1、2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲12013 年下学期综合实验实验大纲指导老师：李可组长：郭元东组员：王永梅、郭琪、邓莳萌、张龙、代宇鑫、贾浩、何颖章、邹昀凯、孙伊伟目录实验目的： .1实验原理： .1实验器材： .7实验内容： .7数据记录 .9数据分析并得出结论 .9实验目的：1、 研究 TEC1-12706 半导体制冷片的制冷特性并绘制效果曲线。2、 探究散热风扇转速对制冷片制冷效果的影响。3、 探究不同制冷片在随电压的升高，制冷效率的变化规律。4、 研究半导体制冷装置系统的温度稳定效果。实验原理：1、半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，它是利用塞
2、贝克效应的、逆效应珀尔贴效应达到致冷目的的。所谓塞贝克效应，就是两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差( 称接触电动势) ，同时闭合线路中就有电流通过( 称温差电流)。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接触点变冷，另一个接触点变热，这种珀尔贴效应。如下图所示2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲2半导体制冷原理图半导体的重要特性就是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后，不但能大大加大导电能力，而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体称
3、为n 型半导体。与之相对应的就是靠“空穴”来导电的 p 型半导体，在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反，即“空穴”由正极流向负极。n型半导体中的自由电子，p 型半导体中的“空穴” ，他们都是参与导电，统称为“载流子” 。p 型半导体和 n 型半导体料夹在金属平板间形成通路(称热电对)，在外电场作用下，p 型半导体在 a 点处的空穴，需要从金属片上吸收一定的能量，用以提高自身的势能，才能进入 p 型半导体内，因此该接点处温度会降低，形成冷接点；而在 b 点处的空穴，恰恰相反，需要释放掉多余的能量才能进入到金属片中，这时该接点温度上升，形成热接点。而在 n 型半导体中是自由电子的流动，
4、它和空穴流动的方向相反，在 c 点处吸收热量才能进入到 n 型半导体内，在 d 点处放出热量才能进入到金属片中。因此在 a、c 这边能吸收外界热量制冷(而 b、d 这边有多余的热量放出)。显然，通过改变电流方向就可实现由制冷变加热的目的。半导体制冷片内部电路图一对热电对的制冷量很有限，为获得较大的制冷量，可以将很多这样的热电对串联成热电堆，甚至可以再通过串、并联的方法组成多级热电堆。实际应用的半导体制冷器，通常就是几十、几百甚至更多的热点对通过串联、并联或者混合组成的。2、下图所 示 为 12704 和 12706 两种半导体制冷元件 对于 和 COP 值2013 年下学期综合实验李可老师指导
5、组实验大纲3的影响，计算中所用特性参数为本文实验测量值。图 3 中的圆圈表示 12704 和12706 两种制冷元件在 11. 6 V 下所达到的稳定工况，它们的 均保持在-13，实测工况点与图中的计算工况点相符合。在温差一定时，随着电流的增加， 也增加，到某一电流值， 达到最大，此时的电流称为最佳工作电流。随温差减小，的最大点向右偏移，这是因为元件的特性参数随着它们自身 变化而变化。两种元件之间的特性参数不同，使它们的工况曲线也有较大差别。对不同温差下 COP 取值情况比较发现，随温差增加，COP 值急剧下降。在半导体制冷元件给定的条件下，要提高半导体制冷装置的效率，必须在元件冷热端采取强化
6、换热措施，降低冷热端温差。利用半导体材料热电制冷过程电学和热力学基本公式，代人测得的 ，U，R 和 I 基本物理量，就可以算出半导体制冷元件的特性参数：制冷元件上的电压降 IRULH（2）输人功率 IIPLH20（3）冷端产冷量 LHtLKRIIQ2012732013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲4（4）热端散热量 LHtHH KRIINQ201273（5）定义制冷系数 0PQCO（6）需要测得的特性参数是半导体制冷元件的温差电动势 (V/)、导热系数 K (W /)和电阻 R ()。这些参数都是温度的函数。通过查图表得出。数据表格从图中查出的三个数据： kv/1024)(6.cmw
7、kt R/32013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲5在如下图所示位置粘贴温度传感器，测定制冷片两端温度 、 ，冷热翅hl片根部和端部温度，计算出翅片热阻及空气热阻，进而通过 计算出制冷-=lR总量，然后绘制出制冷量 及 COP 的曲线图。另外在理论上，随着离制冷片冷热两面的距离的增加，散热块的热阻不断增大，温度会出现如下图所示的结果，我们通过贴的传感器测得的温度可以绘制下图温度曲线。2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲63、 制冷装置：主要由半导体制冷片、冷端散热块、冷端风扇、热端散热块、热端风扇组装而成，实物模型图如下所示：2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大
8、纲74、降压模块改变风扇电压，通过改变热面风扇两端的电压改变风扇转速，散热效果降低，从而影响制冷片的制冷效率，最终测量的制冷箱内温度值不同。5、温度控制系统：通过利用 Arduino 温控装置、单片机温控板以及温控器实现箱内温度维持恒定的自动控制，并通过对箱内实际温度的变化范围分析三种自控装置的效果和精度。Arduino 是一个基于开放原始码的软硬体平台，构建于开放原始码 simple 冷端风扇冷端散热块半导体制冷片热端散热块热端风扇2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲8I/O 介面版，并且具有使用类似 Java，C 语言的 Processing/Wiring 开发环境。能通过各种
9、各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过 Arduino 的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器，进而通过程序控制运动部件，如继电器、电机、LED 灯等。单片机温控装置是通过单片机编程及温度传感器测温控制继电器通断进而控制半导体制冷片通断。温控器是买的成品，原理和单片机温控装置类似，只需设定温度上下限，就可在温度到达上下限时控制继电器通断，从而控制制冷片的工作。实验器材：半导体制冷片（TEC1-12706、TES1-24150 ） 、导热块、导冷块、导热风扇（DC12V、DC24V） 、导冷风扇（DC12V） 、12V6A
10、 直流电源、12V25A 直流电源、24V3A 直流可调电源、温度传感器、温度采集平台、降压模块、温控器、Arduino 温度自控装置、单片机温控板、笔记本电脑。实验内容：1、 组装实验装置，搭建实验平台。将半导体制冷片、导热块、导冷块、导热风扇、导冷风扇、电源等连接起来组成如下图所示实验装置。然后将实验装置放入内部贴有泡沫保温板的试验箱内。2、 将贴有传感器的制冷系统接到温度采集实验平台上进行试验，采集实验数据。3、 在半导体制冷片为 TEC1-12706，热面风扇为 DC12V 时，通过调整降压模块上的电位器改变热面风扇的电压，使其从 12V 连续降低到 8V，间隔 0.5V，利用 Ard
11、uino 温控装置连接电脑测量箱体内的实时温度，同时将每一时刻的温度记录到电脑显示屏上，记录环境温度和最终箱体内的温度，并分析实验结果。4、 在半导体制冷片为 TEC1-12706，热面风扇为 DC24V 时，通过调整降压模块上的电位器改变热面风扇的电压，使其从 24V 连续降低到 16V，间隔 1V，利用 Arduino 温控装置连接电脑测量箱体内的实时温度，同时将每一时刻的温度记录到电脑显示屏上，记录环境温度和最终箱体内的温度，并分析实验结果。5、 在半导体制冷片分别为 TEC1-12706 和 TES1-24150，热面风扇为 DC24V 时，测量两种情况下的环境温度和最终箱体内温度，并
12、记录制冷片流过制冷片的电流值，分析实验结果。6、 利用 Arduino 温控装置对半导体制冷系统实现自动控制。在制冷片和电源之间接入 Arduino 温控装置控制的继电器以实现自动控制，比如将温度上下限设为 t1t2 时，环境温度大于 t2，于是继电器接通制冷片工作同时试验箱内温度不断降低，当降低到 t2 时制冷片仍旧工作直至温2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲9度降低到 t1 时，温度传感器将温度反馈到 Arduino 主程序，继电器打开，制冷片停止工作同时试验箱内温度上升，当温度上升到 t2 时，主程序控制的继电器接通，制冷片工作。于是便实现了温度的自动控制。实验原理图如下所
13、示：Arduino 控制程序：由于制冷片制冷通断的快速性以及试验箱的保温效果不好，温度计读取的示数不会随制冷片的通断立即发生变化，当制冷片断开后温度上升，到达温度上限时制冷片接通，但是由于温度上升的惯性，温度计测得的温度仍会继续上升，于是在设定温度范围为 19.920.1 度时，温度上升下降比较快，制冷片不断通断反而使温度不能稳定在 20 度，于是将温度上下限设为 19.520.5 度，以实现温度在 20 度的稳定，控制程序见附件 1： 7、 单片机温控板自动控制研究制冷系统的温度恒定情况实验原理图如下所示：2013 年下学期综合实验李可老师指导组实验大纲10接通电源后记录箱内实时温度并拟合成平滑曲线，分析实验误差及原因。单片机温度自控程序见附件 2.8、 温控器实现温度自动控制接通电源后记录箱内实时温度并拟合成平滑曲线，分析实验误差及原因。数据记录数据分析并得出结论
