CN101968936B - 半导体制冷温差发电实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体制冷温差发电实验仪。它包含有半导体冰箱和主机两大部分。半导体冰箱内有加热电热丝、温度计、机内散热风扇及过热保护器。半导体冰箱内的各部分与主机内的各单元电路及转换开关等巧妙组合，构成了可做半导体制冷系数的研究、温差发电规律的研究、温差电源内阻的测量等定量实验项目的物理实验仪器，填补了现有技术的空白。它使用方便可靠且高性价比，还可引导大学生进行绿色制冷及绿色发电的研究，建立新能源研究的意识。它可用于高校的普通物理实验、近代物理实验、大学物理实验课程，还可作为演示物理实验仪器。

Description

半导体制冷温差发电实验仪

技术领域

本发明涉及一种物理实验仪器，尤其是指一种半导体制冷温差发电实验仪。

背景技术

半导体制冷具有体积小、重量轻、没有机械滑动部件、无噪音、绿色无氟、使用寿命长、制冷量控制方便精确等优点，它应用在一些空间受到限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合(如军事、医疗、工业、检测、高级宾馆、实验室等领域)。它的理论是基于物理学中的电磁学和半导体理论。温差发电是一种绿色发电模式，自然界中有温差之处随处可见，但是目前温差发电还没有被人类利用起来，有待于人们的进一步开发研究。可见，半导体制冷和温差发电的应用和研究很有现实意义，很符合时下绿色环保利用新能源的大趋势。但是，目前在高校的物理实验中还没有相应实验项目和相应的实验仪器。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体制冷温差发电实验仪，它既可以定量研究半导体制冷量或制冷系数与相关物理量的关系，还可以定量研究温差发电的规律，还可作为演示性物理实验仪器。

为了实现上述目的，本发明包含一个半导体冰箱，半导体冰箱内有加热电热丝以及温度计，加热电热丝与电热丝加热可调稳压电源相并联，电热丝加热可调稳压电源的输入端与电源变压器的一个次级绕组相并联，还有机内散热风扇，半导体制冷片与功能转换开关的一对中心接点相并联，相对应的下接点与制冷制热转换开关的中心接点相并联，制冷制热转换开关的左右侧接点交叉并联后与半导体制冷可调稳压电源相并联。半导体冰箱内的机外散热风扇通过开关和降速电阻的并联电路与散热风扇稳压电源相并联。电热丝加热可调稳压电源与电压表并联，其输出引线与电流表串联。加热电热丝与电热丝加热可调稳压电源之间还串联有温差发电过热保护器。半导体制冷片与功能转换开关之间还串联有半导体制热过热保护器。功能转换开关的另一对中心接点与两用电压表并联，相对应的上接点与另一组上接点并联，相对应的下接点与半导体制冷可调稳压电源相并联。两用电压表与负载保险丝、负载电阻、按键开关串联构成的负载电路相并联。半导体制冷可调稳压电源输出电路并联有电压表和串联有电流表。加热电热丝以及机内散热风扇与各自的供电导线之间由插接件连在一起。

由于本发明设置了功能转换开关并与其他开关巧妙组合，使得半导体制冷实验功能、半导体制热实验功能、半导体温差发电实验功能得以兼顾，在不提高仪器成本的前提下，大大扩展了仪器的功能，并且使用简单方便、可靠性高。温差发电过热保护器以及半导体制热过热保护器与各自电路的串联，有效地避免了实验过程中温升过高引起的塑料件变形损坏。机外散热风扇通过开关和降速电阻的并联电路与散热风扇稳压电源相并联，使得学生可以方便地改变热交换状态，定量研究半导体制冷、半导体制热、半导体温差发电与散热情况的关系。功能转换开关的另一对中心接点与两用电压表并联，相对应的上接点与另一组上接点并联，相对应的下接点与半导体制冷可调稳压电源相并联，使得一个电压表两用，降低了成本，减小了体积。两用电压表与负载保险丝、负载电阻、按键开关串联构成的负载电路相并联，保证了方便地测量温差发电电源的内阻，并且负载电阻不会损坏。加热电热丝以及机内散热风扇与各自的供电导线之间由插接件连在一起，可很方便地将其取出，使本仪器可作为温度可调可显示温度的半导体冰箱或加热保温箱使用，可为热学实验或其他用途提供冷源或保温加热，一机多用。

综上所述，本发明可综合利用热学和以及电磁学原理，定量测量和研究半导体制冷及温差发电的物理规律(可做半导体制冷系数的研究、温差发电规律的研究、温差电源内阻的测量等实验项目)，还起到引导学生进行绿色制冷或绿色发电的研究，建立新能源研究的意识。

本发明的原理结构、实验方法、实验项目在国内是独创的，其实验原理涉及热学和电磁学、是真正意义上的综合性实验，很符合时下实验教学改革的需求，对培养学生的横向思维和创新意识很有好处，应该尽快在国内各高校推广使用。

附图说明

附图是本发明结构原理图。

具体实施方式

在附图中，利用一个带有门1的保温外壳2，其内壁3为传热性好的铝材料制作的，将半导体制冷片8通过传热器7(铝的)与内壁3接触，半导体制冷片8的另一面与散热器9热接触，散热器9外侧有机外散热风扇10，这就形成了一个半导体冰箱。为了测量半导体冰箱的制冷量，又在内部安装了一个加热电热丝5，为了实现内部温度的即时均衡，还在电热器附近安装一个机内散热风扇4，为了测量其内的温度，还在内部安装了一个温度传感器6并与外部的数字温度计16相连。

加热电热丝5与温差发电过热保护器B1以及电热丝加热开关KR和电流表A1串联后再与电热丝加热可调稳压电源12相并联，电热丝加热可调稳压电源的输入端与电源变压器的一个次级绕组相并联，半导体制冷片8与功能转换开关K4K3的一对中心接点相并联，相对应的下接点与制冷制热转换开关K2的中心接点相并联，制冷制热转换开关K2的左右侧接点交叉并联后与半导体制冷可调稳压电源14相并联。半导体冰箱内的机外散热风扇10通过开关K5和降速电阻RF的并联电路与散热风扇稳压电源15相并联。电热丝加热可调稳压电源12与电压表V1并联，其输出引线与电流表A1串联，R_A1是其分流电阻。加热电热丝5与电热丝加热可调稳压电源12之间还串联有温差发电过热保护器B1。半导体制冷片8与功能转换开关K4K3之间还串联有半导体制热过热保护器B2。功能转换开关K4K3的另一对中心接点与两用电压表V2并联，相对应的上接点与另一组上接点并联，相对应的下接点与半导体制冷可调稳压电源14相并联。两用电压表与负载保险丝BY、负载电阻RL、按键开关KL串联构成的负载电路相并联。半导体制冷可调稳压电源14的输出电路串联有电流表A2，其分流电阻为R_A2。加热电热丝5以及机内散热风扇4与各自的供电导线之间由各自的插接件17连在一起。数字表工作电源13与各个电压表和电流表的工作电源输入端相连，也通过分压电阻R_X、R_Y为数字温度计16提供工作电源。变压器BY的初级绕组与保险丝BX以及电源开关K1串联后接220V交流市电。框起来的11为主机部分，上面的其余部分为与半导体冰箱一体的部分。

下面把本发明的工作过程做一说明：

当K1接通，K2打在右位，K3K4打在打在下位，为制冷实验功能，此时，调节半导体制冷可调稳压电源14的输出电压，就可改变制冷电流，其制冷电压和制冷电流通过两用电压表V2、电流表A2读出。由于数字温度计16可通过内外温转换按键开关转换，可分别测量室内环境温度以及制冷机内部的温度，当尝试调节加热电热丝5的电流多次，寻找到制冷机内部温度等于外界环境温度时，达到了热平衡状态，内外热量不进行交换，此时维持平衡温度的就是制冷和加热电热丝，两者相等抵消，因此，不能直接测量的制冷量也就间接地知道了，该情况下的制冷系数也就可以计算出来了：半导体制冷量Q就等于电加热器的电功率W＝IV，而制冷系数就等于ε＝Q/W。通过通断开关K5可以改变机外散热风扇10的转速，从而测出同一制冷电流下的制冷量或制冷系数，进而研究制冷系数及制冷量与散热情况的关系，得出制冷设备提高制冷效率的普遍规律。

在上述开关位的基础上，仅把K3K4打在打在上位，就变成温差发电功能，温差发电的电动势ε或接入负载RL后的电压V₂，可从电压表V2上读出，其电流电压还是利用制冷实验的电压及电流表，一表多用。断开开关KL，V2上的读数为温差发电的电动势ε，接通KL，为接入负载RL以后的电压V2。这就可以计算温差发电电源的内阻

改变加热电热丝的电流，就可调节内外温差，从而得到不同的温差发电电压。在温差发电时，为防止加热电热丝过加热引起的损坏制冷箱内部塑料件，还在其供电电路串联了一个温差发电过热保护器B1，当箱内温度超过50度时自动断开，低于该温度又自动接通。

在制冷功能开关状态下，仅把开关K2打在制热档(右端)，就可进行半导体制热实验，其电流电压还是利用制冷实验的电压及电流表，一表多用。制热时，为防止制冷片及箱内塑料件过热损坏，还在其供电电路中增加了一个过热保护器B2，当箱内温度达到摄氏50度时，过热保护器自动断开，当低于50度时，又自动断开，如此反复，使箱内温度保持在50度左右，且自动电路保护低成本、高可靠。

本仪器内的机内散热风扇和加热电热丝等为机械一体化的，通过各自的插接件17与整机电路相接，当拔开插接件17取出时，该仪器就变成了一个可控温度且有温度数字显示的半导体制冷制热箱，制冷温度低于环境温度16度以上，制热温度可达到50度。一机多用。

本仪器在设计过程中已经全面考虑到各种可能损坏仪器仪表的可能，采用了最合理的防误操作电路，因此实际使用中不会因误操作而损坏，仪器的可靠性很高。

下面把各主要部分参数做一说明：

半导体制冷可调稳压电源14可选用宽范围可调(0-16V)开关电源；电热丝加热可调稳压电源12可选用串联型宽范围可调(4-19V)稳压电源；散热风扇稳压电源15可用稳压12V的；数字表工作电源13取自散热风扇稳压电源15再用三端稳压集成块7805稳压而得到；半导体制冷片8可用市面上流行的各类产品；功能转换开关K4K3可用4刀双掷拨动开关(也可用两个独立的双刀双掷开关代替)；制冷制热转换开关K2可用普通双刀双掷拨动开关；温差发电过热保护器B1和半导体制热过热保护器B2可用50度的常通双金属片自动温度开关；数字温度计用市面上流行的即可，数字温度计的供电电源也可用钮扣电池代替。

本发明可作许多变化：各个数字电压电流表可换成机械指针式的、数字温度计可换成酒精温度计、也可取消主机自带的电压电流表换成外接电表的方式等。

Claims (6)

1. 一种半导体制冷温差发电实验仪，包含一个半导体冰箱，所述半导体冰箱的半导体制冷片的一面通过传热器与内壁接触，其另一面与散热器接触，该散热器外侧有机外散热风扇，半导体冰箱内有加热电热丝以及温度计，加热电热丝与电热丝加热可调稳压电源相并联，电热丝加热可调稳压电源的输入端与电源变压器的一个次级绕组相并联，在加热电热丝附近安装有机内散热风扇，其特征是所述半导体制冷片与功能转换开关K4的一对中心接点相并联，功能转换开关K4的一对下接点与制冷制热转换开关的一对中心接点相并联，制热制冷转换开关的左侧两接点与右侧两接点交叉并联后与半导体制冷可调稳压电源相并联，功能转换开关K3的一对上接点与功能转换开关K4的一对上接点并联，功能转换开关K3的一对中心接点与两用电压表并联，功能转换开关K3的下接点与半导体制冷可调稳压电源相并联。

2.按权利要求1所述的半导体制冷温差发电实验仪，其特征是所述机外散热风扇通过开关和降速电阻的并联电路与散热风扇稳压电源相并联。

3.按权利要求1所述的半导体制冷温差发电实验仪，其特征是加热电热丝与电热丝加热可调稳压电源之间还串联有温差发电过热保护器。

4.按权利要求1所述的半导体制冷温差发电实验仪，其特征是半导体制冷片与功能转换开关K4之间还串联有半导体制热过热保护器。

5.按权利要求1所述的半导体制冷温差发电实验仪，其特征是两用电压表与负载保险丝、负载电阻、按键开关串联构成的负载电路相并联。

6.按权利要求1所述的半导体制冷温差发电实验仪，其特征是加热电热丝以及机内散热风扇与各自的供电导线之间由插接件连在一起。