CN113466542A - 一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热电制冷器件效能测试，具体公开了一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法，测试装置包括支架、压杆、补偿加热器、待测器件、用于给待测器件热端控温的热端控温平台、真空密封罩、恒温水冷机、直流稳压稳流电源和真空泵，本发明可精确测量热电制冷器件的最大稳态制冷温差以及不同温场工况下的稳态制冷量与制冷效能，同时可以测量制冷器件的瞬态特性；适用于热电单偶元件、单级器件、以及多级器件。本发明所提供的测试装置与测试方法对于热电器件的精确设计提供了可靠的验证表征平台，可以大大促进电子元器件的主动热管理解决方案的设计定制。

Description

一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法

技术领域

本发明属于热管理材料技术领域，具体涉及一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法。

背景技术

基于佩尔捷效应和泽贝克效应的热电转换技术可实现电能和热能的直接转换，常被用于热电制冷和热电发电。与传统热机和制冷压缩机技术相比，热电转换器件不仅具有无需维护、无传动部件、无噪声、安全可靠性高和寿命长等优点，而且还具有易于微型化、易于同其他电子设备集成等优点。此外，热电转换器件还可根据需要设计任意尺寸的热电模块、可应用于局部和点对点的供电和制冷控温，控温精度高(<0.1℃)，响应速度快(<1s)。正是由于这些特点，热电能量转换技术被认为是解决电子元件微小区域散热难题的重要技术之一，并受到了工业界和学术界的广泛关注。

目前商用热电制冷器件，按照结构形式可以分为普通单级器件、多级器件和微型器件。其中普通单级器件通常指宏观尺寸在2～3cm以上，热电臂尺寸在1mm以上的单级器件，单级制冷温差可以达到70～80K，主要用于制冷量要求较大的消费电子产品、消费品、冰箱、通信基站电池组等领域；多级器件在单级器件基础上采用热串联的方式，可以实现更大最大制冷温差，两级器件制冷温差可以超过100K，三级温差最大可以达到130K以上，一般用在红外传感、医疗器件、低温仪表等特殊元器件中；而微型器件特指尺寸非常小的单级器件，通常宏观尺寸在mm量级，热电臂尺寸在1mm以下，微型器件在5G光通信模组、光纤放大器、光发射模组等通信、激光行业有着广泛的应用。

衡量热电制冷器件性能好坏的重要参数包括最大制冷温差ΔT、制冷量Q_C以及制冷效率系数COP。最大制冷温差是指器件在一定电流电压驱动下能够实现的器件两端最大温差ΔT，主要由材料热电性能以及器件结构设计集成损耗所决定。制冷量Q_C是指器件冷端能够有效带到热电的热量，制冷效率系数COP指器件制冷量与自身功耗的比值。目前，商用热电器件性能的测量主要采用哈曼法，即通过在某一环境温度下变换导通和截断直流电流的器件时两端瞬态电压变化来换算成材料器件的热电优值ZT，进一步按照一维传热模型换算出器件的最大制冷温差。这种测试方法忽略了器件的变温条件下的性能变化，而且无法实现不同工况下器件制冷量Q_C和制冷效率系数COP的精确测量。或者采用通过测量半导体热电材料的塞贝克系数、总电阻和总热导，然后通过公式计算得到材料ZT值，再进行热电器件的最大温差、制冷系数的估算。但这种方法忽略了实际使用中热电制冷器件的陶瓷基板热阻、器件结构设计偏差等工程损耗，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。

中国专利CN 103196947 B公布了一种热电制冷片热电性能测量的装置与方法，其特点是采用Pt电阻对制冷器件冷热端进行测温，从而得到特定电流下的器件两端温差，进而换算得到器件总热导，结合器件电阻、电压等数据得到材料的热电性能。但是这种方法仍然无法直接测量得到器件特定工况下的制冷量和制冷效率系数COP。因此目前还急缺一种直接获得热电制冷器件最大温差、工况制冷量以及制冷效率系数COP的测量方法和装置。

发明内容

针对以上热电器件测量技术的弊端，本发明提供一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法，其基于热补偿平衡法对热电器件性能进行精密测量，可以实现各种规格尺寸的热电制冷器件的制冷温差、制冷量以及制冷效率系数的精确直接测量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明第一方面提供了一种热电制冷器件效能测试装置，包括支架、压杆、补偿加热器、待测器件、用于给待测器件热端控温的热端控温平台、真空密封罩、恒温水冷机、直流稳压稳流电源和真空泵；

所述热端控温平台包括水冷散热器、均温传热板和用于调节所述均温传热板温度的控温热电器件。

所述支架的横梁上设置有孔洞，所述压杆的上端穿过所述孔洞，所述压杆的下端抵接所述补偿加热器，所述补偿加热器与所述均温传热板的上端分别贴合于所述待测器件的冷端与热端，所述控温热电器件的上端贴合于所述均温传热板的下端，所述控温热电器件的下端贴合于所述水冷散热器，所述水冷散热器通过管道与所述恒温水冷机进行冷热交换。

在本发明的技术方案中，所述支架可沿竖直方向在所述孔洞内穿梭。

所述直流稳压稳流电源包括第一直流稳压稳流电源和第二直流稳压稳流电源，所述第一直流稳压稳流电源与所述热端控温平台、所述补偿加热器均电性连接，所述第二直流稳压稳流电源与所述待测器件电性连接。

所述均温传热板内、所述补偿加热器内与所述压杆均设置有测温热电偶。

所述支架、所述压杆、所述补偿加热器、所述待测器件、所述热端控温平台以及所述恒温水冷机均设置于所述真空密封罩内。

进一步地，还包括记录所述测温热电偶数据的数据采集仪和计算机；所述数据采集仪记录所述测温热电偶的数据并传递至计算机。

进一步地，还包括PID控制器，所述计算机通过所述PID控制器调节第一直流稳压稳流电源。

进一步地，所述补偿加热器为陶瓷加热器，所述陶瓷加热器选自氧化铝、氮化铝和氮化硅中的任一种。

进一步地，所述水冷散热器由高导热纯铜材料制成。

进一步地，所述控温热电器件的控温范围为-50℃～100℃。

进一步地，所述均温传热板由高导热材料制成，选自纯铜实心板、平板式铜热管和平板式铝热管中的任一种，其均温效果在-50℃～100℃内，-0.5℃≤均温效果≤0.5℃。

进一步地，所述压杆为中空管状结构，由低热导率材料制成，选自聚四氟乙烯、石英玻璃中的任一种，所述压杆的测温热电偶设置在所述压杆的空腔内，其接头固定在所述压杆的下端管口处。

所述压杆上套设有弹簧，所述压杆设置有上限位部和下限位部，所述弹簧的一端抵接所述支架的横梁，另一端连接下限位部，所述弹簧的直径小于所述下限位部的直径，所述上限位部的直径大于所述孔洞的直径。

在本发明的技术方案中，所述上限位部用于将压杆垫压在横梁上，使横梁抬起，便于补偿加热器、待测器件组件在均温传热板上的叠放。

进一步地，所述均温传热板与所述待测器件的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，所述补偿加热器与所述待测器件的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，所述高导热界面材料选自导热硅脂、液态金属、导热垫片、焊锡中的任一种。

本发明第二方面提供上述热电制冷器件效能测试装置的测试方法，包括如下步骤：

制冷效率模式测量(1)

将所述补偿加热器、待测器件自上而下依次叠置于均温传热板上，通过弹簧、压杆施加压力保证各组件的紧密贴合。使用真空泵将真空密封罩的内部调节为真空状态，第一直流稳压稳流电源为所述热端控温平台以及所述补偿加热器供电，所述计算机通过所述PID控制器调节输出电流/电压以控制均温传热板与补偿加热器温度，第二直流稳压稳流电源为待测器件进行电流/电压步进扫描；数据采集仪将补偿加热器与均温传热板处设置的测温热电偶采集的温度分别作为待测器件冷端温度T_c与热端温度T_h输送至计算机；当待测器件冷热端温度稳定后通过补偿加热器的输入电流I_c、电压V_c计算得到器件制冷量Q_c＝I_c×V_c，通过待测器件的输入电流I_TE和电压V_TE得到待测器件消耗功率Q_TE＝I_TE×V_TE，两者比值Q_c/Q_TE即为该工况下的器件制冷效率系数COP；

最大温差模式测量(2)

移除所述补偿加热器，将所述压杆与待测器件抵接，并使待测器件贴合于均温传热板上，使用真空泵将真空密封罩内调节为真空状态，第二直流稳压稳流电源为待测器件供电并进行电流/电压步进扫描，待每步温度稳定后，数据采集仪将所述压杆内嵌的测温热电偶读取的温度作为待测器件的冷端温度T_c，所述均温传热板内的测温热电偶读取的温度作为待测器件的热端温度T_h传输至计算机；计算机记录T_h与T_c的差值以及第二直流稳压稳流电源相应的输入电压、输入电流，该差值最大时即为稳态下待测器件的最大温差△T_max。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

本发明提供了一种热电制冷器件效能测试装置与测试方法，可精确测量热电制冷器件的最大稳态制冷温差以及不同温场工况下的稳态制冷量与制冷效能，同时可以测量制冷器件的瞬态特性；适用于热电单偶元件、单级器件、以及多级器件。本发明所提供的测试装置与测试方法对于热电器件的精确设计提供了可靠的验证表征平台，可以大大促进电子元器件的主动热管理解决方案的设计定制。

附图说明

图1是实施例1中的测量控制逻辑图。

图2是实施例1中的热电制冷器件效能测试装置结构示意图与局部结构示意图。

图3是实施例1中的水冷散热器的结构示意图。

图4是实施例1中的压杆结构示意图。

图5是实施例2中热电制冷器件效能测试装置对不同工况下待测器件制冷量Q_c测试图(Ferrotec商业8mm*8mm器件)。

图6是实施例2中热电制冷器件效能测试装置对不同工况下待测器件制冷效率系数COP测试图(Ferrotec商业8mm*8mm器件)。

具体实施方式

下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下述实施方式中，控温热电器件尺寸不小于50mm×50mm，均温传热板尺寸不小于50mm×50mm，补偿加热器尺寸选自(2-50)mm×(2-50)mm之间，优选与待测器件尺寸一致。

实施例1：热电制冷器件效能测试装置

如图1-4所示，一种热电制冷器件效能测试装置，包括支架2、压杆3、补偿加热器4、待测器件5、热端控温平台、真空密封罩9、直流稳压稳流电源、数据采集仪、计算机、PID控制器、恒温水冷机和真空泵(图中均未画出)，其中所述热端控温平台包括均温传热板6、控温热电器件7和水冷散热器8。

测试过程中，所述热端控温平台用于控制待测器件5的热端温度，控温热电器件7用于调节均温传热板6的温度。

支架2的横梁上设置有孔洞，压杆3的上端穿过所述孔洞，压杆3的下端抵接补偿加热器4，补偿加热器4与均温传热板6的上端分别贴合于待测器件5的冷端与热端。控温热电器件7的上端采用导热胶贴合于均温传热板6的下端，控温热电器件7的下端贴合于水冷散热器8，水冷散热器8通过管道与所述恒温水冷机进行冷热交换；

所述直流稳压稳流电源包括第一直流稳压稳流电源和第二直流稳压稳流电源，所述第一直流稳压稳流电源与所述热端控温平台、补偿加热器4均电性连接，所述第二直流稳压稳流电源与待测器件5电性连接；

压杆3、补偿加热器4内、均温传热板6内分别设置有测温热电偶①、测温热电偶②和测温热电偶③；

支架2、压杆3、补偿加热器4、待测器件5、所述热端控温平台以及所述恒温水冷机均设置于真空密封罩9内。

优选地，所述热电制冷器件效能测试装置还包括数据采集仪和计算机；所述数据采集仪将测温热电偶①、②、③采集的数据传递至计算机。

优选地，所述热电制冷器件效能测试装置还包括PID控制器，计算机通过PID控制器调节第一直流稳压稳流电源，实现对控温热电器件7以及补偿加热器4的输出电流/电压的调节，从而控制均温传热板7与补偿加热器4的温度。

优选地，补偿加热器4为陶瓷加热器，陶瓷加热器选自氧化铝、氮化铝和氮化硅中的任一种。

优选地，水冷散热器8由高导热纯铜材料制成。

优选地，控温热电器件7的控温范围为-50℃～100℃。

优选地，均温传热板6由高导热材料制成，选自纯铜实心板、平板式铜热管和平板式铝热管中的任一种，其均温效果在-50℃～100℃内，-0.5℃≤均温效果≤0.5℃。

优选地，压杆3为中空管状结构，由低热导率材料制成，选自聚四氟乙烯、石英玻璃中的任一种，压杆3的测温热电偶①设置在压杆3的空腔内，其接头固定在压杆3的下端管口处。

压杆3上套设有弹簧10，压杆3设置有上限位部和下限位部，弹簧10的一端抵接支架2的横梁，另一端连接下限位部，弹簧10的直径小于下限位部的直径，上限位部的直径大于支架横梁上的孔洞的直径。

下述测试方法中，使用滑块1(为中空结构，孔径小于压杆上限位部的直径)套设在压杆3的上端将压杆3垫压在支架2的横梁上，便于补偿加热器、待测器件等组件的叠放。待组件搭载完毕，将滑块10卸下，在弹簧10的作用下，压杆3向补偿加热器4或待测器件5施加压力，此压力在1N～100N之间，保证各组件的紧密贴合。

优选地，均温传热板6与待测器件5的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，补偿加热器4与待测器件5的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，所述高导热界面材料选自导热硅脂、液态金属、导热垫片、焊锡中的任一种。

实施例2：制冷效率测量模式下的测试

将补偿加热器4、待测器件5自上而下依次叠置于均温传热板6上，卸下滑块1，通过弹簧10、压杆3施加压力保证各组件的紧密贴合。使用真空泵将真空密封罩9的内部调节为真空状态，此时第一直流稳压稳流电源为所述热端控温平台以及补偿加热器4供电，计算机通过PID控制器调节输出电流/电压以控制均温传热板6与补偿加热器4的温度，第二直流稳压稳流电源为待测器件5进行电流/电压步进扫描；数据采集仪将测温热电偶②、③采集的温度作为待测器件5的冷端温度T_c与热端温度T_h输送至计算机；当待测器件5的冷热端温度稳定后通过补偿加热器4的电流I_c、电压V_c计算得到器件制冷量Q_c＝I_c×V_c，以及器件消耗功率Q_TE＝I_TE×V_TE，两者比值Q_c/Q_TE即为该工况下的器件制冷效率系数COP。

实施例3：最大温差模式下的测试

移除补偿加热器4，将压杆3与待测器件5抵接，并使待测器件5贴合于均温传热板6上，使用真空泵将真空密封罩9内调节为真空状态，第二直流稳压稳流电为待测器件5进行电流/电压步进扫描，待每步温度稳定后，数据采集仪将测温热电偶①读取的温度作为待测器件5的冷端温度T_c，测温热电偶③读取的温度作为待测器件5的热端温度T_h传输至计算机；计算机记录T_h与T_c的差值以及相应的输入电压、输入电流，该差值最大时即为稳态下待测器件5的最大温差△T_max。

测试结果如表1以及图5-6所示，表1为应用上述模式对不同器件测试时的最大温差测试ΔT_max数据记录表及其性能参数。

表1不同器件最大温差测试数据

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，包括支架、压杆、补偿加热器、待测器件、用于给待测器件热端控温的热端控温平台、真空密封罩、恒温水冷机、直流稳压稳流电源和真空泵；

所述热端控温平台包括水冷散热器、均温传热板和用于调节所述均温传热板温度的控温热电器件；

所述支架的横梁上设置有孔洞，所述压杆的上端穿过所述孔洞，所述压杆的下端抵接所述补偿加热器，所述补偿加热器与所述均温传热板的上端分别贴合于所述待测器件的冷端与热端，所述控温热电器件的上端贴合于所述均温传热板的下端，所述控温热电器件的下端贴合于所述水冷散热器，所述水冷散热器通过管道与所述恒温水冷机进行冷热交换；

所述直流稳压稳流电源包括第一直流稳压稳流电源和第二直流稳压稳流电源，所述第一直流稳压稳流电源与所述热端控温平台、所述补偿加热器均电性连接，所述第二直流稳压稳流电源与所述待测器件电性连接；

所述均温传热板内、所述补偿加热器内与所述压杆均设置有测温热电偶；

所述支架、所述压杆、所述补偿加热器、所述待测器件、所述热端控温平台以及所述恒温水冷机均设置于所述真空密封罩内。

2.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，还包括记录所述测温热电偶数据的数据采集仪和计算机；所述数据采集仪记录所述测温热电偶的数据并传递至计算机。

3.根据权利要求2所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，还包括PID控制器，所述计算机通过所述PID控制器调节第一直流稳压稳流电源。

4.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述补偿加热器为陶瓷加热器，所述陶瓷加热器选自氧化铝、氮化铝和氮化硅中的任一种。

5.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述水冷散热器由高导热纯铜材料制成。

6.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述控温热电器件的控温范围为-50℃～100℃。

7.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述均温传热板由高导热材料制成，选自纯铜实心板、平板式铜热管和平板式铝热管中的任一种，其均温效果在-50℃～100℃内，-0.5℃≤均温效果≤0.5℃。

8.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述压杆为中空管状结构，由低热导率材料制成，选自聚四氟乙烯、石英玻璃中的任一种，所述压杆的测温热电偶设置在所述压杆的空腔内，其接头固定在所述压杆的下端管口处；

所述压杆上套设有弹簧，所述压杆设置有上限位部和下限位部，所述弹簧的一端抵接所述支架的横梁，另一端连接下限位部，所述弹簧的直径小于所述下限位部的直径，所述上限位部的直径大于所述孔洞的直径。

9.根据权利要求1所述的热电制冷器件效能测试装置，其特征在于，所述均温传热板与所述待测器件的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，所述补偿加热器与所述待测器件的贴合面上均匀涂覆有高导热界面材料，所述高导热界面材料选自导热硅脂、液态金属、导热垫片、焊锡中的任一种。

10.根据权利要求1-9任一所述的热电制冷器件效能测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

制冷效率模式测量(1)

将所述补偿加热器、待测器件自上而下依次叠置于均温传热板上，通过弹簧、压杆施加压力保证各组件的紧密贴合；使用真空泵将真空密封罩的内部调节为真空状态，第一直流稳压稳流电源为所述热端控温平台以及所述补偿加热器供电，所述计算机通过所述PID控制器调节输出电流/电压以控制均温传热板与补偿加热器温度，第二直流稳压稳流电源为待测器件进行电流/电压步进扫描；数据采集仪将补偿加热器与均温传热板处设置的测温热电偶采集的温度分别作为待测器件冷端温度T_c与热端温度T_h输送至计算机；当待测器件冷热端温度稳定后通过补偿加热器的输入电流I_c、电压V_c计算得到器件制冷量Q_c＝I_c×V_c，通过待测器件的输入电流I_TE和电压V_TE得到待测器件消耗功率Q_TE＝I_TE×V_TE，两者比值Q_c/Q_TE即为该工况下的器件制冷效率系数COP；

最大温差模式测量(2)

移除所述补偿加热器，将所述压杆与待测器件抵接，并使待测器件贴合于均温传热板上，使用真空泵将真空密封罩内调节为真空状态，第二直流稳压稳流电源为待测器件供电并进行电流/电压步进扫描，待每步温度稳定后，数据采集仪将所述压杆内嵌的测温热电偶读取的温度作为待测器件的冷端温度T_c，所述均温传热板内的测温热电偶读取的温度作为待测器件的热端温度T_h传输至计算机；计算机记录T_h与T_c的差值以及第二直流稳压稳流电源相应的输入电压、输入电流，该差值最大时即为稳态下待测器件的最大温差△T_max。

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