全文摘要
本实用新型涉及一种半导体制冷低温板式冷源,包括低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；N个半导体制冷单元，半导体制冷单元具有冷端面和热端面，冷端面与低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；M个温度传感器，温度传感器设于低温板的供冷平面，温度传感器与至少一个半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；电源及控制单元，其设有N个电压输出端，电压输出端与半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；电源及控制单元与温度传感器电性连接。本实用新型能有效地被利用来在负载受冷测试应用中实现低温恒温。
主设计要求
1.一种半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，包括：低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；N个半导体制冷单元，所述半导体制冷单元具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；M个温度传感器，所述温度传感器设于所述低温板的供冷平面，所述温度传感器与至少一个所述半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；电源及控制单元，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元与所述温度传感器电性连接。
设计方案
1.一种半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，包括：
低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；
N个半导体制冷单元，所述半导体制冷单元具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；
M个温度传感器，所述温度传感器设于所述低温板的供冷平面，所述温度传感器与至少一个所述半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；
电源及控制单元，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元与所述温度传感器电性连接。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，M＝N，所述温度传感器与所述半导体制冷单元一一相对应，所述温度传感器与相对应半导体制冷单元的冷端面的中心正相对。
3.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述N个半导体制冷单元为相同结构的元件，所述N个半导体制冷单元的冷端面均匀排布地接合于所述低温板的受冷平面。
4.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述半导体制冷单元包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接。
5.根据权利要求4所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，半导体制冷器的P型电偶臂、N型电偶臂的尺寸范围均为高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。
6.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，还包括循环管路、设于所述循环管路内的液体工质以及设于所述循环管路上的热端换热体、换热器、水泵和储液器，所述热端换热体贴合于所述半导体制冷单元的热端面，水泵与电源及控制单元电性连接。
7.根据权利要求6所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述热端换热体包括换热主体、第一密封环和换热板，所述换热主体设有迂回流道，所述换热板盖设于所述换热主体上，所述换热板的内侧面设有伸入迂回流道的换热加强筋，所述密封环设于所述换热板与所述换热主体之间。
8.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，还包括均呈环形状的第一低热导接合构件、第二低热导接合构件、隔热套垫和螺栓，所述第一低热导接合构件的背面设有凹槽以及位于所述凹槽中的多条限位加强筋，所述低温板置于所述凹槽中并限定于所述多条限位加强筋之间，所述第二低热导接合构件与所述第一低热导接合构件通过螺钉固定连接并夹持所述低温板，所述第二低热导接合构件内嵌有螺母，所述螺栓穿过所述热端换热体与所述螺母连接，所述隔热套垫套设于所述螺栓并位于所述螺栓与所述热端换热体之间。
9.根据权利要求1所述的半导体制冷低温板式冷源，其特征在于，所述低温板上与半导体制冷单元非接合而且非用于与负载接合的表面敷设绝热材料。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及冷源，特别是涉及一种半导体制冷低温板式冷源。
背景技术
半导体制冷利用半导体热电材料珀尔贴效应实现了无压缩机固态温差制冷，与机械压缩制冷方式相比，半导体制冷具有结构紧凑、简洁、冷量调节方便、无振动、无制冷剂环保等特点，在小冷量需求领域得到了广泛应用。由于半导体制冷属温差制冷，冷热端集成在半导体材料组成的同一P、N电偶臂中，冷端温度受热端散热影响较大，同时受半导体材料热电特性制约，较机械压缩制冷，高温差低温制冷及大冷量制冷依然是半导体制冷技术应用的两大瓶颈，但其体积小、重量轻、冷量及温度控制方便等特点使半导体制冷技术在测试应用领域仍占有一席之地。目前在测试应用等领域，很需要一种在负载受冷测试应用中能有效输出低温恒温的半导体制冷冷源。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种半导体制冷低温板式冷源，其能有效地被利用来在负载受冷测试应用中实现低温恒温。
上述技术问题通过以下技术方案进行解决：
一种半导体制冷低温板式冷源，包括：
低温板，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；
N个半导体制冷单元，所述半导体制冷单元具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板的受冷平面接合,N为大于1的整数；
M个温度传感器，所述温度传感器设于所述低温板的供冷平面，所述温度传感器与至少一个所述半导体制冷单元相对应，M为小于等于N的整数；
电源及控制单元，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元与所述温度传感器电性连接。
本实用新型具有以下有益效果：
上述半导体制冷低温板式冷源作为一种硬件架构，在低温板的受冷平面设置N个半导体制冷单元进行分区供冷，在低温板的供冷平面设置M个温度传感器进行分区监控温度，而且通过电源及控制单元分别控制N个半导体制冷单元的输入电压，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；在应用中，上述半导体制冷低温板式冷源能被利用以N个温度传感器的检测值作为电源及控制单元调整M个电压输出端输出值的依据，调整M个半导体制冷单元的输入电压大小，实时调节M个半导体制冷单元的制冷量，使得在设定的温度点上，半导体制冷单元产生的总冷流与输出负载端的冷流、低温板非负载接合部分消耗的冷流(与环境间热交换)达到动态平衡，从而能有效地实现低温板的供冷平面可以在不同冷负荷负载、不同环境温度、负载接合于供冷平面的不同位置的情况下，确保低温恒温。因此，上述半导体制冷低温板式冷源能有效地被利用来在负载受冷测试应用中实现低温恒温。
在其中一个实施例中，M＝N，所述温度传感器与所述半导体制冷单元一一相对应，所述温度传感器与相对应半导体制冷单元的冷端面的中心正相对。
在其中一个实施例中，所述N个半导体制冷单元为相同结构的元件，所述N个半导体制冷单元的冷端面均匀排布地接合于所述低温板的受冷平面。
在其中一个实施例中，所述半导体制冷单元包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接。
在其中一个实施例中，半导体制冷器的P型电偶臂、N型电偶臂的尺寸范围均为高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。
在其中一个实施例中，还包括循环管路、设于所述循环管路内的液体工质以及设于所述循环管路上的热端换热体、换热器、水泵和储液器，所述热端换热体贴合于所述半导体制冷单元的热端面。
在其中一个实施例中，所述热端换热体包括换热主体、第一密封环和换热板，所述换热主体设有迂回流道，所述换热板盖设于所述换热主体上，所述换热板的内侧面设有伸入迂回流道的换热加强筋，所述密封环设于所述换热板与所述换热主体之间。
在其中一个实施例中，还包括均呈环形状的第一低热导接合构件、第二低热导接合构件、隔热套垫和螺栓，所述第一低热导接合构件的背面设有凹槽以及位于所述凹槽中的多条限位加强筋，所述低温板置于所述凹槽中并限定于所述多条限位加强筋之间，所述第二低热导接合构件与所述第一低热导接合构件通过螺钉固定连接并夹持所述低温板，所述第二低热导接合构件内嵌有螺母，所述螺栓穿过所述热端换热体与所述螺母连接，所述隔热套垫套设于所述螺栓并位于所述螺栓与所述热端换热体之间。
在其中一个实施例中，所述低温板上与半导体制冷单元非接合而且非用于与负载接合的表面敷设绝热材料。
附图说明
图1为半导体制冷低温板式冷源的结构示意图；
图2为热端换热体的分解结构示意图；
图3为热端换热体的截面示意图；
图4为储液器的分解结构示意图；
图5为低温板的制冷区域与半导体制冷单元对应示意图；
图6为低温板的两个不同制冷区域的横向热传导示意图；
图7为不同冷负荷负载工况低温板内部冷量传导示意图；
图8为低温板、半导体制冷单元、热端换热体、低热导接合构件的连接关系示意图；
图9为图8中A部分的放大示意图；
图10为套有垫片的螺栓的结构示意图；
图11为隔热套垫的结构示意图；
图12为电源及控制单元、半导体制冷单元、温度传感器的连接示意图；
图13为半导体制冷单元与低温板制冷区域相关示意图；
图14为用于调整电源及控制单元输出的温度-电压曲线图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
结合图1和图12，一种半导体制冷低温板式冷源，包括：
低温板1，其具有相对设置的受冷平面和供冷平面；
N个半导体制冷单元2(UTEC-1<\/sub>、UTEC-2<\/sub>、……、UTEC-N<\/sub>)，所述半导体制冷单元2具有冷端面和热端面，所述冷端面与所述低温板1的受冷平面接合,N为大于1的整数；
M个温度传感器3(NTC1<\/sub>、NTC2<\/sub>、……、NTCM<\/sub>)，所述温度传感器3设于所述低温板1的供冷平面，所述温度传感器3与至少一个所述半导体制冷单元2相对应，M为小于等于N的整数；
电源及控制单元4，其设有N个电压输出端，所述电压输出端与所述半导体制冷单元2一一对应连接，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元对应于同一温度传感器；所述电源及控制单元4与温度传感器3电性连接。电源及控制单元用于提供电源信号和控制信号。
上述半导体制冷低温板式冷源是由低温板1的供冷平面对外提供冷源；在应用于负载的受冷测试中，是将负载接合于半导体制冷低温板式冷源的低温板1的供冷平面，由半导体制冷低温板式冷源对负载提供低温恒温冷源；半导体制冷单元2产生的冷量通过接合以一定的冷流密度传导到低温板1，利用不同半导体制冷单元2在不同区域产生的冷流在低温板1进行汇聚，通过低温板1的供冷平面传导至负载，当然，低温板1的非负载接合部分会与环境同时进行热交换。
上述半导体制冷低温板式冷源作为一种电路硬件架构，在低温板1的受冷平面设置N个半导体制冷单元2进行分区供冷，在低温板1的供冷平面设置M个温度传感器3进行分区监控温度，而且通过电源及控制单元4分别控制N个半导体制冷单元2的输入电压，对应连接的电压输出端和半导体制冷单元2对应于同一温度传感器3；在应用中，上述半导体制冷低温板式冷源能被利用以N个温度传感器3的检测值作为电源及控制单元4调整M个电压输出端输出值的依据，调整M个半导体制冷单元2的输入电压大小，即电源及控制单元4在应用中用于根据温度传感器3的检测值调整电压输出端的输出值，以调整与温度传感器3相对应的半导体制冷单元2的输入电压，实时调节M个半导体制冷单元2的制冷量，使得在设定的温度点上，半导体制冷单元2产生的总冷流与输出负载端的冷流、低温板非负载接合部分消耗的冷流(与环境间热交换)达到动态平衡，从而能有效地实现低温板的供冷平面可以在不同冷负荷负载、不同环境温度、负载接合于供冷平面的不同位置的情况下，确保低温恒温。因此，上述半导体制冷低温板式冷源能有效地被利用来在负载受冷测试应用中实现低温恒温。
可见，上述半导体制冷低温板式冷源在应用中是采用分区冷量调节、冷量均衡控制的方式实现冷源低温恒温。
当然，上述半导体制冷低温板式冷源在应用于负载的受冷测试中实现恒温，是要基于半导体制冷单元2总产冷量大于负载总冷负荷及部分与环境空气间的换热冷量损失。
温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的设置原则为距离相近原则，半导体制冷单元2与距离最为相近的温度传感器3相对应,半导体制冷单元2是择一地与温度传感器3相对应。在实际的排布设置中，温度传感器3均匀地布设于所述低温板1的供冷平面，为优选的方式。在当N>M时，存在一个温度传感器3与多个半导体制冷单元2相对应。
温度传感器3与半导体制冷单元2的设置优选方式为：M＝N，温度传感器3与半导体制冷单元2一一相对应，温度传感器3与相对应半导体制冷单元2的冷端面的中心正相对。
温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的关系存储在电源及控制单元4中。当电源及控制单元4包括控制器和可控电源时，温度传感器3与半导体制冷单元2相对应的关系存储在控制器中。
在其中一些实施例中，上述半导体制冷单元2可以是半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)。半导体制冷器包括冷基板、热基板以及通过导流体连接于冷基板与热基板之间的P型电偶臂、N型电偶臂。在该方案中，冷基板、热基板的外表面分别作为上述半导体制冷单元2的冷端面和热端面。
在其中一些实施例中，为了更好地提高半导体制冷单元2的制冷量，所述半导体制冷单元2可以(图中未示出)包括电源连接端子、冷端板、热端板以及设于冷端板与热端板之间的若干个半导体制冷器，若干个半导体制冷器采用串联或并联连接方式连接后与电源连接端子连接，冷端板、热端板分别具有所述冷端面、热端面。若干个，指个数等于2或大于2。为保证每个半导体制冷器与冷端板、热端板的接合状态良好，半导体制冷器之间的厚度误差范围≤±0.02mm。P型电偶臂、N型电偶臂的材质为半导体热电材料，由于半导体热电材料电导率随温度单调减小，即TEC阻值随温度升高而增大，故对于TEC串联连接，电流相同，TEC阻值越大，TEC发热量I2<\/sup>Ri<\/sub>越大，TEC局部热端温升越高，导致TEC阻值进一步增大，从而形成恶性循环变化，因此，当半导体制冷单元2中若干个半导体制冷器串联连接，需满足该半导体制冷单元2的若干个半导体制冷器的阻值间绝对差值小于任意一个半导体制冷器的阻值的10％。以环境温度30℃、低温板1温度–20℃为例，半导体制冷器的冷热两端温差通常超过60℃，电偶臂高度越高温差越大，但造成内阻增大，产生的焦耳热大，会影响产冷量，兼顾半导体制冷器产冷量、温差，采用单级半导体制冷器，电偶臂最佳尺寸范围：高度1.9～3.0mm，截面边长1.2～4.5mm。
半导体制冷器冷端产冷量的计算如下：
Qc<\/sub>＝N(αp<\/sub>-αn<\/sub>)ITc<\/sub>-K(Th<\/sub>-Tc<\/sub>)-0.5I2<\/sup>Ri<\/sub>式①；
式①中N—p-n电偶对数；αp<\/sub>、αn<\/sub>—电偶臂材料塞贝克系数；I—输出电流；Ri<\/sub>—电阻； 申请码:申请号:CN201920050360.0 申请日:2019-01-08 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:44(广东) 授权编号:CN209445629U 授权时间:20190927 主分类号:F25B 21/02 专利分类号:F25B21/02 范畴分类:35D; 申请人:广东富信科技股份有限公司 第一申请人:广东富信科技股份有限公司 申请人地址:528000 广东省佛山市顺德高新区(容桂)科苑三路20号 发明人:高俊岭;甘平;刘康;卢汉华 第一发明人:高俊岭 当前权利人:广东富信科技股份有限公司 代理人:黄正奇 代理机构:44224 代理机构编号:广州华进联合专利商标代理有限公司 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计设计图
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