CN105716341B - 半导体制冷设备及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷设备及其温度控制方法，半导体制冷设备的温度控制方法首先获取制冷设备间室的制冷量需求所对应的供电电压，之后控制能够输出供电电压的额定功率小的功率输出模块为半导体制冷模块供电。因而，半导体制冷模组始终是以能够保证其正常工作的最小额定功率的功率输出模块供电，其它功率输出模块则处于无功耗状态，因而，本发明可以大大降低制冷设备的能耗，提高整机的能效指标。

Description

半导体制冷设备及其温度控制方法

技术领域

本发明属于制冷设备技术领域，特别是一种半导体制冷设备及其温度控制方法。

背景技术

半导体制冷设备一般包括半导体制冷模组和供电电源，供电电源为半导体制冷模组供电，通过调节供电电源输出电压的大小，实现半导体制冷模组的制冷量的改变，从而实现半导体制冷设备温度的控制。现有半导体制冷设备的供电电源都需要满足半导体制冷模组的最大制冷量需求的情况下进行温度控制，因而，需要设置有一个满足半导体制冷模组的最大制冷量需求的大功率的电源。然而，半导体制冷模组在达到制冷量需求后，仅需要一个较小工作电压用于维持所需冷量的消耗，此时，只需要采用一个小功率电源便能够维持半导体制冷模组的正常工作，而现有技术仍然采用大功率电源进行供电，则会导致能效降低，不利于节约电能。

此外，在现有的半导体制冷设备中，为控制制冷设备间室的平均温度，一般是通过直接比较制冷设备间室的平均温度和设定温度，利用类似于压缩机制冷设备中常用的PID算法（或者说，PID调节规则）来确定半导体制冷模块的供电电压。

然而，压缩机制冷设备中常用的PID调节规则并未考虑到半导体制冷模块特殊的制冷特性，不能保证半导体制冷制冷设备在正常工作维持其内的制冷空间温度时，半导体制冷模块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设备快速制冷时，半导体制冷模块能够快速获得最大制冷量的方式工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体制冷设备的温度控制方法，在满足半导体制冷设备的制冷需求的同时大大降低了半导体制冷设备的能耗。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种半导体制冷设备的温度控制方法，所述制冷设备包括半导体制冷模组，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，所述制冷设备还包括有至少两个额定功率不同的功率输出模块，所述温度控制方法为：

制冷量需求供电电压获取步骤：获取制冷设备间室的制冷量需求所对应的半导体制冷模块的供电电压U；

制冷供电步骤：控制能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为所述半导体制冷模块供电。

优选的，功率输出模块包括额定功率小的第一功率输出模块和额定功率大的第二功率输出模块。

进一步的，所述第一功率模块输出电压范围为（Umin，Ubest），所述第二功率模块输出电压范围为（Ubest，Umax）；其中，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。

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

优选的，制冷量需求供电电压获取步骤之前包括数据获取步骤：获取制冷设备间室的平均温度Tr与预设的目标温度Ts的温差△T；

制冷量需求供电电压获取步骤根据温差△T确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U。

进一步的，制冷量需求供电电压获取步骤按公式U=UPID(△T)+Ubest获取向所述半导体制冷模块供电的供电电压U，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(△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。

进一步的，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模块供电。

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，确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U，控制能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为所述半导体制冷模块供电。

优选的，半导体制冷设备包括额定功率小的第一功率输出模块和额定功率大的第二功率输出模块，用于向所述半导体制冷模块供电。

进一步的，第一功率输出模块输出的电压范围为（Umin，Ubest），所述第二功率输出模块输出的电压范围为（Ubest，Umax）；其中，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。

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

半导体制冷设备，还包括：

间室温度传感器，用于检测间室的平均温度Tr并传输至主控板；

温度设定模块，用于设定间室内所要达到的目标温度Ts并传输至主控板。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明半导体制冷设备的温度控制方法首先获取制冷设备间室的制冷量需求所对应的供电电压，之后控制能够输出供电电压的额定功率小的功率输出模块为半导体制冷模块供电。因而，半导体制冷模组始终是以能够保证其正常工作的最小额定功率的功率输出模块供电，其它功率输出模块则处于无功耗状态，因而，本发明可以大大降低制冷设备的能耗，提高整机的能效指标。

进一步的，本发明的半导体制冷设备的温度控制方法由于根据预设的PID调节规则,按公式U=UPID(△T)+Ubest确定的供电电压向半导体制冷设备的半导体制冷模块供电，因此能够使半导体制冷模块的供电电压维持在最高效率电压Ubest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。

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的半导体制冷设备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制冷涩北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4是根据本发明一个实施例的电源效率比较示意图。

图5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。

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。

半导体制冷设备包括半导体制冷模组和为半导体制冷模组供电的供电电源，其中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，供电电源包括有至少两个额定功率不同的功率输出模块，根据半导体设备的制冷量需求确定供电电压U，选择能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为半导体制冷模块供电，半导体制冷模块始终由能够保证其正常工作的最小额定功率的功率输出模块供电，可以大大降低制冷设备的能耗，提高整机的能效指标。

本实施例以供电电源包括两个额定功率不同的功率输出模块对半导体制冷设备的温度控制方法进行说明，供电电源包括输出电压范围为（Umin，Ubest）额定功率小的第一功率输出模块和输出电压范围为（Ubest，Umax）额定功率大的第二功率输出模块，而多个额定功率不同的功率输出模块的实现原理与两个功率输出模块的实现原理类似并且能够实现本发明的目的，均在本发明的保护范围之内。

图1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1所示的实施例中，该温度控制方法可包括：

数据获取步骤S101，获取制冷设备间室的平均温度Tr与预设的目标温度Ts的温差△T；

制冷量需求供电电压获取步骤S102，根据温差△T确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U。

本实施例根据预设的PID调节规则,按公式U=UPID(△T)+Ubest确定的供电电压U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(△T)为根据PID调节规则对温差△T进行运算得出的数值。

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2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。

本实施例的PID 调节规则还包括：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模块供电。在制冷供电步骤中，可按此规则对半导体制冷模块进行供电。这样能够使得供电电压U最终稳定在最高效率电压Ubest附近。

制冷供电步骤S103：控制能够输出供电电压U的第一功率输出模块或第二功率输出模块为所述半导体制冷模块供电。

第一功率输出模块的额定功率为50W，输出电压范围为（Umin，Ubest）；

第二功率输出模块的额定功率为200W，输出电压范围为（Ubest，Umax）；

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。

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

图3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3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3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3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3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。

因而，当根据温差△T确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U后

若U≤Ubest时，控制第一功率输出模块为半导体制冷模块供电；

若U＞Ubest时，控制第二功率输出模块为半导体制冷模块供电；

如图4所示，为第一功率输出模块（小功率电源）输出Umin-Ubest范围的电压、第二功率输出模块输出Ubest-Umax范围的电压与第二功率输出模块（大功率电源）输出Umin-Umax范围的电压时的效率比较示意图。第一功率输出模块的输出电压在Umin-Ubest时的效率最高，第二功率输出模块的输出电压在Ubest-Umax时的效率最高。当单独使用第二功率输出模块时，即只采用大功率电源供电，则其在输出电压小于Ubest时效率下降明显，损耗较大。

因而，本实施例采用第一功率输出模块和第二功率输出模块切换供电的方式，即当输出电压在Ubest以下时，采用小功率电源进行供电，当需要输出电压在Ubest以上时采用大功率电源供电，这样可以保证在需求的整个功率范围内都可以使小功率电源和大功率电源均工作在较高转换效率的工况之下，大大降低了能耗。

图5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5所示的实施例中，提供了一种半导体制冷设备，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501，配置成执行上述温度控制方法，确定向所述半导体制冷设备的半导体制冷模块507供电的供电电压U，输出控制信号至电子开关506选择并控制能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为至少一组半导体制冷模块507供电。半导体制冷模块507的冷端散热器用于为制冷设备间室进行制冷。

本实施例的半导体制冷设备包括额定功率小的第一功率输出模块504和额定功率大的第二功率输出模块505，第一功率输出模块504输出的电压范围为（Umin，Ubest），第二功率输出模块505输出的电压范围为（Ubest，Umax）；

其中，Ubest为使得所述半导体制冷模块507的制冷效率最高的最高效率电压。

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

若供电电压U≤Ubest，则控制板501输出控制信号至电子开关506，控制第一功率输出模块给半导体制冷模块507供电的电路闭合，第二功率输出模块给半导体制冷模块507供电的电路断开；

若供电电压U＞Ubest，则控制板501输出控制信号至电子开关506，控制第二功率输出模块给半导体制冷模块507供电的电路闭合，第一功率输出模块给半导体制冷模块507供电的电路断开。

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502、温度设定模块503。其中，间室温度传感器502检测半导体制冷设备间室的平均温度Tr；温度设定模块503设定半导体制冷设备间室内所要达到的目标温度Ts。

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 (9)

1.一种半导体制冷设备的温度控制方法，所述制冷设备包括半导体制冷模组，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，其特征在于，所述制冷设备还包括有至少两个额定功率不同的功率输出模块，所述温度控制方法为：

数据获取步骤：获取制冷设备间室的平均温度Tr与预设的目标温度Ts的温差△T；

制冷量需求供电电压获取步骤：获取制冷设备间室的制冷量需求所对应的半导体制冷模块的供电电压U；根据温差△T确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U; 制冷量需求供电电压获取步骤按公式U=UPID(△T)+Ubest获取向所述半导体制冷模块供电的供电电压U，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(△T)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：控制能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为所述半导体制冷模块供电;

所述功率输出模块包括额定功率小的第一功率输出模块和额定功率大的第二功率输出模块;

所述第一功率模块输出电压范围为（Umin，Ubest），所述第二功率模块输出电压范围为（Ubest，Umax）；其中，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。

2.根据权利要求1所述的半导体制冷设备的温度控制方法，其特征在于，

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

3.根据权利要求1所述的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。

4.根据权利要求3所述的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模块供电。

5.一种半导体制冷设备，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1-4任意一项所述的温度控制方法，确定向所述半导体制冷模块供电的供电电压U，控制能够输出供电电压U的额定功率小的功率输出模块为所述半导体制冷模块供电。

6.根据权利要求5所述的半导体制冷设备，其特征在于，所述半导体制冷设备包括额定功率小的第一功率输出模块和额定功率大的第二功率输出模块，用于向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，所述第一功率输出模块输出的电压范围为（Umin，Ubest），所述第二功率输出模块输出的电压范围为（Ubest，Umax）；其中，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。

8.根据权利要求7所述的半导体制冷设备，其特征在于，

Umax≥根据半导体制冷设备最大制冷量需求确定的最大制冷量电压；

Umin≤根据半导体制冷设备最低制冷需求确定的最小制冷量电压。

9.根据权利要求5-8任意一项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，用于检测间室的平均温度Tr并传输至主控板；

温度设定模块，用于设定间室内所要达到的目标温度Ts并传输至主控板。