CN1589094A - 基于热电主动控制的微通道循环换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热电主动控制的微通道循环换热系统，包括控制驱动部分、执行换热部分和电源。控制驱动部分主要由四个温度传感器、主动控制器和两个功率驱动器组成；执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成。所述主动控制器通过两个功率驱动器分别和微型水泵、热电换热器电连接。并运用电压控制器控制热电换热器的执行电压，当系统处于－40℃～52℃或－28℃～2℃或被控温元器件处于40℃～80℃，散热部件处于22℃环境温度，可控制被控温元器件温度为10℃～60℃。本发明体积小、换热效率高、可靠性高，可用于极恶劣温度环境中高密度信息装置换热。

Description

基于热电主动控制的微通道循环换热系统

技术领域

本发明涉及热交换装置，具体是一种基于热电主动控制的微通道循环换热系统，适用于严酷高低温环境中电子信息装备的温度控制。

背景技术

随着电子信息装备的微小型化，元器件的组装密度和芯片的封装集成密度愈来愈高，尽管功率不断降低，但体积的缩小使得传热的热流密度越来越大，导致系统局部温升越来越大，制约了电子系统工作可靠性的提高。

将被控温元器件如计算机CPU芯片、有源相控阵雷达天线的固态发射源的散热、芯片高密度组装的电子系统以及高效能激光器等的温度控制在正常范围内一直是工程技术界追求的目标，传统的换热技术有风冷散热、水冷散热、热管散热等。风冷散热器成本低散热效果明显，但由于有风道、体积大，不适满足高密度组装的或有屏蔽密封的热控制对象的换热，当环境温度高于或低于元器件温度时，对被控温元器件没有控温能力。水冷散热器比之风冷散热的散热效果好、系统没风扇噪声低，但其体积大，同样不适用于高密度组装被控温对象。热管散热器具有热传导效果好、不耗电、重量轻的优点，但因其导热能力取决于毛细效应，一般长度10-20cm，不适合冷热源间导热路径较长应用条件。近期出现的热电换热器、微通道换热器与传统的换热技术相比，具有热响应迅速、可靠性高、体积小无噪音、高低温度均可控制和调整直流电源的电流方向即可升温或降温等优点，适用于某些需要精确控制温度或使用环境比较恶劣的场合。其最主要的缺点是性能系数低，耗电量大，使热电换热器的应用受到限制。

20世纪80年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种微通道换热结构【Tuckermann D.B.，Pease R.F.，“Optimized convective cooling using micromachinedstructure”，Journal of Electro-Chamical Society，1982，129(3)，98C】，该结构采用高导热系数的材料(硅)制作而成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传导至通道内，然后被强迫对流的液体(水)所带走，其换热性能超过传统换热技术所能达到的水平。近年来，中科院上海光学精密研究所研制了一种微通道冷却热沉，可应用于半导体激光器件及其列阵器件、大规模集成电路的散热。

微通道结构具有换热能力强，适应了高热流密度被控温元器件封装的需要，是一种能将电子元器件或芯片中的热量带走的高效换热技术，且具有结构与制造工艺简单的优点。其局限性在于：仅通过微通道换热器自身，尚不能解决较高温度环境下的换热问题，必须通过外加冷源来实现其高效的换热性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有换热技术之不足，提供一种基于热电主动控制的微通道循环换热系统，使其具有高效换热能力，能满足电子信息产品在恶劣环境温度条件下的换热需要。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案包括控制驱动部分、执行换热部分和电源，所述控制驱动部分主要由温度传感器、主动控制器和两个功率驱动器组成；所述执行换热部分主要由两个微通道换热器、被控温元器件、热电换热器、风冷散热器和微型水泵组成；所述主动控制器通过上述功率驱动器分别和微型水泵热器电连接，并为其提供工作电压；所述微通道换热器一个与被控温元器件固定为一体，另一个和风冷散热器分别与热电换热器的两个工作面固定，连通管从微型水泵引出，依次连通上述两微通道换热器，再回到微型水泵，形成换热循环系统，在控制驱动部分控制下完成系统的换热。

控制驱动部分的主动控制器包括数据采集器、处理器、控制信号输出器和人机接口，其连接关系为数据采集器、处理器和控制信号输出器依次连接；处理器与人机接口双向连接；所述数据采集器由八个温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成；所述控制信号输出器包括两个输出通道，即由“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道和“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道，这两个通道分别与两个功率驱动器相连；所述的人机接口包括键盘和液晶显示器，键盘主要向处理器输入设定的参数，液晶显示器实时显示系统运行的工作信息。所述处理器根据热电换热器的执行电压随环境温度变化的电压控制律，对数据采集器送来的温度数据量进行处理，生成对热电换热器的执行电压数字量Data，经D/A-2数模转换、运算放大器、功率放大器放大成热电换热器的执行电压，控制系统进行换热。通过上述控制，可以使被控温元器件工作温度控制在10℃-60℃范围，而热电换热器耗电量较小。

从上述技术方案可以看出，本发明在同一换热系统内将热电换热技术和微通道换热技术有机地集合起来，实现了两者优势迭加，扬长补短，与现有技术相比，具有体积小、换热效率高，可靠性高的优点及制冷加热的双向换热功能。根据实际换热量和控制温度控制的需要，采用电压控制律对换热系统进行控制，可在极其恶劣的环境温度条件下，将被控温元器件的温度控制在10℃～60℃范围，使热电换热器耗电量最小。本发明具有上述特点，可在以下领域得到广泛应用：

1.本发明的微通道和微流体非常接近被控温元器件，形成热阻很小的传热途径，因而传热效率很高，传热路径的长短对传热量的影响很小，使用微通道换热器及连通管实现微流体循环，可用于冷、热源间的长距离热传输，可适用于高低温差较大、冷热部位相距较远，譬如太空环境下的电子信息装备；加之体积非常小；限适合有屏蔽密封要求而不易通过的长距离传导换热的场合；

2.本发明换热系统体积小，可靠性高，适用于高密度组装部件的换热；可安装在产品关键部位如，多芯片高密度组装，计算机CPU芯片，有源相控阵雷达天线的固态发射源，高效能激光器，磁盘存储器、打印头、喷墨头、热转印头等部位进行局部热控制；

3.本发明的热电换热器的电流方向决定升温或降温，调整电流方向可使工作部位的局部温度低于或高于环境高温，具有很强的热环境适应性。特别适用于极恶劣环境温度下电子信息装备中关键元器件的热控制；

附图说明

图1是本发明循环换热系统构成示意图

图2是本发明执行换热部分的俯视示意图

图3是本发明微通道换热器构造及装配示意图

图4是本发明温度传感器1安装位置示意图

图5是本发明温度传感器2、3安装位置示意图

图6是本发明主动控制器组成框图

图7是本发明数据采集器组成框图

图8是本发明数据采集器温度/电压变换器电路图

图9是本发明控制信号输出器框图

图10是本发明功率驱动器电路图

图11是本发明处理器电压控制信号流框图

图12是正常开机工况下电压控制律曲线，

图13是正常开机工况下被控温元器件温度变化曲线

图14是关机防冻工况下电压控制律曲线

图15是关机防冻工况下被控温元器件温度变化曲线

图16是冷热环境并存工况下电压控制律曲线

图17是冷热环境并存工况下被控温元器件温度变化曲线

图18是本发明控制系统流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和具体实施进行详述。

如图1、图2所示，本发明主要由控制驱动部分I、执行换热部分II和电源17构成。控制驱动部分I主要由温度传感器1、主动控制器2和功率驱动器3、4组成。执行换热部分II主要由两个微通道换热器6、风冷散热器10和微型水泵7组成。主动控制器2通过功率驱动3、4分别和热电换热器9和微型水泵7进行电连接。温度传感器1的数量为四个，分别用来检测被控温元器件的温度，热电换热器冷、热端的温度和检测外界环境的温度；图中的A、B、C、D四个点为上述温度传感器的温度采集点。温度传感器将采集的温度数据送到主动控制器2进行处理，产生控制电压信号，经放大后由功率驱动器3、4输送到微型水泵7和热电换热器9，驱动其工作。在上述图中，一个微通道换热器6，与被控温元器件5固定为一体；另一个微通道换热器6和风冷散热器10分别固定在热电换热器9的两个工作面上。为了减小接触热阻，在与热电换热器9的接触面上均涂有导热硅脂。连通管8从微型水泵7引出，依次连通上述两微通道换热器6，再连接到微型水泵7，形成换热循环系统。为提高系统运行可靠性以及尽可能减小体积，换热部分的微型水泵7选用德国KNF公司生产的NF60KPDC型薄膜泵，它采用5V～24V直流电供电，最大流量为400ml/min，提供最大泵压为100Kpa。通过调整泵的供电电压来调节其流量，以改变连通管和微通道中水的流速。所述风冷散热器10是用来强化热电换热器9与外界环境换热的，本发明选用的风冷散热器10为轴流式风冷散热器，其散热性能较好的。所述电源17为直流电源，可以为换热系统提供±24V电压。

参见图2，在连通管8上连接有六个三通接头11，用作换热系统水温和水压的测试接口。其中，测量连通管水压的三通接头为四个，通过测量水压控制水流速度。测量水温的三通接头为两个，分别用于测量与热电换热器9相连接的微通道循环器6的出水和回水温度。连通管8采用隔热性能较好的软管，如塑料管或硅胶管，以减小与外界环境的热交换量。

参见图3，本发明的两个微通道换热器6具有完全相同的材质、结构和尺寸。所述微通道换热器6的材料为硬铝合金，其结构由换热器基底12、一组微通道13、盖板14组成。换热器基底12和盖板14用树脂胶粘结成整体，具有密封性好、不怕水、强度高、耐高温的特点。在微通道换热器6的两侧边开设有水介质出/入口15，在出/入口15上各安装一个微通道接头16，在微通道接头16中间有一园柱小孔，连通管8穿过此孔；所述出/入口15的一端与与微通道13连通，另一端则经微通道接头16与连通管8连通。构成换热水介质的封闭循环通道。

参见图4和图5所示的温度传感器1的安装位置，其中，一个温度传感器安装在被控温元器件5与微通道换热器9之间，用以测量被控温元器件的温度；两个温度传感器分别安装在热电换热器9与微通道换热器6之间和热电换热器与风冷散热器10之间，用以测量热电换热器9冷、热端的温度；还有一个温度传感器置于换热系统外(图中未画出)，用来实时测量外界环境温度。本发明采用型号PT100铂热电阻作为温度传感器，以满足于本系统狭小空间的温度测量。

参见图6，本发明的主动控制器2主要由数据采集器、处理器、控制信号输出器、人机接口组成。所述数据采集器是主动控制器2的前端，它与处理器和控制信号输出器依次连接。处理器与人机接口双向连接。

如图7所示，所述数据采集器用于采集、转换温度传感器1测量的温度信息。其组成主要由多个温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成。为给温度测量预留足够的冗余量，设计了8路温度-电压变换器。由于温度传感器1采用的是铂热电阻，为了检测的方便，由温度/电压变换器将铂热电阻表示温度的电阻值转换为电压信号，其电路如图8所示。温度/电压变换器采用了差分输入方式(OP07-1)，并进行了二次放大(OP07-2)，图12中VCC为5V稳压源，Rt为温度传感器，R1～R4为精密电阻(R1＝5kΩ，R2＝100Ω，R3＝1kΩ，R4＝20kΩ)，R4为20kΩ电位器；当外界环境温度为0℃时，Rt＝100Ω，使得运算放大器OP07-2在0℃输出Vout1为0V。所有温度信息温度/电压变换器处理生成的电压信号，通过模拟开关ADG508进行通道选择，再经由运算放大器放大、A/D模数变换，便得到对应通道温度的数字量，输送给处理器处理。为了提高数据采集的精度，运算放大器选用了高精度、低温漂型号为OP07的放大器，A/D选用了16位精度的模数转换器AD574。

参见图9，控制信号输出器包括两个输出通道，即“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道和“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道。这两个通道分别与功率驱动器4、3相连。所述控制信号输出器的主要功能是将从处理器送来的控制信号进行数模变换、放大成功率驱动器3和4的控制信号。由于本发明对微型水泵7的控制精度要求不太高，因此D/A-1选用了12位数模转换器DAC0832，其控制精度可达24/2¹²V(＜6mV)。在实际应用中，D/A-1输出为定值，使微型水泵的执行电压也为定值，从而微通道中水的流速为常值。由于热电换热器9耗电量大，属于关键被控对象，必须提高对其行电压的控制精度，因此D/A-2选用了16位D/A数模转换器DAC811。

所述人机接口与处理器为双向连接。该人机接口包括键盘和液晶显示器。键盘主要向处理器输入系统设定参数，包括电压控制律计算式及相应参数，工况设定，微通道的水流速等。键盘有十个数字键(0～9)、减号(“-”)、小数点(“.”)和四个热键(F1～F4)共计十六个按键。液晶显示器用于显示系统工作信息，如环境温度、被控温元器件温度、热电换热器冷热端温度和微通道水的流速等。

参见图10，所述功率驱动器3、4是控制驱动部分I的重要组成部分，它为微型水泵7和热电换热器9提供电压。其驱动电路选用型号为OPA541的放大器为功率放大器的主要器件，外围只需少量元件就能满足输出要求(R6为10kΩ电阻，R7为50kΩ电位器，R8为0.1Ω/4W电阻)。OPA541实际上是一个大功率的运算放大器，在±10V～±40V的电源下工作，单路功率驱动器可以连续输出5A的电流。而热电换热器9的执行电压有可能超过5A，因此需要由两路功率驱动电路并联驱动，以满足热电换热器9的工作电流。

由于电子信息装备元器件的可靠性与其工作温度密切相关，当在极其恶劣的环境温度下，通常要规定正常的温度范围如T^* _l～T^* _h，本系统的被控温元器件5的正常工作温度取T^* _l＝10℃，T^* _h＝60℃。由此，系统主动温度控制目标是使被控温元器件5的温度满足10℃～60℃。由于热电换热器9的突出缺陷是耗电量大，系统的基本控制策略是通过控制热电换热器9的执行电压，使被控温对象达到温度控制目标，且热电换热器耗电量尽可能小。本发明的主动控制主要通过主动控制器2的处理器完成。

参见图11，处理器由芯片构成，芯片型号为8031。处理器是主动控制器2的核心组件，它根据热电换热器9的执行电压随外界环境温度变化的曲线，即电压控制律V＝C₀+C₁T_∞+C₂T_∞ ²+......+C_nT_∞ ⁿ对系统进行主动控制。式中，V为热电换热器9的执行电压，T_∞为外界环境温度，C₀～C_n为外界环境温度对应点拟合参赞数。处理器接收从数据采集器输入的温度信息，运用上述电压控制律进行处理，产生执行电压控制量Data，经过D/A-2的数模变换、运算放大器放大、再由功率放大器放大成驱动热电换热器9的执行电压。当系统所处的外界环境温度较高时，被控温元器件5需要制冷，处理器通过功率驱动器4向热电换热器9通以正向(在设计电路时设定)电压，热电换热器9成为冷源，对与之连接的微通道换热器6制冷，连通管8内水介质降温，进而通过另一微通道换热器6冷却被控温元器件5，使被控温元器件5降温至设定值。反之当环境温度较低，被控温元器件5工作温度需要加热时，给热电换热器9通以反向的电压，热电换热器又成为热源，经过上述循环通道，被控温元器件5亦被加热，从而现完成系统的换热。由于热电换热器9能根据电流方向的转换，成为系统的热源或冷源，本发明将其与微通道换热器6组合为一个系统，热电换热器9为微通道换热器6提供了冷源，使其能在较高的环境温度下，有效地发挥其高效率换热能力。

本发明进行主动控制的电压控制律V＝C₀+C₁T_∞+C₂T_∞ ²+......+C_nT_∞ ⁿ可从以下实施例来获得。

根据换热循环系统可能所处的极恶劣的环境温度，本发明优选了外界环境温度为-40℃～52℃的正常开机工况；外界环境温度为-28℃～2℃的停机防冻工况；外界环境温度为22℃、40℃～80℃的冷热环境并存三种工况，在任一工况下，通过选择不同的外界环境温度点，控制被控温元器件5的不同温度，调整热电换热器9的执行电压，所得到的执行电压随外界环境温度变化的曲线中获得电压控制律。

在本发明的实施例中，用热电模块模拟热电换热器9，用高低温恒温箱模拟外界环境温度。

实施例一，外界环境温度为-40℃～52℃的正常开机工况下，求解电压控制律。

通过仿真分析和实验可知，当系统所处外界环境温度较高时，被控温元器件5需要制冷，以使其温度达到正常的工作温度范围＜T^* _h，设定此时热电模块9施加以正向电压；当外界环境温度较低时，虽然被控温元器件5发热，但不足以使其达到最低的正常工作温度T^* _l，这时被控温元器件5需要被加热，热电模块9被施加以反向电压；这样势必存在一个温度段(T_l～T_h)，热电模块9不需要加电，被控温元器件5的温度就能够处于正常工作温度范围内(T^* _l～T^* _h)。由此，可将外界环境温度T_∞分为三段：

高温段，T_h＜T_∞＜T^* _h，热电模块9的执行电压V＞0；

中温段，T_l＜T_∞＜T_h，热电模块9的执行电压V＝0；

低温段，T^* _l＜T_∞＜T_l，热电模块9的执行电压V＜0。

1.选择高温段(T_h＜T_∞＜T^* _h)的电压控制律的曲线拟和点：

(1)当系统的外界环境温度T_∞1＞T_h且达到52℃时，调整热电模块9的执行电压V，使V＝V₁，使被控温元器件5的温度达到T^* _h；(60℃)

(2)选择系统的外界环境温度T_∞2＝T_h+2(T_∞1-T_h)/3和T_∞3＝T_h+(T_∞1-T_h)/3为测试点，调整热电模块9的执行电压V，分别使V＝V₂和V＝V₃时，恰好使被控温元器件5的温度达到约为T^* _h。(60℃)

2.选择中温段(T_h～T_l)的电压控制律的曲线拟和点：

(1)热电模块13不加电，调整外界环境温度，待系统稳定约20分钟后，监测被控温元器件5的温度；当外界环境温度为T_h时，控制被控温元器件5的温度达到约为T^* _h(本系统取60℃)；

(2)热电模块13不加电，调整外界环境温度，待系统稳定约20分钟后，监测被控温元器5件温度；当外界环境温度为T_l时，控制被控温元器件5的温度达到约为T^* _l(本系统取10℃)。

3.选择低温段(T^* _l＜T_∞＜T_l)的电压控制律的曲线拟和点

(1)当系统的外界环境温度T_∞4低达-40℃时，调整热电模块9的执行电压V＝V₄，使被控温元器件5温度达到约为T^* _l；(10℃)

(2)选择系统的外界环境温度T_∞5＝T_∞4+(T_l-T_∞4)/3和T_∞6＝T_∞4+2(T_l-T_∞4)/3为测试点，调整热电模块9的执行电压V，分别使V＝V₅和V＝V₆时，使被控温元器件5温度达到约为T^* _l(10℃)。

参见图12，从上述温度段的拟和点数据得到热电模块9执行电压随温度变化的曲线，根据该曲线获得本工况各温度段的热电模块的电压控制律为：

高温段

$V=C_{0h}+C_{1h}{T}_{\∞}+C_{2h}{T}_{\∞}^2+C_{3h}{T}_{\∞}^3---\left(1\right)$

中温段

V＝0                                        (2)

低温段

$V=C_{0l}+C_{1l}{T}_{\∞}+C_{2l}{T}_{\∞}^2+C_{3l}{T}_{\∞}^3---\left(3\right)$

用上述测量数据：T_h、T_l、T_∞1-T_∞6、V₁-V₆分别对高温段和低温段建立曲线拟合

参数求解方程：

高温段：

$\left[\begin{array}{cccc}1& T_h& T_h^2& T_h^3\\ 1& T_{\∞1}& T_{\∞1}^2& T_{\∞1}^3\\ 1& T_{\∞2}& T_{\∞2}^2& T_{\∞2}^3\\ 1& T_{\∞3}& T_{\∞3}^2& T_{\∞3}^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{C}_{0h}\\ C_{1h}\\ C_{2h}\\ C_{3h}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ V_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]---\left(4\right)$

低温段：

$\left[\begin{array}{cccc}1& T_l& T_l^2& T_l^3\\ 1& T_{\∞4}& T_{\∞4}^2& T_{\∞4}^3\\ 1& T_{\∞5}& T_{\∞5}^2& T_{\∞5}^3\\ 1& T_{\∞6}& T_{\∞6}^2& T_{\∞6}^3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{C}_{0l}\\ C_{1l}\\ C_{2l}\\ C_{3l}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ V_4\\ V_5\\ V_6\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据式(4)，得到高温段式(1)中各参数为：

C_0h＝-4183.699999，C_1h＝264.791667，C_2h＝-5.6000，C_3h＝0.039583

根据式(5)，得到低温段式(3)中各参数为：

C_0l＝8.515375，C_1l＝1.170832，C_2l＝0.027183，C_3l＝0.000247

参见图13，在本工况电压控制律控制下，在高温段，被控元器件5的温度被控制在60℃左右；在低度温段，被子控元器件5的温度被控制在10℃左右；在中温段不加电时，被控温元器件的工作温度从10℃到60℃范围有上升；但都有效地控制在≤60℃范围。

实施例二，外界环境温度为-28℃～2℃的关机防冻工况，求解电压控制律。选定本环境温度范围内的以下测量点为热电模块电压控制律曲线拟和点：

(1)当系统的外界环境温度T_∞1达到2℃时，调整热电模块9的执行电压V＝V₁，控制被控温元器件5(模拟热源)温度达到约10℃(即T^* _l)；

(2)当系统的外界环境温度T_∞2达到-8℃时，调整热电模块9的执行电压V＝V₂，使被控温元器件5(模拟热源)温度达到约10℃(即T^* _l)；

(3)当系统的外界环境温度T_∞3达到-18℃时，调整热电模块的执行电压V＝V₃，使被控温元器件8(模拟热源)温度达到约10℃(即T^* _l)；

(4)当系统的外界环境温度T_∞4达到-28℃时，调整热电模块9的执行电压V＝V₄，使被控温元器件5(模拟热源)温度达到约10℃(即T^* _l)。

参见图14，从上述温度拟和点数据得到热电模块9执行电压随温度变化的曲线，根据该曲线获得本工况热电模块的电压控制律为：

$V=C_0+C_1{T}_{\∞}+C_2{T}_{\∞}^2+C_3{T}_{\∞}^3---\left(6\right)$

根据曲线拟合参数求解方程，求得式(6)中各参数为：

C₀＝-1.378400，C₁＝0.643267，C₂＝0.022200，C₃＝0.000383

由图15所示，运用本工况电压控制律，在当外界环境温度变化时，控制热电模块9的电压，可有效控制被控温元器件5温度在10℃左右。

实施例三，被控温元器件5工作在高温环境40℃～80℃，散热部件在较低温度22℃的冷热环境并存工况下，求解电压控制律。

将被控温元器件5及与之固定一起的微通道换热器6放置到模拟热环境——高低温恒温箱中，温度调节范围为40℃～80℃；而微型水泵7、热电模块9及与其连接的微通道换热器6放置在高低温恒温箱外(即处于温度为22℃的室温条件)。选定以下测量点来获得热电模块的电压控制曲线拟和点。

(1)热电模块9不加电(V₁＝0)，从40℃开始逐步升高恒温箱温度到T_∞1(本系统为72℃)时，控制被控温元器件5温度约为T^* _h；

(2)当恒温箱温度T_∞2＝(80+T_∞1)/2(本系统为76℃)时，控制被控温元器件5温度达到T^* _h，调整热电模块9的执行电压V＝V₂；

(3)当恒温箱温度T_∞3达到80℃时，使被控温元器件5温度达到T^* _h，调整热电模块9的执行电压V＝V₃。

参见图16，从上述拟和点的数据得到热电模块9执行电压随温度变化的曲线，根据该曲线获得本工况各温度段的热电模块的电压控制律为：

40℃＜T_∞＜＝T_∞1

V＝0                         (7)

T_∞1＜T_∞＜80℃

$V=C_0+C_1{T}_{\∞}+C_2{T}_{\∞}^2---\left(8\right)$

根据曲线拟合参数求解方程，求得式(8)中各参数为：

C₀＝642.600，C₁＝17.925，C₂＝0.125

参见图17的曲线，在本工况电压控制律控制下，在不加电或加电时，被控温元器件5的工作温度都有效地控制在≤60℃范围。

在第一和第三实施例中，都有一个很宽的温度段热电模块9不加电压，但被控温元器件5温度仍在控制范围内波动。只在当被控温元器件5的温度接近于10℃或60℃时，才加电压进行控制，这就大大降低了热电模块9的耗电量。

综合上述各实施例所得到的电压控制律，可以得到电压控制律的通式：V＝C₀+C₁T_∞+C₂T_∞ ²+......+C_nT_∞ ⁿ。本发明将从上述实施例中获得的热电模块9的电压控制律用于控制热电换热器9的执行电压，可以实现换热系统在上述各工况下，将被控温元器件5的温度控制在10℃～60℃范围，使热电换热器9的耗电量最小。毋庸置疑，本发明提供的求解电压控制律的实施决不局限于所述的三种工况，同样被控温元器件5温度控制也不局限于10℃～60℃范围，凡是采用本发明求解电压控制律的构思所设定的其它工况及被控温元器件5的其它温度范围都应在本发明的范畴内。

参见图18，对换热系统的主动控制过程按以下步骤进行：

第1步：接通电源17，换热系统开始运行；

第2步：系统初始化，主要是模拟开关、键盘以及液晶显示器等硬件接口的初始化；

第3步：通过键盘设定并输入微通道中水的流速、系统工况及各工况下的电压控制律等参数；

第4步：根据设定微通道中水的流速向D/A-1送值，控制微型水泵7的执行电压；

第5步：判定系统的所处的工况，Case＝1表示系统工作在正常开机工况；Case＝2表示系统工作在关机防冻工况；Case＝3表示系统工作在冷热环境并存工况。这一步主要是根据第3步的设定来确定系统工作流程的方向。

第6步：根据工况不同，设有三个控制分支：

第一分支：Case＝1，进入正常开机工况的控制过程；

第二分支：Case＝2，进入关机防冻工况的控制过程；

第三分支：Case＝3，进入冷热环境并存工况的控制过程；

针对三种不同工况下，处理器分别采用各工况电压控制律计算热电换热器9的执行电压数字量V；

第7步：根据式v＝V/(k1·k2)计算得到v(式中，v为D/A-2将Data转换后的电压值，k1为运算放大器放大倍数，k2为功率放大器的放大倍数)；

第8步：根据v与Data之间的对应关系，得到控制信号Data输出给D/A-2；(经过D/A变换、运算放大器放大和功率驱动器驱动生成执行电压的模拟量V)

第9步：扫描键盘判断是否结束工作，‘是’转向第10步，‘否’转向第5步；

第10步：控制结束。

Claims (8)

1.一种基于热电主动控制的微通道循环换热系统，包括控制驱动部分(I)、换热部分(II)和电源(17)，其特征在于控制驱动部分(I)主要由温度传感器(1)、主动控制器(2)和功率驱动器(3)、(4)组成；执行换热部分(II)主要由被控温元器件(5)、两个微通道换热器(6)、热电换热器(9)、风冷散热器(10)和微型水泵(7)组成；所述主动控制器(2)通过功率驱动器(3)、(4)分别和微型水泵(7)、热电换热器(9)电连接并为其提供工作电压；所述一个微通道换热器(6)与被控温元器件(5)固定为一体，另一个微通道换热器(6)和风冷散热器(10)分别与热电换热器(9)的两个工作面固定；连通管(8)从微型水泵(7)引出，依次连通上述两微通道换热器(6)，再连接到微型水泵(8)，形成换热循环系统，在控制驱动部分(I)的控制下完成系统的换热。

2.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述连通管(8)上连接有六个三通接头(11)，用作换热系统水温和水压的测试接口，其中，四个三通接头用于测量水压；两个三通接头用于测量水温；连通管(8)可采用隔热性能较好的软管，以减小与外界环境的热交换量。

3.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述微通道换热器(6)由换热器基底(12)、一组微通道(13)、盖板(14)组成，所述换热器基底(12)和盖板(14)用树脂胶粘结成整体；在微通道换热器(6)的两侧边开设有水介质出/入口(15)，在出/入口(15)上各安装一个微通道接头(16)，所述微通道接头(16)中间有一园柱小孔，连通管(8)穿过此孔；所述出/入口(15)的一端与与微通道(13)连通，另一端经微通道接头(16)与连通管(8)连通。

4.根据权利要求1所述的热电主动控制的微通道循环换热系统，其特征在于所述温度传感器(1)设有四个，其中一个温度传感器装在被控温元器件(5)与微通道换热器(6)之间，用以测量被控温元器件的温度；两个温度传感器分别固定在热电换热器(9)与微通道换热器(6)及与风冷散热器(10)之间，用以测量热电换热器(9)冷、热端的温度；还有一个温度传感器置于换热系统外，用于测量外界环境温度。

5.根据权利要求1所述的循环换热系统，其特征在于所述主动控制器(2)主要由数据采集器、处理器、控制信号输出器和人机接口组成，所述数据采集器、处理器、控制信号输出器依次连接；处理器和人机接口为双向连接。

6.限据权利要求5所述的循环换热系统，其特征在于所述数据采集器由温度-电压变换器、模拟开关、运算放大器和A/D模数变换器组成，主要用于采集、转换温度信息；所述处理器主要由芯片构成；所述控制信号输出器将处理器生成的送来的信号进行数模转换，它包括两个输出通道，即“D/A-1——运算放大器”构成的微型水泵通道和“D/A-2——运算放大器”构成的热电换热器通道，这两个通道分别与功率驱动器(4)、(3)相连；所述的人机接口包括键盘和液晶显示，键盘主要输入系统的设定参数，液晶显示用于实时显示系统运行的工作信息。

7.根据权利要求1或6所述的循环换热系统，其特征在于所述处理器根据电压控制律 $V=C_0+C_1{T}_{\∞}+C_2{T_{\∞}}^2+......+C_n{T_{\∞}}^n$ 对对数据采集器送来温度信息进行处理，生成对热电换热器(9)的执行电压数字量Data，经D/A-2数模转换，运算放大器、功率放大器依次放大成热电换热器的执行电压，控制系统进行换热，式中，V为执行电压；T_∞为外界环境温度；C₀～C_n为各环境温度点曲线拟合对应参数。

8.根据权利要求7所述的循环换热系统，其特征在于所述电压控制律可分别从外界环境温度为-40℃～52℃的正常开机工况；外界环境温度为-28℃～2℃的停机防冻工况；外界环境温度为22℃、40℃～80℃的冷热环境并存三种工况的任一工况下，通过选择不同的环境温度点、控制被控温元器件(5)的不同温度点和调整热电换热器(9)的执行电压所得到的执行电压随外界环境温度变化的曲线中获得。

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