CN201307065Y - 多级温差电致冷组件性能测试装置 - Google Patents

多级温差电致冷组件性能测试装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种多级温差电致冷组件性能测试装置，包括控温部分和采样电路，其特点是：所述控温部分包括控温平台、控温温差电组件、散热器和散热风机；所述采样电路包括多个通道的数据采集装置、冷端热偶和热端热偶，测试最大致冷功率用的薄膜加热器，被测试的多级温差电组件和薄膜加热器上分别连接有直流电源。由于采用了控制平台，得到快速准确控制热端温度，解决了多级温差电致冷组件性能测试困难且准确度低的问题；采用了采样电路，使得电压、电流信号采集精度更高、更准确；采用了薄膜加热器，有效的解决了多级致冷组件功率测试难题，而且测试准确性大幅度提高，在高密散热器上制作水套，兼具风、水冷散热方式，提高了散热效果。

Description

多级温差电致冷组件性能测试装置
技术领域
本实用新型属于温差电测试技术领域，特别是涉及一种多级温差电致冷组件性能测试装置。
背景技术
目前公知的多级温差电致冷组件已广泛应用于在空间等高科技领域。许多国家都在大力开展多级组件研发工作。为保证多级温差电致冷组件的寿命，要对制作出组件的最大温差、最大温差电压、最大温差电流和最大制冷功率4个性能指标进行测试。由于温差电组件属于电热转换部件，电热转换紧密，特别是多级组件一旦试验装置精度不高使得最大温差、最大致冷功率等性能参数测试数据不真实，将给使用该组件的整机带来无法挽回的影响。最大温差通常是指将多级温差电组件的热面温度恒定为30℃，常态下给多级温差电致冷组件施加15V±1.5V的最大工作电压，且冷面无热负荷时，测试冷热面之间的温差为最大温差；最大温差电压和最大温差电流是最大温差条件下测试的电压值和电流值；最大致冷功率通常是指多级温差电组件的热面温度恒定为30℃，通以最大温差电压进行工作，当冷面温度与热面温度一致时(ΔT＝Th-Tc＝0)，测试冷面加热器的工作功率即为最大致冷功率。目前对多级温差电致冷组件4个指标的测试方式是由各种散件测试设备临时拼凑而成，集成度差，样品热面温度手控，控温不准，测试参数无法直接读取，测试效果不甚理想，并且无法进行致冷功率测试。
发明内容
本实用新型为解决现有技术中存在的问题，提供了一种集成度高，测试数据准确，测试参数可以直接读取，能够进行致冷功率测试，并且操作简单的多级温差电致冷组件性能测试装置。
本实用新型所采取的技术方案是：
多级温差电致冷组件性能测试装置，包括控温部分和采样电路，其特点是：所述控温部分包括控温平台、控温温差电组件、散热器和散热风机，控温平台上表面与被测试的多级温差电组件热端紧密接触，下表面与控温温差电组件的冷面紧密贴合，控温温差电组件热面紧贴散热器上面，散热器下面设置有散热风机；所述采样电路包括多个通道的数据采集装置、位于被测试的多级温差电组件上面的冷端热偶、控温平台中的热端热偶，被测试的多级温差电组件和冷端热偶之间的薄膜加热器，被测试的多级温差电组件和薄膜加热器上分别连接有直流电源，并且被测试的多级温差电组件和薄膜加热器与连接的直流电源之间串联一个采样电阻，数据采集装置的通道分别与冷端热偶、热端热偶、被测试的多级温差电组件、薄膜加热器、被测试多级温差电组件上的采样电阻和薄膜加热器上的采样电阻并联。
本实用新型还可以采用如下技术措施：
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述散热器基板上沿着散热片走向设置有两个及以上通孔，孔内嵌有紫铜热管，形成进、出水回路，并在孔内填充导热硅脂，出口用导热胶封闭。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述控温部分设置有外壳，散热器通过聚四氟螺栓固定在外壳上，散热风机上设置有风机罩，风机罩通过螺栓与散热器两侧连接后支撑固定在外壳的底面板上；外壳上面通过紧固螺栓固定有支架，支架的另一端上设有一孔，孔上有一个可上下移动的硬塑螺杆，硬塑螺杆下面有一个大于硬塑螺杆直径的圆锥头，硬塑螺杆内部有一个测试多级温差电组件冷面的热偶，硬塑螺杆上端为螺纹，硬塑螺杆上端套有高强弹簧，通过螺母将其固定在硬塑螺杆上。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述外壳两侧面板设置有镂空结构通风孔；外壳一侧面板上设置有分别与外壳内外电源线和信号线连接的两个航空插头；外壳一侧面板上还设置有进水嘴和出水嘴；外壳面板上面设置有接线座。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述紫铜热管构成进出、水回路。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述数据采集装置为Agilent34970A数据采集单元。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述采样电阻均为0.01Ω的标准电阻。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述控温平台为紫铜控温平台。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述散热风机为高速直流轴流风机。
所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特点是：所述薄膜加热器为两个外表面为聚酰亚胺薄膜，内部为超细电阻丝，通过聚酰亚胺高温压制成0.1-0.3mm厚的聚酰亚胺薄膜加热器。
本实用新型具有的优点和积极效果：多级温差电致冷组件性能测试装置由于采用了控制平台，得到快速准确控制热端温度，解决了多级温差电致冷组件性能测试困难且准确度低的问题，为多级组件应用提供了更大的平台；采用了采样电路，使得电压、电流信号采集精度更高、更准确；采用了薄膜加热器使功率测试环节热负载更加容易调控和计量，有效的解决了多级致冷组件功率测试难题，而且测试准确性大幅度提高，在高密散热器上制作水套，兼具风、水冷散热方式，提高了散热效果。
附图说明
图1为本实用新型多级温差电致冷组件性能测试装置结构主视示意图；
图2为图1的俯视示意图；
图3为本实用新型散热器主视示意图；
图4为图3的俯视示意图；
图5为多级温差电致冷组件性能测试装置采样电路示意图。
图中，1、外壳；2、接线座；3、螺栓；4、热偶孔；5、出水嘴A；6、航空插头A；7、航空插头B8、进水嘴A；9、底座；10、通风孔；11、进水嘴B；12、支架；13、硬塑螺杆；14、高强弹簧；15、螺母；16、冷端热偶；17、薄膜加热器；18、多级温差电组件；19、热端热偶；20、控温平台；21、控温温差电组件；22、散热器；23、出水嘴B；24、风机罩；25、散热风机；26、进风通道；27、紫铜热管；28、直流电源A；29、采样电阻A；30、直流电源B；31、采样电阻B；32、Agilent34970A数据采集单元。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合图1-图3附图详细说明如下：
实施例1：
选用外形尺寸长×宽×高为220mm×180mm×150mm轻质高强度铝合金作为外壳1，外壳1侧面均采取镂空式结构，实现装置内外对流，为装置实现良好散热提供足够的通风口，外壳1侧面安装有航空插头A6、航空插头B7、进水嘴A8和出水嘴A5；航空插头A6、航空插头B7作为装置内外电源、信号线的转换接口，起到将强电和弱点分开，避免信号干扰，实现引线分类集束和标识，布线整齐，整体美观的作用；外壳1上面安装有为被测试的多级温差电组件18和薄膜加热器17提供电连接端子的接线座2，外壳1下面安装有底座9，实现支撑，保证整体装置良好机械强度；
选用导热性良好的紫铜加工制成控温平台20，控温平台20的底面尺寸长×宽为85mm×85mm，顶面尺寸长×宽为40mm×40mm，平台的整体高度为12mm，其中底面平台高度为5mm，顶面平台高度为7mm，并在控温平台20的小台内部嵌入热端热偶19，控温平台20的顶面位于外壳1的外面；当只测试多级致冷组件的最大温差、最大温差电压和最大温差电流时，控温平台20直接与多级温差电组件18的热面接触；当测试多级致冷组件最大致冷功率时，控温平台20与多级温差电组件18的热面之间需要设有一个薄膜加热器17，薄膜加热器17两个外表面材料为聚酰亚胺薄膜，内部为超细电阻丝，通过聚酰亚胺高温压制成厚度为0.1mm，类似一个具有绝缘功能的电阻丝加热器。将致冷组件的热面温度为恒定30℃，对多级组件通以最大温差电压，给薄膜加热器17接通直流电源B30，使其工作，并调节薄膜加热器17电阻恒定的工作电压，当测试得到多级组件的冷热面温差ΔT＝Th-Tc＝0时，此时薄膜加热器的功率即是多级组件的最大致冷功率。多级致冷组件的控温平台20底面与控温温差电组件21的冷面接触，通过控温平台20的过渡传导将多级温差电组件18的热面热量和控温温差电组件21的冷面的致冷量相互耦合，维持固定温度实现控温，散热器22、控温温差电组件21和控温平台20构成控温模块，通过4个聚四氟螺栓3将外壳1和散热器22紧密连接，保证整个控温模块的机械强度；
选用外形尺寸长×宽×高为130mm×130mm×45mm，基板厚为10mm，散热片厚度为2mm，散热片间距为3mm作为高密散热器22，散热器22引入了空调中散热效果良好的热管方法，即在基板上沿着散热片走向加工Φ8通孔6个，孔间距为22mm，在孔内嵌入柔性紫铜热管27，并在孔内填充导热硅脂，出口用导热胶封闭，实现水冷散热，水冷散热是使嵌入在散热器22基板内部的柔性紫铜热管27形成一个带有进水嘴B11和出水嘴B23的进出水通路，进水嘴B11和出水嘴B23分别与外壳1侧面上的进水嘴A8和出水嘴A5连接，在装置内外形成水、出水通路，保证水路环流将废热带走；进水、出水通路，紫铜热管27和散热器22构成整个环流散热系统；进风通道26通过固定在风机罩24上的高速直流轴流风机作为散热风机25实现良好散热提供进风口，外壳两侧面板上的镂空结构的通风孔10进一步保证良好的风冷散热；当控温温差电组件21热面产生较大的热量或随所需控温需求变化范围较大时，运用风冷散热方式无法满足要求时，可以采用水冷散热或者风冷和水冷同时散热方式实现。
控温温差电组件21是由4只TEC1-12706型温差电组件串联构成控温主要部件，控温时根据不同的环境温度和不同型号的多级温差电组件18功率差异，通过调节直流稳压电源A28来调节控温输入电压，实现良好控温；通过螺栓将支架12的一端固定在外壳1上，支架12的一端有一与多级致冷组件18对应的孔，硬塑螺杆13位于孔中自如升降，硬塑螺杆13下面有一个大于硬塑螺杆13直径的圆锥头，起防止硬塑螺杆13从支架12孔中弹出的作用，硬塑螺杆13内有一个热偶孔4，冷端热偶16位于热偶孔4中，测温部分在多级致冷组件18的被测试平面，位于支架12上端部分的硬塑螺杆13上端套有高强弹簧14，硬塑螺杆13上端为螺纹，通过旋紧螺母15，可以利用高强弹簧14的反作用力将硬塑螺杆13压紧在多级致冷组件18的被测试平面。
多级温差电致冷组件18性能测试的数据监测采集利用Agilent34970A数据采集单元32实现，Agilent34970A数据采集单元32由交流市电供电。该单元为多通道多功能数据采集装置。将其中的通道1-通道6分别与冷端热偶16、热端热偶19、多级温差电组件18、多级温差电组件18上的采样电阻A29、薄膜加热器17和薄膜加热器17上的采样电阻B30并联，实现测试数据采集，其中两个通道测量温度值，其余四个测量电压值。冷端热偶16、热端热偶19采集多级温差电组件18的冷端和热端得温度数据值。Agilent34970A数据采集单元32直接采集多级温差电组件18最大温差电压和薄膜加热器17端电压以及采样电阻A29和采样电阻B31的采样电压，采样电阻A29和采样电阻A31均为0.01Ω的标准电阻。将Agilent34970A数据采集单元32监测得到的采样电压除以0.01就是流过采样电阻的电流值，即分别流过多级温差电组件18和薄膜加热器17的电流值，通过该种换算得到电流测试数值。
多级温差电致冷组件性能测试装置工作过程如下：接通循环水并开启风机散热，常态下给多级温差电致冷组件施加15V±1.5V的最大工作电压，并使之处于正常工作。通过调节稳压直流电源A28来调节控温温差电组件输入电压，使控温平台的温度保持在30℃。当冷端热偶监测的温度值稳定时，记录此值，热端热偶温度与此值之差即为最大温差。换算得出最大温差电流。测试最大致冷功率时，需要将整个装置停止工作2-3分钟，使整个装置恢复到常态后，才能重新开启测试最大致冷功率。调节控温温差电组件21的电压，使控温平台20的温度保持在30℃，同时调节稳压直流电源B30调节薄膜加热器17的工作电压，使冷面监测温度也维持在30℃，经过一段时间，冷面温度稳定的维持在30℃时，此时记录薄膜加热器17的工作电压，通过采样电阻31的电压值换算其工作电流，计算两者的乘积得出最大致冷功率。

Claims (10)

1.多级温差电致冷组件性能测试装置，包括控温部分和采样电路，其特征在于：所述控温部分包括控温平台、控温温差电组件、散热器和散热风机，控温平台上表面与被测试的多级温差电组件热端紧密接触，下表面与控温温差电组件的冷面紧密贴合，控温温差电组件热面紧贴散热器上面，散热器下面设置有散热风机；所述采样电路包括多个通道的数据采集装置、位于被测试的多级温差电组件上面的冷端热偶、控温平台中的热端热偶，被测试的多级温差电组件和冷端热偶之间的薄膜加热器，被测试的多级温差电组件和薄膜加热器上分别连接有直流电源，并且被测试的多级温差电组件和薄膜加热器与连接的直流电源之间串联一个采样电阻，数据采集装置的通道分别与冷端热偶、热端热偶、被测试的多级温差电组件、薄膜加热器、被测试多级温差电组件上的采样电阻和薄膜加热器上的采样电阻并联。
2.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述散热器为高密散热器，其基板上沿着散热片走向设置有2个及以上通孔，孔内嵌有紫铜热管，形成进、出水回路，并在孔内填充导热硅脂，出口用导热胶封闭。
3.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述控温部分设置有外壳，散热器通过聚四氟螺栓固定在外壳上，散热风机上设置有风机罩，风机罩通过螺栓与散热器两侧连接后支撑固定在外壳的底面板上；外壳上面通过紧固螺栓固定有支架，支架的另一端上设有一孔，孔上有一个可上下移动的硬塑螺杆，硬塑螺杆下面有一个大于硬塑螺杆直径的圆锥头，硬塑螺杆内部有一个测试多级温差电组件冷面的热偶，硬塑螺杆上端为螺纹，硬塑螺杆上端套有高强弹簧，通过螺母将其固定在硬塑螺杆上。
4.根据权利要求3所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述外壳两侧面板设置有镂空结构通风孔；外壳一侧面板上设置有分别与外壳内外电源线和信号线连接的两个航空插头；外壳一侧面板上还设置有进水嘴和出水嘴；外壳面板上面设置有接线座。
5.根据权利要求2所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述紫铜热管构成进出、水回路。
6.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述数据采集装置为Agilent34970A数据采集单元。
7.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述采样电阻均为0.01Ω的标准电阻。
8.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述控温平台为紫铜控温平台。
9.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述散热风机为高速直流轴流风机。
10.根据权利要求1所述的多级温差电致冷组件性能测试装置，其特征在于：所述薄膜加热器为两个外表面为聚酰亚胺薄膜，内部为超细电阻丝，通过聚酰亚胺高温压制成0.1-0.3mm厚的聚酰亚胺薄膜加热器。
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