低温加工设备的温度控制

    摘要  低温加工区域容积为300mm×300mm×250mm，加工区中心温度在－30～40℃范围内，采用R502作为制冷剂进行蒸汽压缩式循环制冷，通过温度监测，建立了温控加工区三维温度界面场，可以满足加工设备对低温加工区域的需水。
    关键词  低温加工区域  温度控制  制冷设备
    中图分类号  TB65   文献标识码  B

    通常的机加工设备是在常温下工作的，不需要控制加工设备的加工区温度。但是随着新材料、新加工技术的发展，一些材料的加工成型需要在偏离室温的较低温度，甚至是超低温状态下进行，例如某些生物、医用材料的加工成型需要在零下几十摄氏度范围内进行。对于这些有特殊要求的材料进行加工，必须在加工设备上设计安装温控附加装置，以保证加工区内的温度幅值、均匀性和稳定性符合使用要求。
    低温加工区域的关键部件是制冷设备、合适的制冷剂、加工区域上端密封屏障和温控模块等相关装置。需要控制温度的加工区域为300mm×300mm×250mm的六面体，类似于电冰箱的冷冻室。温控加工区域的维护为双层结构，内层是镀锌板，外层包有绝热保温材料。3个立面及底面夹层中装有蒸发器。
    加工头尖端距离工件的下表面160mm。该设备机械结构如图1所示，为节省空间，工作台设计成“几”字型，一端固定在2轴滑块上，一端绕过冷冻室后壁伸入内部。其运动模块主要包括电机、电机驱动器、导轨丝杠、限位开关和连接部件等，根据数控指令执行运动。

    主要运动形式包括：
    1.Z轴电机带动工作台执行步进升降运动；
    2.X、Y轴电机带动喷头执行平面扫描运动；
    3.利用限位开关实现三个运动轴的运动正极限、负极限、原点信号采集。 
    制冷系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器及温控器、继电器等控制装置。该制冷设备的制冷方式为蒸汽压缩式制冷循环，即从蒸发器（冷库）出来的干饱和蒸汽被吸入压缩机，经过压缩成为高温高压的过热蒸汽，然后进入冷凝器进行定压放热至饱和液体，再经过节流阀降压降温至湿蒸汽状态，低温低压湿蒸汽最后进入蒸发器进行吸热、汽化成为干饱和蒸汽，如此周而复始，完成制冷循环（图2）。

nextpage

    每次循环中单位质量的制冷剂吸收的热量为：
        q=h₁－h₄                         (1)
    则单位时间制冷剂吸收的总热量Q为：
        Q=m(h₁－h₄)                  (2)
    制冷系数（制冷效率）。为：

式中 h₁、h₂、h₄蒸汽压缩制冷循环过程中的不同节点处的焓值，kJ/kg
     M——制冷剂的质量流量，kg/s
    制冷剂选用R₅0₂，它由质量百分比为48.8％的R22和51.2％的R115组成。单级压缩式制冷时，其蒸发温度最低可达－55℃左右，可满足－30～40℃温度范围内进行工作的要求。
    在较低温度下R₅0₂的制冷能力比R22约大13%。以R22压熔图为例估算R₅0₂制冷量。设t_e=－42℃，压缩机制冷剂的吸气温度为10℃时，h₁=420kJ/kg，t_c=40℃时，膨胀阀前的过冷温度t_Rc=40℃，h₄=245kJ/kg，则R22的制冷量q_e=175kJ/kg，R₅0₂的制冷量，q_e≈198 kJ/kg，则R₅0₂的总制冷量Q=m×198kJ。
    温控模块是此部件中重要的组成部分。制冷设备的启动与停止是依靠加工区域所测温度（t_测）、设置的制冷温度（t_设）和允许波动温度△t ₀（一般要求大于2.0℃）共同决定的，控制过程如下：t_测＜t_设＋△t ₀时，红灯亮，开始制冷；t_测设－△t ₀时，绿灯亮，停止制冷。
    目前温控器已是比较成熟的部件，能根据所测的温度值自动进行相应的调节，并保证加工设备在加工过程中温控的可靠性。 
    用热电耦测量低温控制加工区域温度场分布，结果如图3。由图可见，除了加工区的上端温度较高之外，其他区域的温度可以达到低温要求，尤其是中部加工区，可完全满足低温要求。

    实际运行表明，温控效果良好。