PL 217331 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 217331 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 391503 (22) Data zgłoszenia: 14.06.2010 (51) Int.Cl. G01K 17/00 (2006.01) H01L 35/34 (2006.01) B01L 7/00 (2006.01) (54) Urządzenie do wyznaczania charakterystyk modułu termoelektrycznego (73) Uprawniony z patentu: AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.12.2011 BUP 26/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2014 WUP 07/14 (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF WOJCIECHOWSKI, Więckowice, PL RAFAŁ ZYBAŁA, Staszów, PL MAKSYMILIAN SCHMIDT, Biecz, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Elżbieta Postołek
2 PL 217 331 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wyznaczania charakterystyk modułu termoelektrycznego, stosowane przy projektowaniu nowych modułów przetwarzających energię cieplną na elektryczną oraz do optymalnego doboru typu modułu - z handlowo dostępnych na rynku - dla danych warunków temperaturowych. Ogólna idea pomiaru efektywności modułu termoelektrycznego opiera się na porównaniu mocy elektrycznej generowanej przez moduł w stosunku do mocy cieplnej dostarczonej do powierzchni gorącej modułu w stacjonarnych warunkach przepływu ciepła. Problemem technicznym pomiaru jest dokładność określenia ilości ciepła przepływającego przez moduł. Znane jest urządzenie do wyznaczania charakterystyk przedstawione w materiałach International Conference on Thermoelectrics 2006 przez japońskich naukowców, głównie z National Institute of Advanced Industrial Scence and Technology z Baraki, opisane w artykule pt. Efficiency measurement of thermoelectric module operating In the temperature difference of up to 550 K. Urządzenie posiada termoizolowaną komorę pomiarową, w której zabudowane są człon gorący i człon zimny - obejmujące powierzchniami przylegania powierzchnie badanego modułu termoelektrycznego. Urządzenie wyposażone jest we wspomagane techniką komputerową układy pomiaru mocy elektrycznej grzejnika pomiarowego w członie gorącym, mocy elektrycznej generowanej w module oraz czujników temperatur. Zastosowany pomiar przewodności cieplnej opiera się na stacjonarnej metodzie przepływu ciepła w warunkach adiabatycznych. Ilość ciepła przepływającego przez zimną powierzchnię modułu wyznacza się przez pomiar różnicy temperatur w bloku wzorcowego materiału odniesienia, korzystnie z czystej miedzi lub żelaza. Z rozwiązaniem takim wiążą się jednak duże straty ciepła przechodzącego przez blok materiału wzorcowego i w efekcie generowanie odpowiednio dużych błędów na poziomie 5 do 10%, zależnie od różnicy temperatur. W dotychczasowo znanych urządzeniach badanie charakterystyk obciążeniowych modułu termoelektrycznego wykonuje się przez włączanie do obwodu pomiarowego zmiennej rezystancji obciążenia. Parametry obciążeniowe, takie jak napięcie, natężenie prądu, moc elektryczna wytwarzane przez badany moduł termoelektryczny mierzone są przy pomocy odpowiednio włączonych w obwód mierników elektrycznych. Zastosowanie biernego obciążenia rezystancyjnego powoduje ograniczenie zakresu pomiarowego, zwłaszcza parametrów wydajnościowych modułu poniżej wartości krytycznej natężenia prądu. Ponad to większość producentów modułów termoelektrycznych podaje ich parametry tylko dla wybranych warunków pracy, przykładowo przy t g = 175 C i t d = 50 C. Dane te są jednak niewystarczające dla obliczenia podstawowych parametrów użytkowych modułu w innym zakresie temperaturowym, przykładowo: mocy, sprawności, napięć roboczych. Urządzenie według niniejszego wynalazku, podobnie jak w powyżej opisanym, ma termoizolowaną komorę pomiarową z zabudowanymi w niej członem gorącym i członem zimnym, które powierzchniami przylegania obejmują podczas pomiarów powierzchnie badanego modułu termoelektrycznego. Urządzenie wyposażone jest w układy pomiarowe mocy elektrycznej grzejnika pomiarowego w członie gorącym, mocy elektrycznej generowanej w module, czujniki temperatur oraz przetworniki analogowo-cyfrowe i komputer. Istota rozwiązania polega na tym, że człon zimny ma chłodnice cieczową włączoną w obieg zawierający wymiennik ciepła, pompę, termostat i czujniki temperatury cieczy na wejściu i wyjściu z chłodnicy cieczowej. W członie gorącym zabudowany ma grzejnik dodatkowy, który obejmuje grzejnik pomiarowy za wyjątkiem kierunku w stronę gorącej powierzchni przylegania. W rozwiązaniu według wynalazku bilans energetyczny ustalany jest na podstawie niezależnych pomiarów strumieni ciepła po obu stronach modułu. Pomiar ciepła dostarczanego do modułu wykonywany jest za pomocą układu mierzącego moc elektryczną pobieraną przez grzejnik pomiarowy osłonięty adiabatycznie przez grzejnik dodatkowy, który spełnia zadanie ustalenia temperatury otoczenia członu wewnątrz osłony jako równej temperaturze strony gorącej modułu. W tych warunkach występujący błąd pomiaru jest mniejszy od 0,01% i wynika tylko z minimalnego upływu ciepła od grzejnika pomiarowego do otoczenia. Pomiar strumienia ciepła przepływającego do członu zimnego, przez zimna stronę modułu, wyznacza się na podstawie pomiaru ciepła pochłoniętego przez chłodnicę, w oparciu o różnice temperatur na wejściu i wyjściu z chłodnicy, szybkości przepływu, ciepła właściwego i gęstości cieczy chłodzącej. Rozwiązanie umożliwia określenie właściwości modułu w bardzo szerokim zakresie temperatur, zarówno strony gorącej jak i zimnej, z poniżej 1% całkowitym błędem pomiaru bilansu energetycznego.
PL 217 331 B1 3 Korzystnym jest, gdy w układ pomiarowy mocy elektrycznej generowanej przez moduł włączone jest obciążenie w postaci bipolarnego źródła prądowego o regulowanym natężeniu prądu. W efekcie możliwym jest wyznaczanie charakterystyk modułu w pełnym zakresie prądowym, w tym również pomiar maksymalnego prądu zwarcia oraz przeprowadzenie pomiarów przy przeciwnym do wymuszonego przez moduł kierunku przepływu prądu, pracy modułu w trybie pompy cieplnej. Również korzystnym jest - z uwagi na dokładność ustalenia temperatury strony zimnej modułu - zabudowa elektrycznego grzejnika korekcyjnego w pobliżu zimnej powierzchni przylegania członu zimnego. Urządzenie według wynalazku pozwala na wyznaczanie charakterystyk: napięcia jałowego, prądu zwarcia, rezystancji wewnętrznej oraz cieplnej w funkcji temperatur gorącej i zimnej strony modułu, charakterystyk prądowo-obciążeniowych, sprawności energetycznej i gęstości mocy. Wynalazek przybliżony jest opisem przykładowego rozwiązania pokazanego w ujęciu schematycznym na rysunku, którego fig. 1 przedstawia komorę pomiarową z zabudowanymi w niej członami gorącym i zimnym a fig. 2 - ogólny schemat urządzenia. Głównym zespołem urządzenia jest komora pomiarowa K, posiadająca podstawę 1 w postaci płyty posadowionej nóżkami na podłożu, i osłonę adiabatyczną 2. Do podstawy 1 zamocowane są dwie, pionowe kolumny 3, do których górnych końców ustalona jest belka dociskowa 4. W osi między kolumnami 3, do płyty podstawy 1 zamocowany jest człon zimny Z a powyżej niego znajduje się człon gorący G, suwliwie prowadzony na kolumnach 3. Moduł termoelektryczny T/E dociskany jest członem gorącym G do członu zimnego Z przez nie uwidocznioną na rysunku śrubę belki dociskowej 4. Osłona adiabatyczna 2 w postaci cylindra obejmuje te elementy szczelnie przylegając dolnym kołnierzem do podstawy 1. Przestrzeń wewnętrzna osłony adiabatycznej 2 połączona jest przez zamocowane w podstawie 1 przyłącze 5 z pompą próżniową 9 oraz przez przyłącze 6 ze zbiornikiem gazu ochronnego Ar lub N 2. W strefie podstawy objętej osłoną adiabatyczną 2 zabudowane są ponadto: szczelne przepusty elektryczne 7 dla przewodów zasilających grzejniki elektryczne, sygnałów z osprzętu pomiarowego oraz przeprowadzone są przyłącza cieczy chłodzącej do członu zimnego Z. Korpus członu zimnego Z stanowi blok wykonany z miedzi, wewnątrz którego i poniżej górnej zimnej powierzchni przylegania P z zabudowane są: elektryczny grzejnik korekcyjny 18 i wężownica chłodnicy cieczowej 11 - włączona w zamknięty obieg cieczy. Obieg chłodzenia zawiera wymiennik ciepła 12, pompę 13, przepływomierz 14, termostat oraz czujniki temperatury na wejściu t we i wyjściu t wy z chłodnicy cieczowej 11. Pompa 13 sterowana jest mikroprocesorowo. Korpus członu gorącego G ma odsadzoną do wnętrza gorącą powierzchnie przylegania P g, usytuowaną we wnęce obejmującej człon zimny Z. Ponad gorącą powierzchnią przylegania P g zabudowany jest elektryczny grzejnik pomiarowy 10 połączony z zasilaczem stabilizowanym 15 o regulowanej mocy przez układ pomiarowy z amperomierzem A i woltomierzem V. Grzejnik pomiarowy 10 - za wyjątkiem kierunku w stronę gorącej powierzchni przylegania P g - objęty jest przez grzejnik dodatkowy 17, mający zadanie wyeliminowanie upływu ciepła do otoczenia, ciepła wytworzonego przez grzejnik pomiarowy 10. Moduł termoelektryczny T/E umieszczony jest miedzy powierzchniami przylegania P g i P z członów gorącego G i zimnego Z, z zabudowanymi na nich termoparami t g i t z. Wyprowadzenia generowanej w module T/E mocy elektrycznej włączone są w układ pomiarowy z obciążeniem, stanowiącym bipolarne źródło prądowe 16. Wszystkie sygnały pomiarowe z termopar t g, t z, czujników temperatur cieczy t we, t wy i mierników elektrycznych po przetworzeniu w 16-bitowym przetworniku A/D doprowadzone są do komputera PC, wyposażonego w specjalistyczne oprogramowanie. Program umożliwia przetwarzanie danych i wykonywanie wykresów mierzonych zależności, obliczenia parametrów oraz sterowanie temperaturą grzejników, przepływem cieczy, natężeniem prądu i innymi. Urządzenie pozwala na dokonanie pomiarów w bardzo szerokim zakresie temperatur pracy modułu termoelektrycznego T/E: na gorącej powierzchni przylegania P g w zakresie t g = 30 do 600 C i na zimnej P z w zakresie t z = 5 do 150 C. Wyznaczane są istotne charakterystyki podstawowych parametrów: napięcia stanu jałowego, prądu maksymalnego, rezystancji wewnętrznej oraz optymalnego natężenia i napięcia ze względu na maksymalną moc wytwarzaną przez moduł, a ponad to optymalnej rezystancji obciążenia.
4 PL 217 331 B1 Wykaz oznaczeń na rysunku K. komora pomiarowa 1. podstawa 2. osłona adiabatyczna 3. kolumna 4. belka dociskowa 5. przyłącze 6. przyłącze 7. przepust elektryczny 8. manometr 9. pompa próżniowa G. człon gorący 10. grzejnik pomiarowy Z. człon zimny 11. chłodnica cieczowa 12. wymiennik ciepłą 13. pompa 14. przepływomierz T/E moduł termoelektryczny 15. zasilacz stabilizowany 16. bipolarne źródło prądowe 17. grzejnik dodatkowy 18. grzejnik korekcyjny P g gorąca powierzchnia przylegania P z zimna powierzchnia przylegania t g termopara gorąca t z termopara zimna t we czujnik temperatury na wejściu czujnik temperatury na wyjściu t wy Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do wyznaczania charakterystyk modułu termoelektrycznego, posiadające termoizolowaną komorę pomiarową (K) z zabudowanymi w niej członem gorącym (G) i członem zimnym (Z), które powierzchniami przylegania (P g, P z ) obejmują powierzchnie badanego modułu termoelektrycznego (T/E), ponad to wyposażone w układy pomiarowe mocy elektrycznej grzejnika pomiarowego (10) w członie gorącym (G) i mocy elektrycznej generowanej w module termoelektrycznym (T/E), a ponad to w termopary (t g, t z ) gorącej (P g ) i zimnej (t z ) powierzchni przylegania (P g, P z ), przetworniki analogowo-cyfrowe sygnałów oraz komputer, znamienne tym, że człon zimny (Z) ma chłodnicę cieczową (11) włączoną w obieg zawierający wymiennik ciepła (12), pompę (13), termostat, przepływomierz (14) oraz czujniki temperatury na wejściu (t we ) i wyjściu (t wy ) chłodnicy cieczowej (11), natomiast w członie gorącym (G) zabudowany jest elektryczny grzejnik dodatkowy (17), obejmujący grzejnik pomiarowy (10) za wyjątkiem kierunku w stronę gorącej powierzchni przylegania (P g ). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w układ pomiarowy mocy elektrycznej generowanej przez moduł termoelektryczny (T/E) włączone jest obciążenie w postaci bipolarnego źródła prądowego (16) o regulowanym natężeniu prądu. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w członie zimnym (Z), w pobliżu zimnej powierzchni przylegania (P z ) zabudowany jest elektryczny grzejnik korekcyjny (18).
PL 217 331 B1 5 Rysunki
6 PL 217 331 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)