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山西快乐十分派彩图: 高性能半導體零度恒溫器的設計與應用

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2014-4-18 打印本頁

山西快乐十分前三预测 www.cxclik.com.cn 半導體零度恒溫器制冷不需要任何介質,可長期連續工作,無污染、無噪音,尺寸小,重量輕;側面雙攪拌/散熱系統在半導體零度恒溫器的應用。
關鍵詞:半導體零度恒溫器、珀爾帖效應、熱電偶冷端補償、冷端補償套線
 
1          引言
半個多世紀以來,檢定熱電偶時用雪花狀的冰水混合物作為冷端補償的參考端是檢定規程的要求,在各計量所、軍工、航空航天、石化等行業都有廣泛的應用。從實際使用來看,冰水混合物相對穩定,但對保溫、時間長短和環境依賴性很大,且制作不方便。近幾年,隨著半導體技術的不斷發展和深化,半導體零度恒溫器作為新型的冷端參考方式開始走向市場,并在各行業形成了廣泛應用。
 本文通過介紹半導體制冷原理解析制冷方式和設計注意事項,如何設計和應用半導體零度恒溫器。
2          半導體制冷及特性分析
2.1         半導體制冷理論基?。?]
制冷的理論基礎是固體的熱電效應,在無外磁場存在時,它包括五個效應,導熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。
 
 
珀爾帖效應(PELTIER EFFECT)
  一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應,即當電流流經兩個不同導體形成的接點時,接點處會產生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。
  Qл=л.I л=aTc
  式中:Qπ為放熱或吸熱功率
  π為比例系數,稱為珀爾帖系數
  I為工作電流
  a為溫差電動勢率
  Tc為冷接點溫度
湯姆遜效應(THOMSON EFFECT)
  當電流流經存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻產生的焦耳熱之外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差為△T的導體兩點之間,其放熱量或吸熱量為:
  Qτ=τ.I.△T
  Qτ為放熱或吸熱功率
  τ為湯姆遜系數
  I為工作電流
  △T為溫度梯度半導體制冷工作原理
 
2.2         半導體制冷工作原理
  半導體制冷技術的主要原理是基于帕爾貼效應,根據熱電效應技術的特點,采用特殊半導體材料熱電堆來制冷,能夠將電能直接轉換為熱能,效率較高。目前制冷器所采用的半導體材料最主要為碲化鉍[3],加入不純物經過特殊處理而成N型或P型半導體溫差元件,它的工作特點是一面制冷一面發熱[2]。
  根據量子理論,金屬與半導體材料具有不同的能級、不同的接觸電位差和不同的載荷體。如圖一所示,P型與N型半導體之間用金屬板連接,另一端通過金屬板構成圖中電路,當合上電鍵k時,就會有圖中的電流通過PN結,這樣就會在半導體與金屬板相連的上端形成帕爾帖冷效應,下端形成帕爾帖熱效應[4]。
圖一
2.3         半導體制冷的優點
l        帕爾帖效應原理制冷不需要任何介質,可連續工作,無污染、無噪音,尺寸小,重量輕
l        制冷熱慣性非常小,制冷時間很快,方便PID控制器對其進行控制
l        半導體制冷片即可單獨制冷,也可通過串/并聯方式加大制冷功率,縮短制冷時間
l        溫差范圍從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現,擴展應用廣泛
l        半導體制冷作為電流換能型起件,通過輸入電流的控制,可實現高精度的溫度控制,再加上溫度檢測和控制手段,應用于熱電偶自動群控檢定裝置可組成自動檢定系統
2.4         半導體零度恒溫器的設計
在成熟的半導體制冷技術原理基礎上,產品設計主要集中在制冷功率計算、制冷控制、保溫、散熱和攪拌技術的設計。
半導體制冷器有兩種工作狀態,即最大制冷量或最大制冷溫差狀態與最大制冷效率狀態。本文的目的是設計固定點半導體制冷器,溫差不大,故采用最大制冷效率狀態進行設計,以保證在達到制冷溫差的前提下盡量降低功耗。
2.4.1   系統硬件組成
半導體零度恒溫器使用了俄羅斯進口的高性能半導體制冷片,日本島電的SR系列PID控制器,并帶有RS232接口,方便實現自動化控制。高性能保溫系統、散熱/攪拌裝置和專用熱電偶補償接線采用北京中航瑞科的產品設計,系統圖如圖二
P/N堆
 
 
P/N
P/N
風扇
風扇
功率調節板
SV 0.00
PV 0.00
PID調節器
環氧樹脂膜
控溫電阻
熱電偶接線
單股銅線
 
 
 
圖二 半導體零度恒溫器系統組成
2.4.2   溫場均勻性
   在全空間內要保證均勻性難度較大,本設計采用了獨特的側面雙攪拌方式,以對角的位置形成磁攪拌,使空氣以兩個環形轉動并相互交叉,以到達全工作區域內0.02℃的均勻度。溫場檢測方法可參考JJG 229-2010
2.4.3   散熱對制冷性能的影響分析
   半導體制冷效率受半導體冷、熱端溫度影響很大,通過改善傳熱條件,提高半導體制冷效率。銅板是一種高效傳熱元件,將熱管與半導體制冷元件充分接觸,在一定條件下,可以達到比較理想的制冷效果。
由圖二可見,在較小的空間中,隨著熱端溫度增高,僅憑銅板本身散熱遠遠不夠。在本設計中專門安裝雙風扇散熱,使冷/熱空氣強制對流提高熱量的傳遞和制冷效率,有效保證制冷片快速制冷。
2.4.4   環境溫度對制冷性能的影響分析
在實際使用中,環境溫度對半導體制冷片的制冷作用也有相當的影響,經測算,溫度超過25℃的情況下,環境溫度每增加1℃,制冷穩定時間需延長1分鐘。本設計主要考慮環境溫度<35℃的情況下使用,穩定時間控制在半小時以內。
3          半導體零度恒溫器的應用
3.1         熱電偶冷端補償
作為穩定的0℃恒溫源,在通電狀態下可長期保持穩定,準確度0.1℃,技術指標完全滿足并優于冰水混合物指標,所以首要設計是使用在熱電偶冷端補償上,連接方式如圖三
亞弧焊,防氧化,外管為無磁不銹鋼材料
 
 
通往電測儀表
I = 1~10
I = 1~10
單股銅線 +
補償導線 +
補償導線 -
單股銅線 -
熱電偶
半導體零恒溫器
密封,抽真空
 
 
圖三 半導體零度恒溫器接線方法
 
在圖三中,補償導線設計成不互相獨立的補償套線,使用時根據不同型號的被檢熱電偶選擇不同的套線。套線包括單股銅線和精密補償導線,連接端完全密封,套線管壁為無磁不銹鋼材料,管內為真空,導溫快、防氧化。導線兩端一端和熱電偶相連一端通往電測儀表。
3.2         半導體零度恒溫器的擴展應用
加深半導體零度恒溫器的插入深度即可檢定鉑電阻,將外殼設計為透明狀可方便作為醫學分析。擴大容積和加大制冷功率可模擬外太空低溫環境。總之,在正溫90℃到負溫度130℃的范圍內,通過相應的功率計算,使用不同的P/N堆都可實現設定溫度的穩定。
4          結束語
以此方法設計的半導體制冷恒溫器在國家計量院的應用和中國測試技術研究院的檢定證明技術指標是完全符合并優于國家相關檢定規程,設計是成功的。隨著半導體制冷技術在熱工領域的擴展應用也越來越廣,包括制冷式油槽,半導體式低溫槽,恒溫箱等。半導體零度恒溫器作為新型的熱電偶冷端補償器,也必將具有廣泛的應用前景,對降低熱工操作人員勞動強度、提高工作效率和檢定質量都將起到積極的作用。

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