专利名称：大功率无液冷紧凑型恒温装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种恒温装置，特别是一种大功率无液冷紧凑型恒温 装置。 技术背景一般情况，许多光电器件都需要在恒定温度下或者较窄的温度范 围内工作，比如二极管激光器，随着工作温度变化，激光器输出激光的波长会发生漂移(一般为0.25 0.3 nm广C)，这种漂移对于此类 激光器的某些应用是不允许的，如用做固体激光器的泵浦源。因此， 需要控制二极管激光器的工作温度，尤其当环境温度在-40 55i:宽 范围内变化时，为激光二极管配置一套恒温装置是非常必要的，保证 激光器无论处于什么温度环境下都能使得二极管工作温度相对恒定， 使得输出激光波长稳定。制作恒温装置的一般传统方法是将光电器件1位于保温盒2内， 保温盒壁环绕的盘管3与制冷压縮机4相连，盘管内通有液体制冷剂， 为解决超低温(如-4(TC)下提高光电器件工作温度的问题， 一般在 恒温盒壁装有加热用电阻丝5。上述方法控温效果较好，效率较高，但恒温装置体积较大，结构 较为复杂，制作成本较高，且有液漏隐患。发明内容本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，弥补不足，提供
一种降温升温速度快，能够满足光电器件工作温度要求、结构紧凑、 无液漏隐患、无污染、成本低、性能良好的大功率无液冷紧凑型恒温装置。为了实现上述目的，本发明所涉及的大功率无液冷紧凑型恒温装置的技术方案是这样实现的:该装置由保温单元、半导体热电器件、 热容块、散热器、温度探测器、温度控制单元和开关电源组成。其特 征是，保温单元由保温盒和保温填充物构成，保温填充物设置在保温 盒内，半导体热电器件，热容块和被控温的光电器件安装在保温盒内 中央部位，并且均与保温填充物接触；保温单元的底部安装散热器， 半导体热电器件的下表面与散热器相连，热电器件上表面与热容块的 下表面相连，热容块的上表面直接与被控温的光电器件接触，温度探 测器直接贴覆在光电器件的外表面上，温度探测器的输出端与温度控 制单元连接，温度控制单元的输出端通过导线与开关电源连接，开关 电源的输出端通过导线与半导体热电器件的电极引出导线连接。光电 器件11的工作温度由温度探测器12探测后反馈到具有比例、积分、 微分调节(PID控制)功能的温度控制单元13，该单元自动将设定的 温度和实际温度进行比较、计算，输出相应控制信号，实时控制开关 电源14对热电器件8的制冷或制热功率。其特征是:半导体热电器件 8既可以制冷，又可以制热，在环境温度高于光电器件11的设定工作 温度时，热电器件产生制冷作用，在环境温度低于光电器件11的设 定工作温度时，热电器件产生制热作用，从而保证光电器件的工作温 度恒定。本发明所称的无液冷式恒温装置采用的制冷及加热作用的热电 器件(TEC) 8是一种特殊的半导体器件，由P型和N型半导体元件16及上下陶瓷覆铜基板15组成(见图3)， 17为TEC电极引出导线。 TEC借助直流电流中载流子的定向移动，将热量从热电器件的一侧陶 瓷基板移至另一侧陶瓷基板，实现了热电器件一面吸热一面放热的制 冷效应。若改变电极17电源极性，其产生的吸热、放热效应恰好相 反。这种器件具有可靠性高、稳定性好、制冷速度快、时间响应快、 控制性能好、体积小巧等优点。安装时可以采用单片、也可以采用多 片平铺或多层叠加的形式。TEC的制冷量或制热量与冷热两端的温差、以及电压电流大小有关，其选择应综合考虑光电器件的发热量、环境 温度等因素。本发明所称的无液冷式恒温装置中的温度控制单元13 (PID仪 表)具有的比例、积分、微分调节(PID控制)功能是指当被控对象 (即被控温的光电器件11)的实际工作温度与设定工作温度有差异 时，PID仪表将针对这个偏差大小及正负特性自动进行比例调节(即 输出控制量与偏差值大小成比例)、积分调节(即输出控制量与偏差 值的积分成正比)和微分调节(即输出控制量与偏差值随时间的变化 率成正比)，实时输出一个适当的控制信号控制开关电源14的输出功 率及输出极性，最后实现对温度无超调、无波动的控制。本发明所称的无液冷式恒温装置中的开关电源14是一种输出功 率可控的电源，并能根据PID仪表13的控制信号自动调节输出电压 极性和大小，以实现热电器件8的制冷或制热。本发明所称的无液冷式恒温装置中的热容块9起稳定光电器件 11的工作温度的作用当光电器件11的工作负荷发生不大的波动时， 热容块9可以抑制光电器件11因这种负荷变化而产生的工作温度的 波动，保持工作温度稳定。这种热容块可以采用紫铜板制作。
本发明所称的无液冷式恒温装置中的保温盒6对光电器件11起 保温绝热作用。 一般内外表面用铝板或钢板制作，夹层充填绝热发泡 剂或保温材料。本发明所称的无液冷式恒温装置中的填充物7是为了进一步增 强保温功效， 一般采用保温棉填充。本发明所称的无液冷式恒温装置中的散热器10的作用是将热电 器件8传递的光电器件11的热量散发到环境中。为了使热电器件8 能够高效率制冷或制热，必须尽量降低热电器件8冷热陶瓷基片15 的温差。因此，应尽量选择热阻较小的散热器。本发明所称的大功率无液冷紧凑型恒温装置，具有构思新颖、结 构紧凑、制冷制热量大、体积小巧、安装方便、无需液态制冷剂及压 縮机、无污染、制冷速度快、控制性能好、易于工业化批量生产等优 点；它可广泛用于光电领域中需要恒温工作的器件的控温，特别适宜 于需要有大的制冷指热的场合。
图1是传统压縮机型恒温装置示意图； 图2是本发明大功率无液冷式紧凑型恒温装置结构示意图； 图3是图2所示的大功率无液冷紧凑型恒温装置的半导体热电器件结构示意图。
具体实施方式
本发明所称的大功率无液冷紧凑型恒温装置的具体实施方式
结 合图2和图3叙述如下当二极管激光器11的最大激光输出功率为30W时，会同时释放 约40W的热量，如果此时环境温度为55°C， IO分钟内将二极管激光
器的工作温度降低至25°C，则还需要制冷量约20W,保温盒6散热约 10W，需要总制冷约70W。根据这个制冷量，我们选取3片(平铺的) 最大制冷量为120W的半导体热电器件8、热阻小于0. 05K/W的散热 器10 (注意当环境温度达到55°C，且散热器热阻小于0. 05K/W时， 每片半导体热电器件实际制冷量为25W)，保温盒6厚度12mm，内外 表面用铝板制作，其夹层充填绝热发泡济，保温盒6与激光器11之 间的空隙填充了保温棉7，热容块9的尺寸为80X90X15mm3。热电 器件8由最大电压24VDC可控开关电源14供电。如果环境温度较低，需要升高二极管激光器11工作温度，则PID 仪表13将使开关电源14输出的电压极性反向，热电器件8由制冷作 用变为制热作用，为二极管激光器ll加热。本发明所称的恒温装置，其半导体热电器件8，热容块9和被控 温的光电器件11安装在保温盒6内的中央部位，且均与保温盒6内 的保温填充物7接触，保温盒6 (即保温单元)的底部安装散热器10， 热电器件8的下表面与散热器10相连，其上表面与热容块9的下表 面相连，热容块9的上表面直接与光电器件11接触，温度探测器12 直接贴覆在光电器件11的外表面上，探测器12的输出端与温度控制 单元13连接，温度控制单元13的输出端通过导线与可控开关电源 14连接，开关电源14的输出端通过导线与半导体热电器件8的电极 引出线17连接。
权利要求
1、一种大功率无液冷紧凑型恒温装置，由保温单元、半导体热电器件(8)、热容块(9)、散热器(10)、温度探测器(12)、温度控制单元(13)和开关电源(14)组成。其特征是，保温单元由保温盒(6)和保温填充物(7)构成，保温填充物(7)设置在保温盒(6)内，半导体热电器件(8)，热容块(9)和被控温的光电器件(11)安装在保温盒(6)内中央部位，并且均与保温填充物(7)接触；保温单元的底部安装散热器(10)，半导体热电器件(8)的下表面与散热器(10)相连，热电器件(8)的上表面与热容块(9)的下表面相连，热容块(9)的上表面直接与被控温的光电器件(11)接触，温度探测器(12)直接贴覆在光电器件(11)的外表面上，温度探测器(12)的输出端与温度控制单元(13)连接，温度控制单元(13)的输出端通过导线与开关电源(14)连接，开关电源(14)的输出端通过导线与半导体热电器件(8)的电极引出导线(17)连接。
2、 根据权利要求1所述的大功率无液冷紧凑型恒温装置，其特 征是，保温盒(6)的内外表面采用铝板或钢板制作，其夹层充填绝 热发泡剂或保温材料，保温填充物(7)采用保温棉材料。
3、 根据权利要求1所述的大功率无液冷紧凑型恒温装置，其特 征是，半导体热电器件(8)的设置可以是单片，也可以采用多片平 铺或多层叠加的形式。
4、 根据权利要求1所述的大功率无液冷紧凑型恒温装置，其特 征是，温度控制单元(13)为具有比例、积分、微分调节功能的PID 仪表。
5、 根据权利要求1所述的大功率无液冷紧凑型恒温装置，其特 征是，开关电源(14)是一种输出功率可控的电源。
全文摘要
一种大功率无液冷紧凑型恒温装置，由保温单元、半导体热电器件、热容块、散热器、温度探测器、温度控制单元和开关电源组成。保温单元由保温盒和保温填充物构成，保温填充物设置在保温盒内，半导体热电器件，热容块和被控温的光电器件安装在保温盒内中央部位，并且均与保温填充物接触；温度探测器直接贴覆在光电器件的外表面上。本发明所称的大功率无液冷紧凑型恒温装置，具有构思新颖、结构紧凑、制冷制热量大、体积小巧、安装方便、无需液态制冷剂及压缩机、无污染、制冷速度快、控制性能好、易于工业化批量生产等优点；它可广泛用于光电领域中需要恒温工作的器件的控温，特别适宜于需要有大的制冷制热的场合。
文档编号G05D23/19GK101118104SQ20071005305
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者锋 王, 新 黄 申请人:武汉凌云光电科技有限责任公司