CN110631288B - 一种动态可调的实验用制冷加热装置及半导体制冷板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态可调的实验用制冷加热装置和一种半导体制冷板，制冷加热模块采用半导体制冷板包括制冷工作模式和制热工作模式，包括上层用于带走多余能量，下层用于向外输出能量，中层包括多个半导体制冷片用于产生能量；冷热切换模块用于通过控制模块的调节指令来改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式；传感模块用于获取热流密度值和温度值；数据采集模块用于各个时刻的热流密度值和温度值；控制模块用于向冷热切换模块和电源模块发送调节指令；电源模块用于向装置供电。本装置结构紧凑，升降温速度快、温控精度高，为制冷制热载物面提供‑65～120摄氏度的任意温度环境，并具有很强的负载能力。

Description

一种动态可调的实验用制冷加热装置及半导体制冷板

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种动态可调的实验用制冷加热装置及半导体制冷板。

背景技术

传统的温控器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用电阻丝制成。进行温度控制期间，当环境温度低于温度传感器设定的温度下限时，电路接通，电阻丝开始加热，当温度超过温度传感器设定的温度上限时，电路断开，电阻丝停止加热。这种温控器只能在一段范围内实现温度控制，而且属于有触点控制，所以，传统的定点开关控制温度有正负误差几度的惯性温度误差现象，同时还存在能耗大、电热组件消耗太大导致的使用成本高等缺点。

传统的电制冷就是电能转换为冷能的简称，按制冷方式分类可分为电子制冷型和压缩机制冷型两类。压缩机制冷原理与冰箱相同，具有整机可靠性高、制冷效率高、制冷速度快、冷水供应量大等特点，其制冷性能明显优于电子制冷饮水机，但售价十分昂贵,适合冷量需求大的场合使用。电子制冷型采用半导体元件制冷，具有功耗小、运行噪声低、无污染、自动控制和售价低等特点。不足之处是制冷速度慢，供应冷量较少，适合冷量需求小的场合使用。

实验用环境包括：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验等，对于实验用环境需要提供规律且连续的温变循环，创造实验温度的准静态过程，目前缺乏一种同时克服传统两种制冷方式存在的问题适用于实验环境的制冷加热装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态可调的实验用制冷加热装置，用以解决现有技术中电子制冷方式制冷速度慢，供应冷量较少而压缩机制冷方式成本高且售价十分昂贵的不适用于实验室环境的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种半导体制冷板，其特征在于，包括由上至下设置的上层板、中层制冷加热板和下层板，所述上层板上设置有S型水道，用于通过热交换带走多余能量，所述下层板用于向外输出能量，所述中层制冷加热板用于产生能量；

所述中层制冷加热板包括相互并联的多个半导体制冷片组，所述半导体制冷片组包括多个相互串联的半导体制冷片，所述中层制冷加热板工作在制热模式时产生热量，工作在制冷模式时产生冷量。

进一步的，中层制冷加热板包括10个半导体制冷片组，每个半导体制冷片组包括4个半导体制冷片。

进一步的，所述上层板的一侧设置有水道进出水口和水道出水口；

进一步的，所述中层制冷加热板的***设置有密封圈。

进一步的，，所述下层板为铜板。

一种动态可调的实验用制冷加热装置，包括制冷加热模块、冷热切换模块、传感模块、数据采集模块、控制模块和电源模块；

所述制冷加热模块采用上述的任一种半导体制冷板；

冷热切换模块用于通过控制模块的调节指令来改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式；

所述传感模块用于获取制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值；

所述数据采集模块用于存储传感模块各个时刻的热流密度值和温度值，绘制热流密度值和温度值的采集曲线；

所述控制模块用于接收数据采集模块、电源模块和冷热切换模块的当前信息，对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令；

所述电源模块用于向装置供电，并且与控制模块通信并通过LED显示功能显示当前状态。

进一步的，所述冷热切换模块包括PLC和继电器，PLC内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的多种操作指令，PLC通过控制模块的调节指令将操作指令传递给继电器，继电器切换电流方向改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式。

进一步的，所述传感模块包括热流传感器，所述热流传感器用于产生与制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值成比例的直流电压值，根据所述直流电压值和传感器的灵敏度值，传感模块获得实际热流密度值和温度值并传输给数据采集模块。

进一步的，其特征在于，所述控制模块对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令包括如下步骤：

步骤1、设定热流密度目标值、温度目标值、热流密度精度值、温度精度值；

步骤2、对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，获得热流密度采样值和温度采样值；

步骤3、将热流密度采样值与设定的热流密度目标值进行对比，然后将温度采样值温度目标值进行对比，每次对比均根据以下三种情况向冷热切换模块和电源模块发送调节指令：

(1)当采样值和目标值差的绝对值小于精度值时，电源模块LED绿色指示灯亮，向电源发送维持当前电压指令，表示制冷加热板表面热流密度或者温度基本处于目标状态，误差在精度范围内，符合控制要求；

(2)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差大于0时，电源模块LED黄色指示灯亮，向电源发送调低电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度高于目标值；

(3)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差小于0时，电源模块LED红色指示灯亮，向电源发送调高电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度低于目标值。

进一步的，其特征在于，还包括配电箱，用于在正常运行时借助手动或自动开关接通或分断电路，在故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点:

(1)本发明的装置结构紧凑，无振动、无噪声、易控制调节、重量轻、方便移动、升降温速度快、温控精度高以及制造成本低等优点，还可以为制冷制热载物面提供-65～120摄氏度的任意温度环境，并具有很强的负载能力。

(2)适用范围广泛，尤其适用于冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验等实验过程中，提供规律且连续的温变循环，创造实验温度的准静态过程。

(3)本发明的半导体制冷板，制冷和制热过程更加灵活，节能环保性能优越，智能化水平高，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1为本发明的装置各模块连接图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明的控制模块调节逻辑框图；

图4为半导体制冷板的结构示意图；

图5为半导体制冷板的上层板结构示意图；

图6为半导体制冷板的中层板结构示意图；

图7为半导体制冷板的下层板结构示意图；

图8为半导体制冷板的电路示意图；

图9为半导体制冷板的安装位置示意图；

图10为半导体制冷板盐水水槽实验放置环境示意图。

图中各标号含义为：1-上层板、2-中层制冷加热板、3-下层板、4-水道、5-半导体制冷片组、6-半导体制冷片、7-密封圈、8-紧固螺钉；

11-水道进水口、12-水道出水口；

A-档条、B-斜坡、C-半导体制冷板、D-铜制电加热板、E-盐水、F-玻璃水箱。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种半导体制冷板，包括由上至下设置的上层板1、中层制冷加热板2和下层板3，所述上层板1上设置有水道4，用于通过热交换带走多余能量，所述下层板3用于向外输出能量，所述中层制冷加热板2用于产生能量；

所述中层制冷加热板2包括相互并联的多个半导体制冷片组5，所述半导体制冷片组5包括多个相互串联的半导体制冷片6，在加工时，多个半导体制冷片串联得到半导体制冷片组，然后多个半导体制冷片组再进行并联，所述中层制冷加热板2工作在制热模式时产生热量，工作在制冷模式时产生冷量。

优选的，如图2所示的中层制冷加热板2，包括10个半导体制冷片组5，每组制冷片组5包括4片半导体制冷片6。由于单个半导体片产生热效应非常小，并不能满足调节控制的需求，为了扩大调控范围，通常可采用先让若干个半导体制冷片串联“升压”，组成制冷单元之后再将其并联“升流”的处理方式，为了保证制冷单元的可靠性，每个制冷单元所串联的半导体制冷片数最好不超过5个。因此，需要将多个半导体片联成组件，我们采取并联和串联的方式进行连接，制冷片的制冷能力不会因串联或并联而有所改变，同时由于串并联结合的连接方式，可以使半导体制冷片工作在更加稳定的状态。并联使用时，如果其中一片半导体片坏了，剩余的半导体片可继续运作；串联使用时，如果其中一片半导体片坏了，所有的芯片便停止运作。并联使用时，电压低，电流大，控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS，耗损大，价格高；串联使用时，电压高，电流小。控制芯片电流的零组件如继电器晶体管或CMOS，耗损小，价格便宜。

具体的，所述上层板1上设置的水道4为S型水道，设置为S型有利于更大程度的交换热，所述上层板1的一侧设置有水道进水口11和水道出水口12，1S型水道通过水道进水口进水，通过水道出水口排水，且进水口和出水口位置可以交换。当装置工作在制冷模式时，半导体制冷片一侧制冷，另一侧将产生多余热量，而水道内的冷水可将多余的热量带走，对制冷效果起到良好的辅助作用；而当装置工作在制热模式时，半导体制冷片一侧制热，对水道里的冷水加热，从而带走多余的冷量。

具体的，所述中层制冷加热板2的***设置有密封圈7，密封圈7可以有效的防止液体、尘等进入密封空腔，从而可以对其内部的元器件进行有效保护，特别适用于一些环境较为恶劣的场合，例如水环境中。

具体的，下层板3为铜板，由于铜兼具导热性能好及耐腐蚀这两个主要优点，所以这里采用铜板作为导冷散热面不仅可以减小热损失，同时也可以拓展该装置的适用场合。

具体的，上层板1、中层制冷加热板2和下层板3通过紧固螺钉8进行连接。

具体的，可以根据不同的实际工作场合，增加防腐蚀涂层设计；放在空气中时，为防止被空气腐蚀可增加油漆涂层；而在盐水中工作时，可增加盐水缓蚀剂涂层设计。优选的，防腐蚀涂层设在中层制冷加热板的外表面，以满足各种复杂恶劣的环境要求。

图5为半导体制冷板在所述连接形式下部分工作电路示意图，电流为顺时针方向为制冷模式，电源转换正负极即电流为逆时针方向时为加热模式。每个虚线框内有4片半导体制冷片相互串联，5个虚线框连接表示5组串联后的半导体制冷片再进行并联。

图6表示半导体制冷板在实验环境中的安装位置示意图，实验槽中一般设有斜坡B放置在实验槽中时，需要与实验槽壁面保持倾斜角度a放置，同时为了防止半导体制冷板C滑动，在与实验槽接触壁面设置有上部和下部分别设置档条A，用来固定半导体制冷板C的位置。

图7表示半导体制冷板放置在盐水中进行水槽实验时的放置环境示意图，首先将半导体制冷板C放置在玻璃水箱F中的斜坡B上，然后通过档条A固定位置，在盐水中进行水槽实验时还需要铜制电加热板D辅助加热，且玻璃水箱F中盐水E的深度应当是斜坡B高度的4倍。根据实验需求的热流密度，调节通向半导体制冷板C的电流从而控制温度，完成实验。

实施例2

在本实施例中公开了一种动态可调的实验用制冷加热装置，包括制冷加热模块、冷热切换模块、传感模块、数据采集模块、控制模块和电源模块；

所述制冷加热模块采用实施例1中任一种半导体制冷板；

冷热切换模块用于通过控制模块的调节指令来改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式；

所述传感模块用于获取制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值；

所述数据采集模块用于存储传感模块各个时刻的热流密度值和温度值，绘制热流密度值和温度值的采集曲线；

所述控制模块用于接收数据采集模块、电源模块和冷热切换模块的当前信息，对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令；

所述电源模块用于向装置供电，并且与控制模块通信并通过LED显示功能显示当前状态。

本发明尝试将半导体制冷片用于实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验等实验过程中，将输入电流或电压的控制、温度的实时检测和数据驱动的控制程序组成自动控制***，提供规律且连续的温变循环，创造实验温度的准静态过程。

本发明的工作流程如下：首先利用热流传感器对制冷加热板表面的热流密度/温度进行测量，该值以电压或电流等数字信号进行传输，并被数据采集仪采集记录，最终通过数据采集仪反馈给上位机。上位机对接收到的数字信号进行监控、分析和处理之后，控制模块发出相应的指令，经过信号接口后对直流稳压电源进行调节，以制冷模式为例，通过给上位机输入制冷指令及相应的热流密度或温度值，制冷指令被PLC接收到之后，控制制冷模式所对应的继电器闭合，加热模式所对应的继电器断开。与此同时，上位机对从数据采集仪接收到的数字信号进行监控、分析和处理，并与设定的热流密度或温度值进行比较，然后通过信号接口对直流稳压电源发出相应的调节指令，通过改变直流稳压电源的输出电流或电压，使半导体制冷片的制冷功率维持在设定范围内，热流传感器则继续测量制冷加热板表面的热流密度或温度，从而完成整个***的循环运转。制热模式与上述流程相仿。

具体的，所述冷热切换模块包括PLC和继电器，PLC内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的多种操作指令，PLC通过上位机的调节指令将操作指令传递给继电器，通过切换相应继电器的开闭状态，来改变通向制冷加热模块的电流方向，即可切换其加热制冷模式。

具体的，所述传感模块包括热流传感器，所述热流传感器用于产生与制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值成比例的直流电压值，根据所述直流电压值和传感器的灵敏度值，传感模块获得实际热流密度值和温度值并传输给数据采集模块。

具体的，所述控制模块对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令包括如下步骤：

步骤1、设定热流密度目标值、温度目标值、热流密度精度值、温度精度值；

步骤2、对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，获得热流密度采样值和温度采样值；

由于热流密度采样值、温度采样值为传感器产生的电压值U，因此还需要通过关系式T＝Kr*U和q＝Kr*U，Kr值由传感器厂家标定提供，从而实现了采样值向实际温度值的转换，步骤3提到的采样值已经代表了实际的温度值和热流密度值；

步骤3、将热流密度采样值与设定的热流密度目标值进行对比，然后将温度采样值温度目标值进行对比，每次对比均根据以下三种情况向冷热切换模块和电源模块发送调节指令：

(1)当采样值和目标值差的绝对值小于精度值时，电源模块LED绿色指示灯亮，向电源发送维持当前电压指令，表示制冷加热板表面热流密度或者温度基本处于目标状态，误差在精度范围内，符合控制要求；

(2)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差大于0时，电源模块LED黄色指示灯亮，向电源发送调低电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度高于目标值；

(3)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差小于0时，电源模块LED红色指示灯亮，向电源发送调高电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度低于目标值。

具体的，还包括配电箱，用于在正常运行时借助手动或自动开关接通或分断电路，在故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。

实施例3

参见图3，在实施例2的基础上，本发明公开了一种动态可调的实验用制冷加热装置，其中，制冷加热模块选用半导体制冷加热板、冷热切换模块、传感模块选用CHS系列超薄热流传感器、数据采集模块选取吉时利(Keithley)2701数据采集仪、控制模块选用山谷城市通风测试***和电源模块选用可编程直流稳压稳流电源，还包括配电箱和数据连接线。

具体的，采用的定制半导体制冷加热板是由两种不同的半导体材料串联成的电偶，是基于珀耳帖效应制作而成的一种温度传感器。当电流通过电偶时，制冷片的一个金属面会吸热，另一个金属面会放热，从而影响周围环境的温度。当接入电流方向改变时，半导体制冷片金属吸热面和放热面会相互转换。

具体的，CHS系列超薄热流传感器用于平面热损失测量，使用合适的导热硅脂，双面胶带，压板，夹具将传感器固定在制冷板上层外表面。通过导线与吉时利(Keithley2701)数据采集仪连接，测得传感器产生的直流电压信号(电压信号范围0-100mv),

具体的，选用吉时利(Keithley2701)数据采集仪采集来自CHS系列超薄热流传感器的温度/热流密度数据，并将其存入csv文件之中供上位机的输入采样阶段接收和读取。

具体的，上位机选用已经预植入逻辑程序(附图2)的山谷城市通风测试***，其工作过程分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成上述三个阶段称作一个扫描周期。输入采样阶段对来自数据采集仪的csv文件数据的周期性接收和读取，用户程序执行阶段通过预植入的逻辑程序对数据进行判别从而输出相应电压/电流调节命令，输出刷新阶段通过建立的通信协议向电源模块传输最新电压/电流调节命令。在整个运行期间，以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

具体的，选用的可编程直流稳压稳流电源是无锡安耐斯电子科技有限公司生产研发的高频率电源供应器，该产品的主要特点是对高频率的电流和电压输出具有高稳定性，满足控制***中对半导体制冷片功率的高频实时采集与控制。产品主要参数为：输出电压AC220V(或380V)；恒压和恒流连续可调范围：0—额定输出；精度±1％。达到对半导体制冷板的规律且连续控制，创造实验温度的准静态过程。

具体的，选用的PLC和继电器通过逻辑运算程序实现对电路的启闭控制和安全性保护以及对电源正负极的转换功能。此外，还可实现对电源正负极的自动转换，满足了实验过程中制冷、加热工况之间的无缝切换。

具体的，配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、漏电保护器(空开)和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上，构成低压配电装置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例不局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，包括制冷加热模块、冷热切换模块、传感模块、数据采集模块、控制模块和电源模块；

所述制冷加热模块采用半导体制冷板，所述半导体制冷板包括由上至下设置的上层板(1)、中层制冷加热板(2)和下层板(3)，所述上层板(1)上设置有S型水道，用于通过热交换带走多余能量，所述下层板(3)用于向外输出能量，所述中层制冷加热板(2)用于产生能量；

所述中层制冷加热板(2)包括相互并联的多个半导体制冷片组(5)，所述半导体制冷片组(5)包括多个相互串联的半导体制冷片(6)，所述中层制冷加热板(2)工作在制热模式时产生热量，工作在制冷模式时产生冷量；所述中层制冷加热板(2)的***设置有密封圈(7)；

冷热切换模块用于通过控制模块的调节指令来改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式；

所述传感模块用于获取制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值；

所述数据采集模块用于存储传感模块各个时刻的热流密度值和温度值，绘制热流密度值和温度值的采集曲线；

所述控制模块用于接收数据采集模块、电源模块和冷热切换模块的当前信息，对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令；

所述电源模块用于向装置供电，并且与控制模块通信并通过LED显示功能显示当前状态；

所述控制模块对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，然后将采样值分别与设定目标值进行对比，然后根据对比结果向冷热切换模块和电源模块发送调节指令包括如下步骤：

步骤1、设定热流密度目标值、温度目标值、热流密度精度值、温度精度值；

步骤2、对数据采集模块获得热流密度值和温度值采集曲线进行采样，获得热流密度采样值和温度采样值；

步骤3、将热流密度采样值与设定的热流密度目标值进行对比，然后将温度采样值温度目标值进行对比，每次对比均根据以下三种情况向冷热切换模块和电源模块发送调节指令：

(1)当采样值和目标值差的绝对值小于精度值时，电源模块LED绿色指示灯亮，向电源发送维持当前电压指令，表示制冷加热板表面热流密度或者温度基本处于目标状态，误差在精度范围内，符合控制要求；

(2)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差大于0时，电源模块LED黄色指示灯亮，向电源发送调低电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度高于目标值；

(3)当采样值和目标值差的绝对值不小于精度值且采样值和目标值差小于0时，电源模块LED红色指示灯亮，向电源发送调高电压ΔU指令，表示误差在精度范围内制冷加热板表面热流密度或者温度低于目标值。

2.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，中层制冷加热板(2)包括10个半导体制冷片组(5)，每个半导体制冷片组(5)包括4个半导体制冷片(6)。

3.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，所述上层板(1)的一侧设置有水道进出水口(11)和水道出水口(12)。

4.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，所述下层板(3)为铜板。

5.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，所述冷热切换模块包括PLC和继电器，PLC内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算的多种操作指令，PLC通过控制模块的调节指令将操作指令传递给继电器，继电器切换电流方向改变通向制冷加热模块的电流方向，从而控制制冷加热模块的工作模式。

6.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，所述传感模块包括热流传感器，所述热流传感器用于产生与制冷加热模块上层表面的热流密度值和温度值成比例的直流电压值，根据所述直流电压值和传感器的灵敏度值，传感模块获得实际热流密度值和温度值并传输给数据采集模块。

7.如权利要求1所述的动态可调的实验用制冷加热装置，其特征在于，还包括配电箱，用于在正常运行时借助手动或自动开关接通或分断电路，在故障或不正常运行时借助保护电器切断电路或报警，对偏离正常工作状态进行提示或发出信号。

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