[發明專利]自動控溫的超低溫半導體制冷器及其自動控溫方法

無效

• 申請號: 201210431425.9
• 申請日: 2012-11-01
• 公開（公告）號: CN102927716A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 馮選旗;馮曉強;白晉濤;賀慶麗
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: F25B21/02
• 分類號: F25B21/02;F25B49/00
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 林兵

技術領域

本發明涉及一種自動控溫的超低溫半導體制冷控制器及其自動控溫方法，該裝置和方法用于低溫或超低溫的制冷控制，適用于低溫或超低溫運轉光纖激光器、超低溫恒溫冷藏、以及用于由多片半導體制冷片所構成的低溫或超低溫制冷系統。

背景技術

低溫、超低溫制冷可廣泛應用于生物制藥、低溫電子、半導體制造等許多科學研究及技術領域，特別是在超低溫環境實驗儀器、設備中占有重要位置，往往具有不可替代的作用。目前，常用的制冷技術有壓縮機制冷、半導體制冷技術等，其中半導體制冷技術由于無機械磨損、低噪聲、無污染等優點而受廣泛關注。

超低溫制冷主要采用壓縮機制冷或采用液氮等手段獲得，對于要將溫度制冷到-100℃以下，常常需要采用雙級復迭式蒸汽壓縮制冷系統，但是該系統結構復雜、成本很高；采用液氮等手段雖然能夠獲得低溫，但該技術操作不便，且有一定的危險性，同時，該技術只能適應于短時制冷需要，長時間使用需要大量的液氮來維持，使用成本高昂。

發明內容

針對上述現有技術中超低溫制冷及其控制方法的不足或缺陷，本發明的目的在于，提供一種自動控溫的超低溫半導體制冷器及其自動控溫方法，該控制器采用多層半導體制冷片堆疊形成制冷體，同時通過控制半導體制冷片的工作電流脈沖的占空比，實現超低溫制冷與自動控溫。

為了達到上述目的，本發明采用如下的技術解決手段：

一種自動控溫的超低溫半導體制冷器，包括溫度傳感器、預設溫度調節器、控制器、可控開關堆、直流電源、半導體制冷堆、散熱器、絕熱外殼；其中，所述可控開關堆由多個相同的可控開關組成；所述半導體制冷堆置于散熱器的上表面，半導體制冷堆的上表面為吸熱端，下表面為放熱端；絕熱外殼扣在散熱器上方且將半導體制冷堆置于內部，絕熱外殼內部的腔體為真空腔；所述溫度傳感器安裝在絕熱外殼內部；所述溫度傳感器、預設溫度調節器和每個可控開關分別與控制器連接；可控開關的個數與一個制冷體中包含的半導體制冷片的層數相同，每個可控開關對應連接半導體制冷堆中位于同一層的半導體制冷片；直流電源通過可控開關連接半導體制冷片為其供電。

本發明還包括如下其他技術特征：

所述半導體制冷堆包括制冷內芯以及包覆在制冷內芯側面的保溫隔熱材料，制冷內芯由一個或多個相同的制冷體組成，所述的制冷體由多個半導體制冷片和多個熱忱交替堆疊而成，且制冷體的上下表面均為半導體制冷片，在半導體制冷片與熱忱之間均涂覆有導熱助劑或導熱材料；半導體制冷片的上表面吸熱下表面放熱。

所述散熱器包括外殼以及與該外殼內部相連通的進水管和出水管，該外殼內部設置許多豎直方向的隔板，隔板使外殼內腔形成一條迂回前進的冷卻水道，進水管連接冷卻水道的入口，出水管連接該冷卻水道的出口。

所述絕熱外殼采用雙層外壁的真空罩，且該真空罩的雙層外壁間為真空。

所述制冷器還包括最佳一級占空比按鈕和極限溫度按鈕，它們均與控制器相連接。

一種上述超低溫半導體制冷器的自動控溫方法，具體包括如下步驟：

步驟1：開啟直流電源，系統初始化，根據需要設定制冷溫度Ts；

步驟2：控制器從最下層占空比和溫度對應關系表中讀取Y=100%時的最佳一級脈沖占空比X，如果讀到，則控制器控制半導體制冷片工作，由下至上各層半導體制冷片工作脈沖占空比依次為Y、X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n為制冷體中包含的半導體制冷片的層數，然后進入步驟3；否則執行步驟4；

步驟3：溫度傳感器實時采集絕熱外殼內的溫度，如果采集溫度大于設定溫度Ts，則控制器控制系統進入滿負荷工作狀態，然后執行步驟3；如果采集溫度等于設定溫度，則控制器控制系統進入步驟6的恒溫工作狀態流程，然后執行步驟3；如果采集溫度小于設定溫度，則進入停機狀態，然后執行步驟3；

滿負荷工作狀態過程中，最下層半導體制冷片以直流狀態工作，其余各層的工作脈沖占空比由下至上依次為：X、X²、X³、…、X^(n-1)，Y=100%，n為制冷體中包含的半導體制冷片的層數；

步驟4：控制器控制系統進行首次運行；記錄極限溫度、其對應的最佳一級脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y=100%，將三者作為同一組數據存入最下層占空比和溫度對應關系表；

步驟5：在系統運行過程中，如果需要調整最佳一級脈沖占空比X，則其調整方法采用嘗試改變一級脈沖占空比X，然后根據采集溫度的變化確定最佳一級脈沖占空比X；