CN113677158A - 一种舰船用半导体热堆精密控温系统 - Google Patents
一种舰船用半导体热堆精密控温系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113677158A CN113677158A CN202110963172.9A CN202110963172A CN113677158A CN 113677158 A CN113677158 A CN 113677158A CN 202110963172 A CN202110963172 A CN 202110963172A CN 113677158 A CN113677158 A CN 113677158A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- liquid
- heat
- circulating
- semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 90
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 243
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 67
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 28
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims description 23
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 13
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
- H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
- H05K7/20281—Thermal management, e.g. liquid flow control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Temperature (AREA)
Abstract
本发明涉及一种舰船用半导体热堆精密控温系统，属于制冷与人机环境工程技术领域。包括半导体热堆、储液器、三通阀、换热器、供液泵、循环泵、冷却水泵及负载。本发明以半导体热堆为冷热源，设置了由三通阀控制通、断的自然冷却支路，优先利用自然冷源实现节能；本发明具有热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和半导体制热四种工作模式，通过精准调节制冷量或制热量，实现供液温度精确控制。本发明是热电制冷与自然冷却的复合热控系统，半导体热堆长寿命、可靠性高、制冷或制热切换便捷、体积质量小，自然冷却技术的应用极大地改善了热电制冷系统的节能性，适用于舰船用光、电、微波、电磁系统和计算机房全天候工作环境温度精密控制。
Description
技术领域
本发明属于制冷与人机环境工程技术领域，具体涉及一种为工作在宽环境条件的舰（船）载光电设备和数据机房提供精密控温的系统。
背景技术
舰船光电设备、数据机房等，都有全天候、宽环境条件稳定可靠工作的基本需求，并具有高热流密度、热负荷频繁变化的特点，需要控温装置响应速度快、温控精度高。相关被控设备不仅需要供冷，在寒冷气候条件工作或冷启动时也需要供热，某些特种装备甚至要求很高的温度控制精度和响应速率，以提高其工作的稳定性、可靠性、准确性、机动性和效率。
最常使用的是以蒸气压缩式制冷系统为冷热源的精密控温系统，其存在工作温区窄、制冷与供热切换不便捷，温度稳定时间长，体积质量大等缺点。对于光电探测和红外摄像设备，蒸气压缩式制冷系统的振动问题是应用瓶颈；蒸气压缩式制冷系统零部件多，轻量小型化存在困难；易损件多，影响环控设备的可靠性和维修性。
随着材料科学和制造技术的进步，半导体热电制冷技术的应用领域不断拓宽。半导体热电制冷（制热）量调节范围宽，小到红外装置的微瓦级，大至光刻机和晶圆加工设备的万瓦级，3级半导体热堆的制冷温度可达-80℃，并具有响应速度快、制冷与制热切换便捷、体积质量小、安装应用灵活、无震动的优点；半导体热堆无运动件，无磨损和润滑问题，几乎无需维护；在较宽的环境温度变化范围工作可靠、寿命长，在小冷量应用场合优势明显。
限制半导体热电制冷技术广泛应用的最大障碍是能效比较低（能效比=制冷量/消耗功率）、一次投资和运行成本相对较高；如图2所示为常规水冷式半导体制冷系统的结构原理方框图，其工作原理是通过半导体热堆将被控对象的热负荷转移至热堆B端（1B），然后释放给环境（冷却水），这类水冷半导体热电制冷系统的制冷能效比通常在0.5～0.9，是相当温区蒸气压缩式制冷系统能效比的30～50%左右。
发明内容
根据舰船光电设备、数据机房等热控需求，为了在-50～70℃的宽环境温度范围内实现局部环境温度的精确控制，保证被控对象安全、可靠、稳定、高效和准确地运行，本发明提供一种长寿命、高可靠性、控温精度高、启动快捷、制冷制热切换便捷、响应性好的舰船用半导体热堆精密控温系统。
一种舰船用半导体热堆精密控温系统，包括半导体热堆1、储液器2、供液泵P1、三通阀6、换热器7、供液泵P1、循环泵P2、冷却水泵P3及连接管路和负载，所述精密控温系统以半导体热堆1为冷热源，设置三通阀6与换热器7的第一换热管簇71构成自然冷却支路，利用第一循环液与低温海水的自然温差传热实现节能；
所述精密控温系统以半导体热堆1的二个换热通道的热堆A端1A和热堆B端1B构成二个循环液工作环路；
第一循环液工作环路：第一循环液从热堆A端1A进入储液器2，经供液泵P1通过供液管3连接到热控用户的第一负载41和第二负载42，完成与热控用户热交换的第一循环液通过回液管5进入三通阀6入口，所述三通阀6的第一出口连接热堆A端1A入口，所述三通阀6的第二出口通过换热器7的第一换热管簇71连通热堆A端1A入口；
第二循环液工作环路：由热堆B端1B、换热器7的第二换热管簇72和循环泵P2依次连接构成闭合环路；
所述换热器7为壳管式换热器，其壳程以海水为冷却介质，壳管内的换热管包括第一换热管簇71和第二换热管簇72两部分；
所述第一循环液、第二循环液是适合低温环境的乙二醇溶液；如工作环境不存在冻结风险，则采用纯净水或去离子水；
所述冷却水泵P3为变频泵；
所述精密控温系统具有制冷和制热二种工况，制冷工况半导体热堆1正向供电，热堆A端1A为冷端，热堆B端1B为热端；制热工况半导体热堆1逆向供电，热堆A端1A为热端，热堆B端1B为冷端；
所述热控系统共构成四个工作模式，分别为热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和热电制热工作模式，为在-50～70℃宽温带气候条件工作的设备提供精确的温度控制。
一种舰船用半导体热堆精密控温系统的控制方法，在满足制冷工况判定条件回液温度T3 ≥ 设计供液温度TS，同时又满足回液温度T3 > 冷却水温度T2的条件下，优先利用换热器7第一换热管簇71构成的自然冷却支路释放热量，实现所述精密控温系统节能运行；
所述精密控温系统的四个工作模式的控制操作如下：
所述热电制冷工作模式：在满足冷却水温度T2 ≥回液温度T3 ≥设计供液温度TS的条件下，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆A端1A完成放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液由循环泵P2驱动在闭合环路循环，在热堆B端1B吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热；
所述自然冷却+热电制冷工作模式：在满足回液温度T3 > 冷却水温度T2、且热堆A端1A进口温度T4 > 设计供液温度TS的条件下，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第二出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6首先进入换热器7的第一换热管簇71放热，然后进入热堆A端1A继续放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度T1= 设计供液温度TS；第二循环液受循环泵P2驱动在闭合环路循环，在热堆B端1B吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热；如半导体热堆1的供电电能减小至零，即满足热堆A端1A进口温度T4 = 设计供液温度TS的条件，则进入自然冷却工作模式；
所述自然冷却工作模式：半导体热堆1停止供电，循环泵P2停止运行，三通阀6的第二出口导通，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入换热器7的第一换热管簇71完成放热降温，经过热堆A端1A返回储液器2，调节冷却水泵P3的流量，精确调节通过换热器7的第一换热管簇71的放热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；
所述制热工作模式：在满足回液温度T3 < 设计供液温度TS的条件下，半导体热堆1切换为逆向供电，热堆A端1A为热端、热堆B端1B为冷端，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆A端1A完成吸热升温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1制热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液在循环泵P2的驱动下在闭合环路循环，在热堆B端1B放热，在换热器7的第二换热管簇72从冷却水中吸热。
与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明将半导体热电制冷技术和自然冷却节能技术一体化，构建成具有半导体热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和半导体制热四种工作模式的复合型精密控温系统，精确控制半导体热堆供电能量（自然冷却工作模式时精确控制冷却水流量），实现全天候、宽温带（-50～70℃）精密温度控制和系统节能运行，为热控对象稳定、可靠、准确、高效工作提供必要的技术条件。
2、本发明设置了受三通阀控制通、断的“换热器7的第一换热管簇71”自然冷却换热支路，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却（以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷），由附图3可知，在海水温度低于24℃的较宽区间都可以运行自然冷却实现节能；同时，半导体制热效率（1.5～1.9之间）远高于电加热≤1.0的能效，并有安全、可靠和应用便捷的优点，在冷热双供的应用场合优势明显；因此，在安全性、可靠性、机动性、安装性、维修性要求高的应用场合，不仅具有技术优势，节能性也较好。
3、本发明以海水为冷却介质，海水的温度变化范围较小（-2～30℃），相对舰船广阔活动范围的外部空气环境温度变化较小，与采用空气作为冷却介质相比，半导体热电制冷（制热）系统有较高的热效率。采用半导体热堆作为人工冷热源的控温范围宽，制冷、供热切换便捷，热延迟远小于蒸气压缩制冷系统，具有结构简单、体积质量小、安装方便、可靠性高、长寿命、使用灵活方便、操作维护性好等特点。
4、本发明可以实现自动运行、远程监控和人机通讯和互动，且半导体热堆无需维护，利于实现无人值守。应用于舰船电子仓室、数据机房和岛屿的光电、磁电和微波设备的温度精密控制有一定的技术优势。
附图说明
图1为本发明的结构原理方框图。
图2为常规水冷半导体热堆控温系统结构原理方框图。
图3为本发明的工作模式与海水温区适配示意图。
图4为热堆制热电功率与低温热源海水温度的变化关系示意图。
图1-2中标号：半导体热堆1、热堆A端1A、热堆B端1B、储液箱2、供液管3、第一负载41、第二负载42、回液管5、三通阀6、换热器7、第一换热管簇71、第二换热管簇72、供液泵P1、循环泵P2、冷却水泵P3、供液温度T1、海水温度T2、回液温度T3、热堆A端入口温度T4、冷却水排口P、冷却水进口J。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例
参见图1，本实施例一种舰船用半导体热堆精密控温系统，包括：半导体热堆1、储液器2、供液泵P1、三通阀6、换热器7、供液泵P1、循环泵P2、冷却水泵P3及连接管路和负载。所述精密控温系统以半导体热堆1为冷热源，设置三通阀6，三通阀6的第二出口与换热器7的第一换热管簇71构成自然冷却支路，利用第一循环液与低温海水的自然温差实现传热。冷却水泵P3为变频泵。
本实施例液冷源系统以半导体热堆1为核心器件——冷热源，以半导体热堆1的二个换热通道的热堆A端1A和热堆B端1B构成二个循环液工作环路，以第一循环液和第二循环液为载体并通过二个循环流动，完成热量的交换与转移。
第一循环液工作环路：第一循环液从热堆A端1A进入储液器2，经供液泵P1后通过供液管3连接到热控用户的第一负载41和第二负载42，完成与热控用户热交换的第一循环液通过回液管5进入三通阀6入口，所述三通阀6的第一出口连接热堆A端1A入口，所述三通阀6的第二出口通过换热器7的第一换热管簇71连通着热堆A端1A入口。
第二循环液工作环路：由热堆B端1B、换热器7的第二换热管簇72和循环泵P2依次连接构成闭合环路。
换热器7为壳管式换热器，其壳程以海水为冷却介质，壳管内的换热管包括第一换热管簇71和第二换热管簇72两部分。第一换热管簇71的管内流动工质为第一循环液，第二换热管簇72的管内流动工质为第二循环液；
第一循环液、第二循环液为适合低温环境的载冷剂乙二醇溶液，如工作环境不存在冻结风险，则采用纯净水或去离子水。与乙二醇溶液相比纯净水或去离子水的流动性相对较好，具有流动阻力小、传热系数较大、体积流量较小、腐蚀性较小的优点。循环液的选择依据是：1）在工作温度范围具有良好的流动性，不凝固；2）具有较大的比热容；3）传热性能好；4）具有防腐性等其他性能要求。
本实施例精密控温系统的工作温区为-50～70℃，为舰（船）载微波设备和计算机房提供局部环境控制，第一循环液的允许供液温度范围为5～30℃，被控对象最佳工作环境温度为26±1.0℃。
本实施例精密控温系统安装在舰船的机舱内，所有流通管路设置绝热保护，不直接暴露于外界，但出于安全考虑，第一循环液和第二循环液均采用体积浓度45%的乙二醇水溶液。
设：供液温度为T1、冷却水温度为T2、回液温度为T3、热堆A端1A进口温度为T4、设计供液温度为TS；
本实施例精密控温系统具有制冷和制热二种工况，制冷工况半导体热堆1正向供电，热堆A端1A为冷端，热堆B端1B为热端；制热工况半导体热堆1逆向供电，热堆A端1A为热端，热堆B端1B为冷端。
精密控温系统共构成四个工作模式，分别为热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和热电制热工作模式，为在-50～70℃宽温带气候条件工作的设备提供精确的温度控制。
本实施例一种舰船用半导体热堆精密控温系统的控制方法，在满足制冷工况判定条件回液温度T3 ≥ 设计供液温度TS，同时又满足回液温度T3 > 冷却水温度T2的条件下，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却，以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷，实现精密控温系统节能运行；
参见图3，图中的实线为半导体热堆的制冷量，虚线为半导体热堆的耗电量，点划线为被控对象的热负荷，设额定工况被控对象热负荷恒定。结合液冷源系统的四个工作模式的控制操作及能量匹配情况，描述和分析如下：
热电制冷工作模式：在满足冷却水温度T2 ≥回液温度T3 ≥设计供液温度 TS的条件下，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆A端1A完成放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液由循环泵P2驱动在闭合环路循环，在热堆B端1B吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热。参见图3，在热电制冷工作模式区间，半导体热堆的制冷量等于热负荷，随着海水温度下降，热电制冷的热效率上升，半导体热堆1的电功率平缓下降。
自然冷却+热电制冷工作模式：在满足回液温度T3 > 冷却水温度T2、且热堆A端1A进口温度T4 > 设计供液温度TS的条件下，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第二出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6首先进入换热器7的第一换热管簇71放热，然后进入热堆A端1A继续放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液受第二液泵P2驱动在闭合环路循环，在热堆B端1B吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热。
参见图3，在自然冷却+热电制冷工作模式区间，由于自然冷却释放了部分热负荷，热电制冷只需弥补自然冷却的制冷量不足部分，自然冷却和热电制冷的放热量总和等于第一负载41与第二负载42的热负荷之和。随着海水温度的逐渐下降，第一循环液与海水的传热温差逐渐增大，自然冷却的放热量逐渐增大，热电制冷的制冷量需求逐渐减小，半导体热堆的电功率对应逐渐减小，直至为零，该时精密控温系统的电能消耗仅为泵的功率之和。
如半导体热堆1的供电电能减小至零，即满足热堆A端1A进口温度T4 = 设计供液温度TS的条件，则进入自然冷却工作模式。
自然冷却工作模式：半导体热堆1停止供电，循环泵P2停止运行，三通阀6第二出口导通，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入换热器7的第一换热管簇71完成放热降温，经过热堆A端1A返回储液器2，调节冷却水泵P3的流量，精确调节通过换热器7的第一换热管簇71的放热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS。
参见图3，在自然冷却工作模式区间，半导体热堆停止工作电能消耗为零；随着海水温度的逐渐下降，自然冷却的传热温差逐渐增大，因此通过精确调节冷却水泵P3的转速（流量），控制自然冷却的放热量，实现精密控温系统供液温度的精确控制；在自然冷却工作模式中，精密控温系统中只有冷却水泵P3和供液泵P1运行，节能效果显著。
本发明设置了受三通阀6控制通、断的“换热器7的第一换热管簇71”，本文称为“自然冷却” 换热支路，目的是在满足回液温度T3 > 环境温度T2的条件下，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却，即以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷，由图3可知，自然冷却+热电制冷和自然冷却二个工作模式都具备自然冷却的节能功能。舰船的活动范围广阔，外界气温变化范围大，但海水温度相对稳定，在合适的温度范围作为自然冷却的低温冷源节能潜力大。
制热工作模式：在满足回液温度T3 < 设计供液温度TS的条件下，半导体热堆1切换为逆向供电，热堆A端1A为热端、热堆B端1B为冷端，冷却水泵P3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵P1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆A端1A完成吸热升温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1制热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液在循环泵P2的驱动下在闭合环路循环，在热堆B端1B放热，在换热器7的第二换热管簇72从冷却水中吸热。半导体制热效率通常在1.5～1.9范围，远高于电加热器的能效，并有安全、可靠和应用便捷的优点。图4为半导体热堆制热电功率与低温热源海水温度的变化关系示意图。
在低温或寒冷气候条件下，为确保被控对象稳定、可靠、准确、高效工作，精密控温系统必须创造适宜的微环境，目前微波等光电设备的环控系统普遍采用电加热器供热，电加热器的能效恒小于1，电加热器必须严格谨防过热、过流等情况发生。单级半导体热堆制热在高低温温差50℃时的能效在1.5～1.9范围，无过热、过流等风险，而且制热与制冷切换只需改变供电方向，简便、快捷；半导体热堆用于冷热双供、一机双效场合，不仅有一机两用、高效节能的功效，而且节省安装空间和设备总重量。
对于微波等光电设备和计算机系统，正常运行时热负荷较大，在低温季节通常不需要供热或供热量需求很小，但是在待机状态或冷启动时，为了保证快速启动、快速进入工作或战备状态，必须可靠、快捷、准确的达到设定温度，快速供热是必须的。
制冷（制热）量在万瓦级以下，尤其是小冷量应用等场合，应用半导体热电制冷（制热）技术及其控温系统具有独特的技术优势和便利。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种舰船用半导体热堆精密控温系统，其特征是包括：半导体热堆（1）、储液器（2）、供液泵（P1）、三通阀（6）、换热器（7）、供液泵（P1）、循环泵（P2）、冷却水泵（P3）及连接管路和负载，所述精密控温系统以半导体热堆（1）为冷热源，设置三通阀（6）与换热器（7）的第一换热管簇（71）构成自然冷却支路；
所述精密控温系统以半导体热堆（1）的二个换热通道的热堆A端（1A）和热堆B端（1B）构成二个循环液工作环路；
第一循环液工作环路：第一循环液从热堆A端（1A）进入储液器（2），经供液泵（P1）通过供液管（3）连接到热控用户的第一负载（41）和第二负载（42），完成与热控用户热交换的第一循环液通过回液管（5）进入三通阀（6）入口，所述三通阀（6）的第一出口连接热堆A端（1A）入口，所述三通阀（6）的第二出口通过换热器（7）的第一换热管簇（71）连通热堆A端（1A）入口；
第二循环液工作环路：由热堆B端（1B）、换热器（7）的第二换热管簇（72）和循环泵（P2）依次连接构成闭合环路；所述换热器（7）为壳管式换热器，其壳程以海水为冷却介质，壳管内的换热管包括第一换热管簇（71）和第二换热管簇（72）两部分；
所述第一循环液、第二循环液是适合低温环境的乙二醇溶液；如应用环境不存在冻结风险，则采用纯净水或去离子水；所述冷却水泵（P3）为变频泵；
所述精密控温系统具有制冷和制热二种工况，制冷工况半导体热堆（1）正向供电，热堆A端（1A）为冷端，热堆B端（1B）为热端；制热工况半导体热堆（1）逆向供电，热堆A端（1A）为热端，热堆B端（1B）为冷端；
所述热控系统共构成四个工作模式，分别为热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和热电制热工作模式，为在-50～70℃宽温带气候条件工作的设备提供精确的温度控制。
2.根据权利要求1所述的一种舰船用半导体热堆精密控温系统的控制方法，其特征是：在满足制冷工况判定条件回液温度T3 ≥ 设计供液温度TS，同时又满足回液温度T3 > 冷却水温度T2的条件下，利用换热器（7）第一换热管簇（71）构成的自然冷却支路释放热量，实现所述精密控温系统节能运行；
所述精密控温系统的四个工作模式的控制操作如下：
所述热电制冷工作模式：在满足冷却水温度T2 ≥回液温度T3 ≥设计供液温度 TS的条件下，冷却水泵（P3）运行，三通阀（6）导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵（P1）的驱动从储液器（2）流出，通过供液管（3）分流给第一负载（41）和第二负载（42），完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管（5）收集，通过三通阀（6）进入热堆A端（1A）完成放热降温返回储液器（2），调节半导体热堆（1）的供电电能大小，精确调节半导体热堆（1）的制冷量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液由循环泵（P2）驱动在闭合环路循环，在热堆B端（1B）吸热，在换热器（7）的第二换热管簇（72）放热；
所述自然冷却+热电制冷工作模式：在满足回液温度T3 > 冷却水温度T2、且热堆A端（1A）进口温度T4 > 设计供液温度TS的条件下，冷却水泵（P3）运行，三通阀（6）导通第二出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵（P1）的驱动从储液器（2）流出，通过供液管（3）分流给第一负载（41）和第二负载（42），完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管（5）收集，通过三通阀（6）首先进入换热器（7）的第一换热管簇（71）放热，然后进入热堆A端（1A）继续放热降温返回储液器（2），调节半导体热堆（1）的供电电能大小，精确调节半导体热堆（1）的制冷量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液受循环泵（P2）驱动在闭合环路循环，在热堆B端（1B）吸热，在换热器（7）的第二换热管簇（72）放热；如半导体热堆（1）的供电电能减小至零，即满足热堆A端（1A）进口温度T4 = 设计供液温度TS的条件，则进入自然冷却工作模式；
所述自然冷却工作模式：半导体热堆（1）停止供电，循环泵（P2）停止运行，三通阀（6）的第二出口导通，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵（P1）的驱动从储液器（2）流出，通过供液管（3）分流给第一负载（41）和第二负载（42），完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管（5）收集，通过三通阀（6）进入换热器（7）的第一换热管簇（71）完成放热降温，经过热堆A端1A返回储液器（2），调节冷却水泵（P3）的流量，精确调节通过换热器（7）的第一换热管簇（71）的放热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；
所述制热工作模式：在满足回液温度T3 < 设计供液温度TS的条件下，半导体热堆（1）切换为逆向供电，热堆A端（1A）为热端、热堆B端（1B）为冷端，冷却水泵（P3）运行，三通阀（6）导通第一出口，温度为设计供液温度TS的第一循环液受第一液泵（P1）的驱动从储液器（2）流出，通过供液管（3）分流给第一负载（41）和第二负载（42），完成热交换温度为T3的第一循环液经回液管（5）收集，通过三通阀（6）进入热堆A端（1A）完成吸热返回储液器（2），调节半导体热堆（1）的供电电能大小，精确调节半导体热堆（1）制热量，实现供液温度T1 = 设计供液温度TS；第二循环液在循环泵（P2）的驱动下在闭合环路循环，在热堆B端（1B） 放热，在换热器（7）的第二换热管簇（72）从冷却水中吸热。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110963172.9A CN113677158A (zh) | 2021-08-20 | 2021-08-20 | 一种舰船用半导体热堆精密控温系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110963172.9A CN113677158A (zh) | 2021-08-20 | 2021-08-20 | 一种舰船用半导体热堆精密控温系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113677158A true CN113677158A (zh) | 2021-11-19 |
Family
ID=78544929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110963172.9A Pending CN113677158A (zh) | 2021-08-20 | 2021-08-20 | 一种舰船用半导体热堆精密控温系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113677158A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114815095A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-07-29 | 武汉电信器件有限公司 | 一种循环液冷模块装置及使用方法 |
| CN115451607A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-09 | 中国农业大学 | 热电系统、热电系统的控制方法及装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030218865A1 (en) * | 2002-05-24 | 2003-11-27 | Macias Jose Javier | Semiconductor thermal management system |
| JP2008116059A (ja) * | 2006-06-16 | 2008-05-22 | Kiyoshi Yanagimachi | 電子空調ユニット |
| CN101975489A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-02-16 | 合肥工业大学 | 全天候宽温带精密温度控制系统 |
| CN103900178A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-07-02 | 深圳达实智能股份有限公司 | 一种地源热泵蓄能中央空调系统 |
| CN204404677U (zh) * | 2014-10-24 | 2015-06-17 | 合肥美的电冰箱有限公司 | 一种空调和冰箱一体机 |
| JP2019079197A (ja) * | 2017-10-23 | 2019-05-23 | 三菱重工冷熱株式会社 | 温度制御装置 |
-
2021
- 2021-08-20 CN CN202110963172.9A patent/CN113677158A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030218865A1 (en) * | 2002-05-24 | 2003-11-27 | Macias Jose Javier | Semiconductor thermal management system |
| JP2008116059A (ja) * | 2006-06-16 | 2008-05-22 | Kiyoshi Yanagimachi | 電子空調ユニット |
| CN101975489A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-02-16 | 合肥工业大学 | 全天候宽温带精密温度控制系统 |
| CN103900178A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-07-02 | 深圳达实智能股份有限公司 | 一种地源热泵蓄能中央空调系统 |
| CN204404677U (zh) * | 2014-10-24 | 2015-06-17 | 合肥美的电冰箱有限公司 | 一种空调和冰箱一体机 |
| JP2019079197A (ja) * | 2017-10-23 | 2019-05-23 | 三菱重工冷熱株式会社 | 温度制御装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114815095A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-07-29 | 武汉电信器件有限公司 | 一种循环液冷模块装置及使用方法 |
| CN115451607A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-09 | 中国农业大学 | 热电系统、热电系统的控制方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110425668B (zh) | 一种带应急制冷功能的机房热管空调系统及其控制方法 | |
| CN113677158A (zh) | 一种舰船用半导体热堆精密控温系统 | |
| CN101424472B (zh) | 生产设备水冷却系统 | |
| CN1158502C (zh) | 制冷剂循环系统控制方法 | |
| CN110657597B (zh) | 一种氟泵多联制冷系统及其控制方法 | |
| CN112856551A (zh) | 一种太阳能梯级相变蓄热耦合空气源热泵供热系统及方法 | |
| CN213636112U (zh) | 冷水机组与储能系统 | |
| CN214413341U (zh) | 一种数据中心的散热系统 | |
| US20190017712A1 (en) | High-efficiency extra-large cooling capacity series chiller in energy station | |
| CN113660838A (zh) | 一种半导体热堆精密控温液冷源系统 | |
| CN211240611U (zh) | 一种机房冷却系统 | |
| CN114867312A (zh) | 一种热回收型液冷系统 | |
| JP7147005B2 (ja) | 冷却システム | |
| CN215373661U (zh) | 适用于寒冷地区的冷水系统及乏燃料后处理系统 | |
| KR102513802B1 (ko) | 냉각 시스템 | |
| CN212566361U (zh) | 制冷系统 | |
| CN210663453U (zh) | 一种防止冻管的两用切换式热泵机组 | |
| CN216204601U (zh) | 一种单蓄冷循环调节的冷液机 | |
| CN220166280U (zh) | 激光熔覆机防冻待机设备 | |
| CN110595108A (zh) | 防止冻管的两用切换式热泵机组 | |
| CN213237801U (zh) | 冷水机组蓄冷系统 | |
| CN217058011U (zh) | 一种多工况调节的地源热泵制冷系统 | |
| CN216845182U (zh) | 一种大型地面固定式发射机系统实验用液冷源系统 | |
| CN221176392U (zh) | 一种相变蓄冷式电池储能柜控温系统 | |
| CN218123531U (zh) | 热管理系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20240614 |
|
| AD01 | Patent right deemed abandoned |