CN105627645B - 多温区半导体制冷设备及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多温区半导体制冷设备及其温度控制方法，分别根据第i个间室的制冷量需求获取供电电压Ui，确定供电电压Ui中的最大值，控制供电电源输出最大值为半导体制冷模块供电，因而，每个间室可根据用户需求设定制冷量需求，每个温区的温度可以任意调节，各个间室之间可实现需求的任意温度差异，能够满足用户的不同需求，真正实现多个温区。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。

Description

多温区半导体制冷设备及其温度控制方法

技术领域

本发明属于半导体制冷设备技术领域，特别是一种多温区半导体制冷设备及其温度控制方法。

背景技术

现有技术中的半导体制冷设备通过半导体制冷模块的冷端释放冷量对箱体内的储物空间进行制冷。但是，在实际使用过程中，都是通过箱内的自然冷却，由于重力场的作用，箱内下部温度低，上部温度高，在箱内可放置搁板，形成温度差异较小的温区。但是，由于下部温度低，上部温度高，因而下部只能存放储藏温度需求较高的物品，上部只能存放储藏温度需求温度较低的物品，温区位置固定，不能变换，而且，温区温度差异有限，无法满足不同用户的不同存储需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多温区半导体制冷设备的温度控制方法，制冷设备多个温区可分别进行温度设定控制，可根据用户需求设定任意温区为需求的温度，满足用户的不同需求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种多温区半导体制冷设备的温度控制方法，所述半导体制冷设备包括至少两个彼此隔热的内胆，所述内胆内部形成间室，所述内胆由半导体制冷模组制冷，所述半导体制冷模组包括半导体制冷模块、冷端散热器和热端散热器，所述冷端散热器连接在所述半导体制冷模块的冷端，所述热端散热器连接在所述半导体制冷模块的热端，所述冷端散热器还与所述内胆连接，所述制冷设备还包括为半导体制冷模块供电的供电电源，所述温度控制方法为：

制冷量需求供电电压获取步骤：分别获取第i个间室的制冷量需求所对应的供电电压Ui；

制冷供电步骤：确定供电电压Ui中的最大值，控制所述供电电源输出供电电压Ui中的最大值为所述半导体制冷模块供电。

优选的，所述制冷量需求供电电压获取步骤为：获取第i个间室的平均温度Tri与预设的目标温度Tsi的温差△Ti；根据温差△Ti确定第i个间室的半导体制冷模块所需的供电电压Ui。

进一步的，按公式Ui=UPID(△Ti)+Ubest获取向第i个间室半导体制冷模块供电的供电电压Ui，Ubest为使得所述半导体制冷模块的制冷效率最高的最高效率电压， UPID(△Ti)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模块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。

其中，制冷供电步骤还包括：若△Ti=0，控制所述供电电源为第i个间室的半导体制冷模块供电的电路断开。

并且供电电源为第i个间室的半导体制冷模块供电的电路断开后，若△Ti＞设定值，进入制冷量需求供电电压获取步骤。

当第i个间室的平均温度Tri与预设的目标温度Tsi的温差△Ti均达到0后，确定维持电压，所述维持电压为维持冷量消耗所需的电压。

基于上述温度控制方法的设计，本发明还提出了一种半导体制冷设备，包括温度控制系统，所述温度控制系统包括：

主控板，配置成执行上述的温度控制方法，分别确定向所述第i个间室的半导体制冷模块供电的供电电压Ui，控制功率输出模块输出供电电压Ui中的最大值为所述半导体制冷模块供电。

进一步的，还包括：

间室温度传感器，用于检测每个间室的平均温度Tri并传输至主控板；

温度设定模块，用于设定每个间室内所要达到的目标温度Ts并传输至主控板。

半导体制冷设备内胆内部设置有至少一个非隔热搁架，将所述内胆分隔为垂直分布的具有温度差异的多个空间。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明多温区半导体制冷设备的温度控制方法分别根据第i个间室的制冷量需求获取供电电压Ui，确定供电电压中的最大值，控制供电电源输出最大值为半导体制冷模块供电，因而，每个间室可根据用户需求设定制冷量需求，每个温区的温度可以任意调节，各个间室之间可实现需求的任意温度差异，能够满足用户的不同需求，真正实现多个温区。本发明的温度控制方法能够使各个温区迅速达到设定值。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。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例半导体制冷设备内胆与半导体制冷模组组装结构及温区分布示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是根据本发明一个实施例的半导体制冷设备的温度控制方法的流程图。

图4是根据本发明一个实施例的以较高制冷效率快速获得最大制冷量且将半导体制冷设备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5是根据本发明一个实施例的半导体制冷模块的供电电压与制冷效率及制冷量关系的示意性曲线图。

图6是根据本发明一个实施例的半导体制冷设备的示意性框图。

图7是根据本发明另一个实施例的半导体制冷设备的示意性框图。

图8是根据本发明另一个实施例的温区分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

多温区半导体制冷设备可以是冰箱、酒柜、冷柜以及冰吧等。例如，酒柜中会根据不同的酒品类别进行分类储存，比如红葡萄酒适宜的温区是10-18℃；白葡萄酒适宜的温区是5-10℃；香槟酒则是3-5℃。而冰吧产品需要的温区范围会更加宽广，区分为水果区，蔬菜区，酒品区，茶叶区等等。本发明的多温区半导体制冷设备包括至少两个彼此隔热的内胆，每个内胆内部形成一个间室，每个间室形成一个温区。内胆由半导体制冷模组制冷，半导体制冷模组包括半导体制冷模块、冷端散热器和热端散热器，冷端散热器连接在半导体制冷模块的冷端，热端散热器连接在半导体制冷模块的热端，冷端散热器还与内胆连接，为内胆提供制冷量。本发明的半导体制冷模组可以根据需要独立工作，并且通过冷端散热器在内胆的分布，获得各种适宜温度的温区。

本实施例以两个内胆形成两个温区为例进行说明：

如图1、2所示，本实施例半导体制冷设备包括两个内胆205、两组半导体制冷模组，每个内胆形成一个间室。半导体制冷模组包括半导体制冷模块201、202，冷端散热器203、204和热端散热器（图中未示出），冷端散热器203连接在半导体制冷模块201的冷端，冷端散热器204连接在半导体制冷模块202的冷端，热端散热器均连接在半导体制冷模块201和202的热端。两个内胆205之间通过隔热层208实现隔热，冷端散热器203连接在上内胆205上，为上内胆205提供制冷量，形成温区1；冷端散热器204连接在下内胆205上，为下内胆205提供制冷量，形成温区2。

图3是根据本发明一个实施例的半导体制冷设备的温度控制方法的流程图。在图3所示的实施例中，该温度控制方法可包括：

数据获取步骤101，获取制冷设备第一间室的平均温度Tr1与预设的目标温度Ts1的温差△T1；获取制冷设备第二间室的平均温度Tr2与预设的目标温度Ts2的温差△T2。

制冷量需求供电电压获取步骤102，根据温差△T1确定向第一间室半导体制冷模块供电的供电电压U1，根据温差△T2确定向第一间室半导体制冷模块供电的供电电压U2。

本实施例根据预设的PID调节规则,按公式Ui=UPID(△Ti)+Ubest确定的供电电压Ui向制冷设备的半导体制冷模块供电。其中，Ubest为使得半导体制冷模块的制冷效率最高的最高效率电压，UPID(△Ti)为根据PID调节规则对温差△Ti进行运算得出的数值。

图4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制冷设备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4所示，本实施例的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△Tthd时，使得供电电压U等于最大制冷量电压Umax-cold，这样能对间室进行迅速降温；当温差△T降低到温差阈值△Tthd时，使得供电电压U开始从最大制冷量电压Umax-cold下降，这样不再以较大的供电电压对半导体制冷模块进行供电，能够避免半导体制冷设备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。

制冷供电步骤103：确定供电电压U1、U2中的最大值，控制供电电源输出U1、U2中的最大值为第一间室和第二间室的半导体制冷模块供电。

重复数据获取步骤101。

制冷供电步骤中的供电电源的输出电压范围为（Umin，Umax）；

图5是根据本发明一个实施例的半导体制冷模块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5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，基本上不能满足半导体制冷设备的最低制冷需求；第二非经济区404中虽然半导体的制冷量本身可能满足半导体制冷设备的最低制冷需求，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为半导体制冷模块供电，而是使半导体制冷模块的供电电压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设备制冷效率的要求，根据实验确定所用半导体制冷模块供电电压的最大值（即最大供电电压Umax）和最小值（即最小供电电压Umin），使半导体制冷模块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5所示，最大供电电压Umax可通过实验选取为最大制冷量电压Umax-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Umax-cold，也就是说，UPID(△T)在△T大于温差阈值△Tthd时被赋值限定为最大制冷量电压Umax-cold减最高效率电压Ubest。

也如图5所示，最小供电电压Umin可通过实验选取为第一经济区401与高效区402划界的供电电压U，即最小制冷量电压Umin-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Umin-cold。也就是说，UPID(△T)在△T小于一定阈值时可被赋值限定为最小制冷量电压Umin-cold减最高效率电压Ubest（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Umin也可略低于满足半导体制冷设备最小制冷量电压Umin-cold。

此外，如本领域技术人员根据图5可认识到的，最高效率电压Ubest可经实验得到，其值显然处于最大制冷量电压Umax-cold和最小制冷量电压Umin-cold之间。

在制冷供电步骤103中还包括以下步骤：

1031，判断△T1是否为0？若△T1为0，进入步骤1032。

1032，控制供电电源为第1间室的半导体制冷模块供电的电路断开。

1033，判断△T2是否为0？若△T2为0，进入步骤1034。

1034，控制供电电源为第2间室的半导体制冷模块供电的电路断开。

1035，判断△T1、△T2是否均为0，若是，进入步骤1036。

1036，确定维持电压Ukeep为第1间室和第2间室供电，所述维持电压Ukeep为维持冷量消耗所需的电压。

1037，判断△T1或△T2＞设定值？设定值为0或接近0的较小值，若是，进入步骤S101。

图6是根据本发明一个实施例的半导体制冷设备的示意性框图。在图6所示的实施例中，提供了一种双温区半导体制冷设备，该半导体制冷设备包括温度控制系统，该温度控制系统可包括：

主控板503，配置成执行上述温度控制方法，确定向第1、2间室的半导体制冷模块5011、5012供电的供电电压U1、U2，确定供电电压的最大值，控制功率输出模块504输出供电电压中的最大值为第1、2半导体制冷模块供电。

在本发明的一个实施例中，该半导体制冷设备还可以包括间室温度传感器505、温度设定模块506。其中，间室温度传感器505检测每个半导体制冷设备间室1、2的平均温度Tr1、Tr2；温度设定模块506设定半导体制冷设备间室1、2内所要达到的目标温度Ts1、Ts2。

当然，本发明能够实现的温区数目并不限制在两个，可根据实际情形设置n个内胆，从而形成n个温区，每个温区对应有半导体制冷模块，相应的半导体制冷模块5011、5012…501n与功率输出模块504之间增设控制供电电路通断的电子开关502即可实现，如图7所示，其实现原理与两个温区类似，均在本发明的保护范围之内。

应该说明的是，为了获得更多的温区，在上述实施例的基础上，可以在每个内胆内部增设至少一个非隔热材料制作的非隔热搁架作为内隔断。非隔热搁架可以为发泡板、玻璃板、塑料抽屉或者钢丝搁架形式，相同的内胆分别采用上述形式的搁架形成的相邻温区的温差会逐步减小。内隔断成能够互传热量的至少两个温区，由于采用直冷方式，受冷量下沉因素的影响，会获得另外温度的温区。如图8所示，在上内胆205和下内胆205内均设置有一个非隔热搁架209，利用上述实施例的温度控制方法形成一个温度为T1的温区11，温度为T2的温区21，则会获得温度为T1-△T3的温区12，T2-△T4的温区22，通过对半导体模组制冷量的设定和冷端散热器热管的排布方式可以获得不同的温度差值，一般热管排布越靠下则获得的相邻两温区温差越大。通常△T3、△T4可以在3-10℃之间。此种方式可以满足冰吧的多温区温度分布需要。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多温区半导体制冷设备的温度控制方法，所述半导体制冷设备包括至少两个彼此隔热的内胆，所述内胆内部形成间室，所述内胆由半导体制冷模组制冷，所述半导体制冷模组包括半导体制冷模块、冷端散热器和热端散热器，所述冷端散热器连接在所述半导体制冷模块的冷端，所述热端散热器连接在所述半导体制冷模块的热端，所述冷端散热器还与所述内胆连接，所述制冷设备还包括为半导体制冷模块供电的供电电源，其特征在于，所述温度控制方法为：

制冷量需求供电电压获取步骤：分别获取第i个间室的制冷量需求所对应的供电电压Ui；所述制冷量需求供电电压获取步骤为：获取第i个间室的平均温度Tri与预设的目标温度Tsi的温差△Ti；根据温差△Ti确定第i个间室的半导体制冷模块所需的供电电压Ui;按公式Ui=UPID(△Ti)+Ubest获取向第i个间室半导体制冷模块供电的供电电压Ui，Ubest为使得所述半导体制冷模块的制冷效率最高的最高效率电压， UPID(△Ti)为根据PID调节规则对所述温差进行运算得出的数值;

制冷供电步骤：确定供电电压Ui中的最大值，控制所述供电电源输出供电电压Ui中的最大值为所述半导体制冷模块供电。

2.根据权利要求1所述的多温区半导体制冷设备的温度控制方法，其特征在于，

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模块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。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的多温区半导体制冷设备的温度控制方法，其特征在于，所述制冷供电步骤还包括：若△Ti=0，控制所述供电电源为第i个间室的半导体制冷模块供电的电路断开。

4.根据权利要求3所述的多温区半导体制冷设备的温度控制方法，其特征在于：所述供电电源为第i个间室的半导体制冷模块供电的电路断开后，若△Ti＞设定值，进入制冷量需求供电电压获取步骤。

5.根据权利要求3所述的多温区半导体制冷设备的温度控制方法，其特征在于：当第i个间室的平均温度Tri与预设的目标温度Tsi的温差△Ti均达到0后，确定维持电压，所述维持电压为维持冷量消耗所需的电压。

6.一种半导体制冷设备，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1-5任意一项所述的温度控制方法，分别确定向所述第i个间室的半导体制冷模块供电的供电电压Ui，控制功率输出模块输出供电电压Ui中的最大值为所述半导体制冷模块供电。

7.根据权利要求6所述的半导体制冷设备，其特征在于：还包括：

间室温度传感器，用于检测每个间室的平均温度Tri并传输至主控板；

温度设定模块，用于设定每个间室内所要达到的目标温度Ts并传输至主控板。

8.根据权利要求6或7所述的半导体制冷设备，其特征在于：所述内胆内部设置有至少一个非隔热搁架，将所述内胆分隔为垂直分布的具有温度差异的多个空间。