CN103196947A - 一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法，包括水冷散热器、恒温浴槽、直流稳压稳流电源、热电制冷片、铂电阻、数据采集仪、计算机、多通道电参数测量仪、真空泵和真空罩，热电制冷片热端面贴在水冷散热器上，水冷散热器和恒温浴槽连接进行冷热交换，直流稳压稳流电源接热电制冷片两极，两个铂电阻分别贴在热电制冷片冷端面和热端面，铂电阻采集温度值送数据采集仪，数据采集仪采集数据送计算机；多通道电参数测量仪分别采集热电制冷片的工作电压、工作电流和温差电动势送计算机；水冷散热器和热电制冷片置于真空罩中，真空泵抽取真空罩中空气。装置简单，成本低，测试过程简单，测量精度高。

Description

一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热电性能测试技术，特别涉及一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法。

背景技术

随着能源危机和环境问题的日益加剧，基于热电效应的热电制冷方式以其突出的优点引起了人们越来越多的关注。与其它制冷方式相比，热电制冷方式具有无机械运动部件、无压缩机、不使用制冷剂、结构紧凑、无噪声、无污染、使用寿命长等独特的优点，被广泛应用于军事、航天特种能源、微电子、光电子器件等仪器设备和工商业产品中。目前热电制冷方式实际应用所面临的最大问题是热电制冷片的制冷效率低，该问题的解决除依赖于热电材料其热电转换效率的提高外，还与热电制冷片性能评估方法的改进密切相关。

衡量热电制冷片性能好坏的重要参数包括制冷量Q_C、制冷系数COP以及优值系数Z，传统方法往往是依据理论公式计算上述三个参数值。在计算过程中，塞贝克系数α、总电阻R和总热导K的取值依据热电制冷片生产厂商提供的理论实验值，忽略了实际使用中热电制冷片工作环境变化引起的塞贝克系数、总电阻和总热导的变化，因此这种计算方法不能准确计算热电制冷片的制冷量、制冷系数和优值系数。而关于热电制冷片的塞贝克系数、总电阻和总热导在不同应用工况下的数据比较少，仅限于几种常用型号的热电制冷片。实际应用工况下，虽然热电制冷片塞贝克系数、总电阻和总热导的测量方法较多，但是现有的测试方式存在测试装置结构复杂，测试过程耗时较长，测试精度较低等问题，尤其对于已经在用的热电制冷片的测量，大多数测试方法几乎不具有可操作性。

中国专利CN102305807A公布了一种测量微纳米热电材料或器件塞贝克系数的方法，其特点是：在真空环境中对热电材料同频率为，幅值为的交变电流，热点材料会由于塞贝克效应在其接点处产生直流塞贝克热电势，获取直流电压信号同时理论求解稳态温差，即可得到所测材料塞贝克系数。此发明的缺点是只能单独测量热电材料的塞贝克系数，没有将热阻率和电导率参数的测量结合起来。

发明内容

本发明是针对热电制冷器中热电制冷片性能测试装置结构复杂、效率低的问题，提出了一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法，实现热电制冷片塞贝克系数、总电阻和总热导的测量，装置简单，测量精度高。

本发明的技术方案为：一种热电制冷片热电性能的测量装置，包括水冷散热器、恒温浴槽、直流稳压稳流电源、热电制冷片、铂电阻、数据采集仪、计算机、多通道电参数测量仪、真空泵和真空罩，热电制冷片热端面贴在水冷散热器上，水冷散热器和恒温浴槽连接进行冷热交换，直流稳压稳流电源接热电制冷片两极，两个铂电阻分别贴在热电制冷片冷端面和热端面，铂电阻采集温度值送数据采集仪，数据采集仪采集数据送计算机；多通道电参数测量仪分别采集热电制冷片的工作电压、工作电流和温差电动势送计算机；水冷散热器和热电制冷片置于真空罩中，真空泵抽取真空罩中空气。

所述水冷散热器与热电制冷片热端的接触面涂有均匀的导热硅脂。

所述真空罩中真空度在10^-3Pa以下。

一种热电制冷片热电性能的测量方法，包括热电制冷片热电性能的测量装置，具体包括如下步骤：

1）调节直流稳压稳流电源，给热电制冷片输入不同电压，使热电制冷片工作在最大温差工况下，在所述热电制冷片冷端面和热端面之间建立稳定的温差，两个铂电阻测量此时热电制冷片冷端面温度T _c 和热端面的温度T _h ,通过数据采集仪送计算机，多通道电参数测量仪采集热电制冷片的工作电压U _max 、工作电流I _max 信号送计算机；

2）切断热电制冷片直流稳压稳流电源，在短暂延时（t=0.5s）之后，多通道电参数测量仪采集热电制冷片的温差电动势E _max 送计算机；

3）计算机根据公式                                                

，计算出所述待测热电制冷片的塞贝克系数α；

4）计算机根据根据公式，计算出待测热电制冷片的总电阻R；

5）计算机根据公式

，计算出待测热电制冷片的总热导K；

6）通过改变恒温浴槽流体温度来改变热端温度，重复步骤1）到5），可获得不同温度下，待测热电制冷片的塞贝克系数、总热导、总电阻。

本发明的有益效果在于：本发明热电制冷片热电性能的测量装置及方法，装置简单，成本低，测试过程简单，测量精度高。

附图说明

图1为本发明热电制冷片热电性能的测量装置结构示意图；

图2为本发明热电制冷片电参数测量原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种热电制冷片热电性能参数的测试装置，包括水冷散热器1、恒温浴槽2、直流稳压稳流电源3、热电制冷片4、铂电阻5、数据采集仪6、计算机7、多通道电参数测量仪8、真空泵9和真空罩10。热电制冷片4热端面贴在水冷散热器1上，水冷散热器1和恒温浴槽2连接进行冷热交换，用来控制热电制冷片4热端温度。直流稳压稳流电源3接热电制冷片4两极，可调节输入热电制冷片4的工作电压。两个铂电阻分别贴在热电制冷片4冷端面和热端面，采集热电制冷片4冷端面和热端面的温度值，送数据采集仪6；多通道电参数测量仪分别采集所述热电制冷片4的工作电压、工作电流和温差电动势，数据送计算机7；数据采集仪6采集数据送计算机7，计算机7对采集数据并进行分析处理。水冷散热器1和热电制冷片4置于真空罩10中，真空泵9抽取真空罩10中空气，保证真空罩10中真空度在10^-3Pa以下。

水冷散热器1与热电制冷片4热端的接触面涂有均匀的导热硅脂。

一种测量热电制冷片热电性能的方法，使用上述热电制冷器热电性能的测量装置，本方法的具体实施步骤为：

1）对所述热电制冷片4输入不同电压，使热电制冷片工作在最大温差工况下，在所述热电制冷片4冷端面和热端面之间建立稳定的温差，利用所述铂电阻5测量所述热电制冷片冷端面温度T_c和热端面的温度T_h,利用所述数据采集仪6采集温度信号，利用所述多通道电参数测量仪8的通道1测量电压U_max，通道2测量电流I_max信号，利用所述计算机7处理数据；

2）切断所述热电制冷片直流稳压稳流电源，在短暂延时（t=0.5s）之后，利用所述多通道电参数测量仪的通道1测量热电制冷片的温差电动势E_max。

3）通过所述热电制冷片热端面的温度T_h和电压U_max，根据公式

，计算出所述待测热电制冷片的塞贝克系数α；

4）根据所测热电制冷片工作电压U_max、电流I_max以及温差电动势值E_max，根据公式

，计算出所述热电制冷片的总电阻R；

5）根据所测热电制冷片工作电压U_max、电流I_max、温差电动势值E_max以及热端面温度T_h，根据公式

，计算出所述热电制冷片的总热导K；

6）通过改变上述恒温浴槽流体温度来改变热端温度，获得不同温度下，所述热电制冷片的塞贝克系数、总热导、总电阻。

上述步骤3）、4）、5）中的塞贝克系数、总热导、总电阻测量原理为：关于热电制冷片冷端热平衡可建立如下方程：

                        （1）

其中Q_C为热电制冷片冷端制冷量；I是热电制冷片的工作电流；R是热电制冷片总电阻；K为热电制冷片总热导；α为热电材料的塞贝克系数；T_H为热电制冷片热端工作温度，T_C为热电制冷片冷端工作温度。

根据塞贝克效应的阐述，在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，回路中会有一电动势存在，这个电动势被称为温差电动势E，该电动势的大小由下式确定：

   （2）

热电制冷片工作在最大温差工况下时：

                                                （3）

                                             （4）

此时所测得的热电制冷片的工作电压U、工作电流I和温差电动势E分别表示成U_max、I_max和E_max。假设热电制冷片运行中，热端工作温度T_H为恒定值，在最大温差工况时冷端温度可表示成T_cmin。由式（4）可以得到：

                                   （5）

对于热电制冷片的工作电压U则有：

         （6）

由公式（6）可以推导出α和R的计算公式：

                                             （7）

                                          （8）

将公式（5）、（6）、（8）、（10）、（11）同时代入（1）可得：

                                   （9）

由此我们得到了热电制冷片塞贝克系数、总电阻和总热导的计算公式（7）～（9）。

上述步骤6）不同温度下热电制冷片参数的测量：

通过改变所述恒温浴槽2内流体温度可以改变所述热电制冷片4热端温度，从而得到不同热端温度下热电制冷器的性能参数。

图2是所述热电制冷片电参数的测量原理，通道1测量工作电压和温差电动势，通道2测量工作电流。当测试系统在最大温差工况下达到稳定后，记录下此时工作电压U_max和电流值I_max，切断热电制冷片的直流稳压稳流电源，利用通道1测量温差电动势，为了消除切换噪声，获得好的采样信号，温差电动势的测量需要一个短暂的延时（t=0.5s），如此才能得到热电制冷片的温差电动势值，记录下此时的电压值即为温差电动势E_max。

Claims (4)

1.一种热电制冷片热电性能的测量装置，其特征在于，包括水冷散热器、恒温浴槽、直流稳压稳流电源、热电制冷片、铂电阻、数据采集仪、计算机、多通道电参数测量仪、真空泵和真空罩，热电制冷片热端面贴在水冷散热器上，水冷散热器和恒温浴槽连接进行冷热交换，直流稳压稳流电源接热电制冷片两极，两个铂电阻分别贴在热电制冷片冷端面和热端面，铂电阻采集温度值送数据采集仪，数据采集仪采集数据送计算机；多通道电参数测量仪分别采集热电制冷片的工作电压、工作电流和温差电动势送计算机；水冷散热器和热电制冷片置于真空罩中，真空泵抽取真空罩中空气。

2.根据权利要求1所述热电制冷片热电性能的测量装置，其特征在于，所述水冷散热器与热电制冷片热端的接触面涂有均匀的导热硅脂。

3.根据权利要求1所述热电制冷片热电性能的测量装置，其特征在于，所述真空罩中真空度在10^-3Pa以下。

4.一种热电制冷片热电性能的测量方法，包括热电制冷片热电性能的测量装置，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）调节直流稳压稳流电源，给热电制冷片输入不同电压，使热电制冷片工作在最大温差工况下，在所述热电制冷片冷端面和热端面之间建立稳定的温差，两个铂电阻测量此时热电制冷片冷端面温度T _c 和热端面的温度T _h ,通过数据采集仪送计算机，多通道电参数测量仪采集热电制冷片的工作电压U _max 、工作电流I _max 信号送计算机；

2）切断热电制冷片直流稳压稳流电源，在短暂延时（t=0.5s）之后，多通道电参数测量仪采集热电制冷片的温差电动势E _max 送计算机；

3）计算机根据公式                                               

，计算出所述待测热电制冷片的塞贝克系数α；

4）计算机根据根据公式

，计算出待测热电制冷片的总电阻R；

5）计算机根据公式

，计算出待测热电制冷片的总热导K；

6）通过改变恒温浴槽流体温度来改变热端温度，重复步骤1）到5），可获得不同温度下，待测热电制冷片的塞贝克系数、总热导、总电阻。

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