CN213182447U - 温度控制系统及变温霍尔效应实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型申请提供了一种温度控制系统及使用该温度控制系统的变温霍尔效应实验装置,目的是解决现有变温霍尔效应实验装置中温度控制结构操作繁琐及体积庞大而导致的不易操作、耗能等技术问题。上述温度控制系统包括半导体制冷片、温度传感器、热管、散热器和电控装置。通过热管辅助散热的半导体制冷片实现待测材料的温度变化。热管和半导体制冷片结构偏平，有利于缩减两磁极间距，以窄磁隙、低能耗实施实验。同时，半导体制冷片的温度调节由电控装置控制，使用简单，易于操作。具有上述温度控制系统的变温霍尔效应实验装置，可采用狭窄的磁隙，以减小电磁体组件体积。窄磁隙还使工作电流减小、散热压力降低，从而缩减实验装置的整体体积。

Description

温度控制系统及变温霍尔效应实验装置

技术领域

本申请涉及教学教具技术领域，尤其是涉及一种温度控制系统，以及基于该温度控制系统进行温度调节控制的变温霍尔效应实验装置。

背景技术

霍尔效应是一种磁电效应。通过研究不同温度下材料的霍尔效应实验(简称变温霍尔效应)可以研究半导体材料的导电过程或输运性质，提供材料的导电类型、载流子浓度、材料纯度、补偿度、杂质电离能、禁带宽度及迁移率等信息。因此，变温霍尔效应实验是目前物理教学中的重要内容。

现有变温霍尔效应实验教学中，使用液氮对待测材料进行温度控制。采用一个狭小的腔体放置待测材料，并在腔体外部充填液氮。通过液氮的蒸发，实现腔体内温度的变化。实验操作中，为了降低液氮的消耗速度，在液氮外还增设有真空隔热结构。上述温度控制结构的使用难度较大，不利于初学者的操作。同时，上述温度控制结构体积较大，使两磁极间距较大，实验能耗增加。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本申请提供一种温度控制系统，采用电控、扁平化的结构，解决了现有变温霍尔效应实验装置中温度控制结构操作繁琐及体积庞大而导致的不易操作、耗能等技术问题。

本申请的另一目的在于提供一种使用上述温度控制系统的变温霍尔效应实验装置。

本申请所提供的一种温度控制系统，包括：半导体制冷片，具有工作面和非工作面；温度传感器，用于监测工作面处的温度；热管，具有蒸发段和冷凝段；散热器，用于对热管进行强制散热；其中，温度传感器固定于工作面处；蒸发段与非工作面贴合固定；散热器固定于冷凝段处；此外，还包括电控装置，电控装置包括：数据处理单元，用于接收并处理温度传感器的监测结果；电流控制单元，用于控制流经半导体制冷片的电流的方向及大小；其中，数据处理单元与温度传感器和电流控制单元分别通讯连接。

本申请所提供的温度控制系统，采用热管辅助散热的半导体制冷片实现待测材料的温度变化。热管和半导体制冷片结构偏平，有利于缩减两磁极间距，以窄磁隙、低能耗实施实验。同时，半导体制冷片的温度调节由电控装置控制，使用简单，易于操作。

本申请公开的一个实施例中，热管采用一端扁平的热管。

本申请所提供的温度控制系统中，采用导热性能较好的扁平热管，以提高热管与半导体制冷片间的换热效率。

本申请公开的一个实施例中，散热器采用强制散热器，如风冷散热器、水冷散热器等。

本申请所提供的温度控制系统，采用热管与半导体制冷片进行换热，一方面利用热管的扁平结构缩减体积，另一方面，利用热管的长度，隔离半导体制冷片与散热器，使散热器不受半导体制冷片的位置限制，通过类型、型号、安装位置等的选择，获得卓越的散热性能，提高热管循环速度，保证换热效率。

本申请公开的一个实施例中，电控装置采用温控仪。

本申请所公开的变温霍尔效应实验装置，用于测量不同温度中待测材料的霍尔效应相关数据，包括前述温度控制系统和用于形成均匀磁场区域的电磁体组件；其中，半导体制冷片固定于均匀磁场区域内，并垂直于磁场方向；待测材料放置于工作面处；散热器设置于电磁体外部。

本申请公开的另一个实施例中，电磁体组件包括一组对设的电磁铁。

本申请公开的另一个实施例中，电磁铁间距小于等于8mm。

本申请所提供的变温霍尔效应实验装置，通过使用前述温度控制系统，可缩减磁隙至较小的数值，以减小电磁体组件体积。窄磁隙使工作电流减小、散热压力降低，从而使实验装置的整体体积得以控制。

本申请公开的另一个实施例中，还包括实验电控装置，实验电控装置包括：

励磁单元，用于控制电磁体内电流的方向和大小；

实验控制单元，用于控制待测材料内电流的方向和大小；

实验检测单元，用于测量待测材料的霍尔效应相关数据；

其中，励磁单元通过导线与电磁体连接；实验控制单元和实验检测单元分别通过导线与待测材料对应连接。

本申请公开的另一个实施例中，实验电控装置采用霍尔效应测试仪。

本申请公开的另一个实施例中，还包括一罩体，罩体活动罩设半导体制冷片外，将半导体制冷片与外界隔开。

本申请所提供的变温霍尔效应实验装置，通过增设的罩体，将半导体制冷片与外部相隔离，一方面保证了半导体制冷片处温度的稳定性，另一方面，提高了对操作者的保护。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.本申请所提供的温度控制系统，采用热管辅助散热的半导体制冷片实现待测材料的温度变化。热管和半导体制冷片结构偏平，有利于缩减两磁极间距，以窄磁隙、低能耗实施实验。同时，半导体制冷片的温度调节由电控装置控制，使用简单，易于操作。

2.本申请所提供的温度控制系统，采用热管与半导体制冷片进行换热，一方面利用热管的扁平结构缩减体积，另一方面，利用热管的长度，隔离半导体制冷片与散热器，使散热器不受半导体制冷片的位置限制，通过类型、型号、安装位置等的选择，获得卓越的散热性能，提高热管循环速度，保证换热效率。

3.本申请所提供的变温霍尔效应实验装置，通过使用前述温度控制系统，可缩减磁隙至较小的数值，以减小电磁体组件体积。窄磁隙使工作电流减小、散热压力降低，从而使实验装置的整体体积得以控制。

4.本申请所提供的变温霍尔效应实验装置，通过增设的罩体，将半导体制冷片与外部相隔离，一方面保证了半导体制冷片处温度的稳定性，另一方面，提高了对操作者的保护。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例1中温度控制系统的结构示意图。

图2为本申请实施例2中变温霍尔效应实验装置的结构示意图。

附图标记：1.半导体制冷片，2.温度传感器，3.扁平热管，4.风冷散热器，5.温控仪，6.电磁体，7.霍尔效应测试仪，8.罩体，9.待测材料。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“装设”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，如出现下述术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例1

本申请实施例提供了一种温度控制系统，用以解决现有变温霍尔效应实验装置中温度控制结构操作繁琐及体积庞大而导致的不易操作、耗能等技术问题。

如图1所示，本实施例所提供的温度控制系统，包括半导体制冷片1、温度传感器2、扁平热管3、风冷散热器4和温控仪5。

其中，

半导体制冷片1具有工作面和非工作面，半导体制冷片1的电极与温控仪5通过导线连接。温控仪5控制输入半导体制冷片1的电流大小和电流方向，以对工作面处的温度进行调控。

温度传感器2固定于工作面处。温度传感器2与温控仪5通讯连接。

扁平热管3具有蒸发段和冷凝段。蒸发段紧密贴合固定于非工作面处，以保证两者间热传递效率。冷凝段远离半导体制冷片1。风冷散热器4紧密贴合固定于冷凝段处，对该处进行强制散热，以提高热管内工质的冷凝回流效率。

使用时，由温控仪中的电流控制单元控制输入半导体制冷片的电流方向和大小。需要工作面升温时，控制电流方向，使工作面为热面，非工作面为冷面。非工作面温度下降到一定程度后，与热管蒸发段换热。热管蒸发段将换热得到的低温通过热管管壁传递至冷凝段及外部环境中，从而延缓非工作面的温度下降速度，以使工作面保持升温状态。过程中，温控仪的数据处理单元持续获取并处理温度传感器传输的数据。待升温至预设值后，数据处理单元对电流控制单元发出指令，使电流控制单元调控电流大小或停止向半导体制冷片输入电流。需要工作面降温时，控制电流方向，使工作面为冷面，非工作面为热面。非工作面温度上升到一定程度后，与热管蒸发段换热。蒸发段获得的高温使热管内工质发生相变而为气态。气态工质在管内行进至冷凝段，通过管壁与该处的风冷散热器换热，冷凝恢复液态后，沿热管管壁回流蒸发段，如此循环，以延缓非工作面的温度上升速度，以使工作面保持降温状态。过程中，温控仪的数据处理单元持续获取并处理温度传感器传输的数据。待降温至预设值后，数据处理单元对电流控制单元发出指令，使电流控制单元调控电流大小或停止向半导体制冷片输入电流。

本实施例中，通过选择匹配的半导体制冷片、扁平热管、风冷散热器，可获得-20℃～+140℃的变温范围。

实施例2

本申请实施例提供了一种变温霍尔效应实验装置，采用实施例1所提供的温度控制系统，用于测量不同温度中待测材料的霍尔效应相关数据。

如图2所示，本实施例所提供的变温霍尔效应实验装置，包括实施例1所提供的温度控制系统、一组对设的电磁铁6和霍尔效应测试仪7。

其中，

待测材料9放置于半导体制冷片1的工作面上。

半导体制冷片1、温度传感器2、扁平热管3的蒸发段均设置于电磁体6间，并与电磁体6所产生的磁场方向垂直。

半导体制冷片1外活动罩设有一罩体8。罩体8将半导体制冷片1、温度传感器2和待测材料9罩设其中，而与外部相隔离。本实施例中，罩体8采用非导电材质。

分别通过连线将霍尔效应测试仪7的输出端与电磁体6、待测材料9的对应的输入电极连通，输入端与待测材料9的输出电极连通。

实验时，由温度控制系统按照实施例1所述方式控制工作面温度(即待测材料温度)。通过霍尔效应测试仪调整电磁体、待测材料的电流。待温度稳定后，调控电磁体、待测材料的电流方向，由霍尔效应测试仪测量待测材料的霍尔系数和电导率，计算载流子浓度n。改变温度，由霍尔效应测试仪重复测量各温度T下的霍尔系数R_H和电导率σ。根据R_H的正负可以判断待测材料的导电类型(N型或P型)。根据μ_H＝σ|R_H|计算霍尔迁移率μ_H。通过n-T关系可以了解载流子的激发机制；通过μ_H-T关系可以了解载流子的散射机构。此外，还可以在高温的本征激发区通过测量霍尔电压与温度的关系，计算待测材料的禁带宽度。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种温度控制系统，其特征在于，包括：

半导体制冷片，具有工作面和非工作面；

温度传感器，用于监测所述工作面处的温度；

热管，具有蒸发段和冷凝段；

散热器，用于对所述热管进行强制散热；

其中，所述温度传感器固定于所述工作面处；所述蒸发段与所述非工作面贴合固定；所述散热器固定于所述冷凝段处；

此外，还包括电控装置，所述电控装置包括：

数据处理单元，用于接收并处理所述温度传感器的监测结果；

电流控制单元，用于控制流经所述半导体制冷片的电流的方向及大小；

其中，所述数据处理单元与所述温度传感器和所述电流控制单元分别通讯连接。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述热管采用一端扁平的热管。

3.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述散热器采用强制散热器。

4.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述电控装置采用温控仪。

5.变温霍尔效应实验装置，用于测量不同温度中待测材料的霍尔效应相关数据，其特征在于，包括：

权利要求1～4中任意一项所述温度控制系统；

和

电磁体组件，用于形成均匀磁场区域；

其中，所述半导体制冷片固定于所述均匀磁场区域内，并垂直于磁场方向；所述待测材料放置于所述工作面处；所述散热器设置于所述电磁体外部。

6.根据权利要求5所述的变温霍尔效应实验装置，其特征在于，所述电磁体组件包括一组对设的电磁铁。

7.根据权利要求6所述的变温霍尔效应实验装置，其特征在于，所述电磁铁间距小于等于8mm。

8.根据权利要求5所述的变温霍尔效应实验装置，其特征在于，还包括实验电控装置，所述实验电控装置包括：

励磁单元，用于控制所述电磁体内电流的方向和大小；

实验控制单元，用于控制所述待测材料内电流的方向和大小；

实验检测单元，用于测量所述待测材料的霍尔效应相关数据；

其中，所述励磁单元通过导线与所述电磁体连接；所述实验控制单元和所述实验检测单元分别通过导线与所述待测材料对应连接。

9.根据权利要求8所述的变温霍尔效应实验装置，其特征在于，所述实验电控装置采用霍尔效应测试仪。

10.根据权利要求5所述的变温霍尔效应实验装置，其特征在于，还包括一罩体，所述罩体活动罩设于所述半导体制冷片外，将所述半导体制冷片与外界隔开。

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