專利名稱：基于熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換裝置，具體是一種基于熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)，適用于嚴酷高低溫環(huán)境中電子信息裝備的溫度控制。
背景技術(shù)：
隨著電子信息裝備的微小型化，元器件的組裝密度和芯片的封裝集成密度愈來愈高，盡管功率不斷降低，但體積的縮小使得傳熱的熱流密度越來越大，導致系統(tǒng)局部溫升越來越大，制約了電子系統(tǒng)工作可靠性的提高。
將被控溫元器件如計算機CPU芯片、有源相控陣雷達天線的固態(tài)發(fā)射源的散熱、芯片高密度組裝的電子系統(tǒng)以及高效能激光器等的溫度控制在正常范圍內(nèi)一直是工程技術(shù)界追求的目標，傳統(tǒng)的換熱技術(shù)有風冷散熱、水冷散熱、熱管散熱等。風冷散熱器成本低散熱效果明顯，但由于有風道、體積大，不適滿足高密度組裝的或有屏蔽密封的熱控制對象的換熱，當環(huán)境溫度高于或低于元器件溫度時，對被控溫元器件沒有控溫能力。水冷散熱器比之風冷散熱的散熱效果好、系統(tǒng)沒風扇噪聲低，但其體積大，同樣不適用于高密度組裝被控溫對象。熱管散熱器具有熱傳導效果好、不耗電、重量輕的優(yōu)點，但因其導熱能力取決于毛細效應，一般長度10-20cm，不適合冷熱源間導熱路徑較長應用條件。近期出現(xiàn)的熱電換熱器、微通道換熱器與傳統(tǒng)的換熱技術(shù)相比，具有熱響應迅速、可靠性高、體積小無噪音、高低溫度均可控制和調(diào)整直流電源的電流方向即可升溫或降溫等優(yōu)點，適用于某些需要精確控制溫度或使用環(huán)境比較惡劣的場合。其最主要的缺點是性能系數(shù)低，耗電量大，使熱電換熱器的應用受到限制。
20世紀80年代，美國學者Tuckerman和Pease報道了一種微通道換熱結(jié)構(gòu)Tuckermann D.B.，Pease R.F.，“Optimized convective cooling using micromachinedstructure”，Journal of Electro-Chamical Society，1982，129(3)，98C，該結(jié)構(gòu)采用高導熱系數(shù)的材料(硅)制作而成，其換熱過程為在底面加上的熱量經(jīng)過通道壁傳導至通道內(nèi)，然后被強迫對流的液體(水)所帶走，其換熱性能超過傳統(tǒng)換熱技術(shù)所能達到的水平。近年來，中科院上海光學精密研究所研制了一種微通道冷卻熱沉，可應用于半導體激光器件及其列陣器件、大規(guī)模集成電路的散熱。
微通道結(jié)構(gòu)具有換熱能力強，適應了高熱流密度被控溫元器件封裝的需要，是一種能將電子元器件或芯片中的熱量帶走的高效換熱技術(shù)，且具有結(jié)構(gòu)與制造工藝簡單的優(yōu)點。其局限性在于僅通過微通道換熱器自身，尚不能解決較高溫度環(huán)境下的換熱問題，必須通過外加冷源來實現(xiàn)其高效的換熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有換熱技術(shù)之不足，提供一種基于熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)，使其具有高效換熱能力，能滿足電子信息產(chǎn)品在惡劣環(huán)境溫度條件下的換熱需要。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案包括控制驅(qū)動部分、執(zhí)行換熱部分和電源，所述控制驅(qū)動部分主要由溫度傳感器、主動控制器和兩個功率驅(qū)動器組成；所述執(zhí)行換熱部分主要由兩個微通道換熱器、被控溫元器件、熱電換熱器、風冷散熱器和微型水泵組成；所述主動控制器通過上述功率驅(qū)動器分別和微型水泵熱器電連接，并為其提供工作電壓；所述微通道換熱器一個與被控溫元器件固定為一體，另一個和風冷散熱器分別與熱電換熱器的兩個工作面固定，連通管從微型水泵引出，依次連通上述兩微通道換熱器，再回到微型水泵，形成換熱循環(huán)系統(tǒng)，在控制驅(qū)動部分控制下完成系統(tǒng)的換熱。
控制驅(qū)動部分的主動控制器包括數(shù)據(jù)采集器、處理器、控制信號輸出器和人機接口，其連接關(guān)系為數(shù)據(jù)采集器、處理器和控制信號輸出器依次連接；處理器與人機接口雙向連接；所述數(shù)據(jù)采集器由八個溫度-電壓變換器、模擬開關(guān)、運算放大器和A/D模數(shù)變換器組成；所述控制信號輸出器包括兩個輸出通道，即由“D/A-1——運算放大器”構(gòu)成的微型水泵通道和“D/A-2——運算放大器”構(gòu)成的熱電換熱器通道，這兩個通道分別與兩個功率驅(qū)動器相連；所述的人機接口包括鍵盤和液晶顯示器，鍵盤主要向處理器輸入設定的參數(shù)，液晶顯示器實時顯示系統(tǒng)運行的工作信息。所述處理器根據(jù)熱電換熱器的執(zhí)行電壓隨環(huán)境溫度變化的電壓控制律，對數(shù)據(jù)采集器送來的溫度數(shù)據(jù)量進行處理，生成對熱電換熱器的執(zhí)行電壓數(shù)字量Data，經(jīng)D/A-2數(shù)模轉(zhuǎn)換、運算放大器、功率放大器放大成熱電換熱器的執(zhí)行電壓，控制系統(tǒng)進行換熱。通過上述控制，可以使被控溫元器件工作溫度控制在10℃-60℃范圍，而熱電換熱器耗電量較小。
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明在同一換熱系統(tǒng)內(nèi)將熱電換熱技術(shù)和微通道換熱技術(shù)有機地集合起來，實現(xiàn)了兩者優(yōu)勢迭加，揚長補短，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有體積小、換熱效率高，可靠性高的優(yōu)點及制冷加熱的雙向換熱功能。根據(jù)實際換熱量和控制溫度控制的需要，采用電壓控制律對換熱系統(tǒng)進行控制，可在極其惡劣的環(huán)境溫度條件下，將被控溫元器件的溫度控制在10℃～60℃范圍，使熱電換熱器耗電量最小。本發(fā)明具有上述特點，可在以下領(lǐng)域得到廣泛應用1.本發(fā)明的微通道和微流體非常接近被控溫元器件，形成熱阻很小的傳熱途徑，因而傳熱效率很高，傳熱路徑的長短對傳熱量的影響很小，使用微通道換熱器及連通管實現(xiàn)微流體循環(huán)，可用于冷、熱源間的長距離熱傳輸，可適用于高低溫差較大、冷熱部位相距較遠，譬如太空環(huán)境下的電子信息裝備；加之體積非常?。幌捱m合有屏蔽密封要求而不易通過的長距離傳導換熱的場合；2.本發(fā)明換熱系統(tǒng)體積小，可靠性高，適用于高密度組裝部件的換熱；可安裝在產(chǎn)品關(guān)鍵部位如，多芯片高密度組裝，計算機CPU芯片，有源相控陣雷達天線的固態(tài)發(fā)射源，高效能激光器，磁盤存儲器、打印頭、噴墨頭、熱轉(zhuǎn)印頭等部位進行局部熱控制；3.本發(fā)明的熱電換熱器的電流方向決定升溫或降溫，調(diào)整電流方向可使工作部位的局部溫度低于或高于環(huán)境高溫，具有很強的熱環(huán)境適應性。特別適用于極惡劣環(huán)境溫度下電子信息裝備中關(guān)鍵元器件的熱控制；


圖1是本發(fā)明循環(huán)換熱系統(tǒng)構(gòu)成示意2是本發(fā)明執(zhí)行換熱部分的俯視示意3是本發(fā)明微通道換熱器構(gòu)造及裝配示意4是本發(fā)明溫度傳感器1安裝位置示意圖
圖5是本發(fā)明溫度傳感器2、3安裝位置示意6是本發(fā)明主動控制器組成框7是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集器組成框8是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集器溫度/電壓變換器電路9是本發(fā)明控制信號輸出器框10是本發(fā)明功率驅(qū)動器電路11是本發(fā)明處理器電壓控制信號流框12是正常開機工況下電壓控制律曲線，圖13是正常開機工況下被控溫元器件溫度變化曲線圖14是關(guān)機防凍工況下電壓控制律曲線圖15是關(guān)機防凍工況下被控溫元器件溫度變化曲線圖16是冷熱環(huán)境并存工況下電壓控制律曲線圖17是冷熱環(huán)境并存工況下被控溫元器件溫度變化曲線圖18是本發(fā)明控制系統(tǒng)流程圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和具體實施進行詳述。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明主要由控制驅(qū)動部分I、執(zhí)行換熱部分II和電源17構(gòu)成?？刂乞?qū)動部分I主要由溫度傳感器1、主動控制器2和功率驅(qū)動器3、4組成。執(zhí)行換熱部分II主要由兩個微通道換熱器6、風冷散熱器10和微型水泵7組成。主動控制器2通過功率驅(qū)動3、4分別和熱電換熱器9和微型水泵7進行電連接。溫度傳感器1的數(shù)量為四個，分別用來檢測被控溫元器件的溫度，熱電換熱器冷、熱端的溫度和檢測外界環(huán)境的溫度；圖中的A、B、C、D四個點為上述溫度傳感器的溫度采集點。溫度傳感器將采集的溫度數(shù)據(jù)送到主動控制器2進行處理，產(chǎn)生控制電壓信號，經(jīng)放大后由功率驅(qū)動器3、4輸送到微型水泵7和熱電換熱器9，驅(qū)動其工作。在上述圖中，一個微通道換熱器6，與被控溫元器件5固定為一體；另一個微通道換熱器6和風冷散熱器10分別固定在熱電換熱器9的兩個工作面上。為了減小接觸熱阻，在與熱電換熱器9的接觸面上均涂有導熱硅脂。連通管8從微型水泵7引出，依次連通上述兩微通道換熱器6，再連接到微型水泵7，形成換熱循環(huán)系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)運行可靠性以及盡可能減小體積，換熱部分的微型水泵7選用德國KNF公司生產(chǎn)的NF60KPDC型薄膜泵，它采用5V～24V直流電供電，最大流量為400ml/min，提供最大泵壓為100Kpa。通過調(diào)整泵的供電電壓來調(diào)節(jié)其流量，以改變連通管和微通道中水的流速。所述風冷散熱器10是用來強化熱電換熱器9與外界環(huán)境換熱的，本發(fā)明選用的風冷散熱器10為軸流式風冷散熱器，其散熱性能較好的。所述電源17為直流電源，可以為換熱系統(tǒng)提供±24V電壓。
參見圖2，在連通管8上連接有六個三通接頭11，用作換熱系統(tǒng)水溫和水壓的測試接口。其中，測量連通管水壓的三通接頭為四個，通過測量水壓控制水流速度。測量水溫的三通接頭為兩個，分別用于測量與熱電換熱器9相連接的微通道循環(huán)器6的出水和回水溫度。連通管8采用隔熱性能較好的軟管，如塑料管或硅膠管，以減小與外界環(huán)境的熱交換量。
參見圖3，本發(fā)明的兩個微通道換熱器6具有完全相同的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸。所述微通道換熱器6的材料為硬鋁合金，其結(jié)構(gòu)由換熱器基底12、一組微通道13、蓋板14組成。換熱器基底12和蓋板14用樹脂膠粘結(jié)成整體，具有密封性好、不怕水、強度高、耐高溫的特點。在微通道換熱器6的兩側(cè)邊開設有水介質(zhì)出/入口15，在出/入口15上各安裝一個微通道接頭16，在微通道接頭16中間有一園柱小孔，連通管8穿過此孔；所述出/入口15的一端與與微通道13連通，另一端則經(jīng)微通道接頭16與連通管8連通。構(gòu)成換熱水介質(zhì)的封閉循環(huán)通道。
參見圖4和圖5所示的溫度傳感器1的安裝位置，其中，一個溫度傳感器安裝在被控溫元器件5與微通道換熱器9之間，用以測量被控溫元器件的溫度；兩個溫度傳感器分別安裝在熱電換熱器9與微通道換熱器6之間和熱電換熱器與風冷散熱器10之間，用以測量熱電換熱器9冷、熱端的溫度；還有一個溫度傳感器置于換熱系統(tǒng)外(圖中未畫出)，用來實時測量外界環(huán)境溫度。本發(fā)明采用型號PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器，以滿足于本系統(tǒng)狹小空間的溫度測量。
參見圖6，本發(fā)明的主動控制器2主要由數(shù)據(jù)采集器、處理器、控制信號輸出器、人機接口組成。所述數(shù)據(jù)采集器是主動控制器2的前端，它與處理器和控制信號輸出器依次連接。處理器與人機接口雙向連接。
如圖7所示，所述數(shù)據(jù)采集器用于采集、轉(zhuǎn)換溫度傳感器1測量的溫度信息。其組成主要由多個溫度-電壓變換器、模擬開關(guān)、運算放大器和A/D模數(shù)變換器組成。為給溫度測量預留足夠的冗余量，設計了8路溫度-電壓變換器。由于溫度傳感器1采用的是鉑熱電阻，為了檢測的方便，由溫度/電壓變換器將鉑熱電阻表示溫度的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號，其電路如圖8所示。溫度/電壓變換器采用了差分輸入方式(OP07-1)，并進行了二次放大(OP07-2)，圖12中VCC為5V穩(wěn)壓源，Rt為溫度傳感器，R1～R4為精密電阻(R1＝5kΩ，R2＝100Ω，R3＝1kΩ，R4＝20kΩ)，R4為20kΩ電位器；當外界環(huán)境溫度為0℃時，Rt＝100Ω，使得運算放大器OP07-2在0℃輸出Vout1為0V。所有溫度信息溫度/電壓變換器處理生成的電壓信號，通過模擬開關(guān)ADG508進行通道選擇，再經(jīng)由運算放大器放大、A/D模數(shù)變換，便得到對應通道溫度的數(shù)字量，輸送給處理器處理。為了提高數(shù)據(jù)采集的精度，運算放大器選用了高精度、低溫漂型號為OP07的放大器，A/D選用了16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574。
參見圖9，控制信號輸出器包括兩個輸出通道，即“D/A-1——運算放大器”構(gòu)成的微型水泵通道和“D/A-2——運算放大器”構(gòu)成的熱電換熱器通道。這兩個通道分別與功率驅(qū)動器4、3相連。所述控制信號輸出器的主要功能是將從處理器送來的控制信號進行數(shù)模變換、放大成功率驅(qū)動器3和4的控制信號。由于本發(fā)明對微型水泵7的控制精度要求不太高，因此D/A-1選用了12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832，其控制精度可達24/212V(＜6mV)。在實際應用中，D/A-1輸出為定值，使微型水泵的執(zhí)行電壓也為定值，從而微通道中水的流速為常值。由于熱電換熱器9耗電量大，屬于關(guān)鍵被控對象，必須提高對其行電壓的控制精度，因此D/A-2選用了16位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC811。
所述人機接口與處理器為雙向連接。該人機接口包括鍵盤和液晶顯示器。鍵盤主要向處理器輸入系統(tǒng)設定參數(shù)，包括電壓控制律計算式及相應參數(shù)，工況設定，微通道的水流速等。鍵盤有十個數(shù)字鍵(0～9)、減號(“-”)、小數(shù)點(“.”)和四個熱鍵(F1～F4)共計十六個按鍵。液晶顯示器用于顯示系統(tǒng)工作信息，如環(huán)境溫度、被控溫元器件溫度、熱電換熱器冷熱端溫度和微通道水的流速等。
參見圖10，所述功率驅(qū)動器3、4是控制驅(qū)動部分I的重要組成部分，它為微型水泵7和熱電換熱器9提供電壓。其驅(qū)動電路選用型號為OPA541的放大器為功率放大器的主要器件，外圍只需少量元件就能滿足輸出要求(R6為10kΩ電阻，R7為50kΩ電位器，R8為0.1Ω/4W電阻)。OPA541實際上是一個大功率的運算放大器，在±10V～±40V的電源下工作，單路功率驅(qū)動器可以連續(xù)輸出5A的電流。而熱電換熱器9的執(zhí)行電壓有可能超過5A，因此需要由兩路功率驅(qū)動電路并聯(lián)驅(qū)動，以滿足熱電換熱器9的工作電流。
由于電子信息裝備元器件的可靠性與其工作溫度密切相關(guān)，當在極其惡劣的環(huán)境溫度下，通常要規(guī)定正常的溫度范圍如T*l～T*h，本系統(tǒng)的被控溫元器件5的正常工作溫度取T*l＝10℃，T*h＝60℃。由此，系統(tǒng)主動溫度控制目標是使被控溫元器件5的溫度滿足10℃～60℃。由于熱電換熱器9的突出缺陷是耗電量大，系統(tǒng)的基本控制策略是通過控制熱電換熱器9的執(zhí)行電壓，使被控溫對象達到溫度控制目標，且熱電換熱器耗電量盡可能小。本發(fā)明的主動控制主要通過主動控制器2的處理器完成。
參見圖11，處理器由芯片構(gòu)成，芯片型號為8031。處理器是主動控制器2的核心組件，它根據(jù)熱電換熱器9的執(zhí)行電壓隨外界環(huán)境溫度變化的曲線，即電壓控制律V＝C0+C1T∞+C2T∞2+......+CnT∞n對系統(tǒng)進行主動控制。式中，V為熱電換熱器9的執(zhí)行電壓，T∞為外界環(huán)境溫度，C0～Cn為外界環(huán)境溫度對應點擬合參贊數(shù)。處理器接收從數(shù)據(jù)采集器輸入的溫度信息，運用上述電壓控制律進行處理，產(chǎn)生執(zhí)行電壓控制量Data，經(jīng)過D/A-2的數(shù)模變換、運算放大器放大、再由功率放大器放大成驅(qū)動熱電換熱器9的執(zhí)行電壓。當系統(tǒng)所處的外界環(huán)境溫度較高時，被控溫元器件5需要制冷，處理器通過功率驅(qū)動器4向熱電換熱器9通以正向(在設計電路時設定)電壓，熱電換熱器9成為冷源，對與之連接的微通道換熱器6制冷，連通管8內(nèi)水介質(zhì)降溫，進而通過另一微通道換熱器6冷卻被控溫元器件5，使被控溫元器件5降溫至設定值。反之當環(huán)境溫度較低，被控溫元器件5工作溫度需要加熱時，給熱電換熱器9通以反向的電壓，熱電換熱器又成為熱源，經(jīng)過上述循環(huán)通道，被控溫元器件5亦被加熱，從而現(xiàn)完成系統(tǒng)的換熱。由于熱電換熱器9能根據(jù)電流方向的轉(zhuǎn)換，成為系統(tǒng)的熱源或冷源，本發(fā)明將其與微通道換熱器6組合為一個系統(tǒng)，熱電換熱器9為微通道換熱器6提供了冷源，使其能在較高的環(huán)境溫度下，有效地發(fā)揮其高效率換熱能力。
本發(fā)明進行主動控制的電壓控制律V＝C0+C1T∞+C2T∞2+......+CnT∞n可從以下實施例來獲得。
根據(jù)換熱循環(huán)系統(tǒng)可能所處的極惡劣的環(huán)境溫度，本發(fā)明優(yōu)選了外界環(huán)境溫度為-40℃～52℃的正常開機工況；外界環(huán)境溫度為-28℃～2℃的停機防凍工況；外界環(huán)境溫度為22℃、40℃～80℃的冷熱環(huán)境并存三種工況，在任一工況下，通過選擇不同的外界環(huán)境溫度點，控制被控溫元器件5的不同溫度，調(diào)整熱電換熱器9的執(zhí)行電壓，所得到的執(zhí)行電壓隨外界環(huán)境溫度變化的曲線中獲得電壓控制律。
在本發(fā)明的實施例中，用熱電模塊模擬熱電換熱器9，用高低溫恒溫箱模擬外界環(huán)境溫度。
實施例一，外界環(huán)境溫度為-40℃～52℃的正常開機工況下，求解電壓控制律。
通過仿真分析和實驗可知，當系統(tǒng)所處外界環(huán)境溫度較高時，被控溫元器件5需要制冷，以使其溫度達到正常的工作溫度范圍＜T*h，設定此時熱電模塊9施加以正向電壓；當外界環(huán)境溫度較低時，雖然被控溫元器件5發(fā)熱，但不足以使其達到最低的正常工作溫度T*l，這時被控溫元器件5需要被加熱，熱電模塊9被施加以反向電壓；這樣勢必存在一個溫度段(Tl～Th)，熱電模塊9不需要加電，被控溫元器件5的溫度就能夠處于正常工作溫度范圍內(nèi)(T*l～T*h)。由此，可將外界環(huán)境溫度T∞分為三段高溫段，Th＜T∞＜T*h，熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＞0；中溫段，Tl＜T∞＜Th，熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝0；低溫段，T*l＜T∞＜Tl，熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＜0。
1.選擇高溫段(Th＜T∞＜T*h)的電壓控制律的曲線擬和點(1)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞1＞Th且達到52℃時，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V，使V＝V1，使被控溫元器件5的溫度達到T*h；(60℃)(2)選擇系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞2＝Th+2(T∞1-Th)/3和T∞3＝Th+(T∞1-Th)/3為測試點，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V，分別使V＝V2和V＝V3時，恰好使被控溫元器件5的溫度達到約為T*h。(60℃)2.選擇中溫段(Th～Tl)的電壓控制律的曲線擬和點(1)熱電模塊13不加電，調(diào)整外界環(huán)境溫度，待系統(tǒng)穩(wěn)定約20分鐘后，監(jiān)測被控溫元器件5的溫度；當外界環(huán)境溫度為Th時，控制被控溫元器件5的溫度達到約為T*h(本系統(tǒng)取60℃)；(2)熱電模塊13不加電，調(diào)整外界環(huán)境溫度，待系統(tǒng)穩(wěn)定約20分鐘后，監(jiān)測被控溫元器5件溫度；當外界環(huán)境溫度為Tl時，控制被控溫元器件5的溫度達到約為T*l(本系統(tǒng)取10℃)。
3.選擇低溫段(T*l＜T∞＜Tl)的電壓控制律的曲線擬和點(1)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞4低達-40℃時，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V4，使被控溫元器件5溫度達到約為T*l；(10℃)(2)選擇系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞5＝T∞4+(Tl-T∞4)/3和T∞6＝T∞4+2(Tl-T∞4)/3為測試點，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V，分別使V＝V5和V＝V6時，使被控溫元器件5溫度達到約為T*l(10℃)。
參見圖12，從上述溫度段的擬和點數(shù)據(jù)得到熱電模塊9執(zhí)行電壓隨溫度變化的曲線，根據(jù)該曲線獲得本工況各溫度段的熱電模塊的電壓控制律為高溫段V=C0h+C1hT∞+C2hT∞2+C3hT∞3---(1)]]>中溫段V＝0(2)低溫段V=C0l+C1lT∞+C2lT∞2+C3lT∞3---(3)]]>用上述測量數(shù)據(jù)Th、Tl、T∞1-T∞6、V1-V6分別對高溫段和低溫段建立曲線擬合參數(shù)求解方程高溫段1ThTh2Th31T∞1T∞12T∞131T∞2T∞22T∞231T∞3T∞32T∞33C0hC1hC2hC3h=0V1V2V3---(4)]]>低溫段
1TlTl2Tl31T∞4T∞42T∞431T∞5T∞52T∞531T∞6T∞62T∞63C0lC1lC2lC3l=0V4V5V6---(5)]]>根據(jù)式(4)，得到高溫段式(1)中各參數(shù)為C0h＝-4183.699999，C1h＝264.791667，C2h＝-5.6000，C3h＝0.039583根據(jù)式(5)，得到低溫段式(3)中各參數(shù)為C0l＝8.515375，C1l＝1.170832，C2l＝0.027183，C3l＝0.000247參見圖13，在本工況電壓控制律控制下，在高溫段，被控元器件5的溫度被控制在60℃左右；在低度溫段，被子控元器件5的溫度被控制在10℃左右；在中溫段不加電時，被控溫元器件的工作溫度從10℃到60℃范圍有上升；但都有效地控制在≤60℃范圍。
實施例二，外界環(huán)境溫度為-28℃～2℃的關(guān)機防凍工況，求解電壓控制律。選定本環(huán)境溫度范圍內(nèi)的以下測量點為熱電模塊電壓控制律曲線擬和點(1)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞1達到2℃時，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V1，控制被控溫元器件5(模擬熱源)溫度達到約10℃(即T*l)；(2)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞2達到-8℃時，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V2，使被控溫元器件5(模擬熱源)溫度達到約10℃(即T*l)；(3)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞3達到-18℃時，調(diào)整熱電模塊的執(zhí)行電壓V＝V3，使被控溫元器件8(模擬熱源)溫度達到約10℃(即T*l)；(4)當系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度T∞4達到-28℃時，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V4，使被控溫元器件5(模擬熱源)溫度達到約10℃(即T*l)。
參見圖14，從上述溫度擬和點數(shù)據(jù)得到熱電模塊9執(zhí)行電壓隨溫度變化的曲線，根據(jù)該曲線獲得本工況熱電模塊的電壓控制律為V=C0+C1T∞+C2T∞2+C3T∞3---(6)]]>根據(jù)曲線擬合參數(shù)求解方程，求得式(6)中各參數(shù)為C0＝-1.378400，C1＝0.643267，C2＝0.022200，C3＝0.000383由圖15所示，運用本工況電壓控制律，在當外界環(huán)境溫度變化時，控制熱電模塊9的電壓，可有效控制被控溫元器件5溫度在10℃左右。
實施例三，被控溫元器件5工作在高溫環(huán)境40℃～80℃，散熱部件在較低溫度22℃的冷熱環(huán)境并存工況下，求解電壓控制律。
將被控溫元器件5及與之固定一起的微通道換熱器6放置到模擬熱環(huán)境——高低溫恒溫箱中，溫度調(diào)節(jié)范圍為40℃～80℃；而微型水泵7、熱電模塊9及與其連接的微通道換熱器6放置在高低溫恒溫箱外(即處于溫度為22℃的室溫條件)。選定以下測量點來獲得熱電模塊的電壓控制曲線擬和點。
(1)熱電模塊9不加電(V1＝0)，從40℃開始逐步升高恒溫箱溫度到T∞1(本系統(tǒng)為72℃)時，控制被控溫元器件5溫度約為T*h；(2)當恒溫箱溫度T∞2＝(80+T∞1)/2(本系統(tǒng)為76℃)時，控制被控溫元器件5溫度達到T*h，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V2；
(3)當恒溫箱溫度T∞3達到80℃時，使被控溫元器件5溫度達到T*h，調(diào)整熱電模塊9的執(zhí)行電壓V＝V3。
參見圖16，從上述擬和點的數(shù)據(jù)得到熱電模塊9執(zhí)行電壓隨溫度變化的曲線，根據(jù)該曲線獲得本工況各溫度段的熱電模塊的電壓控制律為40℃＜T∞＜＝T∞1V＝0 (7)T∞1＜T∞＜80℃V=C0+C1T∞+C2T∞2---(8)]]>根據(jù)曲線擬合參數(shù)求解方程，求得式(8)中各參數(shù)為C0＝642.600，C1＝17.925，C2＝0.125參見圖17的曲線，在本工況電壓控制律控制下，在不加電或加電時，被控溫元器件5的工作溫度都有效地控制在≤60℃范圍。
在第一和第三實施例中，都有一個很寬的溫度段熱電模塊9不加電壓，但被控溫元器件5溫度仍在控制范圍內(nèi)波動。只在當被控溫元器件5的溫度接近于10℃或60℃時，才加電壓進行控制，這就大大降低了熱電模塊9的耗電量。
綜合上述各實施例所得到的電壓控制律，可以得到電壓控制律的通式V＝C0+C1T∞+C2T∞2+......+CnT∞n。本發(fā)明將從上述實施例中獲得的熱電模塊9的電壓控制律用于控制熱電換熱器9的執(zhí)行電壓，可以實現(xiàn)換熱系統(tǒng)在上述各工況下，將被控溫元器件5的溫度控制在10℃～60℃范圍，使熱電換熱器9的耗電量最小。毋庸置疑，本發(fā)明提供的求解電壓控制律的實施決不局限于所述的三種工況，同樣被控溫元器件5溫度控制也不局限于10℃～60℃范圍，凡是采用本發(fā)明求解電壓控制律的構(gòu)思所設定的其它工況及被控溫元器件5的其它溫度范圍都應在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
參見圖18，對換熱系統(tǒng)的主動控制過程按以下步驟進行第1步接通電源17，換熱系統(tǒng)開始運行；第2步系統(tǒng)初始化，主要是模擬開關(guān)、鍵盤以及液晶顯示器等硬件接口的初始化；第3步通過鍵盤設定并輸入微通道中水的流速、系統(tǒng)工況及各工況下的電壓控制律等參數(shù)；第4步根據(jù)設定微通道中水的流速向D/A-1送值，控制微型水泵7的執(zhí)行電壓；第5步判定系統(tǒng)的所處的工況，Case＝1表示系統(tǒng)工作在正常開機工況；Case＝2表示系統(tǒng)工作在關(guān)機防凍工況；Case＝3表示系統(tǒng)工作在冷熱環(huán)境并存工況。這一步主要是根據(jù)第3步的設定來確定系統(tǒng)工作流程的方向。
第6步根據(jù)工況不同，設有三個控制分支第一分支Case＝1，進入正常開機工況的控制過程；第二分支Case＝2，進入關(guān)機防凍工況的控制過程；第三分支Case＝3，進入冷熱環(huán)境并存工況的控制過程；針對三種不同工況下，處理器分別采用各工況電壓控制律計算熱電換熱器9的執(zhí)行電壓數(shù)字量V；第7步根據(jù)式v＝V/(k1·k2)計算得到v(式中，v為D/A-2將Data轉(zhuǎn)換后的電壓值，k1為運算放大器放大倍數(shù)，k2為功率放大器的放大倍數(shù))；第8步根據(jù)v與Data之間的對應關(guān)系，得到控制信號Data輸出給D/A-2；(經(jīng)過D/A變換、運算放大器放大和功率驅(qū)動器驅(qū)動生成執(zhí)行電壓的模擬量V)第9步掃描鍵盤判斷是否結(jié)束工作，‘是’轉(zhuǎn)向第10步，‘否’轉(zhuǎn)向第5步；第10步控制結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種基于熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)，包括控制驅(qū)動部分(I)、換熱部分(II)和電源(17)，其特征在于控制驅(qū)動部分(I)主要由溫度傳感器(1)、主動控制器(2)和功率驅(qū)動器(3)、(4)組成；執(zhí)行換熱部分(II)主要由被控溫元器件(5)、兩個微通道換熱器(6)、熱電換熱器(9)、風冷散熱器(10)和微型水泵(7)組成；所述主動控制器(2)通過功率驅(qū)動器(3)、(4)分別和微型水泵(7)、熱電換熱器(9)電連接并為其提供工作電壓；所述一個微通道換熱器(6)與被控溫元器件(5)固定為一體，另一個微通道換熱器(6)和風冷散熱器(10)分別與熱電換熱器(9)的兩個工作面固定；連通管(8)從微型水泵(7)引出，依次連通上述兩微通道換熱器(6)，再連接到微型水泵(8)，形成換熱循環(huán)系統(tǒng)，在控制驅(qū)動部分(I)的控制下完成系統(tǒng)的換熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述連通管(8)上連接有六個三通接頭(11)，用作換熱系統(tǒng)水溫和水壓的測試接口，其中，四個三通接頭用于測量水壓；兩個三通接頭用于測量水溫；連通管(8)可采用隔熱性能較好的軟管，以減小與外界環(huán)境的熱交換量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述微通道換熱器(6)由換熱器基底(12)、一組微通道(13)、蓋板(14)組成，所述換熱器基底(12)和蓋板(14)用樹脂膠粘結(jié)成整體；在微通道換熱器(6)的兩側(cè)邊開設有水介質(zhì)出/入口(15)，在出/入口(15)上各安裝一個微通道接頭(16)，所述微通道接頭(16)中間有一園柱小孔，連通管(8)穿過此孔；所述出/入口(15)的一端與與微通道(13)連通，另一端經(jīng)微通道接頭(16)與連通管(8)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述溫度傳感器(1)設有四個，其中一個溫度傳感器裝在被控溫元器件(5)與微通道換熱器(6)之間，用以測量被控溫元器件的溫度；兩個溫度傳感器分別固定在熱電換熱器(9)與微通道換熱器(6)及與風冷散熱器(10)之間，用以測量熱電換熱器(9)冷、熱端的溫度；還有一個溫度傳感器置于換熱系統(tǒng)外，用于測量外界環(huán)境溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述主動控制器(2)主要由數(shù)據(jù)采集器、處理器、控制信號輸出器和人機接口組成，所述數(shù)據(jù)采集器、處理器、控制信號輸出器依次連接；處理器和人機接口為雙向連接。
6.限據(jù)權(quán)利要求5所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集器由溫度-電壓變換器、模擬開關(guān)、運算放大器和A/D模數(shù)變換器組成，主要用于采集、轉(zhuǎn)換溫度信息；所述處理器主要由芯片構(gòu)成；所述控制信號輸出器將處理器生成的送來的信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，它包括兩個輸出通道，即“D/A-1——運算放大器”構(gòu)成的微型水泵通道和“D/A-2——運算放大器”構(gòu)成的熱電換熱器通道，這兩個通道分別與功率驅(qū)動器(4)、(3)相連；所述的人機接口包括鍵盤和液晶顯示，鍵盤主要輸入系統(tǒng)的設定參數(shù)，液晶顯示用于實時顯示系統(tǒng)運行的工作信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述處理器根據(jù)電壓控制律V=C0+C1T∞+C2T∞2+......+CnT∞n]]>對對數(shù)據(jù)采集器送來溫度信息進行處理，生成對熱電換熱器(9)的執(zhí)行電壓數(shù)字量Data，經(jīng)D/A-2數(shù)模轉(zhuǎn)換，運算放大器、功率放大器依次放大成熱電換熱器的執(zhí)行電壓，控制系統(tǒng)進行換熱，式中，V為執(zhí)行電壓；T∞為外界環(huán)境溫度；C0～Cn為各環(huán)境溫度點曲線擬合對應參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的循環(huán)換熱系統(tǒng)，其特征在于所述電壓控制律可分別從外界環(huán)境溫度為-40℃～52℃的正常開機工況；外界環(huán)境溫度為-28℃～2℃的停機防凍工況；外界環(huán)境溫度為22℃、40℃～80℃的冷熱環(huán)境并存三種工況的任一工況下，通過選擇不同的環(huán)境溫度點、控制被控溫元器件(5)的不同溫度點和調(diào)整熱電換熱器(9)的執(zhí)行電壓所得到的執(zhí)行電壓隨外界環(huán)境溫度變化的曲線中獲得。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于熱電主動控制的微通道循環(huán)換熱系統(tǒng)，包括控制驅(qū)動部分、執(zhí)行換熱部分和電源。控制驅(qū)動部分主要由四個溫度傳感器、主動控制器和兩個功率驅(qū)動器組成；執(zhí)行換熱部分主要由兩個微通道換熱器、被控溫元器件、熱電換熱器、風冷散熱器和微型水泵組成。所述主動控制器通過兩個功率驅(qū)動器分別和微型水泵、熱電換熱器電連接。并運用電壓控制器控制熱電換熱器的執(zhí)行電壓，當系統(tǒng)處于－40℃～52℃或－28℃～2℃或被控溫元器件處于40℃～80℃，散熱部件處于22℃環(huán)境溫度，可控制被控溫元器件溫度為10℃～60℃。本發(fā)明體積小、換熱效率高、可靠性高，可用于極惡劣溫度環(huán)境中高密度信息裝置換熱。
文檔編號G12B15/00GK1589094SQ200410073038
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月30日
發(fā)明者賈建援, 王衛(wèi)東, 王洪喜, 張大興, 黃新波, 劉煥玲 申請人:西安電子科技大學