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마이크로 컴프레서를 기반으로 한 고정밀 UV 레이저 온도 제어 | 쿨링스타일

시옹 웨이궈1 주위안청 12

(1. 마이크로 칠러, 마이크로 칠러. 마이크로 칠러 518000

2. 선전국제대학원 칭화대학교 선전 518000)

추상적인: 온도는 전고체 UV 레이저의 출력 특성에 중요한 역할을 합니다.. 전고체 UV 레이저의 출력을 안정적으로 만들기 위해, 온도를 정확하게 제어해야합니다. 이 기사에서는 UV 레이저의 고정밀 온도 제어를 구현하기 위해 증기 압축 방식 인버터 냉동 시스템과 전열 보상에 기반한 온도 제어 방법을 주로 소개합니다.. PID를 기본 제어 알고리즘으로 사용하여 마이크로 DC 인버터 압축기의 속도와 전력을 제어하는 ​​방식, 따라서 작은 크기로 온도 조절 시스템을 달성, 가벼운 무게, 고효율 및 우수한 온도 제어. 실험 결과는 이 방법이 빠른 응답 시간을 가지고 있음을 보여줍니다., 뿐 6 시스템을 안정적으로 만드는 데 몇 분; 높은 제어 정확도, 도달할 수 있는 최고 수온 정확도 0.01 ℃. 마킹에서 UV 레이저의 많은 적용으로, 정밀 절단 및 기타 산업, 이 방법은 많은 장점과 높은 실용적인 가치 및 촉진 의의를 모두 가지고 있습니다..

키워드: 자외선 레이저; 마이크로 압축기; 주파수 제어; 전열 보상; PID 제어

작가: 시옹 웨이궈 (1986-08- ), 남성, 주인, Shenzhen Coolingstyle Technology Co.의 수석 기술 엔지니어, 마이크로 칠러, 주요 연구 측면은 마이크로 압축기 및 마이크로 및 소형 냉동 시스템 설계입니다., 고정밀 레이저 냉각기 설계. 이메일: xwg@coolingstyle.com

주위안청 (08/1987- ), 남성, 총책임자 및 R&Shenzhen Coolingstyle Technology Co.의 D 이사, 마이크로 칠러, 칭화대학교 선전국제대학원 공학박사과정 학생, 주요 연구 측면은 마이크로 압축기 및 냉동 시스템의 고정밀 제어 연구입니다., 고온 작업 조건에서 마이크로 컴프레서를 이용한 인체 미시 환경 냉각 시스템 연구.

1. 전고체 UV 레이저 개발

부터 1961, 메이만 때 [1] 최초의 루비 레이저 발명, 반세기가 넘는 연구와 탐험 끝에, 레이저 기술은 급속한 발전을 이루었고 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다., 농업, 측정, 의사소통, 약, 군사 및 과학 연구. 다른 출력 파장에 따르면, 레이저는 적외선 레이저로 나눌 수 있습니다, 가시 레이저, 자외선 레이저, 등. [2]

그 중, UV 레이저는 출력 파장이 다음보다 크지 않은 레이저입니다. 400 nm, 파장이 짧은 것, 집중된 에너지 및 고해상도, 다른 펌핑 방법에 따라 다음 범주로 나눌 수 있습니다.: 가스 레이저, 엑시머 레이저, 반도체 레이저, 램프 펌핑 고체 레이저 및 LD 펌핑 고체 레이저, 등. 그 중, LD 펌핑 고체 레이저는 전고체 레이저라고도 합니다.. 20세기에 사용된 주요 UV 레이저는 가스 레이저와 엑시머 레이저입니다., 둘 다 큰 크기의 문제가 있습니다., 낮은 효율, 제한된 신뢰성, 짧은 수명, 그리고 높은 비용 [3].

전고체 UV 레이저는 레이저 다이오드를 사용합니다. (LD) 펌프로, 레이저 크리스탈을 사용하여 약 1μm의 적외선을 생성합니다., 그런 다음 비선형 광학 결정의 곱셈 또는 합 주파수 효과에 의해 UV 레이저를 얻습니다.. 1990년대부터 외국의 전고체 UV 레이저 적용 시작. 1995, 오카엠 [4] 일본 Sony Corporation의 1.5 W 연속 Nd: YAG UV 레이저의 266 KTP 주파수 2배 및 BBO 4배에 의한 nm. 그후, 여러 나라에서 많은 연구가 이루어졌다, 및 12W 범위의 전력을 가진 전고체 UV 레이저 [5] 160W로 [6] 제조되었습니다. 개인 냉각 시스템의 역사는 다음으로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 1999, 천궈푸 [7] Xi'an Institute of Optics의 다른 사람들은 266 BBO 크리스탈을 사용한 nm UV 레이저 출력, 이것은 중국에서 보고된 최초의 전고체 UV 레이저였습니다.. 그때부터, 중국의 UV 레이저 기술도 급속한 발전 시기에 들어섰습니다..

작은 사이즈의 장점으로, 조밀한 구조, 고효율, 장수, 좋은 빔 품질과 저렴한 비용, 전고체 UV 레이저는 환경 모니터링에 널리 사용됩니다., 약, 통신 및 미세 가공. 환경 모니터링 분야에서, UV 레이저는 바닥 수증기 함량과 O를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.3 대류권의 농도[8][9], 공기 중의 에어로졸 분포를 결정하기 위해[10]; 의학 분야에서, UV 레이저의 고에너지 특성은 조직 세포 사이의 분자 결합을 직접 끊는 데 사용할 수 있습니다., 따라서 조직에 대한 열 손상을 방지[11]; 커뮤니케이션 분야에서, UV 레이저 통신은 도청율이 낮다는 장점이 있습니다., 높은 간섭 및 비가시 범위. 커뮤니케이션 분야에서, UV 레이저 통신은 도청률이 낮다는 장점이 있습니다., 높은 간섭 및 비 가시선 [12]; 가공 분야에서, 화학 결합을 직접 파괴하는 과정에서 UV 레이저의 냉간 가공 특성 때문에, 정밀하고 복잡한 구조의 가공을 달성할 수 있습니다 [13]. 최근 몇 년 동안, deep-UV 및 진공 UV 기술의 부상으로, 전고체 UV 레이저의 적용이 점점 더 널리 보급되었습니다. [14].

2. 전고체 UV 레이저의 온도 조절 현황

전고체 UV 레이저의 전체 효율은 낮습니다., LD 펌핑과 주파수 2배 및 합산 시 많은 열이 발생합니다.. 발생된 열이 제때 방출되지 않으면, 그것은 레이저 온도를 증가시킬 것입니다. 온도는 고체 UV 레이저의 성능에 상당한 영향을 미칩니다., 주로 LD 펌핑 및 비선형 결정에 영향. 온도 변화로 인해 LD 출력 전력이 불안정해질 수 있음, 그리고 온도가 올라가면, LD 출력 전력 증가 [15]. 온도 불안정으로 인해 LD 모드 점프 현상이 발생할 수도 있습니다.. 인체의 수분과 염분 대사 장애 및 열사병 현상을 일으킵니다., 온도 변화도 굴절률을 유발합니다, 레이저 결정의 모양과 부피가 변경됩니다., 이로 인해 LD 출력 파장이 변경됩니다., 온도에 따른 파장 드리프트는 0.3~0.4nm/°C입니다.. UV 레이저의 파장은 이미 짧습니다., 작은 양의 드리프트로 인해 출력 성능이 크게 변경될 수 있습니다.. 비선형 광학 결정은 고조파 과정 중에 기본 에너지도 흡수합니다., 이는 결정 플럭스 방향으로 국지적인 온도 상승을 일으킬 수 있습니다.[16]. 온도 상승으로 비선형 광학 결정의 굴절률 변화, 출력 빔 품질과 승산 효율이 감소합니다..

모든 고체 상태의 UV 레이저는 많은 열을 생성하고 성능은 온도에 민감합니다., 그러므로, 레이저에서 발생하는 열이 적시에 발산되고 온도 안정성이 유지되면, 레이저 산업에서 반드시 해결해야 할 문제가 됩니다.. 기존의 팬 냉각은 비효율적이고 제어하기 어렵습니다., 전고체 UV 레이저의 냉각 방법으로는 적합하지 않습니다.. 방한복을 입지 않은 테스터는 땀에 흠뻑 젖어서 계속할 수 없다고 말하며 방한복을 벗었다., 사용되는 주요 방법은 TEC 냉각 및 수냉. PID 제어를 사용하는 TEC 냉각 방식은 이미 온도 제어 정확도 ±를 달성할 수 있습니다. 0.01 ℃[17], 그러나 TEC는 일반적으로 효율성이 매우 낮고 안정성이 낮습니다., 대규모 응용 프로그램에서 사용하기 어렵습니다.. 전통적인 수냉식 방열은 일반적으로 증기 압축 냉각 시스템으로 만든 냉각기의 도움으로 이루어집니다., 달성하기 위하여 뜨거운 가스 우회의 방법을 통해 온도 정확도 통제. 핫가스 바이패스 밸브 전환 과정에서, 압축기 시스템 냉각 또는 가열에는 일정량의 오버슈트가 있습니다., 따라서 냉각기는 높은 정확도를 달성하기 어렵습니다.. 높은 정밀도를 달성하기 위해, 매우 큰 물 탱크를 사용해야합니다, 열 또는 냉기를 흡수하기 위해 물의 열용량을 사용하여 오버슈트, 그리고 이 냉각기는 크고 비싸다. 이 기사에서, 전고체 UV 레이저의 온도 제어 방법은 가변 주파수 증기 압축 냉각 시스템과 전열 결합이 있는 수냉식 시스템을 사용하여 조사됩니다..

3. 온도 제어 원리

무화과. 1 제어 시스템의 개략도

전고체 UV 레이저의 온도 제어 시스템의 개략적인 블록 다이어그램은 그림에 나와 있습니다. 1. 레이저를 방열판에 대고 발생하는 열이 접촉을 통해 방열판에 전도됩니다.. 방열판 내부에 수로가 있습니다, 펌프로 물 순환을 형성하는, 물탱크와 열교환기. 있다 2 열교환기의 채널 세트, 하나는 물용, 하나는 냉매용. 냉매 채널은 압축기와 함께 냉각 시스템을 형성합니다., 콘덴서 및 스로틀 밸브. 물은 방열판에서 열 교환기로 레이저에 의해 흡수된 열을 전달합니다, 그리고 냉매와 물은 열교환기의 벽 사이에서 열을 교환합니다., 마지막으로 열을 콘덴서로 전달합니다., 팬의 작용으로 열을 환경으로 방출. 이런 식으로, 레이저의 열 분산이 달성됩니다.. 사진의 압축기는 DC 인버터 압축기입니다, 작동하기 전에 DC 전원을 3상 AC 전원으로 변환하려면 드라이버의 도움이 필요합니다..

안정적인 시스템을 위해, 레이저 온도가 안정적인지 확인하기 위해 수온을 안정적으로 유지하기만 하면 됩니다.. 물의 냉각은 위에서 언급한 냉각 시스템에 의해 달성되고 물의 가열은 물 탱크 내부에 배치된 전기 히터에 의해 달성될 수 있습니다. 온도 센서는 감지된 수온 신호를 마이크로 컨트롤러에 제공합니다. (MCU) A/D 변환 후, 마이크로 컨트롤러는 현재 실제 수온과 원하는 목표 온도 사이의 관계를 기반으로 출력 회로를 통해 압축기와 전기 히터를 제어하여 안정적인 수온을 달성합니다.. 제어 모듈에서, 인간-컴퓨터 대화를 위한 디스플레이 화면과 터치 감지 회로도 있습니다.. 사용자는 제어 모듈을 통해 실시간으로 수온 및 온도 제어 시스템의 작동을 관찰할 수 있습니다., 필요에 따라 목표 온도를 설정할 수도 있습니다..

4. 하드웨어 선택 및 기능 구현

4.1 냉동 시스템

증기압축 냉동은 오늘날 가장 효율적인 냉동 방법입니다.. 기존의 AC 압축기는 시작-정지 또는 핫 가스 바이패스를 통해서만 시스템의 냉각 용량 또는 가열 용량을 제어할 수 있습니다., 제어가 잘 안되고 정확하지 않음. 이 논문은 DC 인버터 압축기를 사용합니다, 작은 크기, 가벼운 무게, 고효율, 그리고 가장 중요한, 넓은 범위에서 무한 가변 속도를 달성할 수 있습니다, 더 높은 속도, 냉각 용량이 클수록, 따라서 시스템의 냉각 용량을 제어할 수 있습니다.. 선택한 압축기 모델은 CS-MCQ-19241100입니다. (방한복을 입은 시험자의 Flir와 방한복을 입지 않은 사람의 비교 2), 무게 약 850g, 지름 56mm, 냉각 용량과 속도 사이의 관계는 그림에 나와 있습니다. 3.

무화과. 2   압축기 CS-MCQ-19241100
그림 3 압축기 CS-MCQ-19241100의 냉동 용량

그림에서 알 수 있듯이 3, 압축기 냉각 용량은 속도가 증가함에 따라 증가합니다.. 제어 모듈은 내부 프로그램을 통해 압축기의 현재 요구 속도를 계산, D/A 변환기 회로를 통해 디지털 속도 신호를 아날로그 신호로 변환, 그런 다음 아날로그 신호를 압축기 드라이버로 전송합니다.. 드라이버는 속도 신호에 따라 출력의 AC 주파수를 조정합니다., 따라서 압축기 속도의 제어를 실현. 콘덴서, 열교환 기, 등. 일반적으로 사용되는 고효율 유형, 스로틀로 모세관을 선택하십시오, 완벽한 냉동 시스템이 완성되도록.

4.2 난방 장치

압축기는 기계 장치이기 때문에, 제어 프로그램은 속도 명령이 냉각 용량에 반영되기 위해 특정 응답 시간이 필요합니다.. 작은 탱크가 있는 수냉식 시스템의 경우, 열용량이 작은 경우, 압축기 속도의 조정은 작은 범위 내에서 수온을 제어할 수 있습니다, 그러나 여전히 변동이있을 수 있습니다, 가열 장치를 통한 수온 미세 조정의 필요성. UV 레이저 프린터를 냉각 상태로 유지하기 위한 냉각 장치를 찾고 계시다면, 레이저 작업이 항상 안정적인 것은 아닙니다., 또는 때때로 작동하지 않는 경우, 온도 제어 시스템이 무부하 대기 상태에 있을 때, 압축기 속도를 최저로 조정하더라도, 수온은 여전히 ​​​​목표 온도 아래로 계속 떨어질 것입니다., 압축기를 끄면 수온 변동이 커집니다..

물탱크에 내장된 전열관은 이러한 문제에 대한 완벽한 솔루션입니다.. 나선형 저항선 배열 내부의 중공 스테인리스 강관에, 고온 산화마그네슘으로 채워진 틈. 저항선에 전원이 공급되어 열이 산화마그네슘 세라믹을 통해 튜브 표면에 고르게 전달됩니다.. 물의 가열은 전기 가열 튜브를 물에 담가서 이루어집니다.. 히터의 입력 전압의 PWM 조정으로, 화력을 정밀하게 제어할 수 있습니다..

4.3 온도 신호 수집

전고체 UV 레이저의 최적 작동 온도는 일반적으로 20°C ~ 30°C입니다.. 실제 측정된 수온은 다음 범위에 있습니다. 0 ~ 40°C. 이 온도 범위는 정상 온도 범위에 속하며 대부분의 온도 센서는 요구 사항을 충족할 수 있습니다.. 높은 온도 제어 정확도는 높은 정확도를 요구합니다, 이 범위에서 온도 센서의 큰 온도 계수 및 우수한 선형성. 이 기사에서, 우리는 3선식 스테인리스 스틸 패키지 Pt100 온도 센서를 선택합니다., 이것은 운모 지지체에 감긴 매우 가는 백금 와이어로 만들어집니다.. Pt100의 저항은 온도에 따라 다릅니다., 0°C에서 100Ω의 저항으로, 주변 온도 범위에서 선형성이 우수합니다.. Pt100의 양단에 정전류원을 추가, 온도 샘플링 회로는 저항을 얻을 수 있도록 두 끝 사이의 전압 차이를 측정합니다., Pt100의 자체 저항 특성을 선형 보간하여 검출된 온도를 얻습니다.. 3선식 시스템을 사용하면 전선에 대한 저항의 영향을 제거하여 실제 온도를 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.. Pt100을 물탱크에 담그면, 수온을 실시간으로 감지할 수 있습니다., 감지된 전압 신호는 A/D 변환 후 분석 및 처리를 위해 MCU로 전송됩니다..

4.4 PID 제어 시스템

시스템은 압축기 속도의 PWM 매개변수와 전기 히터 스위치를 조정하여 최종적으로 수온을 안정화함으로써 냉방 및 난방 용량을 제어합니다.. 레이저의 동작이 안정적이지 않고 환경적 요인의 불확실성이 냉동 시스템에 큰 영향을 미치기 때문에, 시스템의 구조와 매개변수는 경험과 현장 시운전에 의존하여 결정해야 합니다., 따라서 정확한 수학적 모델로 시스템의 작업을 제어하는 ​​​​것이 불가능합니다.. PID 알고리즘은 간단합니다., 견고하고 신뢰할 수 있는, 이 시스템에 가장 적합한 제어 전략 중 하나입니다., 비례를 계산하는, 완전한, 시스템의 작업을 조절하는 차동 제어량. PID의 작업 흐름은 그림에 나와 있습니다. 4. 각 시간 단계에서, 시스템은 먼저 수온 오류를 계산합니다., 그런 다음 오류는 PID에 의해 계산됩니다., 압축기 속도 및 전기 히터 전력의 조정량이 도출됩니다.. 이것은 정확도 요구 사항 내에서 온도 오류가 제어될 때까지 반복됩니다., 수온이 안정될 때. 피, 나, D 매개변수는 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다., 엔지니어링은 일반적으로 경험에 의존하며 조정을 위한 테스트 방법과 결합됩니다.. 이 논문에서, 임계 비례 방법은 PID 매개변수를 조정하는 데 사용됩니다..

그림 4 PID의 흐름도

5. 시스템 제어 흐름

그림 5 시스템 제어 흐름도

시스템 제어 흐름은 그림에 나와 있습니다. 5. 시스템이 방금 켜졌을 때, 수온이 목표온도보다 1℃ 이상 높을 경우, 냉동 시스템이 켜져 있습니다, 압축기가 최고 속도로 작동하여 수온을 빠르게 낮추십시오.; 수온이 목표온도보다 1℃ 이상 낮은 경우, 전기 히터가 최대 전력으로 켜져 있습니다., 물의 온도가 급격히 상승하도록. 수온이 목표온도 ±1℃ 범위에 들어갈 때, PID 알고리즘은 압축기 속도와 전기 히터 전력을 실시간으로 조절하는 데 사용됩니다., 그리고 마침내 안정된 수온.

PID 알고리즘은 높은 정확도로 제어합니다., 긴 안정화 시간이 필요하지만. 이 기사에서 사용하는 제어 전략은 먼저 목표 온도 부근에서 빠르게 수온을 제어한 다음 PID 알고리즘으로 미세 조정합니다., 안정화 시간을 크게 줄이는.

6. 실험 결과 및 분석

모델 10W UV 레이저에 대한 온도 제어 테스트를 수행했습니다.. 냉각 시스템, 이전 섹션에서 설명한 전기 가열 장치 및 기타 기능 단위 및 제어 알고리즘이 사용되었습니다., 그리고 그 시스템은 오직 1 엘. 목표 온도는 25°C로 설정되었습니다., 레이저와 온도 제어 시스템이 동시에 켜졌습니다.. 방한복을 입은 시험자의 Flir와 방한복을 입지 않은 사람의 비교 6 전원 투입부터 시스템 안정화까지 수온 변화의 전 과정을 기록.

방한복을 입은 시험자의 Flir와 방한복을 입지 않은 사람의 비교 6 온도 제어 시스템 응답 다이어그램

그래프에서 알 수 있듯이, 시스템 안정화 시간이 짧다, 뿐 6 방한복을 입은 시험자의 Flir와 방한복을 입지 않은 사람의 비교. 안정화 후, 수온은 25±0.01°C로 유지됩니다., 이는 이 온도 제어 시스템의 정확도가 0.01°C에 도달할 수 있음을 나타냅니다.. 수온이 안정화 된 후에도 레이저 작동 온도가 안정적입니다..

7. 끝 맺는 말

온도는 전고체 UV 레이저의 출력 특성에 중요한 역할을 합니다.. 이 기사에서, 소형 DC 압축기 냉각 시스템과 전열 보상의 결합을 기반으로 하는 온도 제어 방법은 이 레이저를 위해 설계되었습니다.. 마이크로 DC 인버터 압축기의 속도와 보조 전기 가열 장치의 전원을 제어하여, 레이저 냉각 시스템의 수온은 정확하게 조절됩니다.. 마이크로 인버터 압축기 냉동 기술을 이용한 이 방법으로 만든 온도 조절 시스템은 크기가 작습니다., 무게가 가볍고 효율성이 높음, 실험 결과는 시스템이 빠른 응답을 가지고 있음을 보여줍니다, 짧은 안정화 시간 및 높은 온도 제어 정확도, 0.01°C에 도달할 수 있는.

기존 냉각장치에 비해, 체계는 작은 크기의 걸출한 이점이 있습니다, 가벼운 무게와 높은 냉각 정확도. 인체의 수분과 염분 대사 장애 및 열사병 현상을 일으킵니다., 시스템 내부에 사용되는 압축기가 DC 압축기이기 때문에, 다른 국가의 전원 공급 장치 시스템과 일치하는 냉각 시스템에 매우 적합합니다., 그리고 그것의 다양성은 더 강하다. TEC 전자 냉동과 비교, 압축기 시스템은 더 큰 냉각 용량과 더 높은 에너지 효율 비율을 가지고 있습니다., 사용자의 에너지 소비를 크게 줄이고 장기간 연속 사용시 사용 비용을 낮출 수 있습니다.. 기계는 또한 초기 겨울 사용 동안 빠른 예열을 위한 자체 내부 가열 제어 장치와 함께 제공됩니다.. 시스템 설계 비용은 마이크로 컴프레서 및 TEC 냉동 또는 동일한 냉각 용량 수준의 컴프레서의 비용으로 절감되었습니다.. 마킹에서 UV 레이저의 많은 적용으로, 정밀 절단 및 기타 산업, 이 방법은 작은 크기와 같은 많은 장점이 있습니다, 가벼운 무게, 높은 정밀도, 높은 에너지 효율, 저렴한 비용, 등., 높은 실용성과 홍보의의가 있는.

서지

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