风冷式热电制冷实验装置研制

　　热电制冷是四大基本制冷方法之一,具有绿色环保、安全可靠、使用便捷、在小冷量等特殊场合效率较高等优点,在仪器仪表、电力电子、通讯、计算机、军事、航空航天等领域得到广泛应用,在医疗器械、密闭空间等特殊场合,热电制冷具有压缩式制冷无法替代的优势[1]。

　　随着科学技术的进步,以节能和环保为背景的技术创新和技术升级以及电子、新材料等相关技术的渗透,为热电制冷技术提供了新的发展机遇和动力。热电制冷是制冷与低温工程学科的重要教学内容,由于实践教学和创新型实验的需要,本文研制了风冷式热电制冷教学实验装置,初步构建了热电制冷技术教学实验、应用设计和开发创新的平台。

　　1 热电制冷原理

　　热电制冷的理论基础是半导体温差电效应的帕尔帖效应[2],热电制冷器的基本单元是由P型半导体(空穴型)和N型半导体(电子型)组成的半导体热电偶,基本结构原理如图1所示。

　　当直流电通过电偶对时,电路中产生能量转移,在2个接点处分别形成冷端和热端。

　　实际应用的热电制冷器可以由多个基本热电偶通过串联和并联组成的热电堆来实现所需的温度和冷量,改变直流电源的方向可方便地实现冷热端的切换。

　　基本热电偶的制冷特性为:

　　其中,Q0为制冷量;P为消耗功率;E为制冷系数;A为温差电动势率;I为工作电流;TC为冷端温度;K为导体的总热导;R为导体的电阻;$T为冷热端温差。

　　2 热电制冷实验装置研制

　　2.1 风冷式热电制冷实验装置

　　风冷式热电制冷实验装置的基本构成如图2所示,主要由风冷热电制冷组件、保温箱、电源模块和测控系统组成[3-4]。

　　2.1.1 制冷系统

　　风冷热电制冷组件由热电制冷器和冷却风机组成,如图3所示.

　　3片热电制冷器并联连接,冷端的传热铝板紧固在保温箱的硬质铝合金内胆上,热端置于保温箱底部,采用风机强制对流散热[5-6]。

　　保温箱依据国家标准[7-9]设计,外壳和门体由215 mm厚的ABS硬质塑料模压成形,内胆采用易成型的硬质铝合金,外壳和内胆之间用绝热材料聚氨酯发泡,上述结构构成一个435 mm@260 mm@320 mm的绝热卧式箱体。

　　2.1.2 测控系统

　　研制的单片机控制系统,实时采集实验装置的热工和电力参数,通过设定程序控制电源输出电压和制冷器的工作片数,实现制冷温度的精确调节。设有液晶控制面板实时显示各监测点温度和电力参数,利用触摸屏实现现场操作。

　　(1)温度测量。采用Pt100薄膜温度传感器,置于设定的采集监测点。