论文总字数：19525字

摘 要

关键词：小型控温器 热电制冷片 散热 温度控制 有限元仿真

Small Thermostat Design and Performance Testing

02012302 Zhang Wenxu

Supervised by Zhiyong Wei

Abstract: Thermoelectric cooler is an environmental-friendly precise temperature control cooling element, which is fabricated from micro-processing technique and is based on the Peltier effects. With the thermoelectric cooler as a basic element, This investigation presents and designs an small temperature control device. In order to realize precise temperature control in the range below zero temperature to the room temperature, we built a small temperature control devive consisting of 5 pieces of thermoelectric coolers in parallel and aluminum as a body. The aluminum heat sinks are fixed outsider the temperature control devive so that the small thermostat's internal heat can be transferred to the outside. We found that the cooling performance of the device is importantly affected by the temperature of the small thermostat. In order to increase heat transfer more efficiency, a cold water bath is used to dissipate heat on the outside surface. The temperature control theory of the temperature control device is based on the on-off control system. For example, when the actual temperature from temperature sensor is higher than the target temperature A, the controller would open the circuit and the thermoelectric cooler work. After a while, when the actual temperature reaches the target value, the controller would close the circuit and the thermoelectric cooler stops working. Of course, the temperature rise will trigger circuit work again. So that the actual temperature is always kept around a target temperature within some fluctuation. After the experimental system is assembled, we first test the cooling performance of a single thermoelectric cooler .It is found that its cold face can reach -20 degrees. Then, we measured the thermostat of the device in the case of natural convection and find that the lowest temperature can only reach 15 degrees Celsius. The bad performance is mainly because the external wall cooling effect is not good. We add several pictures of heat sink to the outer wall, and also immerse the device into cold water, the test results show that the small temperature control device can reach -2.6 degrees Celsius.

Keywords: The small thermostat; Thermoelectric element; heat dissipation; temperature control, The finite element simulation.

目 录

一、 绪论 7

1.1 选题背景及意义 7

1.2低温设备及热电制冷技术 7

1.2.1热电制冷技术的提出与发展 7

1.2.2热电制冷技术在温度控制器中的应用特点 7

1.2.3热电制冷技术的研究成果 7

1.3 本课题的研究目标 8

1.4 本课题的研究方法 8

二、恒温制冷箱的箱体设计 9

2.1结构及工艺设计 9

2.2 恒温制冷箱材料的选用 11

2.3胶水材料选用 11

三、热电制冷片的简介、选用以及设计安装 12

3.1热电制冷原理 12

3.2 热电制冷技术优点 12

3.3热电制冷片选择 13

3.4 热电制冷片安装 14

四、小型控温器控制系统介绍 15

4.1 小型控温器的控制原理 15

4.2 控制器的选用 15

4.3电源选择 16

4.4控制电路 16

五、小型恒温制冷箱的测试 18

5.1单片热电制冷片的性能测试 18

5.1.1实验一：单片热电制冷片室温下空气自然对流散热的性能研究 18

5.1.2实验二：单片热电制冷片室温下空气自然对流 水冷散热的性能研究（实验一改进方案） 21

5.2小型温控器的热平衡实验 23

5.2.1实验三：无散热片小型控温器最低温度实验 23

5.2.2实验四：小型控温器改进方案设计及测试 25

5.2.3实验五：第二次改进实验 25

5.3结论 26

六、有限元仿真 27

6.1有限元分析的理论基础 27

6.2有限元仿真模型的建立 27

6.2.1三维模型建立与导入 27

6.2.1有限元软件的分析参数 28

6.3 有限元温度场仿真结果 28

6.4有限元仿真结果分析 30

致谢 32

参考文献(References) 33

一、 绪论

1.1 选题背景及意义

在一些课题研究中，往往需要实验对象的实验在低温环境中进行，但是建立一个专门的实验环境箱往往需要很大的投入，使得其成本远远超过一般研究本身的意义，尤其对于一些精度要求不高的小型实验对象实验而言，高成本的温度实验已经成为一种资源浪费，为此，研究一种可以供一般性实验使用的低成本小型环境箱，具有很强的实用价值。

1.2低温设备及热电制冷技术

有关于可控温的恒温箱，执行元件多种多样，就制冷领域而言，其制冷方式包括了：液氮制冷、化学吸附式制冷、斯特林循环式制冷以及半导体制冷等。液氮制冷是对空气进行加压冷却处理使氮气液化分离，可以作为深度制冷剂；化学吸附式制冷是依据吸附剂与吸附质表面原子之间发生化学反应，生成络合物吸收能量而制冷；斯特林循环式制冷则是应用余热废热等作为能量驱动斯特林发动机工作，从而驱动制冷机组制冷，目前主要应用于以太阳能为主要能源的场所。目前国内外对于小型制冷温控设备的执行元件一般采用热电制冷技术实现，热电制冷技术应用于温度控制的技术已经很成。

1.2.1热电制冷技术的提出与发展

1821年，德国科学家赛贝克发现了以其名字命名的实验现象——在一个由两种不同金属构成的闭合回路中，当两种金属的接触点出现温差时，回路中会产生电流。自此之后，科学家们相继发现了帕尔贴效应以及汤姆逊效应，热电制冷技术有了完整的理论基础。20世纪后在苏联科学家的带动下，热电制冷技术开始被应用到实际研究中。这门技术发展到今天，人们已经用掺杂的半导体代替了当年的异种金属，为其通以电流，就会在半导体两面出现温差，这种温差事实上是热量转移的结果，也就是说半导体一面的热量被转移到了另一面，从而实现了我们所需要的制冷功。

国内外对半导体制冷的研究主要是以下三个方面：1.材料及热电器件本身性能参数的提高；2.半导体制冷在不同领域的应用；3.热电系统优化设计与提高系统效率方法的研。近几十年来，热电材料的性能实现了约百分之二十的提。

1.2.2热电制冷技术在温度控制器中的应用特点

热电制冷材料所使用的半导体的制冷系数相对于压缩式制冷技术较小，一般只有后者的三分之；但是半导体制冷技术不需要任何的运动部件、体积小、无噪声、使用寿命长具有精密的温度控制能力。由于半导体材料的这些特性，基于半导体的热电制冷技术适用于小型空间的温度控制场合，且适宜进行高精度的温度控制。

1.2.3热电制冷技术的研究成果

目前基于热电制冷技术的恒温制冷设备主要由四个模块构成：热电制冷片、散热模块、直流稳压源以及控制系统。

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