半导体制冷技术及应用（共6篇）
半导体制冷技术及应用 篇1
0 引言
早在1834年,法国物理学家帕尔帖就发现了帕尔帖效应[1]:当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,节点上将产生吸热或放热的现象。帕尔帖效应发现之后并没有被人们很好地利用,直到20世纪50年代后,约飞等人发现了Bi2Te3、PbTe、SIGe等温差电性能较好的材料[2],20世纪70年代Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金等优值系数较高的材料[3]被合成出来,使得热电效应的效率得到提高,半导体制冷的应用越来越广泛。
1 半导体制冷技术的研究
半导体制冷器具有体积小、没有振动和噪声、不污染环境、作用速度快、精度高、易于控制等优点[4,5],但也存在着制冷效率低等缺点,因此众多学者就致力于提高半导体制冷效率的研究。有人通过对半导体材料的研究,提高半导体制冷片本身的优值系数Z[6](Z=a2σ/λ,a为温差电动势率或seebeck系数,σ为材料的电导率,λ为材料的热导率),从而达到提高制冷效率的目的。同时还有很多人通过分析影响半导体制冷的性能参数,优化各制冷工况,提高热端散热效率等控制手段来提高制冷效率,使其工作在最佳制冷状态。
1.1 半导体制冷影响因素的分析
通过对半导体制冷性能的研究分析可知影响半导体制冷的各因素,优化对这些因素的控制方式,就可以提高半导体制冷的性能。学者们通过实验、数值分析、仿真等手段得出了影响半导体制冷性能的主要因素。
潘玉灼指出半导体内部的传热系数对效率的影响很大,当传热系数很小时,制冷效率很大[7]。李茂德等指出冷端负荷、半导体厚度、输入电压等因素对制冷效率的不同影响[8]:在有冷端负荷时进入稳态的时间比空载时要短;半导体厚度越大,稳定所需时间越长;电压增加越大,初始时温度变化越快。毛佳妮等采用数值分析与解析求解相结合的方法,综合讨论了稳态条件下冷端传冷与热端散热对制冷性能的影响[9]:当系统运行在较低工作电流区域时,增强冷端传冷强度对提高系统制冷性能的经济性较高;当系统稳定运行在最佳工况区域附近时,从增强热端散热强度出发,对进一步提高系统制冷性能的优势更突出。
1.2 制冷工况的研究
利用热电制冷器的冷端对环境介质进行冷却的工况称为热电制冷工况,常见的有最大效率工况、最大温差工况、最大制冷量工况和最大制冷系数工况,许多学者对制冷工况的设计和优化做了研究。
高远、蒋玉思对最大效率和最大温差工况进行了比较研究[10]:在相同的负载、温差、散热条件下,按最大效率工作状态设计时,效率高、耗电少,热节点放出的热量少,但需要的制冷元件多;按最大温差工作状态设计时,效率低、耗电多,热节点放出的热量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、卢希红对半导体制冷的最大制冷量和最大制冷系数工况进行了分析[11]:在相同的设计条件下,最大制冷量工况,制冷系数较低、耗电较多、热端散热较多,但所用元件较少、体积较小、制造成本较低,能够适应许多特殊场合的要求,对便携式野外冷热箱等连续性工作的制冷器,通常采用这种设计方法,而最大制冷系数工况则相反。
但是不管采用哪种设计方法,都必须保证热端有较好的散热效果。若散热效果不好,势必会引起热端温度Th升高,进而影响温差△T,使△T逐渐增加,此时,制冷系数和制冷量都会下降。
1.3 散热的研究
半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响半导体的制冷性能,如果热端温度不能及时降下来,则势必会将热量传给冷端,进而使冷端的制冷效果降低。因此,热端散热很关键,减少冷、热端温差是提高半导体制冷性能的有效方法。半导体制冷的散热方式主要有空气自然对流散热、空气强制对流散热、水冷散热以及热管传热等。
1.3.1 各种散热方式的比较
空气自然对流散热是指散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中去。空气强制对流散热,是指在自然对流散热的基础上,在散热片的端部安装轴流风机,其对流换热系数远高于自然对流换热。水冷散热是在半导体制冷器的热端连接一个冷却水箱,通过冷却水管中的水把热端的热量不断带走,其换热是空气自然对流散热的100倍[12]。热管散热器一般由热管和散热片两部分构成,它是一种高效率的散热装置,依靠相变过程换热,因此热管的传热效率很高。
张建成分析比较了翅片式和热管式散热器的传热性能,得出采用热管式散热器的优点[13]:只要有扩展空间,冷侧的换热面积就可以成倍地增加,传热量也大增;在相同的气流对流速度下,其有效面积是翅片式的近4倍;热管式散热器与制冷元件相接触的热端面温度比翅片式散热器的相应温度低得多。因此采用热管式散热器制作的半导体制冷组件具有降温速度快、制冷系数大、耗电量小的特点。
1.3.2 散热强度对制冷效率的影响
张小松、张奕等研究了冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响。通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系[14](见图1、图2)。冷端传热强化后,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升。热端冷却水温度降低,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高。
代伟通过对半导体制冷电偶对进行传热分析,得到了制冷性能与热端散热强度之间的微分方程,得出了散热强度对制冷性能影响的曲线(见图3、图4)。由此得出[15]:随着散热强度的不断增强,热电制冷性能逐渐提高,然后就趋于缓慢。从经济性考虑,半导体制冷存在最佳热端散热强度,所以在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统。
2 半导体制冷的应用
从出现半导体制冷技术至今,半导体制冷材料有了一次又一次的突破,半导体制冷效率也有了一次又一次的提高,虽然仍然存在着一些问题,但利用其优点,可以为我们的日常生活、科研军事等带来很大的方便,使得半导体制冷技术在当今世界具有越来越重要的地位。例如:在高科技和军事领域对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷,利用半导体制冷器体积小的特点,使用方便;在医疗领域中,半导体温控系统的应用更为广泛,用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及半导体制冷探针等,利用半导体制冷速度快、无污染等特点,还可以制成低温的恒温箱,用来保存血浆等;在现代测温技术中,热电恒温器、零点仪的开发使用,使半导体制冷在测温技术上的使用成为可能,并得到了广泛应用;在日常生活方面,半导体制冷在空调、冷热两用箱、饮水机、电脑以及其他电器等设备中都有广泛的应用,为我们的日常生活带来极大的方便。
3 结论与展望
随着半导体制冷器由军用向民用的扩大,加之节能和限制采用氟里昂制冷剂的呼声提高,对半导体制冷器的需求也会越来越大,提高半导体制冷的效率也会被更多的人关注,提高半导体制冷性能的方法也会越来越多,其制冷效率也会越高,这必将为半导体制冷技术的应用提供了广阔的前景。我们今后的研究工作可以从以下几方面来着手:(1)新材料的发明和发现,仍然是影响半导体制冷至关重要的技术因素,热电材料的制取、焊接工艺还要努力提高[16];(2)提高半导体温度控制精度,如何确定一定条件下热电堆的最佳工作参数是影响半导体制冷的又一重要因素,该问题在后续工作中有待于进一步研究;(3)为了提高能源利用率,在对半导体制冷器的产冷量进行利用的同时,如何对其热端所散的热量也加以利用,可以作为今后研究的一个方向。
半导体制冷技术原理与应用 篇2
与传统制冷技术相比, 半导体制冷技术具有以下优势: (1) 环保, 该技术不使用制冷剂, 不会产生对大气层破坏的物质; (2) 无噪声, 因该技术不需要专门的机械制冷部件, 在运行时自然也就不会发生震动, 产生噪音; (3) 半导体制冷器件能够制作成任何需要的样子, 且其冷、热端也可以通过改变电流的方向进行改变; (4) 虽然单个的半导体制冷片的功率小, 但可以通过并联或串联的方式扩大, 这有助于精密的控制制冷温度; (5) 半导体制冷片的冷热惯性小, 不需要太多时间就可以完成制冷[1]。由此可见, 半导体制冷技术具备很好的环保性和市场性, 已经成为目前主要的制冷技术。
1.半导体制冷技术的原理
半导体技术的原理是基于帕尔帖原理, 该原理是在1834 年由法国科学家J.A.C帕尔帖发现的。帕尔贴原理又称为帕尔贴效益, 是指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。而这种效益的所引起的现象是可逆的, 即改变电流方向时, 放热和吸热的接头也随之改变, 吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比, 且与两种导体的性质及热端的温度有关, 如此便出公式: Qab=Iπab。其中πab是作为导体A和B之间的相对帕尔帖系数, 单位为[V], 。当πab为正值时, 表示该导体开始吸热;当πab为负数时, 则表示该导体开始放热。由于该原理具有可逆性, 因此当πab=-πab时, 其系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度;当πab的数值可以由赛贝克系数αab和接头处的绝对温度T得出, 那么πab=αab T与塞贝克效应相和, 由此推出帕尔帖系也具有加和性, 公式可以演变为:Qac=Qab+Qbc= (πab+πbc) I, 因此绝对帕尔帖系数符合πab=πa- πb条件[2]。
因为金属材料的帕尔帖效应比较的弱, 而半导体材料的帕尔帖效应则强很多, 因此半导体成为该原理制冷的主要材料。但需要注意的是, 由于大多数的半导体材料的无量纲值在1 左右, 远远低于固体理论模型和较为实际数据计算的上限4, 因此关于半导体材料仍需要进一步的研究与探索。
2.半导体制冷技术的应用
半导体制冷技术在医学、工业和日常生活都得到了广泛的应用。更为具体的来说, 半导体制冷技术已经成为现代制冷机械的必要配置, 如冰箱、空调及其他的电子冷却器等。
半导体冰箱几乎是使用该技术最为常见的机器。根据不同客户的需求, 按照要求将不同数量的半导体制冷片并联或串联起来, 放置在合适的位置, 满足不同种类冰箱的不同要求。如上世纪五十年代前苏联研发了一款容量只有10L的小型冰箱, 该冰箱因体积较小, 方便携带。日本研发了一种只用于存放红酒的冰箱, 因此对其温度的就比较严格了。随着社会的不断发展, 人们对生活品质的不断追求, 人们对于冰箱也不再仅仅满足于制冷的要求, 对于冰箱温度要求更为精准, 对于其便携性也会更高。有研究发现, 半导体冰箱相较于传统冰箱的耗电量降低20%, 是非常具有环保意义[3]。
半导体空调最早并没有在日常生活中的空调中得到应用, 而是被大量的应用在飞机机舱、潜水艇等特殊的场所。因为这些场所要求制冷技术需要很好的稳定性, 且能够实现快速制冷, 半导体制冷技术均能满足。最近美国一些公司发现, 将半导体制冷技术应用在活性剂电池中, 能够保证该电力可以连续工作八个小时以上, 成为汽车制冷设备中的重要功能。
此外在农业领域、天文领域、医学领域也开始应用半导体制冷技术。在农业中, 温室大棚的温度对农作物的生长起着决定性的作用, 尤其是一些非常名贵的植物对于环境的要求非常敏感, 要求也非常感。而由于半导体制冷技术的原理具有可逆性, 因此其可制热。将红外探测技术与半导体制冷技术相结合, 就能够准确的控制温室大棚内的温度变化。在天文方面, 美国军方发现周围的温度每升高1℃, 电子设备的失效率就上升2%~3%, 因此必须对电子设备实现在短时间内的降温, 且要保持降温的稳定性, 能在小体积、小功率的环境中正常运行, 而半导体制冷技术则是不二的选择[4]。
3.关于目前半导体制冷技术的难点和问题
3.1 半导体制冷技术的难点
半导体制冷的过程是一个涉及参数较多、工况复杂多变的过程, 任何一个几何参数、结构参数、散热条件对其最终的制冷效果都有着很大的影响, 而这些影响在实验室研究中很难得到满足。其原因是因为实验室研究具有针对性和目的性, 无法对所有的影响因素进行有效的讨论与探究。
半导体制冷技术是基于帕尔贴效应所建立的, 具有可逆性。如此在制冷的过程中半导体的冷、热两端温度差过大就会影响其制冷的效果[5]。所以如何设计半导体的冷、热段的散热也是该技术中的一项难点。
3.2 半导体制冷技术的问题
半导体制冷技术是上世纪五十年代才开始被研究被应用, 虽然目前关于半导体制冷技术的研究已经有了很大的发展, 但还是存在以下问题: (1) 半导体材料的优质系数始终无法得到进一步的提升, 从而限制了该技术的进一步发展; (2) 目前关于冷、热端散热系统的优化设计仍停留在理论阶段, 世界上相关的研究也比较少, 致使半导体制冷技术效果无法得到进一步的提升; (3) 半导体制冷技术对于其他领域或相关领域中的相关技术使用太少, 关于该技术的研究没有在新的研究理念或新的方向得到很好的拓展; (4) 随着市场的要求不断提升和科学技术的发展, 半导体制冷技术需要考虑因素日渐增多。重视半导体制冷技术在不同因素环境下稳定发挥效果, 是今后该技术研究的重要方向[6]。
结论
半导体的材料与相关技术的发展和应用的时间并不长, 但已经获得了很好的进步。半导体制冷技术也被广泛的运用在各个领域中。尽管半导体制冷技术具有环保性、无噪声、稳定性好、可处于小功率的环境中工作、温度控制的精度高等, 但进一步提升其材质的优质系数, 解决半导体冷、热两端的散热问题已经成为限制该项技术发展的重要难点。随着半导体应用的领域不断扩展, 市场对其要求越来越高, 半导体制冷技术仍需要进一步的研究与完善。
参考文献
[1]贾艳婷, 徐昌贵, 闫献国, 田志峰.半导体制冷研究综述[J].制冷, 2012, 01:49-55.
[2]徐昌贵, 贾艳婷, 闫献国, 田志峰.半导体制冷技术及其应用[J].机械工程与自动化, 2012, 03:209-211.
[3]王丹.半导体制冷器件原理及其应用[J].河南科技, 2015, 07:36-39.
[4]Yamanashi M, A new approach to aptimum design in thermoelectric cooling system[J].Appl Phys, 2011, 80:549-502.
[5]陈军, 田芳, 蒙德慈, 贾旭, 高昂, 王明, 李娜, 李莉莎, 倪士峰.新型制冷技术研究进展[J].宁夏农林科技, 2011, 06:67-70.
半导体制冷技术及应用 篇3
传统的制冷技术一般采用压缩式制冷,即用化合物制剂(如氟利昂等)来做冷媒,通过压缩机对冷媒气体的压缩使其液化放热或使冷媒液体气化吸热实现制冷的原理,制造的电气产品如空调和冰箱等,已大量地使用在人们的生产和生活中,并且使用的数量逐年还在增加。但化合物制剂的泄漏,对周围环境会造成大量的污染,更重要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用,如氟利昂已经被我国政府限制使用了。近年发展起来的半导体制冷技术,不需任何制冷剂,仅仅利用半导体材料的热电效应就能实现制冷,这是一种性能优越、对环境无害的全新制冷技术。
半导体材料的热电效应主要包括:塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。本文所研究的冷暖控制器就是利用了半导体材料的珀尔帖效应原理。
2 珀尔帖效应及半导体材料制冷片工作原理
电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级,其在导体中运动会形成电流,法国人珀尔帖在1834年试验发现,当电荷从高能级向低能级运动时,就会释放出多余的热量(即表现为制热);反之,当电荷从低能级向高低能级运动时,就需要从外界吸收热量(即表现为制冷)。放热或吸热大小由电流的大小来决定,这一现象称为珀尔帖效应。珀尔帖效应所产生的热量称为珀尔帖热,其大小与回路的电流强度成正比,方向可随着电流方向的改变而发生变更,即冷端与热端可实现互换,从而实现了制冷或制热效果。
珀尔帖热量公式为:
其中,Qπ为放热或吸热功率,与(2)中同为比例系数,称为珀尔帖系数,I为工作电流,a为温差电动势率,Tc为冷接点温度。
通常金属材料的珀尔帖效应较微弱,而半导体材料的珀尔帖效应则强很多,本机使用的是采用半导体材料做成的制冷片。
图1是一个采用半导体材料做制冷片的工作原理图,它由两片陶瓷片组成,其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋),这个半导体元件在电路上通过串联形式连接组成。
半导体材料制冷片的工作原理是:当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生能量的转移,当电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量,成为冷端;当电流由P型元件流向N型元件的接头释放热量,成为热端。吸热和放热的大小通过电流的大小以及半导体材料N、P极的元件对数来决定。当制冷片内部由上百对电偶联成一热电堆同时工作时,就能达到我们所需要的制冷或制热效果。
3 主机组成
主机主要由以下部分组成,外观如图2所示。
(1)专用电源接头。主机使用电源为12V或24V直流电源,采用可与汽车点烟器相连的接头,可方便的在汽车上使用。
(2)主机。主要由电子控制电路、半导体制冷片、温度传感器、散热器、风机、水泵和保温蓄水槽组成。纯净水(或饱和盐水)在主机中作为传热介质。控制器主机上设有制冷/制热模式选择开关、手动/摇控选择开关及电源指示、工作指示和警报指示灯等。
(3)PU连接软管。用于主机蓄水槽传热介质进、出口与外部热交换器进、出口的连接。
4 主机主要工作流程
主要工作流程如图3所示。
(1)给主机接通电源,电源指示亮绿灯。
(2)通过主机上的选择开关手动选择制冷或制热模式,相应指示亮绿灯。
(3)然后通过控制方式选择开关选择手动或摇控控制,相应指示亮绿灯。选择手动时主机立刻启动。通过摇控器控制时,摇控器上设有启/停键和强、中、弱三档调节键,分别控制主机的启/停和控制电路输出到半导体制冷片上的电流大小,以调节主机功率。
(4)在控制电路未接收到超温信号,蓄水槽中的温度传感器传回温度信号未达到设定值时,半导体片开始工作,进行制冷或制热。水泵开始工作,使蓄水槽中的传热介质在水泵的作用下流入外部热交换器进行热交换。水泵采用间歇方式工作,间歇时间由控制电路自动控制。
(5)当控制电路接收到温度传感器传回传热介质或散热器超温度信号时,半导体制冷片立刻停止工作,并通过主机上的警报灯发出警报信息。
(6)当电源电压小于设定的低电压保护值时控制器主机立刻停止工作,电源指示亮红灯。
5 基本参数
主机的基本功能及参数见表1。
注:半导体制冷片工作时是无噪声、无震动的,本机的噪声主要来源于风机。
6 效率分析
测试时将主机PU管进出口通过连接器短接,蓄水槽传热介质采用纯净水。水泵泵水时间设为25s,间隔时间设为35s循环运行。测温计放于蓄水槽传热介质中。测试结果如下(测试时采用强档进行)。
(1)制冷:环境温度36℃,传热介质达到制冷温度上限(30℃)时间约3分钟;
(2)制热:环境温度10℃,传热介质达到制热温度下限(30℃)时间约2分钟。
从测试结果看,该主机的效率很高,可以在较短的时间内达到所需的温度值。
7 结束语
本文设计的控制器主机与压缩式制冷机相比,具有以下特点:
(1)不需要任何制冷剂,没有污染源,无泄漏、无污染,是环保产品;
(2)没有旋转部件,工作时没有震动、无磨损、噪音小,可连续工作;
(3)作用速度快、工作可靠、使用寿命长;
(4)容易控制,方便调节。
参考文献
[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社,1992.
半导体制冷技术及应用 篇4
近年来,精美实用和方便快捷的自动控制型电热水壶走进了千家万户。正因为它与我们日常生活息息相关,其功能性和安全性更加受到了标准和检测机构的重视。国际标准IEC60335-2-15和我国国家标准GB 4706.19中均明确规定,对带有2个自复位热断路器的电热水壶,应进行热断路器的寿命和可靠性测试。目前,该测试项目都是采用人工方式,存在着测试随意性大、重复性差和测试效率低等问题。
本文提出的设备结合半导体制冷原理,采用先进的PLC控制等自动控制技术,为检测机构提供了完美的全自动解决方案。
1 测试要求
针对带有2个自复位热断路器的电水壶,为了检验其可靠性及耐久性,标准IEC60335-2-15第19.102条款规定,将器具其中之一热断路器短路后进行干烧试验。在另一个热断路器动作后的2 s时间内,在电水壶中注入温度为(15±5)℃的水。1 min后将电水壶中的水倒掉。试验进行100次,并在试验过程中按照19.13的要求,监测温度变化。
2 结构设计及工作原理
本电热水壶防干烧自动测试机的设计秉承无氟环保和方便应用的理念,进行了结构设计和主要工作模式的选择。设备主要分为三个部分。
2.1 恒温供水
本部分由水箱、温度传感恒温装置、注水泵、注水管等部件组成;其中:
水箱采用“大容积水箱+小容积恒温箱”的方式对试验用水进行循环利用,既能节约用水,又能提高调节水温控制速度;
温度传感器采用日本松下KT4温控器,松下温控器KT4仪表是一种高精度、低价格的单回路PID调节器,它采用了最先进的加热冷却双PID算法,无超调,无欠调,可设定多种报警方式,具有输入用户自由组态、双设定值、手自动功能、通讯功能、回路断线报警等功能,被广泛应用于仪器设备温度控制;
为了使得试验水温持续保持在标准规定范围内,并尽量减小设备对试验环境的影响,本设备采用半导体制冷技术实现恒温控制。
半导体制冷片由两片陶瓷片和夹于其间的N型和P型半导体材料(碲化铋)组成如图1所示,其工作运转是用直流电流,通过改变直流电流的极性可在同一制冷片上实现制冷或加热两种功能,另外,半导体制冷片不需要任何制冷剂,可连续工作,没有污染源没有旋转部件,不会产生回转效应,半导体制冷片工作时还具有无震动、无噪音、寿命长,功耗小和安装容易等优点。
当然,半导体制冷片也具有热面温度越高、冷热端温差越大、制冷量越小和效率越低这一特点(随着半导体制冷器件制造技术的不断提高,已经可以实现高达68℃的温差),为了提高半导体制冷片工作效率,本设备对半导制冷片导冷及散热方面都做了特别设计,如图2所示。
在制冷片制冷端使用导热胶紧贴导温效果良好的铝合金板,并在铝合金板内部设有迷宫式的水路,使得试验用水流经其内部时候尽可能的增大与金属的接触面积,另外在制冷片发热端同样使用导热胶紧贴肋片式散热器,如图3所示,并在其外添加强力风扇,以有效降低半导体制冷片热端温度,减小其冷热端温差,大大提高半导体制冷片的工作效率。
注水泵采用台湾邓元工业TPY-2500型自吸水泵,采用隔膜式设计,具有很高稳定度性能,为设备定量送水提供了很大便利。
测试时,将KT4主控制设定值设为试验要求数值15.0℃,温度上下限值皆为5.0℃,将其监控输入类型设为铂电阻Pt100温控模式,并与半导体制冷片构成控制连接状态,如此,温控器根据监测铂电阻阻值测出水的当前温度,并根据设定的PID值,对半导体制冷片的工作电流进行控制,从而调节水温,使得小容积水箱内实验用水恒定在(15±5)℃。
2.2 注水倾倒
本部分由机械手、机械臂、驱动电机及控制电路等部件组成。其中:
由于测试样品形状、大小的多样化(大致分为直筒形、梯形和圆球形三种类型),且在测试过程中,不仅要将壶身抱起,还要将它倾倒160~180°,以确保倒空壶中的水,因此,为了确保机械手的普遍适用性,本设备设计为用一个支架托住壶身和底座,旋转180°,以保证试验过程顺利完成;
本设备的控制电路采用日本松下GT11触摸屏模块和PLC控制模块对测试参数按标准要求进行设置,并能将各测试参数及结果显示在屏幕上,操作简单、方便,显示及时、准确;
驱动电机采用70YCJT-15/4型电容运转电机,具用大负载量,转速稳定等特点,确保平稳、准确的通过机械臂将支架连同样品同时翻转180度倒空壶中的水并复位。
测试时,首先通过触屏对测试用试样容积、等待时间、通电次数及试验次数等进行设置后启动测试,具体工作流程如图4所示,受试样品在将其一自复位热断路器短路情况下进行通电,当另一热断路器动作后,PLC接收到电路断路这一信息,通过分析和处理,在热断路器动作2 s内输出控制信号控制,控制水泵吸出预先设定的试验用水倒入壶内,并在1 min后控制驱动电机转动机械臂将电水壶中的水倒掉后回复原状态进行下一次试验,如此重复进行预先设定的次数为止。
2.3 温升测试
标准要求,在整个试验过程中,应监测器具电源软线和测试角底板的温升,不超过标准要求的数值。因此,本设备还另外加装了8通道温度记录仪和测试角,可以实时监测和记录试验过程中电源软线、测试角边壁和测试角底板等的温升变化。
3 测试方法
在试验开始前,首先对需测量温度的点布置热电偶,检查温度巡检仪通道是否正常;根据样品大小、形状调节机械手,将样品可靠的固定在测试平台上。
对设备进行设置。根据标准要求及样品实际情况,对通电次数、试验水温、注水量等进行设置,确认仪表上显示的水温是否符合要求。温度未达到要求时,即使启动设备,设备也会报警。
启动设备,开始试验,设备将自动完成规定的测试循环并记录全过程的温度变化。
4 结束语
与以往测试方法相比,使用本电热水壶防干烧自动测试机不仅满足了标准对干烧测试的要求,而且具有一次设置,多次重复测试的优越性,达到了控制精度高、响应速度快、操作简单方便的目的,提高了检测工作的自动化水平及检测效率。
参考文献
[1]IEC60335-2-15:2008.Household and similar electrical appliances—Safety—Part2-15:Particular requirements for appliances for heating liquids.
半导体制冷技术及应用 篇5
关键词：太阳能,半导体制冷,电冰箱
光伏发电是根据光生伏特效应原理, 利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是分布式发电还是并网发电, 光伏发电系统主要由太阳电池板 (组件) 、控制器和蓄电池等主要部分组成, 它们主要由电子元器件构成, 不涉及机械部件。当前, 这种发电技术的关键元件在于光伏组件的优劣。光伏组件 (即太阳能电池) 经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件, 再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电是太阳能发电的一种形式, 它容易实现、成本低廉、运行可靠, 已经在电力能源中占有一定的比率。在倡导节能、减排、低碳、环保的主旋律下, 绿色、清洁、可持续发展的太阳能是今后能源的主要来源。太阳能将在各个领域得到广泛应用。其中, 太阳能半导体制冷冰箱就是光伏发电的应用形式之一。无论从世界还是从中国来看, 常规能源都是很有限的, 中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平, 大约只有世界总储量的10%。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源, 具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点, 在长期的能源战略中具有重要地位。但是, 太阳能电池板的生产却具有高污染、高能耗的特点, 这是制造领域需要解决的关键问题。在整个太阳能电池板的制造过程中, 将消耗大量的电能和水, 污染了环境也损耗部分能源。同时, 对于中国这样的制造大国来说, 电池板出口越多对国内的环境影响就越大。在今后的十几年中, 中国光伏发电的市场将会由分布式发电系统转向并网发电电系统, 包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国太阳能光伏发电电发展潜力巨大, 配合积极稳定的政策扶持, 到2030年光伏装机容容量将达1亿千瓦, 年发电量可达1 300亿千瓦时, 相当于少建30多个个大型煤电厂。国家未来三年将投资200亿补贴光伏业, 中国太阳能能光伏发电又迎来了新一轮的快速增长, 并吸引了更多的战略投资资者融入到这个行业中来。光伏发电的各种衍生产品也陆续产生生, 满足了工业生产和人们的日常生活需求。
半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理, 该效应是在11834年由J.A.C帕尔帖首先发现的, 即利用由两种不同的导体A和和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随之改变, 吸收和放出的热量与电流强度成正比, 且与两种导体的性性质及热端的温度有关。半导体制冷片不需要制冷剂, 没有污染源源, 工作时没有震动、噪音、寿命长;作为一种电流换能型片件, 通过过输入电流的控制, 可实现高精度的温度控制。半导体制冷已经在航航空航天、医疗技术、生物工程等领域得到广泛的应用。
夏天是阳光充足的季节, 也是冰箱使用最为频繁的时间。如何将将大量的太阳能利用起来达到制冷的效果?答案就是将太阳能发电电与半导体制冷联系起来, 设计出智能型半导体制冷冰箱, 方案可可行, 效果理想。以下是设计的主要内容和制作的实物样机。
1半导体制冷冰箱总体设计
冰箱箱体由内胆、隔热层、门外壳等组成。为了便于携带, 设计的箱体体积较小。考虑到现有光伏电池板的尺寸, 设计冰箱的大小为600 mm×540 mm×400 mm。半导体制冷冰箱系统由太阳能电池板、蓄电器、控制器、半导体制冷片、散热器、检测和显示电路构成, 其结构如图1所示。太阳能电池板 (Solar panel) 是通过吸收太阳光, 将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置, 大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”, 但因制作成本很大, 以至于它还不能被大量广泛和普遍地使用。相对于普通可循环充电的电池来说, 太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。因此, 选用太阳能电池板作为动力源是可以达到低碳、环保的效果。要想达到很好的制冷效果, 对材料的保温性能有一定的要求。在参照现有冰箱的保温材料的同时, 选择以泡沫盒作为内壳, 外加聚氨酯材料作为内外层填充物, 增强保温效果。冰箱门采用有机玻璃, 透过其可以看到物体在冰箱内制冷的情形。
2半导体制冷冰箱硬件设计
系统能够可靠运行, 硬件设计是保证。该设计包含的硬件有控制器、半导体制冷片、散热装置、温度传感器、检测电路和蓄电池等。核心器件是控制器, 考虑到成本和通用性, 该设计选用的是单片机作为微处理器。选择MC9S12XS128微处理器为核心控制处理单元, MC9S12XS128单片机是Freescale系列中高性能低功耗的16位处理器, 处理速度较51单片机要快, 内部集成很多资源, 有ADC转换模块、存储器、脉宽调制输出PWM, 具有高可靠性、实时性好、抗干扰能力强、成本低等优点。
供电电路是保证半导体制冷器正常运转的关键。根据电池板的规格参数和蓄电池的充放电电压, 选用的半导体制冷片的型号为TEC1-12705, 其正常工作电压为12 V, 最大工作电流为5 A, 最大温差67℃, 尺寸为40 mm×40 mm×4 mm。半导体制冷片一般都是由直流电流提供电源, 可以实现制冷又可以实现制热, 通过改变直流电流的极性来改变制冷片实现制冷或制热, 最大制冷量为40 W。图2为半导体制冷器的供电电路及充电电路。该设计主要是利用半导体制冷片的制冷效果, 采用MC9S12XS128单片机芯片的PWM功能, 通过光耦开关控制Q3的通断, 以达到对制冷片输入电压的控制, 进而控制其冷端的工作温度。
如图2所示, 其中ZLP为半导体制冷片。在实际的电路工作时, 为保证制冷效果, 将Q3的集电极电流保持在5 A以上, 以满足制冷片的工作电流, 达到充分制冷。后续电路是一个充电电路, 可以为手机、PAD、充电宝等充电。R5、R6、D2、Q2等组成限压电路, 以保护电池不被过充电, 这里以3.6 V手机电池为例, 其充电限制电压为4.2 V。在电池的充电过程中, 电池电压逐渐上升, 当充电电压大于4.2 V时, 经R5、R6分压后稳压二极管D2开始导通, 使Q2导通, Q2的分流作用减小了Q1的基极电流, 从而减小了VT1的集电极电流Ic, 达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电, 用小电流将电池的电压维持在4.2 V。
半导体制冷片冷端的制冷效果与热端的散热有着密切的关系, 热端的散热越好, 制冷片的制冷效果就越好。该设计中采用风冷。在制冷片热端加装风扇, 利用空气流动加强散热, 改善制冷效果。经过重复实验证明, 该方式散热效果良好。
3半导体制冷冰箱系统软件设计
系统软件设计流程如图3所示, 上电初始化后接着控制器启动内部A/D转换器, 采样制冷片前段的输入电压。若电压稳定且能保证制冷片工作, 则半导体制冷片首先工作。控制器通过检测电压和电流, 计算出相应的功率与制冷器比较, 当制冷稳定工作, 电能有富余时, 启动蓄电池进行充电。同时自带的智能充电电路也开始工作。蓄电池充电有防过充措施, 智能充电可以方便于手机、PAD、MP3等设备的充电。
系统中有温度检测模块, 该模块除了显示温度, 还为控制器提供温度数据。当温度值大于设定值时, 控制器调节PWM, 加大制冷效果, 直到温度值达到平衡为止。
通过设计和制作一台智能型光伏半导体冰箱样机, 实验装置如图4所示。实验装置的顶端是太阳能电池板, 主要提供动力能源。四根螺杆作为支撑柱子, 具有一定抗压能力。中间有分隔板将冰箱空间分成两部分, 制冷片、散热器、蓄电池及控制器等安装在一端, 另一端作为储藏空间。整个内部空间用保温材料保护, 最外层用有机玻璃, 透过其可以看见内部结构。
对该装置进行简单的实验, 可以得到以下结论。
(1) 在室外环境为25℃的气候条件下, 样机无负荷运行, 箱内制冷温度可以达到10℃, 可以达到一般的冷藏效果。
(2) 智能型光伏半导体冷箱替代传统冷藏箱, 具有方便携带、无毒、无噪音、无制冷剂污染、不消耗电网电能、运行稳定和可靠性高等优点。
(3) 光伏半导体制冷系统可解决偏远山区、日照充足的高原、沙漠地区以及夏日沙滩等缺电条件下食品、药品、饮料等的冷藏保鲜问题。尽管当前设计该产品成本相对较高、效率较低, 但随着光伏转换效率的提高以及技术的不断进步半导体制冷效率不断提升, 制造出完美的智能型光伏半导体冰箱是完全可以实现的。
参考文献
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半导体制冷技术及应用 篇6
一、制冷空调的能耗分析
在制冷空调的应用环境中存在如下几个特点。首先是现在建筑中大量采用玻璃结构, 这种结构导致窗墙面积比相对偏大, 这就增大玻璃两侧的传热损失, 减少了冷气利用率, 增大了空调制冷负荷。其次在制冷空调的商用过程中, 技术人员为保证制冷效果, 通常会将冷负荷取值设置的较大, 导致空调制冷量大大超出当前环境需求量, 这就容易造成能源的浪费。再次, 在用户使用空调进行制冷时, 通常希望在最短时间内达到预设值, 减少等待时间, 这就不可避免地会提高空调能耗。其他方面还有空调的管理不科学, 运行中没有根据实际环境进行能耗调节等, 都会造成能耗的浪费。
二、几种新兴的制冷空调节能技术
数据显示暖通空调的能耗占建筑总能耗的比例超过80%。因此, 提高能源的利用率, 减少空调的能耗, 相同的能源消耗条件下提供更多的制冷量成为当前制冷空调中应用节能技术的主要目的。此外, 新能源的使用对空调节能也起到了非常重要的作用。
1. 变频技术。
当前的节能技术应用中, 最广泛和最成熟的技术是变频技术。该技术是在空调电动机中应用变频器技术, 提高点动力的应用效率。电动机是空调的核心部分之一。其是冷水机组、风柜、风机、冷冻和冷却水泵、冷却塔风机等的供能部件。变频器可以通过传感器等根据实际环境对电动机的转速等参数进行调节, 在满足系统需求的基础上节约电能。应用变频器将电动机启动模式变为软启动, 还可以减少电机启动时对电网的冲击, 提高温度控制能力。
2. 热回收技术。
热回收技术根据应用场景进行分类可以分为冷凝热回收和排风冷、热回收两类。前者主要是将空调使用中产生的热能回收再利用, 减少直接排放带来的能源浪费;后者主要用于减少制冷机组的负荷, 以实现节能。热回收技术的本质是对空调运行中的余热进行再利用。
3. 热电冷联产技术。
该技术是一种能源的综合利用技术。将天然气或者其他能源作为动力源为燃气轮机提供能量。冷热水机组机吸收燃气轮机产生的热能, 生产冷冻水并用于制冷, 冷热水机组排出的热量可以用于除湿型空调, 该空调的除湿处理机为液体式吸收型, 这样机组的排热可以用于溶液再生。这种技术不仅提高了低品位热能的利用率, 还能增大汽轮机组的负荷率, 综合提高机组的整体效率。
4. 蓄冷技术。
蓄冷技术是在用电低谷时间用电蓄冷, 进行能量储存, 在用电高峰期间将蓄冷释放, 并与冷冻机共同供冷的技术。该技术可以提高电源、发电设备、输电设备的利用率, 在国际上已经得到了广泛的应用。但是目前国内的制冷空调制造中, 还没有将该技术进行融合, 这是由于我国的空调使用者和部分技术专家认为, 该技术的应用需要较大的投资, 能耗和损失也不容忽视, 综合性价比不明显。
5. 基于太阳能的制冷技术。
由于太阳能具有绿色无污染和取之不尽用之不竭的特点, 故应用太阳能进行制冷是当前和今后制冷空调应用的一个重要研究方向。该技术主要分为两类, 一类是结合太阳能的吸收式制冷技术, 另一类是太阳能与半导体的制冷技术。
第一类技术是利用太阳能集热器进行热量收集, 然后将吸收的热量用于空调制冷。第二类技术是利用太阳能电池进行能量转换, 将光能转换成电能, 进而利用电能驱动半导体制冷装置, 实现制冷。这两种制冷技术在面对能源紧缺和环境恶化方面具有很大的应用优势, 但是目前的应用性能和效果还不是很好。原因主要是受当前技术限制, 基于太阳能的能量转化技术的能源利用率相对较低, 且投入成本相对较高。
6. 热声制冷技术。
热声制冷技术是一种新的制冷技术, 其基本工作原理为, 当声波稠密时加入热量, 声波稀疏时排出热量, 同时声波得到加强;反之, 声波稠密时排出热量, 声波稀疏时吸收热量, 同时声波得到削弱。利用热和声音的转换实现空调制冷。
该技术结构相对简单, 不需要使用贵重金属作为制造材料, 因此在成本控制上具有非常大的优势。此外, 该技术使用惰性气体或者其他混合物替代氟等制冷剂, 因此更加环保, 还能减少温室效应。
三、结论