Спосіб вимірювання максимальної холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача пельтьє

Реферат: UA 113152 U UA 113152 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектричного приладобудування, до способів вимірювання параметрів термоелектричних охолоджувачів Пельтьє (ТЕО) при їх розробці та виробництві. До основних технічних параметрів ТЕО належить максимальна холодопродуктивність, яка визначається на оптимальному струмі, при якому досягається максимальна глибина охолодження, як максимальна потужність теплового навантаження на холодній поверхні охолоджувача при рівності нулю різниці температур між його холодною та гарячими робочими поверхнями. Тепловий потік від теплового навантаження, проходячи крізь ТЕО і елементи конструкції, створює на теплових перехідних опорах перепади температур, облік або компенсація яких виливає на точність методу визначення максимальної холодопродуктивності. Основні похибки при таких вимірах пов'язані з точним визначенням потужності теплового навантаження і урахуванням перепадів температур на перехідних теплових опорах між поверхнями ТЕО і елементами конструкцій вимірювальної установки. Величини цих опорів не постійні, вони залежать від зусиль притиску охолоджувача, якості обробки сполучених поверхонь, якості теплового мастила і багато чого іншого. Так, наприклад, реальні перехідні теплові опори можуть становити величини від 0,1 до 0,5 °C/Вт і при проходженні крізь ТЕО теплового потоку потужністю 50 Вт, невраховані похибки перепаду температур можуть становити величини від 5 до 25 °C, що може приводити до 30 % похибки вимірюваних величин. Відомо спосіб вимірювання холодопродуктивності ТЕО, який полягає в тому, що досліджуваний ТЕО встановлюють гарячою поверхнею на теплообмінник, забезпечують задане зусилля притиску, подають на ТЕО оптимальний струм, на холодну поверхню подають теплове навантаження, потужність якого вимірюється, і збільшують його до тих пір, поки різниця температур на холодної та гарячої поверхні не стане дорівнювати нулю [В.І. Huang, C.J. Chin, C.L. Duang. A design method of thermoelectric cooler. International Journal of Refrigeration 23 (2000). - Р. 208-218]. Недолік цього способу полягає в відсутності обліку похибок, пов'язаних з перехідними тепловими опорами між ТЕО і елементами конструкції. Відомо спосіб визначення теплових перехідних опорів між ТЕО і елементами конструкцій, який полягає в тому, що ТЕО встановлюють на теплообмінник, пропускають через нього тепловий потік, вимірюють його і різницю температур між холодною і гарячою поверхнями, потім замикають термоЕРС, що генерує LEO, вимірюють струм короткого замикання, знову вимірюють тепловий потік, різницю температур і за цими параметрами обчислюють величину перехідного теплового опору [Viktor LOZBIN, Piotr BYLICKI, Vitali CUBA. New method of determining electric and thermal characteristics of Peltier device. PRZEliEAD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 3b / 2013. - Р. 303-305.]. Недолік цього способу полягає в тривалому часі вимірювань і тому, що він не призначений для вимірювання максимальної холодопродуктивності ТЕО. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення точності вимірювання максимальної холодопродуктивності. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення максимальної холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача, який полягає в пропусканні через нього оптимального струму, відведенні тепла від гарячої поверхні, подачі теплового навантаження на холодну поверхню, згідно з корисною моделлю, з метою підвищення точності вимірювання, максимальну потужність теплового навантаження, еквівалентну максимальній холодопродуктивності, визначають при рівності нулю напруги Зеєбека охолоджувача. Новим у пропонованому способі є те, що максимальну холодопродуктивність визначать не при рівності нулю різниці температур між холодною і гарячою зовнішніми поверхнями охолоджувача, а при рівності нулю його напруги Зеєбека, яка пропорційна різниці температур всередині охолоджувача. Спосіб реалізується в такий спосіб. Досліджуваний ТЕО на тепловому мастилі встановлюють гарячою поверхнею на теплообмінник установки, на холодній поверхні на тепловому мастилі встановлюють джерело тепла, потужність якого вимірюється, забезпечують задане зусилля притиску ТЕО до теплообмінника, пропускають через охолоджувач оптимальний струм. Збільшуючи потужність, яка підводиться до джерела тепла, контролюють напругу Зеєбека на охолоджувачі і при рівності її нулю, фіксують значення підведеної потужності, яка дорівнює максимальній холодопродуктивності ТЕО. Оскільки напруга Зеєбека пропорційна різниці температур між холодними і гарячими спаями термоелектричного матеріалу, розташованими всередині охолоджувача, то рівність її нулю свідчить про рівність нулю різниці температур між спаями. Такий вимір з меншою похибкою відповідає аналітичним розрахункам максимальної 1 UA 113152 U 5 10 15 20 холодопродуктивності тому, що утворені при цьому перепади температур на перехідних теплових опорах установки і самого охолоджувача не впливають на результат вимірювання. Пристрій для реалізації запропонованого способу наведено на кресленні. Пристрій містить термоелектричний охолоджувач 1, теплообмінник 2, джерело тепла 3, вимірювач потужності джерела тепла 4, регульоване джерело напруги джерела тепла 5, комутатор 6, вимірювач струму 7, регульоване джерело напруги охолоджувача 8, генератор 9, імпульсний вимірник напруги 10. Пристрій працює наступним чином. ТЕО 1 розташовують гарячою поверхнею на теплообміннику 2, на холодній поверхні розташовують джерело тепла 3 і забезпечують задане зусилля притиску F. До джерела тепла 3, через вимірювач потужності 4, підключають джерело напруги 5. До ТЕО 1, через комутатор 6 підключають джерело напруги 8 і задають оптимальний струм, величина якого контролюється вимірником струму 7. Комутатор 6 управляється генератором 9, який періодично відключає ТЕО 1 від джерела напруги 8 і підключає його до імпульсного вимірника напруги 10, який вимірює напругу Зеєбека на ТЕО І. Збільшуючи за допомогою джерела напруги 5 потужність, що підводиться до джерела тепла 3, в стаціонарному режимі домагаються рівності нулю показання імпульсного вимірника напруги 10 і фіксують при цьому показання вимірювача потужності 4, яка буде максимальною холодопродуктивністю охолоджувача. У таблиці наведено порівняльні результати вимірювань максимальної холодопродуктивності Qm при оптимальному струмі Іопт стандартного ТЕО 40 × 40 мм двома різними способами. У рядку № 1 класичний спосіб вимірювання при однаковій температурі гарячої (Тг) і холодної (Тх) поверхонь. У рядку № 2 запропонований спосіб - при рівності напруги Зеебека (Uз) нулю. № 1 2 25 30 Тх, (°С) 49,8 51,7 Іопт, (А) 4,3 4,3 Тг, (С) 50,0 62,7 U3, (мВ) 503,2 0 Qm, (Вт) 46,17 53,9 За результатами вимірювань видно, що запропонований спосіб дає більш точний результат вимірювання максимальної холодопродуктивності в порівнянні з класичним, і ця різниця дорівнює 7,79 Вт, що становить 16,7 %. Запропонований спосіб вимірювання максимальної холодпродуктивності термоелектричних охолоджувачів Пельтьє дозволяє підвищити точність цих вимірів, що можна вважати рішенням поставленої перед корисною моделлю задачі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб визначення максимальної холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача шляхом пропускання через нього оптимального струму, відведення тепла від гарячої поверхні, подачі теплового навантаження на холодну поверхню, який відрізняється тим, що для підвищення точності вимірювання, максимальну потужність теплового навантаження, еквівалентну максимальній холодопродуктивності, визначають при рівності нулю напруги Зеєбека охолоджувача. 2 UA 113152 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3