CN113365472A - 一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法，其结构包括：半导体制冷模块，压缩式制冷模块，压缩机上设有第二控制器机柜上设有吹风方向朝向外界空气的第一风机以及吹风方向朝向机柜内部的第二风机，第一风机的风路同时经过冷凝器、第一换热器，第二风机的风路同时经过蒸发器、第二换热器，温度监控模块包括设置在机柜内部的内温度传感器以及设置在机柜外部的外温度传感器，内温度传感器和外温度传感器分别和第一控制器、第二控制器电连接，本发明在外部环境温度不高的情况下，压缩机无需工作，仅通过半导体芯片实现对机柜内部的制冷，避免压缩机工作在润滑不充分或局部过热条件下工作，有效延长了压缩机的使用寿命。

Description

一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型空调技术领域，尤其是一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法。

背景技术

电子设备机柜，特别是户外机柜，为了避免潮湿水气对电子设备绝缘性能的影响，通常防水防潮密封设计，但这种密封设计不利于机柜内部电子设备工作产生的热量快速传递到外部环境中。

在夏季高温环境下，户外机柜吸收太阳光辐射产生的热量和柜内高热密度电子设备产生的热量不能有效传递至外部环境，导致机柜内部温度急剧上升，甚至会超过某些电子器件的额定工作温度导致设备无法正常工作或缩减使用寿命。

目前，户外机柜的温控设备通过配置一台压缩式制冷空调设备，解决柜内设备的工作环境温度过高的问题。鉴于安装空间限制和成本控制，压缩式制冷空调通常配置一台较大功率的压缩机，以满足高温恶劣工况下大制冷量的指标要求。

然而，当外界环境温度不高时（22℃左右），若压缩机空调不工作，机柜内部无法与外部环境有效换热，虽然大部分电子设备可以正常工作，但对于一些温度敏感型元器件可能会超出耐受温度引起故障或失效或持续高温下工作降低使用寿命；若压缩机空调工作，此时机柜内部所需制冷量相对于压缩机额定制冷量偏小，压缩机较短时间运行即可产生足够制冷量以降低机柜内部温度，然后进入待机状态。这种工作模式对于压缩式空调的寿命具有极大的影响。原因在于工作状态下，润滑油对压缩机起到润滑、冷却和密封等作用。压缩机停机状态下，大量冷媒由于受到系统压力平衡和重力的作用，分别从高、低压两侧回流到压缩机内，液化并溶于压缩机油，此时压缩机油受到了稀释和冷却，黏度随着油稀释率的上升而进一步下降。当压缩机较低温启动时，溶于机油中的制冷剂会出现剧烈的翻腾，容易使的油溶液产生大量泡沫，造成润滑油膜变薄，根据冷媒与压缩机油的互溶特性，两者组成的均匀溶液的溶解度与温度成正比，当温度低于某一临界温度时，溶液便会出现分离，上层主要为压缩机油，下层主要为制冷剂，而这种不同程度的低温分离现象不仅存在平衡的静止状态，也存在于运行的流体状态，不仅发生在压缩机内，也发生于热交换器和气液分离器内，影响运行系统的回油量。压缩机连续工作时，随着循环周期的增加，回油不充分的问题可以有效改善，但压缩机短暂工作后待机，并在一个较短周期内频繁启停时，内部运动机构及其表面未能得到足够的润滑以及形成能承受一定载荷的油膜厚度，增大磨损，影响其使用寿命和运行的可靠性。

其次，在酷寒条件下，尤其是外部环境温度低于-5℃时，机柜内部的部分电子设备如液晶显示屏等不能正常工作。

发明内容

本发明的目的提供一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

为解决上述技术问题，本发明提供一种户外机柜的温控设备，其创新点在于：其结构包括：

半导体制冷模块，半导体制冷模块包括半导体芯片、冷却液的第一循环流通管道、冷却液的第二循环流通管道以及控制半导体芯片正向通电制冷或者反向通电制热或者关闭的第一控制器，第一循环流通管道上依次设有第一循环泵、第一换热器以及以及导热端，第二循环流通管道上一次设有第二循环泵、第二换热器以及导冷端，导热端紧贴在半导体芯片的热端面上，导冷端紧贴在半导体芯片的冷端面上；

压缩式制冷模块，压缩式制冷模块包括通过第三循环流通管道依次连通的压缩机、冷凝器、节流阀以及蒸发器，冷凝器紧靠第一换热器设置，蒸发器25紧靠第二换热器15设置，压缩机上设有第二控制器；

机柜上设有吹风方向朝向外界空气的第一风机以及吹风方向朝向机柜内部的第二风机，第一风机的风路同时经过冷凝器、第一换热器，第二风机的风路同时经过蒸发器、第二换热器；

温度监控模块，温度监控模块包括设置在机柜内部的内温度传感器以及设置在机柜外部的外温度传感器，内温度传感器和外温度传感器分别和第一控制器、第二控制器电连接，第一控制器和第二控制器由PLC或者单片机控制。

本发明提供一种户外机柜温控设备的温度控制方法，上述压缩机安全启动的最低温度设为t_a，外温度传感器检测机柜外部的温度为t_b，内温度传感器检测机柜内部的温度为t_c，PLC或者单片机上分别设定有控制半导体芯片对机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_f、控制半导体芯片对机柜内部进行制热的最小温度参数值t_g，第二控制器的PLC上设定有控制压缩机对机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_j，t_f＜t_j，t_g-t_j为机柜内部电子元件的适宜运行温度，机柜的温度控制方法如下：

S1、当t_b＜t_a时，第二控制器控制压缩机处于待机状态，第一控制器控制所述半导体芯片正向通电制冷或者反向通电制热并用于调控机柜内部的温度；

S2、当t_b≥t_a时，第一控制器控制半导体芯片正向通电制冷或者第二控制器控制压缩机打开，使得半导体芯片辅助压缩机调控机柜内部的温度。

进一步的，在上述方法S1中，当t_c≤t_g时，第一控制器控制半导体芯片反向通电制热并使得机柜内部的温度升高，当t_f≤t_c，第一控制器控制半导体芯片正向通电制冷并使得机柜内部的温度降低，当t_g＜t_c＜t_f时，第一控制器控制半导体芯片处于待机状态。

进一步的，在上述方法S2中，当t_f≤t_c≤t_j，第一控制器控制半导体芯片正向通电制冷并使得机柜内部的温度降低，第二控制器控制压缩机处于待机状态，当t_c＞t_j时，第一控制器控制半导体芯片正向通电制冷并使得机柜内部的温度降低，第二控制器同步控制压缩机打开并对机柜的内部进行制冷，压缩机联合半导体芯片对机柜内部进行制冷，当t_g＜t_c＜t_f时，第一控制器控制半导体芯片处于待机状态，第二控制器控制压缩机处于待机状态。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供了一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法，压缩式制冷模块和半导体制冷模块共用第一风机、第二风机，可以有效减少整套产品的设备量，此种布局不仅结构紧凑，而且有效降低了产品同外部环境空气交换的面积，降低风机滤网的维护更换频次。

2、本发明提供了一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法，通过半导体芯片辅助压缩机对机柜内部的温度进行调节，机柜内部温度的调节根据机柜外部的温度来选择方法S1或者方法S2，确保机柜内部电子设备始终处于适宜的运行温度范围，而且在外部环境温度不高的情况下，压缩机无需工作，仅通过半导体芯片实现对机柜内部的制冷，避免压缩机工作在润滑不充分或局部过热条件下工作，有效延长了压缩机的使用寿命。

3、本发明提供了一种户外机柜的温控设备及其温度控制方法，即使压缩式空调可以满足户外机柜的温控设备使用要求，但是考虑到全年气候变化及昼夜温差，户外机柜的温控设备较长时间工作在较低的环境温度下，实际所需制冷量小于额定最大制冷量，本发明采用较小功率的半导体芯片稳定工作替换大功率压缩机启停周期性工作，有效降低了电子设备机柜的温控设备年度能源消耗。

附图说明

图1为本发明机柜内部半导体制冷模块、压缩式制冷模块的整体布局图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1为本发明的一种具体实施方式，其结构包括：

半导体制冷模块，半导体制冷模块包括半导体芯片11、冷却液的第一循环流通管道12、冷却液的第二循环流通管道13以及控制半导体芯片11正向通电制冷或者反向通电制热或者关闭的第一控制器，第一循环流通管道12上依次设有第一循环泵14、第一换热器15以及以及导热端16，第二循环流通管道13上一次设有第二循环泵17、第二换热器18以及导冷端19，导热端16紧贴在半导体芯片11的热端面上，导冷端19紧贴在半导体芯片11的冷端面上；

压缩式制冷模块，压缩式制冷模块包括通过第三循环流通管道21依次连通的压缩机22、冷凝器23、节流阀24以及蒸发器25，冷凝器23紧靠第一换热器15设置，蒸发器25紧靠第二换热器15设置，压缩机22上设有第二控制器；

机柜上设有吹风方向朝向外界空气的第一风机31以及吹风方向朝向机柜内部的第二风机32，第一风机31的风路同时经过冷凝器23、第一换热器15，第二风机32的风路同时经过蒸发器25、第二换热器18；

温度监控模块，温度监控模块包括设置在机柜内部的内温度传感器以及设置在机柜外部的外温度传感器，内温度传感器和外温度传感器分别和第一控制器、第二控制器电连接，第一控制器和第二控制器由PLC或者单片机控制。

在本发明中，半导体制冷模块的工作原理如下：半导体芯片11外部供电以后，一端制冷，另一端制热，其制热端和导热端16紧密贴合，热量迅速传导至导热端16上，第一循环泵14为第一循环流通管道12内液体循环流动增压，加热后的冷却液体流入第一换热器15，将热量快速传递到附近的空气中；半导体芯片11的制冷端和导冷端19紧密贴合，制冷量迅速传导至导冷端19上，第二循环泵17为第二循环流通管道13内液体循环流通增压，流入第二换热器18，将冷量快速传递到附近的空气中。

在本发明中，压缩式制冷模块的工作原理如下：压缩机22从第三循环流通管道21吸入低温低压的制冷剂气体，并通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向第三循环流通管道21排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力：冷凝器23将第三循环流通管道21中制冷剂气体或蒸汽转变成液体，把第三循环流通管道21中的热量以很快的方式传递到附近的空气中，节流阀24改变制冷剂流体的流速，产生静压力差，蒸发器25将低温冷凝的制冷剂液体“气化”，大量吸收环境中的热量，从而对蒸发器25附近的空气进行制冷。

在本发明中，冷凝器23和第一换热器15附近的热量在第一风机31的作用下，迅速排放至外部环境中，蒸发器25和第二换热器18附近的冷量在第二风机32的作用下，吹送至指定区域，完成对该区域的制冷工作。

在本发明中，压缩式制冷模块和半导体制冷模块共用第一风机31、第二风机32，可以有效减少整套产品的设备量，此种布局不仅结构紧凑，而且有效降低了产品同外部环境空气交换的面积，降低风机滤网的维护更换频次。

本发明提供一种户外机柜温控设备的温度控制方法，上述压缩机22安全启动的最低温度设为t_a，外温度传感器检测机柜外部的温度为t_b，内温度传感器检测机柜内部的温度为t_c，PLC或者单片机上分别设定有控制半导体芯片11对机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_f、控制半导体芯片11对机柜内部进行制热的最小温度参数值t_g，第二控制器的PLC上设定有控制压缩机22对机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_j，t_f＜t_j，t_g-t_j为机柜内部电子元件的适宜运行温度，机柜的温度控制方法如下：

S1、当t_b＜t_a时，第二控制器控制压缩机22处于待机状态，第一控制器控制所述半导体芯片11正向通电制冷或者反向通电制热并用于调控机柜内部的温度；

S2、当t_b≥t_a时，第一控制器控制半导体芯片11正向通电制冷或者第二控制器控制压缩机22打开，使得半导体芯片11辅助压缩机22调控机柜内部的温度。

在本发明中，在对机柜内部温度的调控过程中，当t_b＜t_a时，通过半导体芯片11对机柜内部的温度进行调控，确保机柜内部的温度始终处于t_g-t_f之间，当t_b≥t_a，此时，外界温度环境处于压缩机22的安全使用温度之上，通过半导体芯片11辅助压缩机22对机柜内部的温度进行调节，机柜内部温度的调节根据机柜外部的温度来选择方法S1或者方法S2，确保机柜内部电子设备始终处于适宜的运行温度范围，而且在外部环境温度不高的情况下，压缩机22无需工作，仅通过半导体芯片11实现对机柜内部的制冷，避免压缩机22工作在润滑不充分或局部过热条件下工作，有效延长了压缩机22的使用寿命。

实施例1

本实施例以机柜处于低温环境（压缩机22的非安全使用温度）下为例进行说明，即机柜内部温度的调控方法选择方法S1进行具体说明，其中，t_a的数值为22℃，t_f的数值为25℃，t_g的数值为5℃。

在方法S1中，当t_c≤5℃时，第一控制器控制半导体芯片11反向通电制热并使得机柜内部的温度升高，25℃≤t_c，第一控制器控制半导体芯片11正向通电制冷并对使得机柜内部的温度降低，当5℃＜t_c＜25℃时，第一控制器控制半导体芯片11处于待机状态。

在本实施例中，在机柜外部的环境温度低于22℃时，外界的温度环境本身处于机柜内部电子元件的安全温度使用范围，因此，在此条件下，除去电子元件自身产生热量的原因，外界的温度环境并不会促使机柜内部升温，鉴于此，根据机柜所处的温度环境，本实施例对机柜内部的温度控制分为以下三种情况：

1、机柜的外部环境处于酷寒的条件，特别是外界温度环境低于-5℃，此时，在机柜刚刚投入使用时，机柜内部的温度环境处于较低的温度，基本和外界保持同步，这种严寒的温度条件也会导致机柜内部的部分电子设备例如液晶显示屏等不能正常工作，此时利用半导体芯片11对机柜内部的进行加热，使得机柜内部的温度上升到5℃以上，而半导体芯片11的TE制热效率远远大于市面上常见的电辅热设备，降低用电功耗的情况下，解决机柜内部制热问题，保证了酷寒条件下机柜内部电子元器件的正常使用。

2、机柜的外部环境处于5℃-22℃之间时，即在机柜刚刚投入使用时，机柜内部的温度处于和外界温度一致的情况，此时机柜内部的温度环境处于电子元器件的安全运行温度范围之内，无须利用半导体芯片11对机柜内部进行加热或者制冷，半导体芯片11处于待机状态。

3、随着机柜内部电子元器件的运行，电子元器件产生热量，机柜内部的温度逐渐升高，在t_c≥25℃时，利用半导体芯片11对机柜内部进行制冷，由于外界环境温度不会促使机柜内部的温度持续升高，鉴于此，半导体芯片11的制冷量完全能够满足机柜内部的制冷需要，使得机柜内部的温度下降到25℃以下，确保电子元器件在机柜内部的运行环境。

在本实施例中，半导体芯片11既能实现对机柜内部制冷，也能实现对机柜内部制热，其原理是利用半导体芯片11自身帕尔帖效应的可逆性，第一控制器既能控制半导体芯片11对机柜内部制冷，也能控制半导体芯片11对机柜内部进行制热。

实施例2

本实施例以机柜处于正常温度（压缩机22的安全使用温度）下为例进行说明，即机柜内部温度的调控方法选择方法S2进行具体说明，其中，t_a的数值为22℃，t_f的数值为25℃，t_j的数值为30℃，

在方法S2中，当25℃≤t_c≤30℃，第一控制器控制半导体芯片11正向通电制冷并使得机柜内部的温度降，第二控制器控制压缩机22处于待机状态，当t_c＞30℃时，第一控制器控制半导体芯片11正向通电制冷并使得机柜内部的温度降低，第二控制器同步控制压缩机22打开并对机柜的内部进行制冷，压缩机22联合半导体芯片11对机柜内部进行制冷，当t_g＜t_c＜25℃时，第一控制器控制半导体芯片11处于待机状态，第二控制器控制压缩机22处于待机状态。

在本实施例中，在机柜外部的环境温度大于22℃时，特别是是炎热的夏季时，温度往往大于30℃，外界的温度环境本身就大于机柜内部电子元件的安全温度，因此，在此条件下，除去电子元件自身产生热量的原因，外界的温度环境也会促使机柜内部升温，鉴于此，仅靠半导体芯片11对机柜内部进行制冷已经无法满足机柜内部的制冷需要，此条件下，满足压缩机22使用的正常温度值，因此，通过压缩机22辅助半导体芯片11对机柜内部进行制冷，根据机柜内部的温度变化，本实施例对机柜内部的温度控制过程分为以下三种情况：

1、当25℃≤t_c≤30℃，此时，机柜内部的温度已经临界于机柜内部安全温度的最高值30℃，此时，第一控制器控制半导体芯片11打开并对机柜内部进行制冷，第二控制器控制压缩机22处于待机状态，半导体芯片11对机柜内部的制冷能够抑制机柜内部温度持续升高，从而可以减缓机柜内部温度上升到30℃的速度，机柜内部在此温度环境下，第二控制器无须控制压缩机22打开。

2、当t_c＞30℃时，第一控制器控制半导体芯片11对机柜内部的制冷处于打开状态，第二控制器控制压缩机22打开并对机柜的内部进行制冷，压缩机22联合半导体芯片11对机柜内部进行制冷，机柜内部在此温度环境下，不利于机柜内部电子元器件的运行，此时，半导体芯片11和压缩机22联合对机柜内部进行制冷，能够迅速对机柜内部进行制冷，提高了机柜内部的降温效率，其次，半导体芯片11能够比压缩机22更快的制冷量，由于蒸发器25和第二换热器18紧靠，半导体芯片11产生的冷却通过第二换热器18也能作用于蒸发器25，使得蒸发器25能够处于低温状态，在后续压缩机22制冷时，压缩机22上产生的冷气无须再去将蒸发器25进行制冷，提高压缩机22制冷量的利用率，进而也减少了压缩机22上无效能源的消耗。

3、当t_g＜t_c＜25℃时，此时机柜内部的温度环境处于安全的运行环境，第一控制器控制半导体芯片11处于待机状态，第二控制器控制压缩机22处于待机状态。

在本实施例中，即使压缩式空调可以满足户外机柜的温控设备使用要求，但是考虑到全年气候变化及昼夜温差，户外机柜的温控设备较长时间工作在较低的环境温度下，实际所需制冷量小于额定最大制冷量。本实施例采用较小功率的半导体芯片稳定工作替换大功率压缩机启停周期性工作，有效降低了电子设备机柜的温控设备年度能源消耗。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种户外机柜的温控设备，其特征在于：其结构包括：

半导体制冷模块，所述半导体制冷模块包括半导体芯片（11）、冷却液的第一循环流通管道（12）、冷却液的第二循环流通管道（13）以及控制半导体芯片（11）正向通电制冷或者反向通电制热或者关闭的第一控制器，所述第一循环流通管道（12）上依次设有第一循环泵（14）、第一换热器（15）以及以及导热端（16），所述第二循环流通管道（13）上一次设有第二循环泵（17）、第二换热器（18）以及导冷端（19），所述导热端（16）紧贴在所述半导体芯片（11）的热端面上，所述导冷端（19）紧贴在所述半导体芯片（11）的冷端面上；

压缩式制冷模块，所述压缩式制冷模块包括通过第三循环流通管道（21）依次连通的压缩机（22）、冷凝器（23）、节流阀（24）以及蒸发器（25），所述冷凝器（23）紧靠所述第一换热器（15）设置，所述蒸发器（25）紧靠所述第二换热器（15）设置，所述压缩机（22）上设有第二控制器；

所述机柜上设有吹风方向朝向外界空气的第一风机（31）以及吹风方向朝向所述机柜内部的第二风机（32），所述第一风机（31）的风路同时经过所述冷凝器（23）、所述第一换热器（15），所述第二风机（32）的风路同时经过所述蒸发器（25）、所述第二换热器（18）；

温度监控模块，所述温度监控模块包括设置在机柜内部的内温度传感器以及设置在机柜外部的外温度传感器，所述内温度传感器和所述外温度传感器分别和所述第一控制器、所述第二控制器电连接，所述第一控制器和所述第二控制器由PLC或者单片机控制。

2.如权利要求1所述的一种户外机柜温控设备的温度控制方法，其特征在于：所述压缩机（22）安全启动的最低温度设为t_a，所述外温度传感器检测机柜外部的温度为t_b，所述内温度传感器检测机柜内部的温度为t_c，所述PLC或者单片机上分别设定有控制所述半导体芯片（11）对所述机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_f、控制所述半导体芯片（11）对所述机柜内部进行制热的最小温度参数值t_g，所述第二控制器的PLC上设定有控制所述压缩机（22）对所述机柜内部进行制冷的最大温度参数值t_j，t_f＜t_j，t_g-t_j为所述机柜内部电子元件的适宜运行温度，所述机柜的温度控制方法如下：

S1、当t_b＜t_a时，所述第二控制器控制所述压缩机（22）处于待机状态，所述第一控制器控制所述半导体芯片（11）正向通电制冷或者反向通电制热并用于调控所述机柜内部的温度；

S2、当t_b≥t_a时，所述第一控制器控制所述半导体芯片（11）正向通电制冷或者所述第二控制器控制所述压缩机（22）打开，使得所述半导体芯片（11）辅助所述压缩机（22）调控所述机柜内部的温度。

3.根据权利要求2所述的一种户外机柜温控设备的温度控制方法，其特征在于：在所述方法S1中，当t_c≤t_g时，所述第一控制器控制所述半导体芯片（11）反向通电制热并使得所述机柜内部温度升高，当t_f≤t_c，所述第一控制器控制半导体芯片（11）正向通电制冷并使得所述机柜内部的温度降低，当t_g＜t_c＜t_f时，所述第一控制器控制所述半导体芯片（11）处于待机状态。

4.根据权利要求2所述的一种户外机柜温控设备的温度控制方法，其特征在于：在所述方法S2中，当t_f≤t_c≤t_j，所述第一控制器控制半导体芯片（11）正向通电制冷并使得所述机柜内部的温度降低，所述第二控制器控制所述压缩机（22）处于待机状态，当t_c＞t_j时，所述第一控制器控制半导体芯片（11）正向通电制冷并使得所述机柜内部的温度降低，所述第二控制器同步控制所述压缩机（22）打开并对所述机柜的内部进行制冷，所述压缩机（22）联合所述半导体芯片（11）对机柜内部进行制冷，当t_g＜t_c＜t_f时，所述第一控制器控制所述半导体芯片（11）处于待机状态，所述第二控制器控制所述压缩机（22）处于待机状态。

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