项目总结报告_小型半导体制冷系统的设计应用

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1、大学生科研训练计划(SRTP)项目总结报告(第十六期)项目名称：小型半导体制冷系统的设计应用项目负责人姓名：林承勋所在学院（系）：电气学院年级与学号：11级3110101592所学专业：电气工程及其自动化联系电话：15267044681/563812电子邮件：ericlinchengxun@gmail.com项目组成员姓名：刘勇陈放36/36小型半导体制冷系统的设计应用目录摘要4关键词41引言41.1发展历史41.2与机械压缩式制冷系统的对比42半导体制冷器基本原理52.1珀尔帖效应52.2汤姆逊效应52.3傅立叶效应52.4

2、焦耳效应62.5基本模型63热电制冷器基本结构64半导体制冷系统方案设计74.1基于基本元器件的半导体制冷系统74.1.1基本控制策略74.1.2PWM调控84.1.3简化控制电路模型84.2基于51单片机的半导体制冷系统94.2.1系统模型94.2.2PWM斩波控制105半导体制冷系统实验验证分析115.1实验器件115.1.1半导体制冷片115.1.2散热肋片与风扇125.1.3供电电源125.1.4制冷空间135.1.5单片机芯片135.1.6温度采集模块145.1.7AD/DA模块155.1.8无线控制模块165.1.

3、91602液晶显示器175.1.10控制电路部分185.1.11半导体制冷器系统185.2热电制冷器制冷效率195.2.1实验数据195.2.2效率计算205.2.3其他参考数据2136/365.3（基于单片机）半导体制冷系统的运行状况分析215.3.1采用通断控制时215.3.2采用PWM控制时216结论227小型半导体制冷系统单片机控制程序227.1主程序227.2I2C总线驱动程序32参考文献3536/36摘要本文主要介绍半导体制冷器的基本原理与设计方案实现，并通过简单的实验验证，分析半导体制冷系统的制冷效果和控制性能。

4、关键词热电效应热电制冷半导体制冷器系统36/361引言1.1发展历史半导体制冷片，也称为热电制冷片，是一种利用半导体材料的Peltier效应进行制冷的热泵。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的。与常规的制冷技术不同的是，半导体制冷不需要制冷剂，无滑动部件，具有工作稳定性高、清洁无污染、尺寸小、温度控制精确、无噪声等显著优点。当前，从国内外对半导体制冷研究的程度来看，半导体制冷技术远没有成熟。半导体制冷应用的范围仍然局限在一些特殊的、不容易大范围普及的场合，比如

5、微小空间的电子散热、低温领域、军方特殊需要的情况。本项目研究基于前任研究的基础，将半导体制冷技术实验研究建立在更加接近实际生活应用的场合，以期实现半导体制冷技术应用更为生活化、实用化，从而使得半导体制冷技术有更广泛的推广应用。本项目研究主要考察了两种简单的半导体制冷系统，实验结果对后续实验研究应用具有一定的借鉴意义。1.2与机械压缩式制冷系统的对比机械压缩式制冷系统和热电制冷系统的基本对比由下表所示：机械压缩式制冷系统热电制冷系统主要组成部件压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、制冷剂冷端、热端、电源、电路制冷剂需要不需要噪声高基本

6、没有体积较大较小热惯性低低控制方式简单-复杂简单-复杂效率高较低功率一般较高可按需求选取36/36由上表内容可以看出，机械压缩式制冷系统和热电制冷系统各有优缺点，可以在不同的应用场合发挥各自的长处。相比机械压缩式制冷系统而言，热电制冷系统不需要制冷剂，同时省去了压缩机等大型转动部件。因此具有无工质泄漏，无噪声，体积小，可靠性强等优点。同时，半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。因此，在某些应用场合，有着压缩式制冷机无法替代的作用。另外，半导体制冷片是

7、电流换能型片件，通过输入电流来控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。1半导体制冷器基本原理当直流电通过半导体PN结时，在两结的接触面上会发生热电效应，它主要是由五种不同的效应组成，即珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应、塞贝克效应等五种不同的效应，而半导体制冷技术则主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。1.1珀尔帖效应两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将会产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffect）。珀尔

8、帖热与通过该导体的电流大小成正比例关系：Q=л·I=a·Tc·I，其中л=a·Tc（1）式中Q为放热或吸热功率；π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。对于PN结而言，珀尔帖系数存在如下关系：л=(ap-an)Tc，ap、an分别为N型结