CN110220937A - 一种热电制冷模块寿命预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于热电制冷领域，并具体公开了一种热电制冷模块寿命预测方法及装置，其首先将热电制冷模块接入工作电源，热电制冷模块按预设已历工作‑间歇循环数进行工作，同时获取其工作时冷热端稳定温度；然后将热电制冷模块接入测试电源，获取其稳定工作时的电压，再测量断开测试电源瞬间的余留电压，通过热电制冷模块稳定工作时的电压和余留电压计算其热电优值，从而判断热电制冷模块的有效性；最后结合冷热端稳定温度、已历工作‑间歇循环数和预设的临界热电优值，预测热电制冷模块的剩余寿命循环数。本发明中相关数据易于获得，处理方法简便，可应用于热电制冷模块长期稳定工作场合的寿命预测，有利于热电制冷模块更广泛的应用。

Description

一种热电制冷模块寿命预测方法及装置

技术领域

本发明属于热电制冷领域，更具体地，涉及一种热电制冷模块寿命预测方法及装置。

背景技术

热电制冷又称作半导体制冷，其基本工作是基于帕尔贴原理。热电制冷器与传统的压缩制冷器相比，具有不污染环境、尺寸小、重量轻、制冷迅速、工作可靠、控制精度高、维护方便，以及可根据电流流动的方向进行制冷、加热的双重功效等优点，因此，热电制冷器在生物工程、医疗卫生、工业、国防军事、电子技术和日常生活领域都有非常广泛的应用。在热电制冷系统中，热电制冷模块的寿命决定整个系统的可靠性，因此，准确地预测热电制冷模块的寿命有着十分重要的意义。

但是，目前对于热电制冷模块寿命预测并没有一种系统的、高效的方法，这对于热电领域的进一步研究及推广是极为不利的，为此，需要一种科学高效的热电制冷模块寿命预测方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热电制冷模块寿命预测方法及装置，其目的在于，通过接入测试电源时热电制冷模块两端电压和断开测试电源瞬间的余留电压，计算热电制冷模块的热电优值，从而判断其有效性，再结合热电制冷模块的已历-工作间歇循环数、冷热端稳定温度和临界热电优值，计算其剩余寿命循环数，简单高效的预测热电制冷模块寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，本发明提出了一种热电制冷模块寿命预测方法，包括如下步骤：

S1将热电制冷模块接入工作电源，热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态，然后断开工作电源且热电制冷模块冷热端温度达到稳态；

S2重复S1N次，同时测量热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态时冷端稳定温度T_cw、热端稳定温度T_hw；

S3关闭工作电源，将此热电制冷模块接入测试电源，热电制冷模块达到热平衡后，测量此时热电制冷模块两端电压U₀；断开测试电源，测量断开瞬间热电制冷模块两端余留电压U_s；

S4根据接入测试电源时热电制冷模块两端电压U₀和断开测试电源瞬间热电制冷模块两端余留电压U_s，计算热电优值Z：

S5根据热电优值Z和预设的临界热电优值Z₀，判断热电制冷模块有效性：

当热电优值Z≤Z₀时，则此热电制冷模块已失效；

当热电优值Z＞Z₀时，则此热电制冷模块仍有效，继续对热电制冷模块的剩余寿命循环数N_l进行计算：

N_l＝A·ΔT^α·Z₀

其中，A为损耗系数，α为经验系数，ΔT＝T_hw-T_cw。

作为进一步优选的，所述S5中损耗系数A＝I·N，其中I为经验系数，I的取值范围为0.01～0.03，N为重复S1的次数。

作为进一步优选的，所述S5中经验系数α取值范围为0.8～1.2。

作为进一步优选的，所述工作电源为恒压电源，所述测试电源为恒流电源。

作为进一步优选的，所述测试电源提供的电流小于0.5A。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现所述方法的装置，包括工作电源、测试电源和数据采集单元，其中，所述工作电源用于为热电制冷模块提供工作电流；所述测试电源用于为热电制冷模块提供测试电流；所述数据采集单元包括热电偶、电压表和数据采集器，所述热电偶安装在热电制冷模块冷热端，用于测量热电制冷模块冷热端温度，所述电压表与热电制冷模块并联，用于测量热电制冷模块两端电压，所述数据采集器用于收集所述热电偶和电压表测得的数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提出了一种热电制冷模块寿命预测方法，有利于改善热电制冷模块的可用性，使热电制冷模块得到更广泛的应用。

2.本发明采用热电优值作为衡量热电制冷模块性能的标准，其通用性好，能直观地表示热电制冷模块的性能优劣，且决定热电优值的相关数据易于测得和处理，只需在热电制冷模块两端设置热电偶、连接电压表，不必多次拆装。

3.本发明充分考虑了交变热应力这一影响热电制冷模块寿命最直接、最重要的因素，以稳定工况下冷热端温差和温度平均值体现交变热应力的影响，且相关数据在稳定工况下基本维持稳定、易于测得。

附图说明

图1是本发明实施例的热电制冷模块寿命预测流程图；

图2是本发明实施例的热电制冷模块寿命预测装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种热电制冷模块寿命预测方法，采用如图2所示的装置，流程如图1所示，包括如下步骤：

S1将热电制冷模块接入工作电源(恒压电源)，热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态，然后断开工作电源且热电制冷模块冷热端温度达到稳态；

S2按预设的已历工作-间歇循环数重复S1N次，同时在热电制冷模块冷热端安装热电偶，并连接数据采集器，测量此热电制冷模块工作至冷热端温度达到稳态时冷端稳定温度T_cw、热端稳定温度T_hw；

S3关闭工作电源，将热电制冷模块与电压表并联，并将此热电制冷模块接入测试电源(恒流电源)，优选的，采用小电流瞬态测试法，即测试电源提供0.5A以下的微小电流，经过响应时间，热电制冷模块达到热平衡后，由于电流和电阻均很小，可以忽略焦耳效应，测量此时热电制冷模块两端电压U₀，此时两端电压U₀包括电流电压U_i和塞贝克电压U_s；断开测试用恒流源，使因电流产生的电压变为零，此时会产生一个余留电压随指数衰减，测量断开电流瞬间热电制冷模块的两端余留电压即塞贝克电压为U_s；

S4热电优值是衡量热电材料热电性能的指标，根据接入测试电源时热电制冷模块两端电压U₀和断开测试电源瞬间热电制冷模块两端余留电压U_s，计算热电优值Z：

S5根据热电制冷模块的性质与设计要求，设定其临界热电优值Z₀，根据热电优值Z和预设的临界热电优值Z₀，判断热电制冷模块有效性：

当热电优值Z≤Z₀时，则此热电制冷模块已失效；

当热电优值Z＞Z₀时，则此热电制冷模块仍有效，继续对热电制冷模块的剩余寿命循环数N_l进行计算：

N_l＝A·ΔT^α·Z₀

其中，A为损耗系数，α为经验系数；ΔT为冷热端稳定温度差，ΔT＝T_hw-T_cw。

具体的，损耗系数A＝I·N，其中I为经验系数，I的取值范围0.01～0.03，具体受工况以及热电制冷模块型号影响，N为热电制冷模块已历工作-间歇循环数；经验系数α的取值范围为0.8～1.2，具体受工况以及热电制冷模块型号影响。

以下为具体实施例：

实施例1

预设热电制冷模块已历工作-间歇循环数N＝100，临界热电优值Z₀＝0.35；工作电源为6V的恒压电源，测试电源为0.2A的恒流电源，具体包括如下步骤：

S1将热电制冷模块接入工作电源，接入工作电源后60s，热电制冷模块工作至冷热端温度达到稳态；然后断开工作电源，断开后30s热电制冷模块冷热端温度达到稳态；

S2重复S1 100次，同时测得热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态时冷端稳定温度T_cw＝42.71℃、热端稳定温度T_hw＝208.29℃；

S3关闭工作电源，将此热电制冷模块接入测试电源，接入测试电源后60s，热电制冷模块达到热平衡，测得此时热电制冷模块两端电压U₀＝0.4863V；断开测试电源，测量断开瞬间热电制冷模块两端余留电压即塞贝克电压U_s＝0.1503V，则电流电压U_i＝U₀-U_s＝0.336V；

S4计算热电优值即热电优值Z＞Z₀，则此热电制冷模块仍有效；

S5取经验系数α＝1，经验系数I＝0.015，则损耗系数A＝I·N＝1.5，冷热端稳定温度差ΔT＝T_hw-T_cw＝165.58℃；剩余寿命循环数N_l＝A·ΔT^α·Z₀＝86.93，则该热电制冷模块的剩余寿命循环数为86。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热电制冷模块寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1将热电制冷模块接入工作电源，热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态，然后断开工作电源且热电制冷模块冷热端温度达到稳态；

S2重复S1N次，同时测量热电制冷模块工作至其冷热端温度达到稳态时冷端稳定温度T_cw、热端稳定温度T_hw；

S3关闭工作电源，将此热电制冷模块接入测试电源，热电制冷模块达到热平衡后，测量此时热电制冷模块两端电压U₀；断开测试电源，测量断开瞬间热电制冷模块两端余留电压U_s；

S4根据接入测试电源时热电制冷模块两端电压U₀和断开测试电源瞬间热电制冷模块两端余留电压U_s，计算热电优值Z：

S5根据热电优值Z和预设的临界热电优值Z₀，判断热电制冷模块有效性：

当热电优值Z≤Z₀时，则此热电制冷模块已失效；

当热电优值Z＞Z₀时，则此热电制冷模块仍有效，继续对热电制冷模块的剩余寿命循环数N_l进行计算：

N_l＝A·ΔT^α·Z₀

其中，A为损耗系数，α为经验系数，ΔT＝T_hw-T_cw。

2.如权利要求1所述的热电制冷模块寿命预测方法，其特征在于，所述S5中损耗系数A＝I·N，其中I为经验系数，I的取值范围为0.01～0.03，N为重复S1的次数。

3.如权利要求1所述的热电制冷模块寿命预测方法，其特征在于，所述S5中经验系数α的取值范围为0.8～1.2。

4.如权利要求1所述的热电制冷模块寿命预测方法，其特征在于，所述工作电源为恒压电源，所述测试电源为恒流电源。

5.如权利要求1或4所述的热电制冷模块寿命预测方法，其特征在于，所述测试电源提供的电流小于0.5A。

6.一种用于实现如权利要求1-5任一项所述方法的装置，其特征在于，包括工作电源、测试电源和数据采集单元，其中，所述工作电源用于为热电制冷模块提供工作电流；所述测试电源用于为热电制冷模块提供测试电流；所述数据采集单元包括热电偶、电压表和数据采集器，所述热电偶安装在热电制冷模块冷热端，用于测量热电制冷模块冷热端温度，所述电压表与热电制冷模块并联，用于测量热电制冷模块两端电压，所述数据采集器用于收集所述热电偶和电压表测得的数据。