摘 要

本文介绍了一种热电器件测试系统的机械设计部分，其功能是通过测量热电材料的seebeck系数和电导率来测定热电器件性能。系统分为加热机构、样品夹持装置、样品夹紧装置和热电偶进给装置四个部分。其中加热炉采用六根加热灯管实现红外加热，以使样品均匀受热，提高测量精度。样品夹持装置用耐高温钢的工件支撑片与样品接触，并在下方的支撑片上安装温差加热器，以实现夹持样品、给样品通电测电阻和使样品产生温差的作用。样品夹紧装置通过两根陶瓷管与夹持装置相连，陶瓷管套在两根旋向相反的丝杆上，通过转动丝杆使样品夹紧与松开。热电偶进给装置也是采用丝杆螺母装置，实现热电偶与样品的顶紧与松开。

热电材料的性能通常用表示其效率的无量纲优值系数ZT来表示，其中提高电导率和seebeck系数都可以使热电材料的热点转换效率提高。文中对seebeck系数和电导率做了详细分析并提供了测量方法，以改善半导体材料热电性能，使其ZT值达到最优。本测试系统中用两支耐高温的镍铬—康铜热电偶与热电材料相接触，通过测量一定温度下热电材料的电流、电压、温度等值，再通过一些数学处理得出赛贝克系数和电导率，测试结果准确可靠。

关键词：热电材料；seebeck系数；电导率；丝杠螺母传动

Abstract

In this paper, the mechanical design of a thermoelectric device testing system is introduced. The function is to measure the performance of thermoelectric devices by measuring the Seebeck coefficient and electrical conductivity of thermoelectric materials. The system is divided into four parts, the heating mechanism, the sample clamping device, the sample clamping device and the thermocouple feed device. The heating furnace adopts six heating tubes to realize infrared heating, so that the samples can be heated evenly, and the measuring accuracy can be improved. Sample clamp holding device with high temperature steel workpiece support plate and the sample contact resistance, and below the support sheet is provided with temperature heater to achieve clamping samples, the samples through electrical resistance measurement and the sample temperature difference effect. Sample clamping device with two ceramic tube and the clamping device is connected, the ceramic tube in two turning to instead of wire rod, through the wire rod to rotate the sample clamping and loosening. Thermocouple feed device is also used to screw nut device, to achieve the top of the thermocouple and the sample release.

The performance of thermoelectric materials is usually expressed by the dimensionless coefficient ZT of its efficiency, which improves the conductivity and Seebeck coefficient, which can increase the heat transfer efficiency of thermoelectric materials. In this paper, the Seebeck coefficient and electrical conductivity are analyzed in detail and the measurement method is provided to improve the thermoelectric properties of the semiconductor materials, so that the ZT value is the best. In this test system with a high temperature resistant Ni Cr - constantan thermocouple thermoelectric materials in contact, through measuring temperature thermoelectric materials of current, voltage, temperature equivalence, through some mathematical processing draw the Seebeck coefficient and electrical conductivity. The test results are accurate and reliable.

Key words: thermoelectric material；Seebeck coefficient；specific conductance；Screw nut drive

目录

摘要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 国内外研究现状及前景分析 1

1.3 课题研究的内容 2

1.4 课题研究的目的和意义 2

第2章 热电材料测试系统理论基础 3

2.1 热电优值ZT 3

2.2 热电效应 3

2.2.1 赛贝克效应 3

2.2.2 帕尔贴效应 4

2.2.3 汤姆逊效应 4

2.3 热电偶测温原理 5

2.4 赛贝克系数测量原理 5

2.5 电导率测量原理与方法 6

2.6 小结 8

第3章 加热炉热平衡计算及设计 9

3.1 加热炉结构设计及初始数据的确定 9

3.2计算加热炉所需要的热量 9

3.2.1工件吸热量的计算： 9

3.2.2炉内的陶瓷管，陶瓷管套的热损失： 9

3.2.3冷却水管的热损失： 9

3.2.4玻璃筒的热损失： 10

3.2.5加热内壁所需要热量： 10

3.2.6加热炉内的空气的热量： 10

3.2.7保温材料和外壁散热量的计算： 10

3.2.8计算加热炉所需总功率： 11

3.3确定红外加热灯的功率 11

第4章 测试系统机械设 12

4.1整体设计 12

4.2加热炉结构与尺寸的尺寸设计 12

4.3 工件夹持装置设计 14

4.4 工件夹紧装置设计 14

4.5 热电偶进给装置 15

4.6 几种重要的连接件的设计 16

4.6.1连接件1的设计 16

4.6.2连接件2的设计 17

4.7 轴与丝杠的设计 18

4.7.1 轴1的设计 18

4.7.2 轴3的设计 19

4.7.3 丝杠1和丝杠2的设计 20

4.7.4 丝杠3的设计 20

4.7.5 设计小结 21

第5章 标准件的选择 22

5.1 红外加热灯的选择 22

5.2 热电偶材料选择 22

5.3 滚动轴承的选择 23

5.4 密封圈的选择 23

5.5 导轨的选择 24

结语 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

热电材料是能实现热能和电能相互转化的半导体材料，在热能发电、半导体温差制冷等方面应用广泛。今天的中国正在遭受着雾霾和能源匮乏的双重危机，清洁能源越来越受到人们的重视。用热电材料制成的热电器件具有无噪音、不产生污染物、可与太阳能等二次能源结合使用等优点。

热电效应发现到今天已经一百多年过去了，人们对热电材料的研究经历了从当初的金属材料转到了半导体材料，其中铋化碲（Bi₂Te₃）等的应用已经相当成熟。相应地对热电材料性能的测试的研究也获得了巨大的发展。本课题是对一种热电材料性能测试系统的研究。

1.2 国内外研究现状及前景分析

人们对热电器件测试系统的研究步伐从来没有停止过，现在本系统已经有很多相当成熟的应用，但它们都有各自的优缺点。

传统的测试方法分为两种：一种可以利用Ｈａｒｍａｎ法直接测得ＺＴ值；另一种可以通过分别对塞贝克系数、电导率和热导率进行测量，然后计算ＺＴ值^[1] 。目前应用最多的还是第二种方法，并且通过热电偶引线的方式实现seebeck系数和电导率的同时测量。但由于seebeck系数的测试还缺乏相应的测试标准，导致不同的测试机构测出的结果会有所差异。