CN107491111B - 一种基于tec的温度控制方法 - Google Patents

一种基于tec的温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于TEC的温度控制装置及方法，本发明结合散热片、TEC、光电器件、传热板、箱体、恒温室，通过S1、温度传感器采集传热板的温度和恒温室的温度，并将温度信号传递给控制组件；S2、控制组件根据温度信号控制TEC加热或制冷，并控制散热风机运转或停止；S3、重复步骤S1、S2直至温度传感器采集的传热板的温度在光电器件的最佳工作温度内，使得光电器件处于稳定、均匀的温度环境中。本发明通过设计封闭式箱体结构，以恒温室为目标控制区域，以隔热材料为侧壁设计了恒温室结构，使光电器件处于恒温环境中，将热负载集中，使温控的效率更高，实现了对恒温室温度的精确控制，避免了光电器件仅局部温度满足要求而环境温度不满足要求的问题。

Description

一种基于TEC的温度控制方法
技术领域
本发明涉及光电器件温度控制技术领域，尤其涉及一种基于TEC的温度控制装置及方法。
背景技术
随着光电技术的进步，激光器、光纤陀螺等光电器件的应用越来越广泛，但是由于激光器、光纤陀螺等光电器件属于温度敏感元件，在高温或低温下工作会影响器件性能，因此在高温或低温的使用环境下，需要配置专门的温度控制装置或***。
基于TEC的温度控制方法在光电器件的温度控制装置或***中有所应用，CN105786047A公开了“一种基于TEC的半导体激光器温度控制***”，该***采用单片机驱动TEC控制激光器制冷块的温度，控制半导体激光器的温度，该方法的主要问题是激光器暴露在空气中，在极端温度条件下，如-30℃～65℃时，无法使激光器处于稳定、均匀的温度环境中。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于TEC的温度控制装置及方法，用以解决现有技术无法使光电器件处于稳定、均匀的温度环境中的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种基于TEC(半导体致冷器Thermo Electric Cooler)的温度控制装置，该温度控制装置包括：散热片、TEC、光电器件、传热板、箱体；
散热片、TEC、光电器件、传热板均安装在箱体的内部；
光电器件安装在传热板上；TEC安装在传热板下；散热片安装在TEC下，并与传热板一起，将TEC夹紧；TEC至少有两块，分成2排安装在散热片的上方，且2排TEC交错排列；
光电器件安装在恒温室外壁内，恒温室外壁与传热板形成恒温室。
箱体包括控制前面板、侧壁板、底板、控制顶面板、后面板，形成长方体形结构；
控制前面板上设有光纤输出装置、信号传输装置，控制顶面板设有温度显示装置、状态指示灯；温度显示装置用来指示光电器件的温度；光纤输出装置采用光纤转接器，用于将光电器件的光信号输出；信号传输装置采用航空插头，用来光电器件的控制信号输入输出；所述状态指示灯至少有4个，分别用来显示所述温度控制装置的运行工作状态、加热工作状态、制冷工作状态、报警工作状态；
后面板的下部，与散热片对应的位置设有散热风机。
所有TEC的热端均与散热器贴合，另一端与传热板贴合，且两端均填充有导热材料；
传热板和散热片，通过螺钉和垫片连接，并将TEC夹紧；
传热板采用铝板或铜板。
恒温室外壁采用隔热材料，且两侧壁采用隔热泡棉覆盖；
恒温室外壁上设有循环风机，用来加速恒温室内的空气循环；
恒温室外壁上设有光纤出线孔和信号线出线孔；
光电器件的输出端与光纤连接，光纤通过光纤出线孔穿过恒温室外壁，并与光纤输出装置连接；
光电器件的控制端与信号线连接，信号线通过信号线出线孔穿过恒温室外壁，并与信号传输装置连接。
控制面板的内侧设有控制组件，控制组件采用单片机或PLC(可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller)；
传热板上设有至少2个温度传感器，且均采用埋入式结构安装，恒温室内也设有温度传感器；温度传感器均与控制组件连接；
散热风机、循环风机、TEC、温度显示装置、状态指示灯均与控制组件连接，并被控制组件控制。
TEC的参数满足：
TEC的制冷功率QC：QC＝QL+QE；
TEC的冷、热端温差ΔT：ΔT＝TH-TC；
其中，QL为光电器件的总发热功率，QE为恒温室的漏热功率；TH为TEC的热端温度，TC为TEC的冷端温度。
TEC的热端温度TH满足：
TH＝TE+ΔTE
其中，TE为环境温度，ΔTE为散热温差；
TEC的冷端温度TC满足：
TEC的冷端温度TC满足：
TC＝TM+ΔTM
其中，TM为光电器件的表面允许最高温度，ΔTM为TEC冷端到光电器件的传热温差。
使用该温度控制装置的一种基于TEC的温度控制温度控制方法，该温度控制方法的流程为：
S1、温度传感器采集传热板的温度和恒温室的温度，并将温度信号传递给控制组件；
S2、控制组件根据温度信号控制TEC加热或制冷，并控制、散热风机运转或停止；
S3、重复步骤S1、S2直至温度传感器采集的传热板的温度在光电器件的最佳工作温度内。
步骤S2具体为：
S2.1、控制组件接收传热板的温度信号后，根据光电器件的最佳工作温度，控制TEC供电电流的极性和电流大小；
在传热板温度低于光电器件的最佳工作温度时，控制组件控制TEC加热，在传热板温度高于光电器件的最佳工作温度时，控制组件控制TEC制冷，并启动散热风机；根据传热板温度与光电器件的最佳工作温度的温差大小，控制组件调节TEC电流增量的大小，从而调整TEC的功率；
S2.2、控制组件接收恒温室的温度信号后，根据光电器件的最佳工作温度，控制循环风机的运转；
当恒温室温度与传热板温度的温差超过设定值时，控制组件启动循环风机，且将恒温室温度通过温度显示装置显示出来，并通过状态指示灯显示当前温度控制装置的工作状态；设定值根据光电器件正常工作允许的底部温度和环境温度的温度差确定。
本发明有益效果如下：
1、本发明通过设计封闭式箱体结构，以恒温室为目标控制区域，将热负载集中，使温控的效率更高；
2、本发明以隔热材料为侧壁设计了恒温室结构，使光电器件处于恒温环境中，避免了光电器件仅局部温度满足要求而环境温度不满足要求的问题；
3、本发明设计了内循环风机和多温度传感器协同的温度控制方法，使光电器件的环境温度均匀；
4、本发明设计了以控制组件、温度传感器、TEC、温度显示装置和状态指示灯构成的控制***和方法，使温度控制精确；
5、本发明设计了温度显示装置和状态指示灯，实现了对恒温室温度和控制装置的工作状态进行指示。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为一种基于TEC的温度控制装置的结构组成示意图；
图2为一种基于TEC的温度控制装置的控制顶面板示意图；
图3为一种基于TEC的温度控制装置的传热结构示意图；
图4为一种基于TEC的温度控制方法的原理框图；
图5为一种基于TEC的温度控制方法的控制组件的控制原理图；
图6为一种基于TEC的温度控制装置的TEC布局示意图；
图7为一种基于TEC的温度控制装置的TEC安装示意图；
图中：1-控制顶面板、2-恒温室外壁、3-光电器件、4-传热板、5-散热片、6-散热风机、7-信号传输装置、8-控制组件、9-光纤输出装置、10-温度显示装置、11-状态指示灯、12-电源开关、13-TEC。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
如图1至图3所示，一种基于TEC的温度控制装置，该温度控制装置包括：散热片5、TEC 13、光电器件3、传热板4、箱体；
散热片5、TEC 13、光电器件3、传热板4均安装在箱体的内部；
光电器件3安装在传热板4上；TEC 13安装在传热板4下；散热片5安装在TEC 13下，并与传热板4一起，将TEC 13夹紧；TEC 13至少有两块，分成2排安装在散热片5的上方，且2排TEC 13交错排列；TEC 13的布局应考虑热分布的影响，为方便TEC 13热端温度的散热，采用交错布局；
光电器件3安装在恒温室外壁2内，恒温室外壁2与传热板4形成恒温室。
如图1所示，箱体包括控制前面板、侧壁板、底板、控制顶面板1、后面板，形成长方体形结构；可采用夹层式结构，夹层壁采用金属材料，夹层采用导热率较低的隔热材料如聚氨酯材料。可将控制前面板、侧壁板、底板、控制顶面板1、后面板都设计为板材结构，拼接成箱体，也可将侧壁板、底板、控制顶面板1、后面板采用铸造方式一体成型，将控制面板设计为板材结构与箱体拼接。
如图1、图2所示，控制前面板上设有光纤输出装置9、信号传输装置7，控制顶面板1设有温度显示装置10、状态指示灯11、电源开关12；温度显示装置10用来指示光电器件3的温度；光纤输出装置9采用光纤转接器，用于将光电器件3的光信号输出；信号传输装置7采用航空插头，用来光电器件3的控制信号输入输出；状态指示灯11用来显示温度控制装置的工作状态；电源开关12用来控制设备上电；
信号传输装置7和光纤输出装置9在外壁上安装应严密，不应该有缝隙。
后面板的下部，与散热片5对应的位置设有散热风机6。
如图6、图7所示，TEC 13的热端均与散热器贴合，另一端与传热板4贴合，且两端均填充有导热材料，如导热硅脂；传热板4与光电器件3和TEC 13的安装面的平面度和表面粗糙度应较好，使安装面紧密贴合，保证传热良好；
传热板4和散热片5，通过螺钉和垫片连接，并将TEC 13夹紧；
传热板4采用选用导热率好的材料，如铝板或铜板，导热板的尺寸和厚度根据光电器件3的尺寸重量确定，应避免尺寸太大、厚度太厚。
恒温室外壁2采用隔热材料，如尼龙，且两侧壁采用隔热泡棉覆盖；
恒温室外壁2上设有循环风机，用来加速恒温室内的空气循环，将传热板4上的温度传递到恒温室内的空气中，使光电器件3的环境温度均匀，循环风机受控制组件8的控制启停；循环风机的性能参数根据恒温室内部的空间尺寸和传热板4的温度分布确定；
恒温室外壁2上设有光纤出线孔和信号线出线孔；光纤出线孔的孔径与光纤外径应匹配，信号线出线孔的孔径和信号线的外径应匹配；
光电器件3的输出端与光纤连接，光纤通过光纤出线孔穿过恒温室外壁2，并与光纤输出装置9连接；
光电器件3的控制端与信号线连接，信号线通过信号线出线孔穿过恒温室外壁2，并与信号传输装置7连接。
如图2所示，控制面板的内侧设有控制组件8，控制组件8采用单片机或PLC；其功能是接受传热板4上的多个温度传感器的温度信号，对温度信号进行计算处理后，根据设定的温度控制目标值，控制TEC 13供电电流的极性和电流大小；控制组件8的选用应根据环境温度的要求，保证在环境温度下能正常工作；
传热板4上设有至少2个温度传感器，且均采用埋入式结构安装，恒温室内也设有温度传感器；温度传感器均与控制组件8连接；在传热板4的光电器件3安装面上加工安装槽，将传感器用导热胶胶合在安装槽中，使传感器与传热板4充分接触；根据传热板4的形状和尺寸，设置传感器的布置位置和个数；
散热风机6、循环风机、TEC 13、温度显示装置10、状态指示灯11均与控制组件8连接，并被控制组件8控制。
TEC 13的参数满足：
TEC 13的制冷功率QC：QC＝QL+QE；
TEC 13的冷、热端温差ΔT：ΔT＝TH-TC；
其中，QL为光电器件3的总发热功率，QE为恒温室的漏热功率；TH为TEC 13的热端温度，TC为TEC 13的冷端温度。
TEC 13的热端温度TH满足：
TH＝TE+ΔTE
其中，TE为环境温度，ΔTE为散热温差；
TEC 13的冷端温度TC满足：
TC＝TM+ΔTM
其中，TM为光电器件3的表面允许最高温度，ΔTM为TEC 13冷端到光电器件3的传热温差。
根据制冷功率QC、冷、热端温差ΔT、热端温度TH,结合TEC 13的产品特性参数QMAX、ΔTMAX、TH MAX，选择QMAX＞QC、ΔTMAX＞ΔT、TH MAX＞TH的TEC 13。
散热片5和散热风机6的性能参数应根据TEC 13的热端功率、TEC 13的热端设计温度和环境温度、总的结构确定，主要是确定散热片5的底板尺寸、底板尺寸、翅片高度、翅片厚度、风机风量、风机供电参数等。可通过热仿真软件如Flotherm等进行仿真，保证TEC 13的热端温度不高于TEC 13的性能参数。
如图4、图5所示，使用该温度控制装置的一种基于TEC的温度控制温度控制方法，该温度控制方法的流程为：
S1、温度传感器采集传热板4的温度和恒温室的温度，并将温度信号传递给控制组件8；
S2、控制组件8根据温度信号控制TEC 13加热或制冷，并控制、散热风机6运转或停止；
S2.1、控制组件8接收传热板4的温度信号后，根据光电器件3的最佳工作温度，控制TEC 13供电电流的极性和电流大小；TEC 13供电电流的极性对应TEC 13加热或制冷，TEC13供电电流的电流大小对应TEC 13的运转功率；
在传热板4温度低于光电器件3的最佳工作温度时，控制组件8控制TEC 13加热，在传热板4温度高于光电器件3的最佳工作温度时，控制组件8控制TEC 13制冷，并启动散热风机6；根据传热板4温度与光电器件3的最佳工作温度的温差大小，控制组件8调节TEC 13电流增量的大小，从而调整TEC 13的功率；
S2.2、控制组件8接收恒温室的温度信号后，光电器件3的最佳工作温度，控制循环风机的运转；
当恒温室温度与传热板4温度的温差超过设定值时，控制组件8启动循环风机，且将恒温室温度通过温度显示装置10显示出来，并通过状态指示灯11显示当前温度控制装置的工作状态。
S3、重复步骤S1、S2直至温度传感器采集的传热板4的温度在光电器件3的最佳工作温度内。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于TEC的温度控制装置及方法，本发明通过设计封闭式箱体结构，以恒温室为目标控制区域，将热负载集中，使温控的效率更高；本发明以隔热材料为侧壁设计了恒温室结构，使光电器件处于恒温环境中，避免了仅局部温度满足要求而环境温度不满足要求的问题；本发明设计了内循环风机和多温度传感器协同的温度控制方法，使光电器件的环境温度均匀；本发明设计了以控制组件、温度传感器、TEC、温度显示装置和状态指示灯构成的控制***和方法，使温度控制精确；本发明设计了温度显示装置和状态指示灯，实现了对恒温室温度和控制装置的工作状态进行指示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述基于TEC的温度控制装置包括：散热片(5)、TEC(13)、传热板(4)、箱体；
所述散热片(5)、TEC(13)、传热板(4)均安装在所述箱体的内部；
所述TEC(13)安装在所述传热板(4)下方；所述散热片(5)安装在所述TEC(13)下方，并与所述传热板(4)一起，将所述TEC(13)夹紧；所述TEC(13)至少有两块，分成2排安装在所述散热片(5)的上方，且2排所述TEC(13)交错排列；
所述传热板(4)与恒温室外壁(2)形成恒温室；
所述温度控制装置使用时，光电器件(3)置于恒温室内部，且安装在所述传热板(4)上方；
所述温度控制方法包括如下步骤：
S1、温度传感器采集传热板(4)的温度和恒温室的温度，并将温度信号传递给控制组件(8)；
S2、控制组件(8)根据温度信号控制TEC(13)加热或制冷，并控制散热风机(6)运转或停止；
S2.1、控制组件(8)接收传热板(4)的温度信号后，根据光电器件(3)的最佳工作温度，控制TEC(13)供电电流的极性和电流大小；
在传热板(4)温度低于光电器件(3)的最佳工作温度时，控制组件(8)控制TEC(13)加热，在传热板(4)温度高于光电器件(3)的最佳工作温度时，控制组件(8)控制TEC(13)制冷，并启动散热风机(6)；根据传热板(4)温度与光电器件(3)的最佳工作温度的温差大小，控制组件(8)调节TEC(13)电流增量的大小，从而调整TEC(13)的功率；
S2.2、控制组件(8)接收恒温室的温度信号后，根据光电器件(3)的最佳工作温度，控制循环风机的运转；
当恒温室温度与传热板(4)温度的温差超过设定值时，控制组件(8)启动循环风机，且将恒温室温度通过温度显示装置(10)显示出来；设定值根据光电器件(3)正常工作允许的底部温度和环境温度的温度差确定；
S3、重复步骤S1、S2直至温度传感器采集的传热板(4)的温度在光电器件(3)的最佳工作温度内。
2.根据权利要求1所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述箱体包括控制前面板、侧壁板、底板、控制顶面板(1)、后面板，形成长方体形结构；
所述控制前面板上设有光纤输出装置(9)、信号传输装置(7)，所述控制顶面板(1)设有温度显示装置(10)、状态指示灯(11)；所述温度显示装置(10)用来指示光电器件(3)的温度；所述光纤输出装置(9)采用光纤转接器，用于将光电器件(3)的光信号输出；所述信号传输装置(7)采用航空插头，用于光电器件(3)控制信号的输入与输出；所述状态指示灯(11)至少有4个，分别用来显示所述温度控制装置的运行工作状态、加热工作状态、制冷工作状态、报警工作状态；
所述后面板的下部，与所述散热片(5)对应的位置设有散热风机(6)。
3.根据权利要求2所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述TEC(13)的热端均与所述散热器贴合，另一端与传热板(4)贴合，且两端均填充有导热材料；
所述传热板(4)和散热片(5)，通过螺钉和垫片连接，并将所述TEC(13)夹紧；
所述传热板(4)采用铝板或铜板。
4.根据权利要求3所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述恒温室外壁(2)采用隔热材料，且两侧壁采用隔热泡棉覆盖；
所述恒温室外壁(2)上设有循环风机，用来加速所述恒温室内的空气循环；
所述恒温室外壁(2)上设有光纤出线孔和信号线出线孔；
所述光电器件(3)的输出端与光纤连接，所述光纤通过所述光纤出线孔穿过所述恒温室外壁(2)，并与所述光纤输出装置(9)连接；
所述光电器件(3)的控制端与信号线连接，所述信号线通过所述信号线出线孔穿过所述恒温室外壁(2)，并与所述信号传输装置(7)连接。
5.根据权利要求4所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述控制面板的内侧设有控制组件(8)，所述控制组件(8)采用单片机或PLC；
所述传热板(4)上设有至少2个温度传感器，且均采用埋入式结构安装，所述恒温室内也设有温度传感器；所述温度传感器均与所述控制组件(8)连接；
所述散热风机(6)、循环风机、TEC(13)、温度显示装置(10)、状态指示灯(11)均与所述控制组件(8)连接，并被所述控制组件(8)控制。
6.根据权利要求5所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述TEC(13)的参数满足：
TEC(13)的制冷功率QC：QC＝QL+QE；
TEC(13)的冷、热端温差ΔT：ΔT＝TH-TC；
其中，QL为光电器件(3)的总发热功率，QE为恒温室的漏热功率；TH为TEC(13)的热端温度，TC为TEC(13)的冷端温度。
7.根据权利要求6所述的基于TEC的温度控制装置的温度控制方法，其特征在于，所述TEC(13)的热端温度TH满足：
TH＝TE+ΔTE
其中，TE为环境温度，ΔTE为散热温差；
所述TEC(13)的冷端温度TC满足：
TC＝TM+ΔTM
其中，TM为光电器件(3)的表面允许最高温度，ΔTM为TEC(13)冷端到光电器件(3)的传热温差。
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