一种智能微型半导体高低温箱的制作方法

本发明涉及一种智能微型半导体高低温箱，属于高低温箱智能化控制技术领域。

背景技术：

高低温箱适用于工业产品高温、低温的可靠性试验，用于工业生产的高低温箱包括采用电阻丝加热的加热系统、对制冷剂进行压缩和蒸发的制冷系统、以及相应的电路及温控系统，一般比较笨重，不具有便携性；对于一些应用场合，比如对少量的容易受温度影响的传感器进行温度标定，需要进行高低温循环；少量的芯片金丝键合后，通过高低温循环验证键合强度；环氧树脂进行高温固化等场合，一台微型桌面式高低温箱即可满足要求，并且占用场地小，具有较高的价格优势；由于小型化便携的特点，还可以对一些需要固定恒温存储的物品更方便地进行运输；为了实现微型高低温箱，就不能采用体积较大的对制冷剂进行压缩循环的制冷系统，可以采用半导体制冷片（tec）对较小的空间进行制冷。

目前基于半导体制冷片的小型冰箱已经得到较广的应用，比如车载冰箱，可以对几罐饮料进行制冷，车载冰箱开机之后一直工作在低温状态，可以进行小范围的温度调节；本发明则要利用半导体制冷片通正向电流可以制冷，通反向电流可以制热的特性，即采用同一个系统，既可以实现低温也可以实现高温的目的，加上相应的结构设计，驱动电路设计，以及智能算法设计，最终实现智能微型高低温箱，在需要移动便携的场合，可以采用电池供电。

技术实现要素：

本发明提出的是一种智能微型半导体高低温箱，其目的旨在实现高低温箱内部空间既能够制冷又能够制热的目的，实现高低温箱的智能化和微型化。

本发明的技术解决方案：智能微型半导体高低温箱，其结构包括控制面板1，高低温箱外壳2，内部风扇3，隔板4，电路模块5，箱内感温探头6，样品加电导线孔7，内部导热块8，半导体制冷片9，外部导热块10，外部风扇11，内部导热块感温探头12，外部导热块感温探头13；其中，高低温箱外壳2的一个面上装有门，门的外表面上固定有控制面板1；高低温箱外壳2的外表面固定有电路模块5；高低温箱外壳2与门形成高低温箱体，隔板4、温度探头6处在高低温箱体内；高低温箱外壳2的侧壁上开有窗口，窗口内装有半导体制冷片9，半导体制冷片9的一面朝向高低温箱体内部，半导体制冷片9的另一面朝向高低温箱体的外部；半导体制冷片9朝向高低温箱体内部的一面通过内部导热块8与内部风扇3相接；半导体制冷片9朝向高低温箱体外部的一面通过外部导热块10与外部风扇11相接；内部导热块8上装有内部导热块感温探头12；外部导热块10上装有外部导热块感温探头13；高低温箱外壳2上开有样品加电导线孔7。

本发明的优点：

1）本发明具有体积小，适合于桌面级应用；

2）本发明采用半导体制冷片既可以实现低温，也可以实现高温；

3）本发明在需要恒温运输的场合，可以采用电池供电；

4）半导体制冷片的两面都带有温度探头，实时监测制冷片的工作状态，在散热片出现异常时，可以实现制冷片的过温报警；

5）采用pid算法进行温度调节，既可以实现单个温度点的恒温状态，也可以实现低温到高温之间多个温度点的温度扫描，在半导体制冷片的功率较小时，可以通过pwm调节降低内部和外部风扇的转速，甚至关闭内部和外部风扇，达到节能的目的。

附图说明

附图1是智能微型半导体高低温箱的整体结构示意图。

附图2是智能微型半导体高低温箱的剖视图。

附图3是半导体制冷片9双向工作所采用的h桥电路示意图。

附图4是负温度系数温度传感器的测温电路图。

附图5是电路模块5对整个智能微型半导体高低温箱的控制系统的整体框图。

附图中1是控制面板，2是高低温箱外壳，3是内部风扇，4是隔板，5是电路模块，6是箱内感温探头，7是样品加电导线孔，8是内部导热块，9是半导体制冷片，10是外部导热块，11是外部风扇，12是内部导热块感温探头，13是外部导热块感温探头。

具体实施方式

对照附图1-2，智能微型半导体高低温箱，其结构包括控制面板1，高低温箱外壳2，内部风扇3，隔板4，电路模块5，箱内感温探头6，样品加电导线孔7，内部导热块8，半导体制冷片9，外部导热块10，外部风扇11，内部导热块感温探头12，外部导热块感温探头13；其中，高低温箱外壳2的一个面上装有门，门的外表面上固定有控制面板1；高低温箱外壳2固定有电路模块5；高低温箱外壳2与门形成高低温箱体，隔板4、温度探头6处在高低温箱体内；高低温箱外壳2的侧壁上开有窗口，窗口内装有半导体制冷片9，半导体制冷片9的一面朝向高低温箱体内部，半导体制冷片9的另一面朝向高低温箱体的外部；半导体制冷片9朝向高低温箱体内部的一面通过内部导热块8与内部风扇3相接；半导体制冷片9朝向高低温箱体外部的一面通过外部导热块10与外部风扇11相接；内部导热块8上装有内部导热块感温探头12；外部导热块10上装有外部导热块感温探头13；高低温箱外壳2上开有样品加电导线孔7。

所述高低温箱体具有较小的体积，比如内部体积在3-5升，适合桌面级的应用；整个箱体采用钣金工艺、或者磨具注塑加工而成。

所述高低温箱外壳2的每个侧壁上均有夹层，夹层采用聚氨酯或者聚苯乙烯泡沫填充，从而减少热量通过箱体进行热交换。

所述门也带有夹层，夹层采用聚氨酯或者聚苯乙烯泡沫填充，从而减少热量通过箱体进行热交换。

所述电路模块5包括电源部分和控制部分，在需要存储运输的场合，还可以增加充电电池部分；电路模块5优选固定在高低温箱外壳2的外表面。

通过所述控制面板1，用户可以根据需要设定程序。

所述隔板4处在高低温箱体内的中间部位，方便放置测试样品。

所述箱内感温探头6用于探测箱体内空气的温度，一些样品在高低温测试时，需要对样品加电，所以在箱体上开有过导线的孔7；实现制冷或加热的模块由内部风扇3、内部导热块8、半导体制冷片9、外部导热块10、外部风扇11构成；半导体制冷片9位于内部导热块8与外部导热块10之间；为了增加热传导，半导体制冷片9与内部导热块8相接触的界面之间涂有导热硅脂，半导体制冷片9与外部导热块10相接触的界面之间也涂有导热硅脂；内部导热块8和外部导热块10都带有梳齿状结构；为了监测半导体制冷片9的工作状态，在内部导热块8和外部导热块10上都设计了安装温度探头的安装孔，将内部导热块感温探头12，外部导热块感温探头13分别置于相应的安装孔中，可以实时获取半导体制冷片9内外两个表面的温度。

所述电路模块5的控制部分包括h桥电路，h桥电路与半导体制冷片9连接；智能微型半导体高低温箱工作时：半导体制冷片9需要既能工作在制冷状态，又能工作在加热状态；当通过半导体制冷片9的电流调转方向时，半导体制冷片9的内表面和外表面也会随着电流方向的改变，从内表面作为加热面和外表面作为制冷面改变为内表面作为制冷面和外表面作为加热面，利用这一特性，采用h桥电路，便可以满足高低温箱应用的需求，h桥电路用于控制通过半导体制冷片9的电流方向，进而控制半导体制冷片9加热面和制冷面的切换。

所述h桥电路通采用2个p沟道mosfet与2个n沟道mosfet构成或采用4个n沟道mosfet构成；由于p沟道mosfet相对于n沟道mosfet内阻较大，对于大电流，如：当电流在10a以上时，为了减小发热，优选采用4个n沟道mosfet构成h桥电路。

所述由4个n沟道mosfet构成的h桥电路包括第一个n沟道mosfetq1，第二个n沟道mosfetq2，第三个n沟道mosfetq3，第四个n沟道mosfetq4；其中，第一个n沟道mosfetq1和第三个n沟道mosfetq3与半导体制冷片9的一个表面相接，第二个n沟道mosfetq2和第四个n沟道mosfetq4与半导体制冷片9的另一个表面相接；具体工作时：当第一个n沟道mosfetq1和第四个n沟道mosfetq4导通，第二个n沟道mosfetq2和第三个n沟道mosfetq3关闭时，半导体制冷片通过正向电流；当第一个n沟道mosfetq1和第四个n沟道mosfetq4关闭，第二个n沟道mosfetq2和第三个n沟道mosfetq3导通时，半导体制冷片通过反向电流；在实现电流方向控制的基础上，再通过脉冲宽度调制（pwm）调节加载到半导体制冷片9上的功率，实现制冷或加热功率的调节；对于上臂的第一个n沟道mosfetq1和第二个n沟道mosfetq2，需要产生自举高电压才能完全导通，所以一般采用专用的mosfet驱动芯片进行驱动，优选采用ir2101驱动芯片；

所述电路模块5的控制部分有与h桥电路相接的电阻，该电阻为电流取样电阻，如图3中的电阻rs为电流取样电阻，通过测量rs上的电压可以推算出流过半导体制冷片上的电流。

所述智能微型半导体高低温箱的温度探测点除了箱内感温探头6、内部导热块感温探头12、外部导热块感温探头13，还包括置于电路模块5中的外界环境温度探头，外界环境温度探头可以采用集成温度传感器或负温度系数温度传感器（ntc）或热电偶温度传感器，如图4是采用负温度系数温度传感器的测温电路。

电路模块5对整个智能微型半导体高低温箱的控制系统的框图如图5所示，电路模块5的控制部分还包括单片机，单片机获取高低温箱内的温度、半导体制冷片9内表面和外表面的温度、箱外的环境温度、流过半导体制冷片的电流等参数后，结合用户通过控制面板1设定的参数，采用比例积分微分（pid）算法产生pwm波，从而调节半导体制冷片9制冷或加热功率的调节，使得箱内温度能够稳定在设定温度；在半导体制冷片的功率较小时，比如设定温度与外部环境温度接近时，可以通过pwm调节降低内部和外部风扇的转速，甚至关闭内部和外部风扇，即完全采用被动散热，达到节能的目的。

实施例

智能微型半导体高低温箱，其结构由控制面板1，高低温箱外壳2，内部风扇3，隔板4，电路模块5，箱内感温探头6，样品加电导线孔7，内部导热块8，半导体制冷片9，外部导热块10，外部风扇11，内部导热块感温探头12，外部导热块感温探头13组成；其中，高低温箱外壳2的一个面上装有门，门的外表面上固定有控制面板1；高低温箱外壳2固定有电路模块5；高低温箱外壳2与门形成高低温箱体，隔板4、温度探头6处在高低温箱体内；高低温箱外壳2的侧壁上开有窗口，窗口内装有半导体制冷片9，半导体制冷片9的一面朝向高低温箱体内部，半导体制冷片9的另一面朝向高低温箱体的外部；半导体制冷片9朝向高低温箱体内部的一面通过内部导热块8与内部风扇3相接；半导体制冷片9朝向高低温箱体外部的一面通过外部导热块10与外部风扇11相接；内部导热块8上装有内部导热块感温探头12；外部导热块10上装有外部导热块感温探头13；高低温箱外壳2上开有样品加电导线孔7。

所述高低温箱体的外部尺寸为20cm×20cm×20cm；整个箱体采用钣金工艺制成。

所述高低温箱外壳2的每个侧壁上和门均有夹层，夹层内容填充有隔热作用的泡沫材料，从而减少热量通过箱体进行热交换。

所述电路模块5包括电源部分和控制部分，在需要存储运输的场合，还可以增加充电电池部分；电路模块5优选固定在高低温箱外壳2的外表面。

通过所述控制面板1，用户可以根据需要设定程序。

所述隔板4处在高低温箱体内的中间部位，方便放置测试样品。

所述箱内感温探头6用于探测箱体内空气的温度，半导体制冷片9位于内部导热块8与外部导热块10之间；为了增加热传导，半导体制冷片9与内部导热块8相接触的界面之间涂有导热硅脂，半导体制冷片9与外部导热块10相接触的界面之间也涂有导热硅脂；内部导热块8和外部导热块10都带有梳齿状结构；为了监测半导体制冷片9的工作状态，在内部导热块8和外部导热块10上都设计了安装温度探头的安装孔，将内部导热块感温探头12，外部导热块感温探头13分别置于相应的安装孔中，实时获取半导体制冷片9内外两个表面的温度。

所述电路模块5的控制部分包括h桥电路，h桥电路与半导体制冷片9连接；智能微型半导体高低温箱工作时：半导体制冷片9需要既能工作在制冷状态，又能工作在加热状态；当通过半导体制冷片9的电流调转方向时，半导体制冷片9的内表面和外表面也会随着电流方向的改变，从内表面作为加热面和外表面作为制冷面改变为内表面作为制冷面和外表面作为加热面，利用这一特性，采用h桥电路，便可以满足高低温箱应用的需求，h桥电路用于控制通过半导体制冷片9的电流方向，进而控制半导体制冷片9加热面和制冷面的切换。

所述h桥电路采用型号为irf540ns的4个n沟道mosfet组成，驱动芯片采用ir2102，；所述由4个n沟道mosfet构成的h桥电路包括第一个n沟道mosfetq1，第二个n沟道mosfetq2，第三个n沟道mosfetq3，第四个n沟道mosfetq4；其中，第一个n沟道mosfetq1和第三个n沟道mosfetq3与半导体制冷片9的一个表面相接，第二个n沟道mosfetq2和第四个n沟道mosfetq4与半导体制冷片9的另一个表面相接；具体工作时：当第一个n沟道mosfetq1和第四个n沟道mosfetq4导通，第二个n沟道mosfetq2和第三个n沟道mosfetq3关闭时，半导体制冷片通过正向电流；当第一个n沟道mosfetq1和第四个n沟道mosfetq4关闭，第二个n沟道mosfetq2和第三个n沟道mosfetq3导通时，半导体制冷片通过反向电流；在实现电流方向控制的基础上，再通过脉冲宽度调制（pwm）调节加载到半导体制冷片9上的功率，实现制冷或加热功率的调节。

所述h桥电路采用型号为irf540ns的4个n沟道mosfet组成，驱动芯片采用ir2102，h桥电路的4个引脚接到单片机stm32f103rbt6的tim1_ch1、tim1_ch1n、tim1_ch2和tim1_ch2n引脚，单片机带有死区控制，防止h桥的上下臂同时导通，单片机stm32f103rbt6采用pid算法实现对高低温箱的温度进行控制。

所述电路模块5的控制部分有与h桥电路相接的电阻，该电阻为电流取样电阻，如图3中的电阻rs为电流取样电阻，通过测量rs上的电压推算出流过半导体制冷片上的电流。

所述智能微型半导体高低温箱的温度探测点除了箱内感温探头6、内部导热块感温探头12、外部导热块感温探头13，还包括置于电路模块5中的外界环境温度探头，外界环境温度探头采用负温度系数温度传感器（ntc），如图4是所采用负温度系数温度传感器的测温电路；用户可以通过控制面板1设定单个温度点，或者多个温度点进行扫描。

电路模块5对整个智能微型半导体高低温箱的控制系统的框图如图5所示，电路模块5的控制部分还包括单片机，单片机获取高低温箱内的温度、半导体制冷片9内表面和外表面的温度、箱外的环境温度、流过半导体制冷片的电流等参数后，结合用户通过控制面板1设定的参数，采用比例积分微分（pid）算法产生pwm波，从而调节半导体制冷片9制冷或加热功率的调节，使得箱内温度能够稳定在设定温度；在半导体制冷片的功率较小时，比如设定温度与外部环境温度接近时，可以通过pwm调节降低内部和外部风扇的转速，甚至关闭内部和外部风扇，即完全采用被动散热，达到节能的目的。

所述内部导热块8和外部导热块10都安装有10kω的ntc测温电阻，ntc测温电阻与电路模块5中的10kω电阻串联接3.3v电压；采用负温度系数温度传感器的测温电路中输出的电压端t1接到单片机stm32f103rbt6的ad引脚，单片机通过查表法可以获得相应的温度；对于箱内温度和箱外环境温度采用同样的方法。