CN107607849A - 热电器件发电性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电器件发电性能测量装置及方法，该装置包括：热源、位于所述热源下方的热端控温平台、冷源和位于所述冷源上方的冷端控温平台、位于所述冷端控温平台及所述冷源之间的热流计、以及多个热电偶；待测热电器件位于所述热端控温平台和所述冷端控温平台之间，并通过加压平台夹紧。本发明能确保热电器件的热端和冷端具有良好的热接触，能够定量的调节施加在测试样品的压力，更加准确的测量常用尺寸范围内热电器件在不同温度下的发电性能，系统结构紧凑，操作简单，适用于大气、真空或气氛环境下测量低温、中温及高温热电器件。

Description

热电器件发电性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热电器件发电性能测试装置及方法，属于温差电转换技术领域。

背景技术

热电器件可以利用塞贝克效应将热能直接转换成电能，反过来也可以利用帕尔贴效应将电能转换成热能，因此，热电器件可以用于发电和制冷。如图1所示为热电器件工作于发电时的理想电路模型，热端电极温度为T_h，冷端电极温度为T_c，建立温差（ΔT=T_h-T_c）所需要的输入热流为Q_in，一部分热量用于发电P_out，剩余的热量Q_out通过冷端排出，其开路电压V_oc、内阻R_in、最大输出功率P_max和最大转换效率η_max是衡量其性能优良的主要参数。

为了评价热电器件的发电性能，通常是在其两端建立温差，测量不同负载对应热电器件的输出电流、电压及热流之间的关系，进一步分析得到热电器件在该温差下的开路电压V_oc，内阻R_in、最大输出功率P_max及最大转换效率η_max。

发明专利201510627115.8公开了一种热电元件可靠性评价系统及方法，包括了热电元件可靠性测试装置、测试系统，本发明提出一种更加准确测量热电器件发电性能的测试装置，连接至上述测试系统可测量热电器件发电性能。

目前，热电器件发电性能的评价主要依赖于日本ULVAC公司开发的商业化的PEM系列设备，然而，该设备存在以下几方面的不足：

1）测量样品尺寸受限制，只能测量截面尺寸为20×20mm和30×30mm的样品；

2）测试中随着输出电流的增加热端温度下降，冷端温度上升，导致热电器件输出端电压逐渐变小，如图2所示，测量得到的内阻偏大，峰值功率和转换效率偏小；

3）测试中的热端温度、冷端温度与热电器件热端电极、冷端电极之间的温度相差较大；

4）最高测试温度为800℃，无法测试硅锗合金基等高温热电器件800℃以上的性能；

5）热电器件只能在惰性气体环境下评价，无法评价热电器件在真空或空气环境下的性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种热电器件发电性能测量装置，包括：热源、位于所述热源下方的热端控温平台、冷源和位于所述冷源上方的冷端控温平台、位于所述冷端控温平台及所述冷源之间的热流计、以及多个热电偶；待测热电器件位于所述热端控温平台和所述冷端控温平台之间，并通过加压平台夹紧。

本发明针对现有技术的不足提供一种热电器件发电性能测量装置，能够定量的调节施加在测试样品的压力，更加准确的测量常用尺寸范围内热电器件在不同温度下的发电性能，系统结构紧凑，可确保热电器件的热端和冷端具有良好的热接触，操作简单，适用于大气、真空或气氛环境下测量低温、中温及高温热电器件。

优选地，所述热源是由加热器和蓄热体组成，通过在所述蓄热体内安装不同数量的所述加热器来构成不同功率的热源。

具体而言，为了确保加热器与蓄热体之间良好的热传导，蓄热体分为上、下两部分，加热器安装在蓄热体上、下两部分之间，并通过螺丝拧紧形成一个整体，安装不同数量的加热器可以组成不同功率的热源，热源单位时间最大可产生热量5W/cm³，最高使用温度为1000℃。为了延长加热器的使用寿命，设置可测量的最高温度为900℃。

优选地，所述热端控温平台为具有与所述热电器件的横截面形状及尺寸相同的柱体薄片形构件，并设有用于安装第一热电偶的盲孔。

优选地，所述冷端控温平台为具有与所述热电器件的横截面形状及尺寸相同的柱体薄片形构件，并设有用于安装第二热电偶的盲孔。

优选地，所述热流计为具有与所述热电器件的横截面积大致相同的柱体长条形构件，并设有用于安装第三热电偶和第四热电偶的盲孔。

进一步地，所述的热端控温平台、冷端控温平台和热流计的横截面形状及尺寸可根据热电器件样品改变，满足不同规格热电器件测试要求。本发明中改变热端控温平台和冷端控温平台的截面尺寸可测量截面尺寸在15~60mm范围内各种规格的样品。

较佳地，热端控温平台、冷端控温平台及热流计的横截面为正方形、长方形或圆形。

优选地，所述冷源自上而下依次包括冷板、半导体温差电制冷器件、水冷套。所述半导体温差电制冷器件的冷面朝上，位于所述水冷套与所述冷板之间，所述冷板、半导体温差电制冷器件及水冷套固定形成一整体。所述水冷套与冷水箱连接。

本发明中的冷源采用半导体温差电制冷器件与水冷组成的冷却系统，相比单一的水冷，能够更加准确、快速的控制热电器件的冷端温度。可控温度可在0~200℃之间。

进一步地，所述的第一热电偶置于热端控温平台的盲孔内，用于测量热电器件的热端温度。所述的第二热电偶置于冷端控温平台的盲孔内，用于测量热电器件的冷端温度。第三热电偶、第四热电偶分别置于热流计的第一盲孔、第二盲孔内，用于计算热电器件冷端排出热流值所需的温差。

优选地，所述的热端控温平台、冷端控温平台为绝缘高导热陶瓷材料制成。

优选地，所述的热流计为纯铜材料制成，其热率随温度变化是经过标定的已知量。

优选地，所述的热源的蓄热体为耐高温、高导热的氮化铝、氮化硼等陶瓷材料、石墨或金属材料制成，所述的水冷套、冷板为具有高热导率的金属材料制成。

更优选地，还具备用于热端控温平台和冷端控温平台的闭环温度控制的PID温控器。

本发明的另一方面，提供一种测量热电器件发电性能的方法，包括如下步骤：

在热电器件中热电元件之间的间隙填充或制备隔热材料。

在热电器件输出正、负电极分别焊接测试引线。

在热电器件热端和冷端表面均匀地涂覆一薄层高导热材料。

将热电器件安装到测试装置上。

将多个热电偶探头涂上高导热材料后安装到相应的测温孔，接着，在热电器件周围裹上一层隔热材料，并将所述测试装置电连接至测试系统。

根据要求选择在大气、真空或者气氛环境下测量。

启动冷水箱，设置好温度，设置热电器件的热端、冷端测试温度，启动开始测量功能，当热端、冷端温度均稳定时测试热电器件的输出性能。

采用本发明的热电器件发电性能测量装置及测量方法得到的结果更接近理论计算值。

较佳地，所述的隔热材料包括玻璃棉、矿渣棉、岩棉，及二氧化锆、氧化铝、氧化硅等一种或几种陶瓷纤维材料，或由陶瓷纤维等复合而成的毡、棉等各种状态的复合材料，或氧化硅、氧化铝等气凝胶以及含有氧化硅、氧化铝等气凝胶的复合材料。

较佳地，所述的高导热材料包括氮化硼、石墨及导热膏等。

综上所述，本发明能发挥以下有益效果：

本发明可以定量的调节施加在测试样品的压力，根据测试样品横截面积大小和测试温度，选用加热功率匹配的热源可以获得较佳的热端温度控制精度，采用半导体温差电制冷器件与水冷套组成的冷却方式相比单一的水冷，能够更加准确、快速的控制热电器件的冷端温度，采用高导热绝缘陶瓷材料作为热端控平台和冷端控温平台确保测试温度更接近于热电器件的热端电极和冷端电极，且测试样品能够在真空、惰性气体及空气环境下测量，改变热端控温平台和冷端控温平台的截面形状和尺寸可测量不同规格的样品。克服了现有技术的不足。

附图说明

图1是本发明热电器件测试原理示意图；

图2 PEM测试的电流－电压关系曲线与理论曲线偏差；

图3是本发明的一实施形态的热电器件发电性能测量装置结构示意图；

图4是所示装置的热源三维结构图；

图5是所示装置的冷源三维结构图；

图6是所示装置的加压平台三维结构图；

图7本发明一实施例中方钴矿热电器件在不同温差下的性能变化图；

附图标记：

1热源

2热端控温平台

3冷端控温平台

4热流计

5冷源

6 第一热电偶

7 第二热电偶

8 第三热电偶

9第四热电偶

10加压平台

101加热器

102蓄热体

1001底盘

1002A、1002B、1002C、1002D导杆

1003A、1003B、1003C、1003D压缩弹簧

1004支撑板

1005荷重传感器

1006承重板

1007下压板

1008压头支架

1009压头

1010第一绝热块

1011第二绝执块

101加热器

102蓄热体

501冷板

502半导体温差电制冷器件

503水冷套。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种热电器件发电性能测量装置，如图3所示，其包括：热源1、热端控温平台2、冷端控温平台3、热流计4及冷源5，以及多个热电偶。例如，第一热电偶6、第二热电偶7、第三热电偶8、第四热电偶9。

待测热电器件位于所述的热端控温平台2和冷端控温平台3之间，并通过加压平台10夹紧，以确保热电器件的热端和冷端具有良好的热接触。

在该装置中，所述的热源1，如图4所示，由加热器101和蓄热体102组成，安装不同数量的加热器可以组成不同功率的热源，热源单位时间最大可产生热量5W/cm³，最高使用温度为1000℃。为了延长加热器的使用寿命，设置可测量的最高温度为900℃。

本发明中采用耐高温热源和有效的绝热，使用较小的加热功率就可以热源的温度达到1000℃，有效测量温度达到900℃

在本发明中，蓄热体102分为上、下两部分，加热器101安装在蓄热体102的上、下两部分之间，并通过螺丝拧紧形成一个整体。采用此发明，可以确保加热器与蓄热体之间良好的热传导。

进一步地，在该装置中，所述的热端控温平台2位于热源1的正下方，为具有与热电器件横截面形状和尺寸相同的柱体薄片形构件，构件中设有一盲孔，用于安装第一热电偶6。

进一步地，在该装置中，所述的冷端控温平台3位于热流计4的上方，为具有与热电器件横截面形状和尺寸相同的柱体薄片形构件，构件中设有一盲孔，用于安装第二热电偶7。

进一步地，在该装置中，所述的热流计4位于冷源5的正上方，为具有与热电器件横截面形状和尺寸相同的柱体长条形构件，构件中间有两个盲孔，两孔之间的垂直距离为已知，自上而下依次用于安装第三热电偶8和第四热电偶9。

热端控温平台2、冷端控温平台3优选为绝缘高导热陶瓷材料。进一步地，所述的热端控温平2台、冷端控温平台3和热流计4的横截面形状及尺寸可根据热电器件样品改变，满足不同规格热电器件测试要求。

较佳地，热端控温平台、冷端控温平台及热流计的横截面为正方形、长方形或圆形。

本实施例中改变热端控温平台和冷端控温平台的截面尺寸可测量截面尺寸在15~60mm范围内各种规格的样品。

进一步地，所述的冷源5，如图5所示，自上而下包括冷板501、半导体温差电制冷器件502及水冷套503。所述的半导体温差电制冷器件502的冷面朝上，位于所述的水冷套503与冷板501之间、并通过螺丝将冷501板、半导体温差电制冷器件502及水冷套503固定形成一个整体，所述的水冷套与大功率冷水箱连接。优选地，所述的冷板和水冷套为具有高热导率的金属材料制成。

在本发明中，冷源的制冷方式采用半导体温差电制冷器件与水冷相结合的方式，采用本发明，可以快速准确地控制热电器件冷端温度。

所述的冷源采用半导体温差电制冷器件与大功率冷水箱组成的冷却系统，相比单一的水冷，能够更加准确、快速的控制热电器件的冷端温度。可控温度优选为0~200℃之间。在本发明中，所述的热端控温平台与热源是分开的，所述的冷端控温平台、热流计与冷源是分开的，采用本发明，根据热电器件的截面形状和尺寸变换热端控温平台、冷端控温平台及热流计可满足不同截面尺寸热电器件的测量。

热电器件的热端和冷端温度均采用PID温控器来实现热端、冷端控温平台闭环的温度控制，以实现热电器件两端高精度的温度控制，可以准确控制热电器件维持在设定的温差下。

在本发明中，热流计4选用纯铜材料制成，其热导率随温度变化是经过标定的已知量，根据傅利叶热传导定律，可以计算出热电器件冷端排出的热流。

进一步地，本发明提供的一种加压平台，其三维结构如图6所示，包括底盘1001、导杆（1002A、1002B、1002C、1002D）、压缩弹簧（1003A、1003B、1003C、1003D）、支撑板1004、荷重传感器1005、承重板1006、下压板1007、压头支架1008、压头1009、第一绝热块1010及第二绝热块1011。

具体地，导杆垂直固定在底盘上，压缩弹簧套在导杆上位于底盘1001与支撑板1004之间，支撑板、承重板及下压板具有定位孔，通过导杆定位并可以沿着导杆移动。压头支架具有固定孔，通过螺母固定在导杆顶端，压头支架与压头之间采用螺纹连接。压头一端为球面结构，与下压板之间为点接触。第一绝热块位于下压板的正下方，第二绝热块位于承重板的正上方，旋转压头推动下压板和第一绝热块向下移动，旋转压头调节弹簧变形量获得所需的测试压力。

采用本发明，压缩弹簧（1003A、1003B、1003C、1003D）位于样品测试装置的冷源5一侧，使用温度低，可以避免测试过程中随着温度升高弹簧弹性降低，热电器件测试压力变小，最终导致热电器件两端的界面热阻增加，测量得到的发电性能偏低的问题。

所述的加压平台能够设置热电器件的测试压力，力的大小控制范围在0~200Kg之间。

采用此发明，还可以定量的控制热电器件测试压力值，研究不同的压力大小对热电器件发电性能的影响。

进一步地，所述的第一绝热块1010具有低热导率、耐高温及一定机械强度，所述的第二绝热块1011具有低热导率和一定的机械强度。

优选地，第一绝热块为硅酸钙类隔热板、氧化铝陶瓷纤维板、或纳米多孔氧化硅绝热板等。第二绝热块为聚四氟乙烯材料等。

进一步地，所述的热端、冷端控温平台为绝缘高导热陶瓷材料。较佳地，高导热陶瓷材料为氮化铝。

进一步地，所述的热源的蓄热体为耐高温、高导热的氮化铝、氮化硼等陶瓷材料、石墨或金属材料制成，所述的水冷套、冷板为具有高热导率的金属材料制成。

采用本发明的热电器件发电性能测量装置的进行热电器件发电性能测量的方法的一实施形态可包括如下步骤：

在热电器件中热电元件之间的间隙填充或制备隔热材料。

在热电器件输出正、负电极分别焊接测试引线。

在热电器件热端和冷端表面均匀地涂覆一薄层高导热材料。

将热电器件安装到测试装置上，具体地，将第一绝热块、热源、热端控温平台、热电器件、冷端控温平台及热流计自上而下依次叠加定位组装，放在冷源的冷板的正上方，通过加压平台将热电器件压紧，继续旋转压头，调整至所需的测试压力。

将第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、及第一热电偶的探头涂上高导热材料后插入相应的测温孔，接着，在热电器件周围裹上一层隔热材料，然后，将测试装置电连接至测试系统。

根据要求选择在大气、真空或者气氛环境下测量。

启动冷水箱，设置好温度，接着，设置热电器件的热端、冷端测试温度，启动开始测量功能，当热端、冷端温度均稳定时测试热电器件的输出性能。

具体而言，所述的第一热电偶置于热端控温平台的盲孔内，用于测量热电器件的热端温度T_h。所述的第二热电偶置于冷端控温平台的盲孔内，用于测量热电器件的冷端温度T_c。第三热电偶、第四热电偶分别置于热流计的第一盲孔、第二盲孔内，用于计算热电器件冷端排出热流值所需的温差。

较佳地，所述的隔热材料包括玻璃棉、矿渣棉、岩棉，及二氧化锆、氧化铝、氧化硅等一种或几种陶瓷纤维材料，或由陶瓷纤维等复合而成的毡、棉等各种状态的复合材料，或氧化硅、氧化铝等气凝胶以及含有氧化硅、氧化铝等气凝胶的复合材料。

较佳地，所述的高导热材料包括氮化硼、石墨及导热膏等。

以下结合实施例及附图对本发明的热电器件发电性能测量装置、测试操作步骤及测量效果做进一步说明。

实施例：

利用本发明提供的一种热电器件发电性能测量装置及方法测量一填充方钴矿器件在不同温度下性能，并与PEM-2评价结果及理论计算结果相比较。

采用配比为Yb_0.3Co₄Sb₁₂的N型材料和配比为CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂的P型材料制备一枚横截面为正方形，截面尺寸为20 mm×20 mm，高度为14.5 mm的热电器件，包括8对P/N热电单偶，其中P型、N型元件的尺寸为4 mm×4 mm×12 mm。

在热电器件中热电元件之间的间隙填充陶瓷纤维棉，在热电器件输出正、负电极分别焊接测试引线，在热电器件热端表面均匀地喷涂一薄层氮化硼，接着，将热电器件安装到测试装置上。

具体地，将第一绝热块、热源、热端控温平台、热电器件、冷端控温平台及热流计自上而下依次叠加定位组装，整体放在冷源的冷板的正上方，通过加压平台将热电器件压紧，继续旋转压头，直到测试压力为40Kg。接着，将安装热电器件的测试装置电连接至测试系统。然后，在热电器件周围裹上一层隔热材料，并根据要求选择在大气、真空或者气氛环境下测量。最后，打开冷水箱，设置循环水温度为5℃，启动循环和制冷功能，设置热电器件测试的热端温度为400℃、500℃、550℃、600℃、对应冷端温度为17. 5℃、20. 0℃、22. 5℃、25. 0℃。当热端、冷端温度达到目标温度且判断稳定时测试热电器件的输出性能，测试结果与PEM测试结果及理论计算数据进行比较。

如图7所示，采用本发明的热电器件发电性能测量装置得到的结果更接近理论计算值。

Claims (8)

1.一种热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

包括：热源（1）、位于所述热源（1）下方的热端控温平台（2）、冷源（5）和位于所述冷源（5）上方的冷端控温平台（3）、位于所述冷端控温平台（3）及所述冷源（5）之间的热流计（4）、以及多个热电偶；

待测热电器件位于所述热端控温平台（2）和所述冷端控温平台（3）之间，并通过加压平台（10）夹紧。

2.根据权利要求1所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

所述热源是由加热器（101）及蓄热体（102）组成，

通过在所述蓄热体内安装不同数量的所述加热器来构成不同功率的热源。

3.根据权利要求2所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

所述热端控温平台为具有与所述热电器件的横截面形状和尺寸相同的柱体薄片形构件，并设有用于安装第一热电偶的盲孔。

4.根据权利要求3所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

所述冷端控温平台为具有与所述热电器件的横截面形状和尺寸相同的柱体薄片形构件，并设有用于安装第二热电偶的盲孔。

5.根据权利要求4所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

所述热流计为具有与所述热电器件的横截面形状和尺寸相同的柱体长条形构件，并设有用于安装第三热电偶和第四热电偶的盲孔。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

所述冷源自上而下依次包括冷板（501）、半导体温差电制冷器件（502）及水冷套（503）；所述半导体温差电制冷器件的冷面朝上，位于所述水冷套与所述冷板之间，所述冷板、半导体温差电制冷器件及水冷套固定形成一整体，所述水冷套与冷水箱连接。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的热电器件发电性能测量装置，其特征在于，

还具备用于实现热端控温平台和冷端控温平台闭环温度控制的PID温控器。

8.一种采用根据权利要求1至7中任一项所述的热电器件发电性能测量装置进行测量的方法，包括：

在热电器件中热电元件之间的间隙填充或制备隔热材料；

在热电器件输出正、负电极分别焊接测试引线；

在热电器件热端和冷端表面均匀地涂覆一薄层高导热材料；

将热电器件安装到测量装置上；

将多个热电偶探头涂上高导热材料后安装到相应的测温孔，接着，在热电器件周围裹上一层隔热材料，并将所述测量装置电连接至测试系统；

根据要求选择在大气、真空或者气氛环境下测量；

启动冷水箱，设置好冷却温度，设置热电器件的热端、冷端测试温度，启动开始测量功能，当热端、冷端温度均稳定时测量热电器件的输出性能。