一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201711205381.7 | 申请日 | 2017-11-27 | 公开(公告)号 | CN107783570A | 公开(公告)日 | 2018-03-09 |
| 申请人 | 深圳米字科技发展有限公司; | 发明人 | 胡雪蛟; 向柳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统，其包括加热保温系统和超材料 辐射 散热 系统，所述加热保温系统包括温控仪、 温度 传感器 及自动加热器，温度传感器连接温控仪并将感测到的温度传送给温控仪，温控仪内预设有系统温度值并将感测温度和系统温度值对比，控制自动加热器。超材料辐射散热系统包括超材料辐射散热柜，温度传感器安装在超材料辐射散热柜内表面以采集柜内温度，超材料辐射散热柜具有反射性 外壳 ，外壳 覆盖 一层纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温 薄膜 ，通过超材料透明降温薄膜将散热柜内的热量以热红外波的形式发散到外界。当 环境温度 较高时，依然能够实现高效无耗能的辐射散热，使得加热和散热更快达到平衡。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统技术领域[0001] 本发明涉及一种仪器仪表恒温系统，尤其涉及一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统。 背景技术[0002] 仪器仪表大量应用于工控过程，为工艺流程提供数据支持和调控指导。大部分分析仪器取样点的样品温度都较低，往往需要对待测样品进行加热，但由于温度会影响样品的物性，为了保证分析测量的准确性以及仪器内部不至于超温，往往要求仪器仪表处于恒温环境中，此时又需要为分析仪器进行降温处理。 [0003] 为了给分析仪器提供合适的工作温度，常见的方法是为仪器搭建分析小屋并配备空调，分析小屋造价昂贵、空调能耗高，且在某些防爆场合还对空调的防爆性能和取电用电有严格要求；此外还有一些自然散热控温的方法，给温控系统设定好温度后，继电器根据仪器内的实际温度控制加热器的开断，再通过搭建遮阳棚、在柜体开孔或安装风扇的方法进行散热，但这些方法受到环境因素的影响、控温效果有限，尤其在夏季中午，即便加热器停止工作，也容易因为环境温度过高和阳光直射而导致仪器内部超温，因此提供一种既经济又高效的散热技术，使之与加热器的工作效率达到平衡。 发明内容[0004] 有鉴于此，有必要提供一种既经济又高效的散热结构，使之与加热器的工作效率达到平衡的基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统。 [0005] 一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统，其包括： [0006] 加热保温系统，所述加热保温系统包括温控仪、温度传感器及自动加热器，所述温度传感器连接温控仪并将感测到的温度传送给温控仪，所述温控仪内预设有系统温度值，所述温控仪根据感测到的温度和系统温度值的对比结果，控制自动加热器器；以及[0007] 超材料辐射散热系统，所述超材料辐射散热系统包括超材料辐射散热柜，所述温度传感器安装在超材料辐射散热柜内表面以采集柜内温度，所述超材料辐射散热柜具有反射性外壳，所述外壳覆盖一层纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜，通过所述超材料透明降温薄膜将散热柜内的热量以热红外波的形式发散到外界。 [0008] 进一步地，所述系统温度值包括加热温度值和散热温度值。 [0009] 进一步地，所述加热保温系统还包括继电器，所述温控仪将采集的柜内温度与系统温度值对比，所述温控仪根据对比结果打开或关闭继电器，以启动或关闭自动加热器。 [0010] 进一步地，所述自动加热器采用电伴热、翅片式加热器、列管式加热器或加热带。 [0012] 进一步地，所述不锈钢外壳的镜面是在8～14μm波段的黑度为0.24～0.31，所述不锈钢表面经过处理呈灰体状态，所述不锈钢外壳的镜面在黑度为0.24～0.31时的光吸收率为0.25，所述不锈钢外壳表面以反射的方式将热量传输到外界，进行反射散热。 [0013] 进一步地，所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜为复合物，所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜的透光率接近于1且保持恒定。 [0014] 进一步地，所述纳米颗粒为粒径8～10μm的SiO2颗粒，所述8～10μm的SiO2颗粒用于将超材料辐射散热柜内的热量以8～14μm热红外波的方式散发到外界，进行单方向辐射散热。 [0015] 进一步地，所述纳米颗粒-塑料复合超材料,所述纳米颗粒-塑料复合超材料中的塑料复合超材料为TPX薄膜，所述TPX薄膜材质为聚4-甲基戊烯-1单体4-甲基戊烯-本色聚4-甲基戊烯-1，所述TPX薄膜是结晶透明的透射性聚合物薄膜。 [0016] 进一步地，所述加热保温系统和超材料辐射散热系统控制相连，在所述超材料辐射散热柜低于外界环境温度时，所述加热保温系统启动加热，在所述超材料辐射散热柜高于外界环境温度时，所述加热保温系统停止加热，通过所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜进行辐射散热以及通过反射性外壳反射太阳光，通过所述超材料辐射散热柜加热和散热使柜内温度保持恒定。 [0017] 上述基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统结合了加热保温系统和超材料辐射散热系统，当环境温度较高时，通过纳米颗粒-塑料复合超材料中的纳米颗粒进行辐射散热能够实现高效无耗能的辐射散热，同时通过反射性外壳反射太阳光，使散热柜主动降温；在系统温度低于预设值时，通过加热保温系统进行加热到所需温度。因此，通过加热保温系统和超材料辐射散热系统相互配合，使得加热和散热更快达到平衡，为分析仪器的正常工作提供恒温环境。附图说明 [0018] 图1是本发明实施例的户外式仪器仪表恒温系统的结构示意图。 [0019] 图2是本发明实施例的分析仪器柜与周围空气之间的辐射换热过程。 [0020] 图3是本发明实施例的分析仪器柜与宇宙空间之间的辐射换热过程。 具体实施方式[0021] 以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。 [0022] 请参阅图1，示出本发明实施例的一种基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统100，其包括加热保温系统10和超材料辐射散热系统20。所述加热保温系统10包括温控仪 11、温度传感器12及自动加热器13，所述温度传感器12连接温控仪11并将感测到的温度传送给温控仪11，所述温控仪11内预设有系统温度值，所述温控仪11根据感测到的温度和系统温度值的对比结果，控制自动加热器13。超材料辐射散热系统20，所述超材料辐射散热系统20包括超材料辐射散热柜21，所述温度传感器12安装在超材料辐射散热柜内表面22以采集柜内温度，所述超材料辐射散热柜21具有反射性外壳23，所述外壳23覆盖一层纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜24，通过所述超材料透明降温薄膜23将散热柜21内的热量以热红外波的形式发散到外界。 [0023] 具体地，所述系统温度值包括加热温度值和散热温度值，所述加热温度值和散热温度值根据季节需求进行变化。所述加热保温系统10还包括继电器14，所述温度传感器12使用热敏电阻，所述温控仪11将采集的柜内温度与系统温度值对比，所述温控仪11根据对比结果打开或关闭继电器14，以启动或关闭自动加热器13。 [0024] 优选地，所述自动加热器13采用电伴热、翅片式加热器、列管式加热器或加热带。 [0025] 所述外壳23是不锈钢外壳23，不锈钢材质的散热柜21机械强度和耐腐蚀能力强且本身导热率低，所述散热柜21能够阻隔热量减少外界温度对分析仪器的影响，所述不锈钢外壳23表面经过电解抛光处理，使不锈钢外表面形成富铬层，所述散热柜21外表面经抛光形成镜面。 [0026] 优选地，所述不锈钢外壳23的镜面是在8～14μm波段的黑度为0.24～0.31，所述不锈钢21表面经过处理呈灰体状态，所述不锈钢外壳23的镜面在黑度为0.24～0.31时的光吸收率为0.25，所述不锈钢外壳表面以反射的方式将热量传输到外界，进行反射散热，所述镜面效果能够减少太阳直射带来的温升，如图所示，箭头S表示阳光反射方向。尤其是应用于野外时，长期光照条件下，不锈钢外壳23及其镜面更有利于降低太阳光照射对散热柜21的影响。 [0027] 具体地，所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜24为复合物，所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜24的透光率接近于1且保持恒定。所述纳米颗粒241为粒径8～10μm的SiO2颗粒241，所述8～10μm的SiO2颗粒241用于将超材料辐射散热柜21内的热量以8～14μm热红外波的方式散发到外界，所述8～14μm热红外波的能量不会被空气吸收、反射和散射，进行单方向辐射散热，所述超材料辐射散热柜21不受外界环境因素影响而直接向3K的宇宙空间进行辐射换热，且所述辐射换热过程全天候进行，如图所示，箭头R为辐射热量传输方向。 [0028] 所述纳米颗粒-塑料复合超材料24中的塑料复合超材料为TPX薄膜242，所述TPX薄膜242材质为聚4-甲基戊烯-1单体4-甲基戊烯-本色聚4-甲基戊烯-1的薄膜，所述TPX薄膜242是结晶透明的透射性聚合物薄膜。 [0029] 具体地，本实施例中所述纳米复合薄膜12可采用辊压涂覆方式形成，先将所述SiO2颗粒121均匀混合分散于TPX基材，形成涂料后，采用辊涂方法形成纳米复合薄膜12。 [0030] 所述温度传感器12与超材料辐射散热柜21柜内表面相接触，在所述超材料辐射散热柜21低于外界环境温度时，所述加热保温系统10启动加热，在所述超材料辐射散热柜21高于外界环境温度时，所述加热保温系统10停止加热，通过所述纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜24进行辐射散热以及通过反射性外壳反射太阳光，通过所述超材料辐射散热柜21加热和散热使柜内温度达到平衡，从而使柜内温度保持恒定。 [0031] 以下从散热原理来说明本发明实施例的户外式仪器仪表恒温系统100的作用过程。 [0032] 由于空气的导热系数极低，且分析仪器柜体和空气温差较小，因此二者的热传导和热对流可忽略不计，本发明采用不锈钢外壳23和纳米颗粒-塑料复合超材料透明降温薄膜24结合的散热柜21，由此本实施列中辐射换热功率及加热器功率可以遵循以下公式得出： [0033] 1、辐射换热过程 [0034] 绝对黑体辐射能力公式为： [0035] Eb＝σ0T4 (1) [0036] 其中σ0＝5.67×10-8W/m2·K4。 [0037] 但不锈钢外壳23抛光表面不是绝对黑体，适用于灰体辐射公式： [0038] E＝εσ0T4 (2) [0039] 其中ε为物体的黑度，是物体本身的特性。 [0040] 假设分析仪器散热柜21内部及壳体温度为T1＝45℃(318K)，环境温度为T2＝25℃(298K)，对于普通抛光机柜，当机柜外壳不涂超材料时，分析仪器柜与周围大气之间的进行灰体向灰体的热辐射，316不锈钢外壳23光滑表面在8～14μm波段的黑度为0.24～0.31，取ε1＝0.25，大气吸收率为ε2＝0.19，如图2所示为散热柜21与周围空气之间进行辐射换热的过程，根据灰体与灰体热辐射公式可得普通机柜向大气的辐射通量密度为： [0041] [0043] 宇宙大爆炸遗留在太空环境的背景热辐射相当于Tb＝3K的黑体辐射。灰体向黑体的辐射过程如图3所示，该过程中灰体的辐射能力为： [0044] [0045] 其中A1为316不锈钢外壳23光滑表面的吸收率，由于同一灰体吸收率与其黑度在数值上必相等，因此A1＝ε1＝0.25。 [0046] 由公式(9)可知安装超材料后，散热柜21直接与宇宙空间辐射通量密度为： [0047] [0048] 由此可见，当环境温度为25℃时，超材料散热柜21的辐射通量是普通机柜的近9倍，且环境温度越高，辐射换热降温效果越好。 [0049] 不锈钢辐射换热原理如下所示： [0050] 绝对黑体辐射能力公式为： [0051] Eb＝σ0T4 (6) [0052] 其中σ0＝5.67×10-8W/m2·K4。 [0053] 但不锈钢抛光表面不是绝对黑体，适用于灰体辐射公式： [0054] E＝εσ0T4 (7) [0055] 其中ε为物体的黑度，是物体本身的特性。 [0056] 假设散热柜21内部及壳体温度为T1＝45℃(318K)，环境温度为T2＝25℃(298K)，对于普通抛光机柜，当机柜外壳不涂超材料时，散热柜21与周围大气之间的进行灰体向灰体的热辐射，316不锈钢外壳23光滑表面在8～14μm波段的黑度为0.24～0.31，取ε1＝0.25，大气吸收率为ε2＝0.19，如图3所示为散热柜21与周围空气之间进行辐射换热的过程，根据灰体与灰体热辐射公式可得普通机柜向大气的辐射通量密度为： [0057] [0058] 为了降低散热柜21内部温度，在柜顶贴上本专利所述的超材料。 [0059] 宇宙大爆炸遗留在太空环境的背景热辐射相当于Tb＝3K的黑体辐射。灰体向黑体的辐射过程如图3所示，该过程中灰体的辐射能力为： [0060] [0061] 其中A1为316不锈钢光滑表面的吸收率，由于同一灰体吸收率与其黑度在数值上必相等，因此A1＝ε1＝0.25。 [0062] 由公式(9)可知安装超材料后，散热柜21直接与宇宙空间辐射通量密度为： [0063] [0064] 由此可见，当环境温度为25℃时，超材料散热柜21的辐射通量是普通机柜的近9倍，且环境温度越高，辐射换热降温效果越好。 [0065] 2、加热过程 [0066] 为了与辐射换热相平衡，加热器13的功率也需要配套。假设一个分析仪恒温系统的有效辐射表面积为2m2，则其热辐射功率为144.95*2＝289.9W。 [0067] 加热器13以电热管为例，当对静止空气加热时，加热管表面功率密度约为1.5W/cm2,因此需要选用的电加热管制热面积应为：289.9/1.5≈193.266cm2。 [0068] 若是选用Φ20即管径2cm的加热管，则需要约60cm的电热管与有效辐射面积为2m2的超材料配合建立分析仪恒温系统。 [0069] 基于上述原理可知，上述基于超材料的户外式仪器仪表恒温系统100结合了加热保温系统10和超材料辐射散热系统20，当环境温度较高时，通过纳米颗粒-塑料复合超材料中的纳米颗粒进行辐射散热能够实现高效无耗能的辐射散热，同时通过反射性外壳23反射太阳光，使散热柜21主动降温，尤其是适合于置于野外的仪器仪表。在系统温度低于预设值时，通过加热保温系统10进行加热到所需温度。因此，通过加热保温系统10和超材料辐射散热系统20相互配合，使得加热和散热更快达到平衡，为分析仪器的正常工作提供恒温环境。 [0070] 需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈