新型热电-热泵婴儿保温箱的性能比较研究

工程科学与技术，国际期刊31（2022）101055完整文章电阻式和改进型热电式婴儿保温箱的能效和瞬态稳态性能比较Osman Yeler，Mehmet Fevzi Koseoglu工程学院，机械工程系，棉花堡大学，土耳其，代尼兹利阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月2日收到2021年8月22日修订2021年9月1日接受2021年9月20日网上发售保留字：热电热泵婴儿保温箱动力学行为热工水力性能参数A B S T R A C T本研究旨在通过比较新改进的具有热电热泵的热电式婴儿培养箱和现有电阻式婴儿培养箱的热工水力性能参数（包括能耗、设定温度精度和噪声水平），为能源相关研究做出为此，建立了一个实验装置，并配备了必要的测量仪器和控制单元，可以确定两个婴儿培养箱在瞬态和稳态操作模式下的上述性能参数 根据实验结果，热电系统能够以0.05°C的精度控制烟罩的平均温度，而电阻系统的精度为0.1 °C。由于恒温箱通常用于加热操作模式，因此热电系统在稳态条件下的性能系数（COP 加热）值，其中平均通风柜空气温度为36°C，环境温度为10 ° C。入口温度为25°C，也就是1.4左右，高于电阻系统。感谢改进的热电系统的冷却模式，表明在不打开罩的情况下，在较低的设定温度下，可以缩短瞬态周期，并且可以在高环境温度（30 °C及以上）环境和运输培养箱中操作。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍世界上每天有成千上万的婴儿出生，通常出生的婴儿的妊娠期为38至42周。如果因为任何原因，分娩发生在37周，这被称为早产儿可以根据出生时的孕周数和新生儿的出生体重它们根据孕周数进行分类，如极早产（小于28周）、极早产（28 - 32周）和中晚期早产（32 - 37周），而它们根据出生体重定义为2500 g或更低的低出生体重（LBW）、小于1500 g的极低出生体重（VLBW）和小于1000g的极低出生体重（ELBW）[2新生儿早产儿的最大问题之一是婴儿不能*通讯作者：棉花堡大学机械工程系，20070 Kinikli，Denizli，Turkey电子邮件地址：oyeler@pau.edu.tr（O. Yeller）。由Karabuk大学负责进行同行审查调节自己的体温。如果不加以干预，这种情况会造成严重的问题，可能导致婴儿永久性损伤或死亡根据早产儿的胎龄和出生体重，中性热环境（婴儿消耗的氧气浓度最低）会发生敏感变化[6]。由于不能为婴儿提供这种环境，每年有数千名婴儿出现严重的永久性健康问题因此，婴儿保育箱被广泛用于预防这些健康问题[7早产儿保温箱是一种医疗器械，可通过受控方式调节新生儿所需的适当温度、相对湿度和氧气水平在1891年第一个现代孵化器发明后，开发了许多具有不同型号和工作原理的孵化器设计[10]。目前使用的婴儿保育箱使用电阻作为加热元件为早产儿提供中性热环境温度。然而，已经确定，这些系统在罩中产生中性热环境方面存在一些问题，特别是在体温和环境温度变化不受控制地增加的高热的情况一种利用热电热泵运行的婴儿保育箱已被改进，以消除在使用中遇到的所有问题。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.09.0012215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchO. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010552-命名法一警p n型热电偶材料横截面积（m2）性能系数供热性能系数COPcooling制冷性能系数我我最大kk*KLnQ_cQ_cmaxQ_hRTcTh电流（A）最大电流（A）p n型材料的导热系数（W/m.K）有效导热系数（W/m.K）TEC模块的热导率（W/K）p n型材料的腿长（m）热电偶数量（p n数）TEC模块的冷却功率（W）TEC模块的最大冷却功率（W）加热功率率（W）TEC模块的内阻（X）TEC模块的冷表面温度（K）TEC模块的热表面温度（K）DT最大值VVmaxW_ZZω最大温差（°C）电压（V）最大电压（V）电功率消耗（W）品质因数（1/K）有效品质因数（1/K）希腊符号aaωqqω塞贝克系数（V/K）有效塞贝克系数（V/K）电阻率（X.m）有效电阻率（X.m）下标nn型材料性能pp型材料特性这些情况下，并实现更精确和均匀的温度分布内罩[11，12]。热电与热和电有关，热电效应称为通过p型和n型半导体材料与导体串联而成的热电偶将温差直接转换为电压或将电压直接转换为温差。当热电偶两端存在温差时，会产生直流（DC）电压（塞贝克效应）[13]。相反，当向其施加直流电压时，根据施加的电流方向，热量从一侧传递到在大多数应用中，由于一个热电偶不足以提供所需的性能，热电模块是通过将半导体材料彼此电串联和热并联连接而形成的当热电模块用于发电时，它被称为热电发电机（TEG），而当它用于加热和冷却目的时，该模块被称为热电冷却器（TEC）[13今天，许多研究和应用涉及TEG或TEC模块和系统进行。TEG的这些研究和应用可以分为6大类：空间研究和应用、废热回收研究和应用、TEG研究和应用与可再生能源系统相结合、TEG研究和应用用于微电子和传感器、太阳能TEG研究和应用以及有机TEG研究和应用[16]。另一方面，TEC可以分为4类，即民用市场研究和应用、汽车工业中的冷却/加热研究和应用、电子设备中的冷却研究和应用以及热电调节研究和应用[17]。与此同时，TEG和TEC系统最近已广泛用于医疗应用医疗应用中的热电系统分为两大类：医疗应用中的固态冷却-加热和自供电生物医学设备的热电能量采集，自供电生物医学设备本身分为植入式医疗设备和可穿戴应用[18]。在这项研究中，固态制冷加热在医疗应用的TEC系统的一部分进行了研究医疗应用中的冷却-加热是通过珀尔帖效应，它作为一个固态热泵。这些装置将热量从一个表面传递到另一个表面，这取决于方向。施加电流的作用。尽管TEC系统成本高且效率低，但由于其能够快速冷却/加热并在没有移动部件的情况下轻松逆转，因此它们广泛用于特殊医疗应用。如今，TEC模块最常见的生物医学应用之一是聚合酶链式反应（PCR）的热循环，这是一种用于复制DNA分子的方法。复制过程分三步进行：94 °C变性，54 °C退火和延伸。在72 °C下进行。在这些步骤中，可逆性、快速响应和TEC模块易于应用，是PCR设备的理想选择[18]。此外，在PCR过程中，高热通量被周期性地施加到热电模块，因此，在模块内产生机械应力因此，在循环应用中使用的热电模块预期对该过程具有抗性Volkov等人[19]在RMT有限公司下开发了一种高度可靠的微型热电模块，使用一种新技术消除了这个问题。 该模块可在20 °C至100 °C的温度范围内以20 °C/s的速率进行超过500，000次加热-冷却循环。在医学科学中已知，适度的温度效应是治疗人类和生物的许多疾病的重要因素。因此，Yavuz等人[20]设计了一种计算机控制的冷热疗法设备，该设备与TEC模块一起操作。该装置可以通过在诸如受伤、发烧、创伤等情况下对身体的期望区域施加冷和热治疗来45° C加热）快速进行了测试，不同的功率sup-测试结果表明，该装置能够提供所需的温度范围。同样，据报道，大约一半的脊柱疾病是神经系统疾病，其中80%发生为腰中枢脊髓损伤。为此，Anatychuk和Kobylyansky[21]使用TEC系统治疗神经根炎和脊柱按摩，并开发了一种设备，可以根据时间控制医生确定的温度变化。它可以在20 ~ 50 °C的温度范围内工作，温度变化率可达5-10 K/s。然后，Anatychuk等人[22]开发了一种计算热电转换器电源电流的最佳时间依赖性的计算机方法和算法，其使得能够精确控制在热电转换器中使用的热电装置中的期望温度。O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010553医疗应用。由于TEC具有结构简单、体积小、无噪声、便于携带等特点，因此可方便地用于生物医学产品（疫苗、血液、器官等）的运输。其中温度必须保持在一定值以便安全携带。对于这些产品，Güler和Ahiska[23]设计并开发了一种微处理器控制的便携式热电医疗冷却套件。该装置只需一个TEC，就可以根据用户的喜好将产品保持在0至8°C之间能够加热到37摄氏度，这是人体的温度，特别是在使用产品之前。此外，Güler和Ahiska考虑了环境温度参数的影响，并根据25至50 °C的环境温度对医疗箱进行了测试。他们确定，在所有测试中，套件中的温度都可以保持在6至10 °C之间。在另一Wang等人[24]通过热传递分析发现，对于使用TEC操作的血液冷却器医疗箱，最佳翼长为0.598 m，最佳翅片厚度为0.0025 m，并且根据医疗箱中的装载和不装载条件，实验测试了箱内部的温度变化。根据结果，他们确定在无负载条件下，机柜温度在40分钟内降至2 °C，并且最佳翅片厚度提供了所需的冷却性能，前提是环境温度保持恒定在25 °C。在加载条件下，他们将10个试管放入机柜中，并表示系统能够安全地提供2至10 °C的机柜温度。同样，He et al. [25]进行了用于医疗服务的热电制冷箱的理论和实验研究，Nohay等人。[26]设计并制造了一种便携式太阳能热电冰箱，用于储存胰岛素。使用热电技术的另一个潜在的医疗应用领域是治疗性低温。在脑外伤、心脏骤停、窒息和失血过多时，受伤人员的体温控制非常重要因为当人脑中心冷却到30-32 °C时，即使心脏停止跳动，人也能在没有血液、氧气和葡萄糖的情况下Kapidere[27]设计了一种具有微控制器控制的热低温医疗设备，通过创建热电头盔，该头盔具有8个温度传感器和120个灵活的TEC模块，以快速冷却大脑。设计的装置的测试结果表明，与TEC模块一起工作的装置可以用于保护大脑并保持恒定在所需的温度。 在短短几年后，Yavuz [28]通过使用70个灵 活 的 TEC 模 块 ， 140 W 的冷 却 能 力 和 加 热 速 率 控 制 不 超 过0.5 °C/min的模糊逻辑来控制该系统，进一步开发了该系统。在另一项研究中，Tauchi等人[29]改进了与热电热泵一起工作的局灶性脑冷却装置，并通过在大鼠中进行测试来验证该装置的神经保护作用获得的结果表明，它对某些损伤（急性缺血性损伤、半影区进行性损伤和再灌注损伤）具有保护作用，特别是在33 °C下的目标温度管理。由于世界上有限的能源资源，以及随着人口数量的增加，对能源的需求日益增加，因此有效地使用能源是非常重要的。Patel等人[30]确定，美国住宅中使用的4%的电能被干衣机消耗，他们设计了一种新的干衣机，该干衣机采用热电系统运行以节省能源。建立了热电干燥器的数学模型，并通过实验验证了模型的准确性实验结果表明，改进后的系统比电阻式干衣机的效率提高了85%虽然有许多关于使用TEC模型的研究用于医疗应用的加热和冷却装置，针对电阻式婴儿保育箱和改进的热电式婴儿保育箱的动态特性和热工水力性能参数的实验研究和比较，据我们所知，还没有报道。本文的主要目的是比较电阻（现有）婴儿保温箱和热电婴儿保温箱的头对头与热电热泵运行，其在同一设备上执行早产儿的加热和冷却要求，并提供比电阻保温箱系统更精确的温度控制。为此，这两个系统的优点此外，还分析了改进后的热电式恒温器能否克服电阻式恒温器存在的上述问题。2. 实验方法两种系统（电阻和热电孵育器）的实验比较需要商业婴儿孵育器，因此购买了2006年生产的AMS Amenity XP早产儿为了开发热电培养箱系统，首先，必须准确识别AMS Amenity XP培养箱的当前设计参数，包括加热功率、加热和冷却速率时间、空气质量流量、新鲜空气量等（图11）。 1 a）。利用热电制冷供热系统守恒方程确定的设计参数，对热电热泵系统进行了优化设计根据这些参数，确定了系统的最佳为了比较电阻式恒温箱和改进的热电式恒温箱的动态特性和热工2.1. 阻力培养系统确定了从周围环境引入培养箱的新鲜空气量、从通风柜环境引入的空气量、通风柜内的速度分布、培养箱系统临界点的温度、通风柜内有报警和无报警时的噪声为了正确地确定上述设计参数，图1所示的实验装置。 2已成立。将热电偶放置在EN 60601-2-19标准[31]中规定的5个不同点，以确定通风柜环境中的温度分布此外，12个热电偶位于现有系统中，以便用于数学计算，并将电阻系统与热电热泵系统进行比较。以这种方式，通过数据记录器测量并立即记录培养箱每个临界点的温度在罩的中心插入参考温度计，用于热电偶的设置和两个系统的准确比较由于早产儿的噪音水平非常重要，因此立即测量并记录了现有系统的噪音为了确定试验装置和电阻培养箱系统消耗的总功率，所有仪器均通过多插座连接到能量分析仪。因此，对于所进行的每个实验，确定由电阻培养箱系统消耗的电流、电压和总功率的量（图1）。 2）的情况。O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010554Fig. 1. 原理图（a）电阻加热器（b）热电热泵。图二.带有人体模型的阻力婴儿培养箱的实验装置示意图。2.1.1. 空气流速和流量的测定在AMS Amenity XP培养箱中，应确定3个空气速度，即新鲜空气速度、从通风柜环境中获取的空气速度和通风柜中空气的平均速度（图1）。①的人。AMS Amenity XP培养箱通过通向外部环境的环形管道从周围环境中吸入一些新鲜空气由于在圆形通道中的每个点处的速度值是变化的这就是为什么使用能源效率局[32]使用的平均速度测量方法来确定风扇的体积流量。当一些新鲜空气由径流式风扇通过向外开口的圆形管道从周围环境中吸入时，由于通向罩环境的间隙，同时一些空气从罩环境中吸入。然后，通过混合从这两个环境中获取的空气，混合的空气经过加热元件并被发送到罩。在AMS Amenity培养箱中，测量混合空气的流速和平均速度比测量从通风橱环境吸入的空气的平均速度和流速更容易。然后，从通风柜中吸入的空气量可以通过减去来计算从所述混合空气量中提取新鲜空气量。混合空气通过矩形管道，并且在矩形管道中的每个点处的空气速度是不同的，如在确定新鲜空气的量时一样。为此，测量区域被划分为相等的矩形区域。对于矩形管道，能源效率局[32]建议将测量区域划分为16至64个相等的区域。在这项研究中，测量区域被划分为16个相等的矩形区域。通风橱内的平均空气速度应保持在低速，以免打扰婴儿。正如培养箱标准[31]中明确规定的那样，床垫上的空气流速必须小于0.35 m/s.准确确定烟罩内的平均速度是非常困难的。因为与低空气流速接触的罩的横截面积非常大。此外，在AMS Amenity XP培养箱中，当空气通过短边和长边上的开口进入罩时，确定罩空气的平均速度变得更加困难（图1）。 3）。在文献中还没有找到根据低流速确定具有如此复杂几何形状和非常大的横截面积的气流的平均速度的方法在这项研究中，将通风罩的横截面积分成85个小正方形，横截面积为3 × 3 cm2，O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010555图三. 烟罩内平均空气速度的测定。确定通风橱中的平均空气速度。这些小方块的中心被定位，并确定固定的测量点。在固定测量点测得的速度相加，并除以测量点的数量通过这种方式，试图用在许多点测量的速度准确地确定通风柜中的平均空气速度（图10）。 3）。为了确定新鲜空气、混合空气和通风橱空气的平均速度大小，使用了根据热线测量方法运行的Testo 435-3风速计。由于婴儿培养箱中的速度值非常小，因此选择了高精度的Testo 0635-1025探头。为了准确测定阻力式婴儿培养箱内新鲜空气、混合空气和罩内空气的平均流速，在根据能源效率局[32]确定的固定点上用热线测量探头测量1 min。使用仪器在规定测量时间内测量的速度平均值确定每个点的速度。为了使测量误差最小化，这些点的速度测量重复3组。对3组末端的平均速度进行了平均，并确定了代表新鲜空气、混合空气和罩内空气流量分布的平均速度。在获得平均速度之后，通过使用通过流动的横截面积和25 °C下的空气密度（其为1.184 kg/m3）来获得新鲜空气、混合空气和通风橱空气的体积和质量流率。由于阻力系统的速度分布、体积流率和质量流率总是恒定的，因此这些值仅测定一次并用于所有实验。2.1.2. 温度的测定为了使婴儿保育箱正常工作，它必须首先满足保育箱标准中规定的温度标准[31]。此外，为了比较电阻式恒温箱系统和改进的热电式恒温箱系统，需要记录临界点温度随时间的变化通过测量10 cm以上5个不同点的温度来确定烟罩的平均温度床垫，如孵化器标准中所规定的[31]。图2中详细给出了温度测量记录的其他临界点的位置。通过这种方式，总共17个热电偶被放置在电阻孵育器系统的关键点处，并且通过数据记录器即时记录每个实验中发生的温度变化。在婴儿培养箱系统中，T型和K型热电偶被广泛使用，因为温度通常在窄的温度范围（10 -150 °C）内变化。在本研究中，热电偶、数据记录器和数据记录器软件从Elimko Co.公司. 为了测量温度，首选用于表面测量和校准过程的T型E-TC 15-K-T-K20-TT便携式热电偶，以及具有32个独立通道并可通过E-IB-11 USB转换器同时，数据记录仪使用的一个软件包可以设置每个通道的热电偶类型、接点类型、灵敏度等，每个通道测得的温度数据，根据日期和时间，可以保存为excel文件。虽然选用的E-TC 15-K-T-K20-TT便携式热电偶是一种灵敏热电偶，但热电偶最终是由两种不同的材料焊接而成。由于该焊接点的一些不确定性，在相同条件下生产的每个热电偶可能会显示不同的温度值，偏差很小因此，根据参考温度计在水浴中校准每个热电偶，并将为每个热电偶生成的校正方程编程到数据记录器中。2.1.3. 噪音声级值的测定早产儿对他们周围的所有因素都非常敏感，因为他们在某些器官充分发育之前就睁开眼睛看世界，这取决于早产的程度因此，早产儿在生命之初大多可以住在新生儿这些脆弱的婴儿可能会暴露在高水平的噪音中，特别是在这些NICU中，由于不同设备的操作和医院的警报声。在新生儿中，高噪音会导致听力和睡眠障碍以及躯体效应。此外，EN 60601-2-19[31]中明确规定，培养箱正常运行时的噪声不应超过60 dB，激活培养箱中的声音报警时不应超过80 dB因此，在本研究中，电阻培养箱系统（有和无报警）和改进的热电培养箱系统的噪声水平都用CEM DT-8852测量，CEM DT-8852是声级计，可以通过USB连接将测量数据作为Excel文件声级计位于婴儿躺下的床垫中心上方10 cm处[31]。2.1.4. 电阻培养箱系统由于本研究是一项科学研究，因此在每次实验中确定培养箱的电流、电压和功率值非常重要。因此，使用Entes MPR 45S能量分析仪测量系统的电量。如图2所示，电阻培养箱系统和测量设备连接到多插座，因此实验系统的整个电力消耗收集在一条线上。这条线经过能量分析仪，并连接到电源电压线。以这种方式，用Entes MPR 45S能量分析仪测量由电阻培养箱系统消耗的电流、电压和功率值。根据日期和时间，通过RS485 USB转换器将测量值作为Excel文件O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）10105562.1.5. 动态特性为了研究恒温箱系统的动态行为，在稳态条件下将模拟真实婴儿的人体模型放置在恒温箱上，并试图模拟实际情况。为此，将代表婴儿核心温度的36.7 °C的温水加入到该模型中。然后，打开先前处于稳态条件的电阻和热电培养箱系统的罩，放置人体模型，并通过2个热电偶监测人体模型的核心和皮肤温度的变化为了确保两个系统的标准化，在保持通风罩打开1分钟后将其关闭。通过这些实验，试图研究婴儿在两个系统中的核心和皮肤温度变化以及稳定性受损的系统的响应（动态行为）2.2. 热电恒温箱系统本研究的主要目的是开发一种在相同条件下比电阻系统具有更高效率和更精确的温度控制的婴儿培养器系统，并且通过在不改变培养器系统的基本设计的情况下仅移除现有系统中的电阻控制单元和加热元件来消除电阻系统因此，已经开发了与热电热泵一起操作的热电婴儿培养箱系统[11]。在改进后的系统中，婴儿培养箱的加热和冷却过程由TEC模块实现。由于TEC模块以直流电流操作，除了电阻培养箱系统的实验设置之外，还添加了直流电源和显示TEC模块消耗的电流、电压和电功率的直流功率分析仪此外，由于热电培养箱系统由自动控制（比例积分微分控制，PID）控制，因此必须将微处理器（Arduino）和驱动器添加到实验设置中，该驱动器可以改变TEC模块在加热和冷却模式之间转换的电流方向，并允许Arduino因此，为了确定热电培养器系统的设计和性能参数，建立了图4中的在这项研究中，由于这两个系统进行了比较，此外，还利用电阻式恒温箱中所用的方法和测量装置来确定热电式恒温箱的设计和与电阻孵育器系统不同，第17个热电偶功能已更改，第18个热电偶已添加到开发的系统中。当TEC模块的电流方向因此，热电偶17和18在加热和冷却模式下测量的值具有不同的含义（图11）。 4）。在改进的热电热泵系统中，当电压被施加到TEC模块时，在模块的一个表面上进行加热并且在另一个表面上进行冷却加热和冷却表面上的热量通过传导传递到散热器然后，在两个散热器上产生的热量通过风扇发送这样，一个环境被加热，而另一个环境被冷却（图1）。①的人。如果需要更换加热和冷却的环境，改变电压的方向就足够了因为通过改变电压方向，系统开始以相同的方式反向运行。改进的热电培养器系统的风扇和TEC模块的功率必须用自动控制来控制，以便能够在电阻培养器系统中以相同的空气流速操作并提供期望的温度在孵化器里。 为此，Arduino Mega 2560被用作控制元件（图1）。5）。此外，热电系统中的风扇和TEC模块在直流电压下工作因此，由于优选的风扇和TEC模块以24 V和14 V工作，因此需要两个单独的DC电源特别是，当TEC模块在系统运行时消耗高电流和电压时，使用了高效Mean Well LRS-35-请注意，TEC模块电源的工作电压通过调节螺钉设置为14 V。此外，风扇和TEC模块都在比控制器（Arduino）可以控制的电压高得多的电压为了让Arduino控制这些高价值，驱动程序必须添加到系统中除此之外，在改进的系统中，必须改变TEC模块的电压方向，以便能够根据用户的偏好在加热或冷却模式下操作TEC模块为此，必须使用具有H桥的驱动器，该H桥提供改变TEC模块 考虑到所有这些参数，5 -35 V 15 A双电机驱动器用于风扇，5-35 V 30 A双电机驱动器用于TEC模块（图1）。 5）。最后，为了让Arduino能够控制温度，对于热电恒温箱系统，其温度必须用温度传感器测量并与Arduino通信。为此，使用Sensirion SHT 31，其是具有高灵敏度（±0.3 °C和± 1 RH）的温度和相对湿度传感器，并且温度传感器位于罩的中心和床垫上方10 cm处。在改进的热电恒温箱系统中，恒温箱必须检测设定温度，并尽快提供所需的温度，并进行自动控制。培养箱标准规定，在环境温度为21-26 °C的环境中，通风柜空气温度达到36°C小于45 min[31]。因此，热电系统采用PID控制。对于使PID控制器能够精确控制系统温度的PID系数（KP、KI和KD），首先在MATLAB®/Simulink软件中获得培养箱系统的传递函数。然后，考虑到使系统快速、精确、超调量和偏差最小的控制准则以及培养箱标准中的45 min参数，确定了单位步长的PID系数为KP= 65.5192，KI= 6.8289，在MATLAB®-PID Tuning界面中KD=17.816[12]。利用Arduino中的PID函数库编写了系统的自动控制软件。2.2.1. TEC模块消耗的电功率的确定热电培养箱中消耗的总电流、电压和功率值用Entes MPR 45S能量分析仪测量，如图1中实验装置的连接所示。 四、但这种能量分析仪只能测量在交流电流（AC）下运行的系统所消耗的能量值在热电培养箱中由于TEC模块在直流电压下工作，因此需要直流电源分析仪为此，使用HIOKIPW3390功率分析仪，通过对TEC模块在实验中消耗的电流和电压的均方根值进行测量，得到TEC模块的电量。2.3. 方法和不确定性分析在本文中，用测量装置测量的值通过如上文详细利用这些测量值，O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010557nAnLpLn冷却功率¼不适用H- TcI·R我2见图4。 带有人体模型的热电恒温箱的示意性实验装置。图五. 热电恒温箱系统的控制单元。根据某些假设，使用Lee[33]减去的TEC系统的理想方程计算TEC模块的冷表面和热表面吸收/释放的功率和COP值然后，由n个热电偶组成的TEC模块在冷表面处吸收的热功率（Q_c）获得为[33]。TEC模块上的功耗（W_）和电压（V）W_n·ha·I·Th-TcI2·Ri4V<$n·½a·Th-TcI·R]5Q_c ¼n·Σa·Tc·I1-2 · I2·R-K·Th-TcCOP冷却是冷却性能系数，写作[33]哪里_n·ha·Tc·I-1·I2·R-K·Th-Tci2qp·lp一q·lnkp·Apkn·AnCOPQc2类似地，在热表面处释放的热功率（Q_h）表示为[33]。Q_h<$n·a·Th·I1·I2·R-K·Th-Tc3在Eqs之间获得的表达式（1）如果密切关注，则必须确定热电材料的性质，即塞贝克系数（a）、电阻率（q）和热导率（k），以便使用这些表达式进行计算6Þa¼ap-an;R¼þ而Kþð2ÞHO. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010558ð Þ然而，制造商提供了最大性能参数（Imax、Vmax、DTmax和Q_cmax）在TEC模块的目录中，而它们不提供材料特性。这在TE系统设计人员和制造公司之间提出了一个问题，TE系统设计人员要求使用理想方程来模拟TEC模块的性能。为了解决这个问题，李[33]发展了有效材料性能概念，该概念是通过使用产品目录中给出的最大性能参数获得的有效品质因数确定为[33]2 ·DTmax表1测量不确定性。变量不确定性（%）容积率新风通过截面积（Afresh）2%混合风通过截面积（Amixed）1.41%新风体积流量（V_fresh）11.08%混合空气体积流量（V_mixed）2.17%热电热泵系统p型和n型材料的横截面积（A）2%最大温差（DTmax）0.56%Zω¼Tmax-DTmax2ð7Þ最大冷却功率（Q_c;max）0.7%有效品质因数（Z*）0.6%有效塞贝克系数如下所示[33]2·Q_有效塞贝克系数（a*）0.87%有效电阻率（q*）2.45%有效导热系数（k*）2.89%aω¼Cmaxn·Imax·ThDTmaxð8ÞTEC模块电阻（R）3.31%有效电阻率表示为[33]aω·Th-DTmax·Aqω¼LImax有效导热系数的计算公式如下：αω2kω<$q ω·Zω10通过这种方式，首先确定了TEC 1 -127140模块的有效材料特性，即n=127，Q_c;maxx=138W ，DTmax=75°C，Imax= 16.34 A，Vmax=16.4 V，A= 2 mm2和l= 1 mm[34]。然后，通过将数学表达式中的有效材料性质和实验测量项代入理想方程的TEC模块。在实验研究中，与所获得的结果同样重要的另一点是测量和计算量的准确性和可靠性为此，根据Holman[35]报告的标准程序进行不确定度分析。已经确定热电制造商通常使用精确的Keithley热电测量系统来确定TEC模块的最大参数和温度[36]。但这种测量系统的测量误差率在任何地方都找不到因此，考虑到实验装置中使用的普通T型热电偶和能量分析仪在确定最大参数和温度时的误差率，对误差率进行了合理的修正。在这种情况下，最大参数和温度的误差率被确定为Imax为0.5%，温度为± 0.3 °C，并进行了不确定度分析。此外，在实验装置中使用的测量设备的精度为± 0.03 m/s的速度，1%的尺寸，0.5%的电流和电压。表1给出了测量和计算量的不确定度。3. 结果和讨论为了比较电阻式和改进的热电式早产儿保温箱系统的动态特性和AMS培养箱由PI（比例积分）自动控制器控制，具有空气模式和皮肤模式两种工作模式。用户通过控制面板选择模式，并在控制面板上输入所需的温度和相对湿度值（图10）。 6 a）。本研究为改良式温差电培养箱系统之初步探讨，主要目的为探讨其加热性能以及所提出的系统和阻力系统的效率。此外，还对热电系统的冷却性能、通用性等其他优点最后，由于本文是一项学术研究，重点是系统的直接加热和冷却性能，因此AMS Amenity XP培养箱的添加O2和加湿器的连接被停用。在开始比较系统的性能之前，应确定根据“气流速度和速率的测定”部分中的方法作为在阻力培养箱系统中进行的测量的结果，新鲜空气的平均速度、混合空气和通风橱空气被确定为0.273m/s，1.81 m/s和0.0929 m/s。计算结果表明，新风和混合风的体积流量分别为0.001936m3/s和0.004692m3/s。然后，通过从混合空气的量中减去新鲜空气的量，确定从通风柜环境吸入的体积流速为0.002756m3/s。考虑到25°C下的空气密度，新鲜空气、混合空气和通风橱空气的质量流速分别为0.002293 kg/s、0.005555 kg/s和0.003262 kg/s。热电热泵系统实际上是一个复杂的系统，由TEC模块、TEC模块上的散热器和散热器上的风扇组成（图6c）。为了将改进的热电热泵系统安装在AMS Amenity XP培养箱上，去除了电阻系统的加热元件和控制单元，并将在不改变现有培养箱设计的情况下开发的热电系统所创建的热电培养箱系统和热电热泵系统的子组件如图所示。 6 b和6 c。Yeller和Koseoglu[11，12]中给出了关于改进的热电热泵系统的更详细信息。在本研究中，旨在对两种系统进行头对头比较。因此，热电系统的水力参数应与电阻系统中的值相同利用Arduino软件，通过脉宽调制（PWM）改变热电系统中为培养箱提供空气循环的径流式风扇的转速，得到在电阻式培养箱系统中提供0.004692m3/s体积流量的PWM值为240。当系统以该PWM值操作时，TEC模块的热导率（K）3.64%TEC模块的加热功率率（Q_h）1.71%TEC模块的冷却功率率（Q_c）百分之六TEC模块的功耗（W_）百分之零点七ð9Þ制热性能系数（COP制热）制冷性能系数（COP制冷）1.84%6.03%O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）1010559见图6。AMS Amenity XP婴儿保温箱，带有人体模型（a）操作电阻元件（b）操作热电热泵[12]（c）热电热泵系统的子组件。新鲜空气和通风橱空气的测量值分别为0.001912m3/s和0.004613m3/s。由于AMS Amenity XP孵育器系统的设计未发生变化，因此体积流速通过的区域也未发生变化。因此，新鲜空气、混合空气和通风橱空气的速度分别测量为0.270 m/s、1.78 m/ s和0.0925 m/s。这样，两个系统的水力参数就达到了相同的值，并且这两个系统已经准备好相互比较。注意，由于对热电培养箱系统中的另一个风扇（轴向）没有限制，并且加热和冷却可以用开发的系统中的单个设备完成，因此已经决定以最大PWM值（255）操作轴向风扇在前面的“噪音水平的测定”中已经提到了通风柜内噪音水平对早产儿的重要性数值在90分钟结束时，电阻培养箱系统的罩中的平均噪声水平被测量为49.49 dB，没有警报，58.19 dB，带声音报警。由于本研究中改进的恒温因此，仅测量噪声水平而不报警，90 min内的平均噪声水平为56.46 dB。在热电系统中，运行两个风扇，并且模块化热电热泵系统未封闭在封闭体积中，因此罩中的噪声水平略微增加。这种噪音可以通过提供良好的绝缘和首选噪音较小的无风扇来减少但即使在这种情况下，两个系统的噪声值都是合适的，因为它们低于标准值。由于当罩内的空气温度不低于环境温度3°C时，电阻培养箱难以达到预期目标，因此建议在环境温度为21-26 °C的环境中操作电阻培养箱此外，在这项研究中，由于两个系统进行了头对头比较，环境温度必须是一个恒定值。因此，在所有实验中，环境温度选择为25 ± 0.5 °C。作为孵化器目前通常在30至38°C之间运行，已决定根据参考温度计，在30 °C、32 °C、34 °C、36 °C和38 °C通风柜空气温度下，在每个系统中进行总共5次实验（无人体模型）。在环境温度为25 ± 0.5的环境中，°C时，培养箱系统可以在没有人体模型的实验中使通风橱空气温度达到稳态条件最多90分钟，这些实验是为了研究系统的热和水力性能而进行的实验。在本文中，绘制每个实验的数据与时间的关系既会占用不必要的空间，更重要的是，会造成复杂性。因此，将在36 °C实验中获得的所有数据与时间完全详细地作图。 其他数据根据培养器系统的罩内的平均空气温度达到稳态条件的时间，在单个表2中给出了所有实验此外，在实验期间消耗的能量被添加到表2（见补充表2）。在无人体模型的36 °C实验中，通过将两个系统的通风柜中心温度设置为36 °C，在实验时间内瞬时记录每个点的温度值和系统的功耗。 此外，先前已经指出，必须从垫子上方10 cm处的5个不同点制作罩[31]。通过取这些值的平均值，获得了罩内的平均温度（图7a）。这两个系统中最关键的元件无疑是加热元件。因此，在进入加热元件之前从新鲜环境和通风橱环境吸收的混合空气的温度、加热元件的表面温度和温度混合空气在通过加热元件后，这些系统分别进行了比较（图1）。 7 b）。见图7。36 °C实验中的瞬时温度，无电阻和热电培养箱系统的人体模型（a）罩环境（b）加热元件环境。O. Yeller和Mehmet Fevzi Koseoglu工程科学与技术，国际期刊31（2022）10105510当在36 °C实验中检查无人体模型的电阻和恒温箱系统的加热行为时，首先，加热元件的表面温度之间的差异是明显的（图1）。 7 b）。虽然电阻系统将表面温度增加到最大164.9 °C以提供所需温度，但热电系统在最大条件下达到76.9 °C以实现相同目标。这种差异的原因是电阻培养箱的加热元件不能通过对流将其能量传递给混合空气。由于在热电系统中进行了翅片优化，混合空气通过接触许多翅片表面（图1和图2）。4和6 c），而它试图做到这一点与太少的鳍在阻力系统（图。 2）的情况。实际上，两个系统的加热元件的热阻支持上述情况。虽然电阻的热阻被计算为0.321 °C/W，但是热电热泵系统的热交换器的热阻被确定为0.181 °C/W。除了所有这些，电阻的这种高表面温度在任何问题的情况下都对婴儿及其周围的物体然而，由于热电系统的热侧的表面温度不会上升到非常高的值，所以它不会像电阻系统那样造成当罩内平均温度变化在36°C时在没有人体模型的实验中，热电系统在40min达到稳态，而电阻系统在57 min左右达到稳态（图11）。 7 a）。图中真正有趣的是。尽管电阻系统