CN109489299B - 半导体制冷低温板式冷源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体制冷低温板式冷源及其控制方法。其中，半导体制冷低温板式冷源包括低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；N个半导体制冷单元，半导体制冷单元具有冷端面和热端面，冷端面与低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；M个温度传感器，温度传感器设于低温板的供冷平面，温度传感器与至少一个半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；电源及控制单元，其设有N个电压输出端，电压输出端与半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；电源及控制单元与温度传感器电性连接。本发明能有效地在负载受冷测试应用中实现低温恒温。

Description

半导体制冷低温板式冷源及其控制方法

技术领域

本发明涉及冷源，特别是涉及一种半导体制冷低温板式冷源及其控制方法。

背景技术

半导体制冷利用半导体热电材料珀尔贴效应实现了无压缩机固态温差制冷，与机械压缩制冷方式相比，半导体制冷具有结构紧凑、简洁、冷量调节方便、无振动、无制冷剂环保等特点，在小冷量需求领域得到了广泛应用。由于半导体制冷属温差制冷，冷热端集成在半导体材料组成的同一P、N电偶臂中，冷端温度受热端散热影响较大，同时受半导体材料热电特性制约，较机械压缩制冷，高温差低温制冷及大冷量制冷依然是半导体制冷技术应用的两大瓶颈，但其体积小、重量轻、冷量及温度控制方便等特点使半导体制冷技术在测试应用领域仍占有一席之地。目前在测试应用等领域，很需要一种在负载受冷测试应用中能有效输出低温恒温的半导体制冷冷源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体制冷低温板式冷源，其能有效地在负载受冷测试应用中实现低温恒温。

上述技术问题通过以下技术方案进行解决：

一种半导体制冷低温板式冷源，包括：

低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；

N个半导体制冷单元，所述半导体制冷单元具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；

M个温度传感器，所述温度传感器设于所述低温板的供冷平面，所述温度传感器与至少一个所述半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；

电源及控制单元，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元与所述温度传感器电性连接，用于根据温度传感器的检测值调整电压输出端的输出值，以调整与温度传感器相对应的半导体制冷单元的输入电压。

在其中一个实施例中，M＝N，所述温度传感器与所述半导体制冷单元一一相对应，所述温度传感器与相对应半导体制冷单元的冷端面的中心正相对。

在其中一个实施例中，所述N个半导体制冷单元为相同结构的元件，所述N个半导体制冷单元的冷端面均匀排布地接合于所述低温板的受冷平面。

在其中一个实施例中，所述半导体制冷单元包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接。

在其中一个实施例中，半导体制冷器的P型电偶臂、N型电偶臂的尺寸范围均为高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。

在其中一个实施例中，还包括循环管路、设于所述循环管路内的液体工质以及设于所述循环管路上的热端换热体、换热器、水泵和储液器，所述热端换热体贴合于所述半导体制冷单元的热端面。

在其中一个实施例中，所述热端换热体包括换热主体、第一密封环和换热板，所述换热主体设有迂回流道，所述换热板盖设于所述换热主体上，所述换热板的内侧面设有伸入迂回流道的换热加强筋，所述密封环设于所述换热板与所述换热主体之间。

在其中一个实施例中，还包括均呈环形状的第一低热导接合构件、第二低热导接合构件、隔热套垫和螺栓，所述第一低热导接合构件的背面设有凹槽以及位于所述凹槽中的多条限位加强筋，所述低温板置于所述凹槽中并限定于所述多条限位加强筋之间，所述第二低热导接合构件与所述第一低热导接合构件通过螺钉固定连接并夹持所述低温板，所述第二低热导接合构件内嵌有螺母，所述螺栓穿过所述热端换热体与所述螺母连接，所述隔热套垫套设于所述螺栓并位于所述螺栓与所述热端换热体之间。

在其中一个实施例中，所述低温板上与半导体制冷单元非接合而且非用于与负载接合的表面敷设绝热材料。

本发明具有以下有益效果：

上述半导体制冷低温板式冷源利用设于低温板的供冷平面的M个温度传感器的检测值，作为电源及控制单元调整N个电压输出端输出值的依据，从而调整N个半导体制冷单元的输入电压大小，实时调节N个半导体制冷单元的制冷量，使得在设定的温度点上，半导体制冷单元产生的总冷流与输出负载端的冷流、低温板非负载接合部分消耗的冷流(与环境间热交换)达到动态平衡，从而能有效地实现低温板的供冷平面可以在不同冷负荷负载、不同环境温度、负载接合于供冷平面的不同位置的情况下，确保低温恒温。

本发明还提供一种本申请所述的半导体制冷低温板式冷源的控制方法，包括：

所述M个温度传感器检测低温板的M个温度值T_i并传输至所述电源及控制单元，i∈[1，M]；

电源及控制单元根据M个温度值T_i分别按相应的预设温度-电压曲线调整相应半导体制冷单元的输入电压V_i；

与第i个温度传感器相应的预设温度-电压曲线为：

当T_i≤T_c-ΔT，V_i＝V_0i-min；

当T_c-ΔT＜T_i＜T_c+ΔT，

当T_i≥T_c+ΔT，V_i＝V_0i-max；+ΔT

V_0i-min、V_0i-max分别为与第i个温度感应器相对应的半导体制冷单元的最大及最小输入电压值，对应该半导体制冷单元的最大、最小产冷量；T_c为设定温度，即冷源对外提供的制冷温度；ΔT为温度误差值。ΔT决定了冷源温度控制准确度，ΔT值越小达到恒温温度所需调节周期越长即调节耗时越多，兼顾控制精度及恒温时间，通常为1℃。

上述控制方法是通过电源及控制单元根据温度传感器检测的温度值T_i来调整相应半导体制冷单元的输入电压V_i，以改变半导体制冷器的工作电流，实现分单元、分区域进行各个半导体制冷单元冷量及冷流密度自动调节、控制，以满足整个低温板在负载冷负荷加载后的恒温。

附图说明

图1为半导体制冷低温板式冷源的结构示意图；

图2为热端换热体的分解结构示意图；

图3为热端换热体的截面示意图；

图4为储液器的分解结构示意图；

图5为低温板的制冷区域与半导体制冷单元对应示意图；

图6为低温板的两个不同制冷区域的横向热传导示意图；

图7为不同冷负荷负载工况低温板内部冷量传导示意图；

图8为低温板、半导体制冷单元、热端换热体、低热导接合构件的连接关系示意图；

图9为图8中A部分的放大示意图；

图10为套有垫片的螺栓的结构示意图；

图11为隔热套垫的结构示意图；

图12为电源及控制单元、半导体制冷单元、温度传感器的连接示意图；

图13为半导体制冷单元与低温板制冷区域相关示意图；

图14为用于调整电源及控制单元输出的温度-电压曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1和图12，一种半导体制冷低温板式冷源，包括：

低温板1，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；

N个半导体制冷单元2(U_TEC-1、U_TEC-2、……、U_TEC-N)，所述半导体制冷单元2具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板1的受冷平面接合,N为大于1的整数；

M个温度传感器3(NTC₁、NTC₂、……、NTC_M)，所述温度传感器3设于所述低温板1的供冷平面，所述温度传感器3与至少一个所述半导体制冷单元2相对应，M为小于等于N的整数；

电源及控制单元4，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元2一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元2对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元4与温度传感器3电性连接，用于根据温度传感器3的检测值调整电压输出端的输出值，以调整与温度传感器3相对应的半导体制冷单元2的输入电压。电源及控制单元用于提供电源信号和控制信号。

上述半导体制冷低温板式冷源是由低温板1的供冷平面对外提供冷源；在应用于负载的受冷测试中，是将负载接合于半导体制冷低温板式冷源的低温板1的供冷平面，由半导体制冷低温板式冷源对负载提供低温恒温冷源；半导体制冷单元2产生的冷量通过接合以一定的冷流密度传导到低温板1，利用不同半导体制冷单元2在不同区域产生的冷流在低温板1进行汇聚，通过低温板1的供冷平面传导至负载，当然，低温板1的非负载接合部分会与环境同时进行热交换。

上述半导体制冷低温板式冷源利用设于低温板1的供冷平面的M个温度传感器3的检测值，作为电源及控制单元4调整N个电压输出端输出值的依据，从而调整N个半导体制冷单元2的输入电压大小，实时调节N个半导体制冷单元2的制冷量，使得在设定的温度点上，半导体制冷单元2产生的总冷流与输出负载端的冷流、低温板1非负载接合部分消耗的冷流(与环境间热交换)达到动态平衡，从而有效地实现低温板1的供冷平面可以在不同冷负荷负载、不同环境温度、负载接合于供冷平面的不同位置的情况下，确保低温恒温。

可见，上述半导体制冷低温板式冷源是采用分区冷量调节、冷量均衡控制的方式实现冷源低温恒温。

在一些实施例中，上述电源及控制单元4包括控制器和可控电源，可控电源设有上述N个电压输出端和与上述N个电压输出端分别对应的N个电压受控端，控制器与N个电压受控端、M个温度传感器3电性连接，控制器存储有电压受控端与温度传感器的对应关系，控制器根据温度传感器3的检测值，输出电信号至电压受控端，以改变电压输出端的电压输出值，从而实现调整与温度传感器3相对应的半导体制冷单元2的输入电压。

当然，上述半导体制冷低温板式冷源在应用于负载的受冷测试中实现恒温，是要基于半导体制冷单元2总产冷量大于负载总冷负荷及部分与环境空气间的换热冷量损失。

温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的设置原则为距离相近原则，半导体制冷单元2与距离最为相近的温度传感器3相对应,半导体制冷单元2是择一地与温度传感器3相对应。在实际的排布设置中，温度传感器3均匀地布设于所述低温板1的供冷平面，为优选的方式。在当N>M时，存在一个温度传感器3与多个半导体制冷单元2相对应。

温度传感器3与半导体制冷单元2的设置优选方式为：M＝N，温度传感器3与半导体制冷单元2一一相对应，温度传感器3与相对应半导体制冷单元2的冷端面的中心正相对。

温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的关系存储在电源及控制单元4中。当电源及控制单元4包括控制器和可控电源时，温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的关系存储在控制器中。

在其中一些实施例中，上述半导体制冷单元2可以是半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)。半导体制冷器包括冷基板、热基板以及通过导流体连接于冷基板与热基板之间的P型电偶臂、N型电偶臂。在该方案中，冷基板、热基板的外表面分别作为上述半导体制冷单元2的冷端面和热端面。

在其中一些实施例中，为了更好地提高半导体制冷单元2的制冷量，所述半导体制冷单元2可以(图中未示出)包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接，冷端板、热端板分别具有所述冷端面、热端面。若干个，指个数等于2或大于2。为保证每个半导体制冷器与冷端板、热端板的接合状态良好，半导体制冷器之间的厚度误差范围≤±0.02mm。P型电偶臂、N型电偶臂的材质为半导体热电材料，由于半导体热电材料电导率随温度单调减小，即TEC阻值随温度升高而增大，故对于TEC串联连接，电流相同，TEC阻值越大，TEC发热量I²R_i越大，TEC局部热端温升越高，导致TEC阻值进一步增大，从而形成恶性循环变化，因此，当半导体制冷单元2中若干个半导体制冷器串联连接，需满足该半导体制冷单元2的若干个半导体制冷器的阻值间绝对差值小于任意一个半导体制冷器的阻值的10％。以环境温度30℃、低温板1温度–20℃为例，半导体制冷器的冷热两端温差通常超过60℃，电偶臂高度越高温差越大，但造成内阻增大，产生的焦耳热大，会影响产冷量，兼顾半导体制冷器产冷量、温差，采用单级半导体制冷器，电偶臂最佳尺寸范围：高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。

半导体制冷器冷端产冷量的计算如下：

Q_c＝N(α_p-α_n)IT_c-K(T_h-T_c)-0.5I²R_i 式①；

式①中N—p-n电偶对数；α_p、α_n—电偶臂材料塞贝克系数；I—输出电流；R_i—电阻；L_p、L_n—电偶臂长度；S_p、S_n—电偶臂横截面；K_p、K_n—电偶臂材料导热系数。

由式①可以得到半导体制冷器产冷量与电偶对数、工作电流、冷热端温差等参数密切相关，当低温板1的制冷温度确定后，则半导体制冷器热端散热对半导体制冷单元2的产冷量影响巨大。

为了更好实现半导体制冷单元2总产冷量，半导体制冷单元2的热端散热采用液冷方式。结合图1所示，上述半导体制冷低温板式冷源还包括循环管路5、设于循环管路5内的液体工质以及设于循环管路5上的热端换热体6、换热器7、水泵8和储液器9，所述热端换热体6贴合于所述半导体制冷单元2的热端面，水泵8与电源及控制单元4电性连接。本方案利用水泵8作为动力源，以液体工质作为传热工质，通过水泵8将液体工质在循环管路5上流动，能更好地将半导体制冷单元2的热端产生的热量带走，以提高半导体制冷单元2的冷端产冷量。正常工作时，液体工质温度高于环境温度，长期工作会造成部分液体工质在循环管路5中少量蒸发影响液体工质循环流动，为此，在循环管路5设置有储液器9。在实际应用中，储液器9在水平高度上高于热端换热体6、换热器7、水泵8，而且储液器9的底部设有流体出口911，主要是保证储液器9内液体减少时，液态工质仍能充满整个循环管路5；储液器9的上部设有排气口912、注液口913和流体入口914。注液口913通常此处于封闭状态，只有当储液器9中液体工质不足时，才打开注液口913，对储液器9内液体工质进行充注、补液。

为保证非工作状态下，低温环境(如≤–20℃)运输、储存，防止液体工质凝固膨胀，造成循环管路5泄漏，影响液体工质循环，液体工质优选乙二醇材料(凝固温度≤–25℃)。

上述循环管路5优选硅胶管路或橡胶管路。

在一些实施例中，结合图2和图3所示，热端换热体6包括换热主体601、第一密封环602和换热板603，所述换热主体601设有迂回流道611，所述换热板603盖设于所述换热主体601上，所述换热板603的内侧面设有伸入迂回流道611的换热加强筋631，换热加强筋631起到提高换热板603的强度和增加换热面积的作用，所述第一密封环602设于所述换热板603与所述换热主体601之间。该方案利于所述热端换热体6的热量更好地传导至流体工质。

在一些实施例中，结合图4所示，上述储液器9包括水箱901、第二密封环902和水箱盖903，所述水箱901设有所述流体出口911，所述水箱盖903设于所述水箱901上并设有所述排气口912、注液口913和流体入口914，所述第二密封环902设于所述水箱901与所述水箱盖903之间。

对于上述方案，在更为具体的设计中，可以有以下方式：所有半导体制冷单元2的热端面贴合于同一个热端换热体6；或，设有多个热端换热体6，所有半导体制冷单元2的热端面贴合于多个热端换热体6上。

为了更好地实现散热，上述半导体制冷低温板式冷源还包括风扇10，所述风扇10正对所述换热器7，风扇10与电源及控制单元4电性连接。

为了降低半导体制冷单元2的端面与低温板1的受冷平面接合而形成的热阻，冷端面的平面度优选为≤0.01mm。

为了更好地实现冷源低温恒温，半导体制冷单元2与低温板1之间的设置方式通常采用以下两种较优方案。

第一种较优方案是，若干个半导体制冷单元2的冷端面的面积总和等于低温板1的受冷平面，若干个半导体制冷单元2的冷端面覆盖地接合于低温板1的受冷平面，若干个半导体制冷单元2之间不全相同，例如冷端面、制冷量可以存在不同。

第二种较优方案是，若干个半导体制冷单元2的冷端面的面积总和等于低温板1的受冷平面，若干个半导体制冷单元2为相同结构的元件，若干个半导体制冷单元2的冷端面均匀地接合于低温板1的受冷平面。

第三种较优方案是，若干个半导体制冷单元2的冷端面的面积总和是小于低温板1的受冷平面，若干个半导体制冷单元2为相同结构的元件，若干个半导体制冷单元2的冷端面均匀排布地接合于低温板1的受冷平面。

上述低温板1为具有厚度H的金属板。沿金属板平面延展方向的热传导定义为横向热传导；垂直金属板平面延展方向热传导定义为纵向热传导。以横向热传导热阻大小为划分依据，上述低温板1可分成两类：第一类为实体金属板，如铝板、铜板，其横向传导热阻相对较大；第二类为内置相变热管的金属板，其横向传导热阻相对较小。

在此，针对上述半导体制冷低温板式冷源应用于负载的受冷测试，对其冷量流动的理论作以下的具体分析和描述。

设低温板1的用于负载进行接合的面积为S_A；低温板1的其他面积(除了与半导体制冷单元2贴合的部分)都采用绝热材料进行涂覆，负载与低温板1实际接合面积为S_L。负载冷负荷为Q_L；与环境间交换的冷量为Q_p-a；则负载冷流密度为总负载冷流密度为/>(忽略低温板1采用绝热材料涂覆的面积)。

如图5所示，假设低温板1的受冷面设置了N＝n个半导体制冷单元2(从物理上来看，可以认为低温板1同时设置了n个制冷区域与n个半导体制冷单元2一一对应)，且设每个制冷单元最大制冷量分别为Q_c1，Q_c2，…，Q_ci，Q_ci+1，…，Q_cn，与低温板1的接合面积分别为S₁，S₂，…，S_i，S_i+1，…，S_n。当冷源温度即低温板1的供冷面设定温度及环境温度分别为T_c、T_a时，对于低温板1为第一类实体金属板时，低温板1稳定在T_c温度需满足的冷量动态平衡方程为：

Q₁+Q₂+…+Q_i+Q_i+1+…+Q_n＝Q_L+Q_p-a 式②

其中，Q₁，Q₂，…，Q_i，Q_i+1，…，Q_n分别对应n个半导体制冷单元2的实际产冷量，因此满足：Q₁＝m₁Q_c1，Q₂＝m₂Q_c2，…，Q_i＝m_iQ_ci，Q_i+1＝m_i+1Q_ci+1，…，Q_n＝m_nQ_cn。

其中m₁，m₂，…，m_i，m_i+1，…，m_n为对应n个半导体制冷单元2冷量加权系数(≤1)。式②中低温板1与环境间换热量Q_p-a＝h(S_A-S_L)(T_a-T_c)，h为环境与低低温板1表面传热系数，故②可以化为：

m₁Q_c1+m₂Q_c2+…+m_iQ_ci+m_i+1Q_ci+1+…+m_nQ_cn＝Q_L+h(S_A-S_L)(T_a-T_c) 式③

此时各半导体制冷单元2的冷流密度分别为 低温板1接合负载工况下，上述冷流密度随接合负载位置不同及负载冷负荷大小进行变化，随着参数m_i、Q_ci、S_i(i＝1,2,…,n)改变，各半导体制冷单元2冷流密度/>(i＝1,2,…,n)随之改变，上述n路不同冷流密度的冷流传导至低温板1，再经过低温板1冷流密度调整、均衡，自动实现负载端冷流的平衡，最终满足低温板1的恒温。

由于低温板1横向传导热阻存在，则每个半导体制冷单元2产生的冷量m_iQ_ci(i＝1,2,…,n)由纵向传导冷量与横向传导冷量两部分构成。纵向传导的冷量主要满足接合负载消耗的冷量或不接合负载时低温板1与环温的交换冷量；横向冷量传导则是低温板1各个制冷区域存在温度差异时，低温板1均温过程进行的冷量动态传导。如图6，假设第i个制冷区域平均温度高于第i+1个制冷区域即T_i＞T_i+1，则第i个区域横向传导至第i+1个制冷区域的冷量为：kA_i,i+1(T_i-T_i+1)，其中k,A_i,i+1分别为低温板1传热系数和第i、i+1个制冷区域间的截面积(如图6)，同理第i个制冷区域与相邻制冷区域只要存在温差就存在热传导。当然随着各制冷区域温差逐渐减小，各制冷区域间横向传导冷量部分也会逐渐减小。故第i个制冷区域产冷量m_iQ_ci满足：

m_iQ_ci＝Q'_Li+Q_i-a+∑kA_iΔT_i，其中，Q'_Li为低温板1第i个制冷区域负担的负载冷量；Q_i-a为第i个制冷区域对应非负载与低温板1接合部分之外的低温板1部分与周围环境间换热量；∑kA_iΔT_i为第i个制冷区域与四周边不同制冷区域间横向传导冷量总和。Q'_Li、Q_i-a、∑kA_iΔT_i三个参数并非同时存在，与负载冷量负荷大小、负载接合位置等相关联，如负载与第i个制冷区域接合，则第i个半导体制冷单元2产生的冷量以纵向传导为主即Q'_Li为主导，与环境间的换热量Q_i-a近似为零，第i个单元产生的冷流主要满足负载冷负荷冷流，横向传导冷量∑kA_iΔT_i占比也相对较小。

由于负载冷负荷大小及与低温板1接合位置、接合面积均不确定，如何保证在低温板1表面任意处接合、任意面接合积、任意冷负荷负载接合等各种不同工况下低温板1恒温，是本申请关注的技术问题之一。以负载与第i个(或涵盖周边)制冷区域接合为例，图7-1、图7-2、图7-3示出了三种不同工况的冷量分布状态，据此做进一步分析。

第一种工况(图7-1)，无冷负荷负载状态，各个半导体制冷单元2产冷量满足下式即可使低温板1达到恒温：

m₁Q_c1+m₂Q_c2+…+m_iQ_ci+m_i+1Q_ci+1+…+m_nQ_cn＝hS_A(T_a-T_c) 式④

其中m₁，m₂，…，m_i，m_i+1，…，m_n值均较小。

第二种工况(图7-2)，负载与第i个(或涵盖周边)制冷区域相接合且第i个半导体制冷单元2最大冷流密度小于负载冷负荷密度即：各个制冷单元产冷量满足下式即可使低温板1恒温：

m₁Q_c1+m₂Q_c2+…+Q_ci+m_i+1Q_ci+1+…+m_nQ_cn＝Q_L+h(S_A-S_L)(T_a-T_c) 式⑤

该工况下，第i个半导体制冷单元2制冷加权系数m_i＝1，以负载接合对应的第i个制冷区域为中心进行外延，其他加权系数满足：1≥m_i+1≥m_i+2≥…≥m_n及1≥m_i-1≥m_i-2≥…≥m₁，离负载接合位置(第i个制冷区域)越远，加权系数递减越多(越小)。

第三种工况(图7-3)，负载与第i个(或涵盖周边)制冷区域相接合且第i个半导体制冷单元2最大冷流密度大于负载冷负荷密度即：各个半导体制冷单元2产冷量满足下式即可使低温板1恒温：

m₁Q_c1+m₂Q_c2+…+m_iQ_ci+m_i+1Q_ci+1+…+m_nQ_cn＝Q_L+h(S_A-S_L)(T_a-T_c) 式⑥

该工况下，加权系数m_i值最大，仍然以负载接合对应的第i个制冷区域为中心进行外延，其他加权系数满足：1＞m_i≥m_i+1≥m_i+2≥…≥m_n及1＞m_i≥m_i-1≥m_i-2≥…≥m₁，离负载接合位置(第i个区域)越远，加权系数递减越多(越小)。

当低温板1为第二类内置相变热管的金属板时，由于低温板1横向传导热阻忽略不计，则低温板1恒温达到设定温度时的动态冷量平衡方程为：

m₁Q_c1+m₂Q_c2+…+m_iQ_ci+m_i+1Q_ci+1+…+m_nQ_cnS_n＝Q_L+hS_L(T_a-T_c)

且

无论负载接合在低温板1任意位置，由于低温板1极高的均温特性即横向传导热阻极低，总冷负荷对各半导体制冷单元2进行了加权分配，半导体制冷单元2对应的冷量加权系数差别不大，与第一类以负载接合位置为中心随着外延扩散，加权系数逐渐减小不同。

式④、⑤、⑥、⑦即为低温板1恒温的理论基础，由此可以看到，根据负载冷负荷状态，通过调节低温板1各个不同制冷区域对应半导体制冷单元2的制冷状态(改变加权系数即改变各个半导体单元产冷量)来满足不同负载负荷、不同负载位置等多种不确定工况下低温板1恒温，是本申请的设计思路。

上述理论同样适用于接合多个负载工况分析。

本申请的半导体制冷低温板式冷源，常用于对外供冷温度低于–20℃的场景，但是，低温造成热交换强烈，易导致冷量流失，容易造成冷源温度无法满足要求。因此，低温冷板自身绝热及与半导体制冷单元2、热端换热体6等低热导连接设计是本方案的一个关键发明点。首先，结合图8、图9，上述半导体制冷低温板式冷源还包括均呈环形状的第一低热导接合构件11、第二低热导接合构件12、隔热套垫13和螺栓14，第一低热导接合构件11的背面设有凹槽111以及位于凹槽111中的多条限位加强筋112，所述低温板1置于所述凹槽111中并限定于所述多条限位加强筋112之间，多条限位加强筋112起到提高强度和限位作用，所述第二低热导接合构件12与所述第一低热导接合构件11通过螺钉15固定连接并夹持所述低温板1，所述第二低热导接合构件12内嵌有螺母16，所述螺栓14穿过所述热端换热体6与所述螺母连接，所述隔热套垫13套设于所述螺栓14并位于所述螺栓14与所述热端换热体6之间，为了增加接触面积，螺栓14还套设有垫片17。该方案通过上述第一低热导接合构件11、第二低热导接合构件12与低温板1、半导体制冷单元2、热端换热体6组装在一起，提高了低温板1、半导体制冷单元2、热端换热体6之间的连接稳定性，同时，借助于低热导接合构件、隔热套垫13和螺栓14，实现了热端换热体6与低温板1间非接触式机械连接，避免热短路、减少冷量损失。

进一步的设计，低温板1上与半导体制冷单元2非接合而且非用于与负载接合的表面敷设绝热材料。绝热材料主要功能是减少低温板1冷量流失，降低负载之外的冷量消耗，确保冷量最大限度提供给负载。

对于上述低温板1为具有厚度H的实体金属板，在一些设计中，若干个半导体制冷单元2的冷端面的面积总和是小于低温板1的受冷平面，此时，低温板1的厚度H要适中。冷板厚度值高，则影响冷量纵向传递；厚度值小，横向传导热阻大，影响冷量横向传导即各个半导体制冷单元2产冷量在低温板1的汇聚及向负载冷流的二次分配。因此需兼顾冷量纵向、横向传输，低温板1的厚度尺寸需满足该低温板1的温度均温性能要求，厚度与低温板1的均温性相对应。当采用上述第三种优选方案进行设计时，如图13，低温板1的厚度H满足公式：其中Q_c为半导体制冷单元2的产冷量；κ为低温板1的热导率；L为冷量沿低温板1平面方向传导长度；ΔT'为沿低温板1平面方向半导体制冷单元2到制冷区域边界的温度梯度差；D为低温板1制冷区域垂直于平面方向的截面宽度(截面面积＝截面宽度D﹡截面厚度)。

为了实现按上述式④、⑤、⑥、⑦冷量平衡方程分单元、分区域进行各个半导体制冷单元2冷量及冷流密度自动调节、控制，以满足整个低温板1在负载冷负荷加载后的恒温，本申请提供了一种半导体制冷低温板式冷源的控制方法，包括：

M个温度传感器3检测低温板1的M个温度值T_i并传输至电源及控制单元4，i∈[1，M]；

电源及控制单元4根据M个温度值T_i分别按相应的预设温度-电压曲线调整相应半导体制冷单元2的输入电压V_i；

如图13所示，与第i个温度传感器相应的预设温度-电压曲线为：

当T_i≤T_c-ΔT，V_i＝V_0i-min；

当T_c-ΔT＜T_i＜T_c+ΔT，

当T_i≥T_c+ΔT，V_i＝V_0i-max；+ΔT

V_0i-min、V_0i-max分别为与第i个温度感应器相对应的半导体制冷单元2的最大及最小输入电压值，对应该半导体制冷单元2的最大、最小产冷量；T_c为设定温度，即冷源对外提供的制冷温度；ΔT为温度误差值，该值决定了冷源温度控制准确度，ΔT值越小达到恒温温度所需调节周期越长即调节耗时越多，兼顾控制精度及恒温时间，通常为1℃。

上述控制方法是通过电源及控制单元4根据温度传感器3检测的温度值T_i来调整相应半导体制冷单元2的输入电压V_i，以改变半导体制冷器的工作电流，实现按上述式④、⑤、⑥、⑦冷量平衡方程分单元、分区域进行各个半导体制冷单元2冷量及冷流密度自动调节、控制，以满足整个低温板1在负载冷负荷加载后的恒温。

半导体制冷单元2的输入电压V_i是由电源及控制单元4提供。在一些实施例中，电源及控制单元4采用脉宽调制(PWM)方式调整半导体制冷单元2的输入电压V_i。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设于”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不再本发明要求的保护范围。

应当指出的是，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，包括：

低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；

N个半导体制冷单元，所述半导体制冷单元具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；

M个温度传感器，所述温度传感器设于所述低温板的供冷平面，所述温度传感器与至少一个所述半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；

电源及控制单元，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元与所述温度传感器电性连接，用于根据温度传感器的检测值调整电压输出端的输出值，以调整与温度传感器相对应的半导体制冷单元的输入电压；

所述半导体制冷低温板式冷源还包括循环管路、设于所述循环管路内的液体工质以及设于所述循环管路上的热端换热体、换热器、水泵和储液器，所述热端换热体贴合于所述半导体制冷单元的热端面；

半导体制冷单元的冷端面的平面度小于或等于0.01mm；

低温板为具有厚度H的实体金属板；低温板的厚度H满足公式：其中Q_c为半导体制冷单元的产冷量；κ为低温板的热导率；L为冷量沿低温板平面方向传导长度；ΔT^‘为沿低温板平面方向半导体制冷单元到制冷区域边界的温度梯度差；D为低温板制冷区域垂直于平面方向的截面宽度。

2.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，M＝N，所述温度传感器与所述半导体制冷单元一一相对应，所述温度传感器与相对应半导体制冷单元的冷端面的中心正相对。

3.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述N个半导体制冷单元为相同结构的元件，所述N个半导体制冷单元的冷端面均匀排布地接合于所述低温板的受冷平面。

4.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述半导体制冷单元包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接。

5.根据权利要求4所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，半导体制冷器的P型电偶臂、N型电偶臂的尺寸范围均为高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。

6.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述热端换热体包括换热主体、第一密封环和换热板，所述换热主体设有迂回流道，所述换热板盖设于所述换热主体上，所述换热板的内侧面设有伸入迂回流道的换热加强筋，所述密封环设于所述换热板与所述换热主体之间。

7.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，还包括均呈环形状的第一低热导接合构件、第二低热导接合构件、隔热套垫和螺栓，所述第一低热导接合构件的背面设有凹槽以及位于所述凹槽中的多条限位加强筋，所述低温板置于所述凹槽中并限定于所述多条限位加强筋之间，所述第二低热导接合构件与所述第一低热导接合构件通过螺钉固定连接并夹持所述低温板，所述第二低热导接合构件内嵌有螺母，所述螺栓穿过所述热端换热体与所述螺母连接，所述隔热套垫套设于所述螺栓并位于所述螺栓与所述热端换热体之间。

8.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述低温板上与半导体制冷单元非接合而且非用于与负载接合的表面敷设绝热材料。

9.一种权利要求1至8任意一项所述半导体制冷低温板式冷源的控制方法，包括：

所述M个温度传感器检测低温板的M个温度值T_i并传输至所述电源及控制单元，i∈[1，M]；

电源及控制单元根据M个温度值T_i分别按相应的预设温度-电压曲线调整相应半导体制冷单元的输入电压V_i；

与第i个温度传感器相应的预设温度-电压曲线为：

当T_i≤T_c-ΔT，V_i＝V_0i-min；

当

当T_i≥T_c+ΔT，V_i＝V_0i-max+ΔT

V_0i-min、V_0i-max分别为与第i个温度感应器相对应的半导体制冷单元的最大及最小输入电压值，对应该半导体制冷单元的最大、最小产冷量；T_c为设定温度；ΔT为温度误差值；

半导体制冷单元的冷端面的平面度小于或等于0.01mm；

低温板为具有厚度H的实体金属板；低温板的厚度H满足公式：其中Q_c为半导体制冷单元的产冷量；κ为低温板的热导率；L为冷量沿低温板平面方向传导长度；ΔT^‘为沿低温板平面方向半导体制冷单元到制冷区域边界的温度梯度差；D为低温板制冷区域垂直于平面方向的截面宽度。