Способ контроля качества термоэлектрического модуля

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано для оценки качества термоэлектрических модулей. Сущность: устанавливают модуль в термостат с измеряемой температурой. Подключают его к измерительной схеме. Измеряют электрическое сопротивление при подаче малого переменного тока, термоэлектрическую добротность при подаче малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека и постоянную времени термоэлектрического модуля путем определения времени от подачи малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека. Сравнивают полученные результаты со стандартными величинами. По результатам сравнения диагностируют качество термоэлектрического модуля. Технический результат: повышение достоверности и точности контроля, расширение возможностей выявления дефектов. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области электроники, а именно к способам контроля качества термоэлектрических (ТЭ) модулей, и может быть использовано для оценки качества конструкций с применением термоэлектрических модулей и для контроля надежности и определения отказов термоэлектрических модулей в процессе эксплуатации в составе приборов.

В соответствии с международными и национальными стандартами к термоэлектрическим модулям, применяющимся в оптоэлектронных приборах, предъявляются высокие требования по качеству и надежности.

Известен способ контроля качества термоэлектрического модулям, заключающийся в измерение величины и изменений электрического сопротивления (R) термоэлектрического модуля при испытаниях и в течение эксплуатации (Bellcore, Reliability Assurance Practice for Optoelectronic devices in Loop Applications. Issue 2, December 1993).

Недостатком данного способа является единственность критерия, который позволяет только фиксировать изменения качества термоэлектрического модуля. Причем не все такие изменения фиксируются по изменению сопротивления. Во многих случаях брака или выхода из строя термоэлектрического модуля его сопротивление не претерпевает изменений, и поэтому требуются дополнительные методы контроля.

Известен способ контроля качества термоэлектрического модуля, в котором контролируют добротность (Z) термоэлектрического модуля, измеряемую по методу Хармана (R.J.Buist. A new method for Testing Thermoelectric materials and Devices/Proc.XI Int. Conf. on Thermoelectrics. October 7-9, 1992, Arlington, TX, USA).

В известном способе критерием добротности (Z) термоэлектрического модуля является допустимое отклонение данного параметра или его изменение в допустимых пределах в испытаниях и условиях эксплуатации.

Недостатком способа является то, что один измеряемый и контролируемый параметр, в данном случае добротность термоэлектрического модуля, не позволяет выявлять многие отклонения качества термоэлектрического модуля, также выявлять их причины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля качества термоэлектрического модуля, включающий установку модуля в термостат с измеряемой температурой, подключение его к измерительной схеме, измерение электрического сопротивления и термоэлектрической добротности термоэлектрического модуля и сравнение полученных результатов со стандартными величинами (V.P.Babin, S.M.Gorodetskiy. Thermoelectric modules quality testing by a manufacturer. Proc. XIV Int. Conf. on Thermoelectrics, June 27-30, St. Petersburg, Russia, 1995, pp.338-340).

Недостатками известного способа является недостаточная достоверность двух измеряемых и контролируемых параметров для контроля качества, выявления всех фактов выхода из строя и анализа причин.

Это связано с тем, что принцип действия термоэлектрических модулей основан на трех составляющих, а именно: термоэлектрическом эффекте Пельтье, электрических и тепловых явлениях переноса. Поэтому качество термоэлектрических модулей необходимо определять комплексом, как минимум, трех величин, характеризующих механизм каждого из этих явлений.

Использование только двух параметров оказывается недостаточным, так как целый ряд факторов выхода термоэлектрического модуля из строя не определяется по двум параметрам, и даже в случае фиксирования фактов ухудшения качества невозможно идентифицировать причины, его вызвавшие. Электрическое сопротивления термоэлектрического модуля позволяет характеризовать его электрические параметры: электрические свойства материалов, на основе которых он собран, и качество электрических контактов, составляющих его элементов.

Термоэлектрическая добротность Z позволяет характеризовать термоэлектрическую эффективность работы системы термоэлектрического модуля, то есть явление Пельтье и тепловые и электрические явления переноса в их взаимодействии.

Постоянная времени τ термоэлектрического модуля или системы термоэлектрического модуля (охлаждающие системы с термоэлектрическим модулем) позволяет характеризовать следующие теплофизические параметры: качество теплопроводного канала, теплопроводящих контактов и теплопереходов, обеспечивающих прохождение теплового потока в термоэлектрическом модуле/системе термоэлектрического модуля.

Задачами, решаемыми предлагаемым способом является создание способа контроля качества термоэлектрического модуля, в котором возможно измерение нескольких параметров, включая электрическое сопротивление, добротность и постоянную времени (τ) последовательным алгоритмом в единых условиях окружающей среды с помощью одного прибора R, Z, t-метра.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа контроля качества термоэлектрического модуля, заключающегося в установке модуля в термостат с измеряемой температурой, подключение его к измерительной схеме, измерение электрического сопротивления при подаче малого переменного тока и термоэлектрической добротности при подаче малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека и сравнение полученных результатов со стандартными величинами, в котором согласно изобретению дополнительно измеряют постоянную времени термоэлектрического модуля путем определения времени от подачи малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека, сравнивают ее со стандартной величиной и по результатам сравнения электрического сопротивления, термоэлектрической добротности и постоянной времени со стандартными величинами диагностируют качество термоэлектрического модуля

Изобретение также характеризуется тем, что электрическое сопротивление модуля измеряют при пропускании переменного тока малой величины от 1 до 20 мА, а термоэлектрическую добротность и постоянную времени измеряют при пропускании постоянного тока, составляющего долю 0,1-5% от максимального тока термоэлектрического модуля.

Это позволяет обеспечить необходимую точность измерения, не выводя термоэлектрический модуль из теплового равновесия, таким образом, минимизирую искажения измеряемых результатов.

Изобретение также характеризуется тем, что производят подачу малого постоянного тока на термоэлектрический модуль в прямом и обратном направлениях и вычисляют термоэлектрическую добротность и постоянную времени как соответствующие средние значения двух измерений данных параметров в обоих направлениях тока.

Это позволяет увеличить точность измерения, уменьшая влияние взаимодействия измеряемого модуля с окружающей средой на результат измерения.

Измерения в предлагаемом способе проводят комплексно и последовательно в единых условиях термостата с контролируемой температурой для увеличения точности измерений и исключения влияния внешней среды.

Предлагаемый способ значительно расширяет возможности выявления дефектов термоэлектрических модулей, а также позволяет их диагностировать, что важно и для изготовителя, и для потребителя как отправной пункт для коррекции технологии и эксплуатационных условий, соответственно.

Сущность предлагаемого способа поясняется нижеприведенными описанием, примерами его осуществления и графическими материалами, где:

на фиг.1 приведена экспериментальные кривые нарастания измеряемой величины напряжения Зеебека на модуле типа 1МС06-030-05, измеренные при прямом (+I) и обратном токе (-I);

на фиг.2 - зависимость измерений добротности от величины приложенного постоянного тока на примере термоэлектрического модуля 1МС06-030-05.

на фиг.3 показана динамика установления равновесного значения при установлении стационарного значения напряжения Зеебека при измерениях модуля 1МС06-030-05 при разных токах;

на фиг.4 показано влияние больших токов, приложенных к термоэлектрическому модулю на определение измеряемых величин.

Контроль качества термоэлектрических модулей в предлагаемом способе осуществляют последовательно в три этапа.

Все три параметра измеряют согласованно, в единых условиях, при одинаковой и измеренной температуре Та окружающей среды. Для чего измеряемый термоэлектрический модуль или систему термоэлектрического модуля помещают в квазиадиабатическое окружение (теплообмен с окружающей средой минимален) - термостат.

Подключение к измерительной схеме производят по четырехпроводной схеме (два токовых и два потенциальных) для уменьшения влияния измерительных цепей.

Этап I. Измерение электрического сопротивления модуля R

Электрическое сопротивление модуля R определяют посредством измерения омического напряжения U_R на термоэлектрическом модуле в отсутствие термоЭДС и сколько-нибудь существенного перегрева термоэлектрического модуля.

Для этого подают на модуль переменный ток I' малой амплитуды (1-20 мА). Сопротивление рассчитывают как:

На этапе измерения электрического сопротивления модуля R определяют возможность разрыва в электрической цепи термоэлектрического модуля. Если этого не обнаружено, осуществляют переход к следующему этапу измерений.

Дальнейшая последовательность измерения величин добротности и постоянной времени не существенна. Но оптимальным считаем следующую последовательность: измерения константны времени и далее добротности ТЭ модуля, а именно:

Этап II. Измерение константы времени τ системы термоэлектрического модуля

На термоэлектрический модуль подают постоянный электрический ток I малой величины, такой чтобы установившаяся разность температур на модуле была незначительна (˜2-4 К), то есть много меньше своего максимального паспортного значения (I_max). Для этого ток должен быть в пределе 0,1-5% от максимального тока I_max термоэлектрического модуля.

При прохождении тока I измеряют временную зависимость термоЭДС U_α(t) термоэлектрического модуля, получают полную телеметрическую картину выхода термоэлектрического модуля в стационарный режим. Полученные экспериментальные данные обрабатывают с помощью функции:

где t - время.

В результате математической обработки получают:

1) искомое значение константы времени τ системы термоэлектрического модуля;

2) значение стационарной термоЭДС U_αst модуля. Знание величины U_αst необходимо для определения термоэлектрической добротности Z модуля.

Постоянную времени τ измеряют как при подачи тока в одном направлении, так и в обратном. Окончательная величина постоянной времени является средним значением измеренных при обоих направлениях тока. Таким образом, увеличивают точность измерений.

Этап III. Измерение термоэлектрической добротности Z системы термоэлектрического модуля

По достижении стационарного режима в измерении по этапу II проводят измерение стационарного значения термоЭДС U_stα термоэлектрического модуля. Величину термоэлектрической добротности Z определяют через измеренные значения температуры Т_а окружающей среды, термоЭДС U_stα термоэлектрического модуля и омического напряжения U_stR на модуле в стационарном режиме следующим образом:

Причем термоэлектрическую добротность измеряют как при подачи тока в одном направлении, так и в обратном. Окончательная величина термоэлектрической добротности является средним значением измеренных при обоих направлениях тока. Таким образом, увеличивается точность измерений и устраняется влияние окружающей среды.

Рассмотрим конкретные примеры применения предлагаемого способа:

Измерение отдельного термоэлектрического модуля.

Тип модуля по классификации производителя - 1МС06-030-05 (однокаскадный термоэлектрический модуль с сечением термоэлектрических ветвей 0,6×0,6 мм, количество пар ветвей 30, высота ветви 0,5 мм). Его стандартные его параметры приведены в таблице 1.

В соответствии с предлагаемым способом образец помещают в пассивный термостат, температуру измеряют датчиком температуры - термистором. При подаче тока 5 мА измеряют сопротивление модуля.

Для измерения добротности и постоянной времени подбирают постоянный ток 16 мА, что составляет 1% от паспортного максимального тока данного термоэлектрического модуля (Таблица 1).

Таблица 1
Стандартные и измеренные параметры термоэлектрического модуля типа 1МС06-030-05
Пп.	Наименование	Ед. изм.	Стандартная (паспортная) величина	Измеренная величина по предлагаемому способу
1	Максимальный ток	А	3, 2	-
2	Сопротивление	Ом	0,89±0,04	0,90
3	Добротность	К-1	2,52±0,1	2,60
4	Постоянная времени	с	0,72±0,03	0,71

На фиг.1 приведена экспериментально полученная кривая нарастания измеряемой величины напряжения Зеебека на данном ТЭ модуле. Результаты относятся как прямому, так и обратному направлению приложенного постоянного тока.

По предлагаемому способу измерения сопротивления, добротности и постоянной времени должно проходить при пропускании малых токов. Это условие обусловлено тем, что воздействие электрического тока приводит к выведению термоэлектрического модуля из равновесия и тепловому взаимодействию с окружающей средой.

Это дает искажение результатов измерений, причем тем выше, чем больше прилагаемый ток.

С другой стороны, чем меньший ток, тем меньше точность измерений, так как измеряемые напряжения прямо пропорциональны приложенному току. Этим обусловлено предложенное ограничение прилагаемых токов малыми величинами для измерения по предлагаемому способу.

В качестве примера ниже приведены измерения по предложенному способу на примере двух термоэлектрических модулей.

Взяты два типа термоэлектрических модулей 1МС06-030-05 и 1МТ0З-012-13 и проведены измерения по предложенному способу.

На фиг.2 приведены результаты измерений добротности в зависимости от величины приложенного прямого и обратного тока. Из фиг.2 видно, что измерения при очень малых токах (<0,1% I_max) при прямом и обратном токах начинают сильно расходиться, в частности сказываются точности измерений.

Для подтверждения на фиг.3 приведена динамика нарастания при измерении напряжения Зеебека при измерениях модуля 1МС06-030-05 при разных токах.

При очень малом токе величина шума при измерении напряжения становится сопоставимой с измеренной установившейся величиной. Это существенно снижает как точность измерения добротности, так и постоянной времени по характеру кривой нарастания и установления стационарного значения.

Фиг.4 (термоэлектрический модуль 1МТ03-012-13) демонстрирует то, что, при больших приложенных токах термоэлектрический модуль выходит из равновесия, поэтому измерения при прямой и обратной полярности начинают существенно расходиться ужи при 5%. И, хотя предложенное усреднение измеренных значений позволяет уменьшить данное искажение, однако уже при токе более 5% и усредненное значение добротности начинает искажаться.

Измерение выборки двухкаскадных модулей, содержащей дефектные модули.

В таблице 2 приведены результаты измерений выборки из 25 двухкаскадных модулей типа 2МС06-039-15. Измерения производились в соответствии с предложенным способом. При этом ток при измерении сопротивления составлял 5 мА, а при измерении добротности и постоянной времени 1% от Imax данного модуля.

Таблица 2
Результаты применения способа на выборке ТЭ модулей с дефектными образцами
№ образца	R, Ом	Z, 1000/K	t, c
1	7,57	2,13	5,15
2	7,53	2,11	5,15
3	7,69	2,06	5,27
4	7,62	2,12	5,31
5	7,57	2,10	5,35
6	7,66	2,18	2,85
7	7,41	2,10	5,31
8	7,51	2,11	5,19
9	7,45	2,16	5,15
10	7,46	2,10	5,31
11	7,66	2,17	5,23
12	7,54	2,10	5,27
13	7,50	2,13	5,07
14	7,52	2,09	5,15
15	7,48	2,09	5,19
16	7,39	2,11	5,23
17	7,53	2,12	5,19
18	7,57	2,09	5,23
19	7,41	2,23	2,69
20	7,54	2,14	5,19
21	7,47	2,12	5,31
22	7,34	2,14	5,19
23	7,66	2,14	5,19
24	7,58	2,12	5,19
25	7,53	2,09	5,27
Среднее	7,53	2,12	5,03
Отклонение	1,30%	1,67%	13,6%
Стандартное значение	7,50±0,35	2,15±0,1	5,20±02

Внесенный дефект при изготовлении заключается в том, что в нескольких модулях (двух) была специально перепутана полярность верхнего и нижнего каскада. В результате такой модуль не выполняет функции охлаждения.

Из таблицы 2 видно, что такой дефект хорошо проявился при измерениях по предложенному способу: только сопротивление, или сопротивление с добротностью не позволяют выявить дефектные модули; а дополнительное измерение постоянной времени четко выявляет дефектные модули - у них постоянная времени почти в два раза меньшая, чем стандартная величина и среднее значение по измеренной выборке.

4) Обобщающие данные по анализу дефектов в термоэлектрических модулях по предложенному способу.

В таблицах 3 и 4 представлены обобщенные данные по анализу с помощью предложенного способа дефектов в термоэлектрических модулях на примере проведенных комплексных исследований термоэлектрических модулей с различными дефектами.

В таблице 3 приведена диагностическая матрица, с помощью которой по измерению и анализу трех параметров (R, Z, τ) можно диагностировать причины ухудшения качества термоэлектрического модуля.

Таблица 3
Диагностическая матрица дефектов термоэлектрических модулей
Дефект	R	Z	τ
1. Отслоение коммутационных пластин от керамики	˜const	˜const	↑
2. Перепутанная полярность ветвей термоэлектрического модуля	˜const	↓	↑*
3а. Тепловой контакт ветвей термоэлектрического модуля с припойным мениском	˜const	↓	↓
3b. Тепловой и электрический контакт ветвей термоэлектрических модулей с припойным мениском	↓	˜const	↓
4. Короткое замыкание ветвей термоэлектрического модуля	↓	↓	↓
5. Двухкаскадный термоэлектрический модуль: перепутанная полярность одного из каскадов	˜const	˜const	↓**
6. Деградация термоэлектрического материала модуля	↑	↓	˜const
* - ˜ константа при малом токе; ** - ˜ в два раза меньше номинального значения

Из таблицы 3 видно, что диагностика по одному только сопротивлению R не охватывает четыре из шести случаев брака термоэлектрических модулей. Термоэлектрическая добротность Z дает более полную картину (можно идентифицировать уже четыре дефекта из шести), но диагностика двух оставшихся случаев (1 и 5) невозможна, к тому же дефекты 2 и 3а неразличимы.

Все рассматриваемые дефекты термоэлектрического модуля удается диагностировать по предложенному способу, измеряя три параметра в комплексе: R, Z и τ.

В таблице 4 приведено продолжение данной диагностической матрицы для комплекса случаев термоэлектрического модуля, интегрированного в составе прибора (систем термоэлектрического модуля).

Таблица 4
Диагностическая матрица дефектов термоэлектрического модуля, интегрированного в оптоэлектронный прибор (систем термоэлектрического модуля)
Дефект	R	Z	τ
1) Деградация ТЭ модуля в процессе эксплуатации	↑	↓	↑ или ↓
2) Дефекты монтажа ТЭ модуля в корпусе прибора	˜const	↑	↓*
3) Дефекты монтажа объекта охлаждения на ТЭ модуль	˜const	˜const	↓
4) Нарушение вакуумной среды охлаждения	˜const	↓	↓
* - при полном отрыве от корпуса ˜ в два раза меньше номинального значения

Из таблицы 4 видно, что применение предложенного способа позволяет проводить выявление причин, вызывающих ухудшения качества и надежности термоэлектрических охлаждающих конструкций. Причем установление причин возможно без демонтажа термоэлектрического модуля из прибора.

По одному же из рассмотренных параметров, например по сопротивлению R, в трех из четырех рассмотренных случаев невозможно не только идентифицировать причины происходящего, но и вообще установить факт ухудшения качества охлаждающей конструкции. По двум параметрам (R и Z) один из дефектов не может быть выявлен. Все рассматриваемые дефекты термоэлектрического модуля удается диагностировать, измеряя три параметра системы термоэлектрического модуля в комплексе: R, Z и τ.

Таким образом, предложенный способ контроля качества термоэлектрического модуля, основанный на триедином измерении сопротивления R, термоэлектрической добротности Z и константы времени τ, дает возможность контроля качества, отбраковки и диагностики неисправностей модулей и элементов конструкции, находящихся с модулем в тепловом контакте модулей.

1. Способ контроля качества термоэлектрического модуля, заключающийся в установке модуля в термостат с измеряемой температурой, подключении его к измерительной схеме, измерении электрического сопротивления при подаче малого переменного тока и термоэлектрической добротности при подаче малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека и сравнении полученных результатов со стандартными величинами, отличающийся тем, что дополнительно измеряют постоянную времени термоэлектрического модуля путем определения времени от подачи малого постоянного тока на модуль до установления стационарного напряжения Зеебека, сравнивают ее со стандартной величиной и по результатам сравнения электрического сопротивления, термоэлектрической добротности и постоянной времени со стандартными величинами диагностируют качество термоэлектрического модуля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическое сопротивление модуля измеряют при пропускании переменного тока малой величины от 1 до 20 мА, а термоэлектрическую добротность и постоянную времени измеряют при пропускании постоянного тока, составляющего долю 0,1-5% от максимального тока термоэлектрического модуля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят подачу малого постоянного тока на термоэлектрический модуль в прямом и обратном направлениях и вычисляют термоэлектрическую добротность и постоянную времени как соответствующие средние значения двух измерений данных параметров в обоих направлениях тока.