CN111854491A - 温度控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种温度控制系统及控制方法，被配置为使被控温设备温度保持恒定，包括：设备安装热沉，被配置为承载所述被控温设备；半导体控温装置，被布置在所述被控温设备与所述设备安装热沉之间，其中：所述半导体控温装置按第一方向通电或第二方向通电，以使所述被控温设备的温度高于所述设备安装热沉的温度，或使所述被控温设备的温度低于所述设备安装热沉的温度。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种温度控制系统及控制方法。
背景技术
随着现代工业及科学技术的快速发展，工业自动化设备、半导体设备以及航空航天装备对温度控制要求越加复杂和多样化。例如某型号激光精密仪器设备就要求较高的温度均匀性并低于环境温度指标的控制要求。为实现以上温度控制指标要求往往需要采用多种热控设计措施同时进行设计，如采用热管网络或主动热控措施实现等温化设计，采用电加热器实现高温度稳定度控制，采用工质压缩冷却方式实现被控设备低于温度环境温度的指标要求，这也使被控温设备热控系统设计复杂，研制成本显著增加。基于以上热控需求及现有实现方案的诸多弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度控制系统及控制方法，以解决现有的被控温设备热控系统设计复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种温度控制系统，被配置为使被控温设备温度保持恒定，包括：
设备安装热沉，被配置为承载所述被控温设备；
半导体控温装置，被布置在所述被控温设备与所述设备安装热沉之间，其中：
所述半导体控温装置按第一方向通电或第二方向通电，以使所述被控温设备的温度高于所述设备安装热沉的温度，或使所述被控温设备的温度低于所述设备安装热沉的温度。
可选的，在所述的温度控制系统中，还包括：
微槽道蒸汽腔，被布置在所述被控温设备与所述半导体控温装置之间，用于对被控温设备进行均热；
所述微槽道蒸汽腔的第一面与所述被控温设备平整接触并均匀导热。
可选的，在所述的温度控制系统中，所述微槽道蒸汽腔内部具有蒸发区和冷凝区，所述冷凝区内具有毛细驱动结构，所述微槽道蒸汽腔内部充装相变工质；
所述相变工质在所述蒸发区气化吸热，所述相变工质在所述冷凝区液化发热，液化后的相变工质通过所述毛细驱动结构产生的毛细力回流至所述蒸发区，在所述半导体控温装置和所述被控温设备之间传热。
可选的，在所述的温度控制系统中，所述相变工质的相变温度在被控温设备的温度和设备安装热沉温度之间；
所述相变工质包括液氨，乙醚或氟利昂。
可选的，在所述的温度控制系统中，所述半导体控温装置包括多个并联的半导体制冷器；
所述微槽道蒸汽腔的第二面包括多个凹槽，每个凹槽内容置一个所述半导体制冷器；所述微槽道蒸汽腔与所述半导体制冷器均匀导热。
可选的，在所述的温度控制系统中，所述微槽道蒸汽腔与所述半导体制冷器之间具有热变形防护垫，其中：
所述热变形防护垫为导热硅橡胶或铟箔。
可选的，在所述的温度控制系统中，还包括：
隔热装置，被配置为隔绝所述被控温设备与周围环境；
温度传感器，被布置在所述被控温设备的温度敏感位置，用于生成第一温度反馈控制信号；
温度采集模块，被布置在设备安装热沉上，用于生成第二温度反馈控制信号；
控制器，被配置为根据所述第一温度反馈控制信号与所述第二温度反馈控制信号的比较结果，发送供电方向信号；
电源模块，被配置为根据所述供电方向信号，对所述半导体控温装置施加正向供电或反向供电，以使所述半导体控温装置制冷或制热。
可选的，在所述的温度控制系统中，还包括：
在控制器的功率输出端设置保险丝，所述保险丝用于对所述电源模块短路情况下熔断；
所述控制器的功率输入端连接所述电源模块；
所述温度传感器包括热敏电阻，铂电阻或热电偶；
所述温度采集模块包括热敏电阻，铂电阻或热电偶。
本发明提供一种基于如上所述的温度控制系统的温度控制方法，包括：
所述控制器采用PID控制算法，以调节所述半导体控温装置的制冷功率或制热功率；
当所述半导体控温装置的主份回路出现故障时，自动切换至所述半导体控温装置的备份控制回路。
在本发明提供的温度控制系统及控制方法中，通过半导体控温装置按第一方向通电或第二方向通电，以使被控温设备的温度高于设备安装热沉的温度，或使所述被控温设备的温度低于所述设备安装热沉的温度，实现了针对工业自动化设备、半导体设备以及航空航天装备对温度控制要求越加复杂和多样化的难题，只需简单的转换通电方向即可双向控温，满足了多种控温要求的一体化控制装置及控制方法。
具体的，采用微槽道蒸汽腔结合半导体制冷器两种热控设计手段实现以上三种温度控制指标要求，通过控制器采集目标温度信号与实际温度数据差值比较产生相应控制信号，实现控制系统的闭环自主控温。该一体化热控装置及控制方法具有重量轻、系统简单、可靠性高、开发成本低等诸多优点，可广泛应用于具有相应温度控制要求的仪器设备热控设计及场合使用。
附图说明
图1是本发明一实施例温度控制系统正视示意图；
图2是本发明一实施例温度控制系统俯视示意图；
图3是本发明一实施例温度控制系统的控制方法示意图；
图中所示：
01-被控温设备；
02-微槽道蒸汽腔；
03-半导体制冷器；
04-被控设备测点；
05-隔热装置；
06-设备安装热沉；
07-半导体制冷装置；
10-控制器；
11-TEC组件(相对于多个半导体制冷器并联)；
12-温度传感器；
13-电源模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的温度控制系统及控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
针对以上热控需求，如利用现有技术手段对每项研究内容采取相应设计方案，以实现等温化，高稳定度及低于环境温度的控制要求，使热控系统设计及组成复杂，相互热控产品性能叠加耦合，对相应控制指标产生影响。如对温度均匀性指标控制通常采用外贴热管或表面均匀粘贴加热器方式实现，对于温度稳定度控制通常采用主动热控加热器方式实现，对于低于环境温度的控制需求通常需要配合工质制冷循环或辐射散热方式，若同时提出以上三项温度指标控制要求配置相应热控措施，就使得该设备热控系统设计复杂，重量成倍增加，研制成本成倍增大。
本发明的核心思想在于提供一种温度控制系统及控制方法，以解决现有的被控温设备热控系统设计复杂的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种温度控制系统及控制方法，被配置为使被控温设备温度保持恒定，包括：设备安装热沉，被配置为承载所述被控温设备；半导体控温装置，被布置在所述被控温设备与所述设备安装热沉之间，其中：所述半导体控温装置按第一方向通电或第二方向通电，以使所述被控温设备的温度高于所述设备安装热沉的温度，或使所述被控温设备的温度低于所述设备安装热沉的温度。
本发明可应用于半导体、精密仪器、制冷设备以及航空航天领域有较高温度稳定度，较高温度均匀性控制以及略低于环境温度控制要求设备的温度控制系统设计。该一体化控温装置可在实现被控温部位温度均匀性控制的同时，实现高于或低于环境温度的高温度稳定度控制要求。通过控制器闭环设计后，可根据要求设置自主控温阈值，有效抑制来流或设备负载功耗变化而引起的系统温度波动情况，实现被控温区精准温度控制。
具体的，微槽蒸汽腔(02)结合半导体制冷器(03)形成的一体化控温装置可实现被控设备的等温化，温度稳定度及低温环境获取，当被控温设备(01)温度指标要求高于环境温度控制时通过电极切换，利用半导体制冷装置(07)反向通电制热功能进行温度控制；当被控温设备温度指标要求低于环境温度控制时，利用半导体制冷器正向通电制冷功能进行温度控制，且半导体制冷装置(07)无论是加热功率还是制冷功率均可通过调节供电功率实现连续可调，利用这种正向制冷反向制热及连续可调的特点，可通过控制器自主控制实现被控温区的精准温度控制。
进一步的，如图1～2所示，一体化热控装置安装方式及要求说明：被控温设备(01)底部与微槽蒸汽腔板(02)进行导热安装，微槽蒸汽腔板(02)上表面保持水平状态，下面表面部分与设备安装热沉(06)进行导热连接，上下接触面均填涂导热界面材料，下面表面局部区域根据设计要求及所选用TEC半导体制冷器(03)尺寸大小进行内凹处理，即将TEC半导体制冷器(03)按一定排列规则嵌于微槽蒸汽腔板(02)内部，保持TEC半导体制冷器(03)热面与设备安装热沉(06)密切导热接触，TEC半导体制冷器(03)冷面与微槽蒸汽腔板(02)内表面使用导热橡胶垫连接，保持接触传热的同时又留有一定热变形余量，防止因热胀冷缩变形引起TEC半导体制冷器(03)受力损坏；同时为防止环境温度对被控温设备(01)温度影响，将被控温设备(01)外表面采用隔热安装方式，通常将被控设备测温点(04)设置于被控温设备(01)温度敏感部位或安装区附近，温度传感器(12)在被控设备测温点(04)处采用主备份设计，其感应到的温度信号量反馈于控制器(10)，作为输出闭环信号的依据。
进一步的，一体化控温装置被控温设备(01)热功率通过设备安装面传向微槽蒸汽腔板(02)，两安装面间填充导热界面材料，利用微槽蒸汽腔板(02)均温性能迅速传至整体接触面，使被控温设备(01)安装面温度更加均匀，通过微槽蒸汽腔板(02)后热量分两路进行传播，一路通过槽蒸汽腔板(02)凸起部位传向设备安装热沉(06)，另一路通过TEC半导体制冷器(03)传向设备安装热沉(06)，两部分热阻并联。TEC半导体制冷器(03)作为高，低温控制实施载荷，槽蒸汽腔板(02)作为横向均温传热载体。
如图3所示，为保证系统设计可靠性，TEC半导体制冷器(03)应尽量采用并联方式，当某一产品出现故障时而不影响热控装置整体性能，在控制器(10)功率输出端设置保险丝，通过采样被控温设备的温度信号并与设备安装热沉(06)温度进行比较，确定系统选择何种控制模式，是正向制冷模式还是反向加热模式，当被控设备测点(04)处温度高于设备安装热沉(06)温度(即环境温度)时采用正向制冷控制模式，被控设备测点(04)低于环境温度时采用反向加热控制模式。控制算法选用TEC冷面温度控制电路采用模拟PID线性控温的策略，而一般情况下系统都是需要散热的，因此系统设计TEC半导体制冷器(03)主要工作在制冷模式，但是为了提高整机的环境适应性，系统利用继电器切换的方法，使TEC半导体制冷器(03)两端的电流引线可以互换，达到能够利用TEC对系统加热控制的功能。
如图1所示，所述一体化控温装置主要由微槽蒸汽腔板(02)、TEC半导体制冷器(03)、被控设备测点(04)、隔热装置(05)、设备安装热沉(06)等部分组成。通过以上控温产品及设备组成可实现被控温设备(01)温度均匀性，高温度稳定度及高低温环境温度控制。所述一体化控温装置控制器系统主要由控制器(10)、TEC组件(11)、温度传感器(12)及电源模块(13)组成。被控温设备(01)相应温度敏感位置或安装区应布置用于生成温度反馈控制信号的被控设备测点(04)，用于布置温度传感器(12)。被控温设备(01)外表应采用类似隔热装置(05)的设计措施，减少被控温设备(01)与周围环境的换热路径，实现相对独立，稳定的温度环境。
具体的，微槽道蒸汽腔为一种利用工质相变传热及毛细力回流驱动的高效被动传热装置。微槽蒸汽腔板(02)内部设计用于毛细驱动力的微槽道结构，充装在相应温区相变工质(如液氨，乙醚或氟利昂等)，相变工质在蒸发区气化吸热，在冷凝区液化发热，液化后工质通过微槽道产生的毛细力回流至蒸发区，完成微槽蒸汽腔板内部的传热传质过程，由于相变换热过程温差极小，气化潜热量大，进而实现微槽蒸汽腔板(02)整体等温化设计。微槽蒸汽腔板(02)上下两侧安装面应保持良好的平面度及平行度指标，上部与被控温设备(01)进行导热连接，下部与设备安装热沉(06)进行导热连接。
进一步的，TEC半导体制冷器(03)具有正向电流制冷及反向电流制热功能，下部与设备安装热沉(06)进行导热连接，上部与槽蒸汽腔板(02)进行柔性导热连接，防止热胀冷缩引起的变形应力，柔性导热连接实现方式包括导热硅胶垫，导热硅橡胶或铟箔。TEC半导体制冷器(03)采用多组并联控制方式，减小单件产品故障对系统功能影响，提高系统设计及使用可靠性。
如图3所示，控制器(10)内部，应包括温度采集模块、PID算法、保险丝、以及直流电极转换模块。温度采集模块主要功能实现被控温设备(01)温度敏感区及设备安装热沉(06)温度信号采集，当被控温设备(01)目标温度低于设备安装热沉(06)温度时，使用正向供电方式，使TEC组件(11)处于制冷模式，当被控温设备(01)目标温度高于设备安装热沉(06)温度时使用反向供电方式，使TEC组件(11)处于制热模式，两种控制模式均采用PID控制算法，实现加热及制冷功率连续可调。保险丝用于对供电系统短路情况下系统保护设计，控制器(10)功率输入来源于电源模块(13)。TEC组件(11)可采用多组冷备方式设计，增加系统设计及使用可靠性，当主份回路出现故障时，自动切换至备份控制回路。温度传感器(12)应具有较高温度采集精度以及较短的响应时间，可选用满足温区使用的热敏电阻，铂电阻或热电偶等。
本发明一体化热控装置利用微槽蒸汽腔高效传热，等温化热控特点结合TEC半导体制冷器正向制冷，反向制热且功率连续可调原理，将二者热控功能相互结合，进而实现被控温设备低于或高于环境温度水平的高温度稳定度及均匀性温度控制要求。初步分析：整套热控装置重量较现有技术方案轻约50％，成本低至30％左右。此外，本专利所涉及的设计方案温度均匀性及低温温度稳定度控制指标均优于现有技术方案，而高于环境温度的稳定度控制指标与现有技术指标相当。
综上，上述实施例对温度控制系统及控制方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (9)
1.一种温度控制系统，被配置为使被控温设备温度保持恒定，其特征在于，包括：
设备安装热沉，被配置为承载所述被控温设备；
半导体控温装置，被布置在所述被控温设备与所述设备安装热沉之间，其中：
所述半导体控温装置按第一方向通电或第二方向通电，以使所述被控温设备的温度高于所述设备安装热沉的温度，或使所述被控温设备的温度低于所述设备安装热沉的温度。
2.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，还包括：
微槽道蒸汽腔，被布置在所述被控温设备与所述半导体控温装置之间，用于对被控温设备进行均热；
所述微槽道蒸汽腔的第一面与所述被控温设备平整接触并均匀导热。
3.如权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述微槽道蒸汽腔内部具有蒸发区和冷凝区，所述冷凝区内具有毛细驱动结构，所述微槽道蒸汽腔内部充装相变工质；
所述相变工质在所述蒸发区气化吸热，所述相变工质在所述冷凝区液化发热，液化后的相变工质通过所述毛细驱动结构产生的毛细力回流至所述蒸发区，在所述半导体控温装置和所述被控温设备之间传热。
4.如权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于，所述相变工质的相变温度在被控温设备的温度和设备安装热沉温度之间；
所述相变工质包括液氨，乙醚或氟利昂。
5.如权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述半导体控温装置包括多个并联的半导体制冷器；
所述微槽道蒸汽腔的第二面包括多个凹槽，每个凹槽内容置一个所述半导体制冷器；所述微槽道蒸汽腔与所述半导体制冷器均匀导热。
6.如权利要求5所述的温度控制系统，其特征在于，所述微槽道蒸汽腔与所述半导体制冷器之间具有热变形防护垫，其中：
所述热变形防护垫为导热硅橡胶或铟箔。
7.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，还包括：
隔热装置，被配置为隔绝所述被控温设备与周围环境；
温度传感器，被布置在所述被控温设备的温度敏感位置，用于生成第一温度反馈控制信号；
温度采集模块，被布置在设备安装热沉上，用于生成第二温度反馈控制信号；
控制器，被配置为根据所述第一温度反馈控制信号与所述第二温度反馈控制信号的比较结果，发送供电方向信号；
电源模块，被配置为根据所述供电方向信号，对所述半导体控温装置施加正向供电或反向供电，以使所述半导体控温装置制冷或制热。
8.如权利要求7所述的温度控制系统，其特征在于，还包括：
在控制器的功率输出端设置保险丝，所述保险丝用于对所述电源模块短路情况下熔断；
所述控制器的功率输入端连接所述电源模块；
所述温度传感器包括热敏电阻，铂电阻或热电偶；
所述温度采集模块包括热敏电阻，铂电阻或热电偶。
9.一种基于如权利要求7所述的温度控制系统的温度控制方法，其特征在于，包括：
所述控制器采用PID控制算法，以调节所述半导体控温装置的制冷功率或制热功率；
当所述半导体控温装置的主份回路出现故障时，自动切换至所述半导体控温装置的备份控制回路。
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|---|---|---|---|---|
| CN113335568A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-09-03 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种热控系统的控制方法、装置及热控系统 |
| CN113669679A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-19 | 郑州轻工业大学 | 一种具有监控功能的照明路灯的节能控制方法 |
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| CN113335568B (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-02 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种热控系统的控制方法、装置及热控系统 |
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