KR101980217B1 - Reliability Assessment Apparatus for Thermoelectric Devices and Assessment Method of the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전소자의 수명을 예측하기 위한 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자에 온도사이클을 반복적으로 부가하고, 이에 따른 저항 증가나 성능 지수 감소를 모니터링 하여 열전소자의 수명을 예측하게 되는 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reliability evaluating apparatus and an evaluating method of a thermoelectric element for predicting the lifetime of a thermoelectric element, and more particularly, to a method and apparatus for evaluating reliability of a thermoelectric element by repeatedly adding a temperature cycle to a thermoelectric element, And more particularly, to a reliability evaluation apparatus and a method of evaluating the reliability of a thermoelectric element that predicts the service life of the thermoelectric element.
Description
본 발명은 열전소자의 수명을 예측하기 위한 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자에 온도사이클을 반복적으로 부가하고, 이에 따른 저항 증가나 성능 지수 감소를 모니터링 하여 열전소자의 수명을 예측하게 되는 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reliability evaluating apparatus and an evaluating method of a thermoelectric element for predicting the lifetime of a thermoelectric element, and more particularly, to a method and apparatus for evaluating reliability of a thermoelectric element by repeatedly adding a temperature cycle to a thermoelectric element, And more particularly, to a reliability evaluation apparatus and a method of evaluating the reliability of a thermoelectric element that predicts the service life of the thermoelectric element.
열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 n형과 p형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 냉각기판에서 가열기판으로 펌핑되어 냉각기판 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동 시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.Thermoelectric materials can be directly converted between thermal energy and electric energy by the Seebeck effect and the Peltier effect, and they have been widely applied to electronic cooling and thermoelectric power generation. In the electronic cooling module and the thermoelectric module using the thermoelectric material, the n-type thermoelectric legs and the p-type thermoelectric legs are electrically connected in series and thermally connected in parallel. When the thermoelectric module is used for electronic cooling, a DC current is applied to the module, and heat is pumped from the cooling substrate to the heating substrate by the movement of holes and electrons in the n-type and p-type thermoelectric elements, . On the other hand, in the case of thermoelectric power generation, due to the temperature difference between the high temperature end and the low temperature end of the module, when heat moves from the high temperature end to the low temperature end, the holes and electrons move from the high temperature end to the low temperature end in the p- The electromotive force is generated by the Seebeck effect.
전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.The electronic cooling module has a high thermal response sensitivity, can be locally selectively cooled, and has a simple structure because it has no operating part. It is practical for local cooling of electronic components such as optical communication LD module, high power transistor, infrared sensor and CCD And is applied to industrial and civil service thermostats, scientific and medical thermostats. Thermoelectric power generation is possible only when the temperature difference is given, so that the range of choice of the heat source to be used is wide, the structure is simple and there is no noise, and the application which was limited to the special small power source device including the military power source device, , And alternative power sources.
도 1에는 통상의 수직형 열전소자(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전소자(10)는 제1 기판(1), 제2 기판(2), P 타입 제1 열전레그(3), N 타입 제2 열전레그(4) 및 전극(5)을 포함하여 이루어진다. 제1 기판(1)은 판상으로 열원(미도시)에 부착되며, 제2 기판(2)은 판상으로 제1 기판(1)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에는, 제1 열전 레그(3)와 제2 열전 레그(4)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 열전 레그(3, 4)는 제1 기판(1)과 제2 기판(2)의 온도 차에 따라 전기를 발생하거나, 전류를 통해 제1 기판(1) 또는 제2 기판(2)을 발열시키기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(5)은 제1 및 제2 열전레그(3, 4)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(3, 4)의 하측을 전기적으로 연결하는 하부 전극(5a)과, 제1 및 제2 열전레그(3, 4)의 상측을 전기적으로 연결하는 상부 전극(5b)으로 구성된다. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional vertical
한편, 자동차 업계에서는 자동차 배기가스 규제 강화에 따라 대체 에너지 개발을 통한 배기가스 저감 기술이 핫이슈로 떠오르고 있으며, 고열의 배기가스와 열전발전 소자를 이용해 전기를 생산하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. On the other hand, in the automobile industry, exhaust gas reduction technology through development of alternative energy is emerging as a hot issue in accordance with strengthening regulation of exhaust gas of automobile, and technology for producing electricity using high temperature exhaust gas and thermoelectric power generation device is actively being developed.
특히 자동차에 적용되는 열전발전 소자는 다양한 외부환경에 노출되는 자동차의 특성상 진동이나 충격 발생이 빈번하기 때문에 열전소자의 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하며, 이에 따라 잦은 진동과 충격 및 다양한 온도에 노출되는 열전소자의 수명을 예측하는 것이 절실하게 요구되고 있지만, 이에 대한 기술은 전무한 실정이다.In particular, it is very important to secure the reliability of a thermoelectric device because a vibration or an impact is frequently generated due to the characteristics of an automobile exposed to various external environments. Therefore, the thermoelectric device applied to automobiles is frequently exposed to vibration, shock, Although it is urgently required to predict the lifetime of a thermoelectric element, there is no technology in this regard.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 열전소자를 약 100도씨 이상의 온도차를 갖는 온도사이클에 반복적으로 노출시켜 부하를 가하고, 이에 따른 열전소자의 저항 증가나, 성능 지수 감소를 그래프화 하고 이를 통해 열전소자의 수명을 예측하게 되는 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion device which repeatedly exposes a thermoelectric element to a temperature cycle having a temperature difference of about 100 degrees or more, And a method for evaluating reliability of a thermoelectric element and a method for evaluating the reliability of the thermoelectric element.
특히 열전소자를 고온과 저온의 온도사이클에 반복적으로 노출시키기 위해 열전소자에 스위칭 전류를 가하게 되는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법을 제공함에 있다. In particular, it is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for evaluating the reliability of a thermoelectric element in which a switching current is applied to a thermoelectric element so as to repeatedly expose the thermoelectric element to a temperature cycle of high temperature and low temperature.
본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치는, 평가를 위한 열전소자; 열전소자의 일면에 구비되어 열전소자의 일면을 일정 온도로 냉각하는 냉각수단; 열전소자에 전류를 인가하여 열전소자의 타면을 가열 또는 냉각하는 전원부; 상기 열전소자의 일면 및 타면의 온도를 측정하는 온도측정부; 및 상기 온도측정부를 통해 열전소자의 일면 및 타면 온도를 전달받아 상기 전원부를 제어하는 제어부; 를 포함한다.An apparatus for evaluating reliability of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention includes: a thermoelectric element for evaluation; A cooling means provided on one surface of the thermoelectric element to cool one surface of the thermoelectric element to a predetermined temperature; A power supply unit for applying current to the thermoelectric element to heat or cool the other surface of the thermoelectric element; A temperature measuring unit measuring the temperature of one surface and the other surface of the thermoelectric element; And a control unit for controlling the power unit by receiving the temperature of one surface and the other surface of the thermoelectric element through the temperature measuring unit. .
또한, 상기 평가 장치는, 상기 열전소자의 타면에 구비되어 열전소자의 타면을 일정 온도로 가열하는 가열 수단; 을 포함한다.The evaluation device may further include heating means provided on the other surface of the thermoelectric element to heat the other surface of the thermoelectric element to a predetermined temperature; .
또한, 상기 전원부는, 상기 열전소자에 인가되는 전류를 반복적으로 스위칭 하여 열전소자의 타면을 반복적으로 가열 또는 냉각한다.In addition, the power supply unit repeatedly switches the current applied to the thermoelectric element to repeatedly heat or cool the other surface of the thermoelectric element.
또한, 상기 평가 장치는, 상기 열전소자의 타면이 반복적으로 가열 또는 냉각됨에 따라 상기 열전소자의 저항 변화를 측정하는 저항측정부; 를 포함한다.The evaluation apparatus may further include: a resistance measuring unit for measuring a resistance change of the thermoelectric element as the other surface of the thermoelement is repeatedly heated or cooled; .
또한, 상기 평가 장치는, 상기 열전소자의 타면이 반복적으로 가열 또는 냉각됨에 따라 상기 열전소자의 성능 지수 변화를 측정하는 성능측정부; 를 포함한다.The evaluating apparatus may further include: a performance measuring unit for measuring a change in the performance index of the thermoelectric element as the other surface of the thermoelement is repeatedly heated or cooled; .
또한, 상기 평가 장치는, 상기 열전소자와 상기 가열수단 및 상기 열전소자와 상기 냉각수단이 밀착되도록 상기 가열수단의 상측에 구비되어 상기 가열수단에 하방으로 하중을 가하는 무게추; 를 더 포함한다.In addition, the evaluation apparatus may further include: a weight weight provided on the upper side of the heating means so that the thermoelectric element, the heating means, the thermoelectric element, and the cooling means come in close contact with each other and apply a load to the heating means downward; .
또한, 상기 평가 장치는, 상기 가열수단과 상기 무게추 사이에 구비되어 상기 가열수단과 무게추 사이의 열교환을 차단하는 단열재; 를 더 포함한다.The evaluation device may further include: a heat insulating material provided between the heating means and the weight to block heat exchange between the heating means and the weight, .
아울러, 상기 평가 장치는, 상기 열전소자와 상기 가열수단 사이에 구비되며 일정 높이를 갖는 열전도성 블록; 을 더 포함한다.In addition, the evaluation apparatus may further include: a thermally conductive block provided between the thermoelectric element and the heating means and having a predetermined height; .
본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치를 이용한 열전소자의 신뢰성 평가 방법은, 상기 열전소자의 타면을 반복적으로 가열 또는 냉각하는 단계; 상기 가열 또는 냉각하는 온도사이클을 카운팅하는 단계; 상기 온도사이클의 증가에 따른 상기 열전소자의 저항 또는 성능지수를 측정하는 단계; 및 상기 열전소자의 저항 또는 성능지수가 일정 수치에 도달했을 때의 온도사이클 주기를 체크하여 상기 열전소자의 수명을 예측하는 단계; 를 포함한다.A reliability evaluation method of a thermoelectric element using the apparatus for evaluating reliability of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention includes the steps of repeatedly heating or cooling the other surface of the thermoelectric element; Counting the temperature cycle of heating or cooling; Measuring a resistance or a figure of merit of the thermoelectric element with an increase in the temperature cycle; And estimating a lifetime of the thermoelectric device by checking a temperature cycle period when the resistance or the figure of merit of the thermoelectric device reaches a certain value; .
이때, 상기 평가방법은, 상기 온도사이클의 온도차를 단계별로 나누어 수행한 후 상기 열전소자의 수명을 상기 온도차 별로 나타낸다. At this time, the evaluation method is performed by dividing the temperature difference of the temperature cycle step by step, and then the lifetime of the thermoelectric element is indicated by the temperature difference.
아울러, 상기 온도차를 응력으로 치환하여 상기 응력에 따른 상기 열전소자의 수명을 상기 온도차 별로 나타낸다. In addition, the temperature difference is replaced with a stress, and the lifetime of the thermoelectric device according to the stress is indicated by the temperature difference.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 열전소자의 신뢰성 평가 장치 및 평가 방법은, 열전소자의 수명 예측이 가능해짐에 따라 열전소자의 신뢰성 확보 및 열전소자의 특성 파악이 용이하여 다양한 기술분야에 적절한 열전소자의 선택 및 적용이 가능한 효과가 있다. The apparatus and method for evaluating reliability of a thermoelectric element according to the present invention having the above-described structure can predict the lifetime of the thermoelectric element, thereby ensuring the reliability of the thermoelectric element and facilitating the characterization of the thermoelectric element. It is possible to select and apply devices.
도 1은 통상의 열전소자를 나타낸 개략단면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치의 개략 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자의 전류 스위칭에 따른 온도사이클 재현 방법을 도시한 개략단면도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치의 개략단면도
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 방법을 도시한 그래프1 is a schematic cross-sectional view showing a conventional thermoelectric element
2 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for evaluating reliability of a thermoelectric element according to a first embodiment of the present invention
3 is a schematic cross-sectional view showing a method of reproducing a temperature cycle according to the current switching of the thermoelectric device according to the first embodiment of the present invention
4 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for evaluating the reliability of a thermoelectric device according to a second embodiment of the present invention
5 is a graph showing a reliability evaluation method of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
- 실시 예 1(기본형)Example 1 (Basic type)
도 2에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치(100, 이하 "평가장치")의 개략단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 평가장치(100)의 온도사이클 재현을 위한 전류 스위칭 방법을 도시한 개략단면도가 도시되어 있다. 2 is a schematic sectional view of an
도시된 바와 같이 평가장치(100)는 기본적으로 평가 대상인 열전소자(110), 냉각 수단(120), 가열수단(130), 무게추(140) 및 단열재(150)를 포함하여 구성된다. 추가적으로는 온도측정부(M1), 성능측정부(M2), 저항측정부(M3), 전원부(160) 및 제어부(170)를 더 포함하여 구성된다. As shown in the figure, the
열전소자(110)의 아랫면에는 열전소자(110)의 아랫면을 일정온도로 냉각하기 위한 냉각수단(120)이 부착된다. 냉각수단(120)은 열전소자(110)를 일정한 온도로 냉각시킬 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 적용될 수 있고, 일예로 방열핀이나, 수냉식 열교환기 등이 적용될 수 있다. On the lower surface of the
열전소자(110)의 윗면에는 열전소자(110)의 윗면을 일정온도로 가열하기 위한 가열수단(130)이 부착된다. 가열수단(130)은 열전소자(110)를 일정한 온도로 가열시킬 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 적용될 수 있고, 일예로 전기 히터 등이 적용될 수 있다.On the upper surface of the
가열수단(130)의 상측에는 무게추(140)가 구비되어 열전소자(110), 냉각수단(120) 및 가열수단(130)이 완전히 밀착되어 열교환 효율을 높일 수 있도록 구성된다. 또한, 무게추(140)와 가열수단(130) 사이에는 단열재(150)가 구비되어 무게추(140)로 인한 열전소자(110)의 온도 변화를 최소화 하였다. A
본 발명은 열전소자(110)의 윗면이 고온과 저온에 반복적으로 노출되도록 하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다. 본 발명의 가열수단(130)은 시간에 따른 온도변화량이 크지 않기 때문에 다음과 같은 추가적인 구성을 갖는다. The present invention has the following structure in order to repeatedly expose the upper surface of the
본 발명의 제1 실시 예에 따른 평가장치(100)는 전원부(160)와 제어부(170)를 포함하며, 전원부(160)는 열전소자(110)에 전류를 가하도록 열전소자(110)와 전기적으로 연결된다.The
열전소자(110)에 일 방향으로 전류를 가하면, 열전소자(110)의 일면은 가열되고 타면은 냉각되며, 타 방향으로 전류를 가하면, 열전소자(110)의 일면은 냉각되고 타면은 가열된다. When a current is applied to the
이점에 착안하여 전원부(160)를 통해 열전소자(110)에 가해지는 전류를 스위칭 하여 열전소자(110)의 윗면이 고온과 저온에 반복적으로 노출되도록 구성하였다. 즉 도 3a에 도시된 바와 같이 전원부(160)를 통해 열전소자(110)에 일 방향으로 전류를 가하게 되면, 열전소자(110)의 윗면은 가열되기 때문에 가열수단(130)과 더불어 윗면은 120도씨 이상의 고온에 노출되게 된다. 또한 도 3b에 도시된 바와 같이 전원부(160)를 통해 열전소자(110)에 타 방향으로 전류를 가하게 되면, 열전소자(110)의 윗면은 냉각되기 때문에 가열수단(130)과 온도가 상쇄되어 윗면은 20도씨 이하의 저온에 노출되게 된다.The upper surface of the
따라서 전원부(160)에서 열전소자(110)에 가해지는 전류를 스위칭 하는 과정을 반복 수행하게 되면, 열전소자(110)의 윗면은 고온과 저온의 온도사이클(약 섭씨 150도~섭씨 10도)에 반복적으로 노출되게 된다.(도 5a 참조) 열전소자(110)의 아랫면은 전류를 통해 가열 또는 냉각되는 온도보다 냉각수단(120)의 냉각 온도가 상대적으로 크기 때문에 온도 변화가 미미(섭씨 20도 ~ 섭씨 30도)하다.(도 5a 참조)Therefore, when the current applied to the
이때 제어부(160)는 열전소자(110)의 윗면과 아랫면의 온도 정보를 전달받아 전원부(160)의 전류 스위칭 시점을 제어하게 된다. 따라서 평가장치(100)는 열전소자(110)의 윗면과 아랫면의 온도를 측정하고 이를 제어부(160)에 전달하기 위한 온도측정부(M1)가 구비된다. At this time, the
아울러 평가장치(100)는 열전소자(110)의 윗면의 온도가 반복적으로 가변됨에 따라 열전소자(110)의 성능지수를 측정할 수 있는 성능측정부(M2)와 열전소자(110)의 저항 변화를 측정할 수 있는 저항측정부(M3)를 구비한다. 또한 도면상에는 도시되지 않았지만, 열전소자(110)의 윗면과 아랫면의 온도차에 따라 열전소자(110)에서 발생되는 전기의 발전량을 측정할 수 있는 파워측정부(미도시)가 더 구비될 수 있다The
위와 같은 평가장치(100)의 구성을 통해 열전소자(100)의 윗면에 가해지는 고온과 저온의 사이클 노출 주기, 고온과 저온의 온도차, 위 주기가 증가됨에 따른 성능지수 또는 저항 또는 발전량의 변화를 측정하고 종합적으로 판단하여 열전소자(100)의 수명을 예측하게 된다. Through the configuration of the above-described
- 실시 예 2(블록 추가형)Example 2 (block addition type)
도 4에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 장치(200, 이하 "평가장치")의 개략단면도가 도시되어 있다.4 is a schematic cross-sectional view of an
도시된 바와 같이 평가장치(200)는 기본적으로 평가 대상인 열전소자(210), 냉각 수단(220), 가열수단(230), 무게추(240), 단열재(250) 및 열전도 블록(290)을 포함하여 구성된다. The
도시된 바와 같이 냉각수단(220)과 가열수단(230)의 면적이 열전소자(210)의 면적보다 클 경우 냉각수단(220)과 가열수단(230)의 직접 열교환을 통해 열전소자(210)의 냉각 또는 가열 성능에 영향을 미치기 때문에 열전소자(210)의 온도 측정에 변수로 작용될 수 있다.When the area of the
따라서 본 발명의 제2 실시 예에 따른 평가장치(200)는 냉각수단(220)과 가열수단(230)이 직접 열교환하지 못하도록 열전소자(210)와 가열수단(230) 사이에 열전도 블록(290)을 구비한다. 도면상에는 냉각수단(220)과 가열수단(230)이 이격된 것으로 보일 수 있으나, 실 제품의 거리는 가깝게 구성된다. 일정 높이를 갖는 열전도 블록(290)이 구비됨에 따라 냉각수단(220)과 가열수단(230)의 거리가 늘어나 냉각수단(220)과 가열수단(230)의 열교환은 차단된다. Therefore, the
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 따른 평가장치(100, 200)를 이용한 열전소자의 신뢰성 평가 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a reliability evaluation method of thermoelectric elements using the
도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자의 신뢰성 평가 방법을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 즉 도 5a는 열전소자의 윗면의 온도와 아랫면의 온도를 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 5b는 열전소자의 윗면과 아랫면의 온도차를 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 5c는 열전소자에 가해지는 온도차에 따른 열전소자의 수명을 온도사이클로 나타낸 열전소자의 수명곡선 그래프이고, 도 5d는 열전소자에 가해지는 응력에 따른 열전소자의 수명을 온도사이클에 따라 나타낸 열전소자의 수명곡선 그래프이다. FIG. 5 is a graph illustrating a reliability evaluation method of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention. 5B is a graph showing the temperature difference between the upper surface and the lower surface of the thermoelectric element with respect to time, FIG. 5C is a graph showing the temperature difference between the upper surface of the thermoelectric element and the lower surface, And FIG. 5D is a graph showing a lifetime curve of a thermoelectric device according to a temperature cycle, in which the lifetime of the thermoelectric device according to the stress applied to the thermoelectric device is shown according to a temperature cycle.
도 5a에 도시된 바와 같이 열전소자에 인가되는 전류를 스위칭 하여 열전소자의 윗면 온도가 고온과 저온에 반복적으로 노출되도록 한다. 이때 열전소자의 아랫면 온도는 온도변화가 상대적으로 적게 발생한다. As shown in FIG. 5A, the current applied to the thermoelectric element is switched so that the top surface temperature of the thermoelectric element is repeatedly exposed at a high temperature and a low temperature. At this time, the temperature of the bottom surface of the thermoelectric element changes relatively little.
따라서 도 5b에 도시된 바와 같이 열전소자의 윗면 온도가 반복적으로 가변됨에 따라 열전소자의 윗면과 아랫면의 온도차이도 반복적으로 발생하게 된다. Therefore, as shown in FIG. 5B, as the temperature of the top surface of the thermoelectric element is repeatedly varied, the temperature difference between the top surface and the bottom surface of the thermoelectric element is repeatedly generated.
이때 열전소자에 가해지는 온도차가 반복될수록 열전소자의 저항은 증가하게 되어 일정 수치에 도달하게 되면, 열전소자의 수명이 끝난 것으로 간주하게 된다. 열전소자의 저항이 일정 수치에 도달하게 되었을 때의 온도사이클 주기를 체크하여 온도 변화량 별로 체크하게 되면 도 5c에 도시된 바와 같이 온도변화량에 따른 열전소자의 수명곡선을 나타낼 수 있게 된다. 즉 온도변화량이 클수록 짧은 사이클만으로도 열전소자의 성능이 현저히 저하되며, 온도변화량이 작을수록 긴 사이클 동안 열전소자의 수명이 유지됨을 알 수 있다.At this time, as the temperature difference applied to the thermoelectric element is repeated, the resistance of the thermoelectric element increases, and when the constant value is reached, the thermoelectric element is considered to have reached the end of its life. If the temperature cycling period when the resistance of the thermoelectric element reaches a certain value is checked and checked for each temperature change amount, the lifetime curve of the thermoelectric element according to the temperature variation amount can be shown as shown in FIG. 5C. That is, the larger the temperature variation is, the lower the performance of the thermoelectric element is with only a short cycle, and the shorter the cycle time, the longer the life of the thermoelectric element is.
이는 열전소자에 가해지는 온도차가 반복될수록 열전소자의 성능지수가 감소하는 것을 이용할 수도 있다. 열전소자의 성능지수가 일정 수치로 감소하게 되면, 열전소자의 수명이 끝난 것으로 간주하여 열전소자의 성능지수가 일정 수치에 도달하게 되었을 때의 온도사이클 주기를 체크하여 온도 변화량 별로 체크하게 되면, 역시 온도변화량에 따른 열전소자의 수명곡선을 나타낼 수 있게 된다. This may be achieved by decreasing the figure of merit of the thermoelectric element as the temperature difference applied to the thermoelectric element is repeated. If the performance index of the thermoelectric element is reduced to a certain value, it is regarded that the lifetime of the thermoelectric element is over and the temperature cycle period when the performance index of the thermoelectric element reaches a certain value is checked, The lifetime curves of the thermoelectric elements according to the amount of temperature change can be expressed.
다른 실시 예로, 열전소자에 가해지는 온도차가 반복될수록 열전소자의 발전량이 감소하는 것을 이용할 수도 있다. 열전소자의 발전량이 일정 수치로 감소하게 되면, 열전소자의 수명이 끝난 것으로 간주하여 열전소자의 발전량이 일정 수치에 도달하게 되었을 때의 온도사이클 주기를 체크하여 온도 변화량 별로 체크하게 되면, 역시 온도변화량에 따른 열전소자의 수명곡선을 나타낼 수 있게 된다. In another embodiment, it is possible to use the fact that the amount of power generation of the thermoelectric element decreases as the temperature difference applied to the thermoelectric element is repeated. If the generation amount of the thermoelectric element is reduced to a certain value, it is regarded that the life of the thermoelectric element is over and the temperature cycle period when the amount of power generation of the thermoelectric element reaches a certain value is checked and checked for each temperature change, The lifetime curve of the thermoelectric element according to the present invention can be expressed.
최종적으로 유한요소해석을 이용하여 온도변화량에 따라 열전소자에 가해지는 응력을 치환하게 되면, 도 5d에 도시된 바와 같이 응력에 따른 열전소자의 수명곡선을 나타낼 수 있게 된다. Finally, when the stress applied to the thermoelectric device is replaced with the temperature change using the finite element analysis, the lifetime curve of the thermoelectric device according to the stress can be expressed as shown in FIG. 5D.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be construed as being limited to the above-described embodiment of the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, such modifications and changes are within the scope of protection of the present invention as long as it is obvious to those skilled in the art.
100, 200 : 열전소자 신뢰성 평가 장치
110, 210 : 열전소자
120, 220 : 냉각 수단
130, 230 : 가열 수단
140, 240 : 무게추
150, 250 : 단열재
160 : 전원부
170 : 제어부
290 : 열전도 블록
M1 : 온도측정부
M2 : 성능측정부
M3 : 저항측정부100, 200: thermoelectric device reliability evaluation device
110, 210: thermoelectric element
120, 220: cooling means
130, 230: Heating means
140, 240: weight weight
150, 250: Insulation
160:
170:
290: Heat conduction block
M1: Temperature measuring unit
M2: Performance measurement unit
M3: Resistance measuring section
Claims (11)
열전소자의 일면에 구비되어 열전소자의 일면을 일정 온도로 냉각하는 냉각수단;
상기 열전소자의 타면에 구비되어 열전소자의 타면을 일정 온도로 가열하는 가열 수단;
열전소자에 전류를 인가하는 전원부;
상기 열전소자의 일면 및 타면의 온도를 측정하는 온도측정부; 및
상기 온도측정부를 통해 열전소자의 일면 및 타면 온도를 전달받아 상기 전원부를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 전원부는,상기 열전소자에 인가되는 전류를 반복적으로 스위칭하고,
상기 열전소자에 인가되는 전류를 반복적으로 스위칭 시 상기 열전소자의 일면의 온도차보다 상기 열전소자의 타면의 온도차가 더 큰 것을 특징으로 하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치
Thermoelectric elements for evaluation;
A cooling means provided on one surface of the thermoelectric element to cool one surface of the thermoelectric element to a predetermined temperature;
Heating means provided on the other surface of the thermoelectric element to heat the other surface of the thermoelectric element to a predetermined temperature;
A power supply unit for applying a current to the thermoelectric element;
A temperature measuring unit measuring the temperature of one surface and the other surface of the thermoelectric element; And
And a controller for controlling the power unit by receiving the temperature of one side and the other side of the thermoelectric element through the temperature measuring unit,
Wherein the power supply unit repeatedly switches the current applied to the thermoelectric element,
Wherein a temperature difference of the other surface of the thermoelectric element is larger than a temperature difference of one surface of the thermoelectric element when the current applied to the thermoelectric element is repeatedly switched.
상기 평가 장치는,
상기 열전소자의 타면이 반복적으로 가열 또는 냉각됨에 따라 상기 열전소자의 저항 변화를 측정하는 저항측정부;
를 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치.
The method according to claim 1,
The evaluating apparatus includes:
A resistance measuring unit for measuring a resistance change of the thermoelectric element as the other surface of the thermoelectric element is repeatedly heated or cooled;
Wherein the thermoelement reliability evaluation apparatus comprises:
상기 평가 장치는,
상기 열전소자의 타면이 반복적으로 가열 또는 냉각됨에 따라 상기 열전소자의 성능 지수 변화를 측정하는 성능측정부;
를 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치.
The method according to claim 1,
The evaluating apparatus includes:
A performance measuring unit for measuring a change in the performance index of the thermoelectric element as the other surface of the thermoelement is repeatedly heated or cooled;
Wherein the thermoelement reliability evaluation apparatus comprises:
상기 평가 장치는,
상기 열전소자와 상기 가열수단 및 상기 열전소자와 상기 냉각수단이 밀착되도록 상기 가열수단의 상측에 구비되어 상기 가열수단에 하방으로 하중을 가하는 무게추;
를 더 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치.
The method according to claim 1,
The evaluating apparatus includes:
A weight attached to the heating means so that the thermoelectric element, the heating means, the thermoelectric element, and the cooling means come into close contact with each other and apply a load to the heating means downward;
Further comprising: a thermoelement reliability evaluation device for evaluating the reliability of the thermoelement.
상기 평가 장치는,
상기 가열수단과 상기 무게추 사이에 구비되어 상기 가열수단과 무게추 사이의 열교환을 차단하는 단열재;
를 더 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치.
The method according to claim 6,
The evaluating apparatus includes:
A heat insulating material provided between the heating means and the weight to prevent heat exchange between the heating means and the weight.
Further comprising: a thermoelement reliability evaluation device for evaluating the reliability of the thermoelement.
상기 평가 장치는,
상기 열전소자와 상기 가열수단 사이에 구비되며 일정 높이를 갖는 열전도성 블록;
을 더 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 장치.
The method according to claim 1,
The evaluating apparatus includes:
A thermally conductive block provided between the thermoelectric element and the heating means and having a constant height;
Further comprising: a thermoelement reliability evaluation unit for evaluating the reliability of the thermoelement.
상기 열전소자의 타면을 반복적으로 가열 또는 냉각하는 단계;
상기 가열 또는 냉각하는 온도사이클을 카운팅하는 단계;
상기 온도사이클의 증가에 따른 상기 열전소자의 저항 또는 성능지수를 측정하는 단계; 및
상기 열전소자의 저항 또는 성능지수가 일정 수치에 도달했을 때의 온도사이클 주기를 체크하여 상기 열전소자의 수명을 예측하는 단계;
를 포함하는, 열전소자의 신뢰성 평가 방법.
In a reliability evaluation method of a thermoelectric element using a reliability evaluation apparatus for a first thermoelectric element,
Repeatedly heating or cooling the other surface of the thermoelectric element;
Counting the temperature cycle of heating or cooling;
Measuring a resistance or a figure of merit of the thermoelectric element with an increase in the temperature cycle; And
Determining a life cycle of the thermoelectric device by checking a temperature cycle period when the resistance or the figure of merit of the thermoelectric device reaches a certain value;
And the reliability of the thermoelectric element is evaluated.
상기 평가방법은,
상기 온도사이클의 온도차를 단계별로 나누어 수행한 후 상기 열전소자의 수명을 상기 온도차 별로 나타내는, 열전소자의 신뢰성 평가 방법.
10. The method of claim 9,
In the evaluation method,
And the lifetime of the thermoelectric element is indicated for each temperature difference after performing the temperature difference of the temperature cycle step by step.
상기 온도차를 응력으로 치환하여 상기 응력에 따른 상기 열전소자의 수명을 상기 온도차 별로 나타내는, 열전소자의 신뢰성 평가 방법.11. The method of claim 10,
And the lifetime of the thermoelectric device according to the stress is indicated for each temperature difference by replacing the temperature difference with a stress.
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최형석, 이태원, 이영호, 이명현, 서원선. 열전모듈의 가속 수명시험과 고장 분석을 통한 신뢰도 예측. 한국신뢰성학회 학술대회논문집. 2004년 7월. 123-128쪽 1부.* |
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