热电器件测试系统机械设计外文翻译资料

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热电系统简介

热电系统发展历史

十九世纪早期的科学家，托马斯·塞贝克和晋·帕尔贴，首先发现今天热电产业的基础现象。赛贝克发现，如果你使两个不同的导体之间产生温差，导体中将有电流流动。另一方面，帕尔贴发现电流经过两个不同的导体，会在导体的连接处产生放热或吸热现象。随着20世纪中期半导体技术的发展，使热电装置的实际应用成为了可能。有了现代技术，我们就可以生产热电“模块”，提供高效的固态热泵用于冷却和加热；在特殊情况下，许多这些单元也可用于产生直流电源（例如，转换的余热）。对热电材料的新用途和一些简单常用的用途每天都在不断被发现。

热电系统的应用

一个典型的热电模块由一系列已经“掺杂质”的碲化铋半导体颗粒组成。因此，一种类型的电荷载体，无论是正极还是负极，都携带大量电流。一个P/N结的电是串联的，热是并联的。金属化陶瓷衬底上的颗粒和小的导电片连接，提供平台。这些颗粒，标签和基板分层排列。模块尺寸从不到0.25”到2.0”左右。热电模块可以单独或在组中，可以是串联，并联或串联/并联的电气连接，一些应用使用堆叠的多阶段模块。

冷却，加热：当直流电压被施加到该模块，在颗粒阵列中的正电荷和负电荷载从一个基板表面吸收热能，并将其释放到相反的基板面。 吸热的表面变冷；相反表面的热能释放而变热。使用这种简单的方法“加热泵，”使热电技术得到了广泛应用，如小型激光二极管冷却器，便携式冰箱，科学热空调，液体冷却器等。

发电： 塞贝克发现，热电发电机将热能转换为电能。当一个热电设备产生温度差时，两端就会产生直流电压。在其中连接一个负载，将产生电流。这项技术的典型应用包括提供电源用于远程通信、导航和连接石油输送装置。

冷却技术的比较

热量在带电载荷的热电装置中的流动与压缩在机械系统中的制冷剂传热非常相似。压缩机系统中的循环流体中的热量从热负荷传到到蒸发器可以被驱散。另一方面，使用热电技术可以用循环直流电将热负荷传到散热片从而有效地将热量排放到外部环境中。

每个单独的热电系统设计都有一个独特的加热炉用来加热（热量单位为：瓦或BTU /小时），这会受到很多因素影响。最重要的因素是环境温度，所采用的热电模块的物理和电气特性和散热系统的效率（如散热片等）。典型的热电应用的泵的热负荷从几毫瓦到数百瓦都有。

热电技术的优点

冷却技术的选择取决于给定的特殊要求。与其他技术相比，热电冷却技术有以下几个明显的优势：

bull;冷却器没有移动部件，因此，大大减少了维护成本。

bull;寿命测试显示，设备超过100000小时仍然稳态运行。

bull;热电冷却器不含氯氟烃或可能需要定期补充的其他材料。

bull;在一定程度上的温度控制，可以保持使用热电设备和适当的支持电路。

bull;与常规制冷的冷却器相比，热电冷却器在相同环境中效率高，速度快，体积小。

bull;冷却器对位置的依赖性小。

bull;在热电系统中，传热的方向是完全可逆的。改变直流电源的极性会使热在相反方向上传递，然后变成一个加热器！

设计计算

让我们假设一个固态电子元件需要冷却以提高性能和可靠性。组件工作环境的最高温度为50°C，功耗15瓦。将组件冷却至25°C将提高其性能和可靠性。

我们的热电制冷系统将有以下物理特性：该电子元件将与冷却器的冷端直接接触，散热片和风扇将直接与冷却器的热端相连。

热量总是自然地从热端流向冷端。当 直流电源与热电模块后，冷端变变得比电子元件更冷，所以热量自然地从组件流到热电模块。

半导体材料中的电荷载体将热从电子元件移到散热片。这会导致散热片的温度上升。当散热片的温度超过周围的空气，热量会自然地从散热片散到大气中。

系统设计

我们已知的设计值是：

Q=15W，热量来自电子元件。

TA = 50°C，最大环境空气温度。

TC = 25°C，电子元件所需温度。

在使用性能图确定哪种热电冷却器适合我们的应用之前，我们必须首先确定热端温度（TH）和由此产生的模块温度差（∆T）。

热端温度等于环境温度（TA）加上散热片温度上升产生的热载荷(Q)和热电模块的电能（V x I）。

TH = TA (V x I Q) RQ。

RQ=散热片热阻每散失1W热量的温度。在这个设计中，我们将保持散热片温度上升不超过环境温度的15摄氏度以上。也就是说我们一个热电模块热侧温度约为65度。

TH = 50°C 15°C = 65°C

整个模块的温度差可以计算如下：

∆T = TH - Tc = 65°C - 25°C = 40°C

模块选择：每个模块的性能图提供四个不同的高温条件的数据。图表下方的X轴列出了环境温差。图表Y轴的下半部列出了热量差。图表下部的对角线可以识别出几个任意选定的电流下（I = 2.7A, 3.1A, 3.5A and IMAX 3.9A）Q/∆T的比例系数。

我们用一个 C1-1.0-127-1.27 Z-Maxreg;模块。首先定位图形TH=65℃，如图[Fig. 4]。然后定位热载Q=15W。沿着一条水平线看点相交的对角线，I= 2.7A。再取∆T =45℃，这个温度比要求的温度高5℃，为装配的变化提供安全余量。

现在我们可以通过延伸垂线DT = 45°C到线图的上半部分，确定要求的电压。交点电流I=2.7A，过交点作水平线与图标边缘相交就可以查出输入电压。要求的电压为12V直流电压。

散热片的选择：在前面的第一部分分析确定的值被用来评估整体系统的可行性。我们想符合我们的假设，使整个散热片温度升15°C。

散热片的散热效率显著影响着热电模块热泵的传热效率。该模块的热侧必须与一个高效的散热系统相连，以通过这个模块实现有用的温度差。

自然对流，强制对流，和液体冷却是最常见的三种类型的散热。热电阻随自然对流的类型的不同和散热片尺寸的不同而不同，其中自然对流效率最低，液体冷却效率最高。绝大多数热电制冷应用使用的强制对流散热片的热阻值（RQ）为0.10°/ W 0.5°/ W。

现在已知量有TA， V，I和Q，我们可以计算RQ来验证它是否是合理的：RQ = (TH - TA)/(V x I Q)=(65°C - 50°C)/(12V x 2.7I 15W) 。

RQ = 0.32°C/W。

我们所提出的系统使用一个c1-1.0-127-1.27 Z-MAXreg;模块和强制对流散热器/风扇组合以达到或超过此应用的标准。

电源供应：典型的热电冷却器的动力源包括电池、汽车和船舶直流电源系统，交流/直流转换器，和线性直流电源供应。

热电“甜点”

热电技术的所有实际应用中的百分之九十操作条件范围都很窄。

1. 温差（∆T）在30℃到50℃。
2. 热电模块的电流（I）在最大电流的70% 到80%之间。
3. 系统总效率(COP)在0.25到0.4之间。

无源负载

设计一个热电（TE）系统，其中最重要的过程之一，是对你所设计的系统的热负荷的理解。没有这个重要的信息，你不能明智地选择最佳的设备或热交换器。每个热电系统具有一个独特散热性能。虽然可以简单地建立一个系统，然后看看它会做什么，但通常我们会更为谨慎，以优化您的系统使其达到所需的结果。有没有方法从更好的地方开始，设计一个更好的方法估计多少热量必须从你的系统散出，以实现高性能的目标。

热电系统的热负荷有两种：有源的和无源的。有源负载无论何时都有部分负载真正产生热量。例如一个有外壳包裹着的电子电路，该电路的热量会基于它的电压和电流的功率消散。许多热电应用没有一个有源负荷（例如，食品和饮料冷却器），在这些情况下，这个词可以完全体现。然而，几乎所有的热电系统，必须应付无源的部分。为了保持热负荷和周围环境之间的温度差，一定量的能量必须持续地输入（用于加热）或输出（用于冷却）负载。用于传输这种能量的负载（通常用瓦特表示）叫做无源负载。

概念化无源负载的方式之一，就是看它是否像一艘漏水的船。水通过各种各样的地方（例如，孔，有缺陷的密封件等）不断地流入船。泄漏的地方越多，水流入传的速度就越快。面对这种情况，如果你想在水中保持一定水平的船（而你不能修补泄漏），你必须在一定程度上把水排出来。如果水排的太慢了，船就会沉下；如果你把水排得太快，船可能会升高并超过理想的水平（这可能是一个问题）。当然，在理想的情况下，你会在第一次机会出现时修理这艘船，从而减少接下来的排水速率。

用一个热电系统，你可以让你的热负荷变冷或冷负荷加热超过环境温度。不幸的是，不管你的系统设计有多好，都会有一些缺陷。没有一种类型的绝缘材料具有无限的耐热性，因此一些热量将有机会通过你的第一道防线。此外，密封件用来密封不可避免的孔（例如，门，发动机通道等），也将是不可能万无一失的。因此，在一个冷却的应用中，一些热量会从外部环境泄漏给热载荷。套用一个流行的说法，“你不能阻止它，你只能试图控制它。”所以你需要散热，只有这个时候你散出了热，并且不是用一个水桶或水泵，而是热电系统的一种——这种系统能够稳定的冷却（或加热）热载荷。

然而，如何量化无源载荷呢？首先你要找出最大的温差（在你的热负荷和周围环境之间）。例如，如果你是冷却，那么你要找出什么是最高的环境温度和在这种情况下你的负荷需要冷却到什么程度？这通常是你最要考虑的情况。如果你设计系统，并要在最坏的情况下有足够的冷却能力，你就要花足够的时间研究各种情况。最坏情况下的环境温度和负载温度之间的差异，将是你用的的方程中的“∆T”。

无源负载的性质

热量从负载传到外界环境，主要有两种方式—传热和对流。传热是通过物体（绝缘、结构部件、密封件、紧固件等）的热量传递，是温度差（即，∆T）、物理尺寸和材料的热传导率（K）在材料上的函数。对流是一种在材料的表面的边界层的热传输。它是材料表面温度∆T和表面空气流速的函数，空气运动越快，热对流的作用越大。一个好的绝缘热负荷（例如，绝缘外壳），对流是相对无关紧要的成分，你可以主要专注于传热这个因素。可以使用以下公式估计纯传热性负载：

Q=

其中：

Q是传导的热量（单位为BTU /h或W，在热电行业，大多数数情况下使用W）；

∆T是热负荷和周围环境之间的温度差（单位为F时热量按BTU /h计算，单位为°C是，Q以为W为单位）；

K为材料的导热系数，单位为BTU/（h·ft·F）或W/（m·°C）；

L是材料的厚度（以英尺为单位时，Q以BTU /h计算；以m为单位时，Q以W为单位）；

A是物体的表面积（以平方英尺为单位时，Q以BTU /h计算；以m²为单位时，Q以W为单位）。

如果你想包括负载的传热和对流分量，你可以使用这个方程：

其中：

Q是传热和对流的总热量（以BTU /h或W表示）；

K为材料的导热系数，单位为BTU/（h·ft·F）或W/（m·°C）；

h是传热系数（在静止的空气中，其值介于4-5 BTU / （h·ft²·F）或23-28（W/ m²·°C）；在乱流中，h落在区间14-20 BTU / (h·ft²·F）或85-113W/ （m²·°C）之中；

L是材料的厚度（以英尺为单位时，Q以BTU /h计算；以m为单位时，Q以W为单位）；

A是物体的表面积（以平方英尺为单位时，Q以BTU /h计算；以m²为单位时，Q以W为单位）。

∆T是热负荷和周围环境之间的温度差（单位为F时热量按BTU /h计算，单位为°C是，Q以为W为单位）；

请注意，你用这个公式得到的Q的结果将比只考虑传热时得到的只要小。这是因为对流/传导方程考虑了两个热量流失途径的因素。计算结果反映出：一个更大的串联电阻散热逻辑上会更少，它有被动负载补偿。

当你处理一个绝缘的负荷，或一个绝缘负荷的非绝缘的部分（例如：一块冷板）时，探索热负载的对流部分变得非常重要。在这种情况下，对流可能会为热量的散失提供源阻力。在某些情况下（例如，一个绝缘外壳），可能内外表面都有空气流动。结果，你的温差∆T将要在两个表面分别计算（基于每个相对的对流系数）。你会发现用下面的方程估算你的无绝缘对流传热，你需要用你的热电系统传送更多的热。

Q = h bull; A bull; ∆TB

其中：

Q是对流传递的热量（单位为BTU/h或 W）；

h是传热系数（在静止的空气中，其值介于4-5 BTU / (h·ft²·F）或23-28W/( m²·°C)；在乱流中，h落在区间14-20 BTU / (h·ft²·F）或85-113W/ ( m²·°C)；

A是物体的表面积（以平方英尺为单位时，Q以BTU /h计算；以m²为单位时，Q以W为单位）。

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