CN115166394A - 一种热电器件循环实验装置 - Google Patents

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刘泽宇
秦江
刘志杰
刘尊
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Abstract

本发明属于热电器件测试相关技术领域，其公开了一种热电器件循环实验装置，装置包括：实验腔体；实验腔体内部设置有加载单元，加载单元包括上部件和下部件，上部件由上至下依次包括散热单元和温度控制单元，下部件由下至上依次包括散热单元和温度控制单元；上部件或下部件通过传动轴与压力加载单元连接，以通过传动轴的上下运动实现压力的传递，与传动轴不连接的上部件或下部件固定于实验腔体内；第一电源和第二电源，第一电源用于控制温度控制单元的温度，第二电压用于控制待测热电器件的功率。本申请可以实现多种温度环境和功率下的加载实验，模拟出更加贴近实际场景的实验工况。

Description

一种热电器件循环实验装置
技术领域
本发明属于热电器件测试相关技术领域，更具体地，涉及一种热电器件循环实验装置。
背景技术
热电器件是基于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、傅里叶效应、焦耳效应等五个热电效应制成的固态器件，能实现热能与电能的直接转换。热电器件具有无运动部件、无噪音、响应快、易控制、易集成等优点，广泛应用于工业废热与汽车尾气废热回收、放射性同位素发电、局部电源应用、电子器件热管理、红外探测、精确控温、家用制冷等领域中。
热电器件在使用过程中，有不同的使用环境，如室外、随身携带、海洋船舶等，因此受到不同环境的应力，如风吹雨湿、振动与跌落、盐雾蚀侵等等。为了确认热电器件能在这些环境下正常工作，因此需要对热电器件的相关性能进行提前测试。其中高低温交变环境是对引发热电器件可靠性问题最多的环境之一，因此进行相应的热循环实验是热电器件可靠性实验中必须的一环。
但是，现有热电器件温度循环可靠性实验方法与实际工况存在较大差距，并不能很好地模拟热电器件在实际使用过程中所遭遇的环境应力。现有实验基本参照《GB/T2423.22-2012环境试验第2部分：试验方法试验N：温度变化》，具体实验方法为：将实验样品置于试验箱内，令其交替暴露于低温和高温(或合适的惰性气体)中，使其经受温度快速变化的影响。该种实验方法将令热电器件整体温度相对均匀，但在实际工况中，热电器件冷热端温差导致的内部温度梯度也是热电器件失效的主要因素之一，而非单纯的温度循环。此外，该种实验方法也难以控制加热与降温速率，而现有研究表明，循环中的加热与降温对热电器件可靠性有显著影响。因此，需要一种能提供更贴近实际场景实验工况且易于调节的热电器件循环实验装置。
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器件循环实验装置，可以实现多种温度环境和功率下的加载实验，模拟出更加贴近实际场景的实验工况。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热电器件循环实验装置，所述装置包括：实验腔体；实验腔体内部设置有加载单元，所述加载单元包括上部件和下部件，上部件由上至下依次包括散热单元和温度控制单元，所述下部件由下至上依次包括散热单元和温度控制单元；所述上部件或下部件通过传动轴与压力加载单元连接，以通过传动轴的上下运动实现压力的传递，与传动轴不连接的上部件或下部件固定于实验腔体内；第一电源和第二电源，所述第一电源与所述温度控制单元连接用于控制所述温度控制单元的温度，所述第二电压与待测热电器件连接，用于控制所述待测热电器件的功率。
优选地，所述装置还包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于检测待测热电器件的温度，所述压力传感器用于检测所述压力加载单元的输出压力。
优选地，所述散热单元为液冷热沉。
优选地，所述与传动轴不连接的上部件或下部件通过支架与实验腔体内部连接，与传动轴连接的上部件或下部件通过设于一平台上，所述平台套设于所述支架上，以通过所述支架的导向作用实现上部件和下部件的对准。
优选地，所述装置还包括控制单元，所述控制单元包括参数设定子单元和自动控制子单元，所述参数设定子单元用于设定温升参数和功率参数，所述自动控制子单元用于根据所述温度传感器和待测热电器件的功率数据以所述参数设定子单元中设定的参数为目标实现温度控制单元和待测热电器件的电压控制。
优选地，所述温升参数包括循环次数、循环周期、升温时间、恒温时间、降温时间、升温速率和降温速度；所述功率参数包括循环次数、循环周期、循环占空比和输出电压。
优选地，所述压力加载单元采用液压泵或气压泵供压。
优选地，所述第一电源和/或第二电源采用直流电加载方式，直流电压为0～20V，所述压力加载单元的加载压力为0～25MPa。
优选地，所述装置还包括真空单元，所述真空单元与所述实验腔体连接，用于控制所述实验腔体的真空度。
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，本发明提供的一种热电器件循环实验装置具有如下有益效果：
1.本申请采用上部件和下部件的加热方式，进而可以在热电器件内部产生温度梯度，避免了现有实验装置中的温度整体温度均匀变化的弊端，更加符合实际工况，并且通过模拟不同工况不同温度条件下的耦合影响，进而可以模拟更多工况，与实际工况更加符合。
2.本装置可以精准的控制热电器件上下端加热和降温速率，进而控制所述热电器件的内部温升梯度，进而可以研究热电器件的冷热端温差对热电器件失效的影响，采用两电源分别控制加热和功率有利于研究加热和功率的耦合作用。
3.本申请还包括散热单元，进而可以使得温度控制更加迅速，显著提高了温度控制效率，有利于模拟极端的温度环境。
4.通过真空度的控制可以实现真空环境下与温度极端变化环境下的实验模拟，可以模拟更加苛刻的实验工况。
附图说明
图1是本申请热电器件循环实验装置的整体外形结构示意图；
图2是本申请热电器件循环实验装置的内部结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-实验腔体；2-压力加载单元；3-传动轴；4-压力传感器；5-第一电源；6-第二电源；7-控制单元；8-真空单元；9-散热单元；10-压力源；11-法兰；12-供电接口；13-温度传感器接口；14-气压计接口；15-真空接口；16-支架；17-平台；18-温度控制单元；19-隔热板；20-液冷热沉；91，92-散热介质进出口。
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。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种热电器件循环实验装置，所述装置包括实验腔体1、加载单元、压力加载单元2、第一电源5和第二电源6，具体结构如下。
实验腔体为一个密闭的腔体结构，腔体的材质优选为不锈钢。实验腔体的下部设置法兰11，法兰11上开设有孔用于管道或电线穿过。例如，法兰下部设置有温度传感器接口13，供电接口12，散热介质进出口91，92以及传动轴孔。
实验腔体1内部设置有加载单元，所述加载单元包括上部件和下部件，上部件由上至下依次包括散热单元9和温度控制单元18，所述下部件由下至上依次包括散热单元9和温度控制单元18；所述上部件或下部件通过传动轴3与压力加载单元2连接，以通过传动轴3的上下运动实现压力的传递，与传动轴不连接的上部件或下部件固定于实验腔体1内。
进一步优选的方案中，散热单元9为液态散热介质散热，具体形式优选为液冷热沉20，热沉材质为铝，液态散热介质分别选用矿物油和乙二醇。散热单元9对冷热源中的液冷热沉20供给恒定温度的液体散热介质。散热单元包括恒温装置和水泵，通过管路和法兰上的散热介质进出口与液冷热沉连接形成回路。温度控制单元为电加热制冷方式，通过控制温度控制单元的电压实现温度调节。温度控制单元可以为型号为TEC12706的热电制冷器件，该型号器件可在-55℃～83℃的环境温度下正常运转。
上部件的散热单元和下部件的散热单元中的散热物质可以相同也可以不同。上部件的散热单元和下部件的散热单元的外部设有隔热板19，隔热板19的材质优选为玻璃纤维。
第一电源5和第二电源6，所述第一电源5与所述温度控制单元连接用于控制所述温度控制单元的温度，所述第二电压6与待测热电器件连接，用于控制所述待测热电器件的功率。
进一步优选的方案中，所述第一电源和/或第二电源采用直流电加载方式，直流电压为0～20V。
进一步优选的方案中，传动轴3的材质优选为40Cr合金钢。压力加载单元2的压力源10采用液压泵或气压泵供压，所述压力加载单元的加载压力为0～25MPa。
所述与传动轴不连接的上部件或下部件通过支架16与实验腔体内部连接，与传动轴连接的上部件或下部件通过设于一平台17上，所述平台17套设于所述支架16上，以通过所述支架的导向作用实现上部件和下部件的对准。支架材质为不锈钢。支架连接于法兰上。
该热电器件循环实验装置还包括温度传感器和压力传感器4，所述温度传感器用于检测待测热电器件的温度，所述压力传感器4用于检测所述压力加载单元的输出压力。温度传感器可以选择K型热电偶，K型热电偶通过温度传感器接口外延与控制单元连接，在控制单元上实时显示待测热电器件两端温度。
所述装置还包括控制单元7，所述控制单元7包括参数设定子单元和自动控制子单元，所述参数设定子单元用于设定温升参数和功率参数，所述自动控制子单元用于根据所述温度传感器和待测热电器件的功率数据以所述参数设定子单元中设定的参数为目标实现温度控制单元和待测热电器件的电压控制。
进一步优选的方案中，所述温升参数包括循环次数、循环周期、升温时间、恒温时间、降温时间、升温速率和降温速度；所述功率参数包括循环次数、循环周期、循环占空比和输出电压。
该热电器件循环实验装置还包括真空单元8，所述真空单元8与所述实验腔体1通过真空接口15连接，用于控制所述实验腔体的真空度，实验腔体上部设有气压计接口14，用于检测实验腔体的真空度。所述的真空单元可使实验腔体内绝对压力维持在100Pa以下。
采用本申请中的热电器件循环实验装置进行实验的方法如下：
S1：打开实验腔体，将待测热电器件放于上部件和下部件之间，通过压力加载单元设定装夹压力，确保温度传感器与待测热电器件两端接触良好。
S2：关闭实验腔体，开启真空系统抽真空，令实验腔体内气压为设定值；
S3：开启散热单元，对散热单元供给恒定温度的液态散热介质；
S4：温度传感器实时限制待测热电器件两端温度；
S5：在参数设定子单元中设定温升参数和功率参数；
S6：通过控制单元对待测热电器件进行自动热循环或自动功率循环；
S7：达到预先设定的循环次数，检测待测热电器件的性能。
在实际使用中，本发明的第一电源与第二电源可输出20V的直流电压，温度控制单元采用型号为TEC12706的热电制冷器件，可实现-55℃～83℃范围内的温度调节，最大升温、降温速率5℃/s，循环次数可达106，可以实现自动循环实验。
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 (9)

1.一种热电器件循环实验装置，其特征在于，所述装置包括：
实验腔体；
实验腔体内部设置有加载单元，所述加载单元包括上部件和下部件，上部件由上至下依次包括散热单元和温度控制单元，所述下部件由下至上依次包括散热单元和温度控制单元；所述上部件或下部件通过传动轴与压力加载单元连接，以通过传动轴的上下运动实现压力的传递，与传动轴不连接的上部件或下部件固定于实验腔体内；
第一电源和第二电源，所述第一电源与所述温度控制单元连接用于控制所述温度控制单元的温度，所述第二电压与待测热电器件连接，用于控制所述待测热电器件的功率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于检测待测热电器件的温度，所述压力传感器用于检测所述压力加载单元的输出压力。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热单元为液冷热沉。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述与传动轴不连接的上部件或下部件通过支架与实验腔体内部连接，与传动轴连接的上部件或下部件通过设于一平台上，所述平台套设于所述支架上，以通过所述支架的导向作用实现上部件和下部件的对准。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制单元，所述控制单元包括参数设定子单元和自动控制子单元，所述参数设定子单元用于设定温升参数和功率参数，所述自动控制子单元用于根据所述温度传感器和待测热电器件的功率数据以所述参数设定子单元中设定的参数为目标实现温度控制单元和待测热电器件的电压控制。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述温升参数包括循环次数、循环周期、升温时间、恒温时间、降温时间、升温速率和降温速度；所述功率参数包括循环次数、循环周期、循环占空比和输出电压。
7.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述压力加载单元采用液压泵或气压泵供压。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电源和/或第二电源采用直流电加载方式，直流电压为0～20V，所述压力加载单元的加载压力为0～25MPa。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括真空单元，所述真空单元与所述实验腔体连接，用于控制所述实验腔体的真空度。
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