CN102353479B - 一种热电制冷器冷量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电制冷器冷量测量装置，包括：热端恒温箱（1）、直流电源（2）、冷端恒温箱（4）、数据处理模块（5）、热端温度传感器（15）、环境温度传感器（16）、冷端温度传感器（17）、压力传感器（18）。热端恒温箱（1）、冷端恒温箱（4）分别为热端及冷端换热及温度控制的总成，两者中间放置热电制冷器测试件，数据处理模块（5）对装置中各设备进行实时控制和数据处理。测量装置通过对热电制冷器冷热端面的换热控制，动态补偿制冷器本身产生的热量，直至达到稳定平衡，再通过漏热补偿修正，最终测量出制冷器的冷量。本装置有效解决了热电制冷器冷量的直接测量问题，且结构简单、操作方便、测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷量测量装置，特别是一种热电制冷器冷量测量装置。
背景技术
热电制冷器主要由热端热板、冷端冷板和半导体材料组成。因为热电制冷效率较低，冷量较小且应用场合少，因此对其冷量的直接测量成为瓶颈。目前热电制冷器冷量确定主要通过简单的参数测量加上理论公式进行计算得出。其组成包括型材散热器、散热风扇、直流电源、热端温度传感器、冷端温度传感器、环境温度传感器、电流和电压测量仪表。直流电源给热电制冷器供电，型材散热器与制冷器热板螺接，接触面之间涂覆导热硅脂，降低接触热阻，散热器翅片采用风扇散热。在制冷器的冷热端面中心位置分别粘接冷端温度传感器和热端温度传感器，用来测量冷热端面的温度值，测试过程中对制冷器的工作电流和电压进行同步测试，待系统达到平衡后，依据教材书上的冷量理论公式进行计算，得出冷量值。这种半理论的冷量结果，没有综合考虑应用中的漏热、导热等其他影响因素，与实际有较大偏差，误差较大。因此，这种简单的测量冷热板的温差和电参数仅能用来初步判断制冷器本身性能的好坏，不能直接给出直观、定量的冷量结果。这将给热电制冷器产品的性能检测，检验及验收带来极大的不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电制冷器冷量测量装置，解决热电制冷器产品在性能测试，验收等过程中不能直观、定量给出制冷器冷量的问题。
一种热电制冷器冷量测量装置，包括：直流电源、热端温度传感器、冷端温度传感器、环境温度传感器，还包括：热端恒温箱、冷端恒温箱、数据处理模块。其中，热端恒温箱是热电制冷器热端换热及温度控制的总成，包括：水箱、流量调节泵、一级换热器、二级换热器、调速风扇。冷端恒温箱是热电制冷器冷端换热及温度控制的总成，包括：可调加热器、制冷剂罐、制冷剂、保温层、压力传感器。一级换热器换热面与热电制冷器热端面相接触，两个接触面之间缝隙有高效导热酯，一级换热器与热电制冷器相互压紧并由带有塑料套管的螺钉固定，热端温度传感器置于一级换热器与热电制冷器接触面之间。一级换热器、流量调节水泵、二级换热器和水箱之间水管连接，调速风扇安装面与二级换热器换热表面螺钉连接，热电制冷器的冷板置于具有保温层的制冷剂罐顶部凹槽中，冷端温度传感器与热电制冷器的冷板粘接，压力传感器置于罐内制冷剂液面以上位置。可调加热器置于制冷剂中，环境温度传感器置于制冷剂罐外附近，数据处理模块分别与调速风扇、热端温度传感器、冷端温度传感器、环境温度传感器、压力传感器及可调加热器电缆连接；直流电源分别与热电制冷器、数据处理模块、调速风扇、流量调节水泵、可调加热器电缆连接。
热电制冷器冷量测量装置采用量热计法，依据冷热平衡来确定其冷量。即平衡后，制冷器的冷量等于可调电加热器的耗电功率与制冷剂罐漏热量之和。因此，测量装置的关键在于控制制冷器热端和冷端的温度稳定。在热端方面，循环水在一级换热器中吸热后进入流量调节泵，接着进入二级换热器，通过调速风扇将热量放出后再进入水箱，最后又进入一级换热器，如此循环，控制采用PID运算，动态调节流量调节泵的水流量，并通过调速风扇进行二次补偿，从而达到控制热端换热及温度稳定的目的；冷端方面，在具有保温层的制冷剂罐内注入制冷剂，可调加热器浸入在制冷剂中，测量过程中，可调加热器通过功率调节不断补偿制冷器产生的冷量，在控制方面，利用罐内压力传感器所测饱和压力与温度一一对应的关系，通过压力信号来动态控制罐内可调加热器的功率，从而达到控制冷端换热及温度稳定；另外，测量过程中根据罐内外温差，通过数据处理模块自动修正罐体的漏热系数，确保漏热在允许的误差范围内。
本发明具有两个显著特点：第一，测量精确高。热端采用高效水循环冷却系统，流量容易调节，另外有调速风扇的二次微调，提高热交换控制精度；冷端采用敏感压力信号，压力比温度信号反应快、灵敏，能够减少可调加热器反应时间，并采用PID自动控制方式，确保误差不大于1%；对制冷剂罐体进行保温绝热处理，对罐体漏热进行补偿修正，误差控制在2%。测量装置平衡稳定后冷热端均能将温度控制在±0.3℃以内，确保总误差在5%以内；第二，结构简单，操作方便，成本低。测量装置采用计算机自动控制方式，无需人为干涉，结构采用模块化设计、体积小，重量轻，电源及数据处理模块、换热器、机电产品均为成熟通用产品，成本低。热电制冷器冷量测量装置能够直观、定量的测量出小冷量制冷器的冷量值，适用测量范围为10W～50W。
附图说明
图1一种热电制冷器冷量测量装置示意图。
1.热端恒温箱 2.直流电源 3.热电制冷器 4.冷端恒温箱 5.数据处理模块 6.水箱7.制冷剂罐 8.调速风扇 9.二级换热器 10.流量调节泵 11.一级换热器 12.可调加热器13.制冷剂 14.保温层 15.热端温度传感器 16.环境温度传感器 17.冷端温度传感器18.压力传感器
具体实施方式
一种热电制冷器冷量测量装置，包括：直流电源2、热端温度传感器15、冷端温度传感器17、环境温度传感器16，还包括：热端恒温箱1、冷端恒温箱4、数据处理模块5。其中，热端恒温箱1是热电制冷器热端换热及温度控制的总成，包括：水箱6、流量调节泵10、一级换热器11、二级换热器9、调速风扇8。冷端恒温箱4是热电制冷器冷端换热及温度控制的总成，包括：可调加热器12、制冷剂罐7、制冷剂13、保温层14、压力传感器18。一级换热器11换热面与热电制冷器3热端面相接触，两个接触面之间缝隙有高效导热酯，一级换热器11与热电制冷器3相互压紧并由带有塑料套管的螺钉固定，热端温度传感器15置于一级换热器与热电制冷器3接触面之间。一级换热器11、流量调节水泵10、二级换热器9和水箱6之间水管连接，调速风扇8安装面与二级换热器9换热表面螺钉连接，热电制冷器3的冷板置于具有保温层14的制冷剂罐7顶部凹槽中，冷端温度传感器17与热电制冷器3的冷板粘接，压力传感器18置于罐内制冷剂13液面以上位置。可调加热器12置于制冷剂13中，环境温度传感器16置于制冷剂罐7外附近，数据处理模块5分别与调速风扇8、热端温度传感器15、冷端温度传感器17、环境温度传感器16、压力传感器18及可调加热器12电缆连接；直流电源2分别与热电制冷器3、数据处理模块5、调速风扇8、流量调节泵10、可调加热器12电缆连接。
热电制冷器冷量测量装置采用量热计法，依据冷热平衡来确定其冷量。即平衡后，制冷器的冷量等于可调电加热器12的耗电功率与制冷剂罐7漏热量之和。因此，测量装置的关键在于控制制冷器3热端和冷端的温度稳定。在热端方面，循环水在一级换热器11中吸热后进入流量调节泵10，接着进入二级换热器9，通过调速风扇8将热量放出后再进入水箱6，最后又进入一级换热器11，如此循环，控制采用PID运算，动态调节流量调节泵10的水流量，并通过调速风扇8进行二次补偿，从而达到控制热端换热及温度稳定的目的；冷端方面，在具有保温层14的制冷剂罐7内注入制冷剂13，可调加热器12浸入在制冷剂13中，测量过程中，可调加热器12通过功率调节不断补偿制冷器产生的冷量，在控制方面，利用罐内压力传感器所测饱和压力与温度一一对应的关系，通过压力信号来动态控制罐内可调加热器12的功率，从而达到控制冷端换热及温度稳定；另外，测量过程中根据罐内外温差，通过数据处理模块5自动修正罐体的漏热系数，确保漏热在允许的误差范围内，最终测量出热电制冷器3的冷量值。
Claims (1)
1.一种热电制冷器冷量测量装置，包括：直流电源（2）、热端温度传感器（15）、冷端温度传感器（17）、环境温度传感器（16），其特征在于还包括：热端恒温箱（1）、冷端恒温箱（4）、数据处理模块（5）；其中，热端恒温箱（1），包括：水箱（6）、流量调节泵（10）、一级换热器（11）、二级换热器（9）、调速风扇（8）；冷端恒温箱（4），包括：可调加热器（12）、制冷剂罐（7）、制冷剂（13）、保温层（14）、压力传感器（18）；一级换热器（11）换热面与热电制冷器（3）热端面相接触，两个接触面之间缝隙有高效导热酯，一级换热器（11）与热电制冷器（3）相互压紧密接触并螺钉固定，螺钉的螺杆外带有塑料套管；热端温度传感器（15）置于一级换热器与热电制冷器（3）接触面之间；一级换热器（11）、流量调节水泵（10）、二级换热器（9）和水箱（6）之间水管连接，调速风扇（8）安装面与二级换热器（9）换热表面螺钉连接，热电制冷器（3）的冷板置于具有保温层（14）的制冷剂罐（7）顶部凹槽中，冷端温度传感器（17）与热电制冷器（3）的冷板粘接，压力传感器（18）置于罐内制冷剂（13）液面以上位置；可调加热器（12）置于制冷剂（13）中，环境温度传感器（16）置于制冷剂罐（7）外附近，数据处理模块（5）分别与调速风扇（8）、热端温度传感器（15）、冷端温度传感器（17）、环境温度传感器（16）、压力传感器（18）及可调加热器（12）电缆连接；直流电源（2）分别与热电制冷器（3）、数据处理模块（5）、调速风扇（8）、流量调节泵（10）、可调加热器（12）电缆连接；
热端，循环水在一级换热器（11）中吸热后进入流量调节泵（10），接着进入二级换热器（9），通过调速风扇（8）将热量放出后再进入水箱（6），最后又进入一级换热器（11），如此循环，控制采用PID运算，动态调节流量调节泵（10）的水流量，并通过调速风扇（8）进行二次补偿，从而达到控制热端换热及温度稳定的目的；
冷端，在具有保温层（14）的制冷剂罐（7）内注入制冷剂（13），可调加热器（12）浸入在制冷剂（13）中，测量过程中，可调加热器（12）通过功率调节不断补偿制冷器产生的冷量，在控制方面，利用罐内压力传感器所测饱和压力与温度一一对应的关系，通过压力信号来动态控制罐内可调加热器（12）的功率，从而达到控制冷端换热及温度稳定；另外，测量过程中根据罐内外温差，通过数据处理模块（5）自动修正罐体的漏热系数，确保漏热在允许的误差范围内，最终测量出热电制冷器（3）的冷量值。
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