（生物医学工程专业论文）基于arm的热电空调模糊控制系统研究.pdf

塑! ! 三些查量：堡圭兰堡垒塞 些：彗! a b s t r a c t t h e n i l o d e c 砸c 姆a i r c o n d i t i o n i n gi sw o 出w i mp 百i t i e re 溉t i tl 璐f 每w c r 锄v i r o 衄饥tp o l l u t i 伽，a 1 1 dl e s s e rn o i s e ，锄a l l e rv o l 岫e ，l l i 曲e rs t a _ b i l i t ye t c t l l e p m m i i l e n tp e r f b 册粕c em a l ( ei tw i d e l ya p p l i c dt om ef i e l do fi l l d u s 仃弘m e d i c a l 仃e 栅e n t ，e l e c 订o n 锄dr e 衔g e 船t i o nt e c l l i l o l o g y h lt l l ea s p c c to ft h e n i l o e l e c 砸c i t ya i l w 伽l d i t i o 玎i i i l gc o n t r o ls n e g y t h ef h z z y c o n 仃d lw h i c hb e l o n g st ot h ec a t e g o r yo fi n t e l l i g 伽tc o n 虹d lh 弱r 锄a r k a b l e c h a r a c t 舐s t i c “u t i l i z e s f i l z z yn l l 鼯s e t w l l i c h b 勰c d0 n t h eo b j 。吐b u tn o t i 协m o d e l t o m a k er a t i o c i l l a t i o n 锄dg c tm ec o r r e s p o n d i n gc o n n d l l e dv a l u e t 1 1 e r e f o r c ，m es y s t e i n 印p l i 鼯n l z z y c o n h d lt 1 1 e o r yt o t 唧眦t u c o n 仃d lo ft l l c r i i l o e l e c 啊c i t y a * c o n d i t i o n i n gf i o r l l i e v i n gi m e l l i g e n tc o n h d l h 1o r d e rt og e tb e t t e rc o n 曲le f f c c t ， l a f g e 锄。咖皓o f d a t an e e dt ob ep r o c e s s c dd ”枷i c a l l yf o rr e a l i z i l l gt h em z z yc o n n 口l a l g o r i t l l l i lm a tu s e db ym cs y s t e l i i 1 1 1 e 印p l i c a t i o no f a r m m i c r o c o n 打o l l e rl p c 2 2 1 0 p r o v i d 船l l a r d w a f 醅r c a l i z i n gt h ea l 鲥t l l m ，w h i c hm a l ( 髂t l l et 踟l p e r a h l r ef i l _ z z y c o 咖lo f t l l 锄o e l e c 打i c 时心c o n d i t i o i l i n gp r a c t i c a i l y t 1 l i sp 印盯s t l l d i e st l l et 锄叩c r a n l f i l z z yc o m r o ls y s t 锄o ft l l c r i l l o e i c c 仃i c i t y a i r - c o n d i t i o i l i n gb 勰c d a i m t l l e 缸z yc o n 胁1 1 c ro fm es y s t e i ni sd 器i 印e d a c c o r d i n gt ot l l eh tc 伽d u c t i o nm o d e lo ft l l 锄o e l c c t r i c i t ya i r - c 0 i l d m o n i n g 卸dt h e 麟p e 如h o w l e d g e ，m ef i l z z yn l l 器s 吐趾dq 咖t i z c d 批t a _ b l ea r e 垂v 吼；m e t l l o d so f t 鲫p e m n l r ei n t e n j g c e a d j l l s h n e i l tt h a t c o u l d p r o d u c e m ei i l i c r o w e a t h 耐 吼v i r o n m e mi ss t l l d i e d ，c o r d i n gt om et h e o r yo fm c d i c a lm e t e o r o l o 鼢卸dm e m o d e lo fn - l i n e 篮m 印p i i l gf o rt 伽p e r a t i l r ca d j l l s n n e i l ti sc o 璐m l c t e d ；皿瞄n g a d v a r l t a 呈r eo ft h es y s t 锄m o d u l e ，t h es i m u l i i l l 【m o d e lo fw h o l ec 咖ls y s t 锄i s f o 岫d c d 锄d 血es i i i l u l a t i 麟p c r i m e n ti sp e 一豳e d ，t l l er e s u n si n d i c a t em a tm e 吻c o n t r o lh 鹬t l l eb e t t 盯e 矗b c t b 弱c d t l l em o d e l i n ga n ds i l i l u i a t i o f t h es y s t 锄，w et a l 【et l l ee 髂y a r m 2 2 0 0 勰h a r d 州a r ed e v e l o p m e n ts y s t 锄，t l l e nt h et c i 叩e r a t i l r e q u i 8 i “a n dd i s p l a y 劬s y s t 锄i si m p l 锄t c db yc o m b i n i n gd s l 踞2 0 锄ds m g 2 4 0 1 2 8 ，b c s i d e sm e l p c 2 2 1 0 - b a s e d 缸刁c o n 咖u 盯i sd e s i 驴e d t om e e tm ed 啪锄do f t h 锄o e l e 嘶c 时 a 珏c o n d i t i o n i l l gf 0 rp o w e rs u p p l y t h ef i l z z yp w m c i 伽i to ft h es y s t 锄w i l i c hu s i n g t h es 衄】蛐l f eo f b u c kc o n v e n 饼i sd e s i 印e d ，i ti i n p l 伽c n t st l l ec o n n d l 锄da d j l l s t m c i l t o fv o l t a g c 柚dp o w t h es i m u l a t i o no ft l l ec 疵l l i ti sp e r f o l m c di nt h ep s p i c e 塑! ! 三些奎兰堡兰堡丝圣 些：! ：! ： v i r o n m 耐，t 1 1 ee x p e r i m e n tr e 锄l tm e e t st h ed c m a 柏do fs y s t e i l ld e s i g n ；t h ec o n t r o l p r o 鲈吼m eo ft l l es y s t e mi sd c s i 髓c d 谢mcl 锄g u a g e 锄dd e b u g g e di nm e 曲v i r o 啪e mo f a d s l 2 ，t h ec l a l l g i l a g ec 觚m a k et h ep r o 乒a n l i i l ed e s i 弘n e x i b l e 锄d e 勰yt ob et r a n s p l a i l t e d d i l r i n gt h es y s t 锄d e s i 弘i n 岛t l l em o d c lo f s y s t 锄i ss i l n u l a t e db y 璐i n gs i m u l i i l l 【 o fm a r l a ：b ，s i m i l l i i l l 【e x p e r i m e mi i l d i c a c 懿m a tw h e nc o 玎叩卸e dw i t h 妇d i t i o i l a lp i c o n 仃o ls t a t e 纵t h es y s 咖i h 嬲g o o dr o b u s t ，h i g l l c rs 油i 1 时锄d o v e r s h o o t t h e m o d e io f h a r d w a s 咖c n o f t l l es y s t 锄i sd c s i 印e d ，i tp r o v i d e ss u p p o nt oc o n s 虮i c t 也ew h 0 1 ec o n t r o ls y s t 伽1 f i n a l l y ，t l l e t i r es y s t 锄i s “a l u a t e ds ”m e t i c a l l y 卸dm e 叩i n i o t l l a t m ep m b l e mo f t l l es y 8 t e md e s i 量皿锄df u t i 鹏s t i l d ya r ep r e s e i l t e d 1 e y w o r d s ：m e d i c a l m e t e o r o l o g y t h 黜o e l e c t r i c 时r e 衔g c r a i i o n a r m f u z z yc o m r o l ，h i t e l l i g c ea 由u s 乜l l 吼t l 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文t 作 的知识产权单位属丁西北t 业大学。学校有权保留并向国家有芙部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密屙适用本声明。 学位论文作者签名觯 枷7 年亏月时日 指导教师签名：j ；j 垡盘2 莎叼年3 月谚日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究t 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盈! 差 ) 砌年月甜日 西北= r 业大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 热电空调利用热电制冷器作为其制冷装置，由于体积小、结构简单灵活、性 能稳定以及健康环保等特性多用于潜艇内舱及电子通讯车工作室的气温调节。目 前，熟电空调的研究主要表现在热电转换性能、结构及控制策略方面、并随着半 导体材料热电转换性能的进一步提高和控制技术的发展而逐步应用于医疗和居 室环境温度的调节。 1 1 课题背景及研究意义 随着热电材料研究的不断发展，热电制冷已经成为制冷技术的一个新的分 支，并在工业、电子技术、生物医学、家用电器等领域得到广泛的应用。热电空 调是热电制冷技术在空调中的应用，它具有许多优于传统空调的特性，在工作时 只需要加上直流电源和散热装置即可在短时间内制冷，这种特性使得热电制冷解 决了许多特殊场合的制冷难题，因此具有非常广阔的应用前景【l 】。 医疗气象学( m e d i c a lm e t e o m l o g y ) 的发展为营造健康的气候环境提供了理 论和实践依据，它是研究自然或人为环境中气象条件对人体健康的作用和影响的 一门学科【2 】。长期以来，为了证实气象对人体健康影响的一些规律，人们曾采取 了一系列方法，目前所采用的研究方法主要有观察法和实验法两种：观察法是通 过气象资料和医疗资料的收集，再进行统计学处理后找出二者的内在联系和规 律。实验法是在人工气候的控制条件下，按照实验的要求观察特定的气象条件对 机体的影响，通常情况下将两种方法结合起来研究各气象因素的变化和人体健康 状况之间的规律。 在各个气象因素中，人体对于气温的变化最为敏感，而且人体生理机能受气 温变化的影响也较大，因此，采用适当的方式调节室内的温度对于改善生活环境、 提高人体的生理机能及预防环境气温变化引起的疾病有重要的作用。本文结合医 疗气象学的研究方法将热电空调应用于室内环境气温的调节，即根据室外环境温 度的变化对室内环境温度进行智能调节以增强人体生理机能对环境温度变化的 适应性，这样可以对由于气温急剧变化所引发的疾病进行有效的控制，从而产生 一个舒适、健康、环保的生活环境。 由于热电空调对电源和散热系统的特殊要求，以及控制系统的非线性，温度 场的大惯性、系统数学模型的非精确性等诸多因素的影响，使得传统的控制方法 已经不能满足系统稳定性和环境舒适性的要求。模糊控制利用隶属函数和模糊合 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 成的方法将人的思维巧妙地应用于控制系统中，从而能够使非线性、大惯性、无 精确数学模型的系统在控制过程中实现满意的控制效果。因此，模糊控制可应用 于热电空调的温度控制系统，以a r m 微控制器芯片l p c 2 2 l o 作为模糊控制器， 并通过查询模糊控制表输出的控制信号对热电空调温度进行智能控制。 目前，传统的空调控制技术多采用电子膨胀阀和微型开关进行传感调节，这 使得气温的控制比较敏感，从而对人体的健康产生影响。此外，传统空调突出的 缺陷在于制冷剂的使用对环境造成了污染，压缩机的使用使其体积、噪声都比较 大。因此，考虑到热电制冷所具有的新特性以及热电空调的研究与应用也受到人 们广泛关注，研究设计一种新型的热电空调温度控制系统具有实际的意义。国内 外对于热电空调和模糊控制技术方面的文献已有介绍，但对基于a r m ( a d v 彻c e d i u s cm a c h i i l e s ) 的热电空调温度模糊控制系统的国内外文献介绍却很少，本文 综合热电制冷技术、模糊控制技术和删微控制器的优势，通过理论研究和实 验分析的方法设计一种结构简洁的热电空调温度模糊控制系统，旨在使新的技术 和控制思想走向工程实践应用。 1 2 热电空调的研究现状 2 0 世纪5 0 年代，热电材料在各个技术领域得到了广泛的应用，热电性能较 好的半导体材料使热电转换的效率大大提高，从而使热电制冷进入工程实践领 域。热电空调的研究设计是从核潜艇的制冷需求开始的，使用碲化铋( b i 2 1 e 3 ) 半导体材料研制而成的热电空调已应用在核潜艇内舱的制冷，随着风冷散热技术 的发展，热电空调又应用到车载空调系统，美国r c a 公司生产的a h a c 2 0 型 热电空调，其制冷量接近6 k w ，这种热电空调适用于军用电子通讯车，在车中 采用强迫通风的散热方式进行制冷，空气在热电制冷器冷端进行冷却并通过冷气 管道进入工作室，可产生一个舒适的人工“微气候 环境。另外，a n t r c 9 7 a 型 美国空军对流层电予通讯车和美国无线电公司的自动测试设备( a r e ) 所用的电 子车辆均使用热电空调作为车内制冷装置。 我国上海交通大学研制的b k - 1 5 型热电空调已应用于潜水器和潜艇的内舱 制冷，其热电制冷堆适用水冷的方式对热端进行散热，舱内的回流空气经过热电 制冷堆的冷端降温、净化后又回流到舱内，这样反复循环不断地调节舱内气温， 为工作人员提供一个良好的环境。清华大学的张瑞武设计开发了一种带热管的热 电空调，这种热电空调的特征在于利用热电制冷的同时，用低温热管将热端产生 的热量也加以利用，从而提高了整机的电能利用率。王锦侠、徐之平等人研究开 发了一种热电空调，空调由热电制冷模块、电源、风机和外壳等部分组成，其热 2 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 电制冷模块的一侧连接换热片，另一侧接入水箱，在热电空调制冷过程中，直流 电压作用于热电制冷模块，使其制冷侧吸热，同时换热片温度降低，这样通过风 机送过换热片的空气被冷却，而制热侧产生的热量经过热传导被水箱中的水流带 走，而在其需要制热时，只需将电源正负极反转即可。西安交通大学的张华俊等 人建立了风冷热电空调的数值模拟模型，通过模型仿真的方法研制了风冷热电空 调【孔。 文献 4 】介绍了近1 0 年来热电空调技术的发展状况。目前，热电空调的研究 方向主要表现在热电制冷性能的提高、空调结构的优化和控制技术的改进等方 面。由于热电空调采用热电转换的方式进行制冷，其制冷效率相对较低，但小型 的热电空调的制冷特性和成本要优于传统空调，因此热电空调的结构易于小型 化，这是其它制冷装置所不能达到的。热电空调工作可靠，使用灵活，实用性强， 并随着热电材料优值系数的提高和控制技术的发展应用于更多的领域。 1 3 热电空调控制技术的发展状况 热电空调通过调节其工作电压来改变它的制冷量和制冷温度，而其必须在直 流供电的条件下才能有效的工作。此外，在一定的制冷工作状况下，通过调节热 电空调的风机转速和通风量也可以进行温度的调节与控制。 目前，应用于潜艇和车载的热电空调主要是采用恒温控制，这种控制方式是 在综合考虑人体的适应性和工作室内的电子器件的散热进行设计和实现的。系统 中的恒温控制器中有两个微型开关，开关根据温度信号发生器的的压力变化而动 作，这种热电空调温度控制采用改变电路连接的方式进行控制。恒温控制主要由 硬件电路来实现，控制器的稳定性、灵活性和抗干扰性能均受到限制。随着控制 技术的发展，传统的p d 控制技术已经相当成熟，在一些工程应用领域显示出其 优异的控制特性，并在热电制冷温度控制领域有了初步的应用。 文献【5 】和【6 】对热电制冷的控制方法进行了介绍。近年来，智能控制的研究 很活跃，并在很多领域得到了应用。典型的智能控制如模糊控制、神经网络控制 和基于专家系统的控制等。模糊控制理论是建立在模糊集合理论基础上的一种基 于语言规则和模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要的分支。其显著特 性在于不需要建立控制对象精确度数学模型，而能利用所制定的模糊控制规则进 行模糊推理与决策，从而获得合适的控制量，对于非线性的系统具有稳定的控制 特性。空调器的模糊控制通过传感器获得室内外温度及室温变化等数据，将这些 实测数据进行处理并作为模糊控制器的输入量以实现基于模糊控制规则的温度 调节与控制。 3 西北- i = 业大学硕七学位论文第一章绪论 逆变频脉宽调制( p w m ) 控制方法在空调控制系统中也得到了应用，这种 控制技术利用半导体器件的开通与关断将直流电压逆变成一定形状的电压脉冲 序列，以实现变频、变压控制及消除谐波的一门技术【7 】。p w m 逆交器的电压控 制是通过控制开关器件的占空比来实现的，逆变后的p w m 脉冲通过滤波电路可 实现稳压输出。因此，基于硬件电路的p w m 控制技术为空调控制器对外部制冷 装置电路控制提供了思路和方法。 文献【8 】对模糊控制在制冷空调领域中的应用和发展进行了介绍，国内也有 学者将模糊控制技术应用于热电制冷的温度调节与控制，并取得了一定的研究成 果。文献 9 】【1 2 】对空调温度模糊控制策略进行了研究。但模糊控制应用于热电 空调温控方面的文献却很少见，而控制策略的优劣与热电空调的温度控制的稳定 性和可靠性密切相关。对于热电空调，采用不同的控制方式，会产生不同的控制 效果，由于模糊控制具有较强的鲁棒性和稳定性，可依据实际应用情况将其与其 它控制方法进行结合以实现灵活有效的控制。 1 4 本文研究内容 热电空调需要对直流供电电压进行控制与调节才能进行有效的控制，而应用 于特殊场合的热电空调大都采用恒温控制。因此，本文为了改善热电空调的温度 调节特性，研究设计温度智能调节方法，并将模糊控制技术应用于热电空调的温 度控制，同时进行系统的模型仿真研究和软硬件设计，以为热电空调在医疗和居 室环境温度调节方面的应用做一些探索性的研究 本文的主要内容如下： 第一章在浏览大量相关参考文献的基础上，首先阐述了课题的背景及研究意 义。接下来对热电空调的研究现状和热电空调的控制技术的发展状况作了论述。 第二章研究了热电制冷的基本原理，并对热电制冷的热力学特性进行分析与 计算，进而设计了热电空调制冷装置的单通道结构模型，最后在热电空调结构模 型的基础上建立了其热力学平衡方程和热传导的数学模型。 第三章对模糊控制的基本原理和模糊控制器的设计方法进行了研究，依据热 电空调的温度控制要求制定出适用于系统的模糊控制规则，并在此基础上设计了 模糊控制器，采用m a n l d a i l i 算法进行模糊推理决策并通过f i i z z yl o 西c 模块离线 计算得到系统的模糊控制表。 第四章在热电空调制冷特性研究分析及系统模糊控制器设计的基础上，利用 m a t l a b 的模型仿真软件s i m u l i l l k 设计了热电空调温度模糊控制系统的各部分 的仿真模型，其中对温度智能调节方法进行研究和仿真。最后在s i i n u l i n k 环境 4 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 下建立了整个系统的仿真模型，并进行了仿真实验。 第五章介绍了控制系统的硬件部分的设计，其中包括单线分布式数字温度采 集电路、系统液晶显示器接口电路、系统模糊控制电路。数字温度采集系统由 d s l 8 8 2 0 和单线总线组成。系统数据液晶显示器为s m g 2 4 0 1 2 8 a ，其控制器为 t 6 9 6 3 c 。模糊控制器部分采用a r m 微控制器中p h 订i p s 公司生产的高性能芯片 l p c 2 2 1 0 来实现。 第六章介绍了控制系统的软件部分的设计，系统软件采用c 语言编写，并 在j 蠊m 集成开发a d s l 2 环境下实现，其中包括主程序设计、单线总线数字温 度采集及驱动程序设计、温度智能调节程序设计、液晶显示及其控制器驱动程序 设计以及系统模糊控制算法的程序实现。 第七章对系统仿真中的温度模糊控制和p i 控制特性进行了比较分析。对温 度检测系统和温度模糊p w m 控制电路进行了实验，并对实验结果进行了分析。 第八章对论文所做的工作进行了总结并对后续的研究工作提出了建议和研 究设计方案。 5 西北t 业大学硕七学付论文第二章热电空调的制冷特性及模型 第二章热电空调的制冷特性及模型 本章阐述了热电制冷的原理，分析了热电制冷的工作状况及特性，对热电空 调单通道制冷器结构模型进行了设计，建立了其热力学平衡方程和热传导的传递 函数模型，为后面的热电空调系统建模与仿真提供了对象模型。 2 1 热电制冷的基本原理 热电制冷原理是热电效应在制冷技术中的应用。热电效应中电能和热能的转 换具有可逆性的有珀尔帖、赛贝克和汤姆逊三种效应，而焦耳效应和傅立叶效应 的热电能量转换不具有可逆性【”】。因此，研究热电效应产生的机理和作用为分析 其制冷性能及建立热电空调的热传导模型提供了理论依据。 2 1 1 热电制冷的基本效应 法国科学家珀尔帖( p e l t i c r ) 于1 8 3 4 年发现了热电转换效应，如图2 1 所示。 1 9 1 1 年，德国人a l t e l l k i r c h 用实验证实了此效应有制冷的功能，并提出热电制冷 的理论。半导体材料有最佳的热电能量转换特性，因此，半导体制冷又称为热电 制冷，它真正使热电制冷从理论转变为实际的工程技术应用。 - 。 吸：竺 热i ， 辛 金属a ：放 i 热 j i 。 电源 图2 1 热电转换效应 热电制冷的现象称为热电效应，它是由在热电能量转换的过程中同时发生的 五种不同的效应共同作用而产生的。 1 赛贝克效应( s e e b e c ke 艉c t ) 赛贝克( s e e b e c k ) 在1 8 2 1 年发现由两种不同金属构成的回路中，如果两个 连接结点处的温度不同，回路中会产生一种电动势，这说明回路中两种导体连接 6 西北工业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模，l ! ! 结点处如果有温差，便会产生热电能量转换现象，这种现象称为赛贝克效应或温 差电效应。回路中所产生的电动势也就称为赛贝克电动势或温差电动势，赛贝克 电动势由体积电动势和接触电动势两部分组成。 图2 2 所示，一和口两种金属材料的温差电动势e 么的大小与导体连接结点 间的温差丁成正比，比例常数为赛贝克系数口。( 也称为温差电动势率) ，其值 为 ， 盯。= 慨鲁 ( 2 1 ) 式中，的单位为矿置，峨。为温差电动势的变化量。 瓦+ r 图2 - 2 赛贝克效应 由于热电制冷所选的材料以及温差的大小和梯度方向的不同，使得赛贝克效 应中所产生的温差电动势的变化可以是正或负。因此，赛贝克系数既有大小又有 符号之分，并且赛贝克系数是由一对材料共同决定的。工程上常用金属铜作为基 准材料来测量其它材料的相对赛贝克系数。 2 珀尔帖效应( p e l t i c re 腩c t ) 珀尔帖最早发现当直流电通过由两种不同导电材料一和曰构成的回路时，接 触点上将产生吸热或放热现象，因此这种现象称为珀尔帖效应。实验表明，导电 材料连接结点上的珀尔帖热与回路中流过的电流的大小成正比 g=五，(2-2) 式中，如称为珀尔帖系数，g 为珀尔帖热，为回路中的电流。在由p 型半导 体材料和型半导体材料组成的热电偶中，其珀尔帖系数厶。类似于赛贝克系 数，可以表示为 五州= 4 一厶( 2 3 ) 珀尔帖效应和赛贝克效应都是温差电效应，并互为反效应。汤姆逊通过对温 差电路的热力学实验与研究，确定立了两种不同材料一和曰的珀尔帖系数与赛贝 克系数之间的关系 彳 = 。乃 ( 2 4 ) 式中，为热电偶冷端的绝对温度。因此，两种不同材料爿和曰连接结点上单位 时间内吸收或放出的热量为 q ，= z( 2 5 ) 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章热电空调的制冷特性及模型 3 汤姆逊效应( t h o m s o ne 虢c t ) 在具有温度梯度的导体中通有电流时，在导体和周围环境之间会进行热电能 量转换，这种现象称为汤姆逊效应。实验研究结果，单位长度导体吸收或放出的 热量与流过导体的电流和温度梯度的乘积成比例 ，下 q r = 艿，= ( 2 6 ) “ 式中，比例常数占为汤姆逊系数：g 为汤姆逊热；，为流过导体的电流；d r 出 为导体的温度梯度。如果电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤姆 逊系数艿为正值，反之，占为负值并会产生放热现象。 4 焦耳效应( j o u l ee 目融t ) 焦耳效应为电流在导体中所产生的电热，即单位时间内由恒定电流产生的热 量等于电流平方和导体电阻的乘积 ， 9 = ，2 r = ，2 等 ( 2 7 ) o 式中，q j 是由焦耳效应产生的热量，简称焦耳热；，为通过导体的电流；胄为 导体的电阻；p 为导体的电阻率；f 为导体的长度；s 为导体的截面面积。 5 傅立叶效应( f o 嘶c re 仃e c t ) 傅立叶效应为单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直于这 个方向的截面面积和该方向的温度梯度成比例 q 。= 半( 五一t ) = 置r ( 2 8 ) i 式中，| | 为导体的热导率；瓦为热端的绝对温度：为冷端的绝对温度；s 为导 体的截面面积；，为导体的长度；k 为导体总热导。 2 1 2 热电制冷原理 热电效应中起主导作用的是珀尔帖效应，因此，热电制冷其实是珀尔帖效应 在制冷技术中的应用。实际应用中的热电制冷装置是由热电效应较为显著、热电 制冷效率比较高的半导体热电偶构成的，这种热电偶是依据p 型半导体材料和 型半导体材料的不同导电机理设计而成，其显著的珀尔帖效应使其广泛应用 于不同领域的热电制冷装置【l m 。 图2 3 所示热电偶的热电制冷原理图，图中用铜连接片将p 型半导体和型 半导体连接起来并接入直流电源，由于珀尔帖效应，在j p 型半导体和型半导 体的连接结点处产生热量的转移，并使热电偶两端连接结点存在一定的温差。在 热电偶上面的铜连接片处，电流的方向由型半导体到p 型半导体，连接片处 温度下降并从周围介质吸收热量，因此称为冷端；下端铜连接片处由于电流方向 3 西北工业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模犁 与上端相反，连接片处温度上升并向周围介质释放热量，因此称为热端。由于每 种半导体材料载流子的势能不同，为了满足能量守恒的要求，其载流子在通过结 点时，就必然与周围环境进行能量交换【15 1 。 图2 3 热电偶制冷原理图 按照图2 4 将若干对热电偶以串联的方式进行电路连接，其传热保持并联结 构，这样就形成了制冷热电堆，热电堆在工作时，可在其热端安装散热装置使热 端不断地散热并保持一定的温度，而冷端则应用于工作环境的制冷，这就是热电 制冷的工作原理。 2 2 热电制冷的特性 热电偶及热电堆为热电制冷的热力学研究与分析提供了物质条件，热电制冷 的制冷量( r c 衔g e r a t i l l gc 印a c i t y ) 、制冷效率以及制冷材料的优值系数分析是热 电制冷研究的主要内容。通过对热电制冷的热力学性能分析与研究，可以进一步 了解热电制冷的特性以建立热电空调的热力学平衡方程，并为热电空调的温度控 制实验研究提供理论参考。 热电偶又是组成热电堆的基本单元。因此，热电制冷器的热力学特性必须对 其基本的热电制冷单元进行研究，从而可以分析了解整个热电制冷器的热力学性 能。 在热电偶的制冷过程中，由于热电偶的两个端点存在温差，热端的热量会向 冷端传导，而这个传导的热量是由傅立叶效应产生的，同时，流过热电偶的电流 会产生焦耳热，它使热电偶局部的温度升高，这会使更多的热量流向热电偶的冷 端，从而增加了从热电偶热端流向冷端的总热量【。因此，当热电偶中的电流恒 定时，从热电偶的热端流向冷端的总热量可用一维傅立叶方程表示 11 1 孔= 姨+ q = x r + ，2 胄( 2 9 ) 9 两北工业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模型 式中，r 为热电偶电偶臂的总电阻，其值为 胄：丛+ 鱼生 ( 2 1 s ps n 、。 量是电偶臂的总热导，其值为 k ：丝+ 丝 ( 2 - 1 1 1 ) l pt n 式( 2 一l o ) 和( 2 一1 1 ) 中，砟、肌、，p 、知、品、晶、砟、“分别为热电偶的p 型 半导体和型半导体的电阻率、电偶臂长度、截面面积、热导率。珀尔帖效应 使热电偶冷端吸热以产生制冷量，而由傅立叶效应和焦耳效应产生的传导热影响 了热电偶的制冷量，因此，热电偶冷端的实际制冷量为 姨= g j 2 k = 口珥一k 丁一，2 r ( 2 1 2 ) 热电制冷器是由玎对相同的热电偶组成，那么其总的制冷量可表示为 q = 疗q ( 2 1 3 ) 在实际应用中，制冷元件除了工作在最大温差状态下，在很多情况下需要工 作在最大效率状态下，以节省能源消耗。因此，衡量热电偶最重要的一个指标就 是其制冷系数，它反映了热电偶的热电转换效率1 7 h 1 9 l 。定义制冷器的制冷系数 为单位电功率所能吸收的能量，即 g = 丝 ( 2 1 4 ) 式中，为热电偶消耗的电功率。在热电偶正常工作的条件下，一对热电偶上 的压降为 【，= 上r + 够p r ( 2 - 1 5 ) 热电偶消耗的电功率为 = 足，= ，2 r + 口似r ( 2 一1 6 ) 根据热电偶的制冷系数的定义，可得其值为 占：甓：等差 乃 w o1 1 r + l a 口n 、 实验采用t e c l 2 7 0 5 型号的热电堆，它由1 2 7 对相同的热电堆通过特定的方 式连接组合而成，其基本热电偶制冷单元的相关数据为： 电偶臂结构尺寸：1 4 2 + 1 4 2 1 7 5 m 埘3 ； 热电偶电导率：d _ = 1 1 0 0 ( q 删) 一，d = 1 0 5 0 ( q c 所) 一， 盯：盟：5 3 7 ( q 硎) 一； 热电偶电阻率： 温差电动势率： p = o 0 0 1 9 ( q 硎) ； c b = 1 9 5 y k ，c = 2 0 5 矿k ； i o 鹾北t 业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模型 a p k = a p a n = 蝴“y k ； 电偶臂热导率：= k = 1 7 l o 。“硎k ) ； 七= + k = 3 4 x 1 0 4 ( 佣k ) ； 电偶臂电阻：冠= 1 6 2 l o - 2 q ； 热电偶热端风冷散热：五= 3 0 3 足，r = 7 0 足，乃= 2 3 3 k 。 依据上面提供的t e c l 2 7 0 5 型热电制冷堆的热电偶的基本参数及相关表达 式可以对热电制冷的参数进行计算和分析。在热电制冷过程中，利用热电制冷器 的冷端对其周围环境进行制冷的工作状况称为热电制冷工作状况，不同的热电制 冷参数与其工作状况相对应。 1 最大制冷量工作状况 在有些应用场合，需要用尽可能少的热电元件获得尽可能大的制冷量。在热 电元件冷、热端温差为零的情况下，热电元件的制冷量与其工作电流有关：珀尔 帖热q p 与电流成正比，焦耳热q ，与电流的平方成正比，因此在某一工作电流条 件下热电元件的制冷量将达到最大，如图2 5 所示t e c l 2 7 0 5 热电堆最大制冷量 曲线图。 式( 2 1 2 ) 对电流，求导，并使( d q d d = o ，则有 乞= 竽 ( 2 - 1 8 ) 因此最大制冷量q 一为 q 一；一k r + 鱼尝芝 ( 2 1 9 ) 善 棚 佥 幕 辫 掣 崧 热电堆电流蚺) 图2 - 4 热电堆最大制冷量状态曲线图 由图2 - 4 可以看出制冷量随着电流的增大而增大到最大值，此时为最大制冷 量工作状况。再进一步增加电流，则会因更多的焦耳热产生，从而降低珀尔帖热 而使制冷量接近于o 并趋于制热。另一方面随着冷端和热端温差的增加，制冷量 西北工业大学硕士学位论文第二章热电空调的制冷特性及模型 会被有电流无关的热传导所抵消。因此制冷工作状况只能在电流增加的起始阶 段，并且电流必须在一定的范围内。 2 最大温差制冷工作状况 对于一个热电偶，工作电压和电流的大小直接影响热电偶冷端的帛4 冷量和其 冷端和热端的温差，因此，可计算得出其冷端和热端的温差为 竹珥一三巾一蜴 丁= 生一 k ( 2 2 0 ) 在最大温差制冷条件下，热电偶冷端处于绝热状态，即蜴= o ，电偶臂上的 温差丁在其它条件不变的情况下将达到最大值z 眦，此时冷端的温度会下降到 某一最低温度，并有 1 a p n l t c 一圭j | r a 弘1 产一 ( 2 乏1 ) 式( 2 2 1 ) 对电流，求导，并使( d r 砑) = 0 ，则有 i 。= 等 ( 2 2 2 ) 这是获得最大温差的电流条件，它与获得最大制冷量的电流条件完全相同。因此， 满足此电流条件时，热电偶所能获得的最大温差为 = 惠z ( 2 - 2 3 ) 善 棚 佥 毒 磐 脚 热电堆电流i 【a 图2 5 热电堆最大温差状态曲线图 如图2 5 所示在热电堆最大温差状态下热电偶的制冷工作状况和其工作电流 的关系。当热电偶的冷端和热端的温差r = o 时，热电偶的制冷量为这两个效 应的曲线的合成。当优值系数和冷端温度一定时，进一步增加冷端和热端的温差 时，曲线q 的极值点就会与直线q = o 相切，这时热电偶的冷端和热端便产生最 1 2 西北1 = 业大宁硕十学位论文 第二章热电空调的制冷特性及模型 大温差。 如果热电偶热端的温度一定时，在最大温差条件下，其冷端所达到的最低温 度为 瓦向= 筹( 悟枷 ( 2 - 2 4 ) 可以看出，热电元件的赛贝克系数、导热系数和电阻率对热电堆的最大温差起决 定作用。 3 最大制冷系数工作状况 在最大制冷系数工作状况下，热电制冷器的冷端从被冷却介质中吸收的热量 称为制冷量，在此过程中需消耗一定数量的电功率。热电制冷堆单个热电偶冷端 的制冷量可用下式来计算 q = 绯一织一q ( 2 - 2 5 ) 采用等截面面积的p 型半导体和型半导体，并设 式中，p = 二。因此，式( 2 2 5 ) 可以表述为 蜴= 珥一等一半 ( 2 2 6 ) 式中，z 为冷端绝对温度；r 为冷端和热端的温差。热端释放出的热量为 q = 纬+ 级+ g ( 2 2 7 ) 进行参数代换后，热端释放出的热量q 为 蜴= 嘎+ 等+ 半= 珐+ ( 2 - 2 8 ) 式中，瓦为热端绝对温度；形为制冷过程中所消耗的电功率。如图2 6 所示热电 堆制冷量曲线图，图中热电堆在正温差状况下，随着温差的增大，其最大制冷量 在不断减小，并且最大制冷量所对应的电流值稍有减小。 如图2 7 所示热电堆消耗电功率的曲线图，图中在不同温差条件下，热电堆 消耗的电功率随电流的增大而增大，并且同一工作电流条件下，高温差消耗的电 功率较大。制冷系数是衡量制冷系统工作的经济性指标，它由下式表示 占：鲁：喾 w b1 1 r + a l 龌 ? 由式( 2 2 9 ) 可知占为电流，的函数，当r 为常数时，函数占= 厂( d 有一个最 大值，此时为最佳效率工作状况。 1 3 西北工业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模型 善 棚 佥 器 羽 舞 磐 脚 崧 主 糌 霄 删 犍 露 辫 删 糍 热电堆电流 图2 - 6 热电堆制冷量曲线图 热电堆电流i 图2 7 热电堆消耗电功率曲线图 对式( 2 2 9 ) 中的，进行求导，并令其导数( d 占刃) 。，= o ，则有 厶r = ( 2 3 0 ) 其电流比最大制冷工作状况下的电流要小，温差r 也较小。此时可以得到热电 堆的最大制冷系数为 = 去 ( 2 3 1 ) 将式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 代入式( 2 2 9 ) ，可得最大制冷量时的制冷系数为 白= 去一器 1 4 西北工业人学硕士学位论文第二章热电空调的制冷特性及模型 当在极限条件五= 正的情况下，= o 5 。 制冷系数的大小反映了热电制冷的能源利用率，在对能源消耗要求较高的场 合，可使热电制冷器工作在最佳制冷系数工作状况下，而热电制冷器的性能与热 电材料、工作温度、工作电流和热电偶元件的面长比有关【2 3 1 。因此，在热电 材料和工作温度一定的情况下，制冷系数的大小取决于热电偶元件的面长比和其 工作电流。 如图2 - 8 所示热电堆制冷系数变化理论曲线图，图中r o 为制冷系数变化曲 线。在最佳效率工作状况下，s 是不可能无限增大的，因为当r 接近于零时， 热电偶臂的截面积与其长度之比会变为无穷大。 籁 幡 受 幕 越 主 佥 蕃 工作电流i 【 i 图2 8 热电堆制冷系数变化曲线图 通过对热电制冷相关参数的热力学计算，可以从理论上得出其基本制冷工作 状况下热电偶的最大温差、最佳工作电流、优值系数和制冷系数等热电制冷的特 征量，并且也确立了特征量和热电制冷材料的特性参数之间的关系式。因此，可 用实验仿真的方法进一步研究分析热电制冷器的热电制冷工作状况。 2 3 热电空调的结构模型设计 热电材料技术的发展拓展了热电制冷研究和应用领域，由于热电空调具有抗 震、耐压、无制冷剂泄漏及使用直流电源供电等一系列优点，并且热电空调的主 体结构由控制器、热电制冷器组、直流电源、冷热通风管道组成，因此在特殊的 领域得到了应用，从而这方面的研究已成为人们关注的一个重要课题。 我国采用热端水冷的方式已研制出多种型号的热电空调，而这些空调多用于 国防、军事等特殊方面，而采用热端风冷的热电空调在国内未曾应用于普通制冷 电器上，并且介绍热电制冷技术应用方面的文献较少。因此，本节将主要研究风 西北t 业大学硕十学位论文第二章热电空调的制冷特性及模氆 冷热电空调的结构设计及应用特性。 2 3 1 热电制冷器的基本结构 热电制冷器一般由热电堆、热端散热器、冷端吸热器和导线组成，如图2 9 所示。热电制冷器在通电后，它在电流的作用下，利用热电材料的特性将冷端的 热量不断地转移到热端，因此，热电制冷器在使用时，必须先在热端装上散热器， 然后才能通电制冷，否则热端的热量会向冷端传导从而损坏热电制冷器【2 4 2 5 1 。 制冷面 图2 - 9 热电制冷器结构图 实验采用陶瓷型热电堆，这种热电堆是在结构型热电堆的基础上应用陶瓷材 料对整个热电堆结构进行封装，因为这种热电堆的冷面和热面都是