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基于半导体致冷器TEC的集成化恒温散热器实验研究

党川川  
【摘要】:随着现代科技的高速发展,人们对电子设备和电子器件的性能要求越来越高,尤其是对温度变化的要求越来越严格,许多场合下,需要掌握系统的温度特性,发热功率等。近年来许多学者对电子设备的恒温控制进行了深入研究,发展前景较好的是利用半导体制冷器(TEC)制成恒温控制器以及采用TEC进行温度控制。TEC具有独特的制冷制热功能,如无污染、无需制冷剂、体积小等,并且是电流驱动器件,便于形成反馈系统。而对于TEC系统的散热应用更是近年来研究的热点。 目前市场有许多专门针对TEC的恒温控制器,但对于TEC恒温散热系统以及发热系统的研究一直是比较薄弱的环节。本文所设计的散热器是基于TEC的集成化恒温散热器,由于TEC是电流驱动器件,易进行电流控制,所以其与恒温控制模块构建的系统可以实现不同于普通的散热系统的功能,主要表现为两点:一是本散热系统的散热方式是主动散热,可以根据不同的需求进行预设置温度的稳态值;二是此散热器为有源散热器,需要电流的驱动才能进行工作。本文的最终目的是设计一个基于TEC的恒温散热器,使其与半导体恒温控制器一起工作,从而对发热器件的温度进行控制。本文采用的半导体恒温控制器是本组研制的WK-2500T,通过改变发热电路中电位器的阻值,使功率放大电路中的2SC3280功率三极管的发热功率不同,利用构建的系统对功率三极管进行制冷。 本文的主要工作分为以下四部分: (1)论述了半导体制冷器TEC的工作原理与应用方法,对TEC的各种工作情况进行论述,同时详述了对发热系统建立热阻模型的方法,根据TEC结构,等效出TEC的热路模型; (2)建立了基于TEC的散热片与风扇系统,阐述了四种TEC热端散热的方法,并且对散热片进行理论分析,建立热阻模型。采用强迫风冷的方式,并对强迫风冷的模型进行分析研究; (3)进行了半导体制冷器的冷端与发热器件的仿真实验,采用Matlab软件中的Simulink建立仿真模型,并对仿真结果进行分析,得出理论结果; (4)根据理论分析进行了TEC恒温散热器性能测试实验,确定了实验方案、元器件型号,并对构建的一体化模型进行性能测试,对不同的发热功率器件采用同一系统进行恒温控制,记录系统的制冷过程,得出实验结果,对实验结果进行分析,最后得出结论。 根据TEC的工作原理,对TEC进行最优化应用,研究表明采用强迫风冷散热时,风扇顶部的送风模式对散热器的影响最好,当散热器的基底面积相同时,肋片的厚度存在一个最优值。通过仿真实验,得出发热器件与TEC冷端的关系。TEC的输入功率与制冷效率存在非线性关系,并非TEC的输入功率越大,对发热器件的温度控制越好,因此应选择最优的输入功率值。对构建的系统进行实验数据分析,得出结论,在相同的散热系统中,对不同的发热功率器件进行不同程度的温度控制,发热功率较小的器件或设备最后达到的恒温控制温度比功率较大的低,并且达到稳态的速度更快。最后,根据理论和实验结果对TEC散热系统进行了最优化设计。


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