一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法
一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及制冷领域，特别是设及一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 热电制冷也被称为半导体制冷、帕尔贴制冷，是一种W半导体材料为基础的制冷 方式。通过在热电制冷元件的两端加载直流电源，热电制冷元件的两端就会出现一冷一热 的现象，如果改变电流的方向，冷热两端还会互换。19世纪初人们就发现了热电制冷现象， 但直到1960年前后热电制冷装置才开始有所发展。近年来，随着热电制冷领域研究的不断 深入，热电制冷装置在国防、航天、科研、医疗卫生等领域得到了较广泛应用。已有研究表 明，在某一溫差下，热电制冷装置制冷量随热端散热强度的增加而提高，但热端散热强度增 大到一定程度后对制冷量的影响就趋于平缓。因此，通过测量某一运行状态下热电制冷装 置的散热量和制冷量，可W判断该装置是否具有通过提高热端散热强度来改进其制冷性能 的空间，对整个热电制冷装置的优化设计及经济运行都具有重要意义。但是，现有热电制冷 装置的测试设备大多是针对热电制冷片的性能测试进行的，而热电制冷装置的实际换热性 能测试方面还存在着一定的不足。尤其是通用于不同冷热端换热方式、对各种热电制冷装 置的实际制冷量、热端散热量、实际工作效率等参数均可测试的性能测试系统还存在着一 定的技术空白。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种适用于不同冷热端换热方式、可测量热电制冷装置实际 制冷量、热端散热量、实际工作效率、制冷元件性能等参数的热电制冷装置性能测试系统及 测试方法。
[0004] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种热电制冷装置性能测试系统，包括测试舱，测试舱内部由上到下设有相通的 稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层设有与送风风道连接的 送风口，回风层设有与回风风道连接的回风口，回风风道与送风风道之间设有溫湿度控制 装置;测试层内设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端恒溫换热器和用于对待测热 电制冷装置冷端换热的冷端恒溫换热器，热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器与测试层内空 气接触的表面设有溫度测量装置，热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器各自的进口段均设有 流量测量装置。
[0006] 所述热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器均为内部可供换热介质流通的换热腔体， 热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器与待测制冷装置接触的表面开有微型凹槽，凹槽内设置 有溫度测量装置，实现对待测热电制冷装置制冷元件热端和冷端溫度的测量;热端恒溫换 热器和冷端恒溫换热器与测试层内空气接触的表面设有溫度测量装置，可实现对热端恒溫 换热器和冷端恒溫换热器表面溫度的测量;热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器的换热介质 进出口处均设有溫度测量装置，可实现对换热介质进出口溫度的测量;热端恒溫换热器和 冷端恒溫换热器各自的进口段均设有流量测量装置，流量计测量冷端和热端的流量，通过 溫度和流量的测量实现热端散热量及制冷量参数的测定。
[0007]此外，测试舱设有密封操作口，打开密封操作口可放置或取出待测热电制冷装置， 所述密封操作口包括密封和锁死装置，用于关闭密封操作口时时保持测试舱内密封状态。 [000引进一步地，所述溫湿度控制装置包括空气处理舱，空气处理舱从送风口至回风口 之间依次设有风机段、加湿段、表冷段和加热段，送风装置为送风风机，放置于风机段内，风 机段通过送风风道与送风口连接向稳压层，进而向测试层内提供均匀和稳定的测试环境。
[0009] 进一步地，所述表冷段内设有表冷器，表冷器的制冷剂进口与节流阀连接，节流阀 与干燥过滤器连接，干燥过滤器与冷凝器的出口连接，制冷剂出口与压缩机连接，压缩机与 冷凝器的进口连接。
[0010] 进一步地，所述加湿段内设有加湿喷头，加湿喷头与蒸汽发生器连接。
[0011] 进一步地，所述稳压层开有与真空抽气累连接的真空抽气口。
[0012] 进一步地，所述热端恒溫换热器与恒溫热介质槽连接，连接的管路上设有热水累； 所述冷端恒溫换热器与恒溫冷介质槽连接，连接的管路上设有冷水累，所述热端恒溫换热 器的换热表面溫度可一直维持在相对稳定的预设溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电 制冷元件热端直接接触并吸收热量;所述冷端恒溫换热器的制冷表面溫度可一直维持在相 对稳定的预设溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件冷端直接接触并吸收冷 量。
[0013] 进一步地，所述恒溫热介质槽放置于热水恒溫水浴中，所述恒溫冷介质槽放置于 冷水恒溫水浴中；可通过改变热水恒溫水浴和冷水恒溫水浴内的水溫，调节恒溫热介质槽 和恒溫冷介质槽内的换热介质溫度，并保持该溫度的相对稳定。
[0014] 其中，热端恒溫换热器和冷端量恒溫换热器设于测试层内，热水恒溫水浴与冷水 恒溫水浴设于测试舱外。
[0015] 进一步地，在所述测试层内设有多个溫度测量装置，多个湿度测量装置，多个压力 测量装置，对测试层内的溫度、湿度和压力进行多点测量。
[0016] 进一步地，所述测试系统包括含有用户操作面板的自动控制模块，自动控制模块 中的控制器与各个装置的阀口均分别单独连接。
[0017] 进一步地，所述测试系统包括供电模块，包括交流电源和直流电源，为待测装置和 测试系统中的用电设备提供驱动电源。
[0018] 进一步地，所述测试系统包括数据采集模块，能够自动采集和显示测试系统所有 溫度、湿度、压力和流量测量装置等所测量到的数据，并能够测量待测装置的输入电压、电 流和溫差电动势。
[0019] 进一步地，所述稳压层和测试层通过孔板上下设置;所述测试层和所述回风层通 过孔板上下设置。
[0020] 对待测热电制冷元件性能参数进行测量时，具体步骤如下：
[0021] 1)将测试层内的溫度测量装置分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合， 用于测量热端溫度和冷端溫度；
[0022] 2)将测试舱内调节为设定的真空状态；
[0023] 3)为待测热电制冷元件供电，找到最大溫差工况，测量最大溫差工况下的输入电 压、输入电流、冷端溫度、热端溫度参数；
[0024] 4)停止对待测热电制冷元件供电，同时测量出待测热电制冷元件的溫差电动势；
[0025] 5)计算待测热电制冷元件的塞贝克系数、电阻率、电导率、热导率、优值系数参数 的数值；
[0026] 6)将热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器分别与待测热电制冷元件的热端和冷端 紧密贴合，调节热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器内流动的换热介质的溫度和流量，改变 待测热电制冷元件的冷热端溫度；
[0027] 7)重复步骤2)~6)，可获得不同冷热端溫度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、 电阻率、电导率、热导率、优值系数的数值。
[0028] 对已经为热电制冷元件安装好相应的冷热端换热器的待测热电制冷装置在某环 境工况下的实际工作参数进行测量时，具体步骤如下：：
[0029] 1)将待测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别设置溫度 测量装置，用W测试热电制冷元件的冷热端溫度；
[0030] 2)根据测试需要设置测试舱内溫湿度参数，并开启溫湿度控制装置，将测试舱内 的溫湿度调节至设定状态；
[0031] 3)为待测热电制冷装置供电，测得输入电压U和输入电流I的数值；
[0032] 4)等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过溫度测量装置测得热端溫度 和冷端溫度；
[0033] 5)保持待测热电制冷装置原本使用的冷端换热器不变， 将热端换热器拆下，将热 端恒溫换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合；
[0034] 6)保持测试舱内溫湿度参数和待测热电制冷装置的输入电压、输入电流不变，调 节进入热端恒溫换热器的换热介质溫度和流量，直至待测制冷装置工作于与拆下热端换热 器之前相同的工况状态，测得热端恒溫换热器的进口介质溫度、出口介质溫度、介质流量， 热端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度参数数值；
[0035] 7)将待测热电制冷装置原本使用的热端换热器装回，将其冷端换热器拆下，将冷 端恒溫换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件冷端紧密贴合；
[0036] 8)采用同步骤6)相同的方式测量测得冷端恒溫换热器的进口介质溫度、出口介质 溫度、介质流量，冷端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度参数数值；
[0037] 9)计算测热电制冷装置的输入功率、导出散热量、导出制冷量参数，并对导出散热 量、导出制冷量进行修正，得到待测热电制冷装置的实际散热量和实际制冷量数值；
[0038] 10)改变测试舱内的溫湿度，重复步骤3)~9)，可获得不同环境条件下待测热电制 冷装置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比参数。
[0039] 本发明的工作原理是:本发明提供的热电制冷性能测试系统，可提供真空测试环 境或模拟任意溫湿度环境工况，在特定环境下可精确测量包括热电制冷装置工作电压、电 流、输入功率、散热量、制冷量、制冷系数、制热能效比、热电制冷片塞贝克系数、优值系数等 各种相关参数，填补了空白，更加全面地对热电制冷装置的性能进行判断。
[0040] 本发明的有益效果是：
[0041] 1.本发明的测试系统不仅适用于各种运行工况下采用任意冷热端换热方式的热 电制冷装置性能测量，而且适用于热电制冷元件理论参数的测量。
[0042] 2.本发明的测试系统可测量包括热电制冷装置工作电压、电流、输入功率、散热 量、制冷量、制冷系数、冷热端换热方式的换热性能、热电制冷片塞贝克系数、优值系数等各 种相关参数，且系统测试精度较高。
[0043] 3.本发明的测试系统可模拟任意溫湿度环境工况，可W测量在任何场合下使用的 待测装置实际工作性能，模拟再现能力强;系统还可提供真空测试环境，在真空环境下测量 待测装置的理论工作参数。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的系统示意图；
[0045] 图2为本发明的溫湿度控制装置示意图；
[0046] 图3为本发明的热端量换热模块示意图；
[0047] 图4为本发明的冷端量换热模块示意图；
[004引图中，1测试舱，2稳压层，3测试层，4回风层，5真空抽气口，6送风口，7回风口，8孔 板，9风道密封阀，10真空抽气累，11密封操作口，12溫湿度控制装置，13热端量热模块，14冷 端量热模块，15流量测量装置，16溫度测量装置，17湿度测量装置，18压力测量装置，19空气 处理舱，20加热段，21表冷段，22加湿段，23风机段，24空气加热模块，25表冷器，26节流阀， 27冷凝器，28压缩机，29干燥过滤器，30加湿喷头，31溢水管，32蒸汽发生器，3巧h水装置，34 蒸汽加热器，35送风风机，36流量控制阀，37热水累，38热水恒溫水浴，39恒溫热介质槽，40 热端恒溫换热器，41冷水累，42冷水恒溫水浴，43恒溫冷介质槽，44冷端恒溫换热器。
【具体实施方式】
[0049] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述。
[0050] 如图1所示，本发明提供的一种热电制冷装置性能测试系统，包括测试舱1、溫湿度 控制装置12、真空抽气累10、热端量热模块13、冷端量热模块14、数据采集模块、自动控制模 块、供电模块等。
[0051] 测试舱1的上部和下部位置分别设有孔板8,将测试舱1分隔为稳压层2、测试层3和 回风层4Ξ层。孔板8为均布连通孔的平板，起均匀送风的作用。稳压层2设置有送风口 6和真 空抽气口5,回风层4设置有回风口7,真空抽气口5、送风口6和回风口7分别与真空风道、送 风风道和回风风道连接，连接的风道靠近测试舱1的位置均设置有风道密封阀9,风道密封 阀9可手动开启或关闭，关闭时起到空气密封作用，开启时空气才可流通。测试舱1还设置有 密封操作口 11，密封操作口 11打开后可对测试舱1内部的各种设备或待测装置进行连接等 各种操作，密封操作口 11关闭后起到密封作用，此时可进行实验测试。在测试层3内还设有 溫度测量装置16、湿度测量装置17和压力测量装置18,用于对测试舱内溫度、湿度和压力的 测量。
[0052] 真空抽气口 5通过真空风道与真空抽气累10的入口连接，当测试实验需要真空环 境时，开启真空风道上的风道密封阀9和真空抽气累10,可为测试舱1内提供所需的真空度。 当测试实验需要真空测试环境时，用户可手动开启真空风道上的风道密封阀9,关闭送风风 道和回风风道上的风道密封阀9,由数据采集模块和自动控制模块自动调节真空抽气累10 的抽气功率，使测试舱1内部实现目标真空度。
[0053] 送风口 6通过送风风道与溫湿度控制装置12的出风口连接；回风口 7通过回风风道 与溫湿度控制装置12的进风口连接。溫湿度控制装置12位于测试舱1外，包括空气处理舱 19、空气加热模块24、空气冷却模块、加湿模块、送风风机35。其中，空气处理舱19为空气进 入溫湿度控制装置12后的热湿处理空间，从进风口到出风口依次为加热段20、表冷段21、加 湿段22和风机段23,分别为流过的空气提供加热、制冷除湿、加湿和加压送风的空间。空气 加热模块24直接放置于加热段20中，采用电加热的方式，起到对空气加热的作用。空气冷却 模块包括表冷器25、节流阀26、冷凝器27、压缩机28和干燥过滤器29。表冷器25放置于表冷 段21中，对流经表冷段21的空气进行降溫和除湿。表冷器25的制冷剂进口通过冷剂管与节 流阀26相连，制冷剂出口通过冷剂管与压缩机28的进口相连。压缩机28的出口通过冷剂管 与冷凝器27的进口相连。冷凝器27的出口通过冷剂管与节流阀26相连，且连接的冷剂管上 还设有干燥过滤器29。加湿模块包括加湿喷头30、溢水管31和蒸汽发生器32。加湿喷头30设 置于加湿段22中，可直接向流经加湿段22的空气进行喷蒸汽加湿。溢水管31的进口位于加 湿段22的底部，将加湿段22的底部连接至地漏，用于排放积水。蒸汽发生器32包括发生器罐 体、补水装置33和蒸汽加热器34,蒸汽发生器采用电加热的方式向加湿喷头提供水蒸汽。送 风风机35放置于风机段23中，可自由调节风量和风压，提供空气循环动力。当测试实验需要 特定的溫湿度测试环境时，用户可手动关闭真空风道上的风道密封阀9,开启送风风道和回 风风道上的风道密封阀9，设置好实验环境溫湿度参数，由数据采集模块和自动控制模块自 动调节溫湿度控制装置12的送风量、加热加湿量或制冷除湿量。
[0054] 热端量热模块13用W测量待测热电制冷装置的热端散热量和制冷片热端溫度等 参数。热端量热模块13包括热端恒溫换热器40、溫度测量装置16、流量测量装置15、流量控 制阀36、热水累37、热水恒溫水浴38、恒溫热介质槽39等。其中，热端恒溫换热器40和溫度测 量装置16放置于测试层3内部，其余部分均放置于测试舱1外。热端恒溫换热器40内部始终 流动着恒溫换热介质，例如恒溫热水，因此其换热表面溫度可一直维持在稳定的某种溫度 状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件热端直接接触并吸收热量，并由其内部流动 的换热介质将吸收的热量带走。热端恒溫换热器40与待测制冷装置接触的换热表面开有微 型凹槽，凹槽内设置有溫度测量装置16,用W测量待测制冷元件的热端溫度。热端恒溫换热 器40的换热介质进口通过保溫水管与热水累37的出口相连，连接的保溫水管上设有溫度测 量装置16和流量控制阀36。热水累37的入口通过保溫水管与恒溫热介质槽39的出口相连， 连接的保溫水管上设有流量测量装置15。热端恒溫换热器40的出口通过保溫水管与恒溫热 介质槽39的入口相连，连接的保溫水管上还设有溫度测量装置16。恒溫热介质槽39放置于 热水恒溫水浴38的水槽中，利用恒溫水浴加热保持热介质的恒溫状态。测量待测装置热端 散热量时，通过溫度测量装置16测出热端恒溫换热器40的进出口溫度差，通过流量测量装 置15测出恒溫介质流量，由所测进出口溫度差、恒溫介质和可查得的恒溫介质比热数值可 计算热端导出散热量，并根据热端恒溫换热器40与舱内环境接触的表面溫度、表面积、换热 系数和测试舱内溫度计算环境热损失，对热端导出散热量进行修正。修正后，即可获得较高 精度的热端散热量数值。
[0055] 冷端量换热模块14则用W测量待测热电制冷装置的冷端制冷量和制冷元件冷端 溫度等参数。冷端量换热模块14包括冷端恒溫换热器44、溫度测量装置16、流量测量装置 15、流量控制阀36、冷水累41、恒溫冷介质槽43、冷水恒溫水浴42等。其中，冷端恒溫换热器 44和溫度测量装置16放置于测试层3内部，其余部分均放置于测试舱1外。冷端恒溫换热器 44内部也流动着恒溫换热介质，例如恒溫冷水，其换热表面溫度也可一直维持在稳定的某 种溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件冷端直接接触并吸收冷量，并由其内 部流动的换热介质将吸收的冷量带走。冷端恒溫换热器44与待测制冷装置接触的换热表面 开有微型凹槽，凹槽内设置有溫度测量装置16,用W测量待测制冷元件的冷端溫度。冷端恒 溫换热器44的换热介质进口通过保溫水管与冷水累41的出口相连，连接的保溫水管上设有 溫度测量装置16和流量控制阀36。冷水累41的入口通过保溫水管与恒溫冷介质槽43的出口 相连，连接的保溫水管上设有流量测量装置15。冷端恒溫换热器31的出口通过保溫水管与 恒溫冷介质槽43的入口相连，连接的保溫水管上还设有溫度测量装置16。恒溫冷介质槽43 放置于冷水恒溫水浴42的水槽中，利用恒溫水浴保持冷介质的恒溫状态。测量待测装置冷 端制冷量时，通过溫度测量装置16测出冷端恒溫换热器44的进出口溫度差，通过流量测量 装置15测出恒溫介质流量，由所测出口溫度差、恒溫介质流量和可查得的恒溫介质比热数 值可计算冷端导出制冷量，并根据冷端恒溫换热器44与舱内环境接触的表面溫度、表面积、 换热系数和测试舱内溫度计算环境冷损失，对冷端导出制冷量进行修正。修正后，即可获得 较高精度的冷端制冷量数值。
[0056] 其中，恒溫热介质槽39和恒溫冷介质槽43内的溫度范围可根据测试要求，通过调 节热水恒溫水浴38和冷水恒溫水浴42内的水浴溫度进行相应地调整。
[0057] 数据采集模块包括设置于系统内的所有测试元件、仪表，可实时测量系统内所有 待测的参数和状态。数据采集模块还包括多点数据采集仪，用W自动采集并记录包括待测 热电制冷片冷/热端溫度、测试舱1内的溫度/湿度/压力、热端量换热模块13进出口水溫/水 流量、冷端量换热模块14进出口水溫/水流量等参数数据，并进行冷端制冷量、散冷损失、热 端散热量、散热损失、制冷系数、塞贝克系数、优值系数等参数的自动计算。
[0058] 自动控制模块包括用户操作面板，用户操作面板可供用户手动设置各项控制参 数。自动控制模块还可根据数据采集模块测试的参数和用户的预设控制参数对包括溫湿度 控制装置12、真空抽气累10、热端量换热模块13、冷端量换热模块14等部分的启停、工况状 态等进行自动控制与调节。
[0059] 电源驱动模块，包括直流电源和交流电源，用W为整个系统提供工作电源。其中， 直流电源还可手动调节输出的电流、电压等，并将电流、电压数据传输至数据采集模块直接 显示或远传记录。
[0060] 当用户需要对待测装置的热电制冷元件理论参数进行测量时，首先将测试层内的 两个溫度测量装置16分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合，关闭密封操作口 11 并锁死，关闭送风风道和回风风道上的风道密封阀9,打开真空风道上风道密封阀9,自动控 制模块控制真空抽气累10打开并调节抽气功率，使测试舱1内达到设定的真空状态。然后为 待测热电制冷元件供电，调节输入电压，同时观测待测热电制冷元件冷热端溫度数值，找到 最大溫差工况，此时测试系统可测量的参数包括最大溫差工况下待测热电制冷元件的输入 电压Umax、输入电流Imax、冷端溫度Tc、热端溫度化等。停止对待测热电制冷元件供电，同时观 测热电制冷元件所接电压表的数值变化，在电压表数值发生明显改变的时候记录其显示的 数据，即为热电制冷片的溫差电动势Emax。由公?
，可计算待测热电制冷元件的塞 贝克系数α ;由公式
可计算待测热电制冷元件的电阻率R;由公式
.可 计算待测热电制冷元件的电导率Κ;由公式
可计算待测热电制 冷元件的热导率λ;由公式
可计算待测热电制冷元件的优值系数Ζ。打开密封操作 Π ，将热端恒溫换热器40和冷端恒溫换热器44分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密 贴合，自动控制模块控制热端量热模块13和冷端量热模块14开启，通过调节热端恒溫换热 器40和冷端恒溫换热器44内部换热介质的溫度和流量，改变待测制冷元件的冷热端溫度。 进而重复之前的测试步骤，即可获得不同冷热端溫度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、 电阻率、电导率、热导率、优值系数等参数。
[0061]当用户需要对待测装置在某种环境工况下的实际工作参数进行测量时，首先将待 测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别加工出可设置溫度测量装 置16的孔桐，将测试层3内的两个溫度测量装置16安装于孔桐中，用W测试热电制冷元件的 冷热端溫度。然后关闭密封操作口 11并锁死，关闭真空风道上风道密封阀9,打开送风风道 和回风风道上的风道密封阀9,通过自动控制模块的用户操作面板设置测试舱1内溫湿度参 数，并开启溫湿度控制装置12。待测试舱1内的溫湿度状态稳定后，为待测热电制冷装置供 电，调节为该装置标准工况的输入电压，通过数据采集模块可得到输入电压U和输入电流I 的数值。等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过溫度测量装置16可得到热电制 冷元件的热端溫度化'和冷端溫度Tc'。进一步地，即可通过不同的步骤分别测量待测制冷 装置的实际散热量和制冷量。当测量热端散热量时，打开密封操作口 11，保持待测装置原本 使用的冷端换热器不变，将待测装置的热端换热器拆下，将热端恒溫换热器40的换热表面 与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合。关闭密封操作口 11并锁死，保持测试舱1内溫湿 度参数和待测热电制冷装置的输入电压U、输入电流I不变，通过自动控制模块开启热端量 热模块13并调节进入热端恒溫换热器40的换热介质溫度和流量，同时观察热电制冷元件的 冷热端溫度，使其数值变化至与之前测得的热端溫度化'和冷端溫度Tc'相同，此时可认为 待测制冷装置的工况与拆下热端换热器之前相同，并可测得热端恒溫换热器的进口介质溫 度化1、出口介质溫度化2、介质质量流量qmh、热端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度化。当 测量冷端制冷量时，打开密封操作口 11，此时则保持待测装置原本使用的热端换热器不变， 将待测装置的冷端换热器拆下，将冷端恒溫换热器44的换热表面与待测装置的热电制冷元 件热端紧密贴合。关闭密封操作口 11并锁死，保持测试舱1内溫湿度参数和待测热电制冷装 置的输入电压U、输入电流I不变，通过自动控制模块开启冷端量热模块14并 调节进入冷端 恒溫换热器44的换热介质溫度和流量，同时观察热电制冷元件的冷热端溫度，使其数值变 化至与之前测得的热端溫度化'和冷端溫度Tc'相同，此时可认为待测制冷装置的工况与拆 下冷端换热器之前相同，并可测得冷端恒溫换热器44的进口介质溫度Tci、出口介质溫度 Tc2、介质质量流量qm。、冷端恒溫换热器44与测试舱1内环境接触的表面溫度T。。通过上述测 量所得参数，由公式W = u · I，可计算待测热电制冷装置的输入功率(w);查得换热介质的比 热容C，由公式Qhl = C · qmh · (Th2-Thi)，可计算待测热电制冷装置的导出散热量舶1，借助热 端换热器表面溫度、表面积、传热系数、测试舱内溫度等参数可计算出热端环境热损失舶2， 由公式Qh=Qhl+Qh2,可计算待测热电制冷装置的实际散热量Qh;由公式Qcl = C · qmc · (Tc2-Tci)，可计算待测热电制冷装置的导出制冷量Qci，借助冷端换热器表面溫度、表面积、传热 系数、ii试舱内溫度等参数可计算出冷端环境冷损失Qc2,由公式Qc = Qc1+Qc2,可计算待测热 电制冷装置的实际制冷量Q。；由公??
可计算待测热电制冷装置的制冷能效比数 值邸R;由公式
，可计算待测热电制冷装置用于加热时的制热能效比COP数值。进 一步地，改变测试舱内的溫湿度状态，重复上述测试和计算步骤，即可获得不同环境条件下 待测热电制冷装置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比等参数。
[0062] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种热电制冷装置性能测试系统，其特征在于，包括测试舱，测试舱内部从上至下设 有相通的稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层设有与送风装 置连接的送风口，回风层开有回风口，回风口与送风口之间设有温湿度控制装置;测试层内 设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端恒温换热器和用于对待测热电制冷装置冷 端换热的冷端恒温换热器，热端恒温换热器和冷端恒温换热器与测试层内空气接触的表面 设有温度测量装置，热端恒温换热器和冷端恒温换热器各自的进口段均设有流量测量装 置。2. 如权利要求1所述的热电制冷装置性能测试系统，其特征在于，所述温湿度控制装置 包括空气处理舱，空气处理舱从送风口至回风口之间依次设有风机段、加湿段、表冷段和加 热段，送风装置为送风风机，放置于风机段内。3. 如权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述表冷段内设有表冷器，表冷器的 制冷剂进口与节流阀连接，节流阀与干燥过滤器连接，干燥过滤器与冷凝器的出口连接，制 冷剂出口与压缩机连接，压缩机与冷凝器的进口连接。4. 如权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述加湿段内设有加湿喷头，加湿喷 头与蒸汽发生器连接。5. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述稳压层开有与真空抽气栗连接的真 空抽气口。6. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述热端恒温换热器与恒温热介质槽连 接，连接的管路上设有热水栗;所述冷端恒温换热器与恒温冷介质槽连接，连接的管路上设 有冷水栗，所述恒温热介质槽放置于热水恒温水浴中，所述恒温冷介质槽放置于冷水恒温 水浴中。7. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，在所述测试层内设有多个温度测量装 置，多个湿度测量装置，多个压力测量装置。8. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括含有用户操作面板的 自动控制模块，自动控制模块中的控制器与各个装置的阀门或电源均分别单独连接，待测 热电制冷装置设有电压电流检测装置。9. 如权利要求1-8中任一项所述的测试系统的测试方法，其特征在于，具体步骤如下： 对待测热电制冷元件性能参数进行测量时： 1) 将测试层内的温度测量装置分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合，用于 测量热端温度和冷端温度； 2) 将测试舱内调节为设定的真空状态； 3) 为待测热电制冷元件供电，找到最大温差工况，测量最大温差工况下的输入电压、输 入电流、冷端温度、热端温度参数； 4) 停止对待测热电制冷元件供电，同时测量出待测热电制冷元件的温差电动势； 5) 计算待测热电制冷元件的塞贝克系数、电阻率、电导率、热导率、优值系数参数的数 值； 6) 将热端恒温换热器和冷端恒温换热器分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密 贴合，调节热端恒温换热器和冷端恒温换热器内流动的换热介质的温度和流量，改变待测 热电制冷元件的冷热端温度； 7)重复步骤2)~6)，可获得不同冷热端温度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、电阻 率、电导率、热导率、优值系数的数值。10.如权利要求1-8中任一项所述的测试系统的测试方法，其特征在于，具体步骤如下： 对已经为热电制冷元件安装好相应的冷热端换热器的待测热电制冷装置在某环境工况下 的实际工作参数进行测量时： 1) 将待测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别设置温度测量 装置，用以测试热电制冷元件的冷热端温度； 2) 根据测试需要设置测试舱内温湿度参数，并开启温湿度控制装置，将测试舱内的温 湿度调节至设定状态； 3) 为待测热电制冷装置供电，测得输入电压U和输入电流I的数值； 4) 等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过温度测量装置测得热端温度和冷 端温度； 5) 保持待测热电制冷装置原本使用的冷端换热器不变，将热端换热器拆下，将热端恒 温换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合； 6) 保持测试舱内温湿度参数和待测热电制冷装置的输入电压、输入电流不变，调节进 入热端恒温换热器的换热介质温度和流量，直至待测制冷装置工作于与拆下热端换热器之 前相同的工况状态，测得热端恒温换热器的进口介质温度、出口介质温度、介质流量，热端 恒温换热器与测试舱接触的表面温度参数数值； 7) 将待测热电制冷装置原本使用的热端换热器装回，将其冷端换热器拆下，将冷端恒 温换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件冷端紧密贴合； 8) 采用同步骤6)相同的方式测量测得冷端恒温换热器的进口介质温度、出口介质温 度、介质流量，冷端恒温换热器与测试舱接触的表面温度参数数值； 9) 计算测热电制冷装置的输入功率、导出散热量、导出制冷量参数，并对导出散热量、 导出制冷量进行修正，得到待测热电制冷装置的实际散热量和实际制冷量数值； 10) 改变测试舱内的温湿度，重复步骤3)~9)，可获得不同环境条件下待测热电制冷装 置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比参数。
【专利摘要】本发明公开了一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法，该系统包括测试舱，测试舱内部设有相通的稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层一侧与真空抽气装置连接，另一侧开有送风口，回风层开有回风口，回风口与送风口之间设有温湿度控制装置；测试层内设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端量热模块和用于对待测热电制冷装置冷端换热的冷端量热模块。本发明的有益效果是：可模拟任意温湿度环境工况，可以测量在任何场合下使用的待测热电制冷装置实际工作性能，模拟再现能力强；系统还可提供真空测试环境，在真空环境下测量待测装置制冷元件的理论工作参数。
【IPC分类】G01M99/00
【公开号】CN105486533
【申请号】CN201610108136
【发明人】段炼, 韩吉田, 孔令健, 张涛, 陈常念, 曹琳琳, 孙钢
【申请人】山东大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月26日
【技术领域】
[0001] 本发明设及制冷领域，特别是设及一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 热电制冷也被称为半导体制冷、帕尔贴制冷，是一种W半导体材料为基础的制冷 方式。通过在热电制冷元件的两端加载直流电源，热电制冷元件的两端就会出现一冷一热 的现象，如果改变电流的方向，冷热两端还会互换。19世纪初人们就发现了热电制冷现象， 但直到1960年前后热电制冷装置才开始有所发展。近年来，随着热电制冷领域研究的不断 深入，热电制冷装置在国防、航天、科研、医疗卫生等领域得到了较广泛应用。已有研究表 明，在某一溫差下，热电制冷装置制冷量随热端散热强度的增加而提高，但热端散热强度增 大到一定程度后对制冷量的影响就趋于平缓。因此，通过测量某一运行状态下热电制冷装 置的散热量和制冷量，可W判断该装置是否具有通过提高热端散热强度来改进其制冷性能 的空间，对整个热电制冷装置的优化设计及经济运行都具有重要意义。但是，现有热电制冷 装置的测试设备大多是针对热电制冷片的性能测试进行的，而热电制冷装置的实际换热性 能测试方面还存在着一定的不足。尤其是通用于不同冷热端换热方式、对各种热电制冷装 置的实际制冷量、热端散热量、实际工作效率等参数均可测试的性能测试系统还存在着一 定的技术空白。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种适用于不同冷热端换热方式、可测量热电制冷装置实际 制冷量、热端散热量、实际工作效率、制冷元件性能等参数的热电制冷装置性能测试系统及 测试方法。
[0004] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种热电制冷装置性能测试系统，包括测试舱，测试舱内部由上到下设有相通的 稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层设有与送风风道连接的 送风口，回风层设有与回风风道连接的回风口，回风风道与送风风道之间设有溫湿度控制 装置;测试层内设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端恒溫换热器和用于对待测热 电制冷装置冷端换热的冷端恒溫换热器，热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器与测试层内空 气接触的表面设有溫度测量装置，热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器各自的进口段均设有 流量测量装置。
[0006] 所述热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器均为内部可供换热介质流通的换热腔体， 热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器与待测制冷装置接触的表面开有微型凹槽，凹槽内设置 有溫度测量装置，实现对待测热电制冷装置制冷元件热端和冷端溫度的测量;热端恒溫换 热器和冷端恒溫换热器与测试层内空气接触的表面设有溫度测量装置，可实现对热端恒溫 换热器和冷端恒溫换热器表面溫度的测量;热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器的换热介质 进出口处均设有溫度测量装置，可实现对换热介质进出口溫度的测量;热端恒溫换热器和 冷端恒溫换热器各自的进口段均设有流量测量装置，流量计测量冷端和热端的流量，通过 溫度和流量的测量实现热端散热量及制冷量参数的测定。
[0007]此外，测试舱设有密封操作口，打开密封操作口可放置或取出待测热电制冷装置， 所述密封操作口包括密封和锁死装置，用于关闭密封操作口时时保持测试舱内密封状态。 [000引进一步地，所述溫湿度控制装置包括空气处理舱，空气处理舱从送风口至回风口 之间依次设有风机段、加湿段、表冷段和加热段，送风装置为送风风机，放置于风机段内，风 机段通过送风风道与送风口连接向稳压层，进而向测试层内提供均匀和稳定的测试环境。
[0009] 进一步地，所述表冷段内设有表冷器，表冷器的制冷剂进口与节流阀连接，节流阀 与干燥过滤器连接，干燥过滤器与冷凝器的出口连接，制冷剂出口与压缩机连接，压缩机与 冷凝器的进口连接。
[0010] 进一步地，所述加湿段内设有加湿喷头，加湿喷头与蒸汽发生器连接。
[0011] 进一步地，所述稳压层开有与真空抽气累连接的真空抽气口。
[0012] 进一步地，所述热端恒溫换热器与恒溫热介质槽连接，连接的管路上设有热水累； 所述冷端恒溫换热器与恒溫冷介质槽连接，连接的管路上设有冷水累，所述热端恒溫换热 器的换热表面溫度可一直维持在相对稳定的预设溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电 制冷元件热端直接接触并吸收热量;所述冷端恒溫换热器的制冷表面溫度可一直维持在相 对稳定的预设溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件冷端直接接触并吸收冷 量。
[0013] 进一步地，所述恒溫热介质槽放置于热水恒溫水浴中，所述恒溫冷介质槽放置于 冷水恒溫水浴中；可通过改变热水恒溫水浴和冷水恒溫水浴内的水溫，调节恒溫热介质槽 和恒溫冷介质槽内的换热介质溫度，并保持该溫度的相对稳定。
[0014] 其中，热端恒溫换热器和冷端量恒溫换热器设于测试层内，热水恒溫水浴与冷水 恒溫水浴设于测试舱外。
[0015] 进一步地，在所述测试层内设有多个溫度测量装置，多个湿度测量装置，多个压力 测量装置，对测试层内的溫度、湿度和压力进行多点测量。
[0016] 进一步地，所述测试系统包括含有用户操作面板的自动控制模块，自动控制模块 中的控制器与各个装置的阀口均分别单独连接。
[0017] 进一步地，所述测试系统包括供电模块，包括交流电源和直流电源，为待测装置和 测试系统中的用电设备提供驱动电源。
[0018] 进一步地，所述测试系统包括数据采集模块，能够自动采集和显示测试系统所有 溫度、湿度、压力和流量测量装置等所测量到的数据，并能够测量待测装置的输入电压、电 流和溫差电动势。
[0019] 进一步地，所述稳压层和测试层通过孔板上下设置;所述测试层和所述回风层通 过孔板上下设置。
[0020] 对待测热电制冷元件性能参数进行测量时，具体步骤如下：
[0021] 1)将测试层内的溫度测量装置分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合， 用于测量热端溫度和冷端溫度；
[0022] 2)将测试舱内调节为设定的真空状态；
[0023] 3)为待测热电制冷元件供电，找到最大溫差工况，测量最大溫差工况下的输入电 压、输入电流、冷端溫度、热端溫度参数；
[0024] 4)停止对待测热电制冷元件供电，同时测量出待测热电制冷元件的溫差电动势；
[0025] 5)计算待测热电制冷元件的塞贝克系数、电阻率、电导率、热导率、优值系数参数 的数值；
[0026] 6)将热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器分别与待测热电制冷元件的热端和冷端 紧密贴合，调节热端恒溫换热器和冷端恒溫换热器内流动的换热介质的溫度和流量，改变 待测热电制冷元件的冷热端溫度；
[0027] 7)重复步骤2)~6)，可获得不同冷热端溫度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、 电阻率、电导率、热导率、优值系数的数值。
[0028] 对已经为热电制冷元件安装好相应的冷热端换热器的待测热电制冷装置在某环 境工况下的实际工作参数进行测量时，具体步骤如下：：
[0029] 1)将待测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别设置溫度 测量装置，用W测试热电制冷元件的冷热端溫度；
[0030] 2)根据测试需要设置测试舱内溫湿度参数，并开启溫湿度控制装置，将测试舱内 的溫湿度调节至设定状态；
[0031] 3)为待测热电制冷装置供电，测得输入电压U和输入电流I的数值；
[0032] 4)等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过溫度测量装置测得热端溫度 和冷端溫度；
[0033] 5)保持待测热电制冷装置原本使用的冷端换热器不变， 将热端换热器拆下，将热 端恒溫换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合；
[0034] 6)保持测试舱内溫湿度参数和待测热电制冷装置的输入电压、输入电流不变，调 节进入热端恒溫换热器的换热介质溫度和流量，直至待测制冷装置工作于与拆下热端换热 器之前相同的工况状态，测得热端恒溫换热器的进口介质溫度、出口介质溫度、介质流量， 热端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度参数数值；
[0035] 7)将待测热电制冷装置原本使用的热端换热器装回，将其冷端换热器拆下，将冷 端恒溫换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件冷端紧密贴合；
[0036] 8)采用同步骤6)相同的方式测量测得冷端恒溫换热器的进口介质溫度、出口介质 溫度、介质流量，冷端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度参数数值；
[0037] 9)计算测热电制冷装置的输入功率、导出散热量、导出制冷量参数，并对导出散热 量、导出制冷量进行修正，得到待测热电制冷装置的实际散热量和实际制冷量数值；
[0038] 10)改变测试舱内的溫湿度，重复步骤3)~9)，可获得不同环境条件下待测热电制 冷装置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比参数。
[0039] 本发明的工作原理是:本发明提供的热电制冷性能测试系统，可提供真空测试环 境或模拟任意溫湿度环境工况，在特定环境下可精确测量包括热电制冷装置工作电压、电 流、输入功率、散热量、制冷量、制冷系数、制热能效比、热电制冷片塞贝克系数、优值系数等 各种相关参数，填补了空白，更加全面地对热电制冷装置的性能进行判断。
[0040] 本发明的有益效果是：
[0041] 1.本发明的测试系统不仅适用于各种运行工况下采用任意冷热端换热方式的热 电制冷装置性能测量，而且适用于热电制冷元件理论参数的测量。
[0042] 2.本发明的测试系统可测量包括热电制冷装置工作电压、电流、输入功率、散热 量、制冷量、制冷系数、冷热端换热方式的换热性能、热电制冷片塞贝克系数、优值系数等各 种相关参数，且系统测试精度较高。
[0043] 3.本发明的测试系统可模拟任意溫湿度环境工况，可W测量在任何场合下使用的 待测装置实际工作性能，模拟再现能力强;系统还可提供真空测试环境，在真空环境下测量 待测装置的理论工作参数。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明的系统示意图；
[0045] 图2为本发明的溫湿度控制装置示意图；
[0046] 图3为本发明的热端量换热模块示意图；
[0047] 图4为本发明的冷端量换热模块示意图；
[004引图中，1测试舱，2稳压层，3测试层，4回风层，5真空抽气口，6送风口，7回风口，8孔 板，9风道密封阀，10真空抽气累，11密封操作口，12溫湿度控制装置，13热端量热模块，14冷 端量热模块，15流量测量装置，16溫度测量装置，17湿度测量装置，18压力测量装置，19空气 处理舱，20加热段，21表冷段，22加湿段，23风机段，24空气加热模块，25表冷器，26节流阀， 27冷凝器，28压缩机，29干燥过滤器，30加湿喷头，31溢水管，32蒸汽发生器，3巧h水装置，34 蒸汽加热器，35送风风机，36流量控制阀，37热水累，38热水恒溫水浴，39恒溫热介质槽，40 热端恒溫换热器，41冷水累，42冷水恒溫水浴，43恒溫冷介质槽，44冷端恒溫换热器。
【具体实施方式】
[0049] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述。
[0050] 如图1所示，本发明提供的一种热电制冷装置性能测试系统，包括测试舱1、溫湿度 控制装置12、真空抽气累10、热端量热模块13、冷端量热模块14、数据采集模块、自动控制模 块、供电模块等。
[0051] 测试舱1的上部和下部位置分别设有孔板8,将测试舱1分隔为稳压层2、测试层3和 回风层4Ξ层。孔板8为均布连通孔的平板，起均匀送风的作用。稳压层2设置有送风口 6和真 空抽气口5,回风层4设置有回风口7,真空抽气口5、送风口6和回风口7分别与真空风道、送 风风道和回风风道连接，连接的风道靠近测试舱1的位置均设置有风道密封阀9,风道密封 阀9可手动开启或关闭，关闭时起到空气密封作用，开启时空气才可流通。测试舱1还设置有 密封操作口 11，密封操作口 11打开后可对测试舱1内部的各种设备或待测装置进行连接等 各种操作，密封操作口 11关闭后起到密封作用，此时可进行实验测试。在测试层3内还设有 溫度测量装置16、湿度测量装置17和压力测量装置18,用于对测试舱内溫度、湿度和压力的 测量。
[0052] 真空抽气口 5通过真空风道与真空抽气累10的入口连接，当测试实验需要真空环 境时，开启真空风道上的风道密封阀9和真空抽气累10,可为测试舱1内提供所需的真空度。 当测试实验需要真空测试环境时，用户可手动开启真空风道上的风道密封阀9,关闭送风风 道和回风风道上的风道密封阀9,由数据采集模块和自动控制模块自动调节真空抽气累10 的抽气功率，使测试舱1内部实现目标真空度。
[0053] 送风口 6通过送风风道与溫湿度控制装置12的出风口连接；回风口 7通过回风风道 与溫湿度控制装置12的进风口连接。溫湿度控制装置12位于测试舱1外，包括空气处理舱 19、空气加热模块24、空气冷却模块、加湿模块、送风风机35。其中，空气处理舱19为空气进 入溫湿度控制装置12后的热湿处理空间，从进风口到出风口依次为加热段20、表冷段21、加 湿段22和风机段23,分别为流过的空气提供加热、制冷除湿、加湿和加压送风的空间。空气 加热模块24直接放置于加热段20中，采用电加热的方式，起到对空气加热的作用。空气冷却 模块包括表冷器25、节流阀26、冷凝器27、压缩机28和干燥过滤器29。表冷器25放置于表冷 段21中，对流经表冷段21的空气进行降溫和除湿。表冷器25的制冷剂进口通过冷剂管与节 流阀26相连，制冷剂出口通过冷剂管与压缩机28的进口相连。压缩机28的出口通过冷剂管 与冷凝器27的进口相连。冷凝器27的出口通过冷剂管与节流阀26相连，且连接的冷剂管上 还设有干燥过滤器29。加湿模块包括加湿喷头30、溢水管31和蒸汽发生器32。加湿喷头30设 置于加湿段22中，可直接向流经加湿段22的空气进行喷蒸汽加湿。溢水管31的进口位于加 湿段22的底部，将加湿段22的底部连接至地漏，用于排放积水。蒸汽发生器32包括发生器罐 体、补水装置33和蒸汽加热器34,蒸汽发生器采用电加热的方式向加湿喷头提供水蒸汽。送 风风机35放置于风机段23中，可自由调节风量和风压，提供空气循环动力。当测试实验需要 特定的溫湿度测试环境时，用户可手动关闭真空风道上的风道密封阀9,开启送风风道和回 风风道上的风道密封阀9，设置好实验环境溫湿度参数，由数据采集模块和自动控制模块自 动调节溫湿度控制装置12的送风量、加热加湿量或制冷除湿量。
[0054] 热端量热模块13用W测量待测热电制冷装置的热端散热量和制冷片热端溫度等 参数。热端量热模块13包括热端恒溫换热器40、溫度测量装置16、流量测量装置15、流量控 制阀36、热水累37、热水恒溫水浴38、恒溫热介质槽39等。其中，热端恒溫换热器40和溫度测 量装置16放置于测试层3内部，其余部分均放置于测试舱1外。热端恒溫换热器40内部始终 流动着恒溫换热介质，例如恒溫热水，因此其换热表面溫度可一直维持在稳定的某种溫度 状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件热端直接接触并吸收热量，并由其内部流动 的换热介质将吸收的热量带走。热端恒溫换热器40与待测制冷装置接触的换热表面开有微 型凹槽，凹槽内设置有溫度测量装置16,用W测量待测制冷元件的热端溫度。热端恒溫换热 器40的换热介质进口通过保溫水管与热水累37的出口相连，连接的保溫水管上设有溫度测 量装置16和流量控制阀36。热水累37的入口通过保溫水管与恒溫热介质槽39的出口相连， 连接的保溫水管上设有流量测量装置15。热端恒溫换热器40的出口通过保溫水管与恒溫热 介质槽39的入口相连，连接的保溫水管上还设有溫度测量装置16。恒溫热介质槽39放置于 热水恒溫水浴38的水槽中，利用恒溫水浴加热保持热介质的恒溫状态。测量待测装置热端 散热量时，通过溫度测量装置16测出热端恒溫换热器40的进出口溫度差，通过流量测量装 置15测出恒溫介质流量，由所测进出口溫度差、恒溫介质和可查得的恒溫介质比热数值可 计算热端导出散热量，并根据热端恒溫换热器40与舱内环境接触的表面溫度、表面积、换热 系数和测试舱内溫度计算环境热损失，对热端导出散热量进行修正。修正后，即可获得较高 精度的热端散热量数值。
[0055] 冷端量换热模块14则用W测量待测热电制冷装置的冷端制冷量和制冷元件冷端 溫度等参数。冷端量换热模块14包括冷端恒溫换热器44、溫度测量装置16、流量测量装置 15、流量控制阀36、冷水累41、恒溫冷介质槽43、冷水恒溫水浴42等。其中，冷端恒溫换热器 44和溫度测量装置16放置于测试层3内部，其余部分均放置于测试舱1外。冷端恒溫换热器 44内部也流动着恒溫换热介质，例如恒溫冷水，其换热表面溫度也可一直维持在稳定的某 种溫度状态下，与待测热电制冷装置的热电制冷元件冷端直接接触并吸收冷量，并由其内 部流动的换热介质将吸收的冷量带走。冷端恒溫换热器44与待测制冷装置接触的换热表面 开有微型凹槽，凹槽内设置有溫度测量装置16,用W测量待测制冷元件的冷端溫度。冷端恒 溫换热器44的换热介质进口通过保溫水管与冷水累41的出口相连，连接的保溫水管上设有 溫度测量装置16和流量控制阀36。冷水累41的入口通过保溫水管与恒溫冷介质槽43的出口 相连，连接的保溫水管上设有流量测量装置15。冷端恒溫换热器31的出口通过保溫水管与 恒溫冷介质槽43的入口相连，连接的保溫水管上还设有溫度测量装置16。恒溫冷介质槽43 放置于冷水恒溫水浴42的水槽中，利用恒溫水浴保持冷介质的恒溫状态。测量待测装置冷 端制冷量时，通过溫度测量装置16测出冷端恒溫换热器44的进出口溫度差，通过流量测量 装置15测出恒溫介质流量，由所测出口溫度差、恒溫介质流量和可查得的恒溫介质比热数 值可计算冷端导出制冷量，并根据冷端恒溫换热器44与舱内环境接触的表面溫度、表面积、 换热系数和测试舱内溫度计算环境冷损失，对冷端导出制冷量进行修正。修正后，即可获得 较高精度的冷端制冷量数值。
[0056] 其中，恒溫热介质槽39和恒溫冷介质槽43内的溫度范围可根据测试要求，通过调 节热水恒溫水浴38和冷水恒溫水浴42内的水浴溫度进行相应地调整。
[0057] 数据采集模块包括设置于系统内的所有测试元件、仪表，可实时测量系统内所有 待测的参数和状态。数据采集模块还包括多点数据采集仪，用W自动采集并记录包括待测 热电制冷片冷/热端溫度、测试舱1内的溫度/湿度/压力、热端量换热模块13进出口水溫/水 流量、冷端量换热模块14进出口水溫/水流量等参数数据，并进行冷端制冷量、散冷损失、热 端散热量、散热损失、制冷系数、塞贝克系数、优值系数等参数的自动计算。
[0058] 自动控制模块包括用户操作面板，用户操作面板可供用户手动设置各项控制参 数。自动控制模块还可根据数据采集模块测试的参数和用户的预设控制参数对包括溫湿度 控制装置12、真空抽气累10、热端量换热模块13、冷端量换热模块14等部分的启停、工况状 态等进行自动控制与调节。
[0059] 电源驱动模块，包括直流电源和交流电源，用W为整个系统提供工作电源。其中， 直流电源还可手动调节输出的电流、电压等，并将电流、电压数据传输至数据采集模块直接 显示或远传记录。
[0060] 当用户需要对待测装置的热电制冷元件理论参数进行测量时，首先将测试层内的 两个溫度测量装置16分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合，关闭密封操作口 11 并锁死，关闭送风风道和回风风道上的风道密封阀9,打开真空风道上风道密封阀9,自动控 制模块控制真空抽气累10打开并调节抽气功率，使测试舱1内达到设定的真空状态。然后为 待测热电制冷元件供电，调节输入电压，同时观测待测热电制冷元件冷热端溫度数值，找到 最大溫差工况，此时测试系统可测量的参数包括最大溫差工况下待测热电制冷元件的输入 电压Umax、输入电流Imax、冷端溫度Tc、热端溫度化等。停止对待测热电制冷元件供电，同时观 测热电制冷元件所接电压表的数值变化，在电压表数值发生明显改变的时候记录其显示的 数据，即为热电制冷片的溫差电动势Emax。由公?
，可计算待测热电制冷元件的塞 贝克系数α ;由公式
可计算待测热电制冷元件的电阻率R;由公式
.可 计算待测热电制冷元件的电导率Κ;由公式
可计算待测热电制 冷元件的热导率λ;由公式
可计算待测热电制冷元件的优值系数Ζ。打开密封操作 Π ，将热端恒溫换热器40和冷端恒溫换热器44分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密 贴合，自动控制模块控制热端量热模块13和冷端量热模块14开启，通过调节热端恒溫换热 器40和冷端恒溫换热器44内部换热介质的溫度和流量，改变待测制冷元件的冷热端溫度。 进而重复之前的测试步骤，即可获得不同冷热端溫度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、 电阻率、电导率、热导率、优值系数等参数。
[0061]当用户需要对待测装置在某种环境工况下的实际工作参数进行测量时，首先将待 测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别加工出可设置溫度测量装 置16的孔桐，将测试层3内的两个溫度测量装置16安装于孔桐中，用W测试热电制冷元件的 冷热端溫度。然后关闭密封操作口 11并锁死，关闭真空风道上风道密封阀9,打开送风风道 和回风风道上的风道密封阀9,通过自动控制模块的用户操作面板设置测试舱1内溫湿度参 数，并开启溫湿度控制装置12。待测试舱1内的溫湿度状态稳定后，为待测热电制冷装置供 电，调节为该装置标准工况的输入电压，通过数据采集模块可得到输入电压U和输入电流I 的数值。等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过溫度测量装置16可得到热电制 冷元件的热端溫度化'和冷端溫度Tc'。进一步地，即可通过不同的步骤分别测量待测制冷 装置的实际散热量和制冷量。当测量热端散热量时，打开密封操作口 11，保持待测装置原本 使用的冷端换热器不变，将待测装置的热端换热器拆下，将热端恒溫换热器40的换热表面 与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合。关闭密封操作口 11并锁死，保持测试舱1内溫湿 度参数和待测热电制冷装置的输入电压U、输入电流I不变，通过自动控制模块开启热端量 热模块13并调节进入热端恒溫换热器40的换热介质溫度和流量，同时观察热电制冷元件的 冷热端溫度，使其数值变化至与之前测得的热端溫度化'和冷端溫度Tc'相同，此时可认为 待测制冷装置的工况与拆下热端换热器之前相同，并可测得热端恒溫换热器的进口介质溫 度化1、出口介质溫度化2、介质质量流量qmh、热端恒溫换热器与测试舱接触的表面溫度化。当 测量冷端制冷量时，打开密封操作口 11，此时则保持待测装置原本使用的热端换热器不变， 将待测装置的冷端换热器拆下，将冷端恒溫换热器44的换热表面与待测装置的热电制冷元 件热端紧密贴合。关闭密封操作口 11并锁死，保持测试舱1内溫湿度参数和待测热电制冷装 置的输入电压U、输入电流I不变，通过自动控制模块开启冷端量热模块14并 调节进入冷端 恒溫换热器44的换热介质溫度和流量，同时观察热电制冷元件的冷热端溫度，使其数值变 化至与之前测得的热端溫度化'和冷端溫度Tc'相同，此时可认为待测制冷装置的工况与拆 下冷端换热器之前相同，并可测得冷端恒溫换热器44的进口介质溫度Tci、出口介质溫度 Tc2、介质质量流量qm。、冷端恒溫换热器44与测试舱1内环境接触的表面溫度T。。通过上述测 量所得参数，由公式W = u · I，可计算待测热电制冷装置的输入功率(w);查得换热介质的比 热容C，由公式Qhl = C · qmh · (Th2-Thi)，可计算待测热电制冷装置的导出散热量舶1，借助热 端换热器表面溫度、表面积、传热系数、测试舱内溫度等参数可计算出热端环境热损失舶2， 由公式Qh=Qhl+Qh2,可计算待测热电制冷装置的实际散热量Qh;由公式Qcl = C · qmc · (Tc2-Tci)，可计算待测热电制冷装置的导出制冷量Qci，借助冷端换热器表面溫度、表面积、传热 系数、ii试舱内溫度等参数可计算出冷端环境冷损失Qc2,由公式Qc = Qc1+Qc2,可计算待测热 电制冷装置的实际制冷量Q。；由公??
可计算待测热电制冷装置的制冷能效比数 值邸R;由公式
，可计算待测热电制冷装置用于加热时的制热能效比COP数值。进 一步地，改变测试舱内的溫湿度状态，重复上述测试和计算步骤，即可获得不同环境条件下 待测热电制冷装置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比等参数。
[0062] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种热电制冷装置性能测试系统，其特征在于，包括测试舱，测试舱内部从上至下设 有相通的稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层设有与送风装 置连接的送风口，回风层开有回风口，回风口与送风口之间设有温湿度控制装置;测试层内 设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端恒温换热器和用于对待测热电制冷装置冷 端换热的冷端恒温换热器，热端恒温换热器和冷端恒温换热器与测试层内空气接触的表面 设有温度测量装置，热端恒温换热器和冷端恒温换热器各自的进口段均设有流量测量装 置。2. 如权利要求1所述的热电制冷装置性能测试系统，其特征在于，所述温湿度控制装置 包括空气处理舱，空气处理舱从送风口至回风口之间依次设有风机段、加湿段、表冷段和加 热段，送风装置为送风风机，放置于风机段内。3. 如权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述表冷段内设有表冷器，表冷器的 制冷剂进口与节流阀连接，节流阀与干燥过滤器连接，干燥过滤器与冷凝器的出口连接，制 冷剂出口与压缩机连接，压缩机与冷凝器的进口连接。4. 如权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述加湿段内设有加湿喷头，加湿喷 头与蒸汽发生器连接。5. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述稳压层开有与真空抽气栗连接的真 空抽气口。6. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述热端恒温换热器与恒温热介质槽连 接，连接的管路上设有热水栗;所述冷端恒温换热器与恒温冷介质槽连接，连接的管路上设 有冷水栗，所述恒温热介质槽放置于热水恒温水浴中，所述恒温冷介质槽放置于冷水恒温 水浴中。7. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，在所述测试层内设有多个温度测量装 置，多个湿度测量装置，多个压力测量装置。8. 如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括含有用户操作面板的 自动控制模块，自动控制模块中的控制器与各个装置的阀门或电源均分别单独连接，待测 热电制冷装置设有电压电流检测装置。9. 如权利要求1-8中任一项所述的测试系统的测试方法，其特征在于，具体步骤如下： 对待测热电制冷元件性能参数进行测量时： 1) 将测试层内的温度测量装置分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密贴合，用于 测量热端温度和冷端温度； 2) 将测试舱内调节为设定的真空状态； 3) 为待测热电制冷元件供电，找到最大温差工况，测量最大温差工况下的输入电压、输 入电流、冷端温度、热端温度参数； 4) 停止对待测热电制冷元件供电，同时测量出待测热电制冷元件的温差电动势； 5) 计算待测热电制冷元件的塞贝克系数、电阻率、电导率、热导率、优值系数参数的数 值； 6) 将热端恒温换热器和冷端恒温换热器分别与待测热电制冷元件的热端和冷端紧密 贴合，调节热端恒温换热器和冷端恒温换热器内流动的换热介质的温度和流量，改变待测 热电制冷元件的冷热端温度； 7)重复步骤2)~6)，可获得不同冷热端温度下的待测热电制冷元件塞贝克系数、电阻 率、电导率、热导率、优值系数的数值。10.如权利要求1-8中任一项所述的测试系统的测试方法，其特征在于，具体步骤如下： 对已经为热电制冷元件安装好相应的冷热端换热器的待测热电制冷装置在某环境工况下 的实际工作参数进行测量时： 1) 将待测热电制冷装置的冷热端换热器与热电制冷元件的贴合处分别设置温度测量 装置，用以测试热电制冷元件的冷热端温度； 2) 根据测试需要设置测试舱内温湿度参数，并开启温湿度控制装置，将测试舱内的温 湿度调节至设定状态； 3) 为待测热电制冷装置供电，测得输入电压U和输入电流I的数值； 4) 等候待测热电制冷装置到达稳定的工作状态，通过温度测量装置测得热端温度和冷 端温度； 5) 保持待测热电制冷装置原本使用的冷端换热器不变，将热端换热器拆下，将热端恒 温换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件热端紧密贴合； 6) 保持测试舱内温湿度参数和待测热电制冷装置的输入电压、输入电流不变，调节进 入热端恒温换热器的换热介质温度和流量，直至待测制冷装置工作于与拆下热端换热器之 前相同的工况状态，测得热端恒温换热器的进口介质温度、出口介质温度、介质流量，热端 恒温换热器与测试舱接触的表面温度参数数值； 7) 将待测热电制冷装置原本使用的热端换热器装回，将其冷端换热器拆下，将冷端恒 温换热器的换热表面与待测装置的热电制冷元件冷端紧密贴合； 8) 采用同步骤6)相同的方式测量测得冷端恒温换热器的进口介质温度、出口介质温 度、介质流量，冷端恒温换热器与测试舱接触的表面温度参数数值； 9) 计算测热电制冷装置的输入功率、导出散热量、导出制冷量参数，并对导出散热量、 导出制冷量进行修正，得到待测热电制冷装置的实际散热量和实际制冷量数值； 10) 改变测试舱内的温湿度，重复步骤3)~9)，可获得不同环境条件下待测热电制冷装 置的实际制冷量、实际散热量、制冷系数、制热能效比参数。
【专利摘要】本发明公开了一种热电制冷装置性能测试系统及测试方法，该系统包括测试舱，测试舱内部设有相通的稳压层、测试层和回风层，待测热电制冷装置设于测试层内，稳压层一侧与真空抽气装置连接，另一侧开有送风口，回风层开有回风口，回风口与送风口之间设有温湿度控制装置；测试层内设有用于对待测热电制冷装置热端换热的热端量热模块和用于对待测热电制冷装置冷端换热的冷端量热模块。本发明的有益效果是：可模拟任意温湿度环境工况，可以测量在任何场合下使用的待测热电制冷装置实际工作性能，模拟再现能力强；系统还可提供真空测试环境，在真空环境下测量待测装置制冷元件的理论工作参数。
【IPC分类】G01M99/00
【公开号】CN105486533
【申请号】CN201610108136
【发明人】段炼, 韩吉田, 孔令健, 张涛, 陈常念, 曹琳琳, 孙钢
【申请人】山东大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月26日
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