一种舰船用半导体热堆精密控温系统的制作方法

1.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宽环境条件的舰（船）载光电设备和数据机房提供精密控温的系统。


背景技术：

2.舰船光电设备、数据机房等，都有全天候、宽环境条件稳定可靠工作的基本需求，并具有高热流密度、热负荷频繁变化的特点，需要控温装置响应速度快、温控精度高。相关被控设备不仅需要供冷，在寒冷气候条件工作或冷启动时也需要供热，某些特种装备甚至要求很高的温度控制精度和响应速率，以提高其工作的稳定性、可靠性、准确性、机动性和效率。
3.最常使用的是以蒸气压缩式制冷系统为冷热源的精密控温系统，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；易损件多，影响环控设备的可靠性和维修性。
4.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（制热）量调节范围宽，小到红外装置的微瓦级，大至光刻机和晶圆加工设备的万瓦级，3级半导体热堆的制冷温度可达
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80℃，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，在小冷量应用场合优势明显。
5.限制半导体热电制冷技术广泛应用的最大障碍是能效比较低（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所示为常规水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负荷转移至热堆b端（1b），然后释放给环境（冷却水），这类水冷半导体热电制冷系统的制冷能效比通常在0.5～0.9，是相当温区蒸气压缩式制冷系统能效比的30～50%左右。


技术实现要素：

6.根据舰船光电设备、数据机房等热控需求，为了在
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50～70℃的宽环境温度范围内实现局部环境温度的精确控制，保证被控对象安全、可靠、稳定、高效和准确地运行，本发明提供一种长寿命、高可靠性、控温精度高、启动快捷、制冷制热切换便捷、响应性好的舰船用半导体热堆精密控温系统。
7.一种舰船用半导体热堆精密控温系统，包括半导体热堆1、储液器2、供液泵p1、三通阀6、换热器7、供液泵p1、循环泵p2、冷却水泵p3及连接管路和负载，所述精密控温系统以半导体热堆1为冷热源，设置三通阀6与换热器7的第一换热管簇71构成自然冷却支路，利用第一循环液与低温海水的自然温差传热实现节能；所述精密控温系统以半导体热堆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，经供液泵p1通过供液管3连接到热控用户的第一负载41和第二负载42，完成与热控用户热交换的第一循环液通过回液管5进入三通阀6入口，所述三通阀6的第一出口连接热堆a端1a入口，所述三通阀6的第二出口通过换热器7的第一换热管簇71连通热堆a端1a入口；第二循环液工作环路：由热堆b端1b、换热器7的第二换热管簇72和循环泵p2依次连接构成闭合环路；所述换热器7为壳管式换热器，其壳程以海水为冷却介质，壳管内的换热管包括第一换热管簇71和第二换热管簇72两部分；所述第一循环液、第二循环液是适合低温环境的乙二醇溶液；如工作环境不存在冻结风险，则采用纯净水或去离子水；所述冷却水泵p3为变频泵；所述精密控温系统具有制冷和制热二种工况，制冷工况半导体热堆1正向供电，热堆a端1a为冷端，热堆b端1b为热端；制热工况半导体热堆1逆向供电，热堆a端1a为热端，热堆b端1b为冷端；所述热控系统共构成四个工作模式，分别为热电制冷、自然冷却 热电制冷、自然冷却和热电制热工作模式，为在
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50～70℃宽温带气候条件工作的设备提供精确的温度控制。
8.一种舰船用半导体热堆精密控温系统的控制方法，在满足制冷工况判定条件回液温度t3 ≥ 设计供液温度ts，同时又满足回液温度t3 > 冷却水温度t2的条件下，优先利用换热器7第一换热管簇71构成的自然冷却支路释放热量，实现所述精密控温系统节能运行；所述精密控温系统的四个工作模式的控制操作如下：所述热电制冷工作模式：在满足冷却水温度t2 ≥回液温度t3 ≥设计供液温度 ts的条件下，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆a端1a完成放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液由循环泵p2驱动在闭合环路循环，在热堆b端1b吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热；所述自然冷却 热电制冷工作模式：在满足回液温度t3 > 冷却水温度t2、且热堆a端1a进口温度t4 > 设计供液温度ts的条件下，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第二出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6首先进入换热器7的第一换热管簇71放热，然后进入热堆a端1a继续放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液受循环泵p2驱动在闭合环路循环，在热堆b端1b吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热；如半导体热堆1的供电电能减小至零，即满足热堆a端1a进口温度t4 = 设计供液温度ts的条件，则进入自然冷却工作模式；所述自然冷却工作模式：半导体热堆1停止供电，循环泵p2停止运行，三通阀6的第
二出口导通，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入换热器7的第一换热管簇71完成放热降温，经过热堆a端1a返回储液器2，调节冷却水泵p3的流量，精确调节通过换热器7的第一换热管簇71的放热量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；所述制热工作模式：在满足回液温度t3 < 设计供液温度ts的条件下，半导体热堆1切换为逆向供电，热堆a端1a为热端、热堆b端1b为冷端，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆a端1a完成吸热升温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1制热量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液在循环泵p2的驱动下在闭合环路循环，在热堆b端1b放热，在换热器7的第二换热管簇72从冷却水中吸热。
9.与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：1、本发明将半导体热电制冷技术和自然冷却节能技术一体化，构建成具有半导体热电制冷、自然冷却 热电制冷、自然冷却和半导体制热四种工作模式的复合型精密控温系统，精确控制半导体热堆供电能量（自然冷却工作模式时精确控制冷却水流量），实现全天候、宽温带（
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50～70℃）精密温度控制和系统节能运行，为热控对象稳定、可靠、准确、高效工作提供必要的技术条件。
10.2、本发明设置了受三通阀控制通、断的“换热器7的第一换热管簇71”自然冷却换热支路，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却（以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷），由附图3可知，在海水温度低于24℃的较宽区间都可以运行自然冷却实现节能；同时，半导体制热效率（1.5～1.9之间）远高于电加热≤1.0的能效，并有安全、可靠和应用便捷的优点，在冷热双供的应用场合优势明显；因此，在安全性、可靠性、机动性、安装性、维修性要求高的应用场合，不仅具有技术优势，节能性也较好。
11.3、本发明以海水为冷却介质，海水的温度变化范围较小（
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2～30℃），相对舰船广阔活动范围的外部空气环境温度变化较小，与采用空气作为冷却介质相比，半导体热电制冷（制热）系统有较高的热效率。采用半导体热堆作为人工冷热源的控温范围宽，制冷、供热切换便捷，热延迟远小于蒸气压缩制冷系统，具有结构简单、体积质量小、安装方便、可靠性高、长寿命、使用灵活方便、操作维护性好等特点。
12.4、本发明可以实现自动运行、远程监控和人机通讯和互动，且半导体热堆无需维护，利于实现无人值守。应用于舰船电子仓室、数据机房和岛屿的光电、磁电和微波设备的温度精密控制有一定的技术优势。
附图说明
13.图1为本发明的结构原理方框图。
14.图2为常规水冷半导体热堆控温系统结构原理方框图。
15.图3为本发明的工作模式与海水温区适配示意图。
16.图4为热堆制热电功率与低温热源海水温度的变化关系示意图。
17.图1
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2中标号：半导体热堆1、热堆a端1a、热堆b端1b、储液箱2、供液管3、第一负载41、第二负载42、回液管5、三通阀6、换热器7、第一换热管簇71、第二换热管簇72、供液泵p1、循环泵p2、冷却水泵p3、供液温度t1、海水温度t2、回液温度t3、热堆a端入口温度t4、冷却水排口p、冷却水进口j。
具体实施方式
18.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例
19.参见图1，本实施例一种舰船用半导体热堆精密控温系统，包括：半导体热堆1、储液器2、供液泵p1、三通阀6、换热器7、供液泵p1、循环泵p2、冷却水泵p3及连接管路和负载。所述精密控温系统以半导体热堆1为冷热源，设置三通阀6，三通阀6的第二出口与换热器7的第一换热管簇71构成自然冷却支路，利用第一循环液与低温海水的自然温差实现传热。冷却水泵p3为变频泵。
20.本实施例液冷源系统以半导体热堆1为核心器件——冷热源，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，以第一循环液和第二循环液为载体并通过二个循环流动，完成热量的交换与转移。
21.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，经供液泵p1后通过供液管3连接到热控用户的第一负载41和第二负载42，完成与热控用户热交换的第一循环液通过回液管5进入三通阀6入口，所述三通阀6的第一出口连接热堆a端1a入口，所述三通阀6的第二出口通过换热器7的第一换热管簇71连通着热堆a端1a入口。
22.第二循环液工作环路：由热堆b端1b、换热器7的第二换热管簇72和循环泵p2依次连接构成闭合环路。
23.换热器7为壳管式换热器，其壳程以海水为冷却介质，壳管内的换热管包括第一换热管簇71和第二换热管簇72两部分。第一换热管簇71的管内流动工质为第一循环液，第二换热管簇72的管内流动工质为第二循环液；第一循环液、第二循环液为适合低温环境的载冷剂乙二醇溶液，如工作环境不存在冻结风险，则采用纯净水或去离子水。与乙二醇溶液相比纯净水或去离子水的流动性相对较好，具有流动阻力小、传热系数较大、体积流量较小、腐蚀性较小的优点。循环液的选择依据是：1）在工作温度范围具有良好的流动性，不凝固；2）具有较大的比热容；3）传热性能好；4）具有防腐性等其他性能要求。
24.本实施例精密控温系统的工作温区为
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50～70℃，为舰（船）载微波设备和计算机房提供局部环境控制，第一循环液的允许供液温度范围为5～30℃，被控对象最佳工作环境温度为26
±
1.0℃。
25.本实施例精密控温系统安装在舰船的机舱内，所有流通管路设置绝热保护，不直接暴露于外界，但出于安全考虑，第一循环液和第二循环液均采用体积浓度45%的乙二醇水溶液。
26.设：供液温度为t1、冷却水温度为t2、回液温度为t3、热堆a端1a进口温度为t4、设计供液温度为ts；
本实施例精密控温系统具有制冷和制热二种工况，制冷工况半导体热堆1正向供电，热堆a端1a为冷端，热堆b端1b为热端；制热工况半导体热堆1逆向供电，热堆a端1a为热端，热堆b端1b为冷端。
27.精密控温系统共构成四个工作模式，分别为热电制冷、自然冷却 热电制冷、自然冷却和热电制热工作模式，为在
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50～70℃宽温带气候条件工作的设备提供精确的温度控制。
28.本实施例一种舰船用半导体热堆精密控温系统的控制方法，在满足制冷工况判定条件回液温度t3 ≥ 设计供液温度ts，同时又满足回液温度t3 > 冷却水温度t2的条件下，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却，以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷，实现精密控温系统节能运行；参见图3，图中的实线为半导体热堆的制冷量，虚线为半导体热堆的耗电量，点划线为被控对象的热负荷，设额定工况被控对象热负荷恒定。结合液冷源系统的四个工作模式的控制操作及能量匹配情况，描述和分析如下：热电制冷工作模式：在满足冷却水温度t2 ≥回液温度t3 ≥设计供液温度 ts的条件下，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆a端1a完成放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液由循环泵p2驱动在闭合环路循环，在热堆b端1b吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热。参见图3，在热电制冷工作模式区间，半导体热堆的制冷量等于热负荷，随着海水温度下降，热电制冷的热效率上升，半导体热堆1的电功率平缓下降。
29.自然冷却 热电制冷工作模式：在满足回液温度t3 > 冷却水温度t2、且热堆a端1a进口温度t4 > 设计供液温度ts的条件下，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第二出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6首先进入换热器7的第一换热管簇71放热，然后进入热堆a端1a继续放热降温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1的制冷量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液受第二液泵p2驱动在闭合环路循环，在热堆b端1b吸热，在换热器7的第二换热管簇72放热。
30.参见图3，在自然冷却 热电制冷工作模式区间，由于自然冷却释放了部分热负荷，热电制冷只需弥补自然冷却的制冷量不足部分，自然冷却和热电制冷的放热量总和等于第一负载41与第二负载42的热负荷之和。随着海水温度的逐渐下降，第一循环液与海水的传热温差逐渐增大，自然冷却的放热量逐渐增大，热电制冷的制冷量需求逐渐减小，半导体热堆的电功率对应逐渐减小，直至为零，该时精密控温系统的电能消耗仅为泵的功率之和。
31.如半导体热堆1的供电电能减小至零，即满足热堆a端1a进口温度t4 = 设计供液温度ts的条件，则进入自然冷却工作模式。
32.自然冷却工作模式：半导体热堆1停止供电，循环泵p2停止运行，三通阀6第二出口导通，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液
管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入换热器7的第一换热管簇71完成放热降温，经过热堆a端1a返回储液器2，调节冷却水泵p3的流量，精确调节通过换热器7的第一换热管簇71的放热量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts。
33.参见图3，在自然冷却工作模式区间，半导体热堆停止工作电能消耗为零；随着海水温度的逐渐下降，自然冷却的传热温差逐渐增大，因此通过精确调节冷却水泵p3的转速（流量），控制自然冷却的放热量，实现精密控温系统供液温度的精确控制；在自然冷却工作模式中，精密控温系统中只有冷却水泵p3和供液泵p1运行，节能效果显著。
34.本发明设置了受三通阀6控制通、断的“换热器7的第一换热管簇71”，本文称为“自然冷却
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换热支路，目的是在满足回液温度t3 > 环境温度t2的条件下，优先利用低温海水与第一循环液的天然温差实现自然冷却，即以低温海水为自然冷源，低成本转移被控对象的热负荷，由图3可知，自然冷却 热电制冷和自然冷却二个工作模式都具备自然冷却的节能功能。舰船的活动范围广阔，外界气温变化范围大，但海水温度相对稳定，在合适的温度范围作为自然冷却的低温冷源节能潜力大。
35.制热工作模式：在满足回液温度t3 < 设计供液温度ts的条件下，半导体热堆1切换为逆向供电，热堆a端1a为热端、热堆b端1b为冷端，冷却水泵p3运行，三通阀6导通第一出口，温度为设计供液温度ts的第一循环液受第一液泵p1的驱动从储液器2流出，通过供液管3分流给第一负载41和第二负载42，完成热交换温度为t3的第一循环液经回液管5收集，通过三通阀6进入热堆a端1a完成吸热升温返回储液器2，调节半导体热堆1的供电电能大小，精确调节半导体热堆1制热量，实现供液温度t1 = 设计供液温度ts；第二循环液在循环泵p2的驱动下在闭合环路循环，在热堆b端1b放热，在换热器7的第二换热管簇72从冷却水中吸热。半导体制热效率通常在1.5～1.9范围，远高于电加热器的能效，并有安全、可靠和应用便捷的优点。图4为半导体热堆制热电功率与低温热源海水温度的变化关系示意图。
36.在低温或寒冷气候条件下，为确保被控对象稳定、可靠、准确、高效工作，精密控温系统必须创造适宜的微环境，目前微波等光电设备的环控系统普遍采用电加热器供热，电加热器的能效恒小于1，电加热器必须严格谨防过热、过流等情况发生。单级半导体热堆制热在高低温温差50℃时的能效在1.5～1.9范围，无过热、过流等风险，而且制热与制冷切换只需改变供电方向，简便、快捷；半导体热堆用于冷热双供、一机双效场合，不仅有一机两用、高效节能的功效，而且节省安装空间和设备总重量。
37.对于微波等光电设备和计算机系统，正常运行时热负荷较大，在低温季节通常不需要供热或供热量需求很小，但是在待机状态或冷启动时，为了保证快速启动、快速进入工作或战备状态，必须可靠、快捷、准确的达到设定温度，快速供热是必须的。
38.制冷（制热）量在万瓦级以下，尤其是小冷量应用等场合，应用半导体热电制冷（制热）技术及其控温系统具有独特的技术优势和便利。
39.本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。