TWI534573B - 廣域溫度控制裝置 - Google Patents

Description

廣域溫度控制裝置

本發明係有關於一種廣域溫度控制裝置。

一般在進行待測物之高速溫度變化實驗時，大多會以空氣為介質，並採用強大氣流作為熱源或冷源以帶至待測物上。但是，由於空氣本身的導熱性能並不甚理想，再加上氣流本身並不容易控制，因此待測物實際的溫度變化與均溫性均有改善的空間。

目前，業界所發展出的熱電致冷器(Thermoelectric cooler,TEC)是一種常被用來精確控制溫度的溫控元件，雖然其升降溫度的速度以及均溫性皆有不錯的表現，但缺點是其對於溫度的可控制範圍並不夠寬。

因此，如何提供一種改良的溫度控制方式以達到均溫性高、溫度控制精準、升降溫度迅速以及溫度控制範圍廣等技術特點，是目前業界亟欲投入研發資源解決的問題之一。

因此，本發明係提供一種廣域溫度控制裝置，以解決上述之問題。

本發明係提供一種廣域溫度控制裝置，用以控制一待測物至一預定溫度，該廣域溫度控制裝置包含一導熱板、一溫度調整模組、一承載板以及一熱電致冷模組。該溫度調整模組連接該導熱板，用以將該導熱板調整至一基準溫度。該承載板用以容置該待測物。該熱電致冷模組，連接於該導熱板與該承載板之間，用以基於該基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫度。

本發明另提供一種廣域溫度控制裝置，用以控制一待測物至一預定溫度，該廣域溫度控制裝置包含一導熱板、一加熱單元、一加熱控制器、一冷卻組件、一冷卻控制器、一承載板以及一熱電致冷模組。該加熱單元連接該導熱板，用以加熱該導熱板。該加熱控制器連接該加熱單元，用以驅動該加熱單元而將該導熱板升溫至一第一基準溫度。該冷卻組件連接該導熱板，用以冷卻該導熱板。該冷卻控制器連接該冷卻組件，用以驅動該冷卻組件而將該導熱板降溫至一第二基準溫度。該承載板用以容置該待測物。該熱電致冷模組連接於該導熱板與該承載板之間，用以基於該第一基準溫度或該第二基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫度。

1‧‧‧廣域溫度控制裝置

10‧‧‧導熱板

12‧‧‧溫度調整模組

120‧‧‧加熱單元

122‧‧‧加熱控制器

124‧‧‧冷卻組件

124a‧‧‧蒸發器

124b‧‧‧壓縮機

124c‧‧‧冷凝器

126‧‧‧冷卻控制器

324b‧‧‧壓縮機

324c‧‧‧冷凝器

326‧‧‧冷卻控制器

34‧‧‧IC接觸金屬頭

36‧‧‧熱電致冷模組

37‧‧‧溫度感測器

38‧‧‧溫度控制器

5‧‧‧溫控設備

5a‧‧‧IC溫控頭

5b‧‧‧主機

14‧‧‧承載板

16‧‧‧熱電致冷模組

17‧‧‧溫度感測器

18‧‧‧溫度控制器

20‧‧‧待測物

3‧‧‧溫控設備

3a‧‧‧IC溫控頭

3b‧‧‧主機

30‧‧‧導熱板

320‧‧‧加熱單元

322‧‧‧加熱控制器

324a‧‧‧蒸發器

50‧‧‧導熱板

520‧‧‧加熱單元

522‧‧‧加熱控制器

524‧‧‧冷卻組件

526‧‧‧冷卻控制器

528‧‧‧氣泵

530‧‧‧水盤式熱交換器

54‧‧‧IC接觸金屬頭

56‧‧‧熱電致冷模組

57‧‧‧溫度感測器

58‧‧‧溫度控制器

CZ‧‧‧低溫空氣產生區

第1圖為繪示本發明一實施方式之廣域溫度控制裝置的示意圖。

第2圖為繪示第1圖中之廣域溫度控制裝置的詳細示意圖。

第3圖為繪示第1圖中之廣域溫度控制裝置的另一詳細示意圖。

第4圖為繪示本發明另一實施方式之溫控設備的示意圖。

第5圖為繪示本發明另一實施方式之溫控設備的示意圖。

請參閱第1圖，其為繪示本發明一實施方式之廣域溫度控制裝置1的示意圖。廣域溫度控制裝置1係用以控制待測物20至預定溫度。廣域溫度控制裝置1包含導熱板10、溫度調整模組12、承載板14以及熱電致冷模組16。廣域溫度控制裝置1的溫度調整模組12連接導熱板10，用以將導熱板10調整至基準溫度。廣域溫度控制裝置1的承載板14用以容置待測物20。廣域溫度控制裝置1的熱電致冷模組16連接於導熱板10與承載板14之間，用以基於基準溫度經由承載板14控制待測物20至預定溫度。

請參閱第2圖以及第3圖。第2圖為繪示第1圖中之廣域溫度控制裝置1的詳細示意圖。第3圖為繪示第1圖中之廣域溫度控制裝置1的另一詳細示意圖。於本實施 方式中，廣域溫度控制裝置1更包含溫度感測器17以及溫度控制器18。廣域溫度控制裝置1的溫度感測器17連接承載板14，用以經由承載板14感測待測物20的實際溫度。廣域溫度控制裝置1的溫度控制器18連接於熱電致冷模組16與溫度感測器17之間，用以控制熱電致冷模組16經由承載板14致熱或致冷待測物20，使待測物20的實際溫度到達預定溫度。

廣域溫度控制裝置1的熱電致冷模組16是一種以半導體熱電材料(例如，包含碲化鉍)為基礎，可以作為小型熱泵的電子元件。藉由在熱電致冷模組16的兩端加載一個較低的直流電壓，熱量就會從熱電致冷模組16的一端流到另一端。此時，熱電致冷模組16的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送至另一端。所以，在熱電致冷模組16上就可以同時實現加熱與冷卻兩種功能。由於熱電致冷模組16具有一個閉路溫度控制循環，因此可在0.1°C的範圍內精確地控制溫度。

同樣示於第2圖，廣域溫度控制裝置1的溫度調整模組12包含加熱單元120以及加熱控制器122。溫度調整模組12的加熱單元120連接導熱板10，用以加熱導熱板10。溫度調整模組12的加熱控制器122連接加熱單元120，用以驅動加熱單元120而將導熱板10升溫至基準溫度(例如，較高溫的第一基準溫度)。

當預定溫度大於環境溫度時，上述基準溫度(亦 即，第一基準溫度)能到達多高取決於加熱單元120本身的加能，而溫度調整模組12的主要功能之一就是將導熱板10加熱至基準溫度，藉以實質縮減熱電致冷模組16將待測物20控制至預定溫度時所需調整的溫差。因此，溫度調整模組12並不需要精準地將導熱板10加熱至基準溫度，也就不用浪費成本去設置像是溫度感測器17的溫度回饋元件。然而，本發明並不以此為限，於實際應用中，溫度調整模組12中設置可精準地將導熱板10加熱至基準溫度的溫度回饋元件，亦是可行的選項之一。

廣域溫度控制裝置1的熱電致冷模組16具有溫差控制範圍。當預定溫度大於環境溫度，預定溫度基於環境溫度超出熱電致冷模組16的溫差控制範圍時，溫度控制器18係控制溫度調整模組12的加熱控制器122驅動加熱單元120，藉以將導熱板10加熱至基準溫度(亦即，第一基準溫度)，如此熱電致冷模組16才能再基於基準溫度而經由承載板14精準地控制待測物20至預定溫度。若要成功達到將待測物20調整至預定溫度的目的，溫度調整模組12所提供的基準溫度與預定溫度之間的溫差，必須小於熱電致冷模組16的溫差控制範圍。

相對地，當預定溫度大於環境溫度，預定溫度基於環境溫度在熱電致冷模組16的溫差控制範圍內時，溫度控制器18係直接控制熱電致冷模組16而經由承載板14精準地控制待測物20至預定溫度，並不需由溫度調整模組12先提供基準溫度(亦即，第一基準溫度)。藉此，本發明的廣 域溫度控制裝置1即可更靈活地因應預定溫度與環境溫度之間的溫差大小而彈性地僅驅動必要元件運作，因此於某些情況之下可達到減少耗能的功效。

於一實施方式中，溫度調整模組12的加熱單元120為埋設於導熱板10中的加熱線圈，但本發明的加熱單元120並不以此為限。

同樣示於第3圖，廣域溫度控制裝置1的溫度調整模組12更包含冷卻組件124以及冷卻控制器126。溫度調整模組12的冷卻組件124連接導熱板10，用以冷卻導熱板10。溫度調整模組12的冷卻控制器126連接冷卻組件124，用以驅動冷卻組件124而將導熱板10降溫至基準溫度(例如，較低溫的第二基準溫度)。

當預定溫度小於環境溫度時，上述基準溫度(亦即，第二基準溫度)能到達多低取決於冷卻組件124的冷卻性能，而溫度調整模組12的主要功能之一就是將導熱板10冷卻至基準溫度，藉以實質縮減熱電致冷模組16將待測物20控制至預定溫度時所需調整的溫差。因此，溫度調整模組12並不需要精準地將導熱板10冷卻至基準溫度，也就不用浪費成本去設置像是溫度感測器17的溫度回饋元件。然而，本發明並不以此為限，於實際應用中，溫度調整模組12中設置可精準地將導熱板10冷卻至基準溫度的溫度回饋元件，亦是可行的選項之一。

廣域溫度控制裝置1的熱電致冷模組16具有溫差控制範圍。當預定溫度小於環境溫度，且預定溫度基於環 境溫度超出熱電致冷模組16的溫差控制範圍時，溫度控制器18係控制溫度調整模組12的冷卻控制器126驅動冷卻組件124，藉以將導熱板10冷卻至基準溫度(亦即，第二基準溫度)，如此熱電致冷模組16才能再基於基準溫度而經由承載板14精準地控制待測物20至預定溫度。若要成功達到將待測物20調整至預定溫度的目的，溫度調整模組12所提供的基準溫度與預定溫度之間的溫差，必須小於熱電致冷模組16的溫差控制範圍。

相對地，當預定溫度小於環境溫度，且預定溫度基於環境溫度在熱電致冷模組16的溫差控制範圍內時，溫度控制器18係直接控制熱電致冷模組16而經由承載板14精準地控制待測物20至預定溫度，並不需由溫度調整模組12先提供基準溫度(亦即，第二基準溫度)。藉此，本發明的廣域溫度控制裝置1即可更靈活地因應預定溫度與環境溫度之間的溫差大小而彈性地僅驅動必要元件運作，因此於某些情況之下可達到減少耗能的功效。

於本實施方式中，溫度調整模組12的冷卻組件124包含蒸發器124a、壓縮機124b以及冷凝器124c。冷卻組件124的蒸發器124a連接導熱板10，用以藉由氣、液態混合之冷媒吸收導熱板10的熱量，致使導熱板10降溫至基準溫度。吸收熱量後的氣、液態混合之冷媒會蒸發而轉換為低溫低壓的氣態冷媒。冷卻組件124的壓縮機124b連接蒸發器124a，並連接冷卻控制器126，用以受冷卻控制器126驅動而將蒸發為氣態的氣態冷媒加壓，使得低溫低壓的 氣態冷媒轉換成高溫高壓的液態冷媒。冷卻組件124的冷凝器124c連接於蒸發器124a與壓縮機124b之間，用以利用水或空氣對高溫高壓的液態冷媒進行散熱。冷卻組件124的蒸發器124a、壓縮機124b與冷凝器124c係以金屬硬管依序連接，且冷媒於金屬硬管中流動於蒸發器124a、壓縮機124b與冷凝器124c三者之間進行熱交換，但本發明的冷卻組件124並不以此為限。

舉例來說，溫度調整模組12的加熱單元120可提供的第一基準溫度為70℃，溫度調整模組12的冷卻組件124可提供的第二基準溫度為-30℃，若熱電致冷模組16的溫差控制範圍為60℃，則藉由溫度調整模組12的輔助，本發明的廣域溫度控制裝置1的實際溫差控制範圍即可擴展為-90℃至130℃。

請參照第4圖，其為繪示本發明另一實施方式之溫控設備3的示意圖。於本實施方式中，溫控設備3可應用於IC產業中。溫控設備3包含IC溫控頭3a以及主機3b。溫控設備3的IC溫控頭3a包含導熱板30、加熱單元320、蒸發器324a、IC接觸金屬頭34以及熱電致冷模組36。IC溫控頭3a的加熱單元320連接導熱板30，用以將導熱板30加熱至基準溫度(例如，較高溫的第一基準溫度)。IC溫控頭3a的蒸發器324a連接導熱板30，用以藉由液態冷媒吸收導熱板30的熱量，致使導熱板30降溫至另一基準溫度(例如，較低溫的第二基準溫度)。IC溫控頭3a的熱電致冷模組36連接於導熱板30與IC接觸金屬頭34之間，用 以基於基準溫度控制IC接觸金屬頭34至預定溫度。

溫控設備3的主機3b包含加熱控制器322、壓縮機324b、冷凝器324c、冷卻控制器326、溫度感測器37以及溫度控制器38。主機3b的加熱控制器322連接IC溫控頭3a的加熱單元320，用以驅動加熱單元320而將導熱板30升溫至基準溫度(亦即，第一基準溫度)。冷卻控制器326控制壓縮機324b、冷凝器324c及蒸發器324a形成冷卻循環。主機3b的溫度感測器37連接IC接觸金屬頭34，用以感測IC接觸金屬頭34的實際溫度。主機3b的溫度控制器38連接於IC溫控頭3a的熱電致冷模組36與溫度感測器37之間，用以控制熱電致冷模組36致熱或致冷IC接觸金屬頭34，使IC接觸金屬頭34的實際溫度到達預定溫度。

由此可知，本實施方式的溫控設備3採用分離式的架構，並可藉由IC接觸金屬頭34以接觸的方式對IC待測物(圖未示)進行控溫，因此可大幅縮小溫控設備3整體的體積，並提升其使用方便性。

請參照第5圖，其為繪示本發明另一實施方式之溫控設備5的示意圖。於本實施方式中，溫控設備5可應用於IC產業中。溫控設備5包含IC溫控頭5a以及主機5b。溫控設備5的IC溫控頭5a包含導熱板50、加熱單元520、水盤式熱交換器530、IC接觸金屬頭54以及熱電致冷模組56。IC溫控頭5a的加熱單元520連接導熱板50，用以將導熱板50加熱至基準溫度(例如，較高溫的第一基準溫 度)。IC溫控頭5a的水盤式熱交換器530連接導熱板50，用以對導熱板50進行熱交換，致使導熱板50降溫至另一基準溫度(例如，較低溫的第二基準溫度)。於一實施方式中，IC溫控頭5a的水盤式熱交換器530為高鰭片密度水盤式熱交換器，可產生與冷媒一樣的冷卻能力。IC溫控頭5a的熱電致冷模組56連接於導熱板50與IC接觸金屬頭54之間，用以基於基準溫度控制IC接觸金屬頭54至預定溫度。

溫控設備5的主機5b包含加熱控制器522、冷卻組件524、冷卻控制器526、器泵、溫度感測器57以及溫度控制器58。主機5b的加熱控制器522連接IC溫控頭5a的加熱單元520，用以驅動加熱單元520而將導熱板50升溫至基準溫度(亦即，第一基準溫度)。主機5b的冷卻組件524可包含如第3圖中所示的蒸發器124a、壓縮機124b與冷凝器124c，並連接冷卻控制器526。冷卻組件524所包含之元件的連接關係、功能與作動方式可參考前文相關說明，在此不再贅述。主機5b的冷卻控制器526可驅動冷卻組件524，進而於冷卻組件524與氣泵528之間的低溫空氣產生區CZ中產生低溫空氣。主機5b的氣泵528以兩氣流管路連接至IC溫控頭5a的水盤式熱交換器530，用以將低溫空氣產生區CZ中的低溫空氣經由一氣流管路排至水盤式熱交換器530，並經由水盤式熱交換器530吸收導熱板50的熱量，致使導熱板50降溫至基準溫度(亦即，第二基準溫度)。低溫空氣在吸收導熱板50的熱之後轉換為高溫 氣體，並經由另一氣流管路回到低溫空氣產生區CZ中。高溫空氣在低溫空氣產生區CZ又會再次被冷卻組件524所冷卻。主機5b的溫度感測器57連接IC接觸金屬頭54，用以感測IC接觸金屬頭54的實際溫度。主機5b的溫度控制器58連接於IC溫控頭5a的熱電致冷模組56與溫度感測器57之間，用以控制熱電致冷模組56致熱或致冷IC接觸金屬頭54，使IC接觸金屬頭54的實際溫度到達預定溫度。

由此可知，本實施方式的溫控設備5同樣採用分離式的架構，並可藉由IC接觸金屬頭54以接觸的方式對IC待測物(圖未示)進行控溫，因此可大幅縮小溫控設備5整體的體積，並提升其使用方便性。本實施方式的溫控設備5無須使用冰水機以及水流管路(可避免漏水問題)，也無須藉由液態氮輔助降溫，因此具有低成本的價格競爭優勢。另外，於氣泵528與水盤式熱交換器530之間的兩氣流管路中流通的並非冷媒，因此較為安全，且兩氣流管路使用時彎曲較為容易。

由以上對於本發明之具體實施例之詳述，可以明顯地看出，本發明的廣域溫度控制裝置可先藉由溫度調整模組將導熱板概略地調整至基準溫度，再藉由熱電致冷模組基於基準溫度而精準地將待測物控制至預定溫度。換言之，溫度調整模組所提供的基準溫度，可實質縮減熱電致冷模組將待測物控制至預定溫度時所需調整的溫差，因此溫度調整模組可視為擴增熱電致冷模組之溫差控制範圍的元件。熱電致冷模組的溫度控制器可根據預定溫度與環境 溫度之間的溫差大小，選擇性地驅動溫度調整模組及/或熱電致冷模組將待測物控制至預定溫度。當預定溫度基於環境溫度超出熱電致冷模組之溫差控制範圍時，溫度控制器係控制溫度調整模組與熱電致冷模組以上述兩階段調溫方式將待測物控制至預定溫度；當預定溫度基於環境溫度在溫差控制範圍內時，溫度控制器係直接控制熱電致冷模組將待測物控制至預定溫度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧廣域溫度控制裝置

10‧‧‧導熱板

12‧‧‧溫度調整模組

14‧‧‧承載板

16‧‧‧熱電致冷模組

20‧‧‧待測物

Claims (11)

1. 一種廣域溫度控制裝置，用以控制一待測物至一預定溫度，該廣域溫度控制裝置包含：一導熱板；一溫度調整模組，連接該導熱板，用以將該導熱板概略地調整至一基準溫度；一承載板，用以容置該待測物；以及一熱電致冷模組，連接於該導熱板與該承載板之間，用以基於該基準溫度經由該承載板精準地控制該待測物至該預定溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之廣域溫度控制裝置，更包含：一溫度感測器，連接該承載板，用以感測該待測物的一實際溫度；以及一溫度控制器，連接於該熱電致冷模組與該溫度感測器之間，用以控制該熱電致冷模組經由該承載板致熱或致冷該待測物，使該實際溫度到達該預定溫度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度調整模組包含：一加熱單元，連接該導熱板，用以加熱該導熱板；以及一加熱控制器，連接該加熱單元，用以驅動該加熱單 元而將該導熱板升溫至該基準溫度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度控制器係連接該加熱控制器，且該熱電致冷模組具有一溫差控制範圍；當該預定溫度基於一環境溫度超出該溫差控制範圍時，該溫度控制器控制該加熱控制器驅動該加熱單元，以使該熱電致冷模組基於該基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫度；當該預定溫度基於該環境溫度在該溫差控制範圍內時，該溫度控制器直接控制該熱電致冷模組至該預定溫度。
5. 如申請專利範圍第2項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度調整模組包含：一冷卻組件，連接該導熱板，用以冷卻該導熱板；以及一冷卻控制器，連接該冷卻組件，用以驅動該冷卻組件而將該導熱板降溫至該基準溫度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度控制器係連接該冷卻控制器，且該熱電致冷模組具有一溫差控制範圍；當該預定溫度基於一環境溫度超出該溫差控制範圍時，該溫度控制器控制該冷卻控制器驅動該冷卻組件，以使該熱電致冷模組基於該基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫度；當該預定溫度基於該環境溫度在該溫差控制範圍內時，該溫度控制器直接控 制該熱電致冷模組至該預定溫度。
7. 如申請專利範圍第5項所述之廣域溫度控制裝置，其中該冷卻組件包含：一蒸發器，連接該導熱板，用以藉由一冷媒吸收該導熱板的熱量，致使該導熱板降溫至該基準溫度；一壓縮機，連接該蒸發器，並連接該冷卻控制器，用以受該冷卻控制器驅動而加壓該冷媒；以及一冷凝器，連接於該蒸發器與該壓縮機之間，用以使該冷媒進行散熱。
8. 如申請專利範圍第5項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度調整模組包含：一水盤式熱交換器，連接該導熱板，用以藉由一低溫空氣產生吸收該導熱板的熱量，致使該導熱板降溫至該基準溫度；以及一氣泵，連接該水盤式熱交換器與該冷卻組件，用以輸送該低溫空氣。
9. 一種廣域溫度控制裝置，用以控制一待測物至一預定溫度，該廣域溫度控制裝置包含：一導熱板；一加熱單元，連接該導熱板，用以加熱該導熱板；一加熱控制器，連接該加熱單元，用以驅動該加熱單元而將該導熱板概略地升溫至一第一基準溫度； 一冷卻組件，連接該導熱板，用以冷卻該導熱板；一冷卻控制器，連接該冷卻組件，用以驅動該冷卻組件而將該導熱板概略地降溫至一第二基準溫度；一承載板，用以容置該待測物；以及一熱電致冷模組，連接於該導熱板與該承載板之間，用以基於該第一基準溫度或該第二基準溫度經由該承載板精準地控制該待測物至該預定溫度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之廣域溫度控制裝置，更包含：一溫度感測器，連接該承載板，用以感測該待測物的一實際溫度；以及一溫度控制器，連接於該熱電致冷模組與該溫度感測器之間，用以控制該熱電致冷模組經由該承載板致熱或致冷該待測物，使該實際溫度到達該預定溫度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之廣域溫度控制裝置，其中該溫度控制器係連接該加熱控制器與該冷卻控制器；當該預定溫度大於一環境溫度時，該溫度控制器控制該加熱控制器驅動該加熱單元，以使該熱電致冷模組基於該第一基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫度；當該預定溫度小於該環境溫度時，該溫度控制器控制該冷卻控制器驅動該冷卻組件，以使該熱電致冷模組基於該第二基準溫度經由該承載板控制該待測物至該預定溫 度。