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２００２焦 小型半导冷恒温控制系统的实验研究 庞长林王晓浩周兆英库国显吕静姝 １０００８４ 清华大学精密仪器与机械学系 北京市【摘要】枸建了一种新型的基于半导冷的小型恒温控制系统，利用碗系统对影响半导 冷效果的关键因素进行７实验研究，并且给出７优化半导冷效果的改进意见。在开环实验测定 系蜿控制参数的基础上，利用单片机对半导冷进行７闭环自动控制实验，室温下，加负载，控制 温度范围为６～７℃．系统在航天、医疗以及民用的小冷量制冷领域都可得到广泛的应用。 关键词：半导捧｛Ｉｉｌ】冷热电制冷恒温控制 中圈分类号：ＴＢ６５７．３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｏｌｅｒ Ｐａｎｇ Ｃｈａｎｇｌｉｎ Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｌｍｏ Ｚｈｏｕ Ｚｈａｏｙｉｎｇ Ｋｕ Ｇｕｏｘｉａｎ Ｌｕ Ｊｉｎｇｓｈｕ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎ５ｔⅢｍ衄拈ａｎｄ Ｍｅｃｌ￣ｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈ￣ａ Ｕｎｉｖｅｚ－ｏｉｔｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ∞ｎ ａｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｔｏ１ ｓｙｓｔｅｍ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｏｌｅｒ．ｗａｓ ｔ ｕｐ Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓ￣ｔｅｍ－ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎｅｍｉｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｃｏｏｌｅｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｔｏ ｏｐ— ｔｉｍｉｚｅｔｈｅ ｃｃ￣ｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔ．Ｏｎｔｈｅ ｂａｓｉｓｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｇｏｔｆｒｏｍｔｈｅ ｏｐｅｎ—ｌｏｐｅ ｃｏｎ￣ｏｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｌｕｅ—ｌｏｐｅ ｓｅｒｆ—ｃｏｎ— ｔｒｏｌｉｎｇ ｅｘｐｅｎｍｅｍ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ＭＣＵ Ａｔ ｒｏＧｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｏｐｅ ａｂｏｕｔ ６—７ ｃｅｎｔｉｇｒａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ Ｔｈｉｓ ｓ￣ｔｍ ｃｅａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｉｄｅ【ｙ ｉｎ ａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｍｅｄｉｃａｌ ａ 丑吕ａｎｄ ｃｉｖｉｌ ｓｍａｌｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓ￣ｔｅｍ Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｏｌｅｒ；Ｔｈｅｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇｉ Ｃｏｍｔａｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ １ 弓Ｉ言 半导体为材料的热电制冷称为半导冷。它 是利用珀尔帖效应［ ］而实现制冷的。即利用直流电流 半导冷的应用领域已不再局限于军事、化工、 航天、医疗等较特定的领域，在民用领域亦显示出相当 广阔的应用前景。 引起半导体材料中的热量输运。制成的一种简单方便 有下述特点： （１）结构简单，整个制玲器由热电堆和导线连成， 恒温控制系统发挥了半导冷的特点，可广泛 随着半导体技术的飞速发展，国内半导冷的 生产日趋成熟，目前国内生产高质量的半导冷器 的新型制冷器。与传统的制冷技术相比，热电制冷具 应用于各种小冷量制冷的场合。 工作环境要求很低； 磨损，可靠性高，寿命长，维修方便； 的厂家很多，例如杭州建华半导体有限集团生产的最 ｗ的半导冷器的最大温差可达６１℃，而重量小于 （２）无制冷工质，无任何机械运动部件，无噪声，无 大温差电流１．２Ａ和２ ０Ａ，最大产冷功率０．３２－－４．３１ （３）体积小，重量轻，特别在小冷量、小体积的用冷０ ７ｇ．这样就为半导冷的小型化应用创造了条件。 场合，有其独到之处； （４）启动快，控制灵活 只要接通电源，即可迅速 现： ２ 控制系统构建 小型半导冷控制系统原理框图如图１所示。 号经Ａ／Ｄ转换后传给单片机。单片机根据测得的保 温容器内的温度变化情况。通过Ｄ／Ａ转换控制半导体 制冷片的工作电压，使保温容器内的温度保持恒定，通 过液晶显示屏可以实时观测制冷系统的工作情况。并 制冷。冷却速度和制冷温度都可通过调节工作电流实 整个系统是一个闭环控制系统。温度传感器的温度信 （５）操作具有可逆性，既可用来制冷，又可通过改 变电流方向作制热用，因而可 用来做高于室温或低 于室温的恒温器； （６）由于产量的大幅增加，成本已经大幅度下降。 ｔ车项目得到国家“九七三”基础研究项目（Ｇ１９９９０３３１０６）资助 收稿日期：２００１．ｉ０．３１ 可根据实际情况通过键盘对制冷程序进行修改。 转载
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・仪器与仪表・ １３ 中国科技论文在线
表１实验一指标 ｐ＼ 霸 童 压半匝热导玲叵体端圈 圃 风制扇玲 片 图１半导幛制冷控制系统 半导冷片选用ＴＥＣ１—１２７０４，是陶瓷板式、 电偶总对数为１２７的单级器件，热电偶尺寸为２．０ ｍｍ ×１．４ＭＩＴｔ×１．４ｍｍ，制冷片的整体尺寸为４０ｍｍ×４０ ｍｍｘ ４．７ｍｍ，最大温差电流ｊ 为４．０Ａ，最大温差电 压Ｖ 为１５ Ｖ，最大制冷功率Ｑ 为３４ｗ，最大温差 Ｔ， 为６７＂Ｃ。制冷片的冷端和热端分别安装散热片 和轴流风扇，固定在保温容器的顶端。 ３实验 首先对该系统的制冷性能进行开环测试，以确定 各项因素对半导冷系统制玲效果的影响程度，实 验采取单指标比较的方式，一共进行了４种指标的比 较，如表１、表２、表３、表４所示，实验结果如图２～５所 示。 ０ １９０ ２４０ ３６０ ４８０ ６００ ７２０ ８４０ ９６０ １０８０ １２００ １３２０ 时间／ｓ 田２制玲片电压对翩玲敢果影响实验曲线 圈４散热片型号对制玲效果影响实验曲线 热蛐 环境温度 负载 热端风庸电压玲螭风扇电压 砖片电压 散热片 ，℃ 情况 ，Ｖ ，ｖ ，Ｖ ｐ＼魁 图３抟端风扇电压对制冷效果影响实验曲线 图５韧始承温肘制冷敢果影响实验曲鲅 １４ 中国科技论文在线
仪表技术与传感器 ２００２正 中国科技论文在线
实验一在其他实验参数相同的条件下，对制冷片在 不同的工作电压时的制冷效果进行比较实验．由图２可 的内外温差。在半导冷的各项指标中，制冷片的 工作电压对制冷效果的影响最大，其他指标，如散热片 的散热能力，冷端和热端风扇工作电压、负载的多少以 及负载的初始温度对制冷效果有一定程度的影响。 见，工作电压越高，制玲效果越好，但同时消耗的功率也 越大，实际应用时．要根据制冷要求选择合适的制冷片 工作电压。实验二在其他实验参数相同的条件下．对冷 端风扇在不同工作电压时的制冷效果进行了比较实验． 由图３可见，冷端风扇电压的提高，加速了冷端热量的 传递．使得制玲效果有一定的提高。实验三在其他实验 参数相同的条件下．对热端散热片在选用不同型号时的 制冷效果进行了比较实验，由图４可见，散热片的选择 对制冷效果也有一定的影响，要尽量选择热容量较大． 热传导系数较高的散热片。实验四在其他实验参数相 同的条件下，对所加负载在不同初始温度时的制冷效果 进行了比较实验，由图５可见，负载的初始水温不影响 最终的制冷温度，只影响制冷的速度。 根据上述实验，确定系统的器件（风扇等）和控制 参数（电压等）如下：制冷工作电压５Ｖ、工作电流１．２ Ａ；热端轴流风扇工作电压１２Ｖ、工作电流０．２Ａ．冷端 图６半导体１｜９玲录藐闭环买驻曲钱 ５结论 半导冷可 满足小尺寸范围的温度调节和控 制，合理选择制冷片和散热片，可以将制冷容器和环境 温差控制到１５＂Ｃ以上。热端和冷端风扇要匹配，否则 热量就会传入制冷侧，以至于温度降不下来。保温层 要有一定的厚度，否则冷量损失大，也导致温度降不下 轴流风扇工作电压５Ｖ、工作电流０，０２Ａ；冷端散热片 肋高７ｍｍ，肋厚１ｍｍ，肋间距２ｍｍ，热端散热片肋高 ２５ｍｍ，肋厚２ｍｍ．肋间距４ Ｆｌｉｔｒ３．，散热片尺寸为５０ｍｍ ×５０ｍｍ． 来。为了加快冷量的传递并使容器内温度均匀分布． 避免测量温度比实际温度滞后，冷端应加风扇。半导 利用这些参数所做的闭环控制实验如下：在开环实 验的基础上．可进一步确定该制冷系统的控制参数，进 而可以对单片机进行编程，实现对该系统的闭环控制． 在环境温度２３．７℃，加舳ｍ１初始温度２２ ３＂Ｃ水作为负 载，制冷片电压５Ｖ、电流１．２Ａ，热端风扇工作电压１２ ｖ，冷端风扇工作电压５Ｖ的条件下，可使保温容器持续 冷效果与制冷片的工作电压、散热片的散热能力、 冷端和热端风扇工作电压、负载的多少以及负载的初 始温度等因素有关，在设计制冷系统时对这些因素都 要作一定的考虑，使半导冷在最小的功耗的情况 下达到最好的制冷效果。 参（５）：６３—６５． 保持６～７℃的恒温，图６是该系统闭环实验的结果。 考文献 ４实验结果分析 从实验结果可见，ＴＥＣ１—１２７０４半导冷片在 【１】 陈振林，孙中泉半导狰器的原理与应用散电子技术，１９９９ １２ｊ ｚｕ Ｔ ｚｈ．ＴｈｅｒｍｏｅＬｅｃｔｉｒｃ ｃｏ０ ｆｏｒ ｓｐ￣ｏｅ ｍ［ｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｅｉｇｈｔｅ￣ｔｈ Ｉ ｒ ｎｄ ｄ Ｃｏｎ［ｅｒｅａｃｅ∞１．９９９．１９９９：３２５—３２７ 额定电压状况下工作，对于几百毫升的密封绝热容器 可使容器内外温差达到２０℃。为了减少器件的功耗． 工作电压为５ｖ时温差仍可达到１４＂Ｃ左右，在室温 ２０℃的情况下，可保持容器内６℃的温度．并且容器内 【３］ Ｓｅ￣ｎｅｎｉｏｕｋ Ｖ Ａ Ｔｈｅｎｎｏｅｌｃｔｅｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｒｅｓｐｅ￣ｓｅ ｔｉｍｅ Ｅｉｇｈｔｅｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｍａｄｃ￣ｄ Ｃｏｎ ｒ 。ｎ １９９９．１９９９：３Ｏｌ一３０６ （４］Ｇａｎｇ０ｐａｄｈ抻ｙ Ａ．Ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｒｏｒａ ｓｙｓｔｅｍ ｉｄｅｎｄ－ ｆｉｃａｔｉｏｎ ０ｆ ｎ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｅｒｌ ｎｅ．Ｃｏｎｔ￣ｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １ＥＥＥ－ ２００１．９【３）：４２５—４ ． （５］Ｚｈａｎｇ ｊ ｚｈ Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｉｏｄｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃＤ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉ［ｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅＦＦｌｆｏｅｋｃｔｒｉｃ ｏ。 ｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｌＣＴ’９７ ＸＶｌ ｌｎｔｅｒｎａｔｉ￣ａｌ 加上负载以后，只影响制冷的时间．不影响制冷可达到 Ｃｏａｆｅｒｅｎｃｅ．１９９７：６９０—６９２ 下期要 目 预告 ＊在６ｏＣｏ铁路货车检查系统中用光电传感器实现车 厢识别 ＊ＡＮＳＹＳ在接触式电容压力传感器非线性分析中的 应用 ＊二氧化碳智能测试系统研究 ＊点阵型液晶显示模块的接口及其Ｃ５１编程 ＊仪器的故障检测与分离技术综述 ＊一种智能化功率因数测控仪的研究 ＊金属卤化物灯启动性能测控系统的研究 ＊可编程逻辑器件在超声波流量计中的应用 ＊网络仪器概念及有关问题的研究 ＊ＣＡＮ总线在分布式生物发酵过程控制系统中的应用 ＊铜一康铜热电偶的锡膜焊接及热电特性 ＊智能仪表中的一种数据融合方法