CN201152650Y - 固体多点阵冷热转换设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种多点阵冷热转换设备，包括多点阵热电制冷单元、转向电源、检测及控制系统、翅片换热器和散热风扇，多点阵热电制冷单元包括PFA工艺管、蛇形板、热电模块组、铜质基板、USB线路板、盖板、温度传感器和接线盒；其中，热电模块组型号为TECI－12704，通过串联方式均匀排布在铜质基板的上下两侧，热电模块组的两个表面分别通过导热硅胶与铜制基板和蛇形板相连，上下两面的热电模块均与USB线路板电连接。本实用新型采用热电可逆制冷技术，制冷和加热共用一组器件，无制冷剂和机械转动部件，耐冲击、抗震动，启动速度快、控制精度高、可靠性高、无噪音、无污染，是高品质电子产品检测及芯片封装工艺的关键设备。

Description

固体多点阵冷热转换设备
技术领域
本实用新型涉及一种温度控制装备，更具体的说，涉及一种加热、冷却以及保持温度恒定的多功能高精度温度控制设备。该设备可应用于生物医药以及电子行业，满足电子产品的制造封装、性能检测以及生物医药实验、科研过程中对温度条件的苛刻要求。
背景技术
国产电子元器件与电子芯片的精度及稳定性与国外相比还有很大差距，电子元器件性能检测及封装高精度恒温设备的研发能有效提高国产电子元器件性能及芯片封装技术。然而，这种高品质电子产品的性能检测及高密度电子封装工艺也对检测及封装环境提出了更高的要求。高品质电子产品性能检测需要在恒温环境下进行，温度波动需小于±0.05℃；高密度的电子芯片封装也需要恒温槽内的温度场高度稳定，流场满足封装工艺的要求。而当前有关高品质电子产品性能检测所需的恒温环境主要依靠传统方法如空调测试房及恒温油槽来实现，空调测试房空间较大，通风环境不易控制，不能保证检测环境温度恒定；恒温油槽也存在启动慢、噪音大及产品不易清洗等缺点。另外，在生物医药领域，用于低温存储及恒温试验的PCR仪有较广泛的应用，但是传统的PCR仪存在控温精度不高、降温速度较慢等缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有设备与技术的不足，提供了一种精度高、稳定性好以及使用寿命长的冷热转换恒温控制设备。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
一种多点阵冷热转换设备，包括多点阵热电制冷单元、转向电源、检测及控制系统、翅片换热器和散热风扇，所述多点阵热电制冷单元与转向电源电连接，一端与加热/冷却对象连接，另一端与翅片换热器相连，散热风扇位于翅片换热器下端；
所述多点阵热电制冷单元包括PFA工艺管、蛇形板、热电模块组、铜质基板、USB线路板、盖板、温度传感器和接线盒；热电模块组型号为TECI-12704，通过串联方式均匀排布在铜质基板的上下两侧，热电模块组的两个表面分别通过导热硅胶与铜制基板和蛇形板相连，上下两面的热电模块均与USB线路板电连接，接线盒与USB线路板电连接；蛇形板为铜质板，板上刻有蛇形槽道，槽道内放置PFA工艺管；加热/冷却介质在PFA工艺管内流动；温度传感器固定在铜质基板上，与检测及控制系统连接。
所述多点阵热电制冷单元通过均热板与加热/冷却对象连接。
所述热电模块组由电连接片与P、N型热电温差材料通过锡焊的方式串连起来构成的热电模块组。
所述热电模块组、均热板和蛇形板通过铜质基板上均匀分布的螺钉进行定位与固定。
所述的检测及控制系统主要由松下PLC控温器构成，PLC控温器与温度传感器连接，其输入端与型号为RXN-3020D转向电源相连接，转向电源接220V的交流电；控温器输出端通过二极管接散热风扇。
所述的转向电源为RXN-3020D型转向电源。
本实用新型采取以多点阵冷热转换为核心技术，结合竖面梯筛扰流技术的技术方案。核心部件多点阵热电制冷单元的工作端通过均热板与加热/冷却区域相连，另一端与散热片连接，在冷却对象时，使高温端的热量及时散去，以保证工作端的温度达到工作要求。转向电源通过改变电流的方向使多点阵冷热转换单元处于加热或者冷却的工作状态。
相对于现有技术，本实用新型具有如下优点和有一效果：
(1)节能：该高精度恒温控制设备的输出功率相当于现在大多数应用中所使用的1250W的氟利昂冷却器和1500W的加热器，它在湿法化学工艺应用中直接冷却过程工质。这种启动技术避免了制冷剂的使用，并且大大降低了能耗。
(2)结构紧凑：易于维护，没有运动部件。
(3)高可靠性：平均故障间隔时间为180,000小时。工作过程安静无振动。反应迅速，比氟利昂冷却器的控制速度快大约10倍。
(4)控温精度与可控范围宽：控温精度为±0.5到±0.05℃，水浴可控温度范围为-10℃-90℃。
附图说明
图1为固体多点阵冷热转换设备示意图；
图2为多点阵冷热转换核心单元组装图；
图3为精密控温系统原理图；
图4为电子封装用高精度点阵加热/冷却恒温槽纵向剖面图；
图5为实验设备模型简化示意图；
图6为多点阵高精度冷热转换设备的加热曲线；
图7为多点阵高精度冷热转换设备的冷却曲线。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示，多点阵冷热转换设备包括均热板1、多点阵热电制冷单元2、转向电源8、检测及控制系统9、散热风扇7。转向电源8与多点阵热电制冷单元2电连接，其的电流方向和大小由高精度检测及控制系统9所控制，进而控制多点阵热电制冷单元2的电流方向和大小，实现制冷或加热。由电连接片与P、N型热电温差材料通过锡焊的方式串连起来构成的热电模块，其上表面与加热/冷却对象3下表面之间放置一块高导热系数的均热板1，热电模块与均热板1以及蛇形板22通过铜质基板上均匀分布的九个螺钉进行定位与固定，使多点阵热电制冷单元2上表面的冷/热量快速均匀地传递给加热/冷却对象3，多点阵热电制冷单元2下表面与一翅片换热器6相连，散热风扇7位于翅片换热器6下端，通过翅片换热器6与散热风扇7进行强制对流换热，以保证将热面的热量及时散去。
如图2所示，多点阵热电制冷单元2包括PFA工艺管21、蛇形板22、热电模块组23、铜质基板24、USB线路板25、盖板26、ABB TR04ECO高精度温度传感器27和接线盒28。其中，型号为TECI-12704的扁平长方体热电模块组23通过串联方式均匀排布在蛇形板的上下两侧，形成上下两个导热面。热电模块组23的两个表面分别通过导热硅胶与铜制基板24和蛇形板22相连，上下两面的热电模块均与USB线路板25通过导线实行电连接，接线盒28与USB线路板25电连接，向热电模块组23供电。蛇形板22也为一铜质板，只是其上面刻有蛇形槽道，槽道内放置PFA工艺管21。加热/冷却介质在PFA工艺管21内流动，其温度数据通过ABB TR04ECO高精度温度传感器27记录，并将数据传送到高精度检测及控制系统9，实时调整多点阵冷热转换单元2的工作电流和方向，达到精确控温的目的。当固体多点阵热电制冷单元的两个电极接线盒28接通直流电源时，一个导热面就吸热，另一个导热面就放热，维持电路中的电流，并使热量从放热面散发出去，就可以达到在吸热面制冷，在加热面加热的目的。多点阵热电制冷单元2的热电模块由热电温差材料加工而成，采用热电制冷技术与点阵加热技术，制冷和加热可以方便切换，并可分区域同时进行。
如图3所示，检测及控制系统9主要为松下PLC控温器91，PLC控温器91与型号为ABB TR04ECO高精度温度传感器27连接。控温器91输入端与型号为RXN-3020D转向电源8相连接，转向电源8接220V的交流电；高精度的温度传感器27固定在铜质基板24上，由温度传感器27反馈信号到控温器91对多点阵热电制冷单元2工作面(即冷面)的温度进行。控温器91输出端通过二极管接散热风扇7，二极管起到单向截流的作用，散热风扇7用来对热电模块的散热面(即热面)进行强制散热。
220V的交流电经稳压直流转向电源8转换后变为直流稳压，为精密控温器91供电，通过转向电源8的转换开关可以实现多点阵冷热转换单元2制冷和加热的转换。转向电源8可选用型号为兆信RXN-3020D转向电源。多点阵热电制冷单元2的温度变化信号通过高精度温度传感器27实时传递给控温器91，控温器通过比较反馈的数据和设定的温度值，实时调整转向电源8的电流大小和风机7的转速，从而实现精确控温的目的。
实施例
如图4所示，本实用新型的多点阵高精度冷热转换设备应用到电子产品制造与封装领域可制成电子冷热恒温浴槽，该设备通过安装在浴槽底部的固体多点阵制冷器2结合转向电源8对恒温槽10进行升温和降温。
固体多点阵冷热转换器是一种由电-热温差元件连接而成的一对温差电偶，通过串联构成多点阵热电模块23，形成工作面和散热面。当多点阵热电制冷单元2通过接线盒28接通直流电源时，一个导热面就吸热，另一个导热面就放热，同时通过维持电路中的电流，使热量从放热面散发出去，可以达到在吸热面制冷，在加热面加热的目的。调节电路中电流的大小，可以控制制冷和加热的强度，通过转向电源8的转换开关来改变多点阵热电制冷单元2的工作状态，达到对浴槽10进行升温和降温控制的目的。浴槽10外包裹保温材料11，整个设备由金属箱体12覆盖。当处于制冷工作状态时，散热风扇7工作，将热电模块下端面的热量通过翅片散热器6和散热风扇7冷却散发出去，同时上端面连续不断将冷量通过均热板1传递给浴槽10，使浴槽温度降低，直到高精度检测及控制系统9设定的最低温度时，固体多点阵冷热转换单元2停止工作。由于室温的影响，浴槽10内的温度逐渐上升，达到设定温度时，多点阵热电制冷单元2开始工作，如此反复，保持浴槽10内的温度恒定。通过转换开关，改变电源极性可以实现热电可逆制冷器冷面与热面的置换。当浴槽为冷却状态时，散热风扇7启动以散去下端面的热量；而当浴槽为加热状态时，由于二极管的反向截止作用，使散热风扇7停止工作。整个过程通过设定的程序由闭环的精密控制器自动调节。
本实施例的系统结构如图4所示，只是浴槽10被长方体方箱所代替，介质为空气，系统的其它部件与图4中相同，此长方体方箱的结构示意图如图5所示。设备由有机玻璃加工而成，分内外两个区域，内箱为工作区域，外箱主要起保温作用，以减小环境温度波动对工作区域的影响。箱体尺寸如下(长×宽×高)：
内箱：260×200×80mm；
外箱：400×300×300mm；
墙壁有机玻璃厚度：8mm；
制冷板尺寸：180×140×30mm
图6和图7分别为多点阵高精度冷热转换设备的加热和冷却曲线。在加热过程中，升温设定值为50℃，从室温升温到设定值的时间为16.40s，而且达到设定值后，温度能精确控制在50℃，精度能达到±0.05℃。而在冷却过程，温度设定值为15.2℃，温度从21.8℃冷却到15.2℃的时间为32.10s，而且达到设定值后，温度也能精确控制在15.2℃，精度能达到±0.05℃。
有关部件的型号如表1所示：
表1
  标号   名称   型号
  8   转向电源   兆信RXN-3020D
  27   高精度温度传感器   ABB TR04 ECO

Claims (6)

1、一种多点阵冷热转换设备，其特征在于，包括多点阵热电制冷单元、转向电源、检测及控制系统、翅片换热器和散热风扇，所述多点阵热电制冷单元与转向电源电连接，一端与加热/冷却对象连接，另一端与翅片换热器相连，散热风扇位于翅片换热器下端；
所述多点阵热电制冷单元包括PFA工艺管、蛇形板、热电模块组、铜质基板、USB线路板、盖板、温度传感器和接线盒；热电模块组型号为TECI-12704，通过串联方式均匀排布在铜质基板的上下两侧，热电模块组的两个表面分别通过导热硅胶与铜制基板和蛇形板相连，上下两面的热电模块均与USB线路板电连接，接线盒与USB线路板电连接；蛇形板为铜质板，板上刻有蛇形槽道，槽道内放置PFA工艺管；加热/冷却介质在PFA工艺管内流动；温度传感器固定在铜质基板上，与检测及控制系统连接。
2、根据权利要求1所述的多点阵冷热转换设备，其特征在于，所述的多点阵热电制冷单元通过均热板与加热/冷却对象连接。
3、根据权利要求1所述的多点阵冷热转换设备，其特征在于，所述的热电模块组由电连接片与P、N型热电温差材料通过锡焊的方式串连起来构成的热电模块组。
4、根据权利要求3所述的多点阵冷热转换设备，其特征在于，所述的，热电模块组、均热板和蛇形板通过铜质基板上均匀分布的螺钉进行定位与固定。
5、根据权利要求1所述的多点阵冷热转换设备，其特征在于，所述的检测及控制系统主要由松下PLC控温器构成，PLC控温器与温度传感器连接，其输入端与型号为RXN-3020D转向电源相连接，转向电源接220V的交流电；控温器输出端通过二极管接散热风扇。
6、根据权利要求5所述的多点阵冷热转换设备，其特征在于，所述的型号为RXN-3020D转向电源为RXN-3020D型转向电源。
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