CN114046296B - 一种液压油箱智能温控***及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压油箱智能温控***及其设计方法，该***设置在液压油箱内，包括加热装置、散热装置和测温反馈装置；加热装置包括相互连接的外接固态继电器、温度控制器和加热隔板，加热隔板由铝合金外壳封装，在加热隔板内设有若干PTC热敏电阻；散热装置为封装在液压油箱的侧壁的相变材料夹层内的散热板；测温反馈装置由若干PT100型热电阻组成；使用时，利用陶瓷基PTC热敏电阻对液压油进行加热，利用由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料制成的散热板对液压油进行散热，实现对液压油箱的智能加热和散热，可有效防止油液加热过程中的局部高温，出现油液变质情况，具有温控功能显著，可适应宽温域应用场合的特点。

Description

一种液压油箱智能温控***及其设计方法

技术领域

本发明涉及液压技术领域，具体涉及一种液压油箱智能温控***及其设计方法。

背景技术

液压油箱是一种用来存储液压***所需工作介质的特制容器，是起重机液压***中的重要辅件；

液压油的温度值大小对液压***的工作状态尤其是液压元件工作影响较大，当油箱中的油温过低时导致油液粘度变大，产生内摩擦力，流阻增大，自吸能力下降，液压油供油不足，执行机构动作迟缓，导致出现发热情况，工作效率低；当油箱中的油温过高时，粘度迅速下降，当液压油温度达到60℃时，每当温度上升8～10℃，液压油焦化变质速度将大大加快；油液粘度降低使润滑油膜变薄，液压元件相互之间的摩擦加剧，密封性不足导致泄漏量增加，引发液压***故障，无法正常工作；

因此，设计一种能够自动控制液压油箱油温的控制***，来满足液压***在高低温、多地域、长时间、高强度等复杂工况下的应用需求，是本领域一个亟待解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种液压油箱智能温控***及其设计方法，本方法通过从液压油箱的加热和散热两个层面进行分析和设计，设计了一种液压油箱智能温控***，在使用时，利用陶瓷基PTC热敏电阻对液压油进行加热，利用由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料制成的散热板对液压油进行散热，能够实现对液压油箱的智能加热和散热，可有效防止油液加热过程中的局部高温，出现油液变质情况，具有温控功能显著，可适应宽温域应用场合的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种液压油箱智能温控***，所述智能温控***设置在液压油箱内，包括加热装置、散热装置和测温反馈装置；

所述加热装置包括加热隔板和封装在加热隔板内的加热单元，所述加热隔板为密封的铝合金封装，所述加热单元与电源和测温反馈装置连接；

所述散热装置为封装在液压油箱侧壁和底壁上的散热板内侧的相变材料夹层内的散热单元，且所述散热单元由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料制成；

所述测温反馈装置包括PT100型热电阻、温度控制器、温度传感器和液晶显示屏，所述PT100型热电阻安装于液压油箱内的不同位置和深度，通过通断控制开关与温度控制器连接，温度控制器通过设定目标温度，控制散热单元工作，并通过温度传感器连接嵌入在油箱上盖的液晶显示器，实时显示油液温度。

优选的，所述的加热单元由若干相互连接的B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻组成，所述PTC热敏电阻与电源阳极和电源阴极连接，依靠电源给PTC热敏电阻提供电能；同时所述PTC热敏电阻的导线通过紫铜管与固态继电器和温度控制器连接，通过温度控制器控制PTC热敏电阻工作。

优选的，所述的散热单元在液压油箱的侧壁的相变材料夹层内的封装形式为相变微胶囊，所述散热板采用非点焊和卡槽式的方式安装在油箱底面和侧面的卡槽内，通过散热板对散热单元进行复合式封装，将相变微胶囊分离封装在油箱的框性隔板和底板中，侧面框性隔板与底板之间相互隔绝。

优选的，所述的侧面框性隔板里安装固-液微胶囊散热材料，底板中安装固-固相变散热材料。

优选的，所述的温度控制器为AI-519型温度控制器，精度为0.3级，可实现加热制冷双输出。

一种液压油箱智能温控***的设计方法，包括步骤

S1.设计液压油箱智能加热装置；

S101.建立不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值模型；

S102.在不考虑油箱散热情况下，计算液压油箱内的加热装置功率；

S103.根据已得的加热装置功率设计确定加热装置尺寸；

S2.设计液压油箱智能散热装置；

S201.计算液压油箱内的液压***发热量；

S202.计算液压油箱内的液压***散热量；

S3.在液压油箱内布设PT100型热电阻。

优选的，步骤S101所述的不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值模型的建立过程包括

(1)在恒温水箱中放置一块B-100型陶瓷基PTC热敏电阻，通过调节水温来测量对应电阻值，并利用温度测量仪和电阻测量仪来测量温度和电阻的数值，并进行数据记录，得到其电阻-温度特性曲线；

(2)通过电阻-温度特性曲线可得B-100型陶瓷基PTC热敏电阻的居里温度为60℃，当PTC热敏电阻的温度低于60℃时，电阻率约为3900Q·cm，始终为一个定值；当PTC热敏电阻的温度在60℃以上时，温度增加至80℃，其电阻率呈指数型增长；

(3)把B-100型陶瓷基PTC热敏电阻60℃后的电阻值与温度的数据在计算机上进行拟合，可得：

ρ_(PTC)＝10^β+BT (1)

式(1)中，β表示与电阻相关的特性参数；B表示电阻—温度曲线的斜率；

(4)则电阻值可表示为：

式(2)中，S表示PTC热敏电阻的横截面积，D表示PTC热敏电阻的厚度；

则可得PTC热敏电阻的温度系数可表示为：

式(3)中，T表示PTC热敏电阻的温度，通过式(3)可计算在不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值。

优选的，步骤S102和步骤S103所述的液压油箱内的加热装置功率和加热装置尺寸的计算过程包括

(1)液压油箱内的加热装置功率的计算

设加热装置的功率为Pj，液压油箱内的有效容积为V，油箱所处的环境温度为t₁，液压油需要加热的预定温度为t₂，加热时间为T，液压油的比热容为ρ，液压油的密度为C，建立加热装置所需功率的计算模型为：

根据式(4)，在不考虑油箱散热情况下，可求得加热装置所需功率，进而确定加热装置的功率，使用型号为B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻作为加热元件；

(2)加热装置尺寸的设计

设所需加热装置的加热能量为Q，传热系数为K，所需加热装置的表面积为A，液压油温度变化值为Δt，则可得加热装置的表面积为：

Q＝KAΔt (5)

根据式(5)，可求得

A＝0.12m² (6)

利用铝合金外壳将多个B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻连接和封装，形成加热隔板安装在液压油箱内。

优选的，步骤S201所述的液压油箱内的液压***发热量的计算过程包括

(1)起升机构产热量计算

液压泵的产热量为：

在式(7)中，P₁表示工作压力，Q₁表示泵的流量，η表示总效率；

液压阀的产热量为：h₁₂＝P₂Q₂ (8)

在式(8)中，P₂表示溢流阀的调整压力值，Q₂表示经溢流阀箱的流量；

管路的产热量为：h₁₃＝(0.03～0.05)P，(0.03～0.05)为管路的发热功率系数；

起升机构总的产热量为：

(2)回转机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₂₂＝P₂Q₂ (11)

管路的产热量为：h₂₃＝(0.03～0.05)P (12)

回转机构总的产热量为：

(3)变幅机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₃₂＝P₂Q₂ (15)

管路的产热量为：h₃₃＝(0.03～0.05)P (16)

变幅机构总的产热量：

根据上述计算结果，液压***总的产热量为：

W＝W₁+W₂+W₃ (18)。

优选的，步骤S202所述的液压油箱内的液压***散热量的计算过程包括

(1)设液压油箱的边长分别为x、y、z，根据液压油箱的设计长宽高之比，则液压油箱的边长模型为：

利用函数求解A最大时，各边长为1∶2∶3，所以A＝6.66V^2/3；

(2)设散热装置材料的散热系数为k，可用于散热的面积为A，环境温度与工作温度的差值为ΔT，则液压油箱***总的散热量为：

w₁＝kA(ΔT)t (20)

(3)计算液压***油液储热量：

Δw＝cρV(ΔT) (21)

在式(21)中，c为液压油的比热容，ρ为液压油的密度，V为液压油箱体积容量；

(4)相变材料质量确定

根据上式(18)、(20)和(21)可以得到***的产热量、散热量和油液储热量，当吸热量与散热量相等时，油液温度达到一个定值，液压***达到热平衡状态，***产热量、散热量和油液储热量具有以下约束关系：

H_t＝N_t+L_m+ΔW (22)

在式(22)中，L为相变材料的相变潜热；

根据式(22)的热平衡条件和计算结果，选择结晶水合盐Na₂SO₄·10H₂O为相变材料进行散热，所需质量计算为：

由于相变材料的体积在相变过程中会随之变化，为安全起见，选用密度更小时的液态状态下进行计算，得到相变材料的体积为：

本发明的有益效果是：本发明公开了一种液压油箱智能温控***及其设计方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

本发明通过从液压油箱的加热和散热两个层面进行分析和设计，设计了一种液压油箱智能温控***，在使用时，利用陶瓷基PTC热敏电阻对液压油进行加热，加热时间短，控温精度高，可实现自适应控温，满足液压设备的快速启动；利用由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料为散热单元对液压油进行散热，防止油温过高影响液压***工作性能，本***能够实现对液压油箱的智能加热和散热，可有效防止油液加热过程中的局部高温，出现油液变质情况；且本***具有低温加热和高温散热的油箱一体化设计，温控功能显著，可适应宽温域应用场合，具有控温精度高、加热时间短、温控功能显著，可适应宽温域应用场合的优点。

附图说明

图1为本发明液压油箱智能温控***的安装图。

图2为本发明液压油箱智能温控***的设计方法总体方案图。

图3为本发明电阻-温度特性曲线图。

图4为本发明液压油箱智能温控***的设计流程图。

图5为本发明加热隔板的结构示意图。

图6为本发明AI-516型人工智能温度控制器。

图7为本发明PT100型热电阻。

图8为本发明加热装置的控制流程图。

图9为本发明液压油箱智能温控***工作原理图。

图10为本发明液压油箱智能温控***的工作流程图。

其中：1.液压油箱，2.加热隔板，3.散热板。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例1：如图1-8所示的一种液压油箱智能温控***及其设计方法。

为确保油箱中的油液温度始终处于正常工作范围，通过对油箱总体方案进行设计，设计低温加热和高温散热两个***，选择合适的加热材料和散热材料，计算材料的尺寸和容量，通过热平衡条件对产热量和散热量进行计算，建立热平衡模型，本发明所述液压油箱智能温控***的设计方法的设计思路如图2所示；

液压油箱***总体方案设计包括油箱的加热、散热装置设计，主要从以下几个方面进行考虑：①油箱尺寸结构设计合理，减少***功耗；②加热装置应该具有良好的发热效果，以保证低温环境下***冷启动正常工作；③加热装置结构简单、控制方便，以满足控温精度要求；④相变材料导热性能好，吸收热量快，散热效率高；

上述液压油箱智能温控***的设计方法具体包括

S1.液压油箱智能加热装置的设计与计算

对于智能加热材料，当前主要有加热膜、环氧加热板和硅胶加热片等加热材料，存在制作成本高，老化快，能量损耗大等缺点，而陶瓷基PTC热敏电阻能有效克服上述问题；作为一种常见的PTC加热材料，相比于传统的电热管加热控制***，陶瓷基PTC热敏电阻具有热阻小、换热效率高，不需要控制元器件即可把油液的温度稳定控制在居里温度附近等优势，陶瓷基体内部的超微多孔通道产生的毛细张力能保持热量散发更加均匀，不易出现局部高温的情况，从而可以保证材料整体结构的稳定性，可大幅提高***的安全可靠性；将陶瓷基PTC热敏电阻设计成一种恒温、省电环保的加热装置，代替当前的普通电阻制成电加热元件对油液进行加热，可实现油箱的自适应控温，同时起到了加热器和控制器作用，由于其本身具有正温阻系数效应，不会产生表面“发红”现象，可有效避免出现漏电、火灾等安全隐患；

为确保陶瓷基PTC热敏电阻材料的可靠性能，首先对此电阻进行性能鉴定，验证其居里温度是否为60℃，具体实验步骤为：

S101.建立不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值模型，包括

(1)在恒温水箱中放置一块B-100型陶瓷基PTC热敏电阻，通过调节水温来测量对应电阻值，并利用温度测量仪和电阻测量仪来测量温度和电阻的数值，并进行数据记录，将实验数据进行整理，得到其电阻-温度特性曲线，如图3所示；

(2)由图3可知，通过电阻-温度特性曲线可得B-100型陶瓷基PTC热敏电阻的居里温度为60℃，当PTC热敏电阻的温度低于60℃时，电阻率约为3900Q·cm，始终为一个定值；当PTC热敏电阻的温度在60℃以上时，温度增加至80℃，其电阻率呈指数型增长；

(3)把B-100型陶瓷基PTC热敏电阻60℃后的电阻值与温度的数据在计算机上进行拟合，可得：

ρ_(PTC)＝10^β+BT (1)

式(1)中，β表示与电阻相关的特性参数；B表示电阻—温度曲线的斜率；

(4)则电阻值可表示为：

式(2)中，S表示PTC热敏电阻的横截面积，大小是50mm²，D表示PTC热敏电阻的厚度，大小是5mm；

则可得PTC热敏电阻的温度系数可表示为：

式(3)中，T表示PTC热敏电阻的温度，通过式(3)可计算在不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值；

为提高加热仪器设备的工作效率，实现自适应温控，应选择具有合适的温度-电阻特性的PTC热敏电阻及其物理尺寸，并结合工作介质的特点，有效提升控温精度；为实现低温环境下液压***的冷启动，在加热装置选型设计过程中，应考虑液压油的焦化变质情况，并对加热装置尺寸规模进行计算和设计；

S102.在不考虑油箱散热情况下，计算液压油箱内的加热装置功率，包括

计算内容包括加热装置所需功率和设计尺寸，根据使用技术要求确定需要加热油液的体积，加热时间，温度范围和环境温度；本发明所研究的液压***，其油箱容积200L，有效容积为160L，按照要求需要在15分钟之内，将液压油从环境温度零下30℃加热到预定温度10℃后，并维持两种温度处于平衡，设加热装置的功率为Pj，液压油箱内的有效容积为V，油箱所处的环境温度为t₁，液压油需要加热的预定温度为t₂，加热时间为T，液压油的比热容为ρ，液压油的密度为C，建立加热装置所需功率的计算模型为：

根据式(4)，在不考虑油箱散热情况下，代入上式求得加热装置所需功率为Pj＝4kW；确定加热装置的功率，选择型号为B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻作为加热元件，其功率为500W，数量确定为8块；

S103.根据已得的加热装置功率设计确定加热装置尺寸，包括

通过前面计算的所需加热功率为4kW，加热元件为8块500W的陶瓷基PTC热敏电阻，已知铝的导热系数为237W/m²·℃，温度上升40℃，时间为15分钟，根据已知条件，设所需加热装置的加热能量为Q，传热系数为K，所需加热装置的表面积为A，液压油温度变化值为Δt，则可得加热装置的表面积为：

Q＝KAΔt (5)

根据式(5)，可求得

A＝0.12m² (6)

为有效提升加热功率，将8块500W的陶瓷基PTC热敏电阻封装成300mm×200mm×8mm的加热隔板，封装材料为铝合金，加热隔板内部的热敏电阻设置电源阳极和电源阴极，多块热敏电阻之间的电路连接同电源阳极和电源阴极形成完整的通电线路，加热隔板如图5所示；

S104.加热装置操作部分设计

根据加热***的设计要求，温控***应具有控温精度高、自动化程度高，加热效率高等特点，所以设计包括电加热自动控制单元、温度监控单元、预警保护单元和循环控制单元；能够实时测量和显示油箱里油液的温度，设定目标温度并自动控制加热装置工作精确调节油温，能够接受和发出断电信号，紧急情况下切断加热装置的工作电流；

安装方案如下：油箱装入两套加热隔板，可同步作为油箱隔板使用，使油液在油箱里充分流动，促进杂质沉淀，防止回油区的杂质被冲击到吸油区造成管路堵塞；加热隔板所需电源可采用市电等外接电源供电，通过外接固态继电器，由温度控制器设定合适的目标温度，控制加热装置工作对油箱中的油液进行加热，并实时显示，选用AI-516型温度控制器，精度为0.3级，可实现加热制冷双输出，需进行自整定(AT)操作无需人为设定控制参数即可获得满意的控制效果，控温稳定，使用简单，可进一步提升控温精度，另外该温控器支持各种热电偶、热电阻、线性电压、电流、电阻及辐射(红外)温度计等，如图6所示；通过安装在液压油箱内部不同位置的3个PT100型热电阻实时测量液压油温度，如图7所示；当油温即将达到预先设定的温度值时，温控器通过通断控制开关，使加热装置断电立即停止加热，控制液压油温度精准达到设定值；当液压油温度受到外界工作环境影响，低于其正常工作温度范围时，加热装置被控制器唤醒，加热隔板再次对液压油进行加热，使油温升高达到正常工作范围，整个过程能够通过控制加热装置精确加热至预定某一具体温度值，实现恒温控制，始终使液压油温度处于正常工作范围。

S2.液压油箱智能散热装置的计算与设计

在实际工作过程中，由于***受不同工况和环境的变化，传统液压***容易高温散热效率低，热量无法及时排出，使油液温度上升，提出利用相变材料对液压油箱进行改进，提高液压油箱的散热效率；由于不同的相变材料其传热和散热性能也各不相同，通过市场调研和查阅文献可知，选择合适的相变材料和结构参数对油箱散热至关重要，所以根据***实际工作温度筛选合适的相变材料并进行合理密封，以满足油箱散热要求。

S201.计算液压油箱内的液压***发热量，包括

在液压系工作时，根据能力守恒定律，除去驱动负载的有效功率外，其余功率损外都不做功直接转化为热量；这些热量是包括泵、液压阀以及管路这三部分共同产生的总和；其中，液压***的管路压力损失可分为两个部分，分别是管路的沿程压力损失和局部压力损失，其中由流体粘性引起的能量损失称为沿程压力损失，由管路横截面积的突变造成的能量损失称为局部压力损失；由于工程上具体管路压力损失分析较为复杂，一般将管路的发热功率定为***工作总发热功率的0.03～0.05倍；

以某型汽车起重机液压***一般工作为例分析，液压***在上车部分循环过程中基本保持不变，所以只对起升机构、回转和带载变幅机构一个循环过程中液压元件工作的发热量进行计算；该***有三个液压泵，额定转速1800r/min，额定压力为21MPa，功率分别是P₁＝P₂＝39.69kW，P₃＝28.35kW，工作时间分别是t₁＝t₂＝t₃＝60min；上车机构共有8个溢流阀，其中起升机构有两个18.6MPa，一个18.5MPa的溢流阀；变幅机构一个9.8MPa，一个10MPa的溢流阀；回转机构两个17MPa的溢流阀；

(1)起升机构产热量计算

液压泵的产热量为：

在式(7)中，P₁表示工作压力，Q₁表示泵的流量，η表示总效率；

液压阀的产热量为：h₁₂＝P₂Q₂＝105.273kw (8)

在式(8)中，P₂表示溢流阀的调整压力值，Q₂表示经溢流阀箱的流量；

管路的产热量为：h₁₃＝(0.03～0.05)P＝1.3027kw，(0.03～0.05)为管路的发热功率系数；

起升机构总的产热量为：

(2)回转机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₂₂＝P₂Q₂＝37.422kw (11)

管路的产热量为：h₂₃＝(0.03～0.05)P＝0.96kw (12)

回转机构总的产热量为：

(3)变幅机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₃₂＝P₂Q₂＝64.26kw (15)

管路的产热量为：h₃₃＝(0.03～0.05)P＝0.877kw (16)

变幅机构总的产热量为：

根据上述计算结果，液压***总的产热量为：

W＝W₁+W₂+W₃＝14.11297kwh (18)；

S202.计算液压油箱内的液压***散热量

液压***产生的热量通过管路最后到达油箱，所以主要依靠油箱和管路进行散热；由于管路的结构简单，长径比较大，液压油流经管路的时间较短，散热量极小，所以忽略其散热量，认为所以整个***的散热量由油箱的箱壁完成，故油箱采用散热面积最大的体积设计，一般油箱的长宽高之比介于1∶1∶1与1∶2∶3之间，可以提供更多有效的散热面积；

(1)设液压油箱的边长分别为x、y、z，根据液压油箱的设计长宽高之比，则液压油箱的边长模型为：

利用函数求解A最大时，各边长为1∶2∶3，所以A＝6.66V^2/3；

(2)液压***油箱体积为280L，为尽量减小油箱的安装体积同时满足油箱公称容量条件，设计油箱容积为200L，散热面积为2.3m²，以热平衡温度为60℃，环境初始温度为20℃，***工作时间t＝4h来计算，在工作环境通风良好的情况下，设散热装置材料的散热系数为k，可用于散热的面积为A，环境温度与工作温度的差值为ΔT(≤100℃)，则液压油箱***总的散热量为：w₁＝kA(ΔT)t＝3.174kwh (20)；

(3)液压***油液储热量计算

在未到达热平衡状态时，***产生的大量热量被传至油箱，油箱进行散热，同时液压油也开始吸收热量，油液温度逐渐上升，此时，油液吸收热量的多少与油液的质量比热容和温度均相关，当***达到热平衡后，液压油不能再吸热，***产生的所有热量全部通过油箱进行散热；为有效计算液压油储热量，本发明采用的油箱的体积为200L，油液容量为液压泵每分钟流量的3～7倍，通过查阅资料计算可知，该***的油液容量为150L，以常用的10号航空油为例，该液压油的比热容c为2000J/(kg·℃)，密度ρ为880kg/m³，在***达到热平衡时，油液的储热量为：

Δw＝cρV(ΔT)＝2.201kwh (21)

在式(21)中，c为液压油的比热容，ρ为液压油的密度，V为液压油箱体积容量；

(4)相变材料质量确定

根据上式(18)、(20)和(21)可以得到***的产热量、散热量和油液储热量，液压***能够正常工作必须建立热平衡，刚开始工作时，油温逐渐上升，液压油吸收***产生的热量，同时通过油箱进行散热，当吸热量与散热量相等时，油液温度达到一个定值，此时液压***达到热平衡状态，***产热量、散热量和油液储热量具有一下约束关系：

H_t＝N_t+L_m+ΔW (22)

在式(22)中，L为相变材料的相变潜热；

根据式(22)的热平衡条件和计算结果，选择结晶水合盐Na₂SO₄·10H₂O为相变材料进行散热，所需质量计算为：

根据计算可知，所需相变材料质量为m＝4.18kg，由于相变材料的体积在相变过程中会随之变化，为安全起见，选用密度更小时的液态状态下进行计算，得到相变材料的体积为：

(5)相变材料的选型

液压***长时间工作热量剧增，为保证油箱有效散热使液压油温度始终处于15℃～60℃这一正常范围，应选择相变温度在45℃～55℃范围内的相变材料，考虑固-固相变材料性能不稳定，所以选择应用范围更广的固-液相变材料，由于要进行散热，应选择相变潜热更大的材料；综合比较选择以Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料作为散热装置的制备材料；

(6)相变材料的封装

由于相变材料在相变过程中会发生物理状态的转变，导致面积可能会发生改变，所以需要利用封装容器对其进行封装，保护相变材料以免泄漏造成失效，同时也可进行传热和操作；相变材料的封装方式大致有微胶囊封装、整体式换热器、分散封装三大类；使用薄膜、化合物等材料作为为封装容器的分散封装，采用空气作为导热介质，可在油箱的油箱壁和隔板进行加工，用长方体容器将相变材料封装好并在其外部进行焊接安装。

S3.在液压油箱内布设PT100型热电阻。

通过本发明上述液压油箱智能温控***的设计过程，得到了一种液压油箱智能温控***：所述智能温控***设置在液压油箱1内，包括加热装置、散热装置和测温反馈装置；

所述加热装置包括加热隔板和封装在加热隔板内的加热单元，所述加热单元由若干相互连接的B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻组成，所述PTC热敏电阻与电源阳极和电源阴极连接，依靠电源给PTC热敏电阻提供电能，同时所述PTC热敏电阻的导线通过紫铜管作为导线导管(导热性良好，耐腐蚀性和加工性能良好)与固态继电器和温度控制器连接，通过温度控制器控制PTC热敏电阻工作；所述加热隔板为密封的铝合金封装，采用铝合金便于导热，有利于将内部热敏电阻产生的大量热量通过铝合金隔板传递到油液中去，同时为防止浸没在油液的加热隔板产生泄露，导致油液流入隔板内部使内部热敏电阻无法正常工作，对加热隔板进行全密封处理；

所述散热装置为封装在液压油箱侧壁和底壁上的散热板内侧的相变材料夹层内的散热单元，且所述散热单元由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料制成，且为便于加热隔板3的安装固定和检修更换，通过非点焊方式，卡槽式固定方式对加热隔板3进行固定，且在油箱底面和侧面安装有适合尺寸和深度要求的卡槽，将隔板放入到卡槽之中使其固定，不发生松动，同时也便于维修更换，减少加工量；

所述测温反馈装置包括PT100型热电阻、温度控制器、温度传感器和液晶显示屏，所述PT100型热电阻安装于液压油箱内的不同位置和深度，通过通断控制开关与温度控制器连接，温度控制器通过设定目标温度，控制散热单元工作，并通过温度传感器连接嵌入在油箱上盖的液晶显示器，实时显示油液温度；其中，温度控制器选用AI-519型温度控制器，精度为0.3级，可实现加热制冷双输出，需进行自整定(AT)操作无需人为设定控制参数即可获得满意的控制效果，控温稳定，使用简单，可进一步提升控温精度；通过安装在液压油箱内部不同位置的PT100型热电阻实时测量液压油温度，当油温即将达到预先设定的温度值时，温控器通过通断控制开关，使加热装置断电立即停止加热，控制液压油温度精准达到设定值；当液压油温度受到外界工作环境影响，低于其正常工作温度范围时，加热装置被控制器唤醒，加热单元再次对液压油进行加热，使油温升高达到正常工作范围，整个过程能够通过控制加热装置精确加热至预定某一具体温度值，实现恒温控制，始终使液压油温度处于正常工作范围。

优选的，为保证散热效果，散热单元在液压油箱的侧壁的相变材料夹层内的封装形式为相变微胶囊，将相变材料微胶囊化，能够有效减小相变材料与外界的反应活性，增大热传递区域，增加传热速率；同时通过通过散热板对散热单元进行复合式封装，将相变微胶囊进一步进行分离封装在油箱的框性隔板和底板中，侧面框性隔板与底板之间相互隔绝，由于外壳壁材的包覆性，解决了固液相变材料相变时体积变化以及泄漏问题，避免出现相变材料相变过程中发生过冷和相分离现象；其中，所述复合式封装，其实质是在侧面框性隔板里对以固-液微胶囊散热材料为主，而底板中安装的的散热材料则是固-固相变材料，两种散热单元作用方式不同，将相变微胶囊分离封装在油箱的框性隔板和底板中，侧面框性隔板与底板之间相互隔绝。

优选的，所述的非点焊焊和卡槽式安装是在油箱的底部和侧边各安装一段卡槽，将加热隔板放置在卡槽中，卡槽既能对隔板进行固定和位置改变，也便于拆卸维修更换，减少工作量和成本。

优选的，在加热***中，PTC电加热回路主要由PTC、加热继电器温控器、温控开关、显示器、开关等部件组成，PTC热敏电阻采用并联恒压工作模式，工作原理图如图9所示；闭合温控开关，PTC开始工作，油液温度开始上升，当测的油液大于40度时，温控器控制温控开关断开，与之并联的开关闭合，电流增大，控制PTC热敏电阻不再继续加热，此时油液温度达到所需的工作条件范围，工作流程如图10所示；

采用该电路设计及温控方法具有以下两个优势：1.此种加热方式可有效延长陶瓷基PTC热敏电阻的工作寿命，2.精准控制加热温度，提高加热效率。

本液压油箱智能温控***的主要优点如下：

(1)基于陶瓷基PTC热敏材料，实现低温环境下的油液精准加热，加热时间短，控温精度高，可实现自适应控温，满足液压设备的快速启动；并采取电加热隔板形式，可防止油液加热过程中的局部高温，出现油液变质情况；

(2)以Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料，封装于油箱后油箱的散热效率更高，防止油温过高影响液压***工作性能；

(3)进行了具有低温加热和高温散热的油箱一体化设计，温控功能显著，可适应宽温域应用场合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种液压油箱智能温控***，其特征在于：所述智能温控***设置在液压油箱内，包括加热装置、散热装置和测温反馈装置；

所述加热装置包括加热隔板和封装在加热隔板内的加热单元，所述加热隔板为密封的铝合金封装，所述加热单元与电源和测温反馈装置连接；

所述散热装置为封装在液压油箱侧壁和底壁上的散热板内侧的相变材料夹层内的散热单元，且所述散热单元由Na₂SO₄·10H₂O为主体结晶水合盐相变材料制成；

所述测温反馈装置包括PT100型热电阻、温度控制器、温度传感器和液晶显示屏，所述PT100型热电阻安装于液压油箱内的不同位置和深度，通过通断控制开关与温度控制器连接，温度控制器通过设定目标温度，控制散热单元工作，并通过温度传感器连接嵌入在油箱上盖的液晶显示器，实时显示油液温度；

所述液压油箱智能温控***的设计方法包括步骤

S1.设计液压油箱智能加热装置；

S101.建立不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值模型；

步骤S101所述的不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值模型的建立过程包括

(1)在恒温水箱中放置一块B-100型陶瓷基PTC热敏电阻，通过调节水温来测量对应电阻值，并利用温度测量仪和电阻测量仪来测量温度和电阻的数值，并进行数据记录，得到其电阻-温度特性曲线；

(2)通过电阻-温度特性曲线可得B-100型陶瓷基PTC热敏电阻的居里温度为60℃，当PTC热敏电阻的温度低于60℃时，电阻率约为3900Q·cm，始终为一个定值；当PTC热敏电阻的温度在60℃以上时，温度增加至80℃，其电阻率呈指数型增长；

(3)把B-100型陶瓷基PTC热敏电阻60℃后的电阻值与温度的数据在计算机上进行拟合，得：

ρ_(PTC)＝10^β+BT (1)

式(1)中，β表示与电阻相关的特性参数；B表示电阻—温度曲线的斜率；

(4)则电阻值可表示为：

式(2)中，S表示PTC热敏电阻的横截面积，D表示PTC热敏电阻的厚度；

则可得PTC热敏电阻的温度系数可表示为：

式(3)中，T表示PTC热敏电阻的温度，通过式(3)可计算在不同环境温度下的PTC热敏电阻的电阻值；

S102.在不考虑油箱散热情况下，计算液压油箱内的加热装置功率；

S103.根据已得的加热装置功率设计确定加热装置尺寸；

S2.设计液压油箱智能散热装置；

S201.计算液压油箱内的液压***发热量；

S202.计算液压油箱内的液压***散热量；

S3.在液压油箱内布设PT100型热电阻。

2.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：所述的加热单元由若干相互连接的B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻组成，所述PTC热敏电阻与电源阳极和电源阴极连接，依靠电源给PTC热敏电阻提供电能；同时所述PTC热敏电阻的导线通过紫铜管与固态继电器和温度控制器连接，通过温度控制器控制PTC热敏电阻工作。

3.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：所述的散热单元在液压油箱的侧壁的相变材料夹层内的封装形式为相变微胶囊，所述散热板采用非点焊和卡槽式的方式安装在油箱底面和侧面的卡槽内，通过散热板对散热单元进行复合式封装，将相变微胶囊分离封装在油箱的框性隔板和底板中，侧面框性隔板与底板之间相互隔绝。

4.根据权利要求3所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：所述的侧面框性隔板里安装固-液微胶囊散热材料，底板中安装固-固相变散热材料。

5.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：所述的温度控制器为AI-519型温度控制器，精度为0.3级，可实现加热制冷双输出。

6.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：步骤S102和步骤S103所述的液压油箱内的加热装置功率和加热装置尺寸的计算过程包括

(1)液压油箱内的加热装置功率的计算

设加热装置的功率为Pj，液压油箱内的有效容积为V，油箱所处的环境温度为t₁，液压油需要加热的预定温度为t₂，加热时间为T，液压油的比热容为ρ，液压油的密度为C，建立加热装置所需功率的计算模型为：

根据式(4)，在不考虑油箱散热情况下，可求得加热装置所需功率，进而确定加热装置的功率，使用型号为B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻作为加热元件；

(2)加热装置尺寸的设计

设所需加热装置的加热能量为Q，传热系数为K，所需加热装置的表面积为A，液压油温度变化值为Δt，则可得加热装置的表面积为：

Q＝KAΔt (5)

根据式(5)，可求得

A＝0.12m²6

利用铝合金外壳将多个B-100型的陶瓷基PTC热敏电阻连接和封装，形成加热隔板安装在液压油箱内。

7.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：步骤S201所述的液压油箱内的液压***发热量的计算过程包括(1)起升机构产热量计算

液压泵的产热量为：

在式(7)中，P₁表示工作压力，Q₁表示泵的流量，η表示总效率；

液压阀的产热量为：h₁₂＝P₂Q₂8

在式(8)中，P₂表示溢流阀的调整压力值，Q₂表示经溢流阀箱的流量；

管路的产热量为：h₁₃＝0.03～0.05P，(0.03～0.05)为管路的发热功率系数；

起升机构总的产热量为：

(2)回转机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₂₂＝P₂Q₂11

管路的产热量为：h₂₃＝0.03～0.05P12

回转机构总的产热量为：

(3)变幅机构产热量计算

液压泵的产热量为：

液压阀的产热量为：h₃₂＝P₂Q₂ (15)

管路的产热量为：h₃₃＝(0.03～0.05)P (16)

变幅机构总的产热量：

根据上述计算结果，液压***总的产热量为：

W＝W₁+W₂+W₃ (18)。

8.根据权利要求1所述的一种液压油箱智能温控***，其特征在于：步骤S202所述的液压油箱内的液压***散热量的计算过程包括

(1)设液压油箱的边长分别为x、y、z，根据液压油箱的设计长宽高之比，则液压油箱的边长模型为：

利用函数求解A最大时，各边长为1:2:3，所以A＝6.66V^2/3；

(2)设散热装置材料的散热系数为k，可用于散热的面积为A，环境温度与工作温度的差值为ΔT，则液压油箱***总的散热量为：

w₁＝kA(ΔT)t (20)

(3)计算液压***油液储热量：

Δw＝cρV(ΔT) (21)

在式(21)中，c为液压油的比热容，ρ为液压油的密度，V为液压油箱体积容量；

(4)相变材料质量确定

根据上式(18)、(20)和(21)可以得到***的产热量、散热量和油液储热量，当吸热量与散热量相等时，油液温度达到一个定值，液压***达到热平衡状态，***产热量、散热量和油液储热量具有以下约束关系：

H_t＝N_t+L_m+ΔW (22)

在式(22)中，L为相变材料的相变潜热；

根据式(22)的热平衡条件和计算结果，选择结晶水合盐Na₂SO₄·10H₂O为相变材料进行散热，所需质量计算为：

由于相变材料的体积在相变过程中会随之变化，为安全起见，选用密度更小时的液态状态下进行计算，得到相变材料的体积为：

Images