專利名稱：自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器及其自動(dòng)控溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器及其自動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)光纖激光器、超低溫恒溫冷藏、以及用于由多片半導(dǎo)體制冷片所構(gòu)成的低溫或超低溫制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
低溫、超低溫制冷可廣泛應(yīng)用于生物制藥、低溫電子、半導(dǎo)體制造等許多科學(xué)研究及技術(shù)領(lǐng)域，特別是在超低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)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(shù)有壓縮機(jī)制冷、半導(dǎo)體制冷技術(shù)等，其中半導(dǎo)體制冷技術(shù)由于無機(jī)械磨損、低噪聲、無污染等優(yōu)點(diǎn)而受廣泛關(guān)注。
超低溫制冷主要采用壓縮機(jī)制冷或采用液氮等手段獲得，對(duì)于要將溫度制冷到-10(TC以下，常常需要采用雙級(jí)復(fù)迭式蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高；采用液氮等手段雖然能夠獲得低溫，但該技術(shù)操作不便，且有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)，該技術(shù)只能適應(yīng)于短時(shí)制冷需要，長時(shí)間使用需要大量的液氮來維持，使用成本高昂。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中超低溫制冷及其控制方法的不足或缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器及其自動(dòng)控溫方法，該控制器采用多層半導(dǎo)體制冷片堆疊形成制冷體，同時(shí)通過控制半導(dǎo)體制冷片的工作電流脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)超低溫制冷與自動(dòng)控溫。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決手段一種自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，包括溫度傳感器、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器、控制器、可控開關(guān)堆、直流電源、半導(dǎo)體制冷堆、散熱器、絕熱外殼；其中，所述可控開關(guān)堆由多個(gè)相同的可控開關(guān)組成；所述半導(dǎo)體制冷堆置于散熱器的上表面，半導(dǎo)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(dǎo)體制冷堆置于內(nèi)部，絕熱外殼內(nèi)部的腔體為真空腔；所述溫度傳感器安裝在絕熱外殼內(nèi)部；所述溫度傳感器、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器和每個(gè)可控開關(guān)分別與控制器連接；可控開關(guān)的個(gè)數(shù)與一個(gè)制冷體中包含的半導(dǎo)體制冷片的層數(shù)相同，每個(gè)可控開關(guān)對(duì)應(yīng)連接半導(dǎo)體制冷堆中位于同一層的半導(dǎo)體制冷片；直流電源通過可控開關(guān)連接半導(dǎo)體制冷片為其供電。本發(fā)明還包括如下其他技術(shù)特征所述半導(dǎo)體制冷堆包括制冷內(nèi)芯以及包覆在制冷內(nèi)芯側(cè)面的保溫隔熱材料，制冷內(nèi)芯由一個(gè)或多個(gè)相同的制冷體組成，所述的制冷體由多個(gè)半導(dǎo)體制冷片和多個(gè)熱忱交替堆疊而成，且制冷體的上下表面均為半導(dǎo)體制冷片，在半導(dǎo)體制冷片與熱忱之間均涂覆有導(dǎo)熱助劑或?qū)岵牧?；半?dǎo)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(nèi)部相連通的進(jìn)水管和出水管，該外殼內(nèi)部設(shè)置許多豎直方向的隔板，隔板使外殼內(nèi)腔形成一條迂回前進(jìn)的冷卻水道，進(jìn)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(jí)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(dǎo)體制冷器的自動(dòng)控溫方法，具體包括如下步驟步驟I :開啟直流電源，系統(tǒng)初始化，根據(jù)需要設(shè)定制冷溫度Ts ；步驟2 :控制器從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取Y=100%時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X，如果讀到，則控制器控制半導(dǎo)體制冷片工作，由下至上各層半導(dǎo)體制冷片工作脈沖占空比依次為Y、X、X2、X3、…、x(lri)，γ=100%, η為制冷體中包含的半導(dǎo)體制冷片的層數(shù)，然后進(jìn)入步驟3 ;否則執(zhí)行步驟4 ； 步驟3 :溫度傳感器實(shí)時(shí)采集絕熱外殼內(nèi)的溫度，如果采集溫度大于設(shè)定溫度Ts，則控制器控制系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度等于設(shè)定溫度，則控制器控制系統(tǒng)進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)流程，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度小于設(shè)定溫度，則進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ；滿負(fù)荷工作狀態(tài)過程中，最下層半導(dǎo)體制冷片以直流狀態(tài)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(Iri)，Υ=100%, η為制冷體中包含的半導(dǎo)體制冷片的層數(shù)；步驟4 :控制器控制系統(tǒng)進(jìn)行首次運(yùn)行；記錄極限溫度、其對(duì)應(yīng)的最佳一級(jí)脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y=ioo%，將三者作為同一組數(shù)據(jù)存入最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表；步驟5 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果需要調(diào)整最佳一級(jí)脈沖占空比X，則其調(diào)整方法采用嘗試改變一級(jí)脈沖占空比X，然后根據(jù)采集溫度的變化確定最佳一級(jí)脈沖占空比X ；步驟6 :系統(tǒng)進(jìn)行恒溫工作流程；步驟7 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，操作人員通過預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定制冷溫度Ts引起溫度變化，或者系統(tǒng)熱環(huán)境改變引起溫度變化，控制器對(duì)系統(tǒng)的控制包括如下步驟步驟701 :溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度；步驟702 :控制器將采集溫度T與設(shè)定溫度Ts比較，如果T〈Ts，控制器進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T>Ts，控制器進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T=Ts，控制器再次進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)。本發(fā)明的方法還包括如下其他技術(shù)特征所述步驟4的首次運(yùn)行流程具體包括如下步驟步驟401 :控制器設(shè)定最佳一級(jí)脈沖占空比X的初始值XO為95%。步驟402 :控制器以I-IOs的時(shí)間間隔，由下向上依次啟動(dòng)各層的半導(dǎo)體制冷片，所有半導(dǎo)體制冷片均以直流工作狀態(tài)運(yùn)行，所述時(shí)間間隔與熱忱的厚度和比熱容的乘積成正比，其大小可根據(jù)需要進(jìn)行選擇；步驟403 :系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，此時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X等于95% ；步驟404 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度傳感器實(shí)時(shí)采集絕熱外殼內(nèi)的溫度，如果溫度降低，則返回步驟403 ;如果采集溫度等于前次采集溫度，則執(zhí)行步驟405 ；步驟405 :進(jìn)入最佳一級(jí)脈沖占空比調(diào)整，使其達(dá)到最佳值，具體參見步驟5 ;
所述步驟5對(duì)于最佳一級(jí)脈沖占空比X的調(diào)整具體包括如下步驟步驟501 :粗調(diào)首先以步長0.01增加一級(jí)脈沖占空比，通過溫度采集并和前次采集溫度比較，如果采集溫度下降，說明改變方向正確，并繼續(xù)以步長O. 01增加一級(jí)脈沖占空比，直至溫度不再下降；如果采集溫度升高，則以步長O. 01減小一級(jí)脈沖占空比，通過采集溫度并和前次采集溫度比較，如果采集溫度降低，繼續(xù)以步長0.01減小一級(jí)脈沖占空t匕，直至溫度不再下降；步驟502 :微調(diào)與粗調(diào)相同，區(qū)別僅在于微調(diào)的步長為O. 001 ;調(diào)整完成后，記錄極限制冷溫度、當(dāng)前最佳一級(jí)脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y，將三者作為同一組數(shù)據(jù)存入最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表。所述步驟6的恒溫工作流程包括如下步驟步驟601 :控制器從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取當(dāng)前的最佳一級(jí)占空 比X;步驟602 :控制器在最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中查找小于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度Tl以及Tl對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y1，如果找到則進(jìn)入步驟603 ;否則報(bào)錯(cuò)，并進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)；步驟603 :查找大于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度T2以及T2對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y2，如果找到，則更新最下層占空比Y= (Y2-YI) (T-TI) / (T2-TI) +YI ;否則最下層占空比Y=(I-Yl) (T-Tl)/(300-T1)，然后由下向上依次設(shè)定其余各層半導(dǎo)體制冷片的占空比為X、X2、X3、…、Χ(η_ ，η為制冷體(12)中包含的半導(dǎo)體制冷片的層數(shù)；進(jìn)入步驟604的反饋控制階段；步驟604:溫度傳感器實(shí)時(shí)采集絕熱外殼內(nèi)的溫度，根據(jù)當(dāng)前采集溫度與上次采集溫度比較，I)如果溫度相等，則以步驟603得到的最下層占空比Y進(jìn)行制冷，然后執(zhí)行步驟604，并記錄此時(shí)的最下層占空比Y以及其對(duì)應(yīng)的溫度，絕熱外殼內(nèi)的溫度保持恒定；2)如果溫度升高，則令Y=Y+Z，Z為Y的調(diào)整精度，返回步驟604 ;3)如果溫度降低，則令Y=Y-Z,返回執(zhí)行步驟604。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在需要對(duì)極限溫度重新測試的情況下，執(zhí)行步驟8和步驟9;在需要對(duì)最佳一級(jí)占空比進(jìn)行重新校準(zhǔn)的情況下，執(zhí)行步驟9 ；所述步驟8具體包括如下步驟步驟801 :操作人員按下極限溫度按鈕；步驟802 :控制器讀取最佳一級(jí)占空比X ；步驟803 :控制器進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)；步驟804 :溫度傳感器實(shí)時(shí)采集絕熱外殼內(nèi)的溫度，控制器實(shí)時(shí)判斷溫度的變化，如果采集溫度小于前次采集溫度，返回步驟803 ;如果采集溫度等于前次采集溫度，執(zhí)行步驟9，對(duì)最佳一級(jí)脈沖占空比的大小進(jìn)行強(qiáng)行校準(zhǔn)，以獲得極限溫度；所述步驟9具體包括如下步驟步驟901 :操作人員按下最佳一級(jí)占空比按鈕；步驟902 :控制器讀取最外層占空比X并記錄；步驟903 :執(zhí)行最佳一級(jí)占空比調(diào)整，包括粗調(diào)和微調(diào)，具體參見步驟5 ;步驟904 :記錄最佳一級(jí)占空比及其對(duì)應(yīng)的極限溫度，完成強(qiáng)行校準(zhǔn)。
本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明所采用的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，通過對(duì)半導(dǎo)體制冷堆中各層半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)低溫及超低溫制冷，其工作過程分為慢速啟動(dòng)、滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和恒溫控制，其特點(diǎn)在于分層控制，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面，時(shí)序上分層——采用慢速啟動(dòng)，制冷量的分層——梯度制冷控制，具體表述如下(I)慢速啟動(dòng)本發(fā)明中半導(dǎo)體制冷堆中各層半導(dǎo)體制冷片的啟動(dòng)時(shí)序?yàn)樽钔鈧?cè)最先啟動(dòng)，依次由外向內(nèi)經(jīng)過一定延時(shí)后啟動(dòng)，最內(nèi)側(cè)的半導(dǎo)體制冷片最后啟動(dòng)，可有效避免啟動(dòng)時(shí)熱堆積。(2)梯度制冷控制本發(fā)明中半導(dǎo)體制冷堆中各層半導(dǎo)體制冷片的工作電流具有不同的占空比，采用的是梯度制冷控制最外側(cè)半導(dǎo)體制冷片的占空比最大，依次由外向內(nèi)按比例減小，最內(nèi)側(cè)的占空比最小，相鄰兩層的占空比之比稱之為一級(jí)占空比，也即次外層與最外層占空比之比，其受兩個(gè)因素影響，一為半導(dǎo)體制冷片的制冷效率，二為制冷器的絕熱與密封條件，半導(dǎo)體制冷片制冷效率越高，制冷器的絕熱與密封條件越好，一級(jí)占空比就越大，理想情況為100%。


圖I為本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器的原理框圖。圖3為幾種不同形狀的半導(dǎo)體制冷堆結(jié)構(gòu)平面圖。其中，(a)為圓柱；(b)為橢圓柱；(C)為圓柱形；(d)為兩頭半圓矩形柱；(e)為長方體。圖4為圓柱形半導(dǎo)體制冷堆的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(a)為俯視圖；(b)為正視剖圖。圖5為圓臺(tái)形半導(dǎo)體制冷堆的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(a)為俯視圖；(b)為正視剖圖。圖6為絕熱外殼的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為恒溫控制流程圖。圖9為重建恒溫控制流程圖。其中，Ca)為人為改變?cè)O(shè)定溫度的情況；(b)為系統(tǒng)熱環(huán)境改變的情況。圖10為本發(fā)明的自動(dòng)控溫方法的控制器時(shí)序運(yùn)行控制的主流程圖。圖11為首次運(yùn)行流程圖。圖12為最佳一級(jí)占空比調(diào)整之粗調(diào)流程圖。圖13為最佳一級(jí)占空比調(diào)整之微調(diào)流程圖。圖14為進(jìn)恒溫工作狀態(tài)時(shí)外層占空比測試流程圖。圖15為恒溫工作狀態(tài)下反饋控制流程圖。圖16為設(shè)定溫度Ts改變或系統(tǒng)熱環(huán)境改變情況下的控制流程圖。圖17為極限溫度與最佳一級(jí)占空比強(qiáng)制測試流程圖。圖18為最佳一級(jí)占空比強(qiáng)制校準(zhǔn)。圖19為“L”形金屬拉條的結(jié)構(gòu)示意圖?！D20為本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器的實(shí)施例裝配圖。其中，Ca)為正視圖；(b)為側(cè)視圖。
圖21為應(yīng)用本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器的940nm光纖激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖22為應(yīng)用本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷控制器的940nm光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖23為光纖盤繞柱的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(a)為圓柱；(b)為兩頭半圓矩形柱。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步解釋說明。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2所示，本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，包括溫度傳感器I、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器2、控制器3、可控開關(guān)堆4、直流電源5、半導(dǎo)體制冷堆6、散熱器8和絕熱外 殼9。溫度傳感器I采用低溫或超低溫的溫度傳感器，比較常用的低溫傳感器有熱電阻傳感器和熱電偶傳感器；在超低溫下采用熱電偶傳感器，如銅-康銅、鎳鉻-康銅、鎳鉻-銅鐵、鎳鉻-金鐵等熱電偶。預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器2用于設(shè)定制冷溫度，采用旋鈕、撥盤或數(shù)字鍵盤?？刂破?采用單片機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)各種控制時(shí)序的產(chǎn)生、最佳脈沖占空比的校準(zhǔn)、恒溫控制、慢啟動(dòng)控制?？刂破?通過可控開關(guān)堆4實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷片堆6中半導(dǎo)體制冷片13的精確控制?？煽亻_關(guān)堆4由多個(gè)相同的可控開關(guān)4-1組成，每個(gè)可控開關(guān)4-1均可進(jìn)行單獨(dú)控制，可控開關(guān)采用繼電器、可控硅或場效應(yīng)管。直流電源5用于為半導(dǎo)體制冷片堆6中的各半導(dǎo)體制冷片13提供直流供電，其輸出功率大于所有半導(dǎo)體制冷片額定功率之和，且留有一定余量。散熱器8用于將半導(dǎo)體制冷片堆6帶出來的熱量及時(shí)散掉。如圖3-圖5所示，半導(dǎo)體制冷堆6包括制冷內(nèi)芯10以及包覆在制冷內(nèi)芯側(cè)面的保溫隔熱材料7，保溫隔熱材料7采用聚氨酯泡沫或隔熱棉，制冷內(nèi)芯10由一個(gè)或多個(gè)相同的制冷體12組成，所述的制冷體12由多個(gè)半導(dǎo)體制冷片13和多個(gè)熱忱14交替堆疊而成，且制冷體12的上下表面均為半導(dǎo)體制冷片13，在半導(dǎo)體制冷片13與熱忱14之間均涂覆有導(dǎo)熱助劑或?qū)岵牧?。半?dǎo)體制冷片13的上表面吸熱下表面放熱。導(dǎo)熱助劑或?qū)岵牧喜捎镁哂辛己脽醾鲗?dǎo)特性的易延展的膠狀、膏狀或軟金屬材料，如導(dǎo)熱硅脂、散熱膠、散熱硅膠或銦箔；熱忱14采用具有良好熱傳導(dǎo)特性的金屬片，如銅、鋁；半導(dǎo)體制冷片13及熱忱14交替堆疊的層數(shù)取決于真空腔內(nèi)的溫度要求，所需溫度越低則層數(shù)越多，其中，半導(dǎo)體制冷片13根據(jù)制冷量的需要常規(guī)選用不同規(guī)格的半導(dǎo)體制冷片。制冷內(nèi)芯10中包含的制冷體12的數(shù)量根據(jù)所應(yīng)用的對(duì)象所需降溫的情況確定。制冷內(nèi)芯10僅包括一個(gè)制冷體12時(shí)，該制冷體12的形狀為正棱柱(如圖3(a)、圖4所示)或下大上小的棱臺(tái)(如圖5所示)，對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體制冷堆I的形狀可為圓柱(如圖3 (a)、圖4所示)或者下大上小的圓臺(tái)(如圖5所示)；制冷內(nèi)芯10包括多個(gè)制冷體12時(shí),每個(gè)制冷體12均為正棱柱，所有的制冷體12相互靠緊排列后形成制冷內(nèi)芯10，制冷內(nèi)芯10為正棱柱(如圖3(c)所示)或長方體(如圖3(b)、圖3(d)、圖3(e)所示)，對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體制冷堆6的形狀可為圓柱(如圖3(c)所示)、長方體(如圖3(e)所示)、棱臺(tái)、橢圓柱(如圖3(b)所示)、橢圓臺(tái)、兩頭半圓矩形柱(如圖3(d)所示)或兩頭半圓矩形臺(tái)。
散熱器8的散熱方式采用風(fēng)冷或者水冷方式，一般來說制冷功率較小可采用風(fēng)冷方式，對(duì)于制溫度較低、制冷功率較大時(shí)，須采用水冷方式。如圖7所示，本發(fā)明的實(shí)施例中散熱器8采用水冷散熱器，該水冷散熱器包括外殼以及與該外殼內(nèi)部相連通的進(jìn)水管20和出水管21，該外殼內(nèi)部設(shè)置許多豎直方向的隔板23，隔板23使外殼內(nèi)腔形成一條迂回前進(jìn)的冷卻水道22，進(jìn)水管20連接冷卻水道22的入口，出水管21連接該冷卻水道22的出口，進(jìn)水管20和出水管21用以將水引入外殼內(nèi)的冷卻水道22并排出；散熱器8同時(shí)也作為本發(fā)明的底盤，應(yīng)有一定的配重。所述外殼的上下端面均為平面；上端面采用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料，如銅、鋁。半導(dǎo)體制冷堆6和散熱器8聯(lián)合構(gòu)成熱輸送通道，用以將絕熱外殼9內(nèi)的熱量源源不斷帶走，保持其內(nèi)部持續(xù)超低溫度環(huán)境。絕熱外殼9為下端開口的空心柱體，其用以隔離其內(nèi)部與外部環(huán)境，其絕熱特性的好壞直接影響著本發(fā)明的制冷效果，其可采用真空隔熱、聚氨酯保溫材料隔熱或內(nèi)層用真空隔熱，外層用聚氨酯保溫材料包裹。絕熱外殼9的外形根據(jù)半導(dǎo)體制冷堆6的形狀所確定，可為柱狀、柱狀頸或臺(tái)狀頸，無論選擇哪種形狀，均需要保證絕熱外殼9能夠?qū)雽?dǎo)體
制冷堆6以及置于半導(dǎo)體制冷堆6上方需要制冷的對(duì)象封閉在內(nèi)。如圖6所示，絕熱外殼9采用雙層外壁的真空罩，且該真空罩的雙層外壁之間為真空，該絕熱外殼的材料采用金屬、合金或玻璃。如圖I、圖2所示，所述半導(dǎo)體制冷堆6置于散熱器8的上表面，半導(dǎo)體制冷堆6的上表面為吸熱端，下表面為放熱端；絕熱外殼9扣在散熱器8上方且將半導(dǎo)體制冷堆6置于內(nèi)部，絕熱外殼9內(nèi)部的腔體為真空腔；半導(dǎo)體制冷堆6和散熱器8用于將真空腔內(nèi)的熱量源源不斷傳遞出去，以保持真空腔內(nèi)持續(xù)超低溫。所述溫度傳感器I安裝在絕熱外殼9內(nèi)部；所述溫度傳感器I、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器2和每個(gè)可控開關(guān)4-1分別與控制器3連接；可控開關(guān)4-1的個(gè)數(shù)與一個(gè)制冷體12中包含的半導(dǎo)體制冷片13的層數(shù)相同，每個(gè)可控開關(guān)4-1對(duì)應(yīng)連接半導(dǎo)體制冷堆6中位于同一層的半導(dǎo)體制冷片13 ;直流電源5通過可控開關(guān)4-1連接半導(dǎo)體制冷片13為其供電。如果在恒溫過程中需要人為調(diào)節(jié)設(shè)定溫度，控制器3進(jìn)入重建恒溫控制，也即從一個(gè)舊的恒溫狀態(tài)進(jìn)入一種新的恒溫控制狀態(tài)，因此需要設(shè)定最佳一級(jí)占空比按鈕Kl和極限溫度K2，Kl和K2均與控制器3連接。按下Kl按鈕，控制器3對(duì)最佳一級(jí)占空比進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)并記錄；按下K2按鈕，控制器3進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，校準(zhǔn)最佳一級(jí)占空比，并以此狀態(tài)進(jìn)入恒溫工作狀態(tài)，并記錄得到的極限溫度和最佳一級(jí)占空比。本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器的控制方法，由控制器3通過可控開關(guān)堆4對(duì)半導(dǎo)體制冷片13進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)絕熱外殼9內(nèi)的制冷，制冷器運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的七個(gè)狀態(tài)如下首次運(yùn)行是控制器3第一次運(yùn)行時(shí)，控制器3對(duì)制冷器的制冷極限溫度、最佳一級(jí)脈沖占空比進(jìn)行調(diào)整、測量與收集。最佳一級(jí)脈沖占空比調(diào)整最佳一級(jí)脈沖占空比是各層半導(dǎo)體制冷片13之間熱輸送效率的量度，最外側(cè)的占空比最大，依次由外向內(nèi)按比例減小，相鄰兩層的占空比稱之為一級(jí)占空比。一級(jí)占空比其受半導(dǎo)體制冷片(13)的制冷效率、制冷器的絕熱密封兩個(gè)因素的影響，半導(dǎo)體制冷片13制冷效率越高，制冷器的絕熱密封越好，一級(jí)占空比越大，理想情況為100%。
恒溫工作狀態(tài)是本發(fā)明的控制器最主要的工作狀態(tài)，正常情況下控制器按照所設(shè)定的制冷溫度工作在恒溫工作狀態(tài)，控制器進(jìn)入恒溫工作狀態(tài)大多是經(jīng)歷啟動(dòng)——滿負(fù)荷工作狀態(tài)一‘〖亙溫工作狀態(tài)(參見圖8);也可以是舊恒溫工作狀態(tài)——人為設(shè)定溫度改
變或系統(tǒng)熱環(huán)境變化-滿負(fù)荷工作狀態(tài)或停機(jī)狀態(tài)-新恒溫工作狀態(tài)，即重建恒溫狀
態(tài)(參見圖9)；滿負(fù)荷工作狀態(tài)是制冷器以滿功率運(yùn)行的狀態(tài)，此時(shí)半導(dǎo)體制冷堆中最下層半導(dǎo)體制冷片13按額定電壓、額定電流的直流狀態(tài)工作 ，其余各層均以一定的脈沖占空比驅(qū)動(dòng)工作在脈沖狀態(tài)下，脈沖占空比的大小由控制器根據(jù)自身熱環(huán)境予以自動(dòng)調(diào)整。重建恒溫狀態(tài)是指人為改變?cè)O(shè)定溫度或者系統(tǒng)熱環(huán)境變化的兩種情況下，導(dǎo)致溫度傳感器采集到的溫度發(fā)生變化，控制器從舊的恒溫工作狀態(tài)進(jìn)入一個(gè)新恒溫工作狀態(tài)的過程。根據(jù)所改變的內(nèi)容不同，其間會(huì)經(jīng)歷兩種狀態(tài)過程、四種分支，參見圖9，兩種狀態(tài)過程分別是滿負(fù)荷工作狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài)；四種分支為1)新設(shè)定溫度低于舊設(shè)定溫度，其將由舊恒溫工作狀態(tài)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)再進(jìn)入新恒溫工作狀態(tài)，2)新設(shè)定溫度高于舊設(shè)定溫度，其將由舊恒溫工作狀態(tài)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)再進(jìn)入新恒溫工作狀態(tài)，3)內(nèi)部熱源減小，造成絕熱外殼內(nèi)部溫度降低，其將經(jīng)由停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入新恒溫工作狀態(tài)，4)內(nèi)部熱源增大，造成絕熱外殼內(nèi)部溫度升高，其將經(jīng)由滿負(fù)荷工作狀態(tài)進(jìn)入新恒溫工作狀態(tài)；極限溫度狀態(tài)是控制器一直運(yùn)行于滿負(fù)荷工作狀態(tài)而達(dá)到的一種溫度狀態(tài)，該狀態(tài)所能達(dá)到的溫度也是制冷器所能達(dá)到的最低溫度，是一種極限溫度。停機(jī)狀態(tài)所有半導(dǎo)體制冷片停止工作，依靠自然升溫，在重建恒溫狀態(tài)時(shí)會(huì)使用這一狀態(tài)或過程。圖10為控制器的時(shí)序運(yùn)行控制的主流程圖，參見圖10，本發(fā)明的超低溫半導(dǎo)體制冷器的自動(dòng)控溫方法，具體按照如下步驟進(jìn)行步驟I :開啟直流電源5，系統(tǒng)初始化，根據(jù)需要設(shè)定制冷溫度Ts ;設(shè)定溫度Ts高于或等于極限溫度。系統(tǒng)在經(jīng)歷首次運(yùn)行狀態(tài)之后會(huì)自動(dòng)測出極限制冷溫度，或者通過按下極限溫度按鈕K2進(jìn)行極限溫度測試得到；步驟2 :控制器3從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取Y=100%時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X，如果讀到，則控制器3控制半導(dǎo)體制冷片13工作，由下至上各層半導(dǎo)體制冷片13工作脈沖占空比依次為Y、X、X2、X3>…、X(n_D，Υ=100%, η為制冷體12中包含的半導(dǎo)體制冷片13的層數(shù)，然后進(jìn)入步驟3 ;如果沒有讀到，則進(jìn)入步驟4的首次運(yùn)行流程；步驟3 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度傳感器I實(shí)時(shí)采集絕熱外殼9內(nèi)的溫度，如果采集溫度大于設(shè)定溫度Ts，則控制器3控制系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度等于設(shè)定溫度，則控制器3控制系統(tǒng)進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)流程，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度小于設(shè)定溫度，則進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ；滿負(fù)荷工作狀態(tài)過程中，最下層半導(dǎo)體制冷片13以直流狀態(tài)工作(即最下層半導(dǎo)體制冷片13的工作脈沖占空比Y為100%)，其余各層的工作脈沖占空比由下至上依次為X、X2、X3、…、X(n_D，Υ=100%，η為制冷體12中包含的半導(dǎo)體制冷片13的層數(shù)；步驟4 :參見圖11，首次運(yùn)行流程包括如下步驟步驟401 :控制器3設(shè)定最佳一級(jí)脈沖占空比X的初始值XO為95%。步驟402 :控制器3以I-IOs的時(shí)間間隔，由下向上依次啟動(dòng)各層的半導(dǎo)體制冷片13，所有半導(dǎo)體制冷片13均以直流工作狀態(tài)運(yùn)行(即所有半導(dǎo)體制冷片13的工作脈沖占空比均為100%)，所述時(shí)間間隔與熱忱14的厚度和比熱容的乘積成正比，其大小可根據(jù)需要進(jìn)行選擇；步驟403 :系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，此時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X等于95% ；步驟404 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度傳感器I實(shí)時(shí)采集絕熱外殼9內(nèi)的溫度，如果溫度降低(即采集溫度小于前一次采集溫度，說明制冷器內(nèi)溫度在下降)，則返回步驟403 ；如果采集溫度不再下降，也即采集溫度等于前一次采集溫度，則說明在95%的一級(jí)脈沖占空比的情況下，已達(dá)到制冷器的極限溫度，執(zhí)行步驟405 ；步驟405 :進(jìn)入最佳一級(jí)脈沖占空比調(diào)整，使其達(dá)到最佳值，以期獲得更低的極限溫度(即最低制冷溫度)——具體見步驟5 ；步驟5 :最佳一級(jí)脈沖占空比X的調(diào)整分為粗調(diào)和微調(diào)，其調(diào)整方法采用嘗試改變 一級(jí)脈沖占空比X，然后根據(jù)采集溫度的變化反向確定最佳一級(jí)脈沖占空比X，圖12為一級(jí)脈沖占空比粗調(diào)流程圖，圖13為一級(jí)脈沖占空比微調(diào)流程圖，具體步驟如下步驟501 :粗調(diào)粗調(diào)是以步長O. 01改變一級(jí)脈沖占空比。首先嘗試以步長O. 01增加一級(jí)脈沖占空比，通過溫度采集并和前次采集溫度比較，如果采集溫度下降，說明改變方向正確，并繼續(xù)以步長O. 01增加一級(jí)脈沖占空比，直至溫度不再下降，說明在此步長下一級(jí)脈沖占空比粗調(diào)程度達(dá)到最佳；如果采集溫度升高，說明改變方向錯(cuò)誤，則以步長
O.01減小一級(jí)脈沖占空比，通過采集溫度并和前次采集溫度比較，如果采集溫度降低，繼續(xù)以步長O. 01減小一級(jí)脈沖占空比，直至溫度不再下降，說明在此步長下一級(jí)脈沖占空比粗調(diào)程度達(dá)到最佳；步驟502 :微調(diào)與粗調(diào)相同，區(qū)別僅在于微調(diào)的步長為O. 001，當(dāng)然此值僅是本實(shí)例的具體設(shè)定值，實(shí)際中不限于此，但無論如何微調(diào)的步長必須小于粗調(diào)的步長，而且二者應(yīng)有明顯差異，調(diào)整完成后，記錄極限制冷溫度、當(dāng)前最佳一級(jí)脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y，將三者作為同一組數(shù)據(jù)存入最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表；步驟6 :參見圖14、圖15，恒溫工作狀態(tài)流程包括進(jìn)恒溫工作控制和反饋控制兩部分，具體包括如下步驟步驟601 :控制器3從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取當(dāng)前的最佳一級(jí)占空比X;步驟602 :控制器3在最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中查找小于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度Tl以及Tl對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y1，如果找到則進(jìn)入步驟603 ;否則報(bào)錯(cuò)設(shè)定溫度超界，也即設(shè)定溫度超過極限制冷溫度，并進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)；步驟603 :查找大于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度T2以及T2對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y2，如果找到，則更新最下層占空比Y= (Y2-YI) (T-TI) / (T2-TI) +YI ;否則最下層占空比Y=(I-Yl) (T-Tl)/(300-T1)，然后由下向上依次設(shè)定其余各層半導(dǎo)體制冷片13的占空比為X、X2、X3、…、Xilri), η為制冷體12中包含的半導(dǎo)體制冷片13的層數(shù)；進(jìn)入步驟604的反饋控制；步驟604:反饋控制是以系統(tǒng)設(shè)定精度為步長進(jìn)行溫度反饋循環(huán)控制，這也是恒溫控制的最終狀態(tài)，具體流程參見圖15，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度傳感器I實(shí)時(shí)采集絕熱外殼9內(nèi)的溫度，根據(jù)當(dāng)前采集溫度與上次采集溫度比較，I)如果溫度相等，則說明目前的最下層占空比Y正好可以維持現(xiàn)有的溫度，則以步驟603得到的最下層占空比Y進(jìn)行制冷，然后執(zhí)行步驟604，并記錄此時(shí)的最下層占空比Y以及其對(duì)應(yīng)的溫度，絕熱外殼9內(nèi)的溫度保持恒定；2)如果溫度升高，則說明目前的最下層占空比Y不足以維持現(xiàn)有溫度，需要增加最下層占空比Y，則令Y=Y+Z，Z為Y的調(diào)整精度Z為控制精度，選取O. 01到相對(duì)溫度測量精度之間的值，相對(duì)溫度測量精度等于溫度傳感器I的測量精度/測量范圍)，返回步驟604 ；3)如果溫度降低，則說明目前的最下層占空比Y偏大，制冷量過大導(dǎo)致溫度降低，需要減小最下層占空比Y，則令Y=Y-Z,返回執(zhí)行步驟604 ；步驟7 :重建恒溫狀態(tài)主要發(fā)生在操作人員通過預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器2設(shè)定制冷溫度Ts或者系統(tǒng)熱環(huán)境改變(如制冷器內(nèi)部發(fā)熱狀況變化、絕熱環(huán)境變化、熱輸送通道變化等)的情況下。參見圖16，具體步驟如下步驟701 :溫度傳感器I采集溫度；步驟702 :控制器3將采集溫度T與設(shè)定溫度Ts比較，如果T〈Ts，控制器3進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T>Ts，控制器進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T=Ts, 控制器3再次進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)。有時(shí)需要對(duì)極限溫度重新測試，其流程為步驟8和步驟9;有時(shí)則需要對(duì)最佳一級(jí)占空比進(jìn)行重新校準(zhǔn)，其流程為步驟9。參見圖17，步驟8具體包括如下步驟步驟801 :操作人員按下極限溫度按鈕K2 ；步驟802 :控制器3讀取最佳一級(jí)占空比X ；步驟803 :控制器3進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)；步驟804 :溫度傳感器I實(shí)時(shí)采集絕熱外殼9內(nèi)的溫度，控制器3實(shí)時(shí)判斷溫度的變化，如果采集溫度小于前次采集溫度，說明制冷器還可以獲得更低的溫度，返回步驟803 ；如果采集溫度等于前次采集溫度，說明已經(jīng)達(dá)到極限溫度，此時(shí)執(zhí)行步驟9，對(duì)最佳一級(jí)脈沖占空比的大小進(jìn)行強(qiáng)行校準(zhǔn)，以獲得極限溫度(即最低制冷溫度)。參見圖18，步驟9具體包括如下步驟步驟901 :操作人員按下最佳一級(jí)占空比按鈕Kl ；步驟902 :控制器3讀取最外層占空比X并記錄；步驟903 :執(zhí)行最佳一級(jí)占空比調(diào)整，包括粗調(diào)和微調(diào)，具體參見步驟5 ;步驟904 :記錄最佳一級(jí)占空比及其對(duì)應(yīng)的極限溫度，完成強(qiáng)行校準(zhǔn)。實(shí)施例如圖I所示，本發(fā)明的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器的實(shí)施例采用如圖I所示的結(jié)構(gòu)，其中，半導(dǎo)體制冷堆6、光纖盤繞柱、絕熱外殼9、散熱器8均為柱狀結(jié)構(gòu)。絕熱外殼9采用如圖6所示雙層真空壁式不銹鋼桶狀結(jié)構(gòu)，外徑取16cm，內(nèi)徑13cm,桶高30cm,內(nèi)高28cm,不銹鋼板厚I. 5mm,壁間抽真空以絕熱,所有棱邊均作圓角處理。半導(dǎo)體制冷堆6采用圖I所示圓柱狀結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體制冷片13采用TEC1-12712，最大電壓15. 4V，最大電流12A，外徑尺寸62*62*4mm，熱忱14采用62*62*6mm的紫銅塊，本實(shí)例共用9片TEC1-12712，8塊熱忱，保溫隔熱材料17采用聚氨酯泡沫，半導(dǎo)體制冷片13與熱忱14之間涂抹導(dǎo)熱硅脂。
光纖盤繞柱用鋁材加工成圖23 (a)所示的圓柱狀結(jié)構(gòu)，直徑8cm，高13cm，沿圓周方向銑O. 5*0. 5mm,間距I. 5mm的方形螺旋槽70圈，共10. 5cm高，可盤繞光纖17米以上。散熱器8選用直徑為20cm的高I. 8cm的圓柱形結(jié)構(gòu)的水冷散熱器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，為了節(jié)省成本，散熱器8除頂蓋采用5_的紫銅板，其余面及水道的隔板23均用
I.5mm的鋼板，之間用橡膠墊密封，并壓緊固定。實(shí)例裝配如圖20所示，將散熱器8的上表面涂上導(dǎo)熱硅脂，將半導(dǎo)體制冷片13與熱忱14相間堆疊，共9層半導(dǎo)體制冷片，8層熱忱，半導(dǎo)體制冷片13均采用上表面吸熱下表面放熱(也即上表面制冷，下表面發(fā)熱)，在半導(dǎo)體制冷片13與熱忱14之間接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂。將光纖盤繞柱底面放在最頂層的半導(dǎo)體制冷片13上，之間接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，用2個(gè)“L”形金屬拉條按圖20所示結(jié)構(gòu)，將光纖盤繞柱和散熱器8進(jìn)行牽拉固定，然后用聚氨酯泡沫填充半導(dǎo)體制冷堆6的周邊區(qū)域包裹并纏緊，使其外觀呈圓柱狀，直徑比真空罩內(nèi)徑稍大，以保證可以將真空罩蓋緊。 如圖19所示，“L”形金屬拉條用120*10*lmm的鋼板，折成llcm+lcm的“L”形，并鉆孔。將實(shí)施例I應(yīng)用于全光纖結(jié)構(gòu)的940nm光纖激光器的制冷控制。如圖21所示，該940nm光纖激光器由帶尾纖輸出的808nm半導(dǎo)體激光器14、940nm全反射光纖光柵15、雙包層摻釹光纖16、在940nm反射率為5%的光纖光柵17、輸出尾纖18組成。如圖22所不,將雙包層摻釹光纖16置于本發(fā)明的制冷裝置之內(nèi)并盤繞在光纖盤繞柱上，其余裝置均置于制冷裝置之外，為了保護(hù)光纖，在裝置出口處用軟管19套在光纖之外。將本發(fā)明的半導(dǎo)體制冷溫控慢啟動(dòng)控制器用于對(duì)光纖激光器的制冷時(shí)，將光纖激光器的光纖盤繞在光纖盤繞柱上，將光纖盤繞柱置入絕熱外殼中，即可實(shí)現(xiàn)超低溫制冷。如圖23所示，光纖盤繞柱為圓柱(見圖23 (a))或兩頭半圓矩形柱(見圖23 (b))，沿光纖盤繞柱的圓周方向刻有槽，槽的形狀為矩形半圓槽、方形槽、矩形槽及V形槽，但不限于此，槽的大小以能將光纖沒入其中。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，其特征在于，包括溫度傳感器(I)、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器(2)、控制器(3)、可控開關(guān)堆(4)、直流電源(5)、半導(dǎo)體制冷堆(6)、散熱器(8)、絕熱外殼(9);其中，所述可控開關(guān)堆(4)由多個(gè)相同的可控開關(guān)(4-1)組成；所述半導(dǎo)體制冷堆(6)置于散熱器(8)的上表面，半導(dǎo)體制冷堆(6)的上表面為吸熱端，下表面為放熱端；絕熱外殼(9)扣在散熱器(8)上方且將半導(dǎo)體制冷堆(6)置于內(nèi)部,絕熱外殼(9)內(nèi)部的腔體為真空腔；所述溫度傳感器(I)安裝在絕熱外殼(9)內(nèi)部；所述溫度傳感器(I)、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器(2)和每個(gè)可控開關(guān)(4-1)分別與控制器(3)連接；可控開關(guān)(4-1)的個(gè)數(shù)與一個(gè)制冷體(12)中包含的半導(dǎo)體制冷片(13)的層數(shù)相同，每個(gè)可控開關(guān)(4-1)對(duì)應(yīng)連接半導(dǎo)體制冷堆(6)中位于同一層的半導(dǎo)體制冷片(13);直流電源(5)通過可控開關(guān)(4-1)連接半導(dǎo)體制冷片(13)為其供電。
2.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷堆(6)包括制冷內(nèi)芯(10)以及包覆在制冷內(nèi)芯側(cè)面的保溫隔熱材料(7)，制冷內(nèi)芯(10)由一個(gè)或多個(gè)相同的制冷體(12)組成，所述的制冷體(12)由多個(gè)半導(dǎo)體制冷片(13)和多個(gè)熱忱(14)交替堆疊而成，且制冷體(12)的上下表面均為半導(dǎo)體制冷片(13)，在半導(dǎo)體制冷片(13)與熱忱(14)之間均涂覆有導(dǎo)熱助劑或?qū)岵牧?；半?dǎo)體制冷片(13)的上表面吸熱下表面放熱。
3.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，其特征在于，所述散熱器(8)包括外殼以及與該外殼內(nèi)部相連通的進(jìn)水管(20)和出水管(21)，該外殼內(nèi)部設(shè)置許多豎直方向的隔板(23)，隔板(23)使外殼內(nèi)腔形成一條迂回前進(jìn)的冷卻水道(22)，進(jìn)水管(20)連接冷卻水道(22)的入口，出水管(21)連接該冷卻水道(22)的出口。
4.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，其特征在于，所述絕熱外殼(9)采用雙層外壁的真空罩，且該真空罩的雙層外壁間為真空。
5.如權(quán)利要求I所述的自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器，其特征在于，所述制冷器還包括最佳一級(jí)占空比按鈕(Kl)和極限溫度按鈕(K2)，它們均與控制器(3)相連接。
6.一種權(quán)利要求I所述的超低溫半導(dǎo)體制冷器的自動(dòng)控溫方法，其特征在于，具體包括如下步驟 步驟I :開啟直流電源(5)，系統(tǒng)初始化，根據(jù)需要設(shè)定制冷溫度Ts ； 步驟2 :控制器(3)從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取Y=100%時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X，如果讀到，則控制器(3)控制半導(dǎo)體制冷片(13)工作，由下至上各層半導(dǎo)體制冷片(13)工作脈沖占空比依次為Υ、Χ、Χ2、Χ3、…、為制冷體(12)中包含的半導(dǎo)體制冷片(13)的層數(shù)，然后進(jìn)入步驟3 ;否則執(zhí)行步驟4 ; 步驟3:溫度傳感器(I)實(shí)時(shí)采集絕熱外殼(9)內(nèi)的溫度，如果采集溫度大于設(shè)定溫度Ts，則控制器(3)控制系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度等于設(shè)定溫度，則控制器(3)控制系統(tǒng)進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)流程，然后執(zhí)行步驟3 ;如果采集溫度小于設(shè)定溫度，則進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，然后執(zhí)行步驟3 ； 滿負(fù)荷工作狀態(tài)過程中，最下層半導(dǎo)體制冷片(13)以直流狀態(tài)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^^YzlOO。/。，!!為制冷體(12)中包含的半導(dǎo)體制冷片(13)的層數(shù)； 步驟4 :控制器(3)控制系統(tǒng)進(jìn)行首次運(yùn)行；記錄極限溫度、其對(duì)應(yīng)的最佳一級(jí)脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y=ioo%，將三者作為同一組數(shù)據(jù)存入最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表； 步驟5 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果需要調(diào)整最佳一級(jí)脈沖占空比X，則其調(diào)整方法采用嘗試改變一級(jí)脈沖占空比X，然后根據(jù)采集溫度的變化確定最佳一級(jí)脈沖占空比X ； 步驟6 :系統(tǒng)進(jìn)行恒溫工作狀態(tài)流程； 步驟7 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，操作人員通過預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器(2)設(shè)定制冷溫度Ts引起溫度變化，或者系統(tǒng)熱環(huán)境改變引起溫度變化，控制器(3)對(duì)系統(tǒng)的控制包括如下步驟 步驟701 :溫度傳感器(I)實(shí)時(shí)采集溫度； 步驟702 :控制器(3)將采集溫度T與設(shè)定溫度Ts比較，如果T〈Ts，控制器(3)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T>Ts，控制器進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，執(zhí)行步驟701 ;如果T=Ts,控制器(3)再次進(jìn)入步驟6的恒溫工作狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟4的首次運(yùn)行流程具體包括如下步驟 步驟401 :控制器(3)設(shè)定最佳一級(jí)脈沖占空比X的初始值XO為95%。
步驟402 :控制器(3)以I-IOs的時(shí)間間隔，由下向上依次啟動(dòng)各層的半導(dǎo)體制冷片(13)，所有半導(dǎo)體制冷片(13)均以直流工作狀態(tài)運(yùn)行，所述時(shí)間間隔與熱忱(14)的厚度和比熱容的乘積成正比，其大小可根據(jù)需要進(jìn)行選擇； 步驟403 :系統(tǒng)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)，此時(shí)的最佳一級(jí)脈沖占空比X等于95% ； 步驟404 :在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，溫度傳感器(I)實(shí)時(shí)采集絕熱外殼(9)內(nèi)的溫度，如果溫度降低，則返回步驟403 ;如果采集溫度等于前次采集溫度，則執(zhí)行步驟405 ； 步驟405 :進(jìn)入最佳一級(jí)脈沖占空比調(diào)整，使其達(dá)到最佳值，具體參見步驟5。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟5對(duì)于最佳一級(jí)脈沖占空比X的調(diào)整具體包括如下步驟 步驟501 :粗調(diào)首先以步長O. 01增加一級(jí)脈沖占空比，通過溫度采集并和前次采集溫度比較，如果采集溫度下降，說明改變方向正確，并繼續(xù)以步長O. 01增加一級(jí)脈沖占空比，直至溫度不再下降；如果采集溫度升高，則以步長O. 01減小一級(jí)脈沖占空比，通過采集溫度并和前次采集溫度比較，如果采集溫度降低，繼續(xù)以步長O. 01減小一級(jí)脈沖占空比，直至溫度不再下降； 步驟502 :微調(diào)與粗調(diào)相同，區(qū)別僅在于微調(diào)的步長為O. 001 ;調(diào)整完成后，記錄極限制冷溫度、當(dāng)前最佳一級(jí)脈沖占空比X、最下層工作脈沖占空比Y，將三者作為同一組數(shù)據(jù)存入最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟6的恒溫工作流程包括進(jìn)恒溫工作控制和反饋控制兩部分，具體包括如下步驟 步驟601 :控制器(3)從最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中讀取當(dāng)前的最佳一級(jí)占空比X; 步驟602 :控制器(3)在最下層占空比和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表中查找小于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度Tl以及Tl對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y1，如果找到則進(jìn)入步驟603 ;否則報(bào)錯(cuò)，并進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)； 步驟603 :查找大于設(shè)定溫度Ts且與其最接近的溫度T2以及T2對(duì)應(yīng)的最下層占空比Y2，如果找到，則更新最下層占空比Y= (Y2-YI) (T-TI) / (T2-TI) +YI ;否則最下層占空比Y=(I-Yl) (T-Tl)/(300-Τ1)，然后由下向上依次設(shè)定其余各層半導(dǎo)體制冷片(13)的占空比為Χ、Χ2、Χ3、…、Χ(ηΛη為制冷體(12)中包含的半導(dǎo)體制冷片(13)的層數(shù)；進(jìn)入步驟604的反饋控制； 步驟604 :溫度傳感器(I)實(shí)時(shí)采集絕熱外殼(9)內(nèi)的溫度，根據(jù)當(dāng)前采集溫度與上次采集溫度比較，I)如果溫度相等，則以步驟603得到的最下層占空比Y進(jìn)行制冷，然后執(zhí)行步驟604，并記錄此時(shí)的最下層占空比Y以及其對(duì)應(yīng)的溫度，絕熱外殼(9)內(nèi)的溫度保持恒定；2)如果溫度升高，則令Υ=Υ+Ζ，Ζ為Y的調(diào)整精度，返回步驟604 ;3)如果溫度降低，則令Y=Y-Z,返回執(zhí)行步驟604。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在需要對(duì)極限溫度重新測試的情況下，執(zhí)行步驟8和步驟9 ;在需要對(duì)最佳一級(jí)占空比進(jìn)行重新校準(zhǔn)的情況下，執(zhí)行步驟9 ； 所述步驟8具體包括如下步驟 步驟801 :操作人員按下極限溫度按鈕(Κ2)； 步驟802 :控制器(3)讀取最佳一級(jí)占空比X ; 步驟803 :控制器(3)進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)； 步驟804 :溫度傳感器(I)實(shí)時(shí)采集絕熱外殼(9 )內(nèi)的溫度，控制器(3 )實(shí)時(shí)判斷溫度的變化，如果采集溫度小于前次采集溫度，返回步驟803 ;如果采集溫度等于前次采集溫度，執(zhí)行步驟9，對(duì)最佳一級(jí)脈沖占空比的大小進(jìn)行強(qiáng)行校準(zhǔn)，以獲得極限溫度； 所述步驟9具體包括如下步驟 步驟901 :操作人員按下最佳一級(jí)占空比按鈕(Kl)； 步驟902 :控制器(3)讀取最外層占空比X并記錄； 步驟903 :執(zhí)行最佳一級(jí)占空比調(diào)整，包括粗調(diào)和微調(diào)，具體參見步驟5 ; 步驟904 :記錄最佳一級(jí)占空比及其對(duì)應(yīng)的極限溫度，完成強(qiáng)行校準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動(dòng)控溫的超低溫半導(dǎo)體制冷器及其自動(dòng)控溫方法，制冷器包括溫度傳感器、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器、控制器、可控開關(guān)堆、直流電源、半導(dǎo)體制冷堆、散熱器、絕熱外殼；半導(dǎo)體制冷堆置于散熱器上，絕熱外殼在散熱器上方且將半導(dǎo)體制冷堆置于內(nèi)；溫度傳感器、預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)器和每個(gè)可控開關(guān)分別與控制器連接；直流電源通過可控開關(guān)連接半導(dǎo)體制冷片為其供電。自動(dòng)控溫方法依據(jù)設(shè)定溫度與測量溫度差異，通過可控開關(guān)堆實(shí)現(xiàn)對(duì)多片制冷片的工作時(shí)序及通斷狀態(tài)精確控制，實(shí)現(xiàn)精確超低溫制冷與溫度控制，其工作過程分為慢速啟動(dòng)、滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和恒溫控制，控制過程中采用分層控制方式，通過反饋方式改變半導(dǎo)體制冷片得脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)最佳能耗修正。
文檔編號(hào)F25B21/02GK102927716SQ20121043142
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者馮選旗, 馮曉強(qiáng), 白晉濤, 賀慶麗 申請(qǐng)人:西北大學(xué)