半导体制冷技术应用（精选10篇）
半导体制冷技术应用 第1篇
关键词：单片机STC12C5A60S2,半导体制冷器件,温控箱
随着科技的快速发展, 半导体技术不断成熟, 半导体制冷被广泛应用。半导体制冷又被称为温差电制冷或者热电制冷, 由于半导体材料的热电能量转换特点是最佳的, 它的运用让热电制冷更加实用。半导体冷却器根本不用别的制冷剂, 控制简单方便, 可以制热与制冷, 没有噪音, 也没有运动部件, 也无需连续的工作, 用多个半导体连在一起能够让制冷功率变大。由于具有上述优点, 半导体冷却器获得广泛应用。在军事方面, 半导体制冷得到了充分的应用, 例如军用导航、通讯车、潜艇、导弹, 医疗领域的冷力、白内障摘除器、血液分析仪等, 实验室方面的电子低温测试装置、冷阱、各种高低温仪器, 以及目前的研究热点, 如早产婴儿保育箱、小型热电空调冰箱、小型恒温控制系统、CPU冷却装置, 同样在航空航天方面, 由于其杰出的特点, 让半导体制冷应用也非常广泛[1,2,3]。
1半导体制冷器件的原理
热电偶, 也就是温差电偶时, 半导体的基本结构单元, 半导体制冷材料是通过半导体自身的温差电特性制成的固体电子器件, 根据泊尔帖效应。如图1所示, 为基础热电偶的结构, 用P型半导体材料形成一个电偶臂, N型半导体材料形成另一个电偶臂。用金属电桥将两个电偶臂连接在一起。将直流电压加在电偶两端, 载流子在外电场的作用下, 按照一定方向运动在回路中。在金属中, 电子的能量比N型半导体中的能量要低。电子能量流进N型臂从金属中, 要将能量吸收进去, 可以看到吸热效应在结点;一个结点的电子相遇空穴, 在P型臂中, 电子离开空穴在另一个结点。在相遇的时候, 空穴和电子复合在一起, 将能量放出来, 然后导致热效应在结点的地方;离开空穴的时候, 就要将能量吸收, 从而导致电子空穴产生, 然后导致吸热效应在结点的地方。总而言之, 空穴、电子到达的时候, 在结点放热, 当离开的时候, 就吸收热量。在图1中, 制冷就是金属电桥1变冷;致热就是金属电桥2变热, 整个回路是半导体制冷器的工作原理[4,5,6,7]。
2 STC12C5A60S2简介
2.1 STC12C5A60S2单片机内部结构
在一块电子芯片中, 有基本的计数器/定时器, I/O端口、存储器 (RAM和ROM) 、集成有中央处理器 (CPU) 等部件并具有独立指令系统的智能器件, 即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能被称为单片机。不同种类的单片机有不一样的技术特征, 由于其指令系统和硬件结构不同。单片机芯片的内部结构决定了单片机的硬件特征, 设计人员一定要了解单片机芯片的性能是否能够达到系统所要求的特性指标和系统所需要的功能。技术特征主要包括:电气特性、控制特性、功能特性等, 可以从生产厂商的技术手册中得到这些信息。指令特性就是单片机的输入输出特性, 逻辑处理和数据处理方法, 寻址方式等。开发环境包括硬件资源、软件资源、指令的可移植性和指令的兼容性。单片机及应用系统有以下特点:
2.1.1系统体积小、控制功能强, 可以非常方便地安装在被控设备中, 让产品更加智能化。
2.1.2应用系统所用存储器芯片可以进行批量应用和开发, 由于其可以进行掩膜形式生产, 而且应用系统所用存储器芯片可以选择OTP、E2PROM、EPROM芯片, 很多单片机, 例如51系列, 扩展应用芯片配套于开发芯片, 因此, 可以让系统成本降低。
2.1.3单片机自身不具备开发能力, 一般调试和开发系统都是利用专用的开发工具, 最后形成的产品效益高、成本低、使用简单。
2.1.4应用系统使用方便、可靠性高、抗干扰能力强, 一般在片内 (外) ROM中驻留程序。
2.1.5系统配置能让系统拥有很高的性能价格, 因为它的出发点是满足控制对象的要求。
2.1.6单片机可以让产品更加智能化, 充分体现设计思想, 因为其具备独立的指令系统。
控制总线、地址总线、数据总线等三大总线, 中断系统、串行接口、并行接口、定时/计数器、程序存储器 (ROM) 、数据存储器 (RAM) 、中央处理器组成了89C51单片机。单片机的关键部分为中中央处理器 (CPU) , CPU完成的操作有输出、输入、运算功能, CPU对整个单元系统协调工作进行调度、指挥、控制, CPU能对八位二进制代码或者数据进行处理, CPU是八位数据的处理器。128个专用寄存器单元和128个8位用户数据存储单元共同组成89C51内部, 数据存储器 (RAM) , 专用寄存器单元和数据存储单元都是一起编的地址, 但是专用寄存器不可以存放用户数据, 用户只可以访问和存放控制指令数据。因此, 只有128个RAM可以被用户使用, 只能存放用户定义的字形表、运算的中间结果、读写的数据。常数表格和已调试完成的程序存放在程序存储器 (ROM) 中。为了提高系统可靠性, 一般将应用程序固化在片内ROM中。程序计数器PC是一个专用寄存器, 是由CPU设置的, 用来存放将要执行的指令地址。
2.2中断系统
由于计算机系统外部或者内部一些原因, 计算机的中央处理器一定须暂停正运行程序, 而自动执行之前已经安排的对这个事件进行处理的服务子程序, 结束处理后, 将已经中止的程序继续进行执行的过程, 被称为中断。专门完成中断功能的软件和硬件系统被称作中断系统。89C51有着非常完善的中断功能, 其优先级别选择有两级, 它可以达到各种控制要求, 包括:两个外中断、两个计数器/定时中断, 一个串行中断。
2.3时钟电路
STC12C5A60S2单片机必须要将振荡电容放在外面, STC12C5A60S2里面装置的频率的最大值可以获得12MHZ的时钟电路, 可以用作单片机的脉冲时序。单片机有两种结构, 一种是数据存储器和程序存储器共同组成的结构, 即普林斯顿结构。另一种是数据存储器和程序存储器分开的形式, 即哈佛结构。通常情况下, 16位的MCS-96系列单片机一般选择普林斯顿结构, 而INTEL的STC12C5A60S2系列单片机选择哈佛结构的形式。
2.4 STC12C5A60S2的引脚说明
STC12C5A60S2单片机中断接口和P3接口复用, 有4组8位, 共32个I/O口, 外面有两根时钟线, 放的石英振荡器, 选择双列直接DIP结构, 由40PIN封装。两根地线和正电源, 40个引脚。下文说明一下这些引脚的功能。
2.4.1时钟电路引脚 (XTAL2) (18脚) 。这个脚接微调电容和外部晶体的一段在STC12C5A60S2内部, 振荡电路相反方向的放大器的输出端为这个脚。振荡电路的频率是固定的。当选择外部时钟电路时, 这个引脚会输入外部脉冲。
2.4.2时钟电路引脚 (XTEL1) (19脚) 。这个脚接在外部晶体和微调电容的另外一端。反相放大器的输入端就是这个脚, 在选择外部时钟时, 这个脚必须接地。
2.4.3复位引脚 (RESET) (9脚) 。复位信号输入端就是复位引脚, 复位引脚的高电平非常有效果, 它能够完成复位操作, 就是因为它的脚的机器周期有两个, 也就是拥有24个时钟振荡周期。它还拥有第二个功能, 即当主电源产生问题时, 就在RST端自动接入5V电源, 当降低到低电平规定值时, 提供备用电源给单片机。这让电源恢复后, 信息保持不丢失, 正常工作。EA/VPP引脚 (31脚) :外部存储器地址允许输入端, 又称为访问程序存储器控制信号端。一是当EA引脚接高电平时, 中央处理器对EPROM进行访问, 并对内部程序存储器中的指令进行执行。二是当EA脚接低电平时, 无论有没有片内程序存储器, 中央处理器只对外部EPROM进行访问, 并执行外部程序存储器中的指令。三是这个脚还拥有别的作用:作为施加较高编程电压输入端, 在同化编程针对89C51片, 就是输入21V的烧写电压通过这个脚, 在STC12C5A60S2烧写内部EPROM时。PSEN (29脚) :外部程序存储器读选通信号端又叫程序存储器允许输入端。PSEN拥有有效的低电平, 在读取外部ROM, 就可以将实施读操作针对外部ROM单元:一是PSEN不会产生变化, 当读取内部ROM。二是每个机器读取外部的ROM, 都会进行两次动作。三是两个PSEN脉冲不会进行输出, 只会被跳过, 在读取外部RAM时。四是OE脚相接ROM当外接ROM时。
当STC12C5A60S2的小系统接上电后, 认真检查指令读取是否正确, 可以看PSEN端有无脉冲通过示波器, 如果有, 就证明工作是正确的。ALE (30脚) :地址对控制信号端进行锁存。当89C51工作是正确的时候, 频率为振荡器频率FOSC的1/6的正脉冲信号向外输出从ALE脚。当中央处理器对外部存储器进行访问时, ALE将八位地址的控制信号锁存。所以, ALE信号能够输出定时信号或者时钟。同时P0接口有4个八位的并行通讯端口, 也就是P0接口、P1接口、P2接口、P3接口。P0接口, 就是P0.0-P0.7, 39-32引脚, 由八位双方向的I/O端口。P1接口:就是P1.0—P1.7, 1—8引脚, 八位双方向的I/O端口。P2接口:就是P2.0—P2.7, 21—28引脚, 就是八位双方向的I/O端口。P3接口:就是P3.0—P3.7, 10—17引脚, 就是八位双方向的I/O端口。P0接口有三个功能:①P0接口不扩展时, 内部没有上拉电阻, 可以作为普通的I/O使用, 当外部接上上拉电阻, 可以作为输入或输出时。②当外部扩展存储器时, 可以当作地址总线。③当作外部扩展存储器时, 可以当作数据总线。P1接口:由于其内部有上拉电阻, 因此仅仅作为I/O口使用。P2接口的功能有两个:①当内部有上拉电阻时, 就作为普通的I/O口使用。②当扩展外部存储器时, 可以当作地址总线。P3接口的功能有一个:当内部有上拉电阻时, 就作为普通的I/O使用。因为P3接口有内部的EPROM的单片机芯片。
3半导体制冷控温系统的组成
半导体温度控制图如图2所示, 温度信号被半导体的温度传感器或者变送电路转化为电信号, 直接输入单片机STC12C5A60S2控制系统, 控制厢体温度[8]。
3.1温度信号的传感及变送
为了让温度的控制更加精细、准确, 一定要设计更高精度的温度传感器和变送电路, 系统的温度传感元件是铂热电阻, 转化温度信号为电压信号, 主要是通过恒流激励手段, 当温度大于0℃, 小于600℃, 铂热电阻方程可用式 (1) 表示:
式中:t为温度;R0为t=0℃时的铂电阻值;A, B为铂电阻的温度系数, A=3.208 2×10-3/℃, B=-5.802 96×10-7/℃。
根据公式 (1) 可知, 铂电阻恒流工作时, 为了让输出的电信号是线性的, 铂电阻恒流工作时输出电压的二次式系数为负值, 作非线性补偿时一定要选择正反馈的方法在变送电路中, 温度变送电路如图3。
令正反馈系数
式 (3) 代入式 (4) 可得:
从公式 (6) 可以知道, 当温度大于0℃, 小于t℃, 取测温起点连接终点输出电压的连接线为拟合直线。如图4, 输出电压V1的温度特性曲线拥有S形非线性误差, 对拟合直线[9]。
V1对t的二阶导数为
在温度拐点处有:
由此可得:当t=tp时,
3.2半导体制冷驱动电路
半导体制冷的输出信号直接输入单片机STC12C5A60S2中, 单片机在作了PID算法控制后, 就会将PWM信号从P1.5、P1.6口输出, 从而让整个驱动电路的工作情形得到控制。当RB2口为低电平时, P1.1口为高电平, 就会导通T1.T3.T4, 让T2.T5.T6截止, 就会有正向电流I从半导体制冷器件流过, 半导体器件就会制冷。而出现相反的情况, 半导体制冷器件就会停止工作。PID算法将它工作时间的长短控制住了, 从而可以控制温度。
3.3测试结果
本文对体积约为1m3的密封厢体 (有隔热保护层) 进行控温, 在20~40℃, 采用Pt1000作为传感头, 据式 (6) , 可求得在拐点温度30℃处, 其最佳正反馈系数F=1.4042×10-4。据此可取电阻R3=R4=10kΩ, 代入式 (2) 可得 (R2+W1) 的阻值为24.74kΩ, 取R2=24kΩ, W1=1kΩ.为减少铂电阻的自热效应, 取恒流I0=1m A, 据式 (5) 可计算出在20~40℃内, V1的输出为-1.2697~1.3789V。系统单片机STC12C5A60S2内嵌有A/D转换, 它的模拟电压大于0V, 小于2.5V, 为了让V0的输出范围在大于0V, 小于2.5V之间, 对W2、W3进行调节。13468模块为半导体制冷器件选择的模块, 额定电流为4.5A, 它的工作电压为12V, 平衡时间在几分钟内, 它的控温精度为0.02℃, 工作温度范围在大于20℃, 小于40℃之间。
4结语
本文主要以单片机STC12C5A60S2为主控芯片, 控制温度的元件是半导体制冷器件, 控温系统是由精度非常高的温度变送电路组成, 半导体制冷器件通过改变电流方向完成加热和冷却, 这样控制温度的精度高、使用方便、不污染环境、速度快。
参考文献
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制冷与冷藏技术简历 第2篇
户口所在： 河源 国 籍： 中国
婚姻状况： 未婚 民 族： 汉族
培训认证： 未参加 身 高： 170 cm
诚信徽章： 未申请 体 重： 55 kg
人才测评： 未测评
我的特长：
求职意向
人才类型： 应届毕业生
应聘职位： 给排水/制冷/暖通工程/管道工：维修等，空调工/电梯工/锅炉工：维修与检测等，工程/机械绘图员：设计，销售等
工作年限： 0 职 称： 无职称
求职类型： 实习可到职日期： 随时
月薪要求： 1000--1500 希望工作地区： 广东省,广东省,广东省
工作经历
珠海华广汽车维修 起止年月：-07 ～ 2008-08
公司性质： 私营企业 所属行业：汽车及零配件
担任职位： 职工
工作描述： 暑假在珠海华广汽车维修服务公司做过一段时间，从事于汽车空调及一些简单的维修。
离职原因：
广州航海高等专科学校 起止年月：-02 ～ 2007-12
公司性质： 事业单位 所属行业：计算机/互联网/通信/电子
担任职位： 员工
工作描述： 2007年大学期间，在学校电脑室做过管理员以及维修员一年，从事简单的`维修。
离职原因：
深圳金制品盒厂 起止年月：-06 ～ 2006-08
公司性质： 中外合资 所属行业：贸易/消费/制造/营运
担任职位： 职工
工作描述： 暑假在深圳金制品制盒公司做过一个多月的职工。
离职原因：
志愿者经历
教育背景
毕业院校： 广州航海高等专科学校
最高学历： 大专 获得学位: 大专 毕业日期： -06
专 业 一： 制冷与冷藏技术 专 业 二： 电工类
起始年月 终止年月 学校(机构) 所学专业 获得证书 证书编号
2007-04 2007-06 广州航海高等专科学校 制冷与冷藏技术 电工证 T441622198608054999
2007-06 2007-07 广州航海高等专科学校 制冷与冷藏技术 英语A级 111060710816
2008-10 2008-11 广州航海高等专科学校 制冷与冷藏技术 制冷中级证 -
2008-11 2008-12 广州航海高等专科学校 制冷与冷藏技术 制冷上岗证 -
语言能力
外语： 英语 一般 粤语水平： 一般
其它外语能力： 没有
国语水平： 优秀
工作能力及其他专长
熟悉电工基础,具有一定的机械设计能力,懂金属加工工艺, 会PLC等的基本编程,有一定的电脑基础; 会一些空调、冰箱及汽车空调的维修，有制冷中级证及制冷上岗证。
熟练AutoCAD等制图软件。能够使用OFFICE办公软件、Dreamweaver MX 、Fireworks MX 2004、Flash2004的基本操作，熟悉WINXP系统的安装、操作及一些硬件维护。课余学习过网页制作，熟悉Photoshop以及一些常用软件。
会开小型汽车，但无驾照。会电工操作，有电工上岗证。
详细个人自传
本人性格开朗、活跃，乐观向上，爱好广泛，拥有较强的动手能力和适应能力，并具有良好的身体素质。与同学相处和睦融洽，乐于助人，对工作认真负责。外向、健谈、喜欢新的经验与尝试，尤其是运动及旅行。有较强的适应环境能力，能够积极参加学校及班级组织的活动，并能在活动中充分发挥出自己的作用等等
半导体制冷技术应用 第3篇
关键词：半导体冰箱；冷凝管；散热方式
中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0020-03
半导体冰箱至今未能在更广泛的领域中应用就是因为它较低的能量转化效率，将白白耗费较多的能量。根据我们项目小组的调查，目前市面上的半导体冰箱基本采用强制风冷散热的散热方式，但这种散热效果并不好，一定程度上导致了半导体冰箱制冷效率过低，最低温度过高，箱内温度只能降到低于环境温度10℃～15℃，这并不能真正满足大众的需求。本课题的研究目的就是提高半导体冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管对半导体冰箱散热方式进行改进，并对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。本文将对我们的研究展开论述与分析。
1 散热系统的设计
（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=（35+4×30）/
5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃～60℃，故我们选择氨作为热管工质。
（2）热管内径的确定：
一般情况下，热管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制热管传热的控制因素。
综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：
2 理论分析
2.1 保温箱
Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：
Pin=1.013×105Pa
考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。
2.2 半导体制冷片
假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。
2.3 散热器
近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。
由于有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。
2.4 模拟计算
设冰箱内部的温度函数为T（t）。
理论结果分析：由图像可知，两种散热方式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了?COP=1.55%。
3 实验方案设计
在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。
实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。
实验过程中共使用两个温度传感器：
第一个温度传感器的一端放在半导体制冷片的冷端表面，并加以固定，以测定冷端温度。
第二个传感器放在热管散热器的翅片部分，并加以固定，以测定散热器温度。
首先，我们测定热管的散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片。其次，测定普通铝片散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片，记录冷热端温度。
综合以上数据，我们用绘图软件做出了热管和铝片条件下的温度变化图像，如图2所示：
实验结论：在相同条件下，热管散热效率高于铝片散热效率。
实际条件下的热管效率对比实验：
我们选用现有的铝片风冷散热半导体冰箱作为对比参照，用无线温度传感器测定在室温条件下铝片风冷散热半导体冰箱内部的温度。
在冰箱的中层放入无线温度传感器，接通冰箱电源，调至制冷档，每隔0.5min记录一次数据，得到120min的温度变化数据。
将相同冰箱的铝片拆下，换成相同大小的热管翅片散热系统，在相同的室温下重复上一步骤实验操作，得出120min热管散热的半导体冰箱制冷温度数据。
对比两组数据，使用制图软件制作出两次条件下的温度曲线如图3所示：
实验结果分析：由图像可知，相同实验条件下，两种散热方式下冰箱的最低温分别为7℃和3℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=2.01W和Q热管=
2.63W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=4.02%和COP热管=
5.26%，因此冰箱效率实际上提高了?COP=1.14%。对比理论结果，铝片和热管两种散热方式下冰箱达到最低温度都应该在50min左右，最低温度分别是0℃和-5℃。虽然实际实验并没有达到这种效果，但是实际提高的效率?COP却很接近，经过误差分析，实验结果在误差允许范围内。造成误差的原因主要有理论分析时做了一些合理假设和环境条件变化，实验材料实际上没有达到理想的性能。不过，这种误差并不影响我们的实验结论。在外界环境近似相同的情况下，采用相同的制冷片、制冷功率，保温设施进行实验，尽可能排除无关变量影响。从图像中可以看出，在将散热方式由铝片散热改为热管散热之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明显提升。对图像部分区域进行数据拟合可知，在10min之内，两种散热方式并无明显差距；但在10～20min之间，采用热管制冷可以将制冷效率提高一倍以上；对于稳定温度，热管制冷比普遍采用的铝片制冷在相同条件下低大约3℃，从而从一定程度上改善了半导体冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增强半导体制冷冰箱的实
用性。
实验结论：在实际情况下，使用热管制冷的半导体冰箱制冷效率大于使用铝片制冷的半导体冰箱。
4 结语
本文采用了理论计算与实际实验相结合的方式，完成了基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中创新性地采用了用热管散热代替散热片散热，解决了目前市面上车载半导体冰箱的难题。在设计过程中所进行的两种散热方式对比实验以及设计完成后进行的冰箱模型对比试验有说服力地证明了以我们创意方式制造的冰箱的散热和制冷效果将优于市面上的同类冰箱。该种类型产品投放市场后，必将受到大部分车市和消费者的青睐，为企业创造可观经济收益，并很好地符合了国家对于创新产品节能高效的期望，有利于受到政策的正影响。与此同时，这次对于车载冰箱制冷效率提高的研究，有利于打开研究者的眼界思路，对于日后同类研究具有很高的借鉴及参考价值。
参考文献
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汽车中半导体制冷的应用展望 第4篇
随着汽车工业的不断发展, 人们对汽车舒适度的要求不断提高。半导体制冷因其节能环保, 无噪声, 寿命长的优点, 在汽车工业中得到青睐。尤其随着能源问题的凸显, 电动汽车和混合电动汽车走上了国际舞台, 相对于压缩机空调, 半导体制冷空调可以节约其宝贵的电能, 而且其温度控制精度高。同时, 随着人民生活质量的提高, 人们对车载冰箱的需求增大, 半导体制冷冰箱的轻便小巧赢得了广大消费者的青睐。在现在汽车高精尖科技领域内, 常对各种电子元器件的温度性能要求很高, 半导体制冷其温控精度高的特点正可以满足其要求, 半导体制成的冷却系统解决了车内电子控制系统的散热问题。
2、导体制冷的原理
2.1 帕尔贴效应
早在1821年, 德国科学家Thomas Seeback首先发现, 当由两种不同的金属导线组成封闭线路, 通上直流电源以后, 一端的热量被移到另一端 (图1) 。不过他当时对这种现象做了错误的推论, 并没有领悟其中真正的科学原理。到了1834年, 法圆科举加帕尔贴 (Pelfier) 发现, 当电流流经由两种不同导体形成的回路时。如图1所示, 两导体的连接处会产生放热和吸热现象。放热或吸热量随电流方向的改变而改变。放热和吸热量的多少, 与电流的大小成比例, 这就是珀尔帖效应 (Peltier effect) 。
2.2 半导体制冷原理及其过程
半导体制冷器的基本元件是热电偶, 热电偶由导体材料制成。一种为电子型 (N型) 半导体材料, 一种为空穴型 (P型) 半导体材料。两者交替排列并用金属片相连, 如图2所示。
N型半导体靠电子移动导电, P型半导体靠空穴移动导电。当接通直流电源后, 电子和空穴在外电场的作用下发生移动。由于电子和空穴在半导体中的势能比它们在金属中的势能大, 当它们流过节点的时候会引起能量传递。当载流子从较高势能变为较低势能时, 向外界放出热量。当载流子从较低势能变为较高势能时则吸收外界热量。
于是在两个接头处就会产生温差。若干个这样的热电偶对在电路上串联起来, 在传热方面并联就构成一个常见的热电制冷组件 (或称热电堆) 。借助于热交换器等各种传热元件使热电制冷组件的热端不断散热, 并保持一定的温度, 把冷端放到工作环境中去吸热, 从而达到了制冷的目的。
3、半导体制冷的优点和不足
半导体制冷是靠空穴和电子在运动中直接传递热量来实现的。与压缩机制冷系统相比, 没有旋转部件, 不会产生回转效应, 没有滑动部件, 无需制冷剂, 无噪声, 无污染, 可靠性高, 寿命长, 安装容易, 而且可电流反向加热, 易于恒温控制等等。
半导体制冷器具有两种功能, 既能制冷, 又能加热, 制冷效率一般不高, 但致热效率很高, 永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
半导体制冷器冷却速度和冷却温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节, 启动快, 控制灵活, 可实现高精度的温度控制。再加上温度检测和控制手段, 很容易实现遥控、程控、计算机控制, 便于组成自动控制系统。
半导体制冷器热惯性非常小, 制冷制热时间很快, 在热端散热良好冷端空载的情况下, 通电不到一分钟, 制冷器就能达到最大温差。
如今技术的发展使半导体制冷的优势显现出来。半导体式冷藏车在数十年前还只是一个梦想, 现在已完全进入到了实用阶段。
半导体制冷突出的优势, 还在于可实现微小型制冷, 功率可做到1 w以下, 且极轻极小 (<50mm, <19) , 传统的机械式压缩制冷难以替代。比如, 随着现代智能汽车的发展, 在车内CPU芯片和电子设备冷却系统中已经开始应用这一技术。此外, 半导体制冷器件也可以用来制作轻巧方便的车载家电产品。
4、汽车中半导体制冷的应用
4.1 空调
电动汽车因其绿色环保、节约能源日益受到各国学术界的关注。纯电动汽车的电能非常宝贵, 如果仍然采用燃油车压缩式的空调, 能耗高, 对车载电源系统提出了新的挑战。采用半导体制冷技术设计冷风系统, 既满足了人在车内的舒适性, 同时又节能、环保。
半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比, 具有以下优点: (1) 结构简单, 没有机械传动机构, 工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便, 可靠性高; (2) 不使用制冷剂, 故无泄漏、无污染; (3) 直流供电, 电流方向转换方便, 可冷热两用; (4) 重量、尺寸较小, 便于安装; (5) 热惯性小, 负荷可调性强, 调节和控制方便; (6) 工作状态不受重力场的影响。
在最近研究表明, 与太阳能动力结合的半导体制冷空调积极推动新能源汽车的发展。
如果改变半导体制冷装置的电流方向, 可以作为取暖装置, 能够用做汽车室内的暖空调, 或者用于去除前挡风玻璃的霜冻, 提高驾驶员的视觉效果。
4.2 车载冰箱
半导体冰箱起源于俄罗斯在航天飞行上对飞行器的冷热需求而做的发明, 制冷制热均可。在普遍情况下半导体冰箱制冷其最多能够达到零下5℃, 但是其制热温度却能够达到65℃。这个冷热均制的优势使得半导体冰箱能够为长途开车的人带来极大的便利。用于出门旅游及野餐, 可以充分发挥其轻便的优点。如图3。
4.3 汽车电子设备的散热
现代汽车随着电子技术及各类型车用电子装置的组装技术发展, 成为了具有高度整合性的电子系统。
目前汽车电子设备中所使用的功率元件, 在经过一段长时间进行通电, 导致设备内部或机壳的温度有可能会超过100℃, 大大地增加车用电子设备的故障概率。
因此采用半导体冷却系统可以使它们维持低温或恒温的工作条件。例如:对车内大规模集成电路、光敏器件、功率器件、高频晶体管等电子元器件的冷却或恒温。在现在汽车高精尖科技领域内, 常对各种电子元器件的温度性能要求很高, 半导体制冷其温控精度高的特点正可以满足其要求。
5、展望
目前由于半导体制冷的效率尚不如压缩制冷器高, 加上能源紧张, 因此, 未能广泛应用。但是, 可以预见, 随着科学技术的发展, 半导体优质材料的研制成功, 半导体制冷效率不断提高, 半导体制冷必然会取代压缩式机械制冷。
近四十年来, 半导体材料性能提高约20%, 目前可利用的商业热电材料的最高优质ZT约为0.9, 超晶格结构能显著改善热电材料的ZT值, 对这方面的实验研究已取得了重要进展, Venkatasubramian等人报道, 室温条件下, P-型Bi2Te3/Sb2Te3超晶格材料ZT=2.4, N型超晶格材料ZT=1.2;Harmon等人报道, 室温条件下, N-型PbSeTe/PbTe量子点超晶格材料ZT≥2, 因此超晶格材料是提高半导体材料优质最有潜力的途径, 所以半导体冰箱制冷能力上的突破是很有希望的, 这将会提高半导体冰箱的市场竞争能力。
摘要：半导体制冷是阿尔帕效应在制冷方面的应用。文章介绍了半导体制冷的原理和特点及其在汽车工业中的应用, 并对今后半导体的发展提出了些许观点。
关键词：汽车,半导体,制冷
参考文献
[1]徐胜德.半导体制冷与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社.1992
[2]刘华军, 李来风.半导体热点制冷材料的研究进展[J].低温工程.2004, (1) :32-38
空调用制冷技术课程设计 第5篇
某空调系统制冷站工艺设计 1、工程概况 本工程为合肥市某建筑体集中空调工程，建筑单体共15层，建筑面积约30000m2，主要功能及使用面积为：商场10000 m2，办公7500 m2，会议中心1000 m2，客房为2500 m2，多功能厅500 m2。
二 方案设计；
该机房制冷系统为四管制系统，即冷却水供/回水管、冷冻水供/回水管系统。
经冷水机组制冷后的7℃的冷冻水通过冷冻水供水管到达分水器，再通过分水器分别送往房间的各个区域，经过空调机组后的12℃的冷冻水回水经集水器再由冷冻水回水管返回冷水机组，通过冷水机组中的蒸发器与制冷剂换热实现降温过程。
从冷水机组出来的37℃的冷却水经冷却水供水管到达冷却塔，经冷却塔冷却后降温后再返回冷水机组冷却制冷剂，如此循环往复。
考虑到系统的稳定安全高效地运行，系统中配备补水系统，软化水系统，电子水处理系统等附属系统。
三 负荷计算；
1.面积热指标（查民用建筑空调设计）商场：q=230(w/);办公：q=120(w/m2);会议中心：q=180(w/m2);客房：q=80(w/m2);多功能厅：q=200(w/m2)建筑物类型 商场 办公 会议中心 客房 多功能厅 总冷负荷Kw 冷负荷指标w/m2 230 120 180 80 200 3680 空调面积m2 10000 7500 1000 2500 500 冷负荷量w 2300000 900000 180000 200000 100000 2.根据面积热指标计算冷负荷 商场：Q=10000*200=2300(Kw);办公:Q=100*7500=900(Kw);会议中心:Q=180*1000=180(Kw);客房: Q=2500*100=200(Kw);多功能厅：Q=500*200=100(Kw)考虑到同时工作系数取0.8，则：
总负荷：Q=(2300+900+180+200+100)*0.8=2944(Kw)四 冷水机组选择；
方案A 方案B 方案C 方案D 直燃机 蒸汽机 离心机 螺杆机 机组型号 16DN040 16DEH6150 LSBLX1600G 30XW1452 使用台数 2 2 2 2 制冷量（KW）1407 1500 1600 1438 耗气量（Nm3/h）82.7*2=165.4---蒸汽量（Kg/h）-6000*2=12000--冷冻水流量（m3/h）242*2=484 907*2=1814 275*2=550 247*2=494 冷却水流量（m3/h）366*2=732 1321*2=2642 344*2=688 289*2=578 冷冻水进出口温度（0C）7/12 7/12 7/12 7/12 冷却水进出口温度（0C）32/37.5 32/38 32/38 30/35 机组尺寸（长*宽*高）4791*2296*2630 6924*3600*3850 1730*4150*2150 4695*1231*2064 重量（Kg）14079 49500 7800 7549 制冷剂 水 水 R134a R123 冷水(热泵)机组的单台容量及台数的选择，应能适应空调负荷全年变化规律，满足季节及部分负荷要求。当空调冷负荷大于528kW时，机组的数量不宜少于2台。
冷水机组的台数宜为2～4台，一般不必考虑备用。
选择冷水机组时，不仅应保证其供冷量满足实际运行工况条件下的要求，运行时的噪声与振动符合有关标准的规定外，还必须考虑和满足下列各项性能要求： 热力学性能：运行效率高、能耗少(主要体现为COP值的大小)；
安全性：要求毒性小、不易燃、密闭性好、运行压力低；
经济性：具有较高的性能价格比；
环境友善性：具有消耗臭氧层潜值ODP(Ozone Depletion Potential)低、全球变暖潜值GWP(Global Warming Potential)小、大气寿命短等特性 通过上述四种机组的比较，可以发现：
方案A,B均为吸收式制冷机组，它加工简单，成本低，制冷量调节范围大，可以实现无极调节，运行费用低，利用余热，废热，使用寿命低于压缩式冷水机组，蒸汽耗量大，热效率低，制冷运行时，负荷变化时，易发生溶液结晶,机组较重，体积庞大，占地面积大。
方案D螺杆式制冷机组，COP值高，单机制冷量大，容积效率高，结构简单，对湿压缩不敏感，无液击危险，运行可靠，实现无极调节，但润滑油系统比较大，耗油量较大。
方案C采用离心式制冷机组，COP值高，结构紧凑，调节方便，在10%——100%范围内能较经济的实现无极调节。离心式制冷压缩机作为一种速度型压缩机,具有以下优点: 1.在相同冷量的情况下,特别在大容量时,与螺杆压缩机组相比,省去了庞大的油分装置,机组的重量及尺寸较小,占地面积小;2.离心式压缩机结构简单紧凑,运动件少,工作可靠,经久耐用,运行费用低;3.容易实现多级压缩和多种蒸发温度,容易实现中间冷却,使得耗功较低.4离心机组中混入的润滑油极少,对换热器的传有较高的效率。但是也有其缺点1转子转速较高, 为了保证叶轮一定的宽度, 必须用于大中流量场合,不适合于小流量场合；
单级压比低,为了得到较高压比须采用多级叶轮,一般还要用增速齿轮；
喘振是离心式压缩机固有的缺点,机组须添加防喘振系统;一台机组工况不能有大的变动,适用的范围较窄。
螺杆式制冷机组属于中型制冷机组，与活塞式相比，运动部件少，无往复运动的惯性力，转速高，单机制冷量大；
无余隙容积和吸排气阀，有较高的容积效率；
调节方便，制冷量可以通过滑阀进行无级调节；
要求加工精度和装配精度高，单级容量比离心式小。
综合考虑选择离心式制冷机组。
根据标准，属于中型规模建筑，宜取制冷机组2台，而且2台机组的容量相同。
所以每台制冷机组制冷量Q’=2944÷2=1472 kW 根据制冷量选取制冷机组具体型号如下：
名称：格力C系列离心式冷水机组 型号：LSBLX1600G 名义制冷量KW 1600 冷凝器 型式 卧式壳管式 压缩机 数量 2 水压降Kpa ﹤70 配给功率Kw 283 水流量m³/h 344 使用制冷剂 R134a 管径mm 2-DN200 制冷剂填充量Kg 575 蒸发器 型式 满液壳管式 外型尺寸 长mm 4150 水压降Kpa ﹤75 宽mm 1730 水流量m³/h 275 高mm 2150 管径mm 2-DN200 注：
①名义制冷量按如下工况确定：
② 工作范围 冷冻水进口温度：12℃ 冷却水出口温度：22～37℃ 冷冻水出口温度：7℃ 冷却水进口温差：3.5～10℃ 冷却水进口温度：30℃ 冷冻水出口温度：5～20℃ 冷却水出口温度：35℃ 冷却水进口温差：2.5～10℃ 五 水力计算 根据规范查得数据，管内流速的假定依据如下: DN/mm <250 >=250 出水管的流速m/s 1.5~2.0 2.0~2.5 进水管的流速m/s 1.0~1.5 1.5~2.0 1 冷冻水循环系统水力计算；
两台机组水泵进水管：
假定冷冻水的进口流速为1.5m/s d=103 L=0.0764×2=0.1528 m3/s, 2台机组总管d1=360mm,取400mm,则管段流速为v=1.22m/s 水泵出水管：
假定冷冻水的出口流速为2.0m/s d= 103 L=0.0764×2=0.1528 m3/s,2台机组总管d1=311.6mm,取350mm,则管段流速为v=1.59m/s 单台机组时 水泵的进水管：假定流速为1.0 m/s d=103 L=0.0764 m3/s,单台机组管d1=312mm,取350mm,则管段流速为v=0.82m/s 水泵的出水管：假定流速为1.5 m/s d=103 L==0.0764m3/s,单台机组管d1=256.2mm,取300mm,则管段流速为v=1.1m/s 流量 m3/s 管径 长度(m)ν(m/s)R(Pa/m)△Py(Pa)ξ 动压(Pa)△Pj(Pa)管段阻力(Pa)0.1528 DN400 50 1.8 250 12500 24 1824 45675 58192 即管段阻力为5.98m水柱。冷却水循环系统水力计算；
水泵进水管：
假定冷却水的进口流速为1.5m/s d=103 L=0.0956×2=0.1912 m3/s,2台机组总管d1=402mm,取400mm,则管段流速为v=1.52m/s 水泵出水管 假定冷却水的出口流速为2.0m/s d=103 L=0.0956×2=0.1912 m3/s,2台机组总管d1=352.8mm,取350mm,则管段流速为v=1.98m/s 单台机组时 水泵的进水管：假定流速为1.0 m/s d=103 L=0.0956m3/s,单台机组管d1=348.8mm,取350mm,则管段流速为0.99m/s 泵的出水管：假定流速为2.0 m/s d=103 L=0.0956m3/s,单台机组管d1=246.8mm,取250mm,则管段流速为v=1.95m/s 流量 m3/s 管径 长度(m)ν(m/s)R(Pa/m)△Py(Pa)ξ 动压(Pa)△Pj(Pa)管段阻力(Pa)0.1606 DN400 50 1.8 250 12500 24 1944 46656 59156 即管段阻力为6.04m水柱。
补给水泵的水力计算 水泵进水管：
假定补给水泵的进口流速为1.5m/s d=103 L=2×0.0764×1%=0.001528 m3/s=5.5 m3/h , 2台机组总管d1=36.2mm,取35mm,则管段流速为v=1.59m/s 水泵出水管：
假定补给水泵的进口流速为2.0m/s d=103 L=2×0.0764×1%=0.001528 m3/s,2台机组总管d1=31.2mm,取30mm,则管段流速为v=1.98m/s 单台机组时 水泵的进水管：假定流速为1.0 m/s d=103 L=0.0764×1%=0.000764m3/s单台机组管d1=31.2mm,取30mm,则管段流速为v=1.08m3/s 泵的出水管：假定流速为1.5 m/s d=103 L=0.0764×1%=0.000764m3/s,单台机组管d1=25.9mm,取25mm,则管段流速为v=1.56m/s 六 设备选择 1冷却塔的选择 冷却塔的选择：冷却塔选用开放式逆流式冷却塔，特点是安装面积小，高度大，适用于高度不受限制的场合，冷却水的进水温度为30℃，出水温度为35℃，冷却塔的补给水量为冷却塔的循环水量的1%—3% 冷却塔的冷却水量和风量的计算 G=3600Qc/CP（tw1-tw2）△tw= tw1-tw2=35-30=5℃ Qc=1.2 Q 其中 Qc—冷却塔冷却热量（KW）,对压缩机制冷机取1.25-1.3Q0（Q0为制冷量）这里取1.3；
CP——为水的比热容4.2（KJ/(Kg.K)）则 Qc=1.3×1600=2080KW 每台制冷机配一台冷却塔，所以冷却塔冷却水量为：
G=3600 Qc/（CP△tw）=3600×2080/(4.2×5)=356571kg/h=356.571m3/h 风量计算：
Q= 其中 Is1 Is2 对应于下列温度的饱和空气焓；
ts2 ts1 为室外空气的进出口湿球温度；
ts2—合肥市夏季空气调节室外计算湿球温度,查得28.2℃。
ts1 = ts2 + 5 =33.2℃ Is1 =117.5KJ/Kg Is2 =90.5KJ/Kg G=3600×2080/4.2×（117.5-90.5）=66031.7kg/h=55026.5 m3/h(空气密度1.2kg/m3)选用两台同型号CDBNL3系列超低噪声逆流玻璃钢冷却塔，参数如下：
型号 冷却水量（m3/h）总高 mm 风量(m3/h)风机直径 mm 进水压力（kpa）直径 m CDBNL3-350 350 5963 187400 6400 37.5 5 2 冷冻水和冷却水水泵的选择；
（一）冷却水泵的选择（开式系统）（1）扬程的计算：
H=H1 + H2 + H3+ H4 H—冷却水泵的扬程 H1—冷却水系统的沿程及局部阻力水头损失6.04m(由上面计算)H2—冷凝器内部阻力水头损失（m）,这里取7m（冷凝器水压降＜69kpa）H3—冷却塔中水的提升高度（m）,这里取24.5m H4—冷却塔的喷嘴雾压力水头，常取5m 因此冷却水泵所需的扬程 H=H1 + H2 + H3+ H4 =42.54m。
Hmax=（1.05～1.10）H 则Hmax=1.1×42.54=46.79m（2）流量的确定：
由制冷机组性能参数得卧式壳管式式冷凝器水量为344m3/h，考虑到泄漏，附加10%的余量即为，344×（1+10%）=378.4m3/h（3）冷却水泵的选择：
根据以上所得流量和扬程，选择三台（二用一备）IS系列型号为200-150-400水泵：
型号 流量 扬程 效率 转速 功率kw 电机型号 汽蚀余量 吸入口直径 mm m3/h m r/min 轴功率 电动机功率 IS200-150-400 400 50 81% 1450 67.2 90 280M-4 3.8 200 外形尺寸 mm×mm×mm 安装尺寸 压出口直径 mm a H H1 H2 L1 L5 B1 B2 8-φd mm mm mm mm mm mm mm mm mm 2060×730×915 160 465 915 825 1840 2060 670 730 8-φ22 150（三）冷冻水泵的选择（1）扬程的计算：
H=H1 + H2 + H3 H—冷冻水泵的扬程 H1—冷冻水系统的沿程及局部阻力5.98m(上述计算可知)H2—蒸发器内部阻力水头损失（m）,这里取7m（蒸发器水压降＜69kpa）H3—冷冻水的提升高度（m）,这里取24.5m 因此冷冻水泵所需的扬程 H=H1 + H2 + H3 =37.48m。
Hmax=（1.05～1.10）H 则Hmax=1.1×37.48=41.23m（2）流量的计算 由制冷机组性能参数得卧式壳管式蒸发器水量275m3/h，考虑到泄漏，附加10%的余量即为，275×（1+10%）=302.5m3/h 根据以上所得流量和扬程，选择上海奥利泵业制造有限公司的卧式离心泵，具体参数如下：(㎜)型号 外型尺寸 安装尺寸 进出口法兰尺寸 长 高 底长 底宽 a h L DN D D1 冷冻水泵 200-315(I)A 1060 865 790 560 168 461 600 200 340 295 型号 流量（m³/h）扬程（m）效率 电机功率（kw）转速（r/min）必需的汽蚀余量（m）重量（kg）200-315(I)A 262 74.4 75 110 1450 4.0 1254 每组使用使用三台泵，两用一备 3软化水器的选择 根据补水流量选用MHW系列全自动软水器 型号 产水量（m3/h）树脂填量（t）周期盐耗（mm）安装尺寸（mm）进出管径mm MHW-IR-AT600 5-6 0.79 47 500×760×1200 100 4 软化水箱及补水泵的选择；
(1)冷冻水的补给水量为冷冻水总循环水量的≤1%取1%则补水量 Q1=275×2×1%=5.5m3/h, 软化水箱的大小满足补水泵能连续运行1.5~2.5h,这里取2h, 则V=Q1×2=11m3 补给水泵的流量 Q2=275×2×1%=5.5m3/h，扬程H≤冷冻水泵的扬程所以选择两个如下的泵：(一用一备)型号 流量 扬程 效率 转速 功率kw 电机型号 汽蚀余量 吸入口直径 mm m3/h m r/min 轴功率 电动机功率 IS50-32-200 5.75 13.1 75% 1450 0.75 802-4 2.0 50 外形尺寸 mm×mm×mm 安装尺寸 压出口直径 mm a H H1 H2 L1 L5 B1 B2 4-φd mm mm mm mm mm mm mm mm mm 850×360×415 80 235 415 325 820 850 320 360 4-φ17.5 32 5 分水器及集水器的选择；
（1）分集水器——多用于多回路的空调水系统，直径应按总流量通过时的断面流速（0.5—1.0m/s）初选，并应大于最大接口管开口直径的2倍。
（2）过滤器——冷水机组、水泵、电动调节阀等设备的入口管道上应安装过滤器或除污器，以防杂质进入。
（3）压力表——分集水器、冷水机组的进出水管、水泵出口应设压力表。
（4）温度计——分集水器、冷水机组的进出水管影射温度计。
膨胀水箱的选择 膨胀水箱一般按照冷冻水系统管路总水容量的2 ～ 3%选择 一般，一万平方米左右建筑空调水系统膨胀水箱的容积为2 ～ 4立方。
2.软化水箱及补水泵的选择（1）假定集水器的流速为s1.0m/ d=103 v L p 4 L=2×275=550m3/h=0.1528m3/s ,D=443mm,取450mm，分集水器内流速为v=0.96m/s 支管流量Ll=0.1528/2=0.0764 m3/s, 假定分水器的流速为1.0m/s, L=2×344=688m3/h =0.1911m3/, D=457mm取450mm, 则速度为 1.2m/s 所选集水器和分水器的特性：
内径(mm)管壁厚（mm）封头壁厚（mm）支架（角钢）支架（圆钢）450 10 16 L60×5 D18（2）分水器和集水器的长度计算（3）集水器的长度：D1=400 mm，D2=250 mm，D3=250 mm，D4=100mm(D1为冷冻水泵（4）进水管直径，D2和D3为用户管路直径，D4为旁通管直径)L1=D1+60=410mm，L2=D1+D2+120=670 mm，L3=D2+D3+120=620 mm，L4=D3+D4+120=470mm，L5=D4+60=160mm 总长度为L=L1+L2+L3+L4+L5+18×2=2366mm 分水器的长度：D1=400 mm，D2=250 mm，D3=250 mm，D4=100mm(D1为冷冻水泵出水管直径，D2和D3为用户管路直径，D4为旁通管直径)L1=D1+60=46mm，L2=D1+D2+120=620 mm，L3=D2+D3+120=620 mm，L4=D3+D4+120=470mm，L5=D4+60=160mm 总长度为L=L1+L2+L3+L4+L5+18×2=2330 mm 集水器和分水器一般会设置排污口的直径取DN40 mm 6 过滤器的选择；
根据管路直径选择对应的Y型过滤器。
冷冻水泵进水口直径d=350mm, 所以过滤器选Y-350mm 冷却水泵进水口直径d=400mm, 所以过滤器选Y-400mm 补给水泵进水口直径d=35mm, 所以过滤器选Y-35mm 7电子水处理仪的选择；
根据冷却水泵压出管直径d=400mm选用电子水处理仪 型号 输水管径(mm)处理流量范围(t/h)设备外形尺寸 净重(kg)连接形式 面积 直径 SYS-400C1.0M/C 400 280-440 850 420 150 法兰 8 定压罐的选择 可根据冷冻水补水量进行选择，由上面可得补水量为5.5m3/h，可选择NDB-60定压罐。其具体性能参数如下 补水流量 m3/h 系统压力 气压水罐 D×H（mm）定压泵型号 进口管径 mm 出口管径mm 净重量KG 6.0 <=0.5 1600×2700 IS65-60-20 65 65 1600 七．制冷站工艺布置 1.对制冷机房的要求 制冷机房应布置在全区夏季主导风向的下风侧；
在动力站内，一般应布置在乙炔站、锅炉房、煤气站、堆煤场上风侧，以保证制冷机房的清洁。位置应尽可能靠近冷负荷中心以缩短冷冻水和冷却水管网。
空调用制冷机房主要包括主机房、水泵房、变配电间和值班室等。高度不应低于3.6—4m，设备间也不应低于2.5m。
由于设备运行时如变压器、开启式离心冷水机组、溴化锂吸收式制冷机组等都有较大的热量产生，水泵房还有余湿，制冷机房应有良好的通风，制冷机房应有每小时不少于3次换气的自然通风。此外对电动型冷水机组、燃气型溴化锂吸收式制冷机组还应考虑事故通风。
制冷机房应采用二级耐火材料建造，机房最好设为单层建筑，设有两个出入口，机房门窗应向外开启，机房应预留能通过最大设备的安装口。
2.制冷机房的设备布置 机房内设备布置应保证操作和检修的方便，同时应尽可能使设备布置紧凑，以节省建筑面积，制冷机组的主要通道宽度；
制冷机组与配电柜距离不应小于1.5m；
制冷机组之间或与其他设备之间净距离不小于1.2m；
机组与墙壁之间以及与其上方管道或电缆桥架的净距离不小于1m。
冷却塔应布置在通风散热条件良好的屋面或地面上，并远离热源和尘源，冷却塔之间及冷却塔与周围建筑物应有一定间距 水泵的布置应便于接管、操作和维修；
水泵之间通道一般不小于0.7m。
八.设计总结 这次课程设计非常考验前期所学习的知识，还有我们查阅资料的能力。课程设计的过程非常复杂，在此过程中我学习到了很多东西，之前对《规范》基本上没有用过，通过这次课程设计，是我对制冷基础机房设计过程中对规范的参考有了深入的认识，更多的学会了查阅资料，参考文献，通过这种查阅的过程不断地积累和学习了很多专业知识，这是平时的学习很少能直观体会到得东西。
课程设计的前半程，方向没有把握好，选择了吸收式制冷机组，但是在选择的过程中回头发现这种设计存在一定的缺陷，最终改变使用离心式制冷机组，离心式制冷技术上比较有优势，通过前后的比较发现这种设备在运行上和其他几种差不多，但是技术优势明显，制冷速度比较快，启动快，现在离心式制冷技术发展也比较迅速，因此最终定型离心式制冷机组。
通过网上查阅资料，最终定型的是格力空调C系列的离心式制冷机组:LSBLX1600G.这是一种比较稳定的机组，采用了国际上先进的设计制造技术和微机控制系统，集可靠性高、高效节能，运行平稳、调节范围宽等优点于一身。在标准工况下的制冷量范围为：1000～7200kW，采用环保制冷剂R134a，可广泛用于大型办公楼宇、医院、学校、商场以及工艺流程。
后面的冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔的选择对品牌，造价考虑的相对较少。这样一次课程设计扎实的增加了我对专业设计方面的认识，一种直观的认识，付出努力以后获得的不少收获。
有这样一次的课程设计机会对学习好专业知识非常有用帮助，在大学学习阶段，我们希望获得更多的锻炼，更好的为明年的找工作打下扎实的专业知识基础，也能将来走向社会，走向工作岗位以后，计量减少一些初级设计错误，用良好的专业知识应用到将来的工作。
本次课程设计到此结束，毕竟是第一次做制冷空调技术方面的设计，许多不足，还有很多需要加强学习的地方，之前专业基础知识也不扎实，暴露的问题还需要在后面的时间里学习。
半导体制冷技术应用 第6篇
1 半导体制冷技术在动力电池热管理中的应用
动力电池热管理可以说是汽车动力电池系统的重要组成部分, 具有提升电池寿命、改善电池性能与安全的效果, 在电动汽车整车热管理中占据重要部分。目前, 关于动力电池热管理的相关研究已经取得一定的研究成果, 而其中半导体制冷技术的应用, 有效提升了动力电池热管理的效果本节对汽车动力电池系统热管理中应用半导体制冷技术的效果做浅要分析。
1.1 构建动力电池热管理系统总体流程
结合动力电池热管理的目的, 对动力电池热管理系统流程进行设计, 具体流程图如图1示。
1.2 分析半导体制冷技术在动力电池热管理系统中的应用
在动力电池热管理系统中, 电池内热环境的调控主要通过三个系统部分实现, 分别是加热系统部分、保温系统部分和冷却系统部分, 而冷却系统的散热模式通常包含自然冷却、强制风冷、强制液冷三种, 均采用半导体热电堆与不同散热方式结合而形成冷却系统, 利用半导体制冷原理来实现动力电池热管理中的系统冷却功能。半导体制冷主要是通过利用珀尔帖效应实现的, 图2半导体制冷的原理图。
通过空穴在半导体电场作用下运动实现热能与势能之间的转换, 从而形成热电堆的热端与冷端, 热端通过与翅片散热器连接, 采取风冷、液冷与自然冷却形式, 实现制冷功能。在动力电池热管理中应用这种半导体制冷方式, 有效的利用了半导体制冷中无需制冷剂、无污染、体积小、无机械传动、重量轻、无噪音、冷却速度快的优势。结合不同散热方式, 可实现车动力电池温度环境的调控, 有效冷却环境温度, 从而满足动力电池热管理的需求。比如磷酸铁锂电池, 根据需要, 采用半导体热电堆与风冷散热方式结合, 有效的将环境温度降低到-20℃~60℃, 调节速度快, 效果好, 符合现代动力电池热管理的冷却要求。
2 动力电池热管理中应用半导体制冷技术的实验验证
在动力电池热管理中采用半导体制冷技术, 可通过半导体制冷原理实现对动力电池环境的温度调节与控制。本节进行分析动力电池冷却系统中采用的半导体制冷技术与传统直接风冷方式效果的对比试验, 来探究半导体制冷技术在动力电池热管理中的应用价值。
2.1 实验的主要设备
实验的设备主要包括:TEC电池模块和充放电设备、直流风扇, 以及直流稳压电源、恒温烘干箱、温度记录设备、风速仪、T型热电阻等。
2.2 实验的主要方式
设置实验对照组, 以传统直接风冷电池组模块作为对照对象, 以半导体制冷技术应用的电池组模块作为研究对象, 风冷模块一般多使用12V/0.18A的直流风扇。以加装于模块外壳的正面, 上开口为半封闭结构, 风速设置为1.0m/s。TEC模块常用的型号为TEC1-12705, 属于半导体热电堆制冷设备, 联合翅片、风扇可经温度进行合理的管理。电池组模块实行正面开孔工作, 应合理的嵌入半导体结构, 将模块设置为全封闭的结构, 以此确保模块电池散热效果, 并保证在短时间得到温度的控制。实验的阶段, 经编写充放电对程序、模块实行控制, 进而实现不同倍率的放电效果。将两个模板实行恒流充电、恒压充电, 充电的电流达到7A的时候, 充电截止电流应设置为350m A。静置时间为60min, 电池模块达到环境温度的时候, 需实行模块的恒流放电。针对两个模块实行45℃高温恒温的放电测试, 放电的倍率应设置为3C, 放电截止电压应在2.0V的范围内。
2.3 实验的结果与结论
经过实验测试, 在45℃高温条件下完成TEC模块与风冷模块的放电测试, 测试结果如图3所示。观察图3数据变化可知, 随着电池环境温度的逐渐升高, TEC模块的平均温度始终比传统风冷模块温度低, 而在1680秒与1609秒时, 风冷电池模块温度与TEC电池模块的温度分别达到最大值, 温度分别是52.3℃和51.2℃。而达到最高温度后, 两组电池组的温度均开始降低, 但TEC组的降温速率明显比风冷模块组更高。这说明TEC电池模块的散热效果更好, 在动力电池放电运行过程中, TEC模块这种应用了半导体制冷技术的电池组温度冷却效果更加明显。由此可见, 在动力电池热管理中应用半导体制冷技术, 能够更加有效的实现对电池温度的调控, 满足电池热管理需求。
3 总结
动力电池热管理在汽车动力电池管理中具有重要作用, 而半导体制冷技术的应用则有效提升了动力电池热管理的效果, 在制冷冷却方面取得较大的优势。本次研究通过分析半导体制冷技术的应用情况, 结合实验验证方式, 分析了半导体制冷技术在动力电池热管理中的应用效果, 研究结果证明半导体制冷技术相比传统风冷具有更好的降温冷却效果, 值得推广应用。
摘要：动力电池热管理在电动汽车的能效管理中占据主要位置, 而在动力电池热管理中应用半导体制冷技术, 有助于提升电池的效能和使用寿命, 同时对电池的安全具有重要影响。本文分析动力电池热管理中半导体制冷技术的应用, 并通过实验方式对半导体制冷技术的应用效果进行验证, 希望给相关研究提供一定的参考价值。
关键词：动力电池,热管理,半导体制冷技术应用
参考文献
[1]辛嵩, 刘庆仁, 卜凡秀等.半导体制冷技术在矿井局部降温中的应用研究[J].煤炭技术, 2015, 34 (3) :119-120.
半导体制冷技术应用 第7篇
关键词：半导体制冷,热电效应,半导体冰箱
1 半导体制冷的基本概念
半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料, 在通过直流电时有制冷功能, 因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性, 它的应用才真正使热电制冷实用化, 为此人们又把热电制冷称为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来, 是由于人们先发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应, 即具有制冷功能的珀尔帖效应, 与温差发电对应, 把后者称为温差电制冷。
这种制冷新技术与传统的制冷方法不同, 既没有制冷剂, 又无复杂的机械设备和管路系统.只要给热电制冷器—通电, 几分钟后就会结上一层雪白的冰霜, 既方便又迅速。因此, 它开辟了制冷技术的一个新分支, 解决了许多特殊场合的制冷难题, 其应用有着十分广阔的前景。
2 半导体制冷的基本原理
2.1 半导体制冷的基本原理
半导体制冷[1]是热电效应 (主要是珀尔帖效应) 在制冷技术方面的应用, 实用的半导体制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的。
根据实验证明, 在温差电路中引入第三种材料 (连接片和导线) 不会改变电路的特性, 这样, 半导体元件可以以各种不同的连接方式来满足使用要求。
如图1所示, 把一只p型半导体元件和一只n半导体元件联结成热电偶, 接上直流电源后, 在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处, 电流方向是n→p, 温度下降并且吸热, 这就是冷端。而在下面的一个接头处, 电流方向是p→n, 温度上升并且放热, 因此是热端。
把若干对半导体热电偶在电路上串联起来、而在传热方面则是并联的, 这就构成了一个常见的制冷热电堆。接上直流电源后, 这个热电堆的上面是冷端, 下端是热端。借助热交换器等各种传热手段, 使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度, 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温, 这就是半导体制冷器的工作原理。由于一个热电偶产生热效应较小 (一般约1kcal/h) , 所以实际上将几十、上百对热电偶联成热电堆。
吸热和放热是由载流子 (电子和空穴) 流过结点, 由势能的变化而引起的能量传递, 这是半导体制冷的本质。
2.2 半导体制冷与机械压缩式制冷的比较
半导体制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用, 冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器, 而热端及其热交换器则相当于冷凝器。通电时, 自由电子和空穴在外电场的作用下, 离开热电堆的冷端向热端运动, 相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端, 通过热交换器吸热, 同时产生电子-空穴对, 这相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热电堆的热端, 发生电子-空穴对的复合, 同时通过热交换器散热, 相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
机械压缩式制冷与热电制冷系统间存在着一些类似的地方, 各对应部位, 如图2所示。
2.3 半导体制冷的主要特点
热电制冷装置与一般制冷装置的显著区别在于:不使用制冷剂, 没有运动部件, 容量尺寸宜于小型化, 使用直流电工作。
由于不使用制冷剂, 消除了制冷剂漏泄将对人体、环境造成的影响。在这些场合, 使用半导体制冷是十分适宜的。例如用在密闭的工作室内。
由于没有运动部件, 在半导体制冷器运行时, 无噪声、无振动、无磨损。因此工作可靠, 维护方便, 使用寿命长。对于潜艇等特殊环境, 对噪音和振动有比较高的要求, 维护操作亦力求简便, 半导体制冷装置是比较理想的冷源。
半导体制冷器的容积尺寸宜于小型化, 这是一般制冷技术所办不到的。小型半导体制冷器的产冷量一般在几瓦到几十瓦之间, 它的效率与容量大小无关, 只取决于热电堆的工作条件。微型半导体制冷器的容积和尺寸是相当小的。例如可以达到零下100℃ (173K) 的四级复叠式半导体制冷器, 它的产冷量只有几十毫瓦, 外形大小跟一只香烟盒相仿。
半导体制冷装置可以通过调节工作电压来改变它的产冷量和制冷温度。作为仪器仪表的小型冷源, 易于实现连续、精密的控制。如采用半导体制冷的零点仪可以达到±0.001K的精度。大型的热电空调装置, 改变电路的连接方式可以调节产冷量, 低负荷时效率随工作电流减小而提高, 超负荷时产冷量可成倍增加。半导体制冷装置的这种机动性比较适合船舶的使用要求。
半导体制冷装置使用直流电工作, 对于工作电压的脉动范围有一定的要求。如果允许的产冷量损失为1%左右, 那么电压的脉动 (波纹) 系数 (交流成分有效值与直流成分的比值) 一般不应超过10%。最好采用蓄电池或三相全波整流电源。如果采用单相全波整流方式, 必须加上滤波器才能使用。
由于上述特点, 在不能使用一般制冷剂和制冷装置的特殊环境以及小容量、小尺寸的制冷条件下, 显示出它的优越性, 成了现代制冷技术的一个重要组成部分。但由于半导体制冷的效率比较低, 再加上制造工艺比较复杂, 在一定程度上限制了半导体制冷的推广和应用。
3 半导体制冷在电冰箱中的应用
3.1 半导体冰箱的主要构成
半导体冰箱[2]一般主要由箱体绝热层、门体、箱外散热器、箱内散热器、在箱内外散热器之间的半导体制冷芯片 (热电堆) 、开关电源等几部分组成。
3.2 半导体冰箱主要分类
1) 按门或盖的型式可分为顶开式和直立式。
2) 按冰箱用途可分为卧室冰箱、汽车冰箱 (车用冰箱、车载冰箱) 、船用冰箱、旅游冰箱、酒柜、化妆品冰箱等。
3) 按冰箱储藏温度可分为冷藏箱、冷藏冷冻箱、冷藏冷冻转换箱、冷暖箱、冷暖两用转换箱等。
3.3 半导体冰箱与普通机械冰箱的区别, 见表1
3.4 半导体冰箱的特点及应用范围
3.4.1 特点
1) 噪音低、振动小, 无磨损、运行可靠、维护方便。
2) 制冷速度快。
3) 可通过改变电流方向达到冷却和加热两种不同的目的。
4) 体积小、重量轻, 可大大节约空间。
5) 不使用制冷, 不污染环境。
6) 具有温度显示功能 (仅限于北极熊、熊猫外观的) 。
7) 可使用220V交流电源和12V直流电源。
8) 采用高效离心式风扇, 噪声低, 功耗小, 冰箱整机采用静音式设计, 比市场上的同类产品噪声低8~12dB。我们的产品低至40dB以下。
9) 外壳、内胆均采用ABS材料, 光泽美观, 结实耐用。
3.4.2 应用范围
1) 单身贵族、打工白领、学生宿舍, 适合于不甚宽敞的地方。
2) 各种车辆, 长途行车, 甚至是在赛车的途中, 它都能为你提供适温舒心的饮料和食品, 省去购物的繁琐。
3) 专业司机, 自带工作餐保温和饮品冷藏, 在驾车之余随时享受高科技带来的便利。
4) 宴会厅、酒吧、娱乐场所, 预先存放酒水, 方便顾客自行取用, 减轻服务工作量, 刺激消费、令商家财源滚滚。
5) 旅行、游艇、钓鱼、露营、野餐, 以备一时之需, 更放心、合意。
6) 办公场所, 在紧张的工作之余, 一杯清凉的饮料可以缓解你的工作压力;并可成为办公室的一个亮点。
7) 在卧室给你的家庭增添无限的温馨, 享受五星级的照料。
8) 馈赠礼品, 价位适中, 时尚潮流, 体现更高品位。最突出的优点是它作为科技新产品, 送礼, 谁也不舍得拒绝。
9) 适合于葡萄酒的存放, 因为葡萄酒特别需要安静, 忌讳振动和噪声, 半导体冰箱采用节能静音设计, 专为您的需求而设计。
4 结束语
由于半导体制冷具有许多优越性, 因此半导体制冷技术发展很快, 应用也更加广泛, 半导体冰箱、半导体空调等产品的优势也越来越突出, 相信随着半导体制冷技术的进步, 半导体产品将会占有更多的市场份额。
参考文献
[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海交通大学出版社, 1992.
半导体制冷性能的优化 第8篇
传统理论认为, 热电制冷效率不高的关键是因为现有热电材料的优值系数太低。热电制冷系统热力循环的不可逆因素主要是内部耗散, 即焦耳效应和傅立叶效应, 因此对系统进行热力分析时一般理想化为外可逆热力模型。几十年来, 有关改善热电制冷性能的研究基本集中于提高热电材料优值系数上, 力求通过改善热电材料微观组织等途径提高材料热电性能。另一方面, 为了适应制冷器微型化的发展趋势和需求, 一些研究者致力于制冷模块结构优化和热电制冷薄膜集成结构研究, 力求通过降低电偶臂接触阻抗的相对影响来改善微型热电制冷部件的性能。但是, 热电制冷系统的优化, 特别是有限传热等外部不可逆因素对系统性能的影响也是不可忽视的。
半导体制冷的应用现已非常广泛, 以节能紧迫性和环保的迫切性为背景, 电子、生物、医药等领域对温度精确控制的需求推动, 以及新材料和其他相关技术的渗透和促进, 为热电制冷应用提供了新的发展机遇和动力, 应用领域不断向广度和深度拓展。热电制冷系统优点突出:不用制冷剂, 不污染环境, 体积小, 重量轻, 无噪音, 无磨损部件, 电子运动不受重力影响, 价格低廉, 操控方便, 只要接通电源便可迅速制冷。
1 在热电材料方面的优化研究
半导体制冷在很大程度上依赖于半导体材料的发展, 半导体制冷的效果好坏、制冷效率的高低都与材料的优值系数Z有关。半导体制冷器要想达到与机械式制冷机相当的制冷性能, 材料的优值系数必须在13×10-3K-1以上。为此世界各国的半导体制冷学者均将主要精力放在寻找新的半导体材料上, 力图通过新材料热电性能的提高来促进半导体制冷器的应用和发展。到目前为止, 室温下优值系数最高的材料是P型Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金, 其在300K时Z值可以达到5.7×10-3K-1, 但是制备起来非常困难[1]。200~300K普冷范围内热电性能优良、应用最多的材料是三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金, Z值可达到3.0×10-3K-1左右, 是目前各国半导体制冷器生产厂家的首选材料。20~200K范围内最好的材料是N型Bi-Sb合金, 其Z值可普遍保持大于3.0×10-3K-1的水平, 其中在80K时得Z值可以达到6.5×10-3K-1, 是已知材料中最高的, 但目前还没有找到一种热电性能可与N型Bi-Sb合金材料相当的P型材料, 从而可以组成优值系数较高的制冷电对最好的P型材料[2]。
Mole[3]等认为减少声子传导率可大大提高半导体制冷堆的优值系数。而Boff等提出半导体制冷系数提高到20以上则其优值系数需要提高到13×10-3K-1的水平。提高半导体制冷器材料优值系数的方法包括材料最优化的物理原理和制造工艺两个方面。从物理原理方面来看, 提高Z值的方法可以有选择最佳载流子浓度、增加材料的禁带宽度、提高载流子的迁移率与晶格热导率的比值、改变材料的散射机构等, 这些方法都是可以通过合适的掺杂来实现的。从制造工艺方面来看可以采取降低材料的生长速率并合理选择退火温度和退火时间来提高Z值。
近年来许多学者致力于很有潜力的热电材料的研究。氧化物备受关注, 其最大特点是可以在高温氧化气氛下长期工作, 且大多无毒性, 制备简单。对过渡金属氧化物NaxCo2O4, 提高其热电性能的主要研究方向是NaxCo2O4的Na位掺杂和Co位掺杂。具有交互生长结构的LixNayCoO2单相多晶系列室温热电势比NaxCoO2体系约高出60μVPK, 基于系统的载流子具有O2pL属性以及LNCO特殊的结构特点, LNCO体系的额外热电势来源于载流子的占位熵, 这个结果预示LNCO可能成为比NCO更优越的热电材料[4]。
Skutterudite 是一种CoAs3矿物的名称, 俗名方钴矿。提高Skutterudite类材料热电性能的主要研究方向: (1) 在成分优化设计方面, 可以考虑利用能带理论寻找更有效的填充原子, 选择更灵活的填充方式; (2) 应加强在低维化等方面的研究力度, 把各种优化工艺结合起来, 综合处理; (3) 提高热电材料的性能分析测试手段也是目前热电材料的研究重点[5]。
采用高温熔融法结合固相反应法合成的SmyFexCo4-xSb12化合物, 随着Sm填充分数的增加, 其载流子浓度及电导率降低;塞贝克系数随温度的升高和Sm填充分数的增加而增大; 晶格热导率随Sm填充分数的增加先减小然后再增加, 在某一填充分数时达到最小值。Sm0.19Fe1.47Co2.53Sb12化合物显示最大热电性能指数, 在750K时其最大无量纲热电性能指数ZTmax值达0.55[4]。
以Ag、Bi、Sb、Te 4种元素为原料, 经1373K真空熔炼合成了AgxBi0.5Sb1.5-xTe3 (x=0、0.05、0.1、0.2、0.5) 合金。含Ag的四元合金的电导率比三元合金Bi0.5Sb1.5Te3有明显提高, 但Seebeck系数下降。Ag0.2Bi0.5Sb1.3Te3具有较高功率因子, 在550K时达1.7×10-3W/ (m·K-2) [6]。
2 在结构方面进行优化
首先, 主要用于电子元件、探测仪器、实验仪器等的局部或整体冷却的微型热电制冷技术, 无方向性制约, 能够微型化, 便于与冷却对象组合或集成, 因而不可缺少, 甚至不可替代[7]。典型的热电膜集成技术与制冷模块冷却相比的优势在于:能够对电子元件局部进行针对性冷却;可望与现有电路工艺兼容, 简化系统, 降低成本;减少能耗, 提高性价比。根据参考数据, 模块TEC在x-y方向上的尺寸比薄膜式的大6倍, 在z方向上大18倍, 总体积大110多倍。薄膜TEC的产冷量几乎是模块冷却的4倍, 在仅为一张纸的厚度上控制的最高温度达到了40℃;在糖果大小的面积上能产生16W的制冷量。在室温下制冷模块和热电膜集成冷却的性能比较如表1所示[8]。
其次, 一种重要的系统组织结构方式是P-型、
N-型热电元件与热交换器直接交错连接集成 (见图1) , 热交换器也成为电流通道一部分。对于气-气系统, 系统组织方式有3种, 分别为柱型结构、直线型结构、平面型结构[8]。采取这种组织结构的主要意义在于适应大电流的需要, 并减少热电元件与冷、热媒体之间热阻。这种系统结构适合于大型热电空调系统。近40年来, 而更多的系统采用陶瓷绝缘热电制冷模块与热交换器组合的单元式结构体系。
理论分析表明, 采用无限级联温差电偶对结构[9] (见图2) , 这种热电对的最大制冷温差比无银膜时可提高1.5~3倍。由于两电臂之间用高电导、高热导的银膜短接, 使得电臂中的电流无限分流, 就像无限级微热电对 (见图3) 前后电并联、热串联在一
起, 在单级热电对中形成类似多级半导体致冷器的级联式热电对, 使得电臂中的冷热源重新分配, 沿热通路方向抵消部分流向冷端的热量[10]。另外场致电发射结构[11]、柔性功能梯度材料作绝缘层[12]、热电偶冷端点阵接触结构[13]、悬臂热接触结构[14]等结构模式, 可以优化电臂结构热传递, 减少接触层电阻、热阻的不利影响, 消除热应力损伤, 从而提高热电制冷器性能;但这些结构模型无一例外面临工艺上的困难, 因此要达到工程应用阶段尚须时日。
3 加工工艺方面优化
(1) 在加工工艺方面造成性能下降的主要原因。
附加传热温差: (原因是电绝缘导热层、钎料层和导电金属片本身都存在热阻, 焊接缺陷也会产生热阻) 对电堆性能的影响最大, 约为全部温差的92%。
焊缝电阻:每一对热电制冷元件焊接成电偶时, 有4处需焊接, 这必然增加4个焊缝电阻。焊缝电阻包括钎料自身电阻和接触电阻。
杂散热交换:在热交换时不可避免地存在漏冷, 即辐射漏冷, 使得电堆的制冷量小于各对电偶制冷量之和, 电堆的制冷系数小于电偶对的制冷系数。辐射和对流漏冷与冷热端的温差及电堆的结构形式有关, 电偶元件排列越密, 辐射和对流漏冷就越小, 电堆冷热端之间有隔热时, 漏冷较小。
(2) 采取的主要优化措施。
减少电绝缘导热层厚度;检查元件的电阻值;保证夹具夹紧力、平面度和平行度;优化焊接工艺;减少钎料用量。
4 散热问题的解决对性能的优化
热电堆除了在端部有很大的热流密度外, 同时还具有相当低的动力效率。因此, 强化热端与周围介质间的传热对性能的优化就显得十分必要。常用的热端散热方式特点各不同:空气自然对流, 效率低;强迫对流, 有噪音, 换热系数比自然对流式可提高10倍;接触导热, 相变传热, 适用于间歇工作的场合;高热容物质吸热。环流散热, 实际上是空气自然对流与水冷散热相结合;液体循环冷却 (使用目前世界领先的平行流散热器对循环液进行二次冷却) , 用于大温差半导体的散热, 减少了普通充液循环的液体浪费。
热管传热是最近在热传导领域内兴起的一项新技术, 它打破了传统的以水为介质传热方式, 是热传导领域的一次新的革命。它由铜、铝等管材两头密封经抽真空填充相变工质制成, 在热管的内部装有紧贴内壁的毛细芯 (吸热芯) 层。热管的一端与热源相接, 另一端与冷源相接, 毛细芯是把放热冷凝成液态的工质传输到蒸发段的通道 (见图4) 。热管式散热器可获得较大的散热面积, 重量轻, 热阻小[3]。
所以在间歇工作的场合首选相变沸腾换热, 在连续工作的场合首选热管传热。热端换热强度的高低决定了制冷器的效率和制冷量的大小 (以上属于被动散热) 。主动散热主要是附加制冷机, 如采用双级耦合半导体制冷系统, 用第二级半导体的冷端来冷却第一级的热端, 这样可强化热端散热来提高致冷器的性能。
5 合适工作电流的确定对性能的优化
按传统的设计理论, 半导体致冷器有两种状态, 即最大制冷系数状态和最大制冷量状态。这是两种极限状态, 制冷器在实际工作过程中一般是不可能达到的, 所以等功率状态和最佳工作参数状态的提出, 弥补了传统理论的不足, 使半导体致冷器的设计得到了优化。由图5的性能曲线可看到:若制冷器在等功率状态点E的电流下工作, 其性能将优于最大制冷系数状态和最大制冷量状态下的性能。在电流处于I0 (最大效率) 至Im (最大制冷量) 的区间内, 即“工况优域”内, 有一个特别的工作点s, 既具有较大的制冷量, 又具有较小的功耗, 所以制冷率、制冷系数都取得较大值, 而且两者的乘积取得最大值, 从而使在此工作点工作的制冷器具有最佳的综合效益, 通过合理匹配制冷元件, 可得到较高的制冷效率, 而达到节能的目的。
6 结论
精密半导体制冷控制系统设计 第9篇
自20世纪50年代起,半导体制冷技术因为其独特的优点开辟了制冷技术的一个新分支,解决了许多场合的制冷难题。它已广泛用于国防、工业、农业、医疗和日常生活等各领域[1]。传统的致冷方式存在体积大、功耗高、精密度不够、影响环境等多方面问题,使其在部分场合的应用受到限制。相比于传统致冷,半导体致冷有体积小、轻便抗震、可靠性高、维护成本低、便于控制、绿色环保等诸多优点[2,3]。
本设计通过使用半导体制冷器件完成对温度的控制,跨越多学科完成了一个环保绿色的控制制冷系统,应用于科学研究和医疗等领域[4]。该设计具有以下特点:①绿色环保,使用半导体制冷替换了传统的压缩机;②数字脉宽PWM调制技术替换了模拟控制,极大提高了功率效率;③方案采用低功耗、低电压、无铅化器件实现绿色环保节能;④功能完善的MSP单片机技术,数字PID闭环控制实现精密温度控制,稳定性好、工作可靠、调整方便。
1 系统设计
1.1 系统结构及其功能
图1为系统结构示意图。系统分为五个功能模块:MCU控制模块(MCU)、温度传感模块(Themistor Detector)、TEC致冷及其驱动模块(TEC)、电源及管理模块(Power Supply)、键盘输入及液晶显示模块(Key Board & LED)。
系统采用闭环反馈控制,用户通过键盘输入设置制冷系统工作时的稳定温度,MCU将该指令经D/A转换后输出给温度采集模块的电热调节放大器(INA330);在处于系统内壳空间中的传感部分采集温度信息,该温度信息经过INA330运算转换为电压差信号,经A/D转换送给MCU进行处理。MCU对该电压差进行PID调节后输出PWM波驱动TEC,起到调整温度的作用。而调整后的温度又反馈回传感部分,与用户设置温度相比,再输出温度差信号给MCU,MCU根据PID算法改变PWM占空比输出,对TEC工作进行调节,重复进行上述过程,即可达到设置的稳定温度。
1.2 温度传感模块外围电路设计
1.2.1 设计原理
温度传感模块的电路设计如图2所示。经过内部镜像电流源的两个臂的恒定电流I1和I2接热敏电阻与参考电阻,与内部电路构成一个横流电桥,桥路的热敏电阻变化将引起输出电压差△Vo的变化[5]。在设计中,改变R8的大小,可改变平衡点的标准温度,从而调节温度的控制范围。TR1为热敏电阻,在此采用10k的热敏电阻。TAdjust由单片机的D/A转换输出的模拟信号来设置温度值,即对应的电压值。而电阻R9决定温度调节的控制范围。另外,单片机管脚允许最大电压为3.6V,为防止Vo输出过大,在输出脚Vo加入嵌制电路,通过实验测定,此处电阻取值为470欧。
1.2.2 参数确定
①Rset的确定。
如图3所示,Rset的取值决定了输出为零的的参考点。结合本设计温度范围,使参考点温度为0℃,故Rset的大小应为0℃时的RTHERM的值,即32k,在电路中取标称值30k。
②RG的有关计算。
RG的值决定输出Vo的大小,由于Vo输出接入MCU的A/D转换,而设计中A/D转换参考电压为2.5V,因此需通过设置RG的大小使Vo输出在0～2.5V范围。
式中,V1和V2大小为1V,VADJ为D/A转换输出,取中间值1.25V。本设计欲使制冷系统的工作范围为 -10℃～10℃,查阅附录中不同温度时热敏电阻阻值大小,即确定RTHERM值,Rset已在前述内容给出。结合具体情况,本设计中,RG取标称值68k。
③滤波电容取值。
为保证INA330工作性能,在输出前与RG并联有滤波电容CFILTER,其取值由式(2)决定。
本设计中,该电容取值为1000pF。
1.3 TEC驱动模块
TEC模块是本设计中的制冷部分,其设计如图4所示。考虑到不同需求采用两种驱动方式,一种为采用继电工作的快速致冷,其特点是降温速度快,但精确度不高;另一种为采用PWM输出经直流整流后驱动TEC,它可充分发挥PID控制的优势,使温度的控制更加精确。图4中,上图为电路为使用继电器制冷电路,下图即为采用PWM输出致冷电路。由于在该模块中通有10A以上的功率电流,器件的选择与电路板的制作需更加谨慎。电路板制作中TEC致冷的电路走线需用2mm铜线加粗。另一方面,在电路设计中,加入10A的保护电路,电流超过10A大小,保护电路就会自动断开TEC驱动电路。在使用PWM整流制冷的实际操作中,由于电流过大,部分场效应管须并联分流以避免效应管发热损坏[6]。
2 软件控制
2.1 功能实现流程
图5为控制程序流程图。开机后单片机进行开机复位,为调试方便暂关闭看门狗定时器,初始化时钟,确定各分频系数、单片机的工作状态;接着初始化液晶,显示固定字与温度值;无用户指令将温度降至默认值;扫描键盘,看是否有用户指令,若有键盘按下,则使用DA转换,将用户设定温度转化输出至温度感应模块INA330的Vadjust端口,设定稳定温度;再使用AD转换,读出温度传感模块输出的差值,再进行闭环控制。
2.2 温度设定、显示与AD/DA输出理论换算
当前的温度信息Vo要被单片机中的采样到内部进行控制与显示,其定时采入的值e[i],根据数模转换公式为式(3)所示:
在此给出所用热敏电阻与温度关系表达式为:
RTH=10×e-12.76+3271.31/T+291826/T2-39595328/T3kΩ (4)
代入既定值,式(1)可变形为:
由式(4)和(5)代换化简后可得显示温度为:
另一方面,也需将用户设置的值通过单片机D/A输出给温度采集模块,通过温度与阻值关系,由键盘读入的T可得到RTH值, 于是,校准电压为:
单片机内部D/A模块将VADJ输入,所对应数字量D0,根据数模转换关系可知
值得注意的是,当VADJ的大小超过内部参考电压2.5V时,D0就恒为最大值0XFFF。
2.3 PID控制算法及参数确定
系统采用超限判断和积分分离式算法相结合的算法,可以通过对输入量的阈值判断,分别调用PID和PD运算,从而可以避免由于积分饱和现象或其它因素引起的输出超过正常输出现象。既保证了积分的消除稳态误差的作用,又减少了超调量。
使用积分分离的分离阈值为e1,在输入的值与控制要达到的值之差超过一定值时,为了能较快的将温度降低,可使输出值固定在一个较大值(但不超过输出最大允许值);然后到温度降到与所要温度差较小的时候再启用PID控制进行精确调节;经过一定时间的PID精确控制后,为防止控制过程产生极限环以小幅度震荡,可以利用阈值e2来实行PID的工作与否。温度的控制分三部分组成:①较大固定值控制;②增量式PID控制;③不作控制,等待中。而关键就是e1、e2两个阈值和参数KP、TI、TD的取值。设计中e1、e2定为0.5V和0.05V;而KP、TI、TD的取值要保证PID控制时能使PWM的占空比在有效范围内,即0～2的范围,它们三个值之比定为80∶15∶5。
2.4 PWM输出定时器参数确定
PWM程序设计中,PWM的占空比变化是由TBCCR0和TBCCR4所决定的,占空比的值即为TBCCR4与TBCCR0的比值,而TBCCR0定为800,即TBCCR4的值最好不要超过533。所以,KP+TI+TD= TBCCR4/ 4096=533/4096=0.13,可以得到KP=0.8×0.13=0.104;TI=0.15×0.13=0.0195;TD=0.05×0.13=0.0065。
3 仿真与实验
3.1 TEC驱动电路仿真实验
为确定单片机的PWM输出与TEC端电压间的关系,以及测试直流稳定时间和整流效果,对TEC驱动电路做了简要仿真。
仿真结果如图6所示。从图中的输出信号可以明显看出,不同的占空比对应了一个不同的直流工作电压,由于电路中控制端反向,因此在此图中占空比越大,直流电压越小,此外还可以得出,PWM信号经整流后输出直流信号,而直流信号并不是理想的阶跃信号,都有一个大约15ms的稳定时间,这个稳定时间意义在于,在控制中AD转化的采样点应设置在稳定工作区,15ms不稳定的区域内采样是有一定误差的。
3.2 不同占空比制冷效果测试
在对制冷系统的的控制过程中,在不同的PWM占空比下,TEC上的电压变化规律是需要掌握的。在本设计的实际调试中,改变PWM波的占空比(高电平在前),得到的TEC的两端电压值,得出以下数据(表1)并绘出图形(图7),用于理论分析。
由该实验可知,占空比在0到2之间时,TEC两端电压随占空比变化能较快地变化,在占空比大于2时TEC两端的电压值趋向饱和了,变化较小。这个变化关系在PID控制中占有很重要的地位,会影响到PID回路控制中的几个参数的理论值的选定,须将其考虑进PID控制和参数整定。
3.3 大电流负载实验
完成实物制作后,通以较大电流,为测试性能,形成更直观的印象,进行如图8所示的测试。
该实验说明了PWM输出与负载工作情况的关系。该图中,每一行为一组图,第一列为输入的PWM波;第二列为整流后对应负载两端电压。由此可见,设计中理论依据合理,硬件设计准确可靠。
4 结束语
采用FerroTec公司的型号为9505127150的TEC,直流电机驱动的阿尔法400散热器,通过两片串联叠加建立起来的制冷系统,冷却体积为2.25L,环境温度0℃～40℃时,温度稳定精度为0.1度,长期工作时间长达24小时,制冷温度范围为-15℃～25℃。
图9为样机照片,该设计采用MSP430单片机技术,数字PID闭环控制实现精密温度控制,并结合半导体制冷器,完成一个多学科,环保绿色的控制制冷系统,具有一定的创新性。整个系统通过 实验验 证,并成功制成了功能完善的样品,稳定可靠,轻便易操作,有一定的可行性和应用前景。
摘要：为了适合高精准的恒温环境的需要,将半导体贝尔贴效应应用于制冷装置设计,由低功耗、功能完善的MSP430单片机进行数字脉宽PWM调制,实现数字PID闭环控制,达到精密温度控制。设计实现了绿色环保,无噪声无污染,精确稳定,调整方便的半导体制冷系统,特别适合于野外科学研究和医疗等领域。
关键词：半导体制冷,MSP430单片机,PID控制,热电制冷器
参考文献
[1]卢宋荣,薛相美.半导体制冷及其在家用电器中的应用[J].制冷,2004,23(1):83-85.
[2]毛佳妮,陈焕新,谢军龙,等.半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析[J].流体机械,2010,38(7),68-72.
[3]Mei-Jiau Huang,Ruey-Hor Yen,An-Bang Wang.The influence ofthe Thomson effect on the performance of a thermoelectric cooler[J].International Journal of Heat and Mass Transfer.2005(48):413-418.
[4]Fankai Meng,Lingen Chen,Fengrui Sun.Performance optimizationfor two-stage thermoelectric refrigerator system driven by two-stagethermoelectric generator[J].Cryogenics,2009(49):57-65.
[5]任美辉,赵玉梅,梁原华.镜像电流源原理及其应用电路[J].电测与仪表,2006,43(484):1-3.
半导体制冷温控冰箱的研究与制作 第10篇
关键词：需求,积累,珀尔帖,喜爱
1 温控小冰箱的由来
古时人们无法将手中食物长久保存, 无法于炎日下享受阵阵凉意;而今我们不但能常尝到鲜甜的食物, 更能随时随地的感受冰凉的快感, 这一切都归咎于人们的智慧与不断的尝试。别的国家不说, 就中国而言, 据史书记载, 中国在商代 (公元前17世纪初一前11世纪) 已懂得用冰块制冷保存食品了。正因昨日种种, 让人类在制冷与控温这方面的知识不断积累, 成就了如今形状各异, 功能繁多的冰箱。而今, 我们站在“巨人”的肩膀上, 运用他们的知识, 集他们的经验, 我们最后制造出外形简便, 功能与普通冰箱大致相同的温控冰箱。换另一种说法, 这可能就是平常冰箱的缩小版。如果说普通冰箱是时代进步的象征, 那么温控冰箱就是时代创新的杰作。
2 温控小冰箱的工作原理
随着时代的发展, 对于现代人来说“节约, 环保, 便捷”已经成为他们所追求的生活。就普通冰箱与温控小冰箱对比, 我们都知道普通冰箱不仅体积“庞大”, 耗能高, 更重要的是现有冰箱使用的氟利昂冷剂, 对我们生活的环境存在着污染问题。为了寻求解决这方面问题的方法, 经过科学家们的研究, 最终发现利用帕尔贴效应的 (热电) 半导体制冷器件来克服以上这些问题。由于珀尔帖效应的半导体制冷器件体积小, 制冷功能与氟利昂制冷剂的大致相同, 而且容易安装在密封体积小的容器内形成独特的、同样有制冷功能, 满足大众人群需求的小冰箱。如果在外安装一个温度的控制系统, 那就能通过手动来实现对冰箱内部的温度进行控制, 从而满足一部分人对温度的需求。
我们现在所知道的是冰箱的应用越来越广泛, 然而更多的人是不知道它们是如何去工作的。普通的冰箱利用的只是氟利昂制冷剂对冰箱内部进行降温, 最后达到制冷的效果。然而, 温控小冰箱的制冷方法就与普通冰箱的就完全不同, 前者用的是化学剂制冷, 后者用的是半导体制冷。温控小冰箱利用的就是这种方法改造而成的。总所周知, 金属的导热与制冷都是比较差的, 而半导体材料在这两个方面都占有一定的优势, 因而选择了半导体材料, 半导体就是利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时, 在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量, 而另一个接头处则吸收热量, 且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的, 改变电流方向时, 放热和吸热的接头也随之改变, 正是利用了这个原理, 我们不但可以实现对冰箱内的温度进行制冷, 而且其中的温度还可调。若处于理想的状态下, 冰箱还能够加热。
3 温控小冰箱的构造
温控小冰箱主要的构造是由箱体、制冷装置和控制系统三大部分组成的。
箱体采用的是一个长45cm、宽30cm、高35cm可开盖的泡沫箱制成的, 其厚度约3cm左右。采用泡沫作为箱体主要是因为泡沫的保温功能很好, 密封程度也较高, 容易做到制冷的效果。
制冷装置用到主要是半导体制冷片, 该制冷片的面积大约为13cm*10cm, 如此能更好的提高冰箱的制冷效率。将其与散热风扇结合, 已达到更好的散热功能, 最后将以结合好的制冷片安装于冰箱内部, 散热风扇置于冰箱外部。
控制系统:单片机, 继电器等。对于冰箱内部温度的调整, 可以通过改变电流的大小, 从而达到改变半导体材料的制冷效率, 要实现改变电流的功能, 我们可用单片机来对此进行控制。对于小冰箱内部的亮度, 可在冰箱内部安装三到四个发光二极管, 让其与继电器相连, 在冰箱外部通上8v到12v左右的电压, 让发光二极管能够得电, 而继电器主要控制冰箱门开时能接通电路, 让二极管发光;当冰箱门关闭时, 使电路断开, 让二极管断电熄灭。
温控冰箱的构造不单单只是这三个方面, 除了这几个构件外, 为了能更好的做好保温工作:在冰箱内部铺一层薄薄的铝箔;为了得到合适的电压:将220V电压通过可控整流电路得到合适的电压。
4 温控小冰箱的优点
(1) 结构简单, 尺寸小, 重量轻, 无任何机械部分。
(2) 工作中无噪声, 通过调节工作电流的大小可调节制冷效率。
(3) 切换电流方向, 能够使制冷器从制冷状态转换成制热状态, 并且作用速度快;
(4) 使用寿命长, 且易于控制。
(51) 对大气无污染, 环保, 节能。
5 应用范围
(1) 适合于不宽敞的地方, 如:学生宿舍, 单身人士等。
(2) 各种车辆, 可做成车载冰箱, 随时为车内之人提供冷藏食品和饮料。
(3) 野外露营, 旅游, 野炊等场合也使用。
6 功耗的分析
根据制作小冰箱到现在, 可观察到的冰箱内部数据最低为负五度左右, 但是随着时间的推移, 这个数据开始慢慢的上升。在不断地查阅资料后发现:冰箱的制冷源是具有帕尔帖效应的半导体元件, 其制冷的效率并不是特别的高, 将物品降至所需温度消耗的电能比普通冰箱的多十几倍。要降低消耗, 首先要做到的是尽量让冰箱能够保温;其次, 从安装材料上分析, 要选择电阻较低的金属材料;最后, 应该在加工工艺和安装上下功夫, 安装时尽量减少不必要的材料, 减少冰箱内电阻的消耗, 从而减少不必要的功耗。
7 结论
经过对半导体冰箱的研究与分析, 对温控冰箱的动手制作, 得出以下结论:
(1) 温控小冰箱用半导体制冷, 解决了传统冰箱释放的氟利昂气体污染环境的问题;
(2) 冰箱的容积不能太大 (高于100升, 其制冷效果明显降低, 耗电量增加) 。冰箱制冷效率跟散热系统的散热能力有很重要关系, 一般散热系统散热能力越强冰箱的制冷效率越高。
(3) 因半导体制冷具有很多的优越性, 半导体的发展也非常迅猛, 所以相信随着半导体制冷技术的发展, 半导体产品会在市场上占有较大的份额;
温控冰箱的仍然存在诸多需要改善的地方, 在未来发展的道路上, 它的发展空间很大, 如果将冰箱与现代的科技结合起来, 或者温控小冰箱会完全展示出它的价值。
参考文献
[1]徐德胜.半导体与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社, 1992.
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