本實用新型涉及一種測試裝置，尤其是涉及一種熱電模組熱電轉(zhuǎn)換效率的測試裝置。

背景技術：

溫差發(fā)電作為一種直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電形式，具有無噪音、無磨損、無介質(zhì)泄漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等諸多優(yōu)點。一方面為部分供電不便的場合提供了一種新的供電形式，如太空探索、偏遠地區(qū)遠距離信號傳輸、海上無人信號燈、體內(nèi)微型機器人等；另一方面在余熱回收方面也表現(xiàn)出了巨大的潛力，當今社會中，壁爐、煉鋼廠、汽車尾氣等都存在大量余熱浪費情況，對這些低品位熱源，溫差發(fā)電提供了一種新的利用形式，如果能對這些余熱加以回收，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

在將熱能轉(zhuǎn)化為電能的溫差發(fā)電器件中，熱電模組作為核心部件，一般由上下陶瓷板、導電電極，P型熱電臂、N型熱電臂等構(gòu)成。P、N型熱電臂依次交替排列，并通過導電電極串聯(lián)起來，上下端面蓋上陶瓷板起絕緣保護作用。當熱電模組兩端存在溫差時，P型熱電臂中空穴與N型熱電臂中的電子在熱端濃度較高，載流子受熱激發(fā)由熱端向冷端移動，從而形成溫差電動勢。

熱電模組的性能受到材料、制備工藝等影響，更是對熱電模組的應用起到了決定性的作用，因此需要合適的測量裝置來測試熱電模組的性能，傳統(tǒng)的測試裝置一般只能測試熱電模組的開環(huán)輸出電壓及輸出功率，無法得到熱電模組轉(zhuǎn)換效率這一重要數(shù)據(jù)；而測試熱電模組轉(zhuǎn)換效率的裝置所采用的熱流量傳感器成本高、使用復雜。查閱相關專利可知，武漢理工大學于2015年申請了專利“一種熱電模塊特性測試裝置”(專利申請?zhí)枺?01510731043.1)，該專利搭建了一個測量熱電模組特性的裝置，由試驗臺架、熱電模組、恒溫熱源、冷端換熱器、電子負載、水箱、水泵、冷卻裝置、熱端溫度控制裝置、冷端溫度控制裝置、數(shù)據(jù)采集器、電源等部分組成，但只能測試得到熱電模塊的電壓、電流、電阻和功率參數(shù)，無法測量轉(zhuǎn)換效率；中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司于2014年申請了專利“熱電模塊的測試系統(tǒng)及熱電模塊的測試方法”(專利申請?zhí)枺?01410256942.6)，該專利搭建了一個測試系統(tǒng)包括電學性能測試單元、熱通量檢測單元和處理器，能夠測量計算得到熱電轉(zhuǎn)換效率，但其通過布 置多個熱流片測量冷端熱流量，成本高，使用復雜，也無法直接獲得輸入熱流量等數(shù)據(jù)，同時因為沒有絕熱存在熱損失造成測量不準確問題。

基于上述背景，提出一種熱電模組熱電轉(zhuǎn)換效率的測試裝置，該測試裝置可準確測量得到施加于熱電模組的壓力大小、模組的冷熱端溫度等測試參數(shù)以及熱電模組內(nèi)阻、輸出電壓、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)，對獲取熱電模組在不同外部壓力、不同溫度差下的性能輸出從而綜合評價熱電模組的熱電性能具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術中存在的問題，本實用新型提出一種熱電模組熱電轉(zhuǎn)換效率的測試裝置。

本實用新型采用的技術方案是：

本實用新型裝置包括外罩、絕熱材料、支撐桿、熱電模組、加熱臺保護欄、電加熱臺和底板；電加熱臺通過底部四角的支撐螺釘水平固定在底板上，四根支撐螺釘均布布置，三根支撐桿沿周圍豎直固定在底板上，加熱臺保護欄套在三根支撐桿的下部，加熱臺保護欄圍在電加熱臺側(cè)面周圍，加熱臺保護欄和電加熱臺之間具有間隙，電加熱臺上安裝有用于安裝熱電模組的測量組件，支撐桿上部固定有壓緊組件，壓緊組件位于測量組件上方將測量組件壓緊；底板上設有用于封裝圍繞起來的外罩，測量組件、壓緊組件、電加熱臺和三根支撐桿均置于在底板和外罩之間形成的內(nèi)部空間中，底板和外罩之間形成的內(nèi)部空間中的空隙均填充絕熱材料。

所述的測量組件包括上標準測量塊、下標準測量塊和水冷頭，下標準測量塊、熱電模組、上標準測量塊和水冷頭從下到上依次置于電加熱臺上，熱電模組下端為熱端并與下標準測量塊相接觸，上端為冷端與上標準測量塊相接觸，上標準測量塊和下標準測量塊側(cè)壁的上部和下部均安裝有一鎧裝熱電偶，熱電模組兩電極與外圍測試電路相連，水冷頭設有與水源連接的入口和出口。

所述上標準測量塊靠近水冷頭的側(cè)壁上部、熱電模組的側(cè)壁下部處均開有小孔，并分別安裝一組鎧裝熱電偶。

所述下標準測量塊靠近熱電模組的側(cè)壁上部、電加熱臺的側(cè)壁下部處均開有小孔，并分別安裝一組鎧裝熱電偶。

所述的壓緊組件包括壓緊塊、壓力傳感器、壓緊螺母和彈簧，壓緊塊套在三根支撐桿上，三根支撐桿頂端均通過螺紋套有壓緊螺母，壓緊螺母和壓緊塊頂面之間連接有彈簧，彈簧套在支撐桿；所述測量組件的水冷頭頂面與壓緊塊底面之間沿水平面周圍均布地設有用于測量施加于熱電模組壓力值的三組壓力 傳感器，三組壓力傳感器沿壓緊塊壓力施加方向布置，壓緊螺母通過彈簧對壓緊塊施加壓力，進而通過所述測量組件的水冷頭傳遞到熱電模組，使得水冷頭、上標準測量塊、熱電模組、下標準測量塊、電加熱臺之間各接觸面良好接觸。

所述的支撐桿底部為階梯軸結(jié)構(gòu)，小端在上，大端在下，加熱臺保護欄定位安裝在階梯軸的軸肩上，起支撐起保護作用。

所述上標準測量塊和下標準測量塊為銅、鋁合金等具有熱導率大于50W/(m·K)的高熱導率材料，且已知熱導率值。

所述水冷頭內(nèi)腔帶有翅片結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)腔在入口和出口之間形成S形流道。

所述的外圍測試電路包括滑動變阻器R_Load、電壓表和電流表滑動變阻器R_Load和熱電模組串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，電壓表測量輸出電壓，電流表測量回路電流。(熱電模組就是相當于電源U_oc和內(nèi)阻R_in部分，可以理解為一個干電池)

通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R_Load的阻值，得到熱電模組在不同外部負載下的輸出電壓和輸出電流，進而計算熱電模組內(nèi)阻R_in，并計算得到熱電模組的最大輸出功率P_out。

本實用新型采用溫度可控的電加熱臺對熱電模組熱端進行加熱，采用控制通過水冷頭的冷卻水流量及流速(水冷頭本身沒法控制水流量，控制的是外部的水泵)對熱電模組冷端進行冷卻，并通過壓緊裝置施加壓力保證各連接面良好接觸，從而使熱電模組兩端保持穩(wěn)定溫差并產(chǎn)生電動勢，壓緊裝置的彈簧為系統(tǒng)熱膨脹提供保護；通過外圍電路及上下標準測量塊上測量得到的溫度值可以計算得到熱電模組在不同條件下的輸出功率及熱端輸入熱流量，從而得到其轉(zhuǎn)換效率。

本實用新型具有的有益效果是：

1.該測試裝置可通過控制電加熱臺溫度對熱電模組熱端進行加熱，控制水冷塊冷卻水水流量和流速對熱電模組冷端進行冷卻，并通過壓緊裝置壓緊保證各連接平面有良好接觸，從而使熱電模組兩端保持穩(wěn)定溫差并產(chǎn)生電動勢；

2.該測試裝置中彈簧可為測試過程中裝置熱膨脹提供保護；

3.該測試裝置可以通過上下標準測量塊測量得到的溫度值計算得到熱電模組冷端、熱端的溫度值；

4.該測試裝置可通過外圍電路測試計算得到熱電模組在不同的溫差及不同的外部壓力下，熱電模組的開環(huán)電壓、內(nèi)阻、輸出功率，通過上下標準測量塊測試計算得到輸入熱電模組的熱流量，從而計算得到熱電模組的轉(zhuǎn)換效率；

本實用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，可準確測試得到施加于熱電模組的壓力大小、模組的冷熱端溫度等測試參數(shù)以及熱電模組內(nèi)阻、輸出電壓、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)，對獲取熱電模組在不同外部壓力、不同溫度差下的性能輸出從而綜合評價熱電模組的熱電性能具有重要意義。

附圖說明

圖1是本實用新型測試裝置的主視圖。

圖2是本實用新型測試裝置去除了外罩和絕熱材料后的左視圖。

圖3是本實用新型測試裝置去除絕熱材料后的俯視圖。

圖4是本實用新型水冷頭結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實用新型實施中的熱流量測試原理圖。

圖6是本實用新型的外圍測試電路。

圖中：1、外罩，2、絕熱材料，3、支撐桿，4、壓緊螺母，5、彈簧，6、壓緊塊，7、壓力傳感器，8、水冷頭，9、上標準測量塊，10、鎧裝熱電偶，11、熱電模組；12、下標準測量塊，13、加熱臺保護欄，14、電加熱臺，15、支撐螺釘，16、底板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型包括外罩1、絕熱材料2、支撐桿3、壓緊螺母4、彈簧5、壓緊塊6、壓力傳感器7、水冷頭8、上標準測量塊9、鎧裝熱電偶10、熱電模組11、下標準測量塊12、加熱臺保護欄13、電加熱臺14、支撐螺釘15和底板16。

三組支撐桿3通過螺紋連接固定于底板16上，并依次布置加熱臺保護欄13、壓緊塊6、彈簧5、壓緊螺母4；電加熱臺14通過四組均布支撐螺釘15支撐于底板16之上，電加熱臺14四周的加熱臺保護欄13通過支撐桿3的軸肩定為支撐起保護作用；熱電模組11熱端通過下標準測量塊12與電加熱臺14相接觸，冷端通過上標準測量塊9與水冷頭8相接觸，上標準測量塊9、下標準測量塊12某一側(cè)面在靠近兩接觸端面處各安裝一組鎧裝熱電偶10，熱電模組11兩電極與外圍測試電路相連；水冷頭8與壓緊塊6之間沿壓緊塊6壓力施加方向布置三組壓力傳感器7用于測量施加于熱電模組11壓力值；壓緊螺母4通過彈簧5對壓緊塊6施加壓力；整個裝置通過外罩1圍繞起來，并在內(nèi)部填充絕熱材料2。

如圖1、圖3所示，測試裝置在外罩1里填充絕熱材料2，使熱流由電加熱臺14依次通過下標準測量塊12、熱電模組11、上標準測量塊9，最后經(jīng)過水冷頭8由冷卻水帶走，盡可能減小周圍熱損失，保證測量結(jié)果的準確性。

如圖1、圖2、圖3所示，三組支撐桿3作為支撐模塊通過螺紋連接固定于底板16上，加熱臺保護欄13通過第一個軸肩定位支撐，支撐桿3最上端帶有螺紋，壓緊螺母4通過支撐桿3上的螺紋向下旋轉(zhuǎn)，通過彈簧5對壓緊塊6施加壓力。

如圖1、圖2所示，該測試裝置熱源由一溫度可控的電加熱臺14提供，通過四組均布的支撐螺釘15固定于底板16之上，外圍由加熱臺保護欄13圍繞起保護作用，以免燙傷或發(fā)生危險。

如圖1、圖2所示，熱電模組11冷端的冷卻形式為水冷，水冷頭8有兩個接口，冷卻水通過水泵由水冷頭8一個接口進入，另一個接口流出，水冷頭8內(nèi)部帶有翅片結(jié)構(gòu)，如圖4所示，增大換熱面積，同時翅片交替排列可擾動冷卻水從而增大對流系數(shù)。通過控制水泵功率可控制冷卻水流量及流速，從而控制冷端溫度。

本實用新型的具體實施例及其實施工作過程如下：

如圖5所示，熱電模組11由P、N型熱電臂、導電電極和陶瓷板組成。P、N型熱電臂依次交替排列，通過導電電極串聯(lián)起來，上下覆蓋有陶瓷板起絕緣保護作用。熱電模組11熱端與下標準測量塊12上表面相連，冷端與上標準測量塊9下表面相連，熱流從下標準測量塊12進入熱電模組11然后從上標準測量塊9流出。實驗采用的上標準測量塊9和下標準測量塊12的材料均是銅，熱導率為116.7W/(m·K)

上標準測量塊9、下標準測量塊12上各有兩個小孔安裝鎧裝熱電偶，分別測量得到該點溫度值，在忽略微量側(cè)面熱損失情況下，進入熱電模組11的熱流量與經(jīng)過下標準測量塊12的熱流量相等，進入熱電模組11后部分熱流轉(zhuǎn)變成電能輸出，并產(chǎn)生帕爾帖熱和焦耳熱，最后從上標準測量塊9流出。因此，進入熱電模組11的熱流量Q_in＝(λ×A/d₁₂)×(T₁-T₂)，其中λ為下標準測量塊12的材料熱導率，A為下標準測量塊12與熱電模組11接觸面積，d₁₂為下標準測量塊12兩測溫點中心距離。同樣的，由于上標準測量塊9、下標準測量塊12由下往上的溫度梯度是相等的，可計算得到熱電模組熱端的溫度T_hot＝T₂-[(T₁-T₂)*b/d₁₂]，熱電模組冷端的溫度T_cold＝T₃+[(T₃-T₄)*c/d₃₄]。

如圖1、圖2，圖3所示，壓緊螺母4、彈簧5、壓緊塊6組成壓緊裝置，通過旋轉(zhuǎn)壓緊螺母4向下提供壓力，壓緊塊6與壓緊螺母4之間布置彈簧5，當 測試裝置在測試過程中，包括熱電模組11在內(nèi)等部件受熱膨脹，彈簧5被壓縮為裝置提供保護，避免產(chǎn)生過大的熱應力對裝置造成破壞。水冷頭8與壓緊塊6之間布置有三組壓力傳感器7，布置方向沿壓緊塊6壓力施加方向。壓力傳感器7可實時顯示壓緊裝置施加于熱電模組11的壓力大小，用于研究不同外部壓力對熱電模組11熱電性能的影響；三組壓力傳感器7沿壓緊塊6壓力施加方向布置，用于平衡三個方向施加壓力的大小，保證所施加的壓力方向是垂直于被測熱電模組11。

如圖6所示，熱電模組11在接入外部負載時，當兩端存在溫差其相當于一個電源對外部供電，可以將其等效于一個理想電壓源與電阻串聯(lián)，其中U_oc等于熱電模組11的開環(huán)電壓，R_in等于熱電模組11內(nèi)阻。測試時，將熱電模組11兩電極引出接入一滑動變阻器R_Load，從而構(gòu)成一個閉合回路，用電流表與電壓表實時監(jiān)控回路電流I與輸出電壓U_out。根據(jù)歐姆定律和基爾霍夫定律有：U_out＝U_oc-I*R_in，由該公式可知輸出電壓U_out與回路電流I成線性關系，其斜率的絕對值即熱電模組11的內(nèi)阻R_in，其在y軸上的截距即熱電模組11的開環(huán)電壓。通過改變滑動變阻器阻值，可以得到在不同外部負載下的輸出電壓U_out和回路電流I，最后采用最小二乘法進行擬合減小誤差，從而得到熱電模組11的內(nèi)阻值R_in與開環(huán)電壓U_out。在忽略焦耳效應和帕爾帖效應情況下，一般認為當外部負載R_Load與內(nèi)阻R_in相等，即R_Load＝R_in時，輸出功率最大P_out＝(U_oc*U_oc)/(4*R_in)。

再根據(jù)之前測試計算得到的輸入熱流量Q_in即可得熱電模組11的轉(zhuǎn)換效率η＝P_out/Q_in。

本實用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，可準確測試得到施加于熱電模組的壓力大小、熱電模組的冷熱端溫度等測試參數(shù)以及熱電模組內(nèi)阻、輸出電壓、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)，對獲取熱電模組在不同外部壓力、不同溫度差下的性能輸出從而綜合評價熱電模組的熱電性能具有重要意義。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。