一種熱電元件可靠性評價系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱電元器件可靠性評價系統(tǒng)及方法，更具體的說，特別涉及一種熱電元器件性能測試及其在不同使用工況下可靠性評價系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]半導體熱電技術是利用塞貝克和珀爾貼效應實現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉換，主要應用表現(xiàn)為熱電發(fā)電和熱電致冷，是一種靜態(tài)的能量轉換方式，其中熱電發(fā)電由于沒有轉動部件，因此最大的優(yōu)點是壽命長，可靠性高，不管在民用還是軍用方面都有著廣泛的應用前景；然而，作為熱電發(fā)電核心的熱電部件的可靠性卻在一定程度上影響到整個系統(tǒng)的可靠性。
[0003]通常熱電部件是由一系列的P型和N型元件采用電串聯(lián)，熱并聯(lián)的方式組成，任何一個元件的性能都會影響整個部件，因此需要對元件特性進行研究，從而改善元件的性能，使其在熱，力，電方面匹配，提高系統(tǒng)性能。
[0004]潛在應用包括汽車尾氣熱發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、熱電空調等，其中熱電元件都會處于高低溫熱循環(huán)工作，而軍用電源則主要工作在一定的溫差下，因此，作為應用不僅需要知道熱電元件的基本特性，同時還需要研究其在真實使用工況下的可靠性，穩(wěn)定性，并定量的評價其使用壽命。
[0005]中國專利公開CN 1975448A公開了一種熱電發(fā)電元件性能測量裝置及方法，中國專利公開CN1782680A公開了一種溫差電元器件熱電轉換效率的測試方法，公開了熱電元器件的轉換效率測量方法，以及中國專利公開CN202421371U公開了一種可控熱電模塊冷熱端溫度的功率測試實驗裝置，均是針對熱電器件或模塊輸出功率或轉換效率的測量，并沒有涉及元器件可靠性評價方法。
[0006]美國專利公開US2003/0218464AI公開了一種用于測試薄膜熱電器件工作在制冷、熱栗及發(fā)電三種模式下的性能，但不具有測量塊體熱電元件可靠性功能。
[0007]又，文獻〈〈computer controlled test system for measuring the parametersof the real thermoelectric module)) (R.Ahiska, etc.，((Energy Convers1n andManagement》，2011，Volume52，Pages27_36)報道了一種測量熱電模塊性能的方法，主要用于測試真實熱電模塊制冷性能有關的參數(shù)。
[0008]此外，日本真空理工商業(yè)化的PEM設備僅能用于測量20mm、30mm方形熱電器件的輸出功率和轉換效率，同樣不具有評價元器件可靠性的功能。
[0009]因此，本發(fā)明著眼于在測量熱電元器件基本性能的基礎上，通過模擬熱電元器件的真實使用工況，在實驗室進行加速老化實驗快速的評價熱電元件的可靠性，并預測其壽命，對開展熱電元器件的結構優(yōu)化設計、材料界面老化機制研究及最終應用有著重要作用。

【發(fā)明內容】

[0010]鑒于以上存在的問題，本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種熱電元器件可靠性評價系統(tǒng)及方法，能夠評價熱電元器件恒溫熱持久和高低溫熱循環(huán)工況下的老化性能，通過加速老化實驗，對熱電元器件的可靠性進行評價，根據(jù)性能衰減變化趨勢可以預測熱電元器件在相應工況下的使用壽命。
[0011]為解決上述技術問題，一方面，本發(fā)明提供一種熱電元器件可靠性評價系統(tǒng)，包括:具備真空腔體的真空裝置；用于裝夾待測的熱電元器件的樣品測試裝置，所述樣品測試裝置位于所述真空腔體內，且包括熱源和熱沉，所述熱電元器件位于所述熱源與熱沉之間；用于控制所述樣品測試裝置中的所述熱源的溫度的熱端溫度控制裝置；用于控制所述樣品測試裝置中的所述熱沉的溫度的冷端溫度控制裝置；與所述熱電元器件構成串聯(lián)連接電路并控制所述熱電元器件的電流輸出的負載裝置；與所述負載裝置以及所述熱電元器件的冷、熱側相連以采集所述熱電元器件的測量信號的多通道數(shù)據(jù)采集裝置；與所述負載裝置、多通道數(shù)據(jù)采集裝置和熱端溫度控制裝置相連的控制單元。
[0012]本發(fā)明的技術方案是通過模擬熱電元器件使用工況進行老化試驗，當熱電元器件兩端建立穩(wěn)定的溫差，分別測量熱電元器件的伏安特性，采用數(shù)據(jù)擬合得到熱電元器件在該溫差下的基本性能(開路電壓、內阻及峰值輸出功率等)，通過監(jiān)控熱電元器件基本特性參數(shù)變化，實現(xiàn)對熱電元器件的可靠性進行評價。
[0013]采用本系統(tǒng)可以評價熱電元器件恒溫差熱持久和高低溫熱循環(huán)工況下的性能變化，通過實驗室加速老化實驗，最終對熱電元件的壽命進行預測，評價過程為全自動控制，避免手動操作誤差，有效節(jié)省時間，同時評價結果更可靠。
[0014]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述控制單元包括內置評價程序的上位機，所述上位機通過USB轉GPIB電纜與所述負載裝置、多通道數(shù)據(jù)采集裝置連接，且所述上位機通過USB轉RS485接口轉換器與所述熱端溫度控制裝置連接。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，可有效地通過上位機控制負載裝置、多通道數(shù)據(jù)采集裝置及熱端溫度控制裝置的工作。
[0016]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述熱端溫度控制裝置包括溫度控制器、控溫熱電偶、過載檢測熱電偶、直流電源及溫度顯示報警器，所述溫度控制器通過所述USB轉RS485接口轉換器與所述上位機連接；優(yōu)選地，所述溫度控制器為PID溫度控制器。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，通過該熱端溫度控制裝置能夠精確控制樣品測試裝置中熱源溫度，同時進行過載保護。
[0018]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述冷端溫度控制裝置包括恒溫循環(huán)水箱、流量計及水路，所述冷端溫度控制裝置配置為當循環(huán)水的流速未達到預定值時將發(fā)出報警信號。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，采用該冷端溫度控制裝置，通過打開恒溫循環(huán)水箱，并設置好冷端溫度值，啟動水循環(huán)，從而能夠控制樣品測試裝置中熱沉溫度。
[0020]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述負載裝置包括電子負載儀和分流器，所述電子負載儀的輸入端子與所述分流器、所述熱電元器件構成串聯(lián)連接電路，且所述電子負載儀通過所述USB轉GPIB電纜與所述上位機連接。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，電子負載儀輸入端子與分流器、熱電元器件構成串聯(lián)連接電路，改變電子負載大小可以使熱電元件按照設定的電流輸出。
[0022]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述多通道數(shù)據(jù)采集裝置通過GPIB電纜與所述負載裝置中的所述電子負載儀相連，所述多通道數(shù)據(jù)采集裝置配置為每觸發(fā)一次采集即切換不同通道開關完成一次測量。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，通過多通道數(shù)據(jù)采集裝置可有效地采集所述熱電元器件的測量信號。
[0024]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述真空裝置還包括真空栗、壓差閥、波紋管、主抽閥、角閥、真空計組成抽氣管路連接至所述真空腔體的法蘭接口，惰性氣體通過進氣閥連接至所述真空腔體的法蘭接口，優(yōu)選地，所述真空腔體包括石英鐘罩和不銹鋼法蘭。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，可使熱電元器件可處在真空、惰性氣氛或空氣中測量。
[0026]又，在本發(fā)明中，也可以是，所述測量信號包括所述熱電元器件的輸出電流和兩端電壓、P型元件兩端電壓及N型元件兩端電壓，以及所述熱電元器件的熱端溫度和冷端溫度。
[0027]另一方面，本發(fā)明還提供一種采用上述熱電元器件可靠性評價系統(tǒng)執(zhí)行的方法，包括:
在制備好的待測的熱電元器件的熱端導流電極引出測試導線，P型元件冷端導流電極引出測試導線，N型元件冷端導流電極引出測試導線；
將所述熱電元器件裝夾在位于真空腔體內的樣品測試裝置上；
連接測試電路，使所述熱電元器件與負載裝置構成串聯(lián)回路，且通過多通道數(shù)據(jù)采集裝置采集所述熱電元器件的測量信號；
通過冷端溫度控制裝置控制所述熱電元器件的冷端溫度值；
控制單元啟動評價程序，根據(jù)模擬工況選擇評價模式；
所述控制單元開始評價，按照設置的采樣間隔采集數(shù)據(jù)，當所述熱電元器件處于預設的溫差下且判斷溫度穩(wěn)定，調用伏安特性測試程序，完成后通過數(shù)據(jù)處理得到所述熱電元器件的基本性能，依此方法完成所述熱電元器件在指定工況下的測試過程。
[0028]又，在本發(fā)明中，也可以是，測量過程中隨時查看包括熱電元器件、P型元件、N型元件老化性能隨熱持久時間或熱