温度循环控制的方法及装置 【技术领域】
本发明温度循环控制的方法及装置，属于温度控制领域，涉及使用半导体热电致冷器件进行温度控制的方法和装置。
背景技术
在塑料微流控芯片的制作过程中，塑料芯片上微通道的热压成形以及基片和盖片的键合除需要对压力进行控制外，还需要对温度进行循环控制。目前通常采用电加热器进行升温控制、循环水冷进行降温控制，延迟时间长，响应慢，无法按所要求的升降温曲线进行准确的控制，影响所制作芯片的质量及其稳定性。
半导体热电致冷器件是基于帕尔贴效应的器件，由P型和N型半导体元件及上下陶瓷覆铜基板组成，致冷器件借助于直流电流中的载流子的定向移动，分别将致冷器的热量从一面移至另一面，实现了致冷器一面吸热一面放热的制冷(或加热)效应。若改变直流电源的极性，其产生的吸、放热效应恰好相反。半导体热电致冷器件具有响应快、效率高地优点，即能够进行加热控制，又能够进行制冷。专利申请号为97115423.6的“温度控制设备”采用半导体热电致冷器件(帕尔贴装置)进行温度控制。该发明涉及一种在居室或其它类似建筑物中使用的温度控制设备，它具有组合功能，诸如能对食品和其它类似物进行冷冻、冷藏(制冷)、解冻和暖藏等。由于半导体热电致冷器件的制冷功率取决于其两侧的温差，该发明仅采用风扇进行散热和冷却，对升降温过程无法进行准确和快速的控制。现有的温度循环控制方法和装置，主要存在响应慢，易产生过冲，无法对升降温过程进行准确和快速控制，同时加热和冷却过程中损失功率较大，效率低。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种温度循环控制的方法，给出实现该方法的温度循环控制装置，能够用于塑料微流控芯片的热压成形和键合，其结构简单，可以克服上述缺陷，实现对升降温进行准确和快速的控制，提高响应速度和效率，降低能源消耗。
本发明采用的技术方案是：温度循环控制的方法及装置，其方法采用电加热器或循环水冷却装置对蓄热油箱进行温度控制，利用热电偶温度传感器检测蓄热油箱的温度，其特征是：
1)、该方法还需要对控温板1进行温度循环控制，改变通过半导体热电致冷器件2电流的方向，可使半导体热电致冷器件的加热面改变为制冷面、制冷面改变为加热面，实现对控温板的加热或制冷；在对控温板1进行加热的过程中，热量部分来自于通过半导体热电致冷器件2从蓄热油箱9转移来的热量，部分来自于半导体热电致冷器件2所消耗的电功率；在对控温板1进行制冷的过程中，蓄热油箱9吸收从控温板1转移来的热量和半导体致冷器件2所消耗的部分电功率；
2)、利用铂电阻温度传感器3检测控温板1的温度，控温板的温度通过变送器11、模数转换装置12采集到控制计算机13中。控制计算机根据输入的温度控制曲线，将采集到的温控板的温度信息等通过数模转换装置14和驱动电源15，根据所需要的升降温曲线控制通过半导体热电致冷器件2电流的大小和方向，实现对控温板1的温度循环控制；调节该电流的大小可以改变升温或降温速度；
3)、要求蓄热油箱9的热容量是控温板1热容量的10倍左右，在对控温板进行温度循环控制的过程中，部分热量在控温板和蓄热装置之间传递，通过电加热器8补充系统热量损失，或通过循环水冷却装置10排除系统多余热量，实现对蓄热装置进行温度控制，。
其蓄热装置由电加热器，蓄热油箱，循环水冷却装置，热电偶组成，其特征是电加热器8和热电偶7安装在蓄热油箱9内，循环水冷却装置10安装在蓄热油箱9外部的两侧，装置中还具有可导热的控温板1，半导体热电致冷器件2，铂电阻温度传感器3，导热硅树脂橡胶4，隔热材料5；温度循环控制的控温板1通过半导体热电致冷器件2与蓄热油箱8相联接，半导体热电致冷器件2的两个端面同控温板1和可导热的蓄热油箱8的接触表面之间垫有导热硅树脂橡胶4，控温板1和蓄热油箱8之间放置有隔热材料5，铂电阻温度传感器3安装在控温板内，由引线6接出体外。
采用本发明的效果是可以对升降温过程进行精确和快速的控制，控制系统简单并且易于实现。由于采用本发明在对控温板进行温度循环控制过程中，部分热量在控温板和蓄热油箱之间进行传递，因此本发明能够降低功耗、有利于节约能源。
【附图说明】
图1温度循环控制装置的示意图。其中：1-控温板；2-半导体热电致冷器件；3-铂电阻温度传感器；4-导热硅树脂橡胶；5-隔热材料；6-导线；7-热电偶温度传感器；8-电加热器；9-蓄热油箱；10-循环冷却装置。
图2是控温板和蓄热油箱温度变化示意图。图中：A-控温板的温度变化曲线；B-蓄热油箱的温度变化曲线。
图3是温度循环控制装置的控制系统框图。其中：2-半导体热电致冷器件；3-为铂电阻温度传感器；7-热电偶温度传感器；8-电加热器；10-循环冷却装置；11-变送器；12-模数转换器；13-控制计算机；14-数模转换器；15-半导体热电致冷器件的驱动电源；16-油箱温控器。
【具体实施方式】
以下结合附图详细说明一个实施例的具体实施方式。
一种塑料微流控芯片的键合过程需要在40℃～105℃之间进行升降温控制，升降温速度为每分钟30℃。在图1所示的装置图中，与芯片直接接触的控温板1是铜板，半导体热电致冷器件2选用4片，每片的最大制冷功率为80W。由导热材料制成的蓄热油箱为铝制壳体，内部充满机油，其热容量是控温板热容量的10倍左右。油箱底部和半导体热电致冷器件之间，以及控温板上部和半导体热电致冷器件之间垫有导热硅树脂橡胶4，以保证可靠和均匀接触。蓄热油箱9和控温板1通过隔热材料5相联接。在油箱内装有热电偶温度传感器7，控温板1内有安装有铂电阻温度传感器3。油箱两侧可安装用于个人计算机CPU散热的液体循环冷却装置10，油箱内部可安装电加热器8，由于每一个温度循环控制过程中，系统需要补充热量，还是需要散失多余的热量，只有一种情况存在，因此可通过在具体的工作环境中所进行的实验，来确定需要冷却装置还是需要安装电加热器。
由于蓄热油箱9的热容量是控温板1热容量的10倍以上，因此在升降温循环控制中，控温板1的温度变化幅度远大于蓄热油箱9温度变化幅度。
在不对蓄热油箱进行温度控制的条件下，对控温板进行温度循环控制，通过检测油箱的温度变化确定系统需要加热还是需要散热。控温板和蓄热油箱温度变化示意图，如图2所示，曲线A表示在一个温度循环控制过程中，控温板的温度变化，曲线B表示蓄热油箱的温度变化。在控制控温板从温度T1加热到T2的过程中，通过半导体致冷器件的电流方向使得与蓄热油箱相接触的一面为致冷面，而另一面为加热面。半导体致冷器件消耗的部分电功率所产生的热量和从蓄热油箱转移过来的热量使得控温板的温度上升。由于蓄热油箱的热容量大于控温板的热容量，因而蓄热油箱仅有小幅度的温度下降，即从T3下降到T4。在控制控温板的温度从T2下降到T1的过程中，改变通过半导体热电致冷器件的电流方向，使得与控温板相接触的一面为致冷面，而与蓄热油箱相接触的一面为加热面。由于半导体热电致冷器件消耗的部分电功率所产生的热量被蓄热油箱吸收，因而蓄热油箱小幅上升的幅度可能大于此前下降的幅度，因此图中所示系统需要散热，即安装冷却装置。本实施例中油箱工作在50℃～55℃之间，系统需要散热。
下面结合图3对本发明装置的控制过程进行说明。控温板的温度通过铂电阻温度传感器3、变送器11、模数转换装置12采集到控制计算机13中。控制计算机根据输入的温度控制曲线、采集到的温控板的温度信息等通过数模转换装置14和驱动电源15控制通过半导体致冷器件2电流的方向和大小。油箱温控器16通过热电偶7采集油箱的温度信息，并通过电加热器8或循环致冷装置10对油箱温度进行控制。控制计算机13可以通过串行通讯端口对油箱温控器16进行控制，如修改控制参数、读取油箱温度值等。