CN104331097B - 半导体制冷冰箱及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷冰箱及其温度控制方法。该方法包括：获取冰箱间室的平均温度与预设的目标温度的温差△T；根据预设的PID调节规则,按公式U=U_PID(△T)+U_best确定的供电电压向冰箱的半导体制冷片供电，其中，U为向半导体制冷片供电的供电电压，U_best为使得半导体制冷片的制冷效率最高的最高效率电压，U_PID(△T)为根据PID调节规则对温差△T进行运算得出的数值;PID调节规则被设置成：当温差大于等于预设的温差阈值时，使得供电电压等于使半导体制冷片产生最大制冷量的最大制冷量电压；当温差降低到温差阈值时，使得供电电压开始从最大制冷量电压下降。本方法可使半导体制冷片以较高制冷效率快速获得最大制冷量而且可精确控制半导体冰箱温度。

Description

半导体制冷冰箱及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及制冷设备，特别是涉及半导体制冷冰箱及其温度控制方法。

背景技术

在现有的半导体制冷冰箱中，为控制冰箱间室的平均温度，一般是通过直接比较冰箱间室的平均温度和设定温度，利用类似于压缩机制冷冰箱中常用的PID算法（或者说，PID调节规则）来确定半导体制冷片的供电电压。

然而，压缩机制冷冰箱中常用的PID调节规则并未考虑到半导体制冷片特殊的制冷特性，不能保证半导体制冷冰箱在正常工作维持其内的制冷空间温度时，半导体制冷片能够以实现较高制冷效率的方式工作，或者不能保证在需要半导体制冷冰箱快速制冷时，半导体制冷片能够以快速获得最大制冷量的方式工作。

此外，在简单利用压缩机制冷冰箱中常用的PID调节规则来确定半导体制冷片的供电电压时，还可能会出现半导体制冷片供电电压过高的情况。在半导体制冷片供电电压过高时，半导体制冷片的热端温度会快速上升，最终导致半导体制冷片损坏。

发明内容

本发明的一个目的旨在克服现有技术中半导体制冷冰箱及其温度控制方法的至少一个缺陷，提供一种可使半导体制冷片以较高制冷效率快速获得最大制冷量的方式工作而且可精确控制间室的平均温度的半导体制冷冰箱及其温度控制方法。

本发明一个进一步的目的是对半导体制冷片进行保护，避免热端温度过高烧坏半导体制冷片。

为了实现上述一个或多个目的，本发明提供了一种半导体制冷冰箱的温度控制方法，包括：第一数据获取步骤：获取冰箱间室的平均温度与预设的目标温度的温差；制冷供电步骤：根据预设的PID调节规则,按公式U=U_PID(△T)+U_best确定的供电电压向所述冰箱的半导体制冷片供电，其中，U为向所述半导体制冷片供电的供电电压，U_best为使得所述半导体制冷片的制冷效率最高的最高效率电压，△T为冰箱间室的平均温度与预设的目标温度的温差，U_PID(△T)为根据所述PID调节规则对所述温差进行运算得出的数值;所述PID调节规则被设置成：当所述温差大于等于预设的温差阈值时，使得所述供电电压等于使所述半导体制冷片产生最大制冷量的最大制冷量电压；当所述温差降低到所述温差阈值时，使得所述供电电压开始从所述最大制冷量电压下降。

可选地，所述PID调节规则被设置成：当所述温差首次降低到零值后，使得供电电压经历波动变化，以使所述温差等于或趋于零值的供电电压向所述半导体制冷片供电。

可选地，所述第一数据获取步骤还包括采集所述半导体制冷片的热端温度；而且所述方法在所述第一数据获取步骤与所述制冷供电步骤之间还包括：第一热端禁止温度判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出预设的禁止温度；若所述热端温度达到或超出所述禁止温度，则执行如下第一停止供电步骤：将向所述半导体制冷片的供电电压设置为零，停止对所述半导体制冷片供电。

可选地，所述方法在所述第一热端禁止温度判断步骤之后还包括：若所述热端温度小于所述禁止温度，则继续执行如下热端保护温度上限判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出预设的热端保护温度上限，其中所述热端保护温度上限小于所述禁止温度；若所述热端温度达到或超出所述热端保护温度上限，则执行如下第一降至维持电压步骤：降低所述供电电压至预设的维持电压；若所述热端温度小于所述热端保护温度上限，则执行所述制冷供电步骤。

可选地，所述方法在所述第一降至维持电压步骤之后还包括：第二数据获取步骤：获取所述平均温度与所述目标温度的温差，并采集所述热端温度；第二热端禁止温度判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出所述禁止温度；若所述热端温度达到或超出所述禁止温度，则执行如下第二停止供电步骤：将向所述半导体制冷片的供电电压设置为零，停止对所述半导体制冷片供电；若所述热端温度小于所述禁止温度，则执行如下热端保护温度下限判断步骤：判断所述热端温度是否达到或低于预设的热端保护温度下限，其中所述热端保护温度下限小于所述热端温度保护上限；若所述热端温度达到或低于所述热端保护温度下限，则执行所述制冷供电步骤；若所述热端温度大于所述热端保护温度下限，则执行如下第二降至维持电压步骤：降低或保持所述供电电压至所述维持电压。

可选地，在执行所述第二停止供电步骤后，所述方法循环回所述第二数据获取步骤继续执行。

可选地，执行所述第二降至维持电压步骤后，所述方法循环回所述第二数据获取步骤继续执行。

可选地，所述维持电压为根据冰箱最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

可选地，在执行所述制冷供电步骤后，所述方法循环回所述第一数据获取步骤继续执行。

可选地，所述第一数据获取步骤和所述第二数据获取步骤分别包括：获取预设的所述目标温度，并采集冰箱间室的所述平均温度；计算所述平均温度与所述预设值T_S之间的温差。

可选地，所述PID调节规则还被设置成使得：所述供电电压的最大值为一预设的最大供电电压，其等于所述最大制冷量电压；所述供电电压的最小值为一预设的最小供电电压，其小于或等于根据冰箱最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

为了实现上述一个或多个目的，本发明还提供了一种半导体制冷冰箱，包括温度控制系统，所述温度控制系统包括：主控板，配置成执行上述温度控制方法，确定向所述半导体制冷冰箱的半导体制冷片供电的供电电压。

可选地，所述冰箱还包括：间室温度传感器，配置成检测冰箱间室的平均温度；热端温度传感器，配置成检测半导体制冷片的热端温度；温度设定模块，配置成设定冰箱间室内所要达到的目标温度。

本发明的半导体制冷冰箱的温度控制方法由于根据预设的PID调节规则,按公式U=U_PID(△T)+U_best确定的供电电压向冰箱的半导体制冷片供电，因此能够使半导体制冷片的供电电压能够维持在最高效率电压U_best附近，实现较优的制冷效果。

具体地，在本发明的方法中，当温差大于等于预设的温差阈值时，使得供电电压等于最大制冷量电压，因此能够在温差较大时以较高制冷效率迅速降低温度，使得温差迅速趋于一个较小值；当温差降低到温差阈值时，使得供电电压开始从最大制冷量电压下降，因此能够避免降温过快，以免降低到远低于预设值的温度，造成不良制冷效果。

进一步地，在本发明的方法中，当热端温度达到或超出禁止温度，则停止对半导体制冷片供电，因此避免了热端温度过高时烧坏半导体制冷片。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的温度控制方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的温度控制方法以较高制冷效率快速获得最大制冷量且将半导体冰箱间室的平均温度精确控制到设定的目标温度的示意性曲线图；

图3是根据本发明一个实施例的温度控制方法在半导体制冷片热端温度较高时对其供电电压进行控制的示意性曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的半导体制冷片的供电电压与制冷效率及制冷量关系的示意性曲线图；

图5是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的示意性框图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的温度控制方法的流程图。在图1所示的实施例中，该温度控制方法可包括：

第一数据获取步骤101，获取冰箱间室的平均温度T_r与预设的目标温度T_S的温差△T，采集半导体制冷片的热端温度T_hot；

第一热端禁止温度判断步骤102，判断热端温度T_hot是否达到或超出预设的禁止温度；若热端温度T_hot达到或超出禁止温度，则执行第一停止供电步骤103：将向半导体制冷片的供电电压U设置为零，停止对半导体制冷片供电，U为向半导体制冷片供电的供电电压；

热端保护温度上限判断步骤104，在热端温度T_hot小于禁止温度时执行，判断热端温度T_hot是否达到或超出预设的热端保护温度上限，其中热端保护温度上限小于禁止温度；若热端温度T_hot小于热端保护温度上限，则执行制冷供电步骤105；

制冷供电步骤105，根据预设的PID调节规则,按公式U=U_PID(△T)+U_best确定的供电电压U向冰箱的半导体制冷片供电。

第一数据获取步骤101可以具体包括：获取预设的目标温度T_S，并采集冰箱间室的平均温度T_r；计算平均温度T_r与预设值T_S之间的温差△T。

在制冷供电步骤105中，U_best为使得半导体制冷片的制冷效率最高的最高效率电压，U_PID(△T)为根据PID调节规则对温差△T进行运算得出的数值。在本发明的一些实施例中，在执行制冷供电步骤105后，本发明的温度控制方法可以循环回第一数据获取步骤101继续执行。

需要说明的是，在本发明温度控制方法的其他一些实施例中，第一热端禁止温度判断步骤102至热端保护温度上限判断步骤104并不是必须的。在这样的实施例中，在第一数据获取步骤101中可以仅仅采集温差△T，而无需采集热端温度T_hot；在第一数据获取步骤101执行完毕后，直接执行制冷供电步骤105。

图2是根据本发明一个实施例的温度控制方法以较高制冷效率快速获得最大制冷量且将半导体冰箱间室的平均温度精确控制到设定的目标温度的示意性曲线图。如图2所示，PID调节规则可以被设置成：当温差△T大于等于预设的温差阈值△T_thd时，使得供电电压U等于最大制冷量电压U_max-cold，这样能对热端进行迅速降温；当温差△T降低到温差阈值△T_thd时，使得供电电压U开始从最大制冷量电压U_max-cold下降，这样不再以较大的供电电压对半导体制冷片进行供电，能够避免冰箱内的温度降低到远低于预设定值的温度而造成不良制冷效果。在制冷供电步骤105中，可以按此规则对半导体制冷片进行供电。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，PID调节规则可被设置成：当温差△T首次降低到零值后，使得供电电压U经历波动变化，以使温差△T等于或趋于零值的供电电压U向半导体制冷片供电。在制冷供电步骤105中，可按此规则对半导体制冷片进行供电。这样能够使得供电电压U最终稳定在最高效率电压U_best附近。

在本发明的另一个实施例中，若热端温度T_hot达到或超出热端保护温度上限，则执行第一降至维持电压步骤106：降低供电电压U至预设的维持电压U_keep。所述维持电压U_keep为在环境温度过高、空气流通性差、湿度过大、温差较大等极端情况下能维持冰箱间室的平均温度T_r缓慢上升或者下降的电压，其一个目的在于尽量保证热端的温度不大于预设的热端保护温度下限。

在本发明的一个实施例中，在第一降至维持电压步骤106之后，依次执行第二数据获取步骤107、第二热端禁止温度判断步骤108。第二数据获取步骤107为：获取平均温度T_r与目标温度T_S的温差△T，并采集热端温度T_hot，第二数据获取步骤107可以具体包括：获取目标温度T_S，并采集平均温度T_r；计算平均温度T_r与预设值T_S之间的温差△T。第二热端禁止温度判断步骤108为：判断热端温度T_hot是否达到或超出禁止温度。

在第二热端禁止温度判断步骤108执行完毕后，若热端温度T_hot达到或超出禁止温度，则执行第二停止供电步骤109：将向半导体制冷片的供电电压U设置为零，停止对半导体制冷片供电；若热端温度T_hot小于禁止温度，则执行热端保护温度下限判断步骤110：判断热端温度T_hot是否达到或低于预设的热端保护温度下限，其中热端保护温度下限小于热端温度保护上限。在执行第二停止供电步骤109后，本发明的温度控制方法可以循环回第二数据获取步骤107继续执行。

在热端保护温度下限判断步骤110执行完毕后，若热端温度T_hot达到或低于热端保护温度下限，则执行制冷供电步骤105；若热端温度T_hot大于热端保护温度下限，则执行第二降至维持电压步骤111：降低或保持供电电压U至维持电压Ukee_p。这样在热端温度较高，但尚未足以达到停止对半导体制冷片供电的条件时，以较低的供电电压U满足冰箱的制冷量，也使得半导体制冷片的热端温度下降，从而在不停止制冷的情况下保护半导体制冷片。在执行第二降至维持电压步骤111后，本发明的温度控制方法可循环回第二数据获取步骤107继续执行。

图3是根据本发明一个实施例的温度控制方法在半导体制冷片热端温度较高时对其供电电压进行控制的示意性曲线图。在图3所示实施例中，在例如环境温度过高、空气流通性差、湿度过大、温差△T大于等于预设的温差阈值△T_thd等冰箱需要大的制冷量的情况下，以最大制冷量电压U_max-cold为供电电压，使得半导体制冷片的冷端较快制冷，热端温度T_hot由一个低值逐渐升高到热端温度保护上限。在此过程中，不断进行热端保护温度上限判断步骤104。在热端保护温度上限判断步骤104的判定为达到或超出热端保护温度上限时，如图3所示，执行第一降至维持电压步骤106，使得供电电压U降低至维持电压Ukee_p。由于供电电压U下降了，热端温度T_hot也下降，在此过程中，依次执行第二数据获取步骤107、第二热端禁止温度判断步骤108。如图3所示，热端温度T_hot并没有超过禁止温度，因此第二热端禁止温度判断步骤108的判定始终为否，根据前述方法，执行热端保护温度下限判断步骤110。当热端温度T_hot达到热端保护温度下限，则执行制冷供电步骤105。由图3可以看出，若此时温差△T大于温差阈值△T_thd，则根据PID调节规则得到的供电电压U可为最大制冷量电压U_max-cold。重复上述过程，直至冰箱间室的平均温度△T小于温差阈值△T_thd后开始按PID调节规则降低电压。如前文所述，当这两个温度之间的温差△T降低到预设的温差阈值△T_thd内时，供电电压可为低于最大制冷量电压U_max-cold的某个值；然后，当温差△T首次降低到零值后，使得供电电压经历波动变化，以使温差△T等于或趋于零值的供电电压向所述半导体制冷片供电。

图4是根据本发明一个实施例的半导体制冷片的供电电压与制冷效率及制冷量关系的示意性曲线图。如图4所示，根据供电电压U与制冷效率的关系，可将供电电压U划分为4个区域：第一非经济区401、高效区402、高制冷量区403、第二非经济区404。第一非经济区401的制冷量非常小，基本上不能满足冰箱的最低制冷需求；第二非经济区404中虽然半导体的制冷量本身可能满足冰箱的最低制冷需求，但是由于此区域所需的供电电压U高，功耗要比高效区402和高制冷量区403高很多；因此在本发明的实施例中，不使用第一非经济区401和第二非经济区404的供电电压U为半导体制冷片供电，而是使半导体制冷片的供电电压U位于高效区402和高制冷量区403。也就是说，在本发明的实施例中，将根据对半导体制冷冰箱制冷效率的要求，根据实验确定所用半导体制冷片供电电压的最大值（即最大供电电压U_max）和最小值（即最小供电电压U_min），使半导体制冷片的工作电压位于这两个值所限定的高效区402和高制冷量区403内。

如图4所示，最大供电电压U_max可通过实验选取为最大制冷量电压U_max-cold，即：可将本发明中的PID调节规则设置成使其在前文所述的公式中使得供电电压U的最大值被确定为最大制冷量电压U_max-cold，也就是说，U_PID(△T)在△T大于温差阈值△T_thd时被赋值限定为最大制冷量电压U_max-cold减最高效率电压U_best。

也如图4所示，最小供电电压U_min可通过实验选取为第一非经济区401与高效区402划界的供电电压U，即最小制冷量电压U_min-cold。类似地，可将本发明实施例中的PID调节规则设置成使其在前文所述的公式中使得供电电压U的最小值被确定为最小制冷量电压U_min-cold。也就是说，U_PID(△T)在△T小于一定阈值时可被赋值限定为最小制冷量电压U_min-cold减最高效率电压U_best（此时计算出的电压数值为一负值）。在本发明的一些替代性实施例中，最小供电电压U_min也可略低于满足冰箱最小制冷量电压U_min-cold。

此外，如本领域技术人员根据图4可认识到的，最高效率电压U_best可经实验得到，其值显然处于最大制冷量电压U_max-cold和最小制冷量电压U_min-cold之间。

需要理解的是，维持电压Ukee_p通常可在最小供电电压Umin与最高效率电压Ubest间取值。在本发明的一些实施例中，维持电压Ukee_p的选取原则是考虑在冰箱处在环境温度过高、空气流通性差、湿度过大、温差较大等极端情况下时，使冰箱内的温度还能较快地降到最低到设定温度。被选取的维持电压Ukee_p的值是在这些极端情况下，通过模拟实验得出，这个值与U_max-cold的差值不是很大。

图5是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的示意性框图。在图5所示的实施例中，提供了一种半导体制冷冰箱，该冰箱包括温度控制系统，该温度控制系统可包括：主控板501，配置成执行上述温度控制方法，确定向所述半导体制冷冰箱的半导体制冷片502供电的供电电压U。

在本发明的一个实施例中，该半导体制冷冰箱还可以包括间室温度传感器503、热端温度传感器504和温度设定模块505。其中，间室温度传感器检测冰箱间室的平均温度T_r；热端温度传感器检测半导体制冷片的热端温度T_hot；温度设定模块设定冰箱间室内所要达到的目标温度T_S。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (13)

1.一种半导体制冷冰箱的温度控制方法，其特征在于，包括：

第一数据获取步骤：获取冰箱间室的平均温度与预设的目标温度的温差；

制冷供电步骤：根据预设的PID调节规则，按公式U＝U_PID(△T)+U_best确定的供电电压向所述冰箱的半导体制冷片供电，其中，U为向所述半导体制冷片供电的供电电压，U_best为使得所述半导体制冷片的制冷效率最高的最高效率电压，△T为冰箱间室的平均温度与预设的目标温度的温差，U_PID(△T)为根据所述PID调节规则对所述温差进行运算得出的数值；

所述PID调节规则被设置成：

当所述温差大于等于预设的温差阈值时，使得所述供电电压等于使所述半导体制冷片产生最大制冷量的最大制冷量电压；

当所述温差降低到所述预设的温差阈值时，使得所述供电电压开始从所述最大制冷量电压下降。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述PID调节规则被设置成：

当所述温差首次降低到零值后，使得供电电压经历波动变化，以使所述温差等于或趋于零值的供电电压向所述半导体制冷片供电。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一数据获取步骤还包括采集所述半导体制冷片的热端温度；而且

所述方法在所述第一数据获取步骤与所述制冷供电步骤之间还包括：

第一热端禁止温度判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出预设的禁止温度；

若所述热端温度达到或超出所述禁止温度，则执行如下第一停止供电步骤：将向所述半导体制冷片的供电电压设置为零，停止对所述半导体制冷片供电。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述方法在所述第一热端禁止温度判断步骤之后还包括：

若所述热端温度小于所述禁止温度，则继续执行如下热端保护温度上限判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出预设的热端保护温度上限，其中所述热端保护温度上限小于所述禁止温度；

若所述热端温度达到或超出所述热端保护温度上限，则执行如下第一降至维持电压步骤：降低所述供电电压至预设的维持电压；

若所述热端温度小于所述热端保护温度上限，则执行所述制冷供电步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述方法在所述第一降至维持电压步骤之后还包括：

第二数据获取步骤：获取所述平均温度与所述目标温度的温差，并采集所述热端温度；

第二热端禁止温度判断步骤：判断所述热端温度是否达到或超出所述禁止温度；

若所述热端温度达到或超出所述禁止温度，则执行如下第二停止供电步骤：将向所述半导体制冷片的供电电压设置为零，停止对所述半导体制冷片供电；

若所述热端温度小于所述禁止温度，则执行如下热端保护温度下限判断步骤：判断所述热端温度是否达到或低于预设的热端保护温度下限，其中所述热端保护温度下限小于所述热端温度保护上限；

若所述热端温度达到或低于所述热端保护温度下限，则执行所述制冷供电步骤；

若所述热端温度大于所述热端保护温度下限，则执行如下第二降至维持电压步骤：降低或保持所述供电电压至所述维持电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在执行所述第二停止供电步骤后，所述方法循环回所述第二数据获取步骤继续执行。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

执行所述第二降至维持电压步骤后，所述方法循环回所述第二数据获取步骤继续执行。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述维持电压为根据冰箱最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，

在执行所述制冷供电步骤后，所述方法循环回所述第一数据获取步骤继续执行。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一数据获取步骤和所述第二数据获取步骤分别包括：

获取预设的所述目标温度，并采集冰箱间室的所述平均温度；

计算所述平均温度与所述预设的目标温度T_S之间的温差。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述PID调节规则还被设置成使得：

所述供电电压的最大值为一预设的最大供电电压，其等于所述最大制冷量电压；

所述供电电压的最小值为一预设的最小供电电压，其小于或等于根据冰箱最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

12.一种半导体制冷冰箱，包括温度控制系统，其特征在于所述温度控制系统包括：

主控板，配置成执行权利要求1-8任一项所述的温度控制方法，确定向所述半导体制冷冰箱的半导体制冷片供电的供电电压。

13.根据权利要求12所述的半导体制冷冰箱，其特征在于，还包括：

间室温度传感器，配置成检测冰箱间室的平均温度；

热端温度传感器，配置成检测半导体制冷片的热端温度；

温度设定模块，配置成设定冰箱间室内所要达到的目标温度。