Спосіб визначення перехідного теплового опору термоелектричного модуля пельтьє

Реферат: UA 116683 U UA 116683 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювань фізичних параметрів термоелектричних модулів Пельтьє. Параметри термоелектричних модулів Пельтьє (ТЕМ) залежать від температур холодних і гарячих спаїв кристалів в місці з'єднання їх комутаційними пластинами. Всі аналітичні формули обчислення різних параметрів ТЕМ справедливі саме для них температур. Однак, на практиці, вимірюють температури тепловирівнюючих пластин, розташованих на гарячій та холодній стороні ТЕМ. А між тепловирівнюючою пластиною і спаєм кристалів існує перехідний тепловий опір, який, в основному, складається з теплового опору мастила, на якій монтується ТЕМ, теплового опору керамічної і комутаційної пластин, контактного теплового опору, який залежить від зусиль притиску модуля, кривизни і якості обробки керамічної пластини. При проходженні крізь ТЕМ теплового потоку, на перехідному тепловому опорі створюється перепад температур, який необхідно враховувати при визначенні реальних параметрів ТЕМ. Так, наприклад, при вимірюванні максимального перепаду температур стандартного термоелектричного охолоджувача 40 × 40 мм, який може становити мінус 63-64 °C, при цьому падіння температури на перехідному тепловому опорі може скласти 6-7 °C, що відповідає похибка в 10-11 %. Для точного визначення параметрів ТЕМ необхідно визначити поправку температури від наявності перехідного теплового опору і важливо це робити в тих же умовах проведення вимірювань, оскільки, в загальному випадку, поправка залежить від зусилля притиску і способу монтажу ТЕМ. Відомий спосіб визначення перехідних теплових опорів між ТЕМ і елементами конструкцій, який полягає в тому, що ТЕМ встановлюють на теплообмінник, пропускають крізь нього тепловий потік, вимірюють його і різницю температур між холодною і гарячою тепловирівнюючими пластинами, потім замикають термоЕРС, що генерується ТЕМ, вимірюють струм короткого замикання, знову вимірюють тепловий потік, різницю температур, та за цими параметрами обчислюють величину перехідного теплового опору, на підставі якого потім можна обчислити температурну поправку (Viktor LOZBIN, Piotr BYLICKI, Vitali CUBA. New method of determining electric and thermal characteristics of Peltier device. PR/.EGLAD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 89 NR 3b/2013, p. 303-305.). Недолік цього способу полягає в тривалому часі вимірювань, низький точності визначення перехідного теплового опору, пов'язану з великою кількістю непрямих вимірювань. Відомий спосіб вимірювання максимальної холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача Пельтьє (прийнятий за прототип), який полягає в тому, що через ТЕМ пропускають оптимальний струм, відводять тепло від гарячої поверхні, подають теплове навантаження на холодну поверхню, і для підвищення точності вимірювання, максимальну потужність, що підводиться тепловим навантаженням, еквівалентну максимальній холодопродуктивності, визначають при рівності нулю напруги Зеебека охолоджувача (Заявка на корисну модель № u 2016 08335 "Спосіб вимірювання максимальної холодопродуктивності термоелектричного охолоджувача Пельть" від 28.07.2016 p.). Недолік цього способу полягає в тому, що він не призначений для визначення перехідного теплового опору ТЕМ. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення способу визначення перехідного теплового опору ТЕМ і підвищення його точності за рахунок зменшення кількості вимірюваних величин. Поставлена задача вирішується запропонованим способом визначення перехідного теплового опору ТЕМ, який полягає в пропущеній крізь нього струму, вимірюванні температур на тепловирівнюючих пластинах, відведенні тепла від холодної поверхні модуля, подачі теплового навантаження на гарячу поверхню модуля, який відрізняється тим, що подачу теплового навантаження збільшують доти, поки напруга Зеебека модуля не стане рівна нулю, вимірюють різницю температур на тепловирівнюючих пластинах холодної Тх і гарячої Тг сторонах модуля, вимірюють потужність теплового навантаження Qн, вимірюють потужність, споживану модулем Qм, і обчислюють перехідний тепловий опір Rт одного боку модуля за формулою: г  х   / т  Rт  2Qн  Qм  . Новим в пропонованому способі є те, що за рахунок вимірювання напруги Зеебека модуля, яка пропорційна різниці температур між спаями при відключеному електричному живленні, і зведенням її до нуля зовнішнім тепловим навантаженням, вдається виміряти перепад температур безпосередньо на перехідних теплових опорах, при відомих теплових потоках, які проходять крізь них, що дає можливість обчислити тепловий опір одного боку модуля. 1 UA 116683 U 5 10 15 20 25 30 35 Пристрій для реалізації запропонованого способу зображено на фігурі, де: 1 термоелектричний модуль; 2 - тепловирівнююча пластина на гарячій стороні; 3 тепловирівнююча пластина на холодній стороні; 4 - джерело теплового навантаження; 5 комутатор; 6 - джерело живлення термоелектричного модуля; 7 - імпульсний вимірник напруги Зеебека. Спосіб реалізується наступним чином. Термоелектричний модуль 1 на тепловому мастилі встановлюють між тепловирівнюючими пластинами 2 і 3, крізь пластину 2, від джерела теплового навантаження 4, на модуль 1 подають теплове навантаження потужністю Qн, яке проходить крізь пластину 2 і 3. Крізь комутатор 5, від джерела живлення термоелектричного модуля 6, на ТЕМ 1 подають струм, близький до оптимального, чому відповідає виділяння в модулі І потужності Qм. Потужність Ом проходить крізь пластину 3. Комутатор 5 на кілька мілісекунд зі шпаруватістю близько 1000, періодично відключає ТЕМ 1 від джерела живлення 6 і підключає його до імпульсного вимірника напруги 7, який вимірює в цей момент напругу Зеебека на ТЕМ 1. Баланс температур в будьякий момент часу відповідає формулі (1): Тг-Тх(Тг-Т1) і (Т1-Т2)+(Т2-Тх), (1) де: Тг-Т1=Rt•Qн; T2-Tx=Rt•(Qн+Qм); Т1-Т2=К•Uз; Rт - перехідний тепловий опір (К/Вт); К - коефіцієнт пропорційності; Uз - напруга Зеебека. Збільшуя теплове навантаження Qн домагаються рівності нулю напруги Зеебека Uз і при ньому (Т1-Т2) стане рівним нулю. В такому випадку формула (1) прийме наступний вигляд: Тг-Тх- Rт•Qн+Rт (Qh+Qm)-Rт (2Qн+ Qм), г  х   / т  Rт  2Qн  Qм  . (2) Вимірявши, при рівності нулю напруга Зеєбека, різницю температур (Тг-Тх) між тепловирівнюючими пластинами 2 і 3, потужність теплового навантаження Qн і потужність Qм, споживану модулем 1, за формулою (2) можна обчислити перехідний тепловий опір Rт одного боку ТЕМ. Знаючи перехідний тепловий опір, можна обчислити поправку до максимального перепаду температур і вже скориговані значення підставляти в інші аналітичні формули для обчислення різних параметрів ТЕМ. Такий спосіб визначення перехідного теплового опору скорочує число вимірювань, сприяє підвищенню точності обчислень, що можна вважати рішенням поставленої перед винаходом задачі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб визначення перехідного теплового опору термоелектричних модулів Пельтьє, який полягає в пропущенні крізь нього струму, вимірюванні температур на тепловирівнюючих пластинах, відведенні тепла від холодної поверхні модуля, подачі теплового навантаження на гарячу поверхню модуля, який відрізняється тим, що подачу теплового навантаження збільшують доти, поки напруга Зеебека модуля не стане рівна нулю, вимірюють різницю температур на тепловирівнюючих пластинах холодної Тх і гарячої Тг сторонах модуля, вимірюють потужність теплового навантаження Qн, вимірюють потужність, споживану модулем Qм, і обчислюють перехідний тепловий опір Rт одного боку модуля за формулою: Rт  г  х   / т  . 2Qн  Qм 2 UA 116683 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3