Пристрій для вимірювання параметрів термоелектричних модулів пельтьє

Реферат: UA 112702 U UA 112702 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області термоелектричного приладобудування, до пристроїв для вимірювання параметрів термоелектричних модулів (ТЕМ) при їх виробництві. Основними параметрами ТЕМ вважаються максимальна глибина охолодження і максимальна холодопродуктивність, а також величини оптимального струму і напруги, при яких досягаються основні параметри. В основу принципів визначення основних параметрів поставлено точний облік теплових навантажень модуля при вимірах. Так, при вимірюванні максимальної глибини охолодження ТЕМ повинні забезпечуватися задане зусилля притиску модуля і, при цьому, нульове теплове навантаження на його холодній стороні, відсутність теплових натікань по елементах конструкції пристрою. Аналогічні вимоги і при вимірюванні максимальної холодопродуктивності ТЕМ: при забезпеченні заданого зусилля притиску модуля необхідно враховувати всі втрати тепла від нагрівача, які проходять через елементи конструкції пристрою. Точність вимірювання основних параметрів визначається точністю обліку теплових втрат через елементи конструкції пристрою. Для виключення втрат від повітряного теплообміну і конденсації вологи пристрій з досліджуваним ТЕМ, зазвичай, поміщають в вакуумовану камеру. Відомо пристрій контролю параметрів ТЕМ Пельтьє, який містить електоромеханічний блок, безконтактний сенсор вимірювання температури холодної поверхні вимірюваних модулів, зразковий ТЕМ, вимірювальні і керуючі блоки (Патент UA 26486, H01L 35/08, Бюлетень №15 від 25.09.2007 р.). Недоліки цього пристрою полягають в наступному: - вимірювання глибини охолодження ТЕМ не абсолютне, а відносно зразкового ТЕМ, що зменшує їх достовірність, дозволяє тільки контролювати глибину охолодження; - пристрій не може вимірювати холодопродуктивність ТЕМ. Найбільш близьким за технічним призначенням і суттю є пристрій для вимірювання параметрів термоелектричних модулів, який містить досліджуваний модуль, тепловирівнюючі пластини, нагрівач для створення теплового навантаження, теплоізоляційний матеріал, що відокремлює нагрівач від елементів конструкції пристрою, який вміщено в вакуумовану камеру. (Р. Ахиска, "Новий прилад для вимірювання параметрів реальних термоелектричних модулів". Термоелектрика №1, 2011, с. 86). До недоліків цього пристрою можна віднести відсутність елементів, які дозволяють виміряти або виключити теплові втрати через елементи конструкції пристрою, що приходять на холодну робочу поверхню досліджуваного ТЕМ та збільшують похибку вимірювання основних параметрів. В основу корисної моделі поставлена задача зменшення похибки абсолютних вимірювань основних параметрів ТЕМ, збільшення продуктивності вимірювань і спрощення конструкції пристрою для цих цілей. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для вимірювання параметрів ТЕМ, що містить досліджуваний модуль, верхню і нижню тепловирівнюючі пластини, які розташовані на робочих поверхнях досліджуваного модуля, нижній радіатор для термостатування нижньої тепловирівнюючої пластини, верхній радіатор, згідно з корисною моделлю, додатково введено блок з трьох термоелектричних модулів, розташованих один над одним, причому нижній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті з верхньою тепловирівнюючою пластиною, яка розташована на холодній поверхні досліджуваного модуля, і середнім модулем блока; середній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті з верхнім і нижнім модулями блока; верхній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті із середнім модулем блока і верхнім радіатором. Для спрощення конструкції досліджуваний модуль і блок з трьох додаткових модулів еквівалентні між собою за геометричними та фізичними характеристиками. Новим в пропонованому пристрої є додаткове введення блока з трьох модулів, еквівалентних досліджуваному ТЕМ. Блок розташовується над досліджуваним модулем і, в залежності від вимірюваного параметра, модулі блока підключаються по різному. При цьому додаткові модулі виконують різні функції: нагрівача, охолоджувача, теплового екрану або чутливого нуль-індикатора теплового потоку. Пристрій для вимірювання параметрів ТЕМ зображено на фіг. 1, де 1 - досліджуваний модуль; 2, 3 - дві тепловирівнюючі пластини з датчиками температури; 4, 5 - два водяних теплообмінних радіатора; 6, 7, 8 - три додаткових термоелектричних модуля. Пристрій поміщено в вакуумовану камеру 9, а всі електричні роз'єми виведені за межі камери. Схема підключення пристрою при вимірюванні глибини охолодження зображена на фіг. 2, де 10, 11, 12 - три джерела стабілізованої напруги, яка регулюється, з вимірювачами струму і напруги; 13, 14 - два вимірювача температури; 15 - нуль-індикатор напруги. 1 UA 112702 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Схема підключення пристрою при вимірюванні максимальної холодопродуктивності зображена на фіг. 3, де 16 - комутатор напруги зі шпаруватістю 2. Пристрій збирають на тепловому мастилі, як показано на фіг. 1, забезпечують задане зусилля F притиску досліджуваного модуля і поміщають його в вакуумовану камеру, де забезпечують задане розрідження повітря. При вимірюванні максимальної глибини охолодження ТЕМ до пристрою підключають зовнішні джерела напруги, вимірювачі температур, нуль-індикатор, як показано на фіг. 2, і він працює наступним чином. Температура води, що надходить в теплообмінні радіатори 4 та 5, підтримується зовнішнім термостатом на заданому рівні, наприклад 30 С. За допомогою регульованого джерела напруги 10, яке підключене до досліджуваного модуля 1, досягають максимальної різниці температур між тепловирівнюючими пластинами 2 та 3, яка вимірюється за допомогою вимірювачів температури 13 та 14. При цьому нуль-індикатор 15, який підключений до модуля 6, що служить чутливим індикатором величини і напрямки теплового потоку, покаже напругу, відмінну від нуля. За допомогою джерела напруги 12, яке підключене до модуля 8, задають через нього струм, рівний струму, який проходить через модуль 1, і, регулюючи напругу джерела 11, яке підключене до модуля 7, досягають нульової напруги на нуль-індикаторі 15. При цьому модулі 7 та 8 включені як охолоджувачі і є екрануючими тепловими елементами. Рівність нулю напруги на нуль-індикаторі 15, при стаціонарній максимальній глибині охолодження, свідчить про відсутність теплових втрат через елементи конструкції, зменшення похибки визначення максимальної різниці температур, оптимального струму і напруги на досліджуваному модулі 1, які зчитуються з вимірювачів джерела напруги 10. При вимірюванні максимальної холодопродуктивності ТЕМ пристрій не витягують з вакуумованої камери, за рахунок зовнішньої комутації підключають зовнішні джерела напруги, вимірювачі температур, нуль-індикатор, як показано на фіг. 3, і він працює наступним чином. Вода, як і раніше, термостатує теплообмінники 4 та 5 на заданому зовнішнім термостатом рівні температури. Джерелом напруги 10 задають через модуль 1 оптимальний струм, при якому досягається максимальна глибина охолодження. Збільшуючи постійну напругу джерела 11, яка за допомогою комутатора 16 перетворюється в змінну прямокутну напругу зі шпаруватістю 2 і надходить на модуль 6, який служить нагрівачем, досягають нульової різниці температур між тепловирівнюючими пластинами 2 та 3, яка вимірюється вимірювачами 13 та 14. При цьому нуль-індикатор 15, який підключений до модуля 7, що тепер служить чутливим індикатором величини і напрямку теплового потоку, покаже напругу, відмінну від нуля. Збільшуючи напругу за допомогою джерела 12, яке підключено до модуля 8, досягають нульового показання на індикаторі 15. При цьому модуль 8 включений як екрануючий нагрівач. У сталому стаціонарному режимі, при рівності нулю різниці температур між тепловирівнюючими пластинами 2 та 3, рівності нулю показань нуль-індикатора 15, що свідчить про відсутність теплових втрат через елементи конструкції пристрою, зчитують показання струму і напруги на вимірювачах джерела 11. Оскільки комутатор 16 живить модуль 6 змінною прямокутною напругою зі шпаруватістю 2, то в модулі виділяється тільки тепло Джоуля, а тепло Пельтьє дорівнює нулю, і величину максимальної холодопродуктивності досліджуваного модуля 1 визначають множенням струму на напругу джерела 11. Так як відсутня втрата тепла через елементи конструкції, то похибка визначення максимальної холодопродуктивності зменшується. Запропонована корисна модель дозволяє: 1. Зменшити похибку вимірювань глибини охолодження і максимальної холодопродуктивності ТЕМ за рахунок компенсації теплових втрат через елементи конструкції пристрою та дозволяє більш точно обчислювати інші термоелектричні параметри модуля. 2. Підвищити продуктивність вимірювань основних параметрів, так як немає необхідності виймати пристрій з камери і робити перемонтаж досліджуваного модуля для різного типу вимірювань. 3. Спростити і здешевити конструкцію пристрою за рахунок того, що в пристрої використовуються додаткові модулі, еквівалентнідосліджуваному, які, в залежності від зовнішнього підключення, використовуються як нагрівачі, охолоджувачі, чутливі нуль-індикатори теплового потоку або теплові екрани. З огляду на вищезазначене, можна вважати, що дана корисна модель вирішує поставлені задачі. Експериментальне використання запропонованого пристрою показало його високу ефективність при практичних вимірах. 2 UA 112702 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Пристрій для вимірювання параметрів термоелектричних модулів Пельтьє, який поміщений в вакуумовану камеру, що містить досліджуваний модуль, верхню і нижню тепловирівнюючі пластини, розташовані на робочих поверхнях досліджуваного модуля, нижній радіатор для термостатування нижньої тепловирівнюючої пластини, верхній радіатор, який відрізняється тим, що додатково містить блок з трьох термоелектричних модулів, розташованих один над одним, причому нижній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті з верхньою тепловирівнюючою пластиною, розташованою на холодній поверхні досліджуваного модуля, і середнім модулем блока, середній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті з верхнім і нижнім модулями блока, верхній модуль блока своїми робочими поверхнями знаходиться в тепловому контакті із середнім модулем блока і верхнім радіатором. 2. Пристрій для вимірювання параметрів термоелектричних модулів Пельтьє за п. 1, який відрізняється тим, що досліджуваний модуль і блок з трьох додаткових модулів еквівалентні між собою за геометричними та фізичними характеристиками. 3 UA 112702 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4