TWI454672B - 熱電式熱流計與熱電轉換效率量測裝置 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種熱電式熱流計，特別是一種具有由P型以及N型熱電材料組成之熱電模組之熱電式熱流計。
近幾年，有關熱處理的領域中，熱量測量之必要性正逐漸受到重視。由於傳統的溫度計無法精確求得重要的熱訊息，故測量熱傳遞過程中，定義熱遷移量的大小、評價熱傳遞性能的熱流計油然而生。1914年，出現了最早應用於現場直接測量熱流的熱流傳感器。當時德國的Henky教授要測量通過啤酒廠內地板的熱流，用已知熱傳導率λ(W/m．K)，厚度d(m)的軟木板覆蓋地板，測出軟木板上下兩面的溫度差，達到穩定狀態後，通過軟木板的熱流密度Q(W/m2
)則可用Q=λ/d．△T求出，是現在所用的熱流計的雛型。然而，當待測熱源的面積越來越小，或是上述d的距離越來越短(<1 cm)時，測量溫差用的溫度計，其誤差值將嚴重影響熱流計判讀的結果，故利用熱傳導式的熱流計在某些嚴苛的量測條件下將不適用。
1924年，Schmidt利用繞在橡膠帶上的熱電堆(Thermopile)量熱流密度。一般認為這是第一種實用的熱流計，例如熱電堆的工作原理乃在於當待測物溫度與熱流計本身的溫度有一差異時，熱電堆會產生一電壓輸出訊號，溫度差異越大輸出電壓就越大；此電壓訊號約為數十(μV)至數千(μV)之間，因此一般使用者在使用
上須做一電壓放大處理。如圖1所示，熱電堆是由許多組熱電偶(Thermal couple)串聯所組成，主要原理乃是依據”Seebeck Effect”效應產生。熱電偶一般來說是由兩種不同材質的導體所組成。當電偶的兩端有一溫度差產生時，此一熱電偶便會產生出一電壓訊號，其大小正比於電偶兩端的溫度差。以後這種方法就逐步推廣到製作各種熱流計。
為了得到多點平均的量測結果，Schmidt形式熱流計的一個量測頭所繞經的線圈數高達數十或數百圈，各線圈之間的異質金屬介面需要串連焊接，由於焊點是手工製作，每個焊點狀況各不相同，故結構形式和加工方法決定了各個熱流計性能，當時的熱流計精準度的一致性差異相當大。
實施例揭露一種熱電式熱流計，包括有熱電模組與散熱裝置，其中熱電模組由第一熱傳導基板、第二熱傳導基板、複數個P型熱電材料與複數個N型熱電材料所組成，其中，複數P型與複數N型熱電材料皆配置於第一熱傳導基板與第二熱傳導基板之間，複數個P型熱電材料與複數個N型熱電材料互相間隔排列並電性串接；散熱裝置用以收流出熱電模組之熱量，熱量再經由散熱機構散熱至環境中。另外熱電式熱流計還包括有溫度計與電表，溫度計置於熱電模組之第二熱傳導基板與散熱裝置之間，電表，與熱電模組電性連接，用以檢測熱電模組之開路電壓。
實施例亦揭露一種熱電轉換效率量測裝置，用以量測一待測
熱電模組之熱電轉換效率，待測熱電模組具有一上端面、一下端面，測量熱電模組之熱電轉換效率的裝置包含：一加熱板，待測熱電模組係配至於加熱板下方；一校正熱電模組，具有前述所述之結構；一散熱裝置，用以收流出校正熱電模組之熱量，熱量再經由散熱機構散熱至環境中；一待測模組熱端溫度計，配置於待測熱電模組的上端面；一校正模組熱端溫度計，配置於待測熱電模組的下端面與校正熱電模組之間；以及一校正模組冷端溫度計，配置於校正熱電模組的下端面與散熱裝置之間。
以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參考『第1圖』，繪示實施例所揭露之熱電模組，熱電模組100係由第一熱傳導基板101、第二熱傳導基板102以及複數個P型熱電材料103、複數個N型熱電材料組成104。複數個P型熱電材料103以及複數個N型熱電材料組成104配置於第一熱
傳導基板101與第二熱傳導基板102之間。複數個P、N型熱電材料係以P、N型為一對的方式配置，每一對P、N型熱電材料係以上電極105連接，不同對的熱電材料係以下電極106連接，以形成電性串聯。以下為了描述方便，有時會將P型熱電材料103與N型熱電材料104分別簡稱為熱電材料103與熱電材料104。
第一熱傳導基板101與第二熱傳導基板102可使用陶瓷材質之基板，例如俗稱為陶瓷板的氧化鋁板。P、N型熱電材料係為熱電晶粒，在本實施例中，係設計成矩形柱體狀。其中P、N型熱電材料係以(Bi,Sb)2
Te3
基、Bi2
(Te,Se)3
基為主要成份，並摻雜其他微量元素。第一熱傳導基板101與第二熱傳導基板102除了上述氧化鋁板外，可為其它電絕緣材料，例如：氮化鋁板、雲母片等；熱電材料103、104，也可為其它熱電晶粒，例如PbTe、GeTe、Zn4
Sb3
、Mg2
Si、Fe2
Si等其它熱電材料。上電極105與下電極106也可為其它導電性材料，例如Fe、Ag等純金屬或其合金。
上電極105與下電極106除了直接黏著於第一熱傳導基板101、第二熱傳導基板102上面，或兩者只是互相接觸外，在另一實施例中，增加上電極105與下電極106與熱電材料103、104間之鍵結，可先在上電極105與下電極106之接合表面鍍上Ni/Au，然後再以Sn焊連結熱電材料103、104。
在一實施例中，為了可以量測熱電模組的輸出電壓，可以在第一對與最後一對熱電材料連接出正負兩條電源線，亦即正極輸
出電源線107、負極輸出電源線108，並以電錶連接正極輸出電源線107、負極輸出電源線108，便可測量熱電模組的輸出電壓Vout
。
因此，當將實施例之熱電模組用於測量一待測熱源之熱流量時，待測熱源流出的熱量被熱電發電模組的上端面100a吸收後，再從熱電模組100的下端面100b流往散熱元件時，熱電模組100即會產生一開路電壓(Voc
)。因此，透過電錶以檢測上述熱電模組100之開路電壓(Voc
)。
請參考『第2圖』，係為取得熱電模組之校正曲線之熱電式熱流計校正裝置之示意圖。亦即前述實施例之熱電模組，經由本實施例的校正後，當其應用於熱流計時所測量得到的開路電壓(Voc
)，即可由本實施例的校正曲線，推算出流經其上下兩端面的熱流量。
本實施例的熱電式熱流計校正裝置，其構造包含：熱電模組100、散熱裝置200、溫度計212、電錶260及已知熱源280。
熱電模組100之組成與前述的實施例類似，在此不再贅述。
散熱裝置200包含一集熱材料210及一散熱機構250。
其中，集熱材料210可使用具有一定厚度與一定面積的銅板。集熱材料210的上端面210a置於熱電模組100的下端面100b下方，如此以便吸收熱電模組100的熱量。為了增加集熱材料210的集熱效果，本實施例在集熱材料210的上端面210a與熱電模
組100的下端面100b之間夾有一層高導熱界面材料211，例如SiO2
基之高導熱界面材料或者矽油、散熱膏等。集熱材料210除了是銅板外，也可為其它高導熱材料，例如鋁、石墨、石墨/鋁複材、鑽石/鋁複材等等。
集熱材料210吸收的熱量可藉由一散熱機構250帶離集熱材料210。本實施例中該散熱機構250包含冷卻流體251、水冷座252、進水口253、出水口254以及幫浦255；其中，該水冷座252係由一定厚度與一定面積的銅塊加工而成，在其水冷座252之一側設置進水口253與出水口254，流體通道257配置於水冷座252內部以及外部，以供該冷卻流體流動。水冷座252的上表面與集熱材料210互相接觸。當此散熱機構250運作時，幫浦255將冷卻流體251由進水口253導入水冷座252內，將水冷座252自集熱材料210所吸收的熱量經由出水口254排出，最後，該熱量藉由風扇256或冷氣壓縮機的熱交換機制將之排放至外在環境中。
在另一實施例中，水冷座252的主要功用是吸收集熱材料210之熱量，因此水冷座252與集熱材料210除了如上述互相接觸外，兩者也可為結合為一體，亦即將水冷座252之一部分提供作為集熱材料210之用。
在本實施例中，更設置一溫度計212，埋入上述集熱材料210之中，以測量該熱電模組100的冷端溫度(TL
)。當然，在另一實施例中，溫度計212也可設置於熱電模組100的下端面100b與集熱材料210之兩界面中間，而不必埋入上述集熱材料210之中。
本實施例中，校正熱電模組100的熱流量曲線之步驟具體說明如下。
首先，準備一已知熱流量的熱源280，將上述熱電模組100的上端面100a接觸此一已知熱源280。本實施例中，已熱流量的熱源280，係由一電阻式加熱器所構成，其熱流量是由通入加熱器的電功率所控制。當然，為了獲得準確的熱流量，該熱源280除了與熱電模組100接觸之表面以外之周圍表面均加以熱絕緣包覆。
接著，開啟散熱裝置250的幫浦255，使冷卻流體251經由進水口253進入水冷座252，並藉由控制散熱裝置250以控制熱電模組100的下端面100b的溫度。本實施例，將熱電模組100的下端面100b的溫度固定為25℃。
當該已知熱源280的熱流量被熱電模組100的上端面100a吸收後，再從熱電模組的下端面100b流往散熱裝置250時，該熱電模組100因席貝克效應(Seebeck effect)，產生一開路電壓(Voc
)。
最後，改變已知熱源280的熱流量大小，並由電錶260測量上述熱電模組100的開路電壓(Voc
)。
本實施例中，經過上述的步驟，可測得一熱電模組100之熱流量與開路電壓(Voc
)之間的校正曲線，結果如『第3圖』所示。
如上述，本實施例中的校正曲線係將熱電模組100之下端面100b之冷端溫度固定為25℃。當然，熱電模組100之下端面100b
之冷端溫度不同時，校正曲線會不同。另外，在本實施例中，雖僅對熱電模組100之下端面100b之冷端溫度作為校正基礎；同理，亦可熱電模組100之上端面100a之熱端溫度作為校正基礎。亦即，本實施例的熱流計校正方式，可藉由測量該熱電模組100的開路電壓(Voc
)、熱電模組的上(熱)端面100a之溫度(TH
)與下(冷)端面100b之溫度(TL
)，即可得知流經上述熱電模組之熱流量與開路電壓(Voc
)、熱電模組的熱端(TH
)與冷端溫度(TL
)三者的關係校正曲線。取得校正曲線之後的熱電模組，即可將其應用於測量電源之熱流量。
請參考『第4圖』，係為熱電式電流計之示意圖。其架構係與『第2圖』之實施例類似，不同之處在於熱源係為一待測熱源290係為一輻射熱源。
待測熱源290的熱量由熱電模組100之第一熱傳導基板101的上端面100a所吸收後，流經熱電模組100之上電極105、熱電材料103與104、下電極106，最後由第二熱傳導基板102的下端面100b，最後透過散熱裝置250，將此熱量散至環境中。
本實施例將上述熱電模組100的上端面朝向一待測熱源290，本實施例中，待測熱源290可為輻射熱源，不與熱電發電模組100的上端面100a接觸。當然待測熱源290，除了輻射形式以外，也可為如『第1圖』所示之傳導熱源。
在本實施中，當待測熱源290流出的熱量被熱電模組100的上端面100a吸收後，再從熱電模組100的下端面100b流往散熱
裝置250時，該熱電模組100即會產生一開路電壓(Voc
)。本實施例的裝置具有一電錶260，可用以檢測上述熱電模組100之開路電壓(Voc
)。藉由測量該開路電壓(Voc
)，並藉由溫度計212測量熱電模組100的冷端溫度(TL
)，可以得知待測熱源290的熱流量。
請參考『第5圖』，是另一實施例所揭露之具氣冷套件之熱電式熱流計之示意圖。本實施例具氣冷套件之熱電式熱流計其構造包含熱電模組100、散熱裝置270、溫度計212及電錶260。熱電模組100與溫度計212與前述的實施例類似，在此不再贅述。散熱裝置270則具體說明如下。
散熱裝置270包括至少一組散熱鰭片271及至少一組散熱風扇272。實施例中的散熱鰭片271與集熱材料210除了如上述互相接觸外，兩者也可為結合為一體，亦即將散熱鰭片271之一部分提供作為集熱材料210之用。
本實施例中，將上述熱電模組100的上端面朝向一待測熱源291，其與熱電模組100的上端面100a接觸。當該待測熱源291流出的熱量被熱電模組100的上端面100a吸收後，再從熱電模組100的下端面100b流往散熱裝置270時，該熱電模組100即會產生一開路電壓(Voc
)。本實施例的裝置具有一電錶260，藉由該電錶260測量該開路電壓(Voc
)，並藉由冷端溫度計212測量熱電模組100的冷端溫度(TL
)，可以得知待測熱源291的熱流量。當然上述之待測熱源291，除了如圖中所示的傳導熱源以外，也可為輻射形式熱源。
『第6圖』所示係為一種熱電轉換效率量測裝置，用以量測一待測熱電模組之熱電轉換效率。『第6圖』所揭露之實施例係利用『第1圖』之熱電模組來作為測量另一熱電模組之模組效率之測量裝置。如『第6圖』所示，熱電轉換效率量測裝置包括加熱板390、待測熱電模組120、已校正之熱電模組110、散熱裝置250、校正模組熱端溫度計215、待測模組熱端溫度計214與電錶260。
本實施例之裝置主要是利用本發明第一實施例之熱電模組100，作為待測熱電模組之效率測量裝置。因此本實施例之裝置之構造，除了待測熱電模組120、加熱板390、校正模組熱端溫度計215、待測模組熱端溫度計214以外，其餘構造，如已校正之熱電模組110或散熱裝置250係與『第2圖』之實施例相同。
本實施例中，測量待測熱電模組120的模組效率之步驟具體說明如下。
準備一可調輸出功率的加熱板390，其係配置於測熱電模組120之上。待測熱電模組120的熱電轉換效率未知，具有一上端面120a、一下端面120b，上端面120a置於上述加熱板390下方，並吸收加熱板390的熱量。已校正熱電模組110的熱電轉換效率已知，具有一上端面110a、一下端面110b，其結構與組成與『第1圖』之實施例類似。待測模組熱端溫度計214，設置於加熱板390中，靠近待測熱電模組120的上端面120a，測量該待測熱電模組120的熱端溫度(TH
)。集熱材料218設置於待測熱電模組120
的下端面120a與校正熱電模組110的上端面110a之間，校正模組熱端溫度計215則設置於集熱材料218之中，測量待測熱電模組120的冷端溫度(TH
’)。校正熱電模組之冷端溫度計216，配置於校正熱電模組110的下端面110b的集熱材料210之中，測量校正熱電模組110的冷端溫度(TL
’)。電錶260、261，分別檢測待測熱電模組120與校正熱電模組110之開路電壓(Voc
、Voc
’)。
藉由量測校正熱電模組110的開路電壓(Voc
’)，可由上述的方式求得流經待測熱電模組120的熱量(Q)；同理，待測熱電模組120的開路電壓(Voc
)由電錶261測得後，隨即將待測熱電模組120外接串聯上一可變電阻，調整該電阻值至阻抗匹配條件，此時跨越在外接電阻上的電壓值(VL
)為待測熱電模組120的開路電壓之半，即VL
=1/2Voc
。接著利用電錶261量測通過該外接電阻值的電流(IL
)，可得該待測模組的最大發電功率(PMAX
)，即P MAX
=V L
×I L
。
比對與測量待測熱電模組120的最大發電功(PMAX
)率與校正熱電模組110所推導之熱流量(Q)，可推導出待測熱電模組120之熱電轉換效率(η)，即
實施例揭露利用熱電材料組成的熱電模組，係由多對P型及N型半導體材料組成，相較於金屬材料而言，其具有較大之席貝克常數(Seebeck coefficient)，遂當待測物溫度與本熱電式熱流計的溫度有一差異時，產生的電壓訊號為數十(mV)至數(V)之間，
因此無須再做電壓放大處理。利用上述優勢設計一熱電式熱流計，將待測的熱量轉換成開路電壓，直接對開路電壓進行量測，可快速、準確地求得流經待測物之熱量。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧熱電模組
100a‧‧‧上端面
100b‧‧‧下端面
101‧‧‧第一熱傳導基板
102‧‧‧第二熱傳導基板
103‧‧‧P型熱電材料
104‧‧‧N型熱電材料
105‧‧‧上電極
106‧‧‧下電極
107‧‧‧正極輸出電源線
108‧‧‧負極輸出電源線
110‧‧‧已校正熱電模組
110a‧‧‧校正熱電模組上端面
110b‧‧‧校正熱電模組下端面
120‧‧‧待測熱電模組
120a‧‧‧待測熱電模組上端面
120b‧‧‧待測熱電模組下端面
200‧‧‧散熱裝置
210‧‧‧集熱材料
210a‧‧‧集熱材料上端面
211‧‧‧高導熱介面材料
212‧‧‧溫度計
214‧‧‧待測模組熱端溫度計
215‧‧‧校正模組熱端溫度計
216‧‧‧校正模組冷端溫度計
218‧‧‧集熱材料
250‧‧‧散熱機構
251‧‧‧冷卻流體
252‧‧‧水冷座
253‧‧‧進水口
254‧‧‧出水口
255‧‧‧幫浦
256‧‧‧風扇
257‧‧‧流體通道
260‧‧‧電錶
261‧‧‧電錶
270‧‧‧散熱裝置
271‧‧‧散熱鰭片
272‧‧‧散熱風扇
280‧‧‧已知熱源
290‧‧‧待測熱源
291‧‧‧待測熱源
390‧‧‧加熱板
第1圖係實施例所揭露之熱電模組。
第2圖係熱電式熱流計校正裝置之示意圖。
第3圖係熱電模組之熱流量與開路電壓之校正曲線。
第4圖係熱電式熱流計之一實施例，其中係使用輻射熱待測熱源。
第5圖係具氣冷套件之熱電式熱流計。
第6圖係熱電模組轉換效率量測裝置。
100‧‧‧熱電模組
100a‧‧‧上端面
100b‧‧‧下端面
101‧‧‧第一熱傳導基板
102‧‧‧第二熱傳導基板
103‧‧‧P型熱電材料
104‧‧‧N型熱電材料
105‧‧‧上電極
106‧‧‧下電極
107‧‧‧正極輸出電源線
108‧‧‧負極輸出電源線
Claims (13)
- 一種熱電式熱流計，包括有：一熱電模組，該熱電模組由一第一熱傳導基板、一第二熱傳導基板、複數個P型熱電材料與複數個N型熱電材料所組成，其中，該複數P型與複數N型熱電材料皆配置於該第一熱傳導基板與該第二熱傳導基板之間，該複數個P型熱電材料與該複數個N型熱電材料互相間隔排列並電性串接；一散熱裝置，配置於該熱電模組之下方，用以收流出該熱電模組之熱量；一溫度計，置於該熱電模組之該第二熱傳導基板與該散熱裝置之間；以及一電錶，與該熱電模組電性連接，用以檢測該熱電模組之開路電壓。
- 如請求項1所述之熱電式熱流計，其中該熱電模組之該P型熱電材料與該N型熱電材料係以(Bi,Sb)2 Te3 基或Bi2 (Te,Se)3 基為主要成份。
- 如請求項1所述之熱電式熱流計，更包括有一集熱材料，其中該集熱材料配置於該熱電模組與該散熱裝置之間。
- 如請求項3所述之熱電式熱流計，其中該集熱材料為具高熱傳導率之材料。
- 如請求項4所述之熱電式熱流計，其中該集熱材料與該熱電模組之下端面之間，配置一層高導熱界面材料。
- 如請求項5所述之熱電式熱流計，其中該散熱裝置為一水冷套件。
- 如請求項6所述之熱電式熱流計，該水冷套件包括：一冷卻流體；一水冷座；一流體通道，配置於該水冷座之內部與外部，以供該冷卻流體流動；一進水口，配置於該水冷座之一側；一出水口，配置於該水冷座之一側；以及一幫浦，使該冷卻流體由該進水口流入該水冷座，並於該水冷座內吸收該散熱裝置之熱量，然後再經由該出水口流出；其中，該水冷座與該集熱材料互相接觸，或該水冷座與該集熱材料為一體。
- 如請求項7所述之熱電式熱流計，其中該水冷座內之冷卻流體之熱量藉由一冷氣壓縮機或一風扇，將其熱量散至環境中。
- 如請求項5所述之熱電式熱流計，其中該散熱裝置為一氣冷套件。
- 如請求項9所述之熱電式熱流計，其中該散熱裝置包括至少一組散熱鰭片及至少一組散熱風扇；其中該散熱鰭片與該集熱材料互相接觸，或該散熱鰭片與該集熱材料為一體。
- 一種熱電轉換效率量測裝置，用以量測一待測熱電模組之熱電轉換效率，該待測熱電模組具有一上端面與一下端面，該熱電 轉換效率量測裝置包括：一加熱板，該待測熱電模組係配置於該加熱板下方；一校正熱電模組，該校正熱電模組由一第一熱傳導基板、一第二熱傳導基板、複數個P型熱電材料與複數個N型熱電材料所組成，其中，該複數P型與複數N型熱電材料皆配置於該第一熱傳導基板與該第二熱傳導基板之間，該複數個P型熱電材料與該複數個N型熱電材料互相間隔排列並電性串接；一散熱裝置，配至於該校正熱電模組下方，用以收流出該校正熱電模組之熱量；一待測模組熱端溫度計，配置於該待測熱電模組的上端面；一校正模組熱端溫度計，配置於該待測熱電模組與該校正熱電模之間；以及一校正模組冷端溫度計，配置於該校正熱電模組與該散熱裝置之間。
- 如請求項11所述之熱電轉換效率量測裝置，更包括有一電錶，與該待測熱電模組電性連接，用以檢測該待測熱電模組之開路電壓。
- 如請求項11所述之熱電轉換效率量測裝置，更包括有一集熱材料，其中該集熱材料配置於該校正熱電模組之下端面下方與該散熱裝置之間。
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2012
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