RU167047U1 - Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов - Google Patents
Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU167047U1 RU167047U1 RU2016130890/28U RU2016130890U RU167047U1 RU 167047 U1 RU167047 U1 RU 167047U1 RU 2016130890/28 U RU2016130890/28 U RU 2016130890/28U RU 2016130890 U RU2016130890 U RU 2016130890U RU 167047 U1 RU167047 U1 RU 167047U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- heat flux
- emf
- thermo
- thermal conductivity
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
- G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
- G01N25/30—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements
- G01N25/32—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements using thermoelectric elements
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС термоэлектрических материалов состоит из измерительной ячейки, собранной в виде тепловой цепи «устройство нагрева-охлаждения - датчик теплового потока - медный концентратор теплового потока - буферный слой - образец в тепловом и электрическом контакте с двумя термопарами - буферный слой - концентратор теплового потока - датчик теплового потока - устройство нагрева-охлаждения», детали которой помещены в центре цилиндрического экрана с лучевозвращающими свойствами внутренней поверхности и в центре объема вакуумируемого сосуда из стеклянного колпака, герметизирующего резинового кольца и металлического основания.
Description
Настоящая полезная модель относится к области термоэлектрического преобразования энергии и предназначена для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС перспективных термоэлектрических материалов, используемых в термоэлектрических генераторах напряжения и рефрижераторах.
Энергетическая эффективность термоэлектрических материалов определяется их добротностью, прямо зависящей от величин коэффициентов термо-ЭДС (коэффициента Зеебека) и электропроводности и обратно зависящей от теплопроводности.
Более высокая точность измерений базовых термоэлектрических характеристик достигается в статическом режиме. При этом измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности проводятся при наличии температурных градиентов в исследуемом образце, в то время как измерение коэффициента электропроводности - в изотропном температурном поле.
В качестве аналогов заявленной модели можно рассматривать устройства для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности в статическом режиме, описанные в [J. Martin, T. Trit, C. Uber. Journal of Applied Physics, v. 108, p. 121101 (2010); A. Franco. Applied Thermal Engineering, v. 21, p. 2495 (2007)]. Поскольку в этих устройствах измерения указанных величин выполняются в ячейках, имеющих конфигурацию «источник тепла - теплопровод - датчик теплового потока - теплопровод - металлический контакт - образец - металлический контакт - теплопровод - датчик теплового потока - теплопровод - теплоотвод», то результаты измерения оказываются особенно чувствительными к надежности тепловых контактов между образцом и остальными деталями измерительной ячейки, а также к неконтролируемым потерям тепла с боковых поверхностей образца. Не менее значительной проблемой здесь является обеспечение надежного электрического контакта между образцом и металлическими контактными элементами, поскольку несимметричность вольтамперных характеристик контактов «металл-полупроводник» приводит к сильной зависимости точности результатов измерений от формы этих характеристик. Кроме того, протекание электрического тока через контакт «металл-полупроводник» приводит к инжекции носителей заряда из металла в полупроводник, что влияет на проводимость полупроводника и приводит к возникновению неконтролируемого градиента температуры в образце и к генерации дополнительной термо-ЭДС.
Наиболее близким к настоящей модели по технической сущности и достигаемому результату является измерительная ячейка [см. патент US 3733887, МПК G01N 25/18, 22.05.1973], принятая в качестве прототипа и предназначенная для измерений коэффициентов объемной и поверхностной теплопроводности и термо-ЭДС. В режиме измерений теплопроводности из элементов данной ячейки собирается тепловая цепь «нагреватель - медный цилиндрический теплопровод - керамическая изоляционная шайба - медная контактная шайба - исследуемый образец - медная контактная шайба - керамическая изоляционная шайба - термоэлектрический датчик теплового потока (элемент Пельтье) - керамическая изоляционная шайба - медный цилиндрический теплопровод - теплоотвод», в режиме измерения термо-ЭДС конфигурация измерительной ячейки меняется.
Недостатками прототипа и аналогов являются невозможность точного учета тепловых потерь с боковых поверхностей образца и необходимость демонтажа тепловых контактов при переходе от измерений теплопроводности к измерениям термо-ЭДС, что существенно влияет на точность выполняемых измерений.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка ячейки для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности полупроводниковых термоэлектрических материалов, в которой устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение точности измерений вследствие существенного уменьшения тепловых потерь с боковых поверхностей исследуемого образца, почти полного исключения продольной передачи тепла над поверхностью образца и создания в объеме образца стационарного и практически одномерного теплового потока, а также вследствие частичного устранения неконтролируемых эффектов в области тепловых и электрических контактов.
Технический результат достигается тем, что детали измерительной ячейки помещены в герметизированный сосуд, в объеме которой для уменьшения конвекционных потерь тепла с поверхности образца создается вакуум, а элементы ячейки, для уменьшения радиационных потерь, расположены в центре цилиндрического лучевозвращающего зеркала с периодической структурой, при этом обеспечена возможность выполнения измерений коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС без демонтажа тепловых и электрических контактов между элементами измерительной ячейки, а также возможность переключения направления теплового потока.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 схематично изображена камера с элементами измерительной ячейки;
- на фиг. 2 - горизонтальное сечение измерительной ячейки на уровне середины образца;
- на фиг. 3 - фрагмент вертикального сечения измерительной ячейки в радиальной плоскости.
На фигурах элементы модели обозначены следующими позициями:
1 - исследуемый образец;
2 - медные концентраторы теплового потока;
3 - датчики теплового потока (термоэлектрические модули);
4 - устройство «нагрев - охлаждение»;
5 - теплоизолирующее покрытие;
6 - лучевозвращающая зеркальная поверхность цилиндрического теплового экрана;
7 - стеклянный колпак;
8 - герметизирующее резиновое кольцо;
9 - основание корпуса камеры;
ТП1÷ТП4 - термопары «медь-константан».
Внешней оболочкой измерительной камеры является герметизированный сосуд, состоящий из стеклянного колпака 7 и металлического основания 9, состыкованных друг с другом посредством герметизирующего резинового кольца 8. С помощью вакуумного насоса в объеме камеры может быть создан вакуум, что необходимо для уменьшения конвекционных потерь тепла с боковых поверхностей исследуемого образца 1. В центральной части камеры находится измерительная ячейка, в которой исследуемый образец 1 в форме прямого цилиндра с помощью фольги из сплава «свинец-индий» приводится в надежный тепловой и электрический контакт с двумя медными концентраторами теплового потока 2, находящимися в тепловом контакте с керамическими поверхностями термоэлектрических модулей 3, используемых в качестве датчиков теплового потока, излучаемого одним из устройств «нагрев-охлаждение» 4, в то время как второе такое устройство переводится в режим охлаждения путем подачи холодного газа во встроенный змеевик. Для устранения излучения тепла в окружающее пространство внешние поверхности устройств «нагрев-охлаждение» покрыты теплоизолирующим материалом 5. В режиме измерения термо-ЭДС в качестве потенциальных зондов используются медные ветви термопар ТП1 и ТП2. Термопары ТП3 и ТП4 служат для контроля температуры керамических обкладок термоэлектрических модулей 3, используемых для определения величины теплового потока.
Отличием предлагаемой конструкции камеры для измерения коэффициентов термо-ЭДС и теплопроводности является то, что в ней радиационные потери тепла с боковых поверхностей образца 1 в значительной степени уменьшаются вследствие отражения излученных тепловых лучей от внутренней лучевозвращающей поверхности цилиндрического теплового экрана 6. Периодическая структура этой поверхности создана таким образом, чтобы лучи, излученные из некоторой точки боковой поверхности элементарного поперечного слоя образца 1 или медного концентратора 2, возвращались в ту же или другую точку поверхности этого же слоя (см. фиг. 2 и фиг. 3). Таким образом почти полностью исключается радиационный канал передачи тепла вдоль оси образца, при этом обмен тепловой энергией между различными точками поверхности каждого слоя приводит лишь к выравниванию температур этих точек и, следовательно, к одномерности теплового потока. Кроме того, предлагаемое устройство отличается от прототипа наличием двух устройств «нагрев-охлаждение», позволяющих переключать направление теплового потока через образец 1 и, таким образом, исключать эффекты несимметричности транспортных характеристик тепловых и электрических контактов.
Предлагаемая измерительная камера работает без демонтажа деталей измерительной ячейки в двух режимах - измерение коэффициента теплопроводности и термо-ЭДС. При измерении теплопроводности на первом этапе верхнее устройство «нагрев-охлаждение» 4 используют как нагреватель, а нижнее устройство - как теплоотвод. Количество тепла, пропускаемого через образец, регулируют путем изменения мощности резистивного нагревателя верхнего устройства 4 и определяют с помощью датчиков теплового потока 3. Температуры элементарных слоев образца 1 определяют с помощью термопар ТП1 и ТП2. Данные термопар ТП3 и ТП4 используют для калибровки показаний датчиков 3. На втором этапе режимы устройств 4 переключают. В качестве окончательного результата берут среднеарифметическое от результатов, полученных на этапах 1 и 2. Измерение коэффициента термо-ЭДС также проводится для противоположных направлений теплового потока через образец. В этом случае среднюю температуру образца получают с помощью устройств 4, работающих в режиме нагрева (или охлаждения). Требуемую разность температур в точках контактов ТП1 и ТП2 с образцом 1 получают путем подачи соответствующих напряжений на термоэлектрические модули 3.
Claims (1)
- Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-ЭДС термоэлектрических материалов состоит из измерительной ячейки, собранной в виде тепловой цепи «устройство нагрева-охлаждения - датчик теплового потока - медный концентратор теплового потока - буферный слой - образец в тепловом и электрическом контакте с двумя термопарами - буферный слой - концентратор теплового потока - датчик теплового потока - устройство нагрева-охлаждения», детали которой помещены в центре цилиндрического экрана с лучевозвращающими свойствами внутренней поверхности и в центре объема вакуумируемого сосуда из стеклянного колпака, герметизирующего резинового кольца и металлического основания.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130890/28U RU167047U1 (ru) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130890/28U RU167047U1 (ru) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU167047U1 true RU167047U1 (ru) | 2016-12-20 |
Family
ID=57793412
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016130890/28U RU167047U1 (ru) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU167047U1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2633405C1 (ru) * | 2016-07-18 | 2017-10-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии" (ФГУП "СНИИМ") | Устройство для измерений теплопроводности |
RU2750289C1 (ru) * | 2020-03-14 | 2021-06-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет» | Установка для исследования теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций |
RU2789020C1 (ru) * | 2022-03-09 | 2023-01-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ косвенного измерения теплопроводности по данным диэлькометрических измерений |
-
2016
- 2016-07-26 RU RU2016130890/28U patent/RU167047U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2633405C1 (ru) * | 2016-07-18 | 2017-10-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии" (ФГУП "СНИИМ") | Устройство для измерений теплопроводности |
RU2750289C1 (ru) * | 2020-03-14 | 2021-06-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет» | Установка для исследования теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций |
RU2789020C1 (ru) * | 2022-03-09 | 2023-01-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ косвенного измерения теплопроводности по данным диэлькометрических измерений |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Barako et al. | Thermal cycling, mechanical degradation, and the effective figure of merit of a thermoelectric module | |
CN101819074B (zh) | 一种薄膜式热流密度传感器制造方法 | |
Miao et al. | Design a new thermoelectric module with high practicability based on experimental measurement | |
CN102879129B (zh) | 一种热流密度测量装置和方法 | |
Lesage et al. | Optimal electrical load for peak power of a thermoelectric module with a solar electric application | |
RU167047U1 (ru) | Камера для измерения коэффициентов теплопроводности и термо-эдс термоэлектрических материалов | |
US9170223B2 (en) | Thermal conductivity measuring device and method of measuring the thermal conductivity | |
Lee et al. | Modelling of the thermal behaviour of an ultracapacitor for a 42-V automotive electrical system | |
KR20150007686A (ko) | 열전성능 측정 장치 | |
CN103512914A (zh) | 塞贝克系数测量系统 | |
Memon et al. | Experimental and theoretical performance evaluation of parabolic trough mirror as solar thermal concentrator to thermoelectric generators | |
US20130206989A1 (en) | Radiation Sensor | |
Muthu et al. | Theoretical and experimental study on a thermoelectric generator using concentrated solar thermal energy | |
Liu et al. | Enhancing the performance of fully-scaled structure-adjustable 3D thermoelectric devices based on cold–press sintering and molding | |
JP7232513B2 (ja) | ゼーベック係数測定装置及びその測定方法 | |
KR20190072366A (ko) | 태양전지 열전 융합소자 효율 측정방법 및 측정장치 | |
Francioso et al. | Experimental assessment of thermoelectric generator package properties: simulated results validation and real gradient capabilities | |
CN112595750B (zh) | 一种基于瞬态平面热源的近场热辐射探测器及测量方法 | |
KR101889818B1 (ko) | 열전도도 측정 장치 및 그 측정 방법 | |
CN109406010B (zh) | 一种水冷戈登量热计 | |
Takazawa et al. | Efficiency measurement of thermoelectric modules operating in the temperature difference of up to 550K | |
KR20160049514A (ko) | 열전소자 복합 특성 평가장치 | |
Pitarch | Advanced characterization of thermoelectric materials and devices by impedance spectroscopy | |
Ziolkowski et al. | Interlaboratory Testing for High‐Temperature Power Generation Characteristics of a Ni‐Based Alloy Thermoelectric Module | |
Guralnik et al. | Determination of thermoelectric properties from micro four-point probe measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20170215 |