CN103294079B - 一种循环介质加热、制冷半导体温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于加热、制冷温度控制技术领域，具体为一种循环介质加热、制冷半导体温控装置。该温控装置由介质循环系统及温度控制系统两部分组成；其组成部件包括：保温容器，循环介质，循环驱动泵，流量控制器，换热板，半导体致冷片，散热／冷部件，数显控温仪，直流供电系统。该装置具备对外部系统温度控制能力，可在较宽的温度区间实现程序升降温及恒温操作，支持远程监控，满足科研、生产中简单及复杂温度控制需求。该装置流动介质循环使用，可节约资源；工作时无噪音，设备易于微型化，可以为化学、化工、材料、食品、医药、电子等领域科研、生产提供优良的中低温温控环境。

Description

一种循环介质加热、制冷半导体温控装置

技术领域

本发明属于加热、制冷温度控制技术领域，具体涉及使用循环介质及半导体制冷元件对外部设备进行温度控制的装置。

背景技术

加热与制冷在诸多领域的科研及生产中是重要的基础操作，目的是实现对物料或设备进行温度控制或调节。根据热（冷）能的获得，可将加热与制冷分为直接的和间接两类，每一类均有庞大的分支。加热操作中，直接热源加热是将热能直接加于物料，如电流加热和太阳辐射能加热等。直接加热方法有很多如化学加热，电加热（电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热等），辐射加热，物理摩擦加热等。间接热源加热是将上述直接热源的热能加于一中间载热体，然后由中间载热体将热能传给物料，如热水加热、矿物油加热等；中间载热体覆盖气、液、固三种形态，物质种类繁多，常用的有水浴、油浴、沙浴等。直接加热适用于对温度无准确要求且需快速升温的实验，但直接加热存在被加热体受热不均匀或温度难以控制的问题，此时可采用间接加热方式。在制冷方面，制冷主要有压缩式制冷，吸收式制冷和半导体制冷三种方式，使用这三种方式进行直接或间接制冷进行温度控制时与加热有类似的特点。因此无论加热或制冷，使用介质循环间接加热制冷模式，在温度控制方面可以达到较好的效果。

实际生产及科研中，常常会遇到相对较复杂的温控要求，需要用到加热及制冷两种操作，然而常规的温度控制方式仅能进行加热或制冷一项操作，一般不兼备加热及制冷两种功能，一方面使仪器的控温范围受到限制（如加热设备，只能在高于当前温度使用，制冷设备在低于当前温度使用），另一方面复杂控温情况时（如工艺中存在高于室温及低于室温操作），需要应用相对复杂的解决方法。综合加热及制冷功能的温控设备较少，且主要为分立式的，即由两种不同的加热制冷方式整合而来。使用单一的设备同时完成加热、制冷功能对温度的控制及设备的高效使用有现实意义。

半导体温控技术是综合加热及制冷功能于一体的新型温控技术。其工作是基于帕尔帖原理，即当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，得到实际应用的温差电制冷器件多是由半导体材料制成的。

使用导体制冷、加热有许多独特之处。在制冷方面与压缩制冷和吸收制冷相比，半导体制冷的特点是：尺寸易控，可以制成体积不到1厘米的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克；无机械传动部分，工作中无噪音；无液、气工作介质，不污染环境；制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作; 通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制等特点。与常规的简单水冷相比更具有明显优势，使用温度范围宽且可控，设备搭建无需考虑供水排水系统，使用时不需消耗大量水资源等。使用该技术主要是进行致冷操作，进行加热相对较少，但该加热方式作为一种电加热方式，相比常用的电阻加热，在合适的加热范围内，除具有相当的控温效果外，还具有能源利用率高的特点，其产热量始终高于电流通过元件的焦耳热，因此综合开发应用半导体致冷、加热功能在温度控制及能源有效利用方面均有现实的价值。

目前半导体热电材料是能源应用领域的研究热点之一，同时基于半导体元件加热制冷的开发也广泛开展，诸多基于半导体制冷的发明，如小型空调，加热制冷杯/盘，车/机载冰箱，冷热饮水机，控温床垫、帽、鼠标、手套，恒温箱，小型水冷机，CPU及其它电子设备散热，LED照明制冷系统等已走入人们的生活，为生活与生产带来了诸多便利。但上述发明中多数为使用半导体制冷元件直接加热或制冷，少数综合了两种功能，同时设备不需对温度进行复杂的控制，不适用于对外部系统进行复杂的温度控制的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、温控范围宽、设备稳定性高、介质循环使用无污染和浪费的，使用循环介质及半导体制冷片间接加热、制冷，实现对外部体系温度控制的装置。

本发明提供的温度控制装置，是使用流经半导体致冷片导冷（或热）端的循环介质，对外界体系进行加热、制冷，通过调节循环介质流速、使用温控设备调控半导体制冷片工作参数实现对外部设备温度的控制。具体由介质循环系统及温度控制系统两部分组成。其组成部件包括：保温容器，循环介质，循环驱动泵，流量控制器，换热板，半导体致冷片，散热／冷部件，智能温控仪，直流供电系统；

本装置的介质循环系统中流动的循环介质存储于保温容器中，循环驱动泵一端或整体浸没于循环介质中，另一端有两种连接方式，与换热板相连或与外部设备相连，换热板有介质进出口，两种连接方式为：

(a) 循环驱动泵另一端与换热板进口相连，换热板出口与外部设备入口相连，外部设备出口与本装置设计的回流口相连；工作时循环介质在循环泵驱动下经换热板流出本装置，流入外部设备，经由外部设备后再经由本装置的回流口流回保温容器，完成介质的循环；

 (b) 循环驱动泵另一端与与外部设备入口相连，外部设备出口与本装置设计的回流口相连，本装置内部的回流口与换热板入口连通，换热板出口在保温容器内；工作时循环介质在循环泵驱动下直接流出本装置，流入外部设备，经过外部设备后再流经本装置所设计的回流口流入换热板，最后流回保温容器内，完成介质的循环；

所述换热器的一面紧贴半导体致冷片工作面，中间由导热胶粘连，半导体致冷片另一面与散热／冷部件由导热胶粘连；换热器、半导体致冷片、散热／冷部件逐层叠加并用夹具或匝带等物理紧压，组成加热制冷模块，该加热制冷模块可直接架设于保温容器内部或架设在保温容器外部。

介质循环的控制由串连在循环回路上的流量控制器实现，或由循环驱动泵工作控制仪实现；温度控制可以通过介质循环部分实现，但主要通过调节制冷片工作参量实现；

本装置的温度控制系统中，半导体致冷片连接直流供电系统与智能温控仪，智能温控仪同时连接有热电偶，热电偶插入循环介质内或外部需要控温的设备中，工作时智能温控仪通过热电偶监控并实时显示温度，通过执行相应的功率输出或输出通断以控制循环介质的温度，进而实现外部设备的温度的调控；另外，散热／冷部件，循环驱动泵可以与半导体致冷片并联，由控温仪统一控制，或由开关单独控制。

本装置中，用于对外部体系直接加热、制冷的为流体介质，该介质存储于保温容器内，在循环驱动泵的驱动下在温控设备和外部体系间循环；循环介质为液态或气态物质，液态物质为水、水的盐溶液、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、矿物油等中的一种，或几种的混合液，气态物质为空气、二氧化碳、氮气、氩气等中的一种，或几种的混合气体。

本装置中，对循环介质进行加热、制冷的部件是半导体制冷片，半导体制冷片大小可变，可为单片或多片的组合，单机总功率在10w以上，功率根据实际控温范围选定，设备温控范围在-130℃~150℃之间；半导体制冷片使用直流电源驱动，其最大输出功率不低于制冷片工作功率的1.1倍；使用中可通过切换电流方向切换加热、制冷模式。

本装置中，循环介质与半导体制冷片间的热交换是通过介质流经与半导体制冷片相连的换热板实现的，换热板为中空密封件，表面有循环介质进出口，该换热板与半导体制冷片相连，中间有导热胶以增强热传导。

本装置中，半导体制冷片的散热（冷）部件为金属导热块、翅、板、管，风扇，循环散热介质或者以上几者的组合；半导体制冷片与这些部件相连，连接面可加涂导热胶增强热传导。

本装置中，介质循环所需循环驱动泵为增压泵或自吸泵，泵的一端或整体浸于循环介质中，泵的扬程需与加热制冷设备匹配。

本装置中，保温容器的容器形状可以为球形，方形，圆柱形等；

本装置中，介质出口与回流口可以直接相连，即流出循环介质直接回流到保温容器内时，可以作为水浴或油浴使用，为外部设备提供所需温度环境。

本装置中，换热器与半导体制冷片相连的连接面优选平面，其大小与半导体制冷片相当，换热器材质可为金属或导热性能良好的陶瓷，玻璃，塑料材料，优选金属材质如铝、铜等。

本装置中，控温有半导体制冷片工作参数调控和循环介质流速调整两种方式。其中，半导体制冷片工作参数由温控仪调控；循环介质流速通过与循环介质回路串联的流量控制器或开关控制，也可直接控制驱动泵工作参数来实现。实用中两种方式可单独或共同使用，简单控温时不加控温仪仅靠优化制冷功率，介质流速与外部系统热流量实现，使用数显温度计实时显示介质温度；复杂控温使用智能温控仪，实现一段或多段温控，同时智能温控仪可选带通讯功能以实现远程监控。

采用本发明装置可以对目标体系进行加热、制冷，实现对目标体系精确控温。该装置工作时无噪音，性能稳定，便于微小型化，支持远程监控，可以为化学、化工、材料、食品、医药、电子等领域科研、生产提供优良的中低温温控环境。该设备在替代目前广泛使用的自来水冷却方面，有独特的优势。

附图说明

图1循环水冷半导体温控装置示意图。

图2循环水冷半导体温控装置电路框架图。

图3水循环散热半导体温控装置示意图。

图4半导体温控水浴槽。

图中标号：1-保温容器；2-循环水；3-循环驱动泵；4-换热板；5-半导体制冷片；6-风扇散热组件；7-数显温度计；8-出水口；9-回流口；10-智能温控仪；11-热电偶；12-外部设备；13-水循环散热组件； 14-流量控制器。

具体实施方式

在图1中，保温容器使用不锈钢保温桶，桶中加入500mL水，循环驱动泵为潜水泵，扬程1.5米(功率3W)，水冷板4cm×4cm铝合金板，72W半导体制冷片(4cm×4cm), 直流风扇及散热铝片套装，数显温度计，其中半导体致冷片、散热铝片及水冷板间用高性能导热胶粘连。上述部件连接如图所示，水路部分使用橡胶管连接。工作时，将设备出水口8，回流口9与外部回流冷凝管连接（20cm，磨口玻璃冷凝管），接通潜水泵及散热风扇，循环水很快充满回流管并流回设备，确认无漏水等异常后，接通制冷片。半小时左右温度稳定，回流管无物料回流时循环水温能维持在低于室温10℃左右，回流时温度稍有上升。适当保温可获得更好的冷却效果。该设备结构简单，无复杂温控系统，工作稳定，可连续长时间工作。使用设备替换自来水用以回流，蒸馏，旋蒸，仪器致冷等方面具有方便，节水，致冷温度可控等优点。其电路框架图如图2所示，散热风扇，半导体致冷片，水泵并联，由直流电源供电。

在图3中，保温容器使用不锈钢保温槽，桶中加入1.5L CaCl₂水溶液，循环驱动泵为潜水泵，扬程4米(功率5W)，水冷板7cm×7cm铝合金板2块（上下各一块），150W半导体制冷片(6.2cm×6.2cm)，智能温控仪为分段编程温控仪，其中半导体致冷片、上下两块水冷板间用高性能导热胶粘连，液体散热组件13由，冷却水，自吸泵，散热风扇组成，散热由风扇及冷却水挥发实现。上述部件按图连接，水路使用不锈钢管连接。工作时，将设备出水口，回水口与外部设备12连接，开启循环泵及散热系统，循环水很快充满外部设备12，确认无漏水等异常后，接通制冷片。在外部设备保温良好状态下，可以通过温控仪在-15℃-90℃范围内设定温度，进行恒温操作，同时也可以设定程序升降温操作。

图4中, 保温容器使用塑料保温槽，桶中加入1.5L防冻液，循环驱动泵为自吸泵扬程2米(功率3W)，换热板7cm×7cm铝合金板，150W半导体制冷片(6.2cm×6.2cm)，强冷风扇及散热铜片套装，智能温控仪为一段温控仪，其中半导体致冷片、散热铜片及换热板间用高性能导热胶粘连。上述部件按图连接，水路部分使用钢管连接。工作时，接通潜水泵及散热风扇，循环水流经换热板并流回保温槽，设定温度（控温范围-20℃-90℃）后，接通制冷片，设备工作一段时间后，水浴槽稳定在预定温度,将预控温设备放入槽内进行控温。

Claims (5)

1. 一种循环介质加热、制冷半导体温控装置，其特征在于，由介质循环系统及温度控制系统两部分组成；其组成部件包括：保温容器，循环介质，循环驱动泵，流量控制器，换热板，半导体制冷片，散热／冷部件，智能温控仪，直流供电系统；

所述介质循环系统中，流动的循环介质存储于保温容器中，循环驱动泵一端或整体浸没于循环介质中，另一端有两种连接方式，与换热板相连或与外部设备相连，换热板有介质进出口，两种连接方式为：

(a) 循环驱动泵另一端与换热板进口相连，换热板出口与外部设备入口相连，外部设备出口与本装置设计的回流口相连；工作时循环介质在循环泵驱动下经换热板流出本装置，流入外部设备，经由外部设备后再经由本装置的回流口流回保温容器，完成介质的循环；

 (b) 循环驱动泵另一端与与外部设备入口相连，外部设备出口与本装置设计的回流口相连，本装置内部的回流口与换热板入口连通，换热板出口在保温容器内；工作时循环介质在循环泵驱动下直接流出本装置，流入外部设备，经过外部设备后再流经本装置所设计的回流口流入换热板，最后流回保温容器内，完成介质的循环；

所述换热板的一面紧贴半导体制冷片工作面，中间由导热胶粘连，半导体制冷片另一面与散热／冷部件由导热胶粘连；换热板、半导体制冷片、散热／冷部件逐层叠加并用夹具或匝带紧压，组成加热制冷模块，该加热制冷模块直接架设于保温容器内部或架设在保温容器外部；

所述的温度控制系统中，半导体制冷片连接直流供电系统与智能温控仪，智能温控仪同时连接有热电偶，热电偶插入循环介质内或外部需要控温的外部设备中，工作时智能温控仪通过热电偶监控并实时显示温度，通过执行相应的功率输出或输出通断以控制循环介质的温度，进而实现外部设备的温度调控；另外，散热／冷部件，循环驱动泵与半导体制冷片并联，由智能温控仪统一控制，或由外部开关单独控制。

2. 根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述循环介质为液态物质：水、水的盐溶液、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、矿物油中的一种，或其中几种的混合液。

3. 根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述半导体制冷片为单片或多片的组合，单机总功率在10w以上，设备温控范围在-130℃~150℃之间；半导体制冷片使用直流电源驱动，其最大输出功率不低于制冷片工作功率的1.1倍；通过切换电流方向切换加热、制冷模式。

4. 根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述循环介质与半导体制冷片间的热交换是通过介质流经与半导体制冷片相连的换热板实现，所述换热板为中空密封件，有循环介质进出口，该换热板与半导体制冷片相连，中间有导热胶以增强热传导。

5. 根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述智能温控仪实现一段或多段温控，同时智能温控仪带通讯功能以实现远程监控。