[发明专利]一种半导体热堆精密控温液冷源系统

说明书

本发明涉及一种半导体热堆精密控温液冷源系统，属于制冷与人机环境工程技术领域。包括半导体热堆、储液器、三通阀、空气换热器、风机、第一液泵和第二液泵；以半导体热堆的二个换热通道构成二个循环液工作环路；在室外气温较低时，以室外空气为自然冷源，利用第一循环液与室外低温空气的自然温差，把被控对象的热载荷直接释放给室外空气，即实现自然冷却。本发明根据实时状态，有序运行热电制冷、自然冷却+热电制冷、自然冷却和半导体制热四种工作模式，精准控制制冷量或制热量，精确控制供液温度。本发明为热电制冷与自然冷却的复合热控系统，适用于光、电、微波、电磁系统和精密加工设备等全天候工作环境温度精密控制。

技术领域

本发明属于制冷与人机环境工程技术领域，具体涉及一种为工作在-40～60℃宽温带气候条件的光电或机械设备实现精密控温的液冷源系统。

背景技术

载运工具的电子仓室，光电、磁电和微波设备，精密加工机械设备等，都有全天候、宽温区工作的需求，通常具有高热流密度、热负荷频繁变化的特点。这类设备不仅需要供冷，在寒冷季节或冷启动时也需要供热，甚至对热控系统响应速度和温控精度有高要求，以提高其工作的稳定性、可靠性、准确性、机动性和效率。

最常使用的是以蒸气压缩式制冷系统为冷热源的液冷源系统，其存在工作温区窄、制冷与供热切换不便捷，温度稳定时间长，体积质量大等缺点。对于光电探测和红外摄像（影）设备，蒸气压缩式制冷系统的振动问题是应用瓶颈；蒸气压缩式制冷系统零部件多，轻量小型化存在困难，不适宜百瓦级以下的小冷量应用场合；同时，蒸气压缩式制冷系统损易件多，长期工作有磨损和密封等可靠性问题；在宇航科学工程领域，蒸气压缩式制冷技术受到失重和流动换热等技术局限。

随着材料科学和制造技术的进步，半导体热电制冷技术的应用领域不断拓宽。半导体热电制冷的低温端温度与其热堆的级数相关，常温条件下3级热堆串联可达低温-80℃；再之，其制冷量调节范围宽，小到红外装置应用的微瓦级（-40～-120℃），大至芯片加工设备精密控温的万瓦级，并具有响应速度快、制冷与制热切换便捷、体积质量小、安装应用灵活、无震动的优点；半导体热堆无运动件，无磨损和润滑问题，几乎无需维护，在较宽的环境温度变化范围工作可靠、寿命长，在小冷量和冷热双供应用场合优势明显。

限制半导体热电制冷技术应用的最大障碍是能效比低（能效比=制冷量/消耗功率）、一次投资和运行成本相对较高，如图2所示为风冷式半导体制冷系统的结构原理方框图，其工作原理是通过半导体热堆将被控对象的热载荷转移至热堆B端1B，然后释放给环境(室外空气)，这类半导体热电制冷系统的制冷能效比通常在0.5～0.9之间，远低于相同温区蒸气压缩式制冷系统的能效比2.4～3.0。

发明内容

为了实现在-40～60℃环境温度范围内局部环境温度的精确控制，克服上述相关制冷系统的诸多问题和缺陷，改善热控系统的能源效率，保证被控光电和精密机械设备安全、可靠、稳定、高效和准确地运行，本发明提供一种半导体热堆精密控温液冷源系统。

一种半导体热堆精密控温液冷源系统包括：半导体热堆1、储液器2、三通阀3、空气换热器4、风机5、第一液泵P1和第二液泵P2，所述液冷源系统以半导体热堆1为冷热源，设置三通阀3和空气换热器4的第一换热管路41构成自然冷却支路；

所述液冷源系统以半导体热堆1的二个换热通道的热堆A端1A和热堆B端1B构成二个循环液工作环路；

第一循环液工作环路：第一循环液从热堆A端1A进入储液器2，经第一液泵P1后由供液口C供给外接的被控对象，完成与被控对象热交换的第一循环液从回液口R返回，进入三通阀3入口，所述三通阀3的第一出口连接热堆A端1A入口，所述三通阀3的第二出口连接空气换热器4的第一换热管路41接入热堆A端1A入口；

第二循环液工作环路：由热堆B端1B、空气换热器4的第二换热管路42和第二液泵P2依次连接构成闭合环路；

所述空气换热器4为管片式风冷换热器或平行流换热器，空气换热器4包括第一换热管路41和第二换热管路42，公用一个风机5，所述风机5为调速型；