半导体制冷器制冷性能测试方法

1半导体制冷器制冷性能测试方法本文件规定了半导体制冷器制冷性能测试的测试原理、测试条件与设备、试样制备、测试步骤、性能参数计算、测试结果判定和测试记录与报告。本文件适用于半导体制冷器制冷性能的测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T10586湿热试验箱技术条件GB/T17626.3电磁兼容试验和测量技术第3部分：射频电磁场辐射抗扰度试验3术语和定义规范性引用文件3.1半导体semiconductor导电性能介于导体与绝缘体之间,室温下电阻率约为10-5Ω·cm～1012Ω·cm,由带正电的空穴和带负电的电子两种载流子参加导电,并具有负的电阻温度系数以及光电导效应、整流效应的固体物质。[来源：GB/T14264-2024,3.1]4测试原理应利用半导体制冷器在直流电源驱动下产生帕尔贴效应的原理，通过测量半导体制冷器冷端和热端的温度、输入电流、电压等参数，依据相关公式计算出制冷量、制冷系数、冷热端温差等制冷性能参数，以此判定半导体制冷器的制冷性能。5测试条件与设备5.1环境条件5.1.1温度控制温度控制符合以下要求：a)应将试验环境温度稳定在24℃~26℃,温度波动幅度在30min内不应超过±0.3℃;b)应采用高精度的恒温恒湿箱进行温度调节，其温度控制精度应符合GB/T10586的规定；c)应在试验区域内均匀布置不少于3个温度传感器，实时监测环境温度并记录数据，数据记录间隔不应超过5min。5.1.2湿度调节湿度调节符合以下要求：a)应将环境相对湿度维持在42%～48%，湿度波动范围在1h内不应超过±2%；2b)应配备精度不低于±2%RH的湿度测量与调节仪器，如电容式湿度传感器与加湿器、除湿器的组合；c)应在湿度超出设定范围时，自动启动相应的调节设备，并发出声光报警信号，报警信号持续时间不少于10s。5.1.3环境稳定性环境稳定性符合以下要求：a)试验环境应不受外界气流、振动等干扰因素影响，试验区域周围1m范围内的气流速度应小于0.2m/s，振动加速度应小于0.05m/s²;b)试验区域的电磁环境稳定应符合GB/T17626.3—2023的要求；c)应定期对试验环境的稳定性进行评估与校验，校验周期为3个月，采用标准测试设备进行检测并记录结果。5.2测试设备5.2.1温度测量设备温度测量设备符合以下要求：a)应选用精度不低于±0.1℃的热电偶温度计，其测温范围应覆盖半导体制冷器的工作温度区间；b)热电偶温度计的应定期进行校准服务，校准周期不应超过6个月；c)热电偶温度计的热响应时间小于1s；d)热电偶应与制冷器的热端、冷端接触，接触压力应保持在0.5N～1N。5.2.2电学测量设备电学测量设备符合以下要求：a)应采用精度在±0.2%以内的数字功率分析仪，其电压测量范围为0V～100V，电流测量范围为0A～10A；b)应支持对直流和交流半导体制冷器的电学参数测量，频率响应范围应在45Hz～65Hz；c)存储容量应不少于10000组数据，数据传输接口应符合USB2.0及以上的标准；d)应配备过压、过流保护功能，当电压或电流超出设定阈值的120%时，能在10ms内切断电路并发出警报信号。5.2.3负载设备负载设备符合以下要求：a)模拟实际应用场景的热负载，如恒温水浴、加热电阻等，其热容量和热阻应可调节，以满足不同测试需求；b)负载与半导体制冷器之间应使用导热硅脂等材料进行热耦合。5.2.4测试夹具固定半导体制冷器和温度传感器，保证其位置稳定，且不会对制冷性能产生影响。测试夹具应具有隔热性能，减少外界环境对测试结果的干扰。6测试步骤6.1测试前准备测试前做好试样和设备的准备工作，具体要求如下：a)将预处理后的半导体制冷器试样安装在测试夹具上，使用扭矩扳手将紧固扭矩控制在0.8N・m～1.2N・m，保证接触紧密，压力均匀性偏差小于10%；b)连接温度测量设备、电参数测量设备和直流稳压电源，检查线路连接，保证接头电阻小于0.053c)开启测试设备预热30min，监测设备参数，温度测量仪器零点漂移应小于±0.05℃,并验证设备功能。6.2初始参数测量测量半导体制冷器和环境的初始参数，具体要求如下：a)使用精度为±0.2℃的测量设备，测量半导体制冷器未通电时冷端和热端的温度Tc和Tℎ;b)测量环境温度，保证其处于24℃~26℃之间，且30min内温度波动小于±0.3℃;同时，环境相对湿度应保持在42%～48%，1h内湿度波动小于±2%。6.3通电测试模拟半导体制冷器的工作状态并记录相关参数，具体要求如下：a)根据半导体制冷器的额定参数设置直流稳压电源的电压和电流。对于额定电压为12V的试样，可设置测试电压为10V、12V、14V等；b)每隔1min记录一次冷端温度Tc、热端温度Tℎ、输入电流I和输入电压u，持续记录30min，直至参数稳定。数据采集频率应不低于1Hz，记录的数据带有精度为±0.1s的时间标记，若数据超出正常范围应自动报警。6.4负载调整测试模拟不同实际应用场景，获取半导体制冷器在不同负载条件下的性能数据，具体要求如下：a)调整负载的热容量或热阻，可选用恒温水浴、加热电阻等可调节负载；b)重复步骤6.3，每个工况稳定运行30min后，采集10min的数据。6.5测试结束测试结束后，保证设备安全关闭并妥善整理数据，具体要求如下：a)关闭直流稳压电源，等待半导体制冷器冷却至室温；b)整理测试数据用于后续计算和分析，记录原始数据、操作步骤和设备使用情况。电子记录和纸质记录应分别按照规定的周期和期限进行保存。7数据处理7.1制冷量计算按公式（1）计算制冷量，进而结合其他测量数据来分析和评估半导体制冷器的制冷性能，具体如式中：α——半导体制冷器的塞贝克系数，单位为伏特每开尔文（V/KR——半导体制冷器的内阻，单位为欧姆(Ω);k——半导体制冷器的热导率，单位为瓦每开尔文（W/KQc——制冷量，单位为瓦（W）；I——输入电流，单位为安培（A）；Tc——冷端温度，单位为摄氏度(℃);Tℎ——热端温度，单位为摄氏度(℃)。7.2制冷系数计算按公式（2）计算制冷系数，制冷系数越大则制冷器的能源利用效率越高，具体如下：式中：E——制冷系数，无量纲；4Qc——制冷量，单位为瓦（WP——电功率，单位为瓦（W）。7.3冷热端温差计算按公式（3）计算半导体制冷器冷端与热端的温度差值，具体如下：式中：ΔT——冷热端温差，单位为摄氏度(℃);Th——热端温度，单位为摄氏度(℃);Tc——冷端温度，单位为摄氏度(℃)。8测试结果判定8.1性能指标判定将计算得到的制冷量、制冷系数和冷热端温差与半导体制冷器的标称性能指标进行对比：a)若测试结果在标称性能指标的±10%范围内，则判定该半导体制冷器的制冷性能符合要求；b)若超出该范围，则判定为不符合要求。8.2一致性判定对于同一批次的半导体制冷器，选取至少5个样品进行测试。计算各样品制冷性能参数的平均值和标准差：a)若标准差小于平均值的5%，则判定该批次半导体制冷器的制冷性能一致性良好；b)若标准差大于等于平均值的5%，则对该批次产品进行进一步的分析和检测。9测试记录与报告试验记录和报告符合以下要求：a)试验记录：1)应记录测试过程中的所有原始数据与操作步骤，原始数据记录应包括时间、温度、电学参数、热流等，操作步骤记录应详细到设备操作顺序、试样处理过程等；2)应记录设备的使用情况、校准信息与故障处理，如设备使用时长、上次校准时间、故障发生时间与故障描述等；3)应将试验记录以电子与纸质两种形式妥善保存，电子记录存储在专用服务器，备份周期为1周，纸质记录保存期