RU2783751C1 - Устройство для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов - Google Patents
Устройство для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783751C1 RU2783751C1 RU2022102543A RU2022102543A RU2783751C1 RU 2783751 C1 RU2783751 C1 RU 2783751C1 RU 2022102543 A RU2022102543 A RU 2022102543A RU 2022102543 A RU2022102543 A RU 2022102543A RU 2783751 C1 RU2783751 C1 RU 2783751C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- test sample
- measuring unit
- heater
- working chamber
- sample
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon(0) Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000789 fastener Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 101710019510 AGPL2 Proteins 0.000 description 1
- 241000208140 Acer Species 0.000 description 1
- 101700026285 SHR1 Proteins 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании устройств преобразования тепловой энергии в электрическую. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства определения электрофизических характеристик. Сущность: устройство для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов содержит рабочую камеру для размещения исследуемого образца, полость которой соединена с системой вакуумирования и заполнения различными газами, нагреватель одной из поверхностей исследуемого образца, соединенный с источником питания постоянного тока, температурными датчиками и программатором температур, система охлаждения противоположной нагреваемой поверхности исследуемого образца, узел для обеспечения теплового контакта нагреваемой и охлаждаемой поверхности исследуемого образца с нагревателем и охлаждаемой зоной камеры соответственно, измерительный блок, включающий вольтметр и омметр. В качестве системы охлаждения используют проточное водяное охлаждение. В измерительный блок дополнительно входит магазин сопротивлений с возможностью подключения к электрической цепи измерительного блока различных по величине сопротивлений для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого образца. Узел для обеспечения надежного теплового контакта выполняют в виде пружинного блока с крепежными элементами с возможностью изменения силы сжатия образца. В качестве газа рабочей камеры может быть использован ксенон. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к измерительной техники при создании устройств преобразования тепловой энергии в электрическую.
Развитие термоэлектрической энергетики связано, в первую очередь, с разработкой новых измерительных методик и устройств, предназначенных для получения рабочих характеристик термоэлектрических материалов (ТЭМ) и полупроводниковых термоэлектрических батарей (ПТЭБ). Это позволит выявлять наиболее перспективные материалы и технологии их изготовления. В конечном итоге это поможет выйти на изготовление полупроводниковых термоэлектрических батарей нового поколения с улучшенными характеристиками.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения дифференциального (т.е. при малом перепаде температуры) коэффициента термо-ЭДС и удельной электропроводности (Методы и устройства измерения термо-ЭДС и электропроводности термоэлектрических материалов при высоких температурах. А.Т. Бурков, А.И. Федотов, А.А. Касьянов, Р.И. Пантелеев, Т. Накама. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, т. 15, №2, стр. 173-195). Одной из важных частей установки является держатель образцов, размещаемый внутри вакуумной камеры, которая может откачиваться с помощью турбомолекулярного насоса до вакуума порядка 10-4 Па. Камера заполняется газообразным гелием до давления несколько выше атмосферного. Основой держателя являются две коаксиальные трубки из высокотемпературной стали, которые смонтированы на вакуумном фланце. Внутренняя трубка крепится на верхней части фланца. Градиентная печка, поддерживающая пластина и радиатор крепятся на другом конце внутренней трубки. Внешняя трубка центрируется относительно внутренней трубки с помощью стальных дисков, которые монтируются на внутренней трубке на расстоянии около 50 мм друг от друга. Стальная поддерживающая пластина располагается между градиентным нагревателем и радиатором, изготовленными из молибдена. Выбор в качестве материала для нагревателя и радиатора молибдена обусловлено большой теплопроводностью и механической стабильностью при высоких температурах. Образец прижимается к поддерживающей пластине с помощью рычага, прижимной пластины и стальной пружины. Эти детали выполнены из специальной высокотемпературной стали. Температура образца и разности потенциалов на образце измеряются с помощью термопар.
Недостатком данного устройства является то, что оно используется только для определения электрофизических характеристик образцов термоэлектрических материалов. При разработке новых ПТЭБ необходимо определять электрофизические характеристики изделия, в частности, вольт-амперную характеристику ПТЭБ. Кроме того, устройство не обеспечивает измерение интегрального термо-ЭДС (т.е. ЭДС при значительном перепаде температуры между торцами образца материала).
Задачей настоящего изобретения является обеспечение определения характеристик не только образцов термоэлектрических материалов, но и вновь разрабатываемых изделий - ПТЭБ.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства определения электрофизических характеристик.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов, содержащем рабочую камеру для размещения исследуемого образца, которая соединена с системой вакуумирования и заполнения различными газами, нагреватель одной из поверхностей исследуемого образца, соединенный с источником питания постоянного тока, температурными датчиками и программатором температур, система охлаждения противоположной нагреваемой поверхности исследуемого образца, узел для обеспечения теплового контакта нагреваемой и охлаждаемой поверхности исследуемого образца с нагревателем и охлаждаемой зоной камеры соответственно, измерительный блок, включающий вольметр и омметр, новым является то, что в качестве системы охлаждения используют проточное водяное охлаждение, дополнительно в измерительный блок входит магазин сопротивлений, с возможностью подключения к электрической цепи измерительного блока различных по величине сопротивлений для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого образца, причем узел для обеспечения теплового контакта выполняют в виде пружинного блока с крепежными элементами с возможностью изменения силы сжатия образца.
В качестве газа рабочей камеры может быть использован ксенон.
Наличие отличительных признаков позволяет заявляемому устройству производить измерение не только дифференциального, но и интегрального термо-ЭДС, которое осуществляется посредством реализации контакта термоэлектрической ветви (столбика) с нагревателем (с одной стороны) и охлаждаемым днищем камеры, с другой стороны.
Кроме того, реализована возможность получения характеристик не только ТЭМ, но и изготавливаемых из ТЭМ батарей ПТЭБ.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов, на фиг. 2, 3 - рабочие характеристики ПТЭБ, где:
1 - ПТЭБ; 2 - нагреватель; 3, 4 - разъемы; 5- система охлаждения; 6, 7 - вакуумметры; 8 - система вакуумирования; 9 - баллон с рабочим газом; 10 - программатор; 11 - преобразователь интерфейса; 12 - магазин сопротивлений; 13 - вольтметр; 14 - компьютер блока управления; 15 - источник постоянного тока; 16 - омметр; 17 - печь нагревателя.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить стенд для определения электрофизических характеристик термоэлектрических материалов и полупроводниковых термоэлектрических батарей.
Стенд включает рабочую камеру для размещения исследуемого образца -среднетемпературной батареи ПТЭБ. Камера включает медное водоохлаждаемое основание для установки на нем батареи ПТЭБ. Нагреватель размещен в рабочей камере на одной из поверхностей ПТЭБи соединен с печью лабораторной Nabertherm RT50/250/13. Камера снабжена шаровым разъемом ШР1 для подсоединения программного регулятора температуры термодат-17Е6/4УВ. Разъем ШР2 - для соединения с магазином сопротивлений 0,2 - 15,0 Ом и источником постоянного тока Б5-101. Система охлаждения выполнена в виде проточного водяного охлаждения и представляет собой теплопровод, проходящий под днищем рабочей камеры. Система вакуумирования включает вакуумметр Мерадат-ВИТ-19ИТ2, вакуумметр модель 1227, вакуумную установку с насосами вакуумным НВР-5Д и диффузионным Н-0.5. Полость рабочей камеры заполняется ксеноном (Хе) из газового баллона. Вакуумметр Мерадат-ВИТ-19ИТ211, Термодат-17Е6/4УВ через преобразователь интерфейса USB/RS485 типа СК201 подключен к компьютеру ноутбук типа ACER блока управления. Измерительный блок включает универсальный вольтметр В7-58/2, омметр цифровой HIOKI RM3543.
Основной характеристикой батарей ПТЭБ является их вольт-амперная характеристика ВАХ, которая определяется следующим образом.
Помещаем батарею ПТЭБ 1 на медное водоохлаждаемое днище рабочей камеры, устанавливаем на это днище термопару КТХА, на горячий спай батареи ПТЭБ помещаем медную пластину с установленной в ней термопарой КТХА и нагревателем 2, включаем магистраль водяного охлаждения 5 и производим нагрев батареи 1 по программе, задаваемой терморегулятором термодат-17Е6/4УВ 10, до достижения на горячем спае требуемой температуры. Далее выполняется снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) путем последовательного переключения сопротивления внешней нагрузки 12 от значения 5.0 Ом до 0.2 Ом с выдерживанием на каждой нагрузке в течение 10 мин и записью значений "ток-напряжение" на момент окончания каждой из этих временных выдержек, и по полученным значениям "ток-напряжение" строится ВАХ в EXCEL (фиг. 2, 3). В таблице 1 приведены полученным значениям "ток-напряжение".
Калибровка по электросопротивлению применяемого измерительного средства -цифрового омметра HIOKI RM3543 производилась с применением эталонного средства измерений «Мера электрического сопротивления постоянного тока многозначная Р3026-1 регистрационный номер 8478-91», свидетельство о поверке №09-30/590-2018-0727-20. Диапазон эталонных сопротивлений - от 10-3 Ом до 106 Ом. Выполнены калибровочные опыты по определению дифференциального коэффициента термо-ЭДС. Для чистой меди - эталона при температуре 300 К значение дифференциального коэффициента термо-ЭДС должно быть равно α=1,83 мкВ/К. Измеренные значения для эталонного образца при повторных измерениях α=1,80 мкВ/К; 1,94 мкВ/К; 1,89 мкВ/К; 1,90 мкВ/К; 1,89 мкВ/К.
Проведены опыты по определению интегрального коэффициента термо-ЭДС α для образца перспективного термоэлектрического материала - антимонида цинка Zn4Sb3. Значение измеренного интегрального коэффициента термо-ЭДС составило α=142,80 мкВ/К при перепаде температуры ΔТ=252,1°С. Для данного перепада температуры в литературе [Получение и свойства термоэлектрического материала на основе Zn4Sb3 / Панченко В.П., Табачкова Н.Ю., Иванов А.А., Сенатулин Б.Р. и др. // Физика и техника полупроводников - 2017 - т. 51, №6. - С. 748 - 751] приведены значения интегрального термо-ЭДС от 140 до 175 мкВ/К, что хорошо согласуется с нашими результатами.
Таким образом, результаты проведенных измерений рабочих характеристик ПТЭБ и термоэлектрических ветвей показали, что стенд А0718-2 Г380 является надежным инструментом для аттестации ПТЭБ и определения характеристик термоэлектрических материалов.
Claims (2)
1. Устройство для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов, содержащее рабочую камеру для размещения исследуемого образца, полость которой соединена с системой вакуумирования и заполнения различными газами, нагреватель одной из поверхностей исследуемого образца, соединенный с источником питания постоянного тока, температурными датчиками и программатором температур, система охлаждения поверхности исследуемого образца, противоположной нагреваемой, узел для обеспечения теплового контакта нагреваемой и охлаждаемой поверхности исследуемого образца с нагревателем и охлаждаемой зоной камеры соответственно, измерительный блок, включающий вольтметр и омметр, отличающееся тем, что в качестве системы охлаждения используют проточное водяное охлаждение, дополнительно в измерительный блок входит магазин сопротивлений с возможностью подключения к электрической цепи измерительного блока различных по величине сопротивлений для снятия вольт-амперной характеристики исследуемого образца, причем узел для обеспечения теплового контакта выполняют в виде пружинного блока с крепежными элементами с возможностью изменения силы сжатия образца.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве газа в рабочей камере используют ксенон.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2783751C1 true RU2783751C1 (ru) | 2022-11-16 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU694775A1 (ru) * | 1978-06-23 | 1979-10-30 | Государственное Специальное Конструкторское Бюро Теплофизического Приборостроения | Устройство дл измерени термоэлектрической эффективности изделий |
| SU1379752A1 (ru) * | 1985-07-24 | 1988-03-07 | Черновицкий Государственный Университет | Устройство дл измерени термоэлектрической эффективности термоэлементов |
| SU1597971A1 (ru) * | 1988-08-01 | 1990-10-07 | Предприятие П/Я А-7797 | Устройство дл теплофизических измерений термоэлектрических батарей и ветвей термоэлементов |
| JP2004022912A (ja) * | 2002-06-18 | 2004-01-22 | Yamaha Corp | 熱電特性評価方法及び装置 |
| PL391503A1 (pl) * | 2010-06-14 | 2011-12-19 | Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica | Urządzenie do wyznaczania charakterystyk modułu termoelektrycznego |
| US9448121B2 (en) * | 2012-04-10 | 2016-09-20 | Industrial Technology Research Institute | Measurement method, measurement apparatus, and computer program product |
| JP6300719B2 (ja) * | 2012-04-26 | 2018-03-28 | 株式会社明治 | 膨化スナック食品及び含浸膨化スナック食品 |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU694775A1 (ru) * | 1978-06-23 | 1979-10-30 | Государственное Специальное Конструкторское Бюро Теплофизического Приборостроения | Устройство дл измерени термоэлектрической эффективности изделий |
| SU1379752A1 (ru) * | 1985-07-24 | 1988-03-07 | Черновицкий Государственный Университет | Устройство дл измерени термоэлектрической эффективности термоэлементов |
| SU1597971A1 (ru) * | 1988-08-01 | 1990-10-07 | Предприятие П/Я А-7797 | Устройство дл теплофизических измерений термоэлектрических батарей и ветвей термоэлементов |
| JP2004022912A (ja) * | 2002-06-18 | 2004-01-22 | Yamaha Corp | 熱電特性評価方法及び装置 |
| PL391503A1 (pl) * | 2010-06-14 | 2011-12-19 | Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica | Urządzenie do wyznaczania charakterystyk modułu termoelektrycznego |
| US9448121B2 (en) * | 2012-04-10 | 2016-09-20 | Industrial Technology Research Institute | Measurement method, measurement apparatus, and computer program product |
| JP6300719B2 (ja) * | 2012-04-26 | 2018-03-28 | 株式会社明治 | 膨化スナック食品及び含浸膨化スナック食品 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Determination of thermoelectric module efficiency: A survey | |
| CN101285788B (zh) | 一种热电材料测量仪 | |
| Kallaher et al. | An apparatus for concurrent measurement of thermoelectric material parameters | |
| CN202837214U (zh) | 热电材料测试样品座及其热电性能测量装置 | |
| CN107607849B (zh) | 热电器件发电性能测试装置及方法 | |
| Kubicár et al. | A step-wise method for measuring thermophysical parameters of materials | |
| CN104422711B (zh) | 一种变温样品台及热电性能测量方法 | |
| He et al. | An approximate and efficient characterization method for temperature-dependent parameters of thermoelectric modules | |
| CN109613051B (zh) | 一种采用对比法测量材料Seebeck系数的装置及方法 | |
| CN109781780B (zh) | 一种简易高导热材料导热系数稳态测试系统 | |
| CN112034002A (zh) | 一种热电材料塞贝克系数的测量装置和方法 | |
| US11474060B2 (en) | Instruments for measurement of multiple material properties | |
| Tritt et al. | Measurement techniques and considerations for determining thermal conductivity of bulk materials | |
| CN104062318B (zh) | 用于测量样品的热电性能的样品座及测量方法 | |
| Hejtmánek et al. | Test system for thermoelectric modules and materials | |
| RU2783751C1 (ru) | Устройство для определения электрофизических характеристик образцов из термоэлектрических материалов | |
| CN104122469B (zh) | 一种提高测量热电材料Seebeck系数精度的方法 | |
| CN109781781A (zh) | 一种Seebeck系数的交流测试装置及方法 | |
| CN103336024B (zh) | 热电材料的热电性能测试系统 | |
| CN107255650A (zh) | 一种关于热电材料Seebeck系数测试方法 | |
| CN209878636U (zh) | 一种热电参数测试装置 | |
| Zandt et al. | Capabilities for dielectric-constant gas thermometry in a special large-volume liquid-bath thermostat | |
| CN102590274B (zh) | 薄膜热电材料热导率测试系统及方法 | |
| Jurado et al. | An AC calorimeter probe for a closed-cycle cryogenic station | |
| Zaporozhets et al. | Information Measurement System for Thermal Conductivity Studying |