CN102927716B - 自动控温的超低温半导体制冷器及其自动控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控温的超低温半导体制冷器及其自动控温方法，制冷器包括温度传感器、预设温度调节器、控制器、可控开关堆、直流电源、半导体制冷堆、散热器、绝热外壳；半导体制冷堆置于散热器上，绝热外壳在散热器上方且将半导体制冷堆置于内；温度传感器、预设温度调节器和每个可控开关分别与控制器连接；直流电源通过可控开关连接半导体制冷片为其供电。自动控温方法依据设定温度与测量温度差异，通过可控开关堆实现对多片制冷片的工作时序及通断状态精确控制，实现精确超低温制冷与温度控制，其工作过程分为慢速启动、满负荷运转和恒温控制，控制过程中采用分层控制方式，通过反馈方式改变半导体制冷片得脉冲占空比，实现最佳能耗修正。

Description

自动控温的超低温半导体制冷器及其自动控温方法

技术领域

本发明涉及一种自动控温的超低温半导体制冷控制器及其自动控温方法，该装置和方法用于低温或超低温的制冷控制，适用于低温或超低温运转光纤激光器、超低温恒温冷藏、以及用于由多片半导体制冷片所构成的低温或超低温制冷系统。

背景技术

低温、超低温制冷可广泛应用于生物制药、低温电子、半导体制造等许多科学研究及技术领域，特别是在超低温环境实验仪器、设备中占有重要位置，往往具有不可替代的作用。目前，常用的制冷技术有压缩机制冷、半导体制冷技术等，其中半导体制冷技术由于无机械磨损、低噪声、无污染等优点而受广泛关注。

超低温制冷主要采用压缩机制冷或采用液氮等手段获得，对于要将温度制冷到-100℃以下，常常需要采用双级复迭式蒸汽压缩制冷系统，但是该系统结构复杂、成本很高；采用液氮等手段虽然能够获得低温，但该技术操作不便，且有一定的危险性，同时，该技术只能适应于短时制冷需要，长时间使用需要大量的液氮来维持，使用成本高昂。

发明内容

针对上述现有技术中超低温制冷及其控制方法的不足或缺陷，本发明的目的在于，提供一种自动控温的超低温半导体制冷器及其自动控温方法，该控制器采用多层半导体制冷片堆叠形成制冷体，同时通过控制半导体制冷片的工作电流脉冲的占空比，实现超低温制冷与自动控温。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决手段：

一种自动控温的超低温半导体制冷器，包括温度传感器、预设温度调节器、控制器、可控开关堆、直流电源、半导体制冷堆、散热器、绝热外壳；其中，所述可控开关堆由多个相同的可控开关组成；所述半导体制冷堆置于散热器的上表面，半导体制冷堆的上表面为吸热端，下表面为放热端；绝热外壳扣在散热器上方且将半导体制冷堆置于内部，绝热外壳内部的腔体为真空腔；所述温度传感器安装在绝热外壳内部；所述温度传感器、预设温度调节器和每个可控开关分别与控制器连接；可控开关的个数与一个制冷体中包含的半导体制冷片的层数相同，每个可控开关对应连接半导体制冷堆中位于同一层的半导体制冷片；直流电源通过可控开关连接半导体制冷片为其供电。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述半导体制冷堆包括制冷内芯以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料，制冷内芯由一个或多个相同的制冷体组成，所述的制冷体由多个半导体制冷片和多个热忱交替堆叠而成，且制冷体的上下表面均为半导体制冷片，在半导体制冷片与热忱之间均涂覆有导热助剂或导热材料；半导体制冷片的上表面吸热下表面放热。

所述散热器包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管和出水管，该外壳内部设置许多竖直方向的隔板，隔板使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道，进水管连接冷却水道的入口，出水管连接该冷却水道的出口。

所述绝热外壳采用双层外壁的真空罩，且该真空罩的双层外壁间为真空。

所述制冷器还包括最佳一级占空比按钮和极限温度按钮，它们均与控制器相连接。

一种上述超低温半导体制冷器的自动控温方法，具体包括如下步骤：

步骤1：开启直流电源，系统初始化，根据需要设定制冷温度Ts；

步骤2：控制器从最下层占空比和温度对应关系表中读取Y=100%时的最佳一级脉冲占空比X，如果读到，则控制器控制半导体制冷片工作，由下至上各层半导体制冷片工作脉冲占空比依次为Y、X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n为制冷体中包含的半导体制冷片的层数，然后进入步骤3；否则执行步骤4；

步骤3：温度传感器实时采集绝热外壳内的温度，如果采集温度大于设定温度Ts，则控制器控制系统进入满负荷工作状态，然后执行步骤3；如果采集温度等于设定温度，则控制器控制系统进入步骤6的恒温工作状态流程，然后执行步骤3；如果采集温度小于设定温度，则进入停机状态，然后执行步骤3；

满负荷工作状态过程中，最下层半导体制冷片以直流状态工作，其余各层的工作脉冲占空比由下至上依次为：X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n为制冷体中包含的半导体制冷片的层数；

步骤4：控制器控制系统进行首次运行；记录极限温度、其对应的最佳一级脉冲占空比X、最下层工作脉冲占空比Y=100%，将三者作为同一组数据存入最下层占空比和温度对应关系表；

步骤5：在系统运行过程中，如果需要调整最佳一级脉冲占空比X，则其调整方法采用尝试改变一级脉冲占空比X，然后根据采集温度的变化确定最佳一级脉冲占空比X；

步骤6：系统进行恒温工作流程；

步骤7：在系统运行过程中，操作人员通过预设温度调节器设定制冷温度Ts引起温度变化，或者系统热环境改变引起温度变化，控制器对系统的控制包括如下步骤：

步骤701：温度传感器实时采集温度；

步骤702：控制器将采集温度T与设定温度Ts比较，如果T<Ts，控制器进入停机状态，执行步骤701；如果T>Ts，控制器进入满负荷工作状态，执行步骤701；如果T=Ts，控制器再次进入步骤6的恒温工作状态。

本发明的方法还包括如下其他技术特征：

所述步骤4的首次运行流程具体包括如下步骤：

步骤401：控制器设定最佳一级脉冲占空比X的初始值X0为95%。

步骤402：控制器以1-10s的时间间隔，由下向上依次启动各层的半导体制冷片，所有半导体制冷片均以直流工作状态运行，所述时间间隔与热忱的厚度和比热容的乘积成正比，其大小可根据需要进行选择；

步骤403：系统进入满负荷工作状态，此时的最佳一级脉冲占空比X等于95%；

步骤404：在系统运行过程中，温度传感器实时采集绝热外壳内的温度，如果温度降低，则返回步骤403；如果采集温度等于前次采集温度，则执行步骤405；

步骤405：进入最佳一级脉冲占空比调整，使其达到最佳值，具体参见步骤5；

所述步骤5对于最佳一级脉冲占空比X的调整具体包括如下步骤：

步骤501：粗调：首先以步长0.01增加一级脉冲占空比，通过温度采集并和前次采集温度比较，如果采集温度下降，说明改变方向正确，并继续以步长0.01增加一级脉冲占空比，直至温度不再下降；如果采集温度升高，则以步长0.01减小一级脉冲占空比，通过采集温度并和前次采集温度比较，如果采集温度降低，继续以步长0.01减小一级脉冲占空比，直至温度不再下降；

步骤502：微调：与粗调相同，区别仅在于微调的步长为0.001；调整完成后，记录极限制冷温度、当前最佳一级脉冲占空比X、最下层工作脉冲占空比Y，将三者作为同一组数据存入最下层占空比和温度对应关系表。

所述步骤6的恒温工作流程包括如下步骤：

步骤601：控制器从最下层占空比和温度对应关系表中读取当前的最佳一级占空比X；

步骤602：控制器在最下层占空比和温度对应关系表中查找小于设定温度Ts且与其最接近的温度T1以及T1对应的最下层占空比Y1，如果找到则进入步骤603；否则报错，并进入满负荷工作状态；

步骤603：查找大于设定温度Ts且与其最接近的温度T2以及T2对应的最下层占空比Y2，如果找到，则更新最下层占空比Y=(Y2-Y1)(T-T1)/(T2-T1)+Y1；否则最下层占空比Y=(1-Y1)(T-T1)/(300-T1)，然后由下向上依次设定其余各层半导体制冷片的占空比为：X、X²、X³、…、X^(n-1)，n为制冷体(12)中包含的半导体制冷片的层数；进入步骤604的反馈控制阶段；

步骤604：温度传感器实时采集绝热外壳内的温度，根据当前采集温度与上次采集温度比较，1）如果温度相等，则以步骤603得到的最下层占空比Y进行制冷，然后执行步骤604，并记录此时的最下层占空比Y以及其对应的温度，绝热外壳内的温度保持恒定；2）如果温度升高，则令Y=Y+Z，Z为Y的调整精度，返回步骤604；3）如果温度降低，则令Y=Y-Z，返回执行步骤604。

在系统运行过程中，在需要对极限温度重新测试的情况下，执行步骤8和步骤9；在需要对最佳一级占空比进行重新校准的情况下，执行步骤9；

所述步骤8具体包括如下步骤：

步骤801：操作人员按下极限温度按钮；

步骤802：控制器读取最佳一级占空比X；

步骤803：控制器进入满负荷工作状态；

步骤804：温度传感器实时采集绝热外壳内的温度，控制器实时判断温度的变化，如果采集温度小于前次采集温度，返回步骤803；如果采集温度等于前次采集温度，执行步骤9，对最佳一级脉冲占空比的大小进行强行校准，以获得极限温度；

所述步骤9具体包括如下步骤：

步骤901：操作人员按下最佳一级占空比按钮；

步骤902：控制器读取最外层占空比X并记录；

步骤903：执行最佳一级占空比调整，包括粗调和微调，具体参见步骤5；

步骤904：记录最佳一级占空比及其对应的极限温度，完成强行校准。

本发明的技术特征及优点如下：

本发明所采用的自动控温的超低温半导体制冷器，通过对半导体制冷堆中各层半导体制冷片进行单独控制，实现低温及超低温制冷，其工作过程分为慢速启动、满负荷运转和恒温控制，其特点在于分层控制，具体表现在两个方面，时序上分层——采用慢速启动，制冷量的分层——梯度制冷控制，具体表述如下：

（1）慢速启动：本发明中半导体制冷堆中各层半导体制冷片的启动时序为最外侧最先启动，依次由外向内经过一定延时后启动，最内侧的半导体制冷片最后启动，可有效避免启动时热堆积。

（2）梯度制冷控制：本发明中半导体制冷堆中各层半导体制冷片的工作电流具有不同的占空比，采用的是梯度制冷控制：最外侧半导体制冷片的占空比最大，依次由外向内按比例减小，最内侧的占空比最小，相邻两层的占空比之比称之为一级占空比，也即次外层与最外层占空比之比，其受两个因素影响，一为半导体制冷片的制冷效率，二为制冷器的绝热与密封条件，半导体制冷片制冷效率越高，制冷器的绝热与密封条件越好，一级占空比就越大，理想情况为100%。

附图说明

图1为本发明的自动控温的超低温半导体制冷控制器的结构示意图。

图2为本发明的自动控温的超低温半导体制冷控制器的原理框图。

图3为几种不同形状的半导体制冷堆结构平面图。其中，（a）为圆柱；（b）为椭圆柱；（c）为圆柱形；（d）为两头半圆矩形柱；（e）为长方体。

图4为圆柱形半导体制冷堆的结构示意图。其中，（a）为俯视图；（b）为正视剖图。

图5为圆台形半导体制冷堆的结构示意图。其中，（a）为俯视图；（b）为正视剖图。

图6为绝热外壳的结构示意图。

图7为散热器的结构示意图。

图8为恒温控制流程图。

图9为重建恒温控制流程图。其中，（a）为人为改变设定温度的情况；（b）为系统热环境改变的情况。

图10为本发明的自动控温方法的控制器时序运行控制的主流程图。

图11为首次运行流程图。

图12为最佳一级占空比调整之粗调流程图。

图13为最佳一级占空比调整之微调流程图。

图14为进恒温工作状态时外层占空比测试流程图。

图15为恒温工作状态下反馈控制流程图。

图16为设定温度Ts改变或系统热环境改变情况下的控制流程图。

图17为极限温度与最佳一级占空比强制测试流程图。

图18为最佳一级占空比强制校准。

图19为“L”形金属拉条的结构示意图。

图20为本发明的自动控温的超低温半导体制冷控制器的实施例装配图。其中，（a）为正视图；（b）为侧视图。

图21为应用本发明的自动控温的超低温半导体制冷控制器的940nm光纤激光器的结构原理图。

图22为应用本发明的自动控温的超低温半导体制冷控制器的940nm光纤激光器的结构示意图。

图23为光纤盘绕柱的结构示意图。其中，（a）为圆柱；（b）为两头半圆矩形柱。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的自动控温的超低温半导体制冷器，包括温度传感器1、预设温度调节器2、控制器3、可控开关堆4、直流电源5、半导体制冷堆6、散热器8和绝热外壳9。

温度传感器1采用低温或超低温的温度传感器，比较常用的低温传感器有热电阻传感器和热电偶传感器；在超低温下采用热电偶传感器，如：铜-康铜、镍铬-康铜、镍铬-铜铁、镍铬-金铁等热电偶。

预设温度调节器2用于设定制冷温度，采用旋钮、拨盘或数字键盘。控制器3采用单片机，用于实现各种控制时序的产生、最佳脉冲占空比的校准、恒温控制、慢启动控制。控制器3通过可控开关堆4实现对半导体制冷片堆6中半导体制冷片13的精确控制。

可控开关堆4由多个相同的可控开关4-1组成，每个可控开关4-1均可进行单独控制，可控开关采用继电器、可控硅或场效应管。

直流电源5用于为半导体制冷片堆6中的各半导体制冷片13提供直流供电，其输出功率大于所有半导体制冷片额定功率之和，且留有一定余量。

散热器8用于将半导体制冷片堆6带出来的热量及时散掉。

如图3-图5所示，半导体制冷堆6包括制冷内芯10以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料7，保温隔热材料7采用聚氨酯泡沫或隔热棉，制冷内芯10由一个或多个相同的制冷体12组成，所述的制冷体12由多个半导体制冷片13和多个热忱14交替堆叠而成，且制冷体12的上下表面均为半导体制冷片13，在半导体制冷片13与热忱14之间均涂覆有导热助剂或导热材料。半导体制冷片13的上表面吸热下表面放热。导热助剂或导热材料采用具有良好热传导特性的易延展的胶状、膏状或软金属材料，如导热硅脂、散热胶、散热硅胶或铟箔；热忱14采用具有良好热传导特性的金属片，如铜、铝；半导体制冷片13及热忱14交替堆叠的层数取决于真空腔内的温度要求，所需温度越低则层数越多，其中，半导体制冷片13根据制冷量的需要常规选用不同规格的半导体制冷片。

制冷内芯10中包含的制冷体12的数量根据所应用的对象所需降温的情况确定。制冷内芯10仅包括一个制冷体12时，该制冷体12的形状为正棱柱（如图3(a)、图4所示）或下大上小的棱台（如图5所示），对应的半导体制冷堆1的形状可为圆柱（如图3(a)、图4所示）或者下大上小的圆台（如图5所示）；制冷内芯10包括多个制冷体12时，每个制冷体12均为正棱柱，所有的制冷体12相互靠紧排列后形成制冷内芯10，制冷内芯10为正棱柱（如图3(c)所示）或长方体（如图3(b)、图3(d)、图3(e)所示），对应的半导体制冷堆6的形状可为圆柱（如图3(c)所示）、长方体（如图3(e)所示）、棱台、椭圆柱（如图3(b)所示）、椭圆台、两头半圆矩形柱（如图3(d)所示）或两头半圆矩形台。

散热器8的散热方式采用风冷或者水冷方式，一般来说制冷功率较小可采用风冷方式，对于制温度较低、制冷功率较大时，须采用水冷方式。如图7所示，本发明的实施例中散热器8采用水冷散热器，该水冷散热器包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管20和出水管21，该外壳内部设置许多竖直方向的隔板23，隔板23使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道22，进水管20连接冷却水道22的入口，出水管21连接该冷却水道22的出口，进水管20和出水管21用以将水引入外壳内的冷却水道22并排出；散热器8同时也作为本发明的底盘，应有一定的配重。所述外壳的上下端面均为平面；上端面采用导热性能良好的金属材料，如铜、铝。半导体制冷堆6和散热器8联合构成热输送通道，用以将绝热外壳9内的热量源源不断带走，保持其内部持续超低温度环境。

绝热外壳9为下端开口的空心柱体，其用以隔离其内部与外部环境，其绝热特性的好坏直接影响着本发明的制冷效果，其可采用真空隔热、聚氨酯保温材料隔热或内层用真空隔热，外层用聚氨酯保温材料包裹。绝热外壳9的外形根据半导体制冷堆6的形状所确定，可为柱状、柱状颈或台状颈，无论选择哪种形状，均需要保证绝热外壳9能够将半导体制冷堆6以及置于半导体制冷堆6上方需要制冷的对象封闭在内。如图6所示，绝热外壳9采用双层外壁的真空罩，且该真空罩的双层外壁之间为真空，该绝热外壳的材料采用金属、合金或玻璃。

如图1、图2所示，所述半导体制冷堆6置于散热器8的上表面，半导体制冷堆6的上表面为吸热端，下表面为放热端；绝热外壳9扣在散热器8上方且将半导体制冷堆6置于内部，绝热外壳9内部的腔体为真空腔；半导体制冷堆6和散热器8用于将真空腔内的热量源源不断传递出去，以保持真空腔内持续超低温。所述温度传感器1安装在绝热外壳9内部；所述温度传感器1、预设温度调节器2和每个可控开关4-1分别与控制器3连接；可控开关4-1的个数与一个制冷体12中包含的半导体制冷片13的层数相同，每个可控开关4-1对应连接半导体制冷堆6中位于同一层的半导体制冷片13；直流电源5通过可控开关4-1连接半导体制冷片13为其供电。

如果在恒温过程中需要人为调节设定温度，控制器3进入重建恒温控制，也即从一个旧的恒温状态进入一种新的恒温控制状态，因此需要设定最佳一级占空比按钮K1和极限温度K2，K1和K2均与控制器3连接。按下K1按钮，控制器3对最佳一级占空比进行自动校准并记录；按下K2按钮，控制器3进入满负荷工作状态，校准最佳一级占空比，并以此状态进入恒温工作状态，并记录得到的极限温度和最佳一级占空比。

本发明的自动控温的超低温半导体制冷器的控制方法，由控制器3通过可控开关堆4对半导体制冷片13进行控制实现绝热外壳9内的制冷，制冷器运行过程中可能出现的七个状态如下：

首次运行：是控制器3第一次运行时，控制器3对制冷器的制冷极限温度、最佳一级脉冲占空比进行调整、测量与收集。

最佳一级脉冲占空比调整：最佳一级脉冲占空比是各层半导体制冷片13之间热输送效率的量度，最外侧的占空比最大，依次由外向内按比例减小，相邻两层的占空比称之为一级占空比。一级占空比其受半导体制冷片(13)的制冷效率、制冷器的绝热密封两个因素的影响，半导体制冷片13制冷效率越高，制冷器的绝热密封越好，一级占空比越大，理想情况为100%。

恒温工作状态：是本发明的控制器最主要的工作状态，正常情况下控制器按照所设定的制冷温度工作在恒温工作状态，控制器进入恒温工作状态大多是经历启动——满负荷工作状态——恒温工作状态（参见图8）；也可以是旧恒温工作状态——人为设定温度改变或系统热环境变化——满负荷工作状态或停机状态——新恒温工作状态，即重建恒温状态（参见图9）；

满负荷工作状态：是制冷器以满功率运行的状态，此时半导体制冷堆中最下层半导体制冷片13按额定电压、额定电流的直流状态工作，其余各层均以一定的脉冲占空比驱动工作在脉冲状态下，脉冲占空比的大小由控制器根据自身热环境予以自动调整。

重建恒温状态：是指人为改变设定温度或者系统热环境变化的两种情况下，导致温度传感器采集到的温度发生变化，控制器从旧的恒温工作状态进入一个新恒温工作状态的过程。根据所改变的内容不同，其间会经历两种状态过程、四种分支，参见图9，两种状态过程分别是满负荷工作状态、停机状态；四种分支为：1）新设定温度低于旧设定温度，其将由旧恒温工作状态进入满负荷工作状态再进入新恒温工作状态，2）新设定温度高于旧设定温度，其将由旧恒温工作状态进入停机状态再进入新恒温工作状态，3）内部热源减小，造成绝热外壳内部温度降低，其将经由停机状态进入新恒温工作状态，4）内部热源增大，造成绝热外壳内部温度升高，其将经由满负荷工作状态进入新恒温工作状态；

极限温度状态：是控制器一直运行于满负荷工作状态而达到的一种温度状态，该状态所能达到的温度也是制冷器所能达到的最低温度，是一种极限温度。

停机状态：所有半导体制冷片停止工作，依靠自然升温，在重建恒温状态时会使用这一状态或过程。

图10为控制器的时序运行控制的主流程图，参见图10，本发明的超低温半导体制冷器的自动控温方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：开启直流电源5，系统初始化，根据需要设定制冷温度Ts；设定温度Ts高于或等于极限温度。系统在经历首次运行状态之后会自动测出极限制冷温度，或者通过按下极限温度按钮K2进行极限温度测试得到；

步骤2：控制器3从最下层占空比和温度对应关系表中读取Y=100%时的最佳一级脉冲占空比X，如果读到，则控制器3控制半导体制冷片13工作，由下至上各层半导体制冷片13工作脉冲占空比依次为Y、X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n为制冷体12中包含的半导体制冷片13的层数，然后进入步骤3；如果没有读到，则进入步骤4的首次运行流程；

步骤3：在系统运行过程中，温度传感器1实时采集绝热外壳9内的温度，如果采集温度大于设定温度Ts，则控制器3控制系统进入满负荷工作状态，然后执行步骤3；如果采集温度等于设定温度，则控制器3控制系统进入步骤6的恒温工作状态流程，然后执行步骤3；如果采集温度小于设定温度，则进入停机状态，然后执行步骤3；

满负荷工作状态过程中，最下层半导体制冷片13以直流状态工作（即最下层半导体制冷片13的工作脉冲占空比Y为100%)，其余各层的工作脉冲占空比由下至上依次为：X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n为制冷体12中包含的半导体制冷片13的层数；

步骤4：参见图11，首次运行流程包括如下步骤：

步骤401：控制器3设定最佳一级脉冲占空比X的初始值X0为95%。

步骤402：控制器3以1-10s的时间间隔，由下向上依次启动各层的半导体制冷片13，所有半导体制冷片13均以直流工作状态运行（即所有半导体制冷片13的工作脉冲占空比均为100%），所述时间间隔与热忱14的厚度和比热容的乘积成正比，其大小可根据需要进行选择；

步骤403：系统进入满负荷工作状态，此时的最佳一级脉冲占空比X等于95%；

步骤404：在系统运行过程中，温度传感器1实时采集绝热外壳9内的温度，如果温度降低（即采集温度小于前一次采集温度，说明制冷器内温度在下降），则返回步骤403；如果采集温度不再下降，也即采集温度等于前一次采集温度，则说明在95%的一级脉冲占空比的情况下，已达到制冷器的极限温度，执行步骤405；

步骤405：进入最佳一级脉冲占空比调整，使其达到最佳值，以期获得更低的极限温度（即最低制冷温度）——具体见步骤5；

步骤5：最佳一级脉冲占空比X的调整分为粗调和微调，其调整方法采用尝试改变一级脉冲占空比X，然后根据采集温度的变化反向确定最佳一级脉冲占空比X，图12为一级脉冲占空比粗调流程图，图13为一级脉冲占空比微调流程图，具体步骤如下：

步骤501：粗调：粗调是以步长0.01改变一级脉冲占空比。首先尝试以步长0.01增加一级脉冲占空比，通过温度采集并和前次采集温度比较，如果采集温度下降，说明改变方向正确，并继续以步长0.01增加一级脉冲占空比，直至温度不再下降，说明在此步长下一级脉冲占空比粗调程度达到最佳；如果采集温度升高，说明改变方向错误，则以步长0.01减小一级脉冲占空比，通过采集温度并和前次采集温度比较，如果采集温度降低，继续以步长0.01减小一级脉冲占空比，直至温度不再下降，说明在此步长下一级脉冲占空比粗调程度达到最佳；

步骤502：微调：与粗调相同，区别仅在于微调的步长为0.001，当然此值仅是本实例的具体设定值，实际中不限于此，但无论如何微调的步长必须小于粗调的步长，而且二者应有明显差异，调整完成后，记录极限制冷温度、当前最佳一级脉冲占空比X、最下层工作脉冲占空比Y，将三者作为同一组数据存入最下层占空比和温度对应关系表；

步骤6：参见图14、图15，恒温工作状态流程包括进恒温工作控制和反馈控制两部分，具体包括如下步骤：

步骤601：控制器3从最下层占空比和温度对应关系表中读取当前的最佳一级占空比X；

步骤602：控制器3在最下层占空比和温度对应关系表中查找小于设定温度Ts且与其最接近的温度T1以及T1对应的最下层占空比Y1，如果找到则进入步骤603；否则报错：设定温度超界，也即设定温度超过极限制冷温度，并进入满负荷工作状态；

步骤603：查找大于设定温度Ts且与其最接近的温度T2以及T2对应的最下层占空比Y2，如果找到，则更新最下层占空比Y=(Y2-Y1)(T-T1)/(T2-T1)+Y1；否则最下层占空比Y=(1-Y1)(T-T1)/(300-T1)，然后由下向上依次设定其余各层半导体制冷片13的占空比为：X、X²、X³、…、X^(n-1)，n为制冷体12中包含的半导体制冷片13的层数；进入步骤604的反馈控制；

步骤604：反馈控制是以系统设定精度为步长进行温度反馈循环控制，这也是恒温控制的最终状态，具体流程参见图15，在系统运行过程中，温度传感器1实时采集绝热外壳9内的温度，根据当前采集温度与上次采集温度比较，1）如果温度相等，则说明目前的最下层占空比Y正好可以维持现有的温度，则以步骤603得到的最下层占空比Y进行制冷，然后执行步骤604，并记录此时的最下层占空比Y以及其对应的温度，绝热外壳9内的温度保持恒定；2）如果温度升高，则说明目前的最下层占空比Y不足以维持现有温度，需要增加最下层占空比Y，则令Y=Y+Z，Z为Y的调整精度Z为控制精度，选取0.01到相对温度测量精度之间的值，相对温度测量精度等于温度传感器1的测量精度/测量范围），返回步骤604；3）如果温度降低，则说明目前的最下层占空比Y偏大，制冷量过大导致温度降低，需要减小最下层占空比Y，则令Y=Y-Z，返回执行步骤604；

步骤7：重建恒温状态：主要发生在操作人员通过预设温度调节器2设定制冷温度Ts或者系统热环境改变（如制冷器内部发热状况变化、绝热环境变化、热输送通道变化等）的情况下。参见图16，具体步骤如下：

步骤701：温度传感器1采集温度；

步骤702：控制器3将采集温度T与设定温度Ts比较，如果T<Ts，控制器3进入停机状态，执行步骤701；如果T>Ts，控制器进入满负荷工作状态，执行步骤701；如果T=Ts，控制器3再次进入步骤6的恒温工作状态。

有时需要对极限温度重新测试，其流程为步骤8和步骤9；有时则需要对最佳一级占空比进行重新校准，其流程为步骤9。

参见图17，步骤8具体包括如下步骤：

步骤801：操作人员按下极限温度按钮K2；

步骤802：控制器3读取最佳一级占空比X；

步骤803：控制器3进入满负荷工作状态；

步骤804：温度传感器1实时采集绝热外壳9内的温度，控制器3实时判断温度的变化，如果采集温度小于前次采集温度，说明制冷器还可以获得更低的温度，返回步骤803；如果采集温度等于前次采集温度，说明已经达到极限温度，此时执行步骤9，对最佳一级脉冲占空比的大小进行强行校准，以获得极限温度（即最低制冷温度）。

参见图18，步骤9具体包括如下步骤：

步骤901：操作人员按下最佳一级占空比按钮K1；

步骤902：控制器3读取最外层占空比X并记录；

步骤903：执行最佳一级占空比调整，包括粗调和微调，具体参见步骤5；

步骤904：记录最佳一级占空比及其对应的极限温度，完成强行校准。

实施例：

如图1所示，本发明的自动控温的超低温半导体制冷器的实施例采用如图1所示的结构，其中，半导体制冷堆6、光纤盘绕柱、绝热外壳9、散热器8均为柱状结构。

绝热外壳9采用如图6所示双层真空壁式不锈钢桶状结构，外径取16cm，内径13cm，桶高30cm，内高28cm，不锈钢板厚1.5mm，壁间抽真空以绝热，所有棱边均作圆角处理。

半导体制冷堆6采用图1所示圆柱状结构，半导体制冷片13采用TEC1-12712，最大电压15.4V，最大电流12A，外径尺寸62*62*4mm，热忱14采用62*62*6mm的紫铜块，本实例共用9片TEC1-12712，8块热忱，保温隔热材料17采用聚氨酯泡沫，半导体制冷片13与热忱14之间涂抹导热硅脂。

光纤盘绕柱用铝材加工成图23（a）所示的圆柱状结构，直径8cm，高13cm，沿圆周方向铣0.5*0.5mm，间距1.5mm的方形螺旋槽70圈，共10.5cm高，可盘绕光纤17米以上。

散热器8选用直径为20cm的高1.8cm的圆柱形结构的水冷散热器，其内部结构如图7所示，为了节省成本，散热器8除顶盖采用5mm的紫铜板，其余面及水道的隔板23均用1.5mm的钢板，之间用橡胶垫密封，并压紧固定。

实例装配如图20所示，将散热器8的上表面涂上导热硅脂，将半导体制冷片13与热忱14相间堆叠，共9层半导体制冷片，8层热忱，半导体制冷片13均采用上表面吸热下表面放热（也即上表面制冷，下表面发热），在半导体制冷片13与热忱14之间接触面涂抹导热硅脂。将光纤盘绕柱底面放在最顶层的半导体制冷片13上，之间接触面涂抹导热硅脂，用2个“L”形金属拉条按图20所示结构，将光纤盘绕柱和散热器8进行牵拉固定，然后用聚氨酯泡沫填充半导体制冷堆6的周边区域包裹并缠紧，使其外观呈圆柱状，直径比真空罩内径稍大，以保证可以将真空罩盖紧。

如图19所示，“L”形金属拉条用120*10*1mm的钢板，折成11cm+1cm的“L”形，并钻孔。

将实施例1应用于全光纤结构的940nm光纤激光器的制冷控制。如图21所示，该940nm光纤激光器由带尾纤输出的808nm半导体激光器14、940nm全反射光纤光栅15、双包层掺钕光纤16、在940nm反射率为5%的光纤光栅17、输出尾纤18组成。如图22所示，将双包层掺钕光纤16置于本发明的制冷装置之内并盘绕在光纤盘绕柱上，其余装置均置于制冷装置之外，为了保护光纤，在装置出口处用软管19套在光纤之外。

将本发明的半导体制冷温控慢启动控制器用于对光纤激光器的制冷时，将光纤激光器的光纤盘绕在光纤盘绕柱上，将光纤盘绕柱置入绝热外壳中，即可实现超低温制冷。如图23所示，光纤盘绕柱为圆柱（见图23（a））或两头半圆矩形柱（见图23（b）），沿光纤盘绕柱的圆周方向刻有槽，槽的形状为矩形半圆槽、方形槽、矩形槽及V形槽，但不限于此，槽的大小以能将光纤没入其中。

Claims (6)

1.一种自动控温的超低温半导体制冷器，其特征在于，包括温度传感器（1）、预设温度调节器（2）、控制器（3）、可控开关堆（4）、直流电源（5）、半导体制冷堆（6）、散热器（8）、绝热外壳（9）；其中，所述可控开关堆（4）由多个相同的可控开关（4-1）组成；所述半导体制冷堆（6）置于散热器（8）的上表面，半导体制冷堆（6）的上表面为吸热端，下表面为放热端；绝热外壳（9）扣在散热器（8）上方且将半导体制冷堆（6）置于内部，绝热外壳（9）内部的腔体为真空腔；所述温度传感器（1）安装在绝热外壳（9）内部；所述温度传感器（1）、预设温度调节器（2）和每个可控开关（4-1）分别与控制器（3）连接；可控开关（4-1）的个数与一个制冷体（12）中包含的半导体制冷片（13）的层数相同，每个可控开关（4-1）对应连接半导体制冷堆（6）中位于同一层的半导体制冷片（13）；直流电源（5）通过可控开关（4-1）连接半导体制冷片（13）为其供电；

所述半导体制冷堆（6）包括制冷内芯（10）以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料（7)，制冷内芯（10)由一个或多个相同的制冷体（12）组成，所述的制冷体（12）由多个半导体制冷片（13）和多个热忱（14）交替堆叠而成，且制冷体（12）的上下表面均为半导体制冷片（13），在半导体制冷片（13）与热忱（14）之间均涂覆有导热助剂或导热材料；半导体制冷片(13）的上表面吸热下表面放热。

2.如权利要求1所述的自动控温的超低温半导体制冷器，其特征在于，所述散热器（8）包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管（20）和出水管（21），该外壳内部设置许多竖直方向的隔板（23），隔板（23）使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道（22），进水管（20）连接冷却水道（22）的入口，出水管（21）连接该冷却水道（22）的出口。

3.如权利要求1所述的自动控温的超低温半导体制冷器，其特征在于，所述绝热外壳（9）采用双层外壁的真空罩，且该真空罩的双层外壁间为真空。

4.如权利要求1所述的自动控温的超低温半导体制冷器，其特征在于，所述制冷器还包括最佳一级占空比按钮（K1）和极限温度按钮（K2），它们均与控制器（3）相连接。

5.一种权利要求1所述的超低温半导体制冷器的自动控温方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：开启直流电源（5），系统初始化，根据需要设定制冷温度Ts；

步骤2：控制器（3）从最下层占空比和温度对应关系表中，读取最下层占空比Y=100%时对应的最佳一级脉冲占空比X，如果读到，则控制器（3）控制半导体制冷片（13）工作，由下至上各层半导体制冷片（13）工作脉冲占空比依次为Y、X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n为制冷体（12）中包含的半导体制冷片（13）的层数，然后进入步骤3；否则执行步骤4；

步骤3：温度传感器（1）实时采集绝热外壳（9）内的温度，如果采集温度大于设定温度Ts，则控制器（3）控制系统进入满负荷工作状态，然后返回到步骤3的起始处执行步骤3；如果采集温度等于设定温度，则控制器（3）控制系统进入步骤6的恒温工作状态流程，然后返回到步骤3的起始处执行步骤3；如果采集温度小于设定温度，则进入停机状态，然后返回到步骤3的起始处执行步骤3；

满负荷工作状态过程中，最下层半导体制冷片（13）以直流状态工作，其余各层的工作脉冲占空比由下至上依次为：X、X²、X³、…、X^(n-1) ，Y=100%，n为制冷体（12）中包含的半导体制冷片（13）的层数；

步骤4：控制器（3）控制系统进行首次运行；记录极限制冷温度、其对应的最佳一级脉冲占空比X、最下层工作脉冲占空比Y=100%，将三者作为同一组数据存入最下层占空比和温度对应关系表；

步骤5：在系统运行过程中，如果需要调整最佳一级脉冲占空比X，则其调整方法采用尝试改变最佳一级脉冲占空比X，然后根据采集温度的变化确定最佳一级脉冲占空比X；

步骤6：系统进行恒温工作状态流程；

步骤7：在系统运行过程中，操作人员通过预设温度调节器（2）设定制冷温度Ts引起温度变化，或者系统热环境改变引起温度变化，控制器（3）对系统的控制包括如下步骤：

步骤701：温度传感器（1）实时采集温度；

步骤702：控制器（3）将采集温度T与设定温度Ts比较，如果T< Ts，控制器（3）进入停机状态，执行步骤701；如果T> Ts，控制器进入满负荷工作状态，执行步骤701；如果T= Ts，控制器（3）再次进入步骤6的恒温工作状态；

所述步骤4的首次运行流程具体包括如下步骤：

步骤401：控制器（3）设定最佳一级脉冲占空比X的初始值X₀为95%；

步骤402：控制器（3）以1-10s的时间间隔，由下向上依次启动各层的半导体制冷片（13），所有半导体制冷片（13）均以直流工作状态运行；

步骤403：系统进入满负荷工作状态，此时的最佳一级脉冲占空比X等于95%；

步骤404：在系统运行过程中，温度传感器（1）实时采集绝热外壳（9）内的温度，如果温度降低，则返回步骤403；如果采集温度等于前次采集温度，则执行步骤405； 

步骤405：进入最佳一级脉冲占空比调整，使其达到最佳值；

所述步骤5对于最佳一级脉冲占空比X的调整具体包括如下步骤：

步骤501：粗调：首先以步长0.01增加一级脉冲占空比，通过温度采集并和前次采集温度比较，如果采集温度下降，说明改变方向正确，并继续以步长0.01增加一级脉冲占空比，直至温度不再下降；如果采集温度升高，则以步长0.01减小一级脉冲占空比，通过采集温度并和前次采集温度比较，如果采集温度降低，继续以步长0.01减小一级脉冲占空比，直至温度不再下降；

步骤502：微调：与粗调相同，区别仅在于微调的步长为0.001；调整完成后，记录极限制冷温度、当前的最佳一级脉冲占空比X、最下层工作脉冲占空比Y，将三者作为同一组数据存入最下层占空比和温度对应关系表；

所述步骤6的恒温工作流程包括进恒温工作控制和反馈控制两部分，具体包括如下步骤：

步骤601：控制器（3）从最下层占空比和温度对应关系表中读取当前的最佳一级占空比X；

步骤602：控制器（3）在最下层占空比和温度对应关系表中查找小于设定温度Ts且与其最接近的温度T1以及T1对应的最下层占空比Y1，如果找到则进入步骤603；否则报错，并进入满负荷工作状态； 

步骤603：查找大于设定温度Ts且与其最接近的温度T2以及T2对应的最下层占空比Y2，如果找到，则更新最下层占空比Y=(Y2-Y1)(T-T1)/(T2-T1)+Y1；否则最下层占空比Y=(1-Y1)(T-T1)/(300 -T1)，然后由下向上依次设定其余各层半导体制冷片（13）的占空比为：X、X²、X³、…、X^(n-1)，n为制冷体（12）中包含的半导体制冷片(13）的层数；进入步骤604的反馈控制；

步骤604：温度传感器（1）实时采集绝热外壳（9）内的温度，根据当前采集温度与上次采集温度比较，1）如果温度相等，则以步骤603得到的最下层占空比Y进行制冷，然后执行步骤604，并记录此时的最下层占空比Y以及其对应的温度，绝热外壳（9）内的温度保持恒定；2）如果温度升高，则令Y=Y+Z，Z为Y的调整精度，返回步骤604；3）如果温度降低，则令Y=Y-Z，返回执行步骤604。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在系统运行过程中，在需要对极限温度重新测试的情况下，执行步骤8和步骤9；在需要对最佳一级占空比进行重新校准的情况下，执行步骤9；

所述步骤8具体包括如下步骤：

步骤801：操作人员按下极限温度按钮（K2）；

步骤802：控制器（3）读取最佳一级占空比X；

步骤803：控制器（3）进入满负荷工作状态；

步骤804：温度传感器（1）实时采集绝热外壳（9）内的温度，控制器（3）实时判断温度的变化，如果采集温度小于前次采集温度，返回步骤803；如果采集温度等于前次采集温度，执行步骤9，对最佳一级脉冲占空比的大小进行强行校准，以获得极限温度；

所述步骤9具体包括如下步骤：

步骤901：操作人员按下最佳一级占空比按钮（K1）；

步骤902：控制器（3）读取最佳一级脉冲占空比X并记录；

步骤903：执行最佳一级占空比调整，包括粗调和微调，具体参见步骤5；

步骤904：记录最佳一级占空比及其对应的极限温度，完成强行校准。