布类保护层，金 属保护层。金属类保护是目前迅速发展的一种绝热保护材料，具有防水性好，力 学性能高，总量轻，寿命长，外观整洁美观，工作制作可预制化，施工快速等优 点。这些保护层的材料常有镀锌薄钢扳，不锈刚镀锌钢板，薄铝板，不锈钢薄板 或塑料复合钢板等。 本文设计的恒温腔体绝热为普通堆积绝热，由镀锌薄钢板形成内外壁，中间 填充超细保温玻璃棉。 虽然热导率壁真空绝热要大的多，但可以通过调节送风量的大小进行补偿。 玻璃棉材料是采用天然矿石如石英砂、白云石、蜡石等配以其它化工原料， 如纯碱、喷射等熔制成玻璃，在熔融状态下借助外力拉制、吹制或甩成极细的纤 维状材料。 玻璃棉石将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属于玻璃类，是一 种无机质纤维。具有体积密度小，热导率低，保温绝热和吸声性能好，不燃，耐 热，抗冻，耐腐蚀，良好的化学温度性等特性。玻璃棉的基本特性如下： 1 ) 在高温活低温条件下均具有良好的隔热性能； 2 ) 不燃烧，不产生有害气体； 3 ) 具有均匀的弹性回复力： 4 ) 具有从中低频到高频的吸声性能，降噪效果良好； 5 ) 在潮湿条件下吸湿率小； 6 ) 线膨胀系数小； 9 7 ) 老化速率低，经过长期使用后能维持当初的性能； 8 ) 具有良好的加工性能。 超细玻璃棉广泛应用于国防、石油化工、建筑、冶金、冷藏、交通运输等 工业部门，是各种管道、贮罐、锅炉，热交换器、风机和车船等工业设备、交通 运输和各种建筑物的优良保温、绝热、隔冷、吸声材料。 ( 2 ) 传热原理的简介： 常见传热有热传导、热辐射、对流传热等。 热传导是通过固体材料的传热，它是物体分子问的能量交换。 热辐射是能量以光子传播的方式，从一个表面传递到另外一个表面的过程； 辐射能在真空中传递冷量，不需要在两表面间存在任何中间介质。 对流传热取决于固体表面与流体间的热传递。 各种传热机理不相同，但是他们有着共同的特性，即各自传热方式都取决与 所研究物体的温度和几何尺寸。 ( 3 ) 恒温腔腔体冷负荷计算 热泄漏形成的冷负荷 通过腔外壳得热造成的腔内冷负荷，根据平面热交换公式：【3 4 】 q = 等笋 式中： q 1 交换热量( 矽) a 箱体外面积( m 2 ) a t 箱体内外温度差( k e l v i n l k 隔热材料热传导率( w m k e l v i n ) a x 隔热材料厚度( 埘) 由于恒温箱置于2 5 。c 的恒温室内，而其内部所要稳定的温度为2 0 。c 。所以 t = 50 c 。而箱体为1 0 0 0 m m 6 0 0 m m x 6 5 0 m m 的立方体，所以其外部表面积 为3 2 8 0 0 e m 2 ，同时隔热材料的热传导率为0 0 3 5 w m 2 。所以根据公式得出从箱 体表面损失的热量为： oaxatxk328x5x0035：1148矿 u = 一= 1 1 a x0 0 5 而为了能够使箱体内的空气在3 0 分钟内从2 5 * ( 2 降到2 0 。c ，必须增加功率 q 2 。恒温箱的体积为：1 0 0 0 m m x6 0 0 m m x6 5 0 m m = 0 3 9 m 3 。而空气的比重为 p a i r = i 2 k g m 3 。比热为c a m = 1 0 0 4 j k g 。c ，所以制冷功率q 2 为： 1 0 q 2 = 孚= 堕等趔 1 2 。0 3 9 “1 0 0 4 x 5 ：1 3 0 5 2 w 3 0 x 6 0 恒温腔内热源散热形成的冷负荷 腔内热源形成的热量包括显热和潜热两部分。 显热散热中对流即刻形成瞬时冷负荷，而辐射热部分则先被围护结构等物体 表面所吸收，然后再缓慢的逐渐散处，形成滞后冷负荷。所以，腔内热源散热形 成的热量并不等于其热量，但是多数情况下，为了简化计算，常常近似认为腔内 热源散热的热量就等于其形成的冷负荷。 恒温腔内用电设备的散热，包括电热设备的散热量和电动设备的散热量。 在恒温腔内，热源主要由微动台的驱动电机，压电陶瓷马达等，总功率大于 3 0 k w 。 电热设备消耗的电能最终会转化为热能，散发到空气里去。对于本恒温箱， 要求纳米测量仪器工作状态下，送风量不能超过一定范围，且要求恒温箱内风速 小，送风温差小，而电能转化的热能散发在腔内，只靠空气将热量带走不实际， 故而必须采用局部隔离绝热。 可考虑在工作状态下，用一个保温罩将发热量大的电机及马达等与其它仪器 隔离，并通过软管，管内单独通以温度较低，速度较快的换热气流。 湿负荷计算 本恒温腔内，没有人体散湿及仪器设备散湿等散湿原，完全可以认为此系统 的湿负荷w = 0 。 送风量计算 设室内余热量( 即冷负荷) 为q ( w ) ，余湿量为w ( k g s ) 。为了消除余热、 余湿，维持恒温腔内所要求的空气参数所需要的送风状态和送风量，保持室内空 气状态为n 点，送入g ( k s ) 的空气，其状态为0 点。当送入空气吸收余热q 和余湿w 后，由状态o ( 毛、d 。) 变为n ( k 、办) 而排出。 i 一湿空气的焓 d 一湿空气的含湿量 送风量的计算公式为：【8 】 g ：旦 i n i 。 如果用l ( 研3 h ) 表示送风量大小，则 工：塑塑 p i i 式中p 为空气密度，常温下取1 2 0 5 m 3 k g 。 湿空气的焓和温度及含湿量的关系为 i = n 0 1 + 1 8 4 d ) t + 2 5 0 0 d 本设计中湿负荷为零，故送风量公式也可表示为： g ： 望 1 0 1 一f d ) 所以，送风量的大小与送风温差成反比。当送风温差大，送风量可适当减小： 但当送风量过小时，冷气流作用明显，恒温腔内温度和湿度分布的均匀性和温度 性将会受到影响。 2 2 3 孔板送风的计算 ( 1 ) 孔板送风气流流型：【8 【3 8 】 孔板下送直流型：全面孔板的孔口送风速度v o 在3 m s 以上，送风温差 to 3 ，单位面积的送风量超过6 0 m 3 ( m h ) ，且均匀下送风时，即可在空调房 间内形成下送直流流型，这是一种垂直平行式的挤压气流组织形式，普遍适用于 洁净度要求高的空调房间。 孔板下送不稳定流型：全面孔板的孔口速度v o 和送风温差to 都较小时， 下送风会形成不稳定流。全面孔板送风时气流可以在空间内空气充分混合，因此 温度场和速度场的均匀性好，适用于高精度和低流速的场合。 ( 2 ) 孔板送风的送风速度v o ： 孔板的送风速度v0 ，不仅直接影响工作区气流速度的大小，也影响到送风 气流分布的均匀程度。 如果采用较大的送风速度，就需要稳压层中有较高的静压，这样稳压层中的 压力变化对送风速度的影响较小，自孔板送出的气流得以保持均匀，而且由于孔 e l 送风速度比稳压层中气流速度大，在孔口处送风射流的轴线就接近于垂直向 下：然而，由于稳压层中静压提高，就增加了由稳压层结构不严密处向外的漏风 量。 如果送风速度过大时，孔口会产生噪声，而且由于空气流动产生的振动将会 影响测量的精度，所以我们在设计恒温箱孔板送风风速时，当箱内仪器处于工作 状态时，必须保证工作区间内风速非常小，孔口速度应尽可能的低。 ( 3 ) 孔板的送风温差t o 孔板送风由于射流扩散好，射流中心温差能够迅速衰减，在没有局部热源时， 区域温差也不大。但为了保证工作区间温度分布的均匀性，可以在满足送风量的 基础上，尽量将送风的温差取的小一些。 根据实测，当射流离孑l 板5 0 倍孔径时，轴心温差衰减至5 ，以后就稳定， 衰减的很慢。选定送风温差后，根据测量仪器的热负荷，就可以计算送风量及单 位面积送风量。 ( 4 ) 孔板的开口面积及孔口尺寸 已知孔板送风的送风量l ( m 3 h ) 后，可以根据送风速度vo 计算处所需要 的孑l 孔总面积f k ： 只：上一m ： 式中口为孔口流量系 。 3 6 0 0 v o 甜 数， 口= 0 7 4 o 8 2 ，我们在这里取0 7 5 。 孔n # n # l 板的面积比别称为开孔率，以孔板单位面积来所，孔眼的总面积的 数值就等于开孔率i 即： f = 一 3 6 0 0 v o 口 在本文中，选取的全面孔板，孔口均匀排布在孔板上，如图 图2 - 5 导风口照片图2 - 6 孔板照片 当孔眼在均匀分布的条件下，开孔率也可按照以下公式计算： ，= 等 式中d k 为孔眼直径