CN112345582A - 一种半导体制冷片性能参数测试方法 - Google Patents
一种半导体制冷片性能参数测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种半导体制冷片性能参数测试方法,所用的测试装置包括带第一工质入口、第一工质出口的冷腔,还包括带第二工质入口、第二工质出口的热腔;冷腔和热腔均设有保温层;冷腔和热腔之间的分隔结构处设有制冷片固定部,当半导体制冷片固定于制冷片固定部处时,冷端与冷腔腔壁接触,热端与热腔腔壁接触;当进行测试时,以流经冷腔的第一工质对制冷片冷端进行热交换,以流经热腔的第二工质对制冷片热端进行热交换,根据测得的第一工质入口与第一工质出口的第一工质温差、第二工质入口与第二工质出口的第二工质温差、第一工质流量、第二工质流量对性能参数或当前工况计算;本发明具有结构简单,数据测试方便的优点,具有良好的实际研究意义。
Description
技术领域
本发明涉及测量方法技术领域,尤其是一种半导体制冷片性能参数测试方法。
背景技术
热电制冷器具有结构简单、无任何机械运动部件、对环境污染少、体积小、制冷速度快、维修方便、操作简单等特点,广泛应用于军事、航空航天、生物医学和工业或商业产品中。热电制冷器作为特殊用途的制冷装置,在对其设计过程中需要掌握半导体制冷元器件的塞贝克系数α、电阻R、导热系数K和优值系数Z等相关性能参数。然而,半导体性制冷元器件能参数与温度有关,测试难度大,部分厂家或电商不能提供相关性能参数,因此设计出一种结构简单、价格适中、满足精度要求的半导体制冷元器件性能参数测试系统具有实际的工程意义。
近年来,国内外学者对半导体制冷元器件性能参数测试方法投入了大量的研究,研究者采用了热补偿法获得相关性能参数,通过PID模糊控制算法来校正冷热端温差、瞬态法测试优值Z热电材料导热率方法提高测试参数的准确度、利用3ω方法实现对Bi2Te3热电材料薄膜表征获得导热率、利用水冷循环测试装置提高测试精度。大部分测试研究都需要通过测对半导体制冷元器件冷热端进行温度测试,测试过程中对温度的准确测试难度较大,且整套测试系统较为复杂。本文设计出一套测试装置系统,通过测试半导体制冷元器件冷热端散热量、散热量、工作电压和电流,从而计算出冷热端温度和相关性能参数,该测试系统结构简单,数据测试方便,具有一定的实际研究意义。
发明内容
本发明提出一种半导体制冷片性能参数测试方法,。
本发明采用以下技术方案。
一种半导体制冷片性能参数测试方法,所述测试方法采用半导体制冷元器件性能参数测试装置对半导体制冷片进行测试;所述测试装置包括带第一工质入口、第一工质出口的冷腔,还包括带第二工质入口、第二工质出口的热腔;所述冷腔和热腔均设有保温层;冷腔和热腔之间的分隔结构处设有制冷片固定部,当半导体制冷片固定于制冷片固定部处时,半导体制冷片冷端与冷腔腔壁接触,制冷片热端与热腔腔壁接触;当进行测试时,以流经冷腔的第一工质对制冷片冷端进行热交换,以流经热腔的第二工质对制冷片热端进行热交换,根据测得的第一工质入口与第一工质出口的第一工质温差、第二工质入口与第二工质出口的第二工质温差、第一工质流量、第二工质流量对制冷片性能参数或当前工况进行计算。
当进行测试时,所述半导体制冷片的性能参数理论计算包括以下公式;
冷热端温差为ΔT=Th-Tc公式四;Th为运行工况下半导体制冷片热端温度,Tc为运行工况下半导体制冷片冷端温度;
半导体制冷片的工作电压为U=IR+αΔT公式一;I为运行工况下半导体制冷片工作电流,R为运行工况下半导体制冷片工作电阻;
上述公式中,α为赛贝克系数,单位为V/℃;K为半导体制冷片的导热系数,单位为W/℃。
所述半导体制冷片的冷端制冷量通过测量所得的第一工质温差和第一工质流量计算;所述半导体制冷片的热端散热量通过测量所得的第二工质温差和第二工质流量计算;
所述冷腔、热腔均为以小导热系数材料成型的管道;
所述冷腔、热腔分别以设于腔壁处的导热金属片与半导体制冷片的冷端、热端相接触;所述导热金属片的接触热阻为可忽略的微小值;所述导热金属片与管道内侧壁面均为连续平整的壁面。
当对制冷片稳定工况下的性能参数进行测量时,所述第一工质采用小比热容的气体;所述第二工质采用低温度的冷却水;
在制冷片稳定工况下测得半导体制冷片热端冷却水流速v1,热腔进口水温t1,热腔出口水温t2,热腔流道断面面积A1,
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片热端产生的热量全部传递给冷却水,即冷却水进出口能量差即为半导体制冷片热端散热量,半导体制冷片热端散热量公式表述为;
Q热=CA1v1ρ(t1-t2) 公式七;
以稳定工况下第二工质入口与第二工质出口平均温度下冷却水的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,冷却水在管内流动的努赛尔准数
冷却水与半导体元器件热端导热金属片进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出热端与冷却水接触导热金属片端面温度Th1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Th=Th1:
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,冷腔进口温度tw1,冷腔出口温度tw2,冷腔流道断面面积A2,按本项权利要求内上述公式同理计算得出半导体制冷片冷端制冷量Q冷,空气与半导体表面对流换热系数h2,半导体制冷片冷端温度Tc;
上述内容中各参数的含义为第二工质为水时的相关物性参数:C—水定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ—水的密度,kg/m3;de—热腔管道当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ—水的导热系数,W/(m·K);Re—雷诺数;Pr—普朗特数;Nu—努塞尔准数;ηf—水平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw—半导体表面温度下水的动力粘度,Pa·s;
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,m/s;冷腔进口温度tw1,℃;冷腔出口温度tw2,℃;冷腔流道断面面积A2,m2;
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片冷端产生的冷量全部传递给空气,即空气进出口能量差即为半导体制冷片冷端制冷量,半导体制冷片冷端制冷量公式表述为;
Q冷=C2A2v2ρ2(tw1-tw2) 公式十三;
以稳定工况下第一工质入口与第一工质出口平均温度下空气的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,空气在管内流动的努赛尔准数
空气与半导体元器件冷端导热金属片进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出冷端与空气接触导热金属片端面温度Tc1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Tc=Tc1:
上述内容中各参数的含义为第一工质空气的相关物性参数:C2—空气定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ2—空气的密度,kg/m3;de2—冷腔管道当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ2—空气的导热系数,W/(m·K);Re2—雷诺数;Pr2—普朗特数;Nu2—努塞尔准数;ηf2—空气平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw2—半导体冷端表面温度下空气的动力粘度,Pa·s。
当测量半导体制冷片的塞贝克系数时,在冷腔、热腔两个管道内分别通入不同温度的水,温差为ΔT,通入两股流体的瞬间测得在电流输入I=0下半导体两端电压U,由于测电压的过程时是在通入流体的瞬间,所以半导体制冷片冷热端温差视为冷腔、热腔两股流体的温差,根据公式一,计算出半导体制冷片塞贝克系数α=U/ΔT。
当半导体制冷片处于输入电压为U,输入电流为I的工况时,向冷腔、热腔分别通入第一工质空气和第二工质冷却水,测得第一工质入口、第一工质出口、第二工质入口、第二工质出口的温度,计算出半导体冷热端温差ΔT;测得半导体制冷片塞贝克系数α;根据公式一计算出半导体制冷片的电阻R=(U-αΔT)/I。
在测量半导体制冷片导热系数时,设半导体制冷元器件性能参数测试装置无散热损失;根据计算出热端处热腔冷却水带走的散热量与冷端处冷腔空气带走的冷量,即为半导体的散热量Q热与制冷量Q冷,同时根据计算出的冷热端温差ΔT、塞贝克系数α、电阻R,利用公式5.1或公式5.2计算出导热系数K。
在稳定工况下,所述半导体制冷片热端散热量Q热范围为100W~500W,以热腔的冷却水为散热工质,冷却水流速为0.02m/s<v<0.1m/s;
所述半导体制冷片冷端制冷量Q热范围为30W~200W,以小比热容的空气为散冷工质,空气流速为0.5m/s<v<2m/s。
所述冷腔、热腔均为直管道;冷腔、热腔的管道在管道侧壁处相连;冷腔的第一工质入口、第一工质出口分别位于管道两端,热腔的第二工质入口、第二工质出口分别位于管道两端;所述制冷片固定部包括冷腔、热腔两管相连部位中间处的正方形孔,所述正方形孔用于放置制冷片;正方形孔两开口端以凸台固定的铜片形成正方形孔的密封结构,所述铜片为与制冷片冷端、热端相接触的导热金属片;所述铜片与制冷片相接触的表面涂有导热硅胶;
所述冷腔的第一工质入口、第一工质出口处均设有测温点,所述热腔的第二工质入口、第二工质出口均设有测温点;
所述冷腔的第一工质入口经气体流量计、进气阀与风机相连;所述热腔的第二工质入口经流体流量计、进水阀与泵相连。
所述冷腔、热腔的管道材质为树脂,其管道内侧尺寸为800mm×50mm×5mm、壁厚2mm,所述保温层覆于管道外壁,还设于冷腔、热腔的管道连接处,保温层以泡沫材料成型;半导体制冷片的供电导线从保温层引入。
本发明通过测试半导体制冷元器件冷热端散热量、散热量、工作电压和电流,从而计算出冷热端温度和相关性能参数,可测试出半导体制冷元器件在不同温度下的电阻R、塞贝克系数α、导热系数K和优质系数Z等性能参数,具有结构简单,数据测试方便的优点,具有良好的实际研究意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:
附图1是本发明所述半导体制冷元器件性能参数测试装置的示意图;
附图2是制冷片固定部的放大示意图;
图中:1-测温点;2-冷腔;3-热腔;4-导热金属片;5-半导体制冷片;6-供电导线;7-直管道;8-保温层;9-第一工质入口;10-第一工质出口;11-第二工质入口;12-第二工质出口;13-泵;14-风机;15-进气阀;16-气体流量计;17-进水阀;18-流体流量计;19-管道侧壁;20-凸台;21-正方形孔;22-导热硅胶。
具体实施方式
如图所示,一种半导体制冷片性能参数测试方法,所述测试方法采用半导体制冷元器件性能参数测试装置对半导体制冷片进行测试;所述测试装置包括带第一工质入口、第一工质出口的冷腔,还包括带第二工质入口、第二工质出口的热腔;所述冷腔和热腔均设有保温层;冷腔和热腔之间的分隔结构处设有制冷片固定部,当半导体制冷片固定于制冷片固定部处时,半导体制冷片冷端与冷腔腔壁接触,制冷片热端与热腔腔壁接触;当进行测试时,以流经冷腔的第一工质对制冷片冷端进行热交换,以流经热腔的第二工质对制冷片热端进行热交换,根据测得的第一工质入口与第一工质出口的第一工质温差、第二工质入口与第二工质出口的第二工质温差、第一工质流量、第二工质流量对制冷片性能参数或当前工况进行计算。
当进行测试时,所述半导体制冷片的性能参数理论计算包括以下公式;
冷热端温差为ΔT=Th-Tc公式四;Th为热端温度,Tc为冷端温度;
半导体制冷片的工作电压为U=IR+αΔT公式一;I为电流,R为电阻;
上述公式中,α为赛贝克系数,单位为V/℃;K为半导体制冷片的导热系数,单位为W/℃。
所述半导体制冷片的冷端制冷量通过测量所得的第一工质温差和第一工质流量计算;所述半导体制冷片的热端散热量通过测量所得的第二工质温差和第二工质流量计算;
所述冷腔、热腔均为以小导热系数材料成型的管道;
所述冷腔、热腔分别以设于腔壁处的导热金属片与半导体制冷片的冷端、热端相接触;所述导热金属片的接触热阻为可忽略的微小值;所述导热金属片与管道内侧壁面均为连续平整的壁面。
当对制冷片稳定工况下的性能参数进行测量时,所述第一工质采用小比热容的气体;所述第二工质采用低温度的冷却水;
在制冷片稳定工况下测得半导体制冷片热端冷却水流速v1,热腔进口水温t1,热腔出口水温t2,热腔流道断面面积A1,
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片热端产生的热量全部传递给冷却水,即冷却水进出口能量差即为半导体制冷片热端散热量,半导体制冷片热端散热量公式表述为;
Q热=CA1v1ρ(t1-t2) 公式七;
以稳定工况下第二工质入口与第二工质出口平均温度下冷却水的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,冷却水在管内流动的努赛尔准数
冷却水与半导体元器件热端导热金属片进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出热端与冷却水接触导热金属片端面温度Th1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Th=Th1:
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,冷腔进口温度tw1,冷腔出口温度tw2,冷腔流道断面面积A2,按本项权利要求内上述公式同理计算得出半导体制冷片冷端制冷量Q冷,空气与半导体表面对流换热系数h2,半导体制冷片冷端温度Tc;
上述内容中各参数的含义为第二工质为水时的相关物性参数:C—水定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ—水的密度,kg/m3;de—当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ—水的导热系数,W/(m·K);Re—雷诺数;Pr—普朗特数;Nu—努塞尔准数;ηf—水平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw—半导体热端表面温度下水的动力粘度,Pa·s;
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,m/s;冷腔进口温度tw1,℃;冷腔出口温度tw2,℃;冷腔流道断面面积A2,m2;
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片冷端产生的冷量全部传递给空气,即空气进出口能量差即为半导体制冷片冷端制冷量,半导体制冷片冷端制冷量公式表述为;
Q冷=C2A2v2ρ2(tw1-tw2) 公式十三;
以稳定工况下第一工质入口与第一工质出口平均温度下空气的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,空气在管内流动的努赛尔准数
空气与半导体元器件冷端导热金属片(铜片)进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出冷端与空气接触导热金属片端面温度Tc1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Tc=Tc1:
上述内容中各参数的含义为第一工质空气的相关物性参数:C2—空气定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ2—空气的密度,kg/m3;de2—冷腔管道当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ2—空气的导热系数,W/(m·K);Re2—雷诺数;Pr2—普朗特数;Nu2—努塞尔准数;ηf2—空气平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw2—半导体冷端表面温度下空气的动力粘度,Pa·s。
当测量半导体制冷片的塞贝克系数时,在冷腔、热腔两个管道内分别通入不同温度的水,温差为ΔT,通入两股流体的瞬间测得在电流输入I=0下半导体两端电压U,由于测电压的过程时是在通入流体的瞬间,所以半导体制冷片冷热端温差视为冷腔、热腔两股流体的温差,根据公式一,计算出半导体制冷片塞贝克系数α=U/ΔT。
当半导体制冷片处于输入电压为U,输入电流为I的工况时,向冷腔、热腔分别通入第一工质空气和第二工质冷却水,测得第一工质入口、第一工质出口、第二工质入口、第二工质出口的温度,计算出半导体冷热端温差ΔT;测得半导体制冷片塞贝克系数α;根据公式一计算出半导体制冷片的电阻R=(U-αΔT)/I。
在测量半导体制冷片导热系数时,设半导体制冷元器件性能参数测试装置无散热损失;根据计算出热端处热腔冷却水带走的散热量与冷端处冷腔空气带走的冷量,即为半导体的散热量Q热与制冷量Q冷,同时根据计算出的冷热端温差ΔT、塞贝克系数α、电阻R,利用公式5.1或公式5.2计算出导热系数K。
在稳定工况下,所述半导体制冷片热端散热量Q热范围为100W~500W,以热腔的冷却水为散热工质,冷却水流速为0.02m/s<v<0.1m/s;
所述半导体制冷片冷端制冷量Q热范围为30W~200W,以小比热容的空气为散冷工质,空气流速为0.5m/s<v<2m/s。
所述冷腔、热腔均为直管道;冷腔、热腔的管道在管道侧壁处相连;冷腔的第一工质入口、第一工质出口分别位于管道两端,热腔的第二工质入口、第二工质出口分别位于管道两端;所述制冷片固定部包括冷腔、热腔两管相连部位中间处的正方形孔,所述正方形孔用于放置制冷片;正方形孔两开口端以凸台固定的铜片形成正方形孔的密封结构,所述铜片为与制冷片冷端、热端相接触的导热金属片;所述铜片与制冷片相接触的表面涂有导热硅胶;
所述冷腔的第一工质入口、第一工质出口处均设有测温点,所述热腔的第二工质入口、第二工质出口均设有测温点;
所述冷腔的第一工质入口经气体流量计、进气阀与风机相连;所述热腔的第二工质入口经流体流量计、进水阀与泵相连。
所述冷腔、热腔的管道材质为树脂,其管道内侧尺寸为800mm×50mm×5mm、壁厚2mm,所述保温层覆于管道外壁,还设于冷腔、热腔的管道连接处,保温层以泡沫材料成型;半导体制冷片的供电导线从保温层引入。
本例中,装置测试半导体性能参数中需要通过测试冷热端的散热量和制冷量并利用理论计算公式(1)~公式(12)计算出相关性能参数,其中热端散热量Q热>冷端制冷量Q冷。考虑半导体制冷片工作工况下对热端需要加强散热,因此热端散热介质选择了比热容较大的水。但是,由于单片半导体制冷片热端散热量Q热只有100W~500W,所以选择冷却介质水的流速不能太大,因为流速太大,冷却介质水流经半导体片温度变化不大,利用公式(7)计算出的散热量Q热误差大,因此测试过程中根据半导体片功率情况,选择冷却介质水流速为0.02m/s<v<0.1m/s。
半导体制冷片冷端端制冷量Q冷只有30W~200W,制冷量比较小,选择了制冷介质比热容不能太大,不然流经半导体片的制冷介质温差不明显,会导致利用公式(7)计算出的制冷量Q冷误差大,因此选择了比热容小的空气作为散冷介质。测试过程中根据半导体片功率情况选择散冷介质空气流速为0.5m/s<v<2m/s。
Claims (10)
1.一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:所述测试方法采用半导体制冷元器件性能参数测试装置对半导体制冷片进行测试;所述测试装置包括带第一工质入口、第一工质出口的冷腔,还包括带第二工质入口、第二工质出口的热腔;所述冷腔和热腔均设有保温层;冷腔和热腔之间的分隔结构处设有制冷片固定部,当半导体制冷片固定于制冷片固定部处时,半导体制冷片冷端与冷腔腔壁接触,制冷片热端与热腔腔壁接触;当进行测试时,以流经冷腔的第一工质对制冷片冷端进行热交换,以流经热腔的第二工质对制冷片热端进行热交换,根据测得的第一工质入口与第一工质出口的第一工质温差、第二工质入口与第二工质出口的第二工质温差、第一工质流量、第二工质流量对制冷片性能参数或当前工况进行计算。
3.根据权利要求2所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:所述半导体制冷片的冷端制冷量通过测量所得的第一工质温差和第一工质流量计算;所述半导体制冷片的热端散热量通过测量所得的第二工质温差和第二工质流量计算;
所述冷腔、热腔均为以小导热系数材料成型的管道;
所述冷腔、热腔分别以设于腔壁处的导热金属片与半导体制冷片的冷端、热端相接触;所述导热金属片的接触热阻为可忽略的微小值;所述导热金属片与管道内侧壁面均为连续平整的壁面。
4.根据权利要求3所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:当对制冷片稳定工况下的性能参数进行测量时,所述第一工质采用小比热容的气体;所述第二工质采用低温度的冷却水;
在制冷片稳定工况下测得半导体制冷片热端冷却水流速v1,热腔进口水温t1,热腔出口水温t2,热腔流道断面面积A1,
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片热端产生的热量全部传递给冷却水,即冷却水进出口能量差即为半导体制冷片热端散热量,半导体制冷片热端散热量公式表述为;
Q热=CA1v1ρ(t1-t2) 公式七;
以稳定工况下第二工质入口与第二工质出口平均温度下冷却水的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,冷却水在管内流动的努赛尔准数
冷却水与半导体元器件热端导热金属片进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出热端与冷却水接触导热金属片端面温度Th1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Th=Th1:
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,冷腔进口温度tw1,冷腔出口温度tw2,冷腔流道断面面积A2,按本项权利要求内上述公式同理计算得出半导体制冷片冷端制冷量Q冷,空气与半导体表面对流换热系数h2,半导体制冷片冷端温度Tc;
上述内容中各参数的含义为第二工质为水时的相关物性参数:C—水定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ—水的密度,kg/m3;de—热腔管道当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ—水的导热系数,W/(m·K);Re—雷诺数;Pr—普朗特数;Nu—努塞尔准数;ηf—水平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw—半导体热端表面温度下水的动力粘度,Pa·s;
在制冷片稳定工况下测得测得冷腔的空气介质流速v2,m/s;冷腔进口温度tw1,℃;冷腔出口温度tw2,℃;冷腔流道断面面积A2,m2;
设半导体制冷片处于稳定工况时,制冷片表面温度不变且处处相等,即为恒定壁温对流换热工况,半导体制冷片冷端产生的冷量全部传递给空气,即空气进出口能量差即为半导体制冷片冷端制冷量,半导体制冷片冷端制冷量公式表述为;
Q冷=C2A2v2ρ2(tw1-tw2) 公式十三;
以稳定工况下第一工质入口与第一工质出口平均温度下空气的物性参数,得出冷却水流动的雷诺数
当管内流动状态为层流入口段时,空气在管内流动的努赛尔准数
空气与半导体元器件冷端导热金属片进行换热的对流换热系数
对流换热对数平均温差
由此得出冷端与空气接触导热金属片端面温度Tc1,忽略导热金属片的导热热阻,热端温度Tc=Tc1:
上述内容中各参数的含义为第一工质空气的相关物性参数:C2—空气定压比热容,kJ/(kg·℃);ρ2—空气的密度,kg/m3;de2—冷腔管道当量直径,m;l—正方形半导体元器件片边长,m;λ2—空气的导热系数,W/(m·K);Re2—雷诺数;Pr2—普朗特数;Nu2—努塞尔准数;ηf2—空气平均温度下的动力粘度,Pa·s;ηw2—半导体冷端表面温度下空气的动力粘度,Pa·s。
5.根据权利要求4所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:当测量半导体制冷片的塞贝克系数时,在冷腔、热腔两个管道内分别通入不同温度的水,温差为ΔT,通入两股流体的瞬间测得在电流输入I=0下半导体两端电压U,由于测电压的过程时是在通入流体的瞬间,所以半导体制冷片冷热端温差视为冷腔、热腔两股流体的温差,根据公式一,计算出半导体制冷片塞贝克系数α=U/ΔT。
6.根据权利要求5所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:当半导体制冷片处于输入电压为U,输入电流为I的工况时,向冷腔、热腔分别通入第一工质空气和第二工质冷却水,测得第一工质入口、第一工质出口、第二工质入口、第二工质出口的温度,计算出半导体冷热端温差ΔT;测得半导体制冷片塞贝克系数α;根据公式一计算出半导体制冷片的电阻R=(U-αΔT)/I。
7.根据权利要求6所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:在测量半导体制冷片导热系数时,设半导体制冷元器件性能参数测试装置无散热损失;根据计算出热端处热腔冷却水带走的散热量与冷端处冷腔空气带走的冷量,即为半导体的散热量Q热与制冷量Q冷,同时根据计算出的冷热端温差ΔT、塞贝克系数α、电阻R,利用公式5.1或公式5.2计算出导热系数K。
8.根据权利要求6所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:在稳定工况下,所述半导体制冷片热端散热量Q热范围为100W~500W,以热腔的冷却水为散热工质,冷却水流速为0.02m/s<v<0.1m/s;
所述半导体制冷片冷端制冷量Q热范围为30W~200W,以小比热容的空气为散冷工质,空气流速为0.5m/s<v<2m/s。
9.根据权利要求8所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:所述冷腔、热腔均为直管道;冷腔、热腔的管道在管道侧壁处相连;冷腔的第一工质入口、第一工质出口分别位于管道两端,热腔的第二工质入口、第二工质出口分别位于管道两端;所述制冷片固定部包括冷腔、热腔两管相连部位中间处的正方形孔,所述正方形孔用于放置制冷片;正方形孔两开口端以凸台固定的铜片形成正方形孔的密封结构,所述铜片为与制冷片冷端、热端相接触的导热金属片;所述铜片与制冷片相接触的表面涂有导热硅胶;
所述冷腔的第一工质入口、第一工质出口处均设有测温点,所述热腔的第二工质入口、第二工质出口均设有测温点;
所述冷腔的第一工质入口经气体流量计、进气阀与风机相连;所述热腔的第二工质入口经流体流量计、进水阀与泵相连。
10.根据权利要求9所述的一种半导体制冷片性能参数测试方法,其特征在于:所述冷腔、热腔的管道材质为树脂,其管道内侧尺寸为800mm×50mm×5mm、壁厚2mm,所述保温层覆于管道外壁,还设于冷腔、热腔的管道连接处,保温层以泡沫材料成型;半导体制冷片的供电导线从保温层引入。
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---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114593539A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-07 | 吉林大学 | 一种精确控制低温环境的多策略联合制冷系统 |
CN118389276A (zh) * | 2024-05-16 | 2024-07-26 | 北京德量源生物科技有限公司 | 一种蛋白质提取多肽水解自动化处理设备 |
Citations (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040076214A1 (en) * | 2001-02-09 | 2004-04-22 | Bell Lon K | High power density thermoelectric systems |
CN101434110A (zh) * | 2008-10-16 | 2009-05-20 | 浙江工业大学 | 用于橡胶混炼过程的胶片风冷节能控制方法 |
JP2009195385A (ja) * | 2008-02-20 | 2009-09-03 | Unitika Ltd | 硬膜外腔冷却時の温度モニターシステム |
CN102213502A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 上海微电子装备有限公司 | 提高半导体制冷系统稳定性的装置 |
CN102332041A (zh) * | 2011-08-30 | 2012-01-25 | 山东同创汽车散热装置股份有限公司 | 一种管带式散热器散热性能分析与结构设计系统 |
CN103323284A (zh) * | 2013-07-08 | 2013-09-25 | 上海理工大学 | 一种热电制冷性能测量装置及其方法 |
CN203365163U (zh) * | 2013-07-08 | 2013-12-25 | 上海理工大学 | 一种热电制冷性能测量装置 |
CN105486533A (zh) * | 2016-02-26 | 2016-04-13 | 山东大学 | 一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法 |
CN205939496U (zh) * | 2016-08-12 | 2017-02-08 | 广东美的制冷设备有限公司 | 除湿机 |
CN106500205A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-03-15 | 浙江大学 | 跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统 |
CN107830596A (zh) * | 2017-11-18 | 2018-03-23 | 南京理工大学 | 一种制冷空调用的间接蒸发冷却系统及其控制方法 |
CN108073769A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-05-25 | 贵州省水利水电勘测设计研究院 | 大体积混凝土结构的水化热计算方法 |
CN108347199A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-07-31 | 江苏大学 | 一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法 |
CN108649294A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-12 | 西南交通大学 | 散热器与液冷电池组的联合仿真方法 |
US20180335450A1 (en) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | Hermes-Epitek Corp. | Semiconductor test apparatus |
CN109471037A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-03-15 | 浙江大学 | 一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台及其方法 |
CN109489299A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-03-19 | 广东富信科技股份有限公司 | 半导体制冷低温板式冷源及其控制方法 |
CN109884491A (zh) * | 2019-02-22 | 2019-06-14 | 桂林电子科技大学 | 用于半导体热电制冷器的测试装置 |
CN208994300U (zh) * | 2018-09-18 | 2019-06-18 | 广东工业大学 | 一种温感装置 |
EP3523821A1 (en) * | 2016-10-06 | 2019-08-14 | Agile POWER SWITCH 3D - INTEGRATION aPSI3D | A method of determining thermal impedance of a sintering layer and a measurement system |
CN110806329A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-18 | 青岛大学 | 一种桌面型自供水热交换器性能测试装置 |
CN110940000A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-03-31 | 合肥天鹅制冷科技有限公司 | 一种小型化电子机柜除湿装置 |
CN111426941A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-07-17 | 深圳市联合东创科技有限公司 | 优化型芯片耐温测试装置 |
-
2020
- 2020-11-05 CN CN202011226700.4A patent/CN112345582B/zh active Active
Patent Citations (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040076214A1 (en) * | 2001-02-09 | 2004-04-22 | Bell Lon K | High power density thermoelectric systems |
JP2009195385A (ja) * | 2008-02-20 | 2009-09-03 | Unitika Ltd | 硬膜外腔冷却時の温度モニターシステム |
CN101434110A (zh) * | 2008-10-16 | 2009-05-20 | 浙江工业大学 | 用于橡胶混炼过程的胶片风冷节能控制方法 |
CN102213502A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 上海微电子装备有限公司 | 提高半导体制冷系统稳定性的装置 |
CN102332041A (zh) * | 2011-08-30 | 2012-01-25 | 山东同创汽车散热装置股份有限公司 | 一种管带式散热器散热性能分析与结构设计系统 |
CN103323284A (zh) * | 2013-07-08 | 2013-09-25 | 上海理工大学 | 一种热电制冷性能测量装置及其方法 |
CN203365163U (zh) * | 2013-07-08 | 2013-12-25 | 上海理工大学 | 一种热电制冷性能测量装置 |
CN105486533A (zh) * | 2016-02-26 | 2016-04-13 | 山东大学 | 一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法 |
CN205939496U (zh) * | 2016-08-12 | 2017-02-08 | 广东美的制冷设备有限公司 | 除湿机 |
EP3523821A1 (en) * | 2016-10-06 | 2019-08-14 | Agile POWER SWITCH 3D - INTEGRATION aPSI3D | A method of determining thermal impedance of a sintering layer and a measurement system |
CN106500205A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-03-15 | 浙江大学 | 跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统 |
US20180335450A1 (en) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | Hermes-Epitek Corp. | Semiconductor test apparatus |
CN107830596A (zh) * | 2017-11-18 | 2018-03-23 | 南京理工大学 | 一种制冷空调用的间接蒸发冷却系统及其控制方法 |
CN108073769A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-05-25 | 贵州省水利水电勘测设计研究院 | 大体积混凝土结构的水化热计算方法 |
CN108347199A (zh) * | 2018-01-11 | 2018-07-31 | 江苏大学 | 一种平板式温差发电器及其热电发电组件分区布置方法 |
CN108649294A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-12 | 西南交通大学 | 散热器与液冷电池组的联合仿真方法 |
CN208994300U (zh) * | 2018-09-18 | 2019-06-18 | 广东工业大学 | 一种温感装置 |
CN109471037A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-03-15 | 浙江大学 | 一种快速测试的盐桥式热电化学电池试验台及其方法 |
CN109489299A (zh) * | 2019-01-08 | 2019-03-19 | 广东富信科技股份有限公司 | 半导体制冷低温板式冷源及其控制方法 |
CN109884491A (zh) * | 2019-02-22 | 2019-06-14 | 桂林电子科技大学 | 用于半导体热电制冷器的测试装置 |
CN110806329A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-18 | 青岛大学 | 一种桌面型自供水热交换器性能测试装置 |
CN110940000A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-03-31 | 合肥天鹅制冷科技有限公司 | 一种小型化电子机柜除湿装置 |
CN111426941A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-07-17 | 深圳市联合东创科技有限公司 | 优化型芯片耐温测试装置 |
Non-Patent Citations (9)
Title |
---|
HUANG B J ET AL.: "A design method of thermoelectric cooller", INTERNATIONAL JOURNAL OF REFRIGERATION, vol. 23, no. 3, pages 2 * |
刘东;刘明侯;王亚青;徐侃;: "大高宽比小槽道冷却大功率激光器的实验研究", 中国激光, vol. 37, no. 03, pages 640 - 645 * |
尹秀翠;邢世录;杨晓宏;杨胜男;田瑞;: "空气隙膜组件与半导体制冷的耦合设计与研究", 膜科学与技术, no. 01, pages 45 - 50 * |
庞云凤: "半导体制冷最优工况及散热强度的理论分析与实验研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库(工程科技Ⅱ辑), no. 05, pages 47 * |
张奕;张小松;胡洪;翁雯;刘佳;: "冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响", 江苏大学学报(自然科学版), no. 01, pages 43 - 46 * |
戴维涵等: "一种半导体制冷元件特性参数测量及选用", 上海交通大学学报, vol. 38, no. 10, pages 1669 - 1672 * |
蔡德坡: "半导体制冷热端的分析与实验研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库(工程科技Ⅱ辑), no. 04, pages 34 - 35 * |
蔡阳;杨静静;刘娣;王瑜;赵福云;: "新型热电热泵冷风机的性能研究", 低温与超导, vol. 44, no. 10, pages 83 - 87 * |
陈波;: "热管冷却式热电制冷装置研制与试验研究", 制冷与空调, vol. 16, no. 05, pages 54 - 58 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114593539A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-07 | 吉林大学 | 一种精确控制低温环境的多策略联合制冷系统 |
CN118389276A (zh) * | 2024-05-16 | 2024-07-26 | 北京德量源生物科技有限公司 | 一种蛋白质提取多肽水解自动化处理设备 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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