CN102213502B - 提高半导体制冷系统稳定性的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种提高半导体制冷系统稳定性的装置，包括半导体制冷器，所述半导体制冷器包括冷端以及设置于其两侧的热端，所述冷端与其两端的热端之间分别设置有半导体制冷片，需要被冷却的介质从第一管路接口处流入，通过半导体制冷器的冷端后，从第二管路接口流出，冷却水从第三管路接口处流入，通过半导体制冷器的热端后，从第四管路接口流出，其中，所述冷却水流入热端的部分通过电控流量调节阀调节，所述半导体制冷片上靠近热端部分设置有温度传感器。本发明提出的提高半导体制冷系统稳定性的装置，提高了半导体制冷系统工况的稳定性，使制冷系统输出的功率更加稳定，更进一步，该装置还可以节省资源。

Description

提高半导体制冷系统稳定性的装置
技术领域
本发明涉及温度自动控制领域，且特别涉及一种提高半导体制冷系统稳定性的装置。
背景技术
温度控制技术在许多行业和设备中都有应用，而制冷系统的设计一般是温度控制系统的主要部分。行业中应用较多的制冷技术有压缩机制冷、半导体制冷技术等。近几年，半导体制冷技术由于其无机械磨损、低噪声、无污染等优点而受到大家的普遍关注。
韩国一温度控制产品中采用了一种大功率的半导体制冷器，该半导体制冷器采水冷方式冷却。在半导体制冷器工作时，打开冷却水开关，使冷却水流经半导体制冷器的热端，带走热端产生的热量。通过该产品的说明书了解，其本身没有对冷却水的流量进行控制，即使在半导体制冷器不工作的状况下，也打开了冷却水开关电磁阀。
中国发明专利(申请号：200810033264.1)一种提高制冷系统可靠性及效率的装置与方法中也涉及到一种用于温度控制产品的大功率的半导体制冷器。该大功率半导体制冷器采用电磁阀控制冷却水的开关，冷却水流量的控制也只有开、关两种状态。
上述产品和专利中所提到的温度控制产品的冷却半导体制冷器热端的冷却水都仅有开关两种状态，即使在半导体制冷器热端温度不高的情况下也打开冷却水的开关，或者在制冷器没有全功率输出的情况下也全开冷却水开关，这样不利于节省资源。
发明内容
本发明提出一种提高半导体制冷系统稳定性的装置，提高了半导体制冷系统工况的稳定性，使制冷系统输出的功率更加稳定，更进一步，该装置还可以节省资源。
为了达到上述目的，本发明提出一种提高半导体制冷系统稳定性的装置，包括半导体制冷器，所述半导体制冷器包括冷端以及设置于其两侧的热端，所述冷端与其两端的热端之间分别设置有半导体制冷片，需要被冷却的介质从第一管路接口处流入，通过半导体制冷器的冷端后，从第二管路接口流出，冷却水从第三管路接口处流入，通过半导体制冷器的热端后，从第四管路接口流出，其中，所述冷却水流入热端的部分通过电控流量调节阀调节，所述半导体制冷片上靠近热端部分设置有温度传感器。
进一步的，所述温度传感器用于测量半导体制冷器热端的温度，所述电控流量调节阀用于控制冷却水流量的大小，电控流量调节阀根据温度传感器所测量的半导体制冷器热端的温度进行调节，控制冷却水的流量。
进一步的，当热端温度高于设定值时，通过电控流量调节阀增大冷却水的流量，降低热端的温度，当热端温度低于设定值时则减小冷却水的流量。
进一步的，该装置包括激励模块为所述温度传感器提供激励电压或电流。
进一步的，所述激励模块为恒流源。
进一步的，该装置包括控制器用于根据所述温度传感器调节电动流量调节阀的开度，从而控制流过半导体制冷器内冷却水的流量。
进一步的，所述控制器内部写入PID控制算法或比例控制算法，以控制电动流量调节阀的调节。
进一步的，所述热端由热端端盖和热端腔体组成，所述热端腔体内部具有流道，外部冷却水液体从中流经，将热端的热量带走。
进一步的，所述冷端由两个冷端端盖和之间的冷端腔体组成，需要被冷却的介质从冷端腔体中流经时被冷却。
本发明提出的提高半导体制冷系统稳定性的装置具有以下优点：提高了半导体制冷系统工况的稳定性，提高了半导体制冷系统功率的输出精度，采用自动控制技术，节省了用于冷却半导体制冷器的循环冷却水的用量。通过稳定半导体制冷系统热端的温度在一恒定点，提高半导体制冷系统的工况的稳定性，使半导体制冷系统的功率输出精度提高，达到提高温控产口温度控制精度的目的；通过监控半导体制冷器热端的的温度，调节半导体制冷系统热端的冷却水流量，改变温控产品中常用的只有开和关的两种状态，节省了冷却水总的流量，降低能耗。
附图说明
图1所示为温度控制产品管路原理图。
图2所示为本发明较佳实施例的半导体制冷系统管路原理图。
图3所示为本发明较佳实施例的热端温度控制原理图。
图4所示为本发明较佳实施例的半导体制冷器热端结构示意图。
图5所示为本发明较佳实施例的半导体制冷器冷端结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
半导体制冷器采用热电制冷工作原理，它冷热端的温差与其工作电流有如下关系：
T h - T c = 1 K [ ( a p - a N ) IT c - 0.5 I 2 R ] ,
Th为制冷片热端温度；
Tc为制冷片冷端温度；
K为导热系数；
apP型半导体材料的温差电系数；
aN为N型半导体材料的温差电系数；
I为工作电流、R电热元件电阻；
对于一固定的半导体制冷系统而论，导热系统K、ap、aN和R为固定常量，制冷系统的工作效率与制冷片热端温度、制冷片冷端温度和工作电流三者相关。若根据一定的工况条件将热端温度稳定，此时制冷系统冷端的温度仅与工作电流相关，通过控制电流的变化或加在两端的电压的变化，更加容易控制制冷量的输出。另一方面，将热端的的温度稳定在某一温度点上，避免了半导体制冷器热端温度的大幅波动，相当于稳定了半导体制冷系统的工作条件，对其使用寿命的提高具有一定的帮助。
通常对于大功率的半导体制冷系统而言都需要提供一定的冷却方法将其热端的热量带走，以防止由于半导体制冷片由于热端温度过高而被损坏。如图1所示的大功率半导体制冷器，采用循环水冷却方式带走热端温度。
本发明采用反馈控制方法，采集半导制冷系统热端的温度，根据实际温度控制设备的需要，控制冷却水流量的大小，使半导体制冷系统热端的温度稳定在先前所设定的温度点上，这样根据上述公式可以控制其冷端的温度，使其输出的制冷功率更加可控，可以提高温度控制设备的控制精度。另一方面，使用该方法后，并不是在温度控制装置开启时，冷却水开关就打开，而是根据工况的不同调整，这样可以节省一部分能源。
如图1所示为一温度控制产品管路原理图，正常工作时，电磁阀1与电磁阀12打开，通过水泵4把循环水送至需要冷却的外部设备13中，其中温度传感器5用于检测流出水箱6的水的温度，压力传感器3和流量传感器2用于监测循环水的流量和压力大小。手动阀11用于调节流入外部设备13中的水的流量。当循环水流回设备时经过制冷器10与加热器7，此时控制器依据温度传感器5所检测的温度启动制冷器10和加热器7，对循环水被加热或制冷，以使其温度达到所需的设定点。外部冷却循环水9提供冷却水带走半导体制冷器产生的热量，电动调节阀8控制外部冷却循环水的流量大小。
再请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的半导体制冷系统管路原理图。本发明提出一种提高半导体制冷系统稳定性的装置，包括半导体制冷器，所述半导体制冷器包括冷端400以及设置于其两侧的热端200，所述冷端400与其两端的热端200之间分别设置有半导体制冷片300，半导体制冷片300的热端与半导体制冷器的热端200相贴，半导体制冷片300的冷端与半导体制冷器的冷端400相贴。
当对半导体制冷器通一正向直流电流时，其热端200的温度会迅速的上升，冷却的温度会迅速的下降。需要被冷却的介质从第一管路接口100处流入，通过半导体制冷器的冷端400后，此时管路中的介质被冷却，同时冷端400的冷量被带走，冷端400的温度升高，最后需要被冷却的介质从第二管路接口500流出。
当半导体制冷器的冷端400温度下降的同时，半导体制冷片的热端200会产生大量的热量，使半导体制冷器热端200的温度迅速的上升。冷却水从第三管路接口700处流入，通过半导体制冷器的热端200后，带走半导体制冷器的热量，使其温度下降，最终冷却水从第四管路接口900流出。其中，所述冷却水流入热端200的部分通过电控流量调节阀600调节，所述半导体制冷片300上靠近热端200部分设置有温度传感器800。
根据本发明较佳实施例，所述温度传感器800用于测量半导体制冷器热端200的温度，所述电控流量调节阀600用于控制冷却水流量的大小，电控流量调节阀600根据温度传感器800所测量的半导体制冷器热端200的温度进行调节，控制冷却水的流量。
当热端200温度高于设定值时，通过电控流量调节阀600增大冷却水的流量，降低热端200的温度，当热端200温度低于设定值时则减小冷却水的流量。
再请参考图3，图3所示为本发明较佳实施例的热端温度控制原理图。该装置包括控制器101用于根据所述温度传感器104调节电动流量调节阀102的开度，从而控制流过半导体制冷器内冷却水的流量。温度传感器104用于检测半导体制冷器热端温度103，并将测量所得值传送给温度控制器104。
该装置包括激励模块105为所述温度传感器104提供激励电压或电流，本实施例中的所述激励模块105为恒流源。整个系统形成一个反馈闭环的控制回路，实时的调节流经半导体制冷器热端的冷却水的流量，稳定半导体制冷器的热端温度。
进一步的，所述控制器101内部写入PID控制算法或比例控制算法，以控制电动流量调节阀的调节。本实施例中控制器101为DSP控制系统，内部所用算法为PID控制算法。
图3所示温度传感器104为Pt100温度传感器，其测量的热端温度除作为控制器101控制电动量调节阀102的输出外，还可以作为判断半导体制冷器是否正常工作的输入条件。当热端温度过高时，控制器会半闭半导体制冷器，停止制冷系统的工作。
再请参考图4和图5，图4所示为本发明较佳实施例的半导体制冷器热端结构示意图，图5所示为本发明较佳实施例的半导体制冷器冷端结构示意图。所述热端由热端端盖110和热端腔体120组成，所述热端腔体120内部具有流道，外部冷却水液体从中流经，将热端的热量带走。所述冷端由两个冷端端盖210和之间的冷端腔体220组成，需要被冷却的介质从冷端腔体220中流经时被冷却。
综上所述，本发明提出的提高半导体制冷系统稳定性的装置具有以下优点：提高了半导体制冷系统工况的稳定性，提高了半导体制冷系统功率的输出精度，采用自动控制技术，节省了用于冷却半导体制冷器的循环冷却水的用量。通过稳定半导体制冷系统热端的温度在一恒定点，提高半导体制冷系统的工况的稳定性，使半导体制冷系统的功率输出精度提高，达到提高温控产口温度控制精度的目的；通过监控半导体制冷器热端的的温度，调节半导体制冷系统热端的冷却水流量，改变温控产品中常用的只有开和关的两种状态，节省了冷却水总的流量，降低能耗。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，包括半导体制冷器，所述半导体制冷器包括冷端以及设置于其两侧的热端，所述冷端与其两端的热端之间分别设置有半导体制冷片，需要被冷却的介质从第一管路接口处流入，通过半导体制冷器的冷端后，从第二管路接口流出，冷却水从第三管路接口处流入，通过半导体制冷器的热端后，从第四管路接口流出，其中，所述冷却水流入热端的部分通过电控流量调节阀调节，所述半导体制冷片上靠近热端部分设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量半导体制冷器热端的温度，所述电控流量调节阀用于控制冷却水流量的大小，电控流量调节阀根据温度传感器所测量的半导体制冷器热端的温度进行调节，控制冷却水的流量，当热端温度高于设定值时，通过电控流量调节阀增大冷却水的流量，降低热端的温度，当热端温度低于设定值时则减小冷却水的流量。
2.根据权利要求1所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，该装置包括激励模块为所述温度传感器提供激励电压或电流。
3.根据权利要求2所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，所述激励模块为恒流源。
4.根据权利要求1所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，该装置包括控制器用于根据所述温度传感器调节电动流量调节阀的开度，从而控制流过半导体制冷器内冷却水的流量。
5.根据权利要求4所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，所述控制器内部写入PID控制算法或比例控制算法，以控制电动流量调节阀的调节。
6.根据权利要求1所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，所述热端由热端端盖和热端腔体组成，所述热端腔体内部具有流道，外部冷却水液体从中流经，将热端的热量带走。
7.根据权利要求1所述的提高半导体制冷系统稳定性的装置，其特征在于，所述冷端由两个冷端端盖和之间的冷端腔体组成，需要被冷却的介质从冷端腔体中流经时被冷却。
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