[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體熱堆精密控溫液冷源系統(tǒng)

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• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113660838A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王鐵軍;熊繹;汪玉成;王曉波
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇中科新源半導(dǎo)體科技有限公司
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 金惠貞

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體熱堆精密控溫液冷源系統(tǒng)，屬于制冷與人機(jī)環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域。包括半導(dǎo)體熱堆、儲液器、三通閥、空氣換熱器、風(fēng)機(jī)、第一液泵和第二液泵；以半導(dǎo)體熱堆的二個換熱通道構(gòu)成二個循環(huán)液工作環(huán)路；在室外氣溫較低時，以室外空氣為自然冷源，利用第一循環(huán)液與室外低溫空氣的自然溫差，把被控對象的熱載荷直接釋放給室外空氣，即實現(xiàn)自然冷卻。本發(fā)明根據(jù)實時狀態(tài)，有序運(yùn)行熱電制冷、自然冷卻+熱電制冷、自然冷卻和半導(dǎo)體制熱四種工作模式，精準(zhǔn)控制制冷量或制熱量，精確控制供液溫度。本發(fā)明為熱電制冷與自然冷卻的復(fù)合熱控系統(tǒng)，適用于光、電、微波、電磁系統(tǒng)和精密加工設(shè)備等全天候工作環(huán)境溫度精密控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于制冷與人機(jī)環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種為工作在-40～60℃寬溫帶氣候條件的光電或機(jī)械設(shè)備實現(xiàn)精密控溫的液冷源系統(tǒng)。

背景技術(shù)

載運(yùn)工具的電子倉室，光電、磁電和微波設(shè)備，精密加工機(jī)械設(shè)備等，都有全天候、寬溫區(qū)工作的需求，通常具有高熱流密度、熱負(fù)荷頻繁變化的特點。這類設(shè)備不僅需要供冷，在寒冷季節(jié)或冷啟動時也需要供熱，甚至對熱控系統(tǒng)響應(yīng)速度和溫控精度有高要求，以提高其工作的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性、機(jī)動性和效率。

最常使用的是以蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)為冷熱源的液冷源系統(tǒng)，其存在工作溫區(qū)窄、制冷與供熱切換不便捷，溫度穩(wěn)定時間長，體積質(zhì)量大等缺點。對于光電探測和紅外攝像（影）設(shè)備，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的振動問題是應(yīng)用瓶頸；蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)零部件多，輕量小型化存在困難，不適宜百瓦級以下的小冷量應(yīng)用場合；同時，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)損易件多，長期工作有磨損和密封等可靠性問題；在宇航科學(xué)工程領(lǐng)域，蒸氣壓縮式制冷技術(shù)受到失重和流動換熱等技術(shù)局限。

隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。半導(dǎo)體熱電制冷的低溫端溫度與其熱堆的級數(shù)相關(guān)，常溫條件下3級熱堆串聯(lián)可達(dá)低溫-80℃；再之，其制冷量調(diào)節(jié)范圍寬，小到紅外裝置應(yīng)用的微瓦級（-40～-120℃），大至芯片加工設(shè)備精密控溫的萬瓦級，并具有響應(yīng)速度快、制冷與制熱切換便捷、體積質(zhì)量小、安裝應(yīng)用靈活、無震動的優(yōu)點；半導(dǎo)體熱堆無運(yùn)動件，無磨損和潤滑問題，幾乎無需維護(hù)，在較寬的環(huán)境溫度變化范圍工作可靠、壽命長，在小冷量和冷熱雙供應(yīng)用場合優(yōu)勢明顯。

限制半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)應(yīng)用的最大障礙是能效比低（能效比=制冷量/消耗功率）、一次投資和運(yùn)行成本相對較高，如圖2所示為風(fēng)冷式半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理方框圖，其工作原理是通過半導(dǎo)體熱堆將被控對象的熱載荷轉(zhuǎn)移至熱堆B端1B，然后釋放給環(huán)境(室外空氣)，這類半導(dǎo)體熱電制冷系統(tǒng)的制冷能效比通常在0.5～0.9之間，遠(yuǎn)低于相同溫區(qū)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的能效比2.4～3.0。

發(fā)明內(nèi)容

為了實現(xiàn)在-40～60℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)局部環(huán)境溫度的精確控制，克服上述相關(guān)制冷系統(tǒng)的諸多問題和缺陷，改善熱控系統(tǒng)的能源效率，保證被控光電和精密機(jī)械設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定、高效和準(zhǔn)確地運(yùn)行，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體熱堆精密控溫液冷源系統(tǒng)。

一種半導(dǎo)體熱堆精密控溫液冷源系統(tǒng)包括：半導(dǎo)體熱堆1、儲液器2、三通閥3、空氣換熱器4、風(fēng)機(jī)5、第一液泵P1和第二液泵P2，所述液冷源系統(tǒng)以半導(dǎo)體熱堆1為冷熱源，設(shè)置三通閥3和空氣換熱器4的第一換熱管路41構(gòu)成自然冷卻支路；

所述液冷源系統(tǒng)以半導(dǎo)體熱堆1的二個換熱通道的熱堆A端1A和熱堆B端1B構(gòu)成二個循環(huán)液工作環(huán)路；

第一循環(huán)液工作環(huán)路：第一循環(huán)液從熱堆A端1A進(jìn)入儲液器2，經(jīng)第一液泵P1后由供液口C供給外接的被控對象，完成與被控對象熱交換的第一循環(huán)液從回液口R返回，進(jìn)入三通閥3入口，所述三通閥3的第一出口連接熱堆A端1A入口，所述三通閥3的第二出口連接空氣換熱器4的第一換熱管路41接入熱堆A端1A入口；

第二循環(huán)液工作環(huán)路：由熱堆B端1B、空氣換熱器4的第二換熱管路42和第二液泵P2依次連接構(gòu)成閉合環(huán)路；

所述空氣換熱器4為管片式風(fēng)冷換熱器或平行流換熱器，空氣換熱器4包括第一換熱管路41和第二換熱管路42，公用一個風(fēng)機(jī)5，所述風(fēng)機(jī)5為調(diào)速型；