溫差電技術(shù)的歷史及現(xiàn)狀 半導(dǎo)體致冷器的應(yīng)用情況介紹及發(fā)展前景

1 溫差電技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 簡(jiǎn)述溫差電技術(shù)的歷史及現(xiàn)狀

熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀(jì)早期。1821年由德國科學(xué)家托馬斯·塞貝克發(fā)現(xiàn)在一個(gè)由兩種不同金屬導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)接頭的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)有持續(xù)的電流流動(dòng)。1834年，一個(gè)法國制表師兼物理學(xué)家簡(jiǎn)·珀?duì)柼谘芯咳惪诵?yīng)的過程中發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象具有一個(gè)相反的現(xiàn)象，也就是當(dāng)閉合回路中有電流流動(dòng)的時(shí)候，兩個(gè)接頭之一會(huì)吸熱，而另一個(gè)會(huì)放熱。20年后，威廉姆·湯姆遜（即開爾文勛爵）為塞貝克效應(yīng)和珀?duì)柼?yīng)提出了一個(gè)系統(tǒng)的解釋，并建立了兩者的關(guān)系。在很長時(shí)間里，溫差電領(lǐng)域中只有用熱電偶測(cè)量溫度得到了廣泛應(yīng)用。直到1960年前后前蘇聯(lián)科學(xué)家完善了以Bi2Te3為代表的化合物半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，才使得商業(yè)化的熱電制冷器才有所發(fā)展。半導(dǎo)體致冷器，是基于帕爾貼效應(yīng)開發(fā)的固態(tài)加熱、制冷器件。目前應(yīng)用于關(guān)鍵電子部件、光學(xué)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器及其他裝置中的精密溫度控制。

1.2 半導(dǎo)體致冷器結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

在目前的熱電制冷器件中最常用到的半導(dǎo)體熱電材料是碲化鉍。碲化鉍的最大熱電優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在室溫，適合于大多數(shù)熱電制冷的應(yīng)用條件。工業(yè)上已經(jīng)可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍料錠。熱電材料的制備方法通常是區(qū)域熔化法或者粉末壓制成型法。

由帕爾貼效應(yīng)可知，通過在半導(dǎo)體致冷器的兩端加載一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，熱量就?huì)從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度就會(huì)同時(shí)上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。因此，熱電制冷器還可以用于精確的溫度控制。另外，熱電制冷器還具有發(fā)電的功能。在這個(gè)模式下，只要在制冷器上加載一個(gè)溫差后，回路中便會(huì)產(chǎn)生電流。

半導(dǎo)體致冷器的結(jié)構(gòu)示意圖

從上面的半導(dǎo)體結(jié)果示意圖中可以知道，電偶臂材料分別采用了p型和n型碲化鉍。這種布局方式下，電流在p型和n型電偶臂里上下流動(dòng)的過程中，熱流方向能始終保持不變，在n型材料中，熱流方向與電流方向相反；在P型材料中，熱流方向與電流方向相同。一個(gè)p型和一個(gè)n型電偶臂組成一對(duì)溫差電偶對(duì)，大多數(shù)熱電制冷器是由相同數(shù)量的n型和p型電偶臂所組成的。上圖的模型是由兩對(duì)p型和n型電偶臂構(gòu)成的兩對(duì)溫差電偶對(duì)，通過合理的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以組合成不同對(duì)數(shù)的半導(dǎo)體致冷器。

1.3 半導(dǎo)體致冷器的應(yīng)用情況介紹及發(fā)展前景

1.3.1應(yīng)用情況概述

目前，半導(dǎo)體致冷器廣泛應(yīng)用于電子、激光、通訊、測(cè)量、分析等科技領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。下面列舉一些實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例：

● 參比冰點(diǎn)

● 參量放大器

● 除濕器

● 低噪音放大器

● 電泳電池制冷器

● 電子封裝制冷

● 發(fā)電機(jī)（小型）

● 光導(dǎo)攝像管制冷器

● 光電倍增管防護(hù)罩

● 黑匣子制冷

● 恒溫槽

● 恒溫浴

● 紅外探測(cè)器

● 環(huán)境分析

● 酒柜

● 激光二極管制冷器

● 集成電路制冷

● 晶圓熱特性分析

● 精密設(shè)備制冷（激光和微處理器）

● 冷柜

● 露點(diǎn)濕度計(jì)

● 切片機(jī)制冷

● 熱密度測(cè)量

● 熱循環(huán)系統(tǒng)（DNA和血液分析儀）

● 生物學(xué)組織制備和儲(chǔ)存

● 濕化學(xué)過程溫度控制

● 飲用水和飲料冷卻

● 冰箱和便攜冰箱系統(tǒng)（飛機(jī)、汽車、輪船、賓館、野餐、制藥、胰島素、手機(jī)等）

1.3.2半導(dǎo)體致冷器的主要特點(diǎn)

在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復(fù)雜控溫的熱控過程中，半導(dǎo)體致冷器可以提供很大的幫助，而且，在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的，半導(dǎo)體致冷器也并不能應(yīng)用在所有的領(lǐng)域，但是與其他制冷設(shè)備相比，熱電制冷器具有很多優(yōu)勢(shì)。其中包括：

● 可以降溫到環(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。

● 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電制冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨(dú)立的加熱或者制冷功能元件。

● 精確的溫度控制：由于熱電制冷器具有一個(gè)閉路溫度控制循環(huán)，它可以在0.1 ℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。

● 高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達(dá)到200，000小時(shí)以上。

● 電子靜音：與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會(huì)產(chǎn)生任何電子干擾信號(hào)，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不會(huì)干擾其工作。另外，它在運(yùn)行過程中也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音。

● 可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以在任意角度和零重力狀態(tài)下工作。

● 簡(jiǎn)單方便的能源供給：熱電制冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。

2 半導(dǎo)體致冷器參數(shù)

2.1 半導(dǎo)體致冷器原理型的數(shù)學(xué)模型

如圖所示的是一個(gè)最簡(jiǎn)單、最基本的溫差電器件，由N、P兩種類型的半導(dǎo)體溫差電材料經(jīng)電導(dǎo)率較高的導(dǎo)流片串聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)電流流過回路時(shí)，將在接頭A處發(fā)生吸熱，而在接頭B處放熱，使得T2》T1，因而在A、B兩端建立溫差ΔT=T2-T1，其作用就是一個(gè)制冷器。 根據(jù)帕爾貼效應(yīng)建立在冷端A處的熱平衡方程，可獲得該接頭處單位時(shí)間從外界進(jìn)入的熱量（制冷量）Qc為：Qc=αNP T1I – 0.5I2R – k（T2 – T1）其中R為N、P電偶臂的電阻，αNP 為N、P電偶臂的溫差電動(dòng)勢(shì)總和，與制冷器的電偶臂對(duì)數(shù)有關(guān)I為通過回路的電流，k為電偶臂的熱阻總和。

2.2 溫差電優(yōu)值Z

為了評(píng)價(jià)溫差電材料和器件的各種性能，可以引入一個(gè)與溫差電材料有關(guān)的概念：溫差電優(yōu)值Z。對(duì)于溫差電材料而言，Z=α2.σ/λ 其中α為材料的賽貝克系數(shù)，也就是溫差電動(dòng)勢(shì)，σ為材料的電導(dǎo)率，λ為材料的熱導(dǎo)率。對(duì)于溫差電器件而言，Z =αNP2/ R.k

2.3 最大溫差電流和最大溫差

溫差電制冷器的一個(gè)重要性能參數(shù)是器件兩端所能建立的溫差ΔT=T2-T1。顯然，這個(gè)溫差與制冷器的制冷能力和外加熱負(fù)荷有關(guān)。

利用器件的冷端熱平衡方程，可以求得ΔT=（αNP T1 I – 0.5I2R – Qc ）/ k 對(duì)于制冷器無外加熱負(fù)載的情況即Qc=0，令d（ΔT）/dI=0，可以求得相應(yīng)于ΔT取極值時(shí)的最佳電流IT為IT=αNP T1/R當(dāng)制冷器工作在這個(gè)最佳電流時(shí)，具有的最大溫差ΔTmax為ΔTmax=0.5 ZT12以上是從制冷器冷端熱平衡方程中推導(dǎo)出的最大溫差電流和電偶對(duì)兩端的最大溫差的計(jì)算方法。在廠商樣本中和實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往將其換算成以熱端溫度T2為參照值的數(shù)據(jù)，也就是定義：

最大溫差電流Imax：在熱端溫度恒定為Th（通常定義為27℃）、負(fù)載Qc為0的情況下可以獲得最大溫差ΔTmax即最低冷端溫度Tc max時(shí)應(yīng)輸入的電流值。

最大溫差ΔTmax：在熱端溫度恒定為Th（通常定義為27℃）、負(fù)載Qc為0、通以最大溫差電流的情況下，制冷器可以獲得的溫差值。

如果要實(shí)際測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)，需要在真空條件下測(cè)量。我公司樣本中提供的數(shù)據(jù)指的就是在真空條件下測(cè)的數(shù)據(jù)。

2.4 最大產(chǎn)冷量Qcmax

制冷器工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)從外界吸入的熱量成為產(chǎn)冷量，單位是W。當(dāng)材料的特性αNP、R、k一定時(shí)，器件的產(chǎn)冷量與通過器件的電流和兩端的溫差有關(guān)；對(duì)于不同的外加電流和溫差條件，其產(chǎn)冷量是不同的。在制冷器冷端熱平衡方程中，令dQc/dI=0，可以獲得相對(duì)于Qc取極值時(shí)的最佳電流值Iq為Iq= IT=αNP T1/R相對(duì)于的產(chǎn)冷量Qc為Qc=0.5αNP2T12/R – k（T2 – T1）進(jìn)一步，若定義制冷器工作在最佳電流Iq工況下，且器件兩端的溫差為0時(shí)制冷量為器件的最大產(chǎn)冷量為Qcmax，則Qcmax=0.5αNP2T12/R從上式中可以看出，最大產(chǎn)冷量也是溫差的函數(shù)，我公司所給出的樣本中的最大產(chǎn)冷量是指熱面溫度Th=27℃時(shí)標(biāo)定的最大產(chǎn)冷量。

2.5 制冷效率COP

制冷器的制冷效率COP定義為：COP=Qc/PQc為冷端吸熱量；P為制冷器輸入功率。制冷器兩端的外加電壓V應(yīng)等于電偶臂上的電壓降VR=IR，加上抵抗溫差電壓所需的電壓降Vs=αNP（T2-T1），即V=VR + Vs = IR + αNP（T2-T1）由此可得制冷器的輸入功率為：P = VI = I2R + αNP（T2-T1）I進(jìn)而可獲得制冷器的制冷效率COPCOP=［αNP T1 I – 0.5I2R – k（T2 – T1）］/［ I2R + αNP（T2-T1）I］從式中可以看出，制冷效率COP不僅與器件的特定參數(shù)（αNP 、R 、k）有關(guān)以外，還與其具體工作狀態(tài)（T1、T2-T1、I）有關(guān)。

3 半導(dǎo)體制冷器的可靠性研究

3.1 半導(dǎo)體致冷器功能失效機(jī)理分析及解決方案

目前為止，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致制冷片失效的原因主要有以下4個(gè)方面：

● 熱應(yīng)力◎失效機(jī)理半導(dǎo)體致冷器工作時(shí)一面吸熱、一面放熱，兩面工作在不同的溫度上。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料和其他部件（導(dǎo)銅和瓷片）的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致致冷器內(nèi)部的熱電材料與導(dǎo)流片、瓷片之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，長時(shí)間工作尤其是頻繁進(jìn)行冷熱交變工作后導(dǎo)致熱電材料與導(dǎo)流片結(jié)合部形成缺陷甚至開裂，引發(fā)致冷器失效。◎解決方案成功開發(fā)GL結(jié)構(gòu)致冷器，這種產(chǎn)品更適應(yīng)于工作在頻繁進(jìn)行冷熱交變的場(chǎng)合。

● 電化學(xué)腐蝕◎失效機(jī)理半導(dǎo)體致冷器使用時(shí)，冷面溫度一般會(huì)降低到露點(diǎn)以下。如果致冷器的密封不好，水汽會(huì)進(jìn)入到致冷器內(nèi)部，通電時(shí)引起電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致半導(dǎo)體致冷器內(nèi)部短路影響使用效果。針對(duì)這種失效機(jī)理，在一般的致冷器設(shè)計(jì)中，要在致冷器的四周封裝硅橡膠或環(huán)氧樹脂膠加以密封，可以在一定程度上緩解由于水汽浸入而引起的電化學(xué)腐蝕，適用于一般場(chǎng)合。◎解決方案對(duì)于對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，開發(fā)更有效抑制水汽浸入致冷器內(nèi)部的PV-2F機(jī)芯。這種產(chǎn)品從組件結(jié)構(gòu)上更加重視防水的密封性能，并使用了GL結(jié)構(gòu)的致冷器，從而大大提高了可靠性。

● 物質(zhì)遷移（擴(kuò)散）◎失效機(jī)理半導(dǎo)體致冷器長時(shí)間使用過程中，導(dǎo)流片中的銅元素以及焊料當(dāng)中的錫元素會(huì)向半導(dǎo)體材料中擴(kuò)散，使該接頭處形成缺陷甚至斷裂，同時(shí)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料性能降低以至最終失效?！蚪鉀Q方案采用特殊工藝，在半導(dǎo)體材料表面制作厚度適當(dāng)?shù)淖钃鯇?，有效阻止了銅元素?cái)U(kuò)散。

● 半導(dǎo)體晶體損壞◎失效機(jī)理半導(dǎo)體材料在形成和加工過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷，每個(gè)半導(dǎo)體致冷器是由很多對(duì)半導(dǎo)體材料組成的，焊接后相當(dāng)于很多個(gè)焊點(diǎn)。半導(dǎo)體致冷器長時(shí)間使用后，尤其是工作電壓接近最大溫差電壓時(shí)，半導(dǎo)體材料本身缺陷和焊點(diǎn)之間的差異逐步擴(kuò)大，缺陷點(diǎn)產(chǎn)生熱量大于其他部位，最終導(dǎo)致缺陷部位斷路致冷器不能工作?！蚪鉀Q方案1）建立完善的質(zhì)量保證體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并采取措施預(yù)防問題的再發(fā)生。2）結(jié)合中國科學(xué)院、日本和烏克蘭的技術(shù)，用特殊的工藝，減少工藝缺陷對(duì)半導(dǎo)體晶體的傷害，充分保持晶體的Z值。 3.2 現(xiàn)行的幾種研究半導(dǎo)體致冷器可靠性的試驗(yàn)方法

3.2.1極性切換試驗(yàn)該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察熱應(yīng)力對(duì)致冷器壽命的影響。試驗(yàn)方法：20℃～80℃，正向通電5分鐘再反向通電5分鐘為一周期。

3.2.2 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察有害元素?cái)U(kuò)散對(duì)致冷器壽命的影響。 試驗(yàn)方法：公司現(xiàn)在進(jìn)行90℃和150℃兩種高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。

3.2.3低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察制冷器中各種材料的低溫特性。試驗(yàn)方法：公司現(xiàn)在進(jìn)行-40℃低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。

3.2.4溫度沖擊試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察熱應(yīng)力對(duì)致冷器壽命的影響。試驗(yàn)方法：70 ℃（30 min）/ -55 ℃（30min）， 轉(zhuǎn)換時(shí)間1min， 5個(gè)循環(huán)

3.2.5沖擊試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)主要考察致冷器對(duì)外力沖擊的承受能力。試驗(yàn)方法：高度25cm，方向X，Y，Z方向各1回合計(jì)3回。

3.3 簡(jiǎn)述GL結(jié)構(gòu)技術(shù)

用于防止熱循環(huán)疲勞的GL結(jié)構(gòu)

一般來說，半導(dǎo)體致冷器是由冷端瓷片和導(dǎo)銅、導(dǎo)銅和晶粒及晶粒和熱端散熱瓷片相互焊接（錫基合金釬料）而成。然而，我們的半導(dǎo)體致冷器不是用焊接，而是用彈性高熱導(dǎo)樹脂膠將瓷片和導(dǎo)銅連接在一起。這種結(jié)構(gòu)減少了熱應(yīng)力，達(dá)到驚奇的延長壽命的效果。我們把這種結(jié)構(gòu)稱之為GL結(jié)構(gòu)。

該項(xiàng)技術(shù)在2006年獲得專利。

常規(guī)結(jié)構(gòu)和GL結(jié)構(gòu)致冷器極性切換試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如下圖

4 半導(dǎo)體制冷器的使用

4.1 半導(dǎo)體致冷器件的選型

制冷器件是一種熱量搬運(yùn)的電子器件，可以在器件兩端維持一個(gè)溫差，當(dāng)熱面溫度Th達(dá)到50℃時(shí)這個(gè)溫差可超過75℃（單級(jí)器件），當(dāng)熱面的熱量被不斷地移除時(shí)，熱量就從冷面持續(xù)地被抽運(yùn)出來。抽運(yùn)的速率跟器件的功率有關(guān)，一般地功率越大這個(gè)速率越大，為了良好地平衡制冷效果與成本，首先需要恰當(dāng)?shù)剡x擇制冷器件規(guī)格。

● 認(rèn)識(shí)制冷器件主要的規(guī)格參數(shù)

1.外形尺寸：通常規(guī)格的器件為方形，也有長方形和圓形，多級(jí)器件的寶塔形等。單層器件厚度約3—5mm，雙層或多層近乎3mm的倍數(shù)。

2.最大產(chǎn)冷量：保持器件熱面溫度27℃（或50℃）時(shí)可從冷面抽運(yùn)熱量的最大值。實(shí)際使用時(shí)的制冷量通常遠(yuǎn)小于該數(shù)值。最大產(chǎn)冷量一般用來比較不同規(guī)格器件的制冷能力。

3.最大溫差電壓：器件維持兩端溫差大小的能力與加在器件上的直流電壓成正比，達(dá)到最大溫差時(shí)的電壓稱為最大溫差電壓，施加的電壓超過該電壓后溫差將會(huì)減小。測(cè)定最大產(chǎn)冷量時(shí)使用最大溫差電壓，器件使用時(shí)的電壓應(yīng)該小于該電壓，最常選用的范圍是最大電壓的70%--80%，當(dāng)需要的溫差較小時(shí)可以使用更小的電壓。此時(shí)所能獲得的最大溫差、最大產(chǎn)冷量也相應(yīng)較小。該參數(shù)表明了器件工作時(shí)適用的電壓范圍。

4.最大溫差電流：是確定器件功率的重要指標(biāo)，有時(shí)用電阻值替代表示，是冷熱面溫度27℃時(shí)（溫差為0）在最大溫差電壓下的電流值，器件工作時(shí)的電流一般小于該值，實(shí)際工作電流還會(huì)隨著溫差增加、熱面溫度升高而減小。該數(shù)值可以比較直觀地代表制冷器件的功率大小，此外表示了器件工作時(shí)的電流范圍。

● 選型方法

1.為了選擇制冷器件規(guī)格要先確定需要的制冷量，即需要移除的熱量，如果不能確切的測(cè)量或計(jì)算也可以通過溫升等外部狀況推算和估計(jì)，將估算值標(biāo)記為Qc，如果冷面溫度與環(huán)境溫度的差小于30℃，屬于常規(guī)制冷應(yīng)用，直接用1.5*Qc與制冷器件規(guī)格表中27℃的最大制冷量比較，找到數(shù)值相近的規(guī)格（±5W），再參照希望采用的電流、電壓即可選擇一款合適的制冷器件。

2.對(duì)于制冷溫差30℃--60℃的非常規(guī)制冷應(yīng)用，需要選用2.5*Qc甚至更高制冷量的規(guī)格，因?yàn)槠骷奶匦允请S著溫差增加抽運(yùn)熱的能力呈線性下降。

3.選擇制冷器件時(shí)還應(yīng)充分地考慮到散熱條件的制約，散熱條件直接影響器件熱面的溫度，器件工作時(shí)需要不斷地從熱面移除抽運(yùn)出來的熱量，和器件工作時(shí)消耗功率而產(chǎn)生的熱量，總的散熱量其數(shù)值等于Qc+V*I，V*I是輸入到器件的功率，如果散熱不充分熱量就會(huì)倒流回冷端，使冷端溫度升高，所以在散熱條件受制約時(shí)選擇功率較小的器件制冷效果反而有可能改善。

4.作為選擇時(shí)的一種方案是以較多數(shù)量的小功率器件代替較少數(shù)量的大功率器件，獲得相同的制冷量，目的在于增加熱源面積降低散熱功率密度。少數(shù)大功率器件常常需要水冷散熱，比如12715器件在12V下工作，當(dāng)電流為9A時(shí)根據(jù)Th=50℃的特性圖Qc≈10W，散熱量Qh=12*9+10=118W，所以散熱負(fù)荷很大，風(fēng)冷散熱時(shí)對(duì)散熱器要求很高。解決的方案可以使用2片12708替代或采用水冷散熱。

5.以上作為一種近似的簡(jiǎn)易的選型方案使對(duì)制冷器件應(yīng)用缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者能夠快速地切近主題，在此基礎(chǔ)上獲得設(shè)計(jì)的大概輪廓，然后通過實(shí)際模擬和測(cè)試確定最終的制冷器規(guī)格和周邊設(shè)計(jì)。對(duì)于更為精確的計(jì)算和設(shè)計(jì)請(qǐng)隨時(shí)聯(lián)系我們的技術(shù)人員，我們會(huì)為您提供更為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)幫助您盡可能地完善設(shè)計(jì)。

4.2 半導(dǎo)體致冷器在實(shí)際使用時(shí)的基本結(jié)構(gòu)模型

4.2.1冷藏箱類典型結(jié)構(gòu)

4.2.2恒溫操作臺(tái)類典型結(jié)構(gòu)

4.3 散熱器的選擇

我們可以將熱電制冷器看作為一個(gè)介質(zhì)為熱的泵，熱量從一面被運(yùn)送到另一面。制冷器的工作過程不是普通的吸熱過程或者將熱量消耗掉的過程。通電之后，熱電制冷器的一面會(huì)變冷而另一面變熱。被制冷一面的熱量將被傳遞到另一面—熱端，傳遞的過程完全符合熱力學(xué)過程。熱電制冷器的熱端必須要連接在一個(gè)合適的散熱器上，以便釋放掉從冷端傳遞過來的熱量和器件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的焦耳熱。

由于熱電制冷器的制冷量是隨著溫差的增加而減小的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一定要盡量減小散熱器的溫度增加量。對(duì)于一般的應(yīng)用，散熱器的溫度高于室溫5-15 ℃是比較常見的。

市場(chǎng)上，有很多種散熱器可供選擇，其中包括自然對(duì)流式、強(qiáng)制對(duì)流式、和液體冷卻式三種。自然對(duì)流式散熱器可以在功率非常低的應(yīng)用條件下使用，特別是當(dāng)小型熱電制冷器的工作電流在2 A以下時(shí)。而對(duì)于大部分應(yīng)用條件來說，自然對(duì)流式散熱器并不能滿足將所需熱量全部排出的要求，這時(shí)就需要使用強(qiáng)制對(duì)流式散熱器或者液體冷卻式散熱器了。

散熱器的性能一般使用熱阻來衡量，熱阻越小性能越好。

根據(jù)不同的應(yīng)用條件，熱電制冷器需要有不同種類的散熱器與之相匹配，并且，還會(huì)有不同的機(jī)械約束條件，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜。由于每種應(yīng)用條件都不相同，很難推薦一種單一的散熱器結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)條件。

熱電制冷器上使用的散熱器表面平整度50mm內(nèi)不大于0.02mm，所以有必要對(duì)擠壓散熱器進(jìn)行額外的拋光、飛刀切割、或者打磨，以求滿足這種平整度的要求。

●自然對(duì)流式散熱器自然對(duì)流式散熱器一般只能用在小功率條件下。大部分自然對(duì)流式散熱器的熱阻值要大于0.5 ℃/W，而且，多數(shù)情況下會(huì)達(dá)到10 ℃/W。自然對(duì)流式散熱器的安裝位置要滿足兩個(gè)條件：a.散熱片的長度方向要沿著空氣流動(dòng)的方向，垂直方向的操作可以增強(qiáng)自然對(duì)流；b.不可以有明顯的物理阻擋妨礙空氣流動(dòng)。另外，我們還需要考慮到散熱器周圍其他的器件產(chǎn)生熱量，環(huán)境溫度會(huì)提高，從而對(duì)整體的使用性能產(chǎn)生影響。

● 強(qiáng)制對(duì)流式散熱器強(qiáng)制對(duì)流式散熱方法是熱電制冷器中最常見的散熱方法。合格的強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)的熱阻一般維持在0.02~0.5 ℃/W的范圍內(nèi)。許多標(biāo)準(zhǔn)散熱器擠型與合適的風(fēng)扇配合就可以作為完整冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。應(yīng)用中，既可以通過風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)獲得冷卻的空氣，又可以使空氣從散熱器的長度方向通過，或者通過將空氣朝向散熱器的中心吹入，使其在開口的兩端流出而獲得冷卻。

● 液體冷卻式散熱器與前兩種散熱器相比，相同體積的液體冷卻式散熱器可以提供最好的性能，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到非常低的熱阻值。典型的液體冷卻式散熱器的熱阻通?？梢缘偷?.01~0.1 ℃/w。簡(jiǎn)單的液體冷卻散熱器可以通過將銅質(zhì)渦輪焊接在銅板上得到，或者在金屬塊體上鉆孔使水從中通過。如果想得到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也就是更高的性能，可以在銅塊或者鋁塊上加工出精細(xì)的盤旋式水槽，然后用蓋板封閉整個(gè)體系。

4.4 電源及控制方式的選擇

熱電制冷器件在工作時(shí)可以直接采用直流電源供電，無論是電池或開關(guān)電源、還是簡(jiǎn)單的整流直流電源均可使用。熱電制冷器是低阻抗的半導(dǎo)體器件，相當(dāng)于在電源上加載一個(gè)電阻。由于碲化鉍材料的本征性質(zhì)，制冷器的平均溫度每升高1 ℃電阻增加大約為0.5%。經(jīng)優(yōu)化后的傳統(tǒng)的電池充電器只要其交流紋波系數(shù)不會(huì)超載，就可以為熱電制冷器提供足夠的電量。如果為了達(dá)到簡(jiǎn)單的溫度控制目的，可以使用標(biāo)準(zhǔn)恒溫器或者可變輸出的直流電源來調(diào)整熱電器件的輸入電壓。在熱載荷比較穩(wěn)定的應(yīng)用條件下，使用手動(dòng)調(diào)控的直流電源就可以保證在幾個(gè)小時(shí)溫度或更長時(shí)間范圍內(nèi)，溫度的上下波動(dòng)不超過±1 ℃。如果需要精確控制溫度，一般需要使用閉路（反饋）系統(tǒng)，通PID或PWM等自動(dòng)控制輸入電流的大小或者脈寬。此時(shí)，溫度控制的精度保持可以在±0.1 ℃，或更高的精度內(nèi)。

與其他典型的電子器件相比，對(duì)熱電器件來說是否安裝電源紋波系數(shù)的濾鏡并不是非常重要。然而我們?nèi)匀唤ㄗh將紋波系數(shù)的波動(dòng)范圍控制在10 %以內(nèi)，而且最好保持在《 5%的范圍內(nèi)。

裝配說明

5.1 裝配方式的選擇

熱電制冷器的安裝方式，主要包括以下四種：

● 螺釘夾緊固定

● 樹脂膠黏結(jié)

● 焊接

● 軟墊或其他材料聯(lián)接

下面分別進(jìn)行說明：

● 螺釘夾緊固定

螺釘夾緊固定是一種最常見的安裝方法，它的主要過程是使用螺釘將熱電制冷器夾緊在散熱器和需要被冷卻的物體的一個(gè)平面之間。通常在大部分應(yīng)用條件下，推薦使用這種方法，具體的實(shí)施方法如下：

1．將熱電制冷器需要進(jìn)行安裝的表面，通過機(jī)械車床或者打磨的方法使之平整。為了達(dá)到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在1 mm/m 以內(nèi)，單個(gè)安裝時(shí)保證在與制冷器接觸面在0.03mm以內(nèi)。

2. 如果在給定的表面之間需要安裝多組熱電制冷器，這一組制冷器中的所有制冷器的厚度（或高度）都應(yīng)該相互一致，厚度的最大偏差不能超過0.05 mm 。

3.夾緊螺釘需要相對(duì)于制冷器對(duì)稱的排布，從而在整個(gè)部件被夾具夾緊時(shí)，可以在制冷器上產(chǎn)生均勻的壓力。為了減少在螺釘上的熱損失，需要盡量使用可以滿足機(jī)械性能要求的尺寸最小的螺釘，并在鏈接部加絕熱墊。對(duì)于大多數(shù)情況來說，不銹鋼螺釘M3或者M(jìn)4即可以滿足要求。除此之外，還可以使用一些非金屬的緊固部件，如尼龍等。在小型的機(jī)械部件連接處還可以使用更小尺寸的的螺釘。另外，緊貼每一個(gè)螺釘頭部的位置，還應(yīng)該放置貝氏彈簧墊圈或者開口鎖緊墊圈，使得在系統(tǒng)零件熱膨脹或者收縮時(shí)其壓強(qiáng)保持均勻。

4. 確保清潔制冷器和安裝表面，不會(huì)殘留任何毛刺或者灰塵。

5. 在制冷器的熱端表面涂覆一層0.05--0.08mm左右厚導(dǎo)熱硅脂，并且將熱端面向下放置在散熱器上，然后放在需要的位置。輕輕的壓按制冷器然后來回轉(zhuǎn)動(dòng)制冷器，將多余的硅脂擠壓出去。重復(fù)多次向下按壓和來回轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作，直到感覺到少量的阻力為止。

6. 在制冷器的冷端表面涂覆一層與上一步驟中使用的相同的導(dǎo)熱硅脂。要冷卻的物體放置在制冷器上并與冷端接觸。使用如上的步將多余的硅脂擠壓出去。

7. 為了保證良好的平行度，安裝時(shí)需要在安裝表面上保持均勻的壓力。如果施加的壓力非常不平衡，可能會(huì)降低器件的性能，甚至可能會(huì)損壞熱電制冷器。為了確保均勻施加壓力，應(yīng)在器件中心部位施加2倍于單條緊固螺釘?shù)牧ΑＨ缓笫褂每梢燥@示扭矩的螺絲刀逆時(shí)針方向逐一上緊所有的螺釘，并且逐漸增加扭矩，直到所有的螺釘上都獲得適當(dāng)?shù)呐ぞ刂?。一般來說根據(jù)不同的應(yīng)用條件，正常的安裝壓力在2kg/cm2---7 kg/cm2之間不等。

8. 在所有的部件第一次使用螺釘夾緊安裝的過程中，應(yīng)有少量多余的導(dǎo)熱硅脂會(huì)被擠出。為了保證每個(gè)螺釘上都可以保持住適當(dāng)?shù)呐ぞ兀谥辽僖粋€(gè)小時(shí)后需要重新按照上一步驟確認(rèn)螺釘?shù)呐ぞ亍?/p>

9. 如果夾緊螺釘過緊可能會(huì)引起散熱片或者被冷卻物體表面的翹起變形，特別是如果這些部件是由很薄的材料加工而成的時(shí)候。這種變形將會(huì)降低器件的熱電性能，并且在大多數(shù)情況下，還會(huì)破壞整個(gè)體系。如果在安裝過程中，將夾緊螺釘適當(dāng)靠近熱電制冷器或者使用相對(duì)較厚的材料可以有效的減小這種彎曲。另外，如果制冷器的熱端或冷端使用小于6 mm的鋁片或者小于3.3 mm的銅片時(shí)，要相應(yīng)的減小螺釘扭矩。

● 樹脂膠黏結(jié)

這種安裝方法主要用在一些特定應(yīng)用條件下，其主要方法是在制冷器的一面或者兩面上都使用一種特殊的高熱導(dǎo)樹脂黏結(jié)劑。由于熱電制冷器中陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數(shù)都不相同，我們不推薦在較大的制冷器上使用樹脂膠黏結(jié)方法。如需要請(qǐng)及時(shí)咨詢我們工程師相關(guān)的具體操作方法。對(duì)于需要在真空的應(yīng)用條件下使用的熱電制冷器件，除非采取了適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊饴?，一般不推薦使用樹脂膠黏結(jié)的方法。

● 焊接

只要保證采取了合理的保護(hù)措施避免制冷器過熱，就可以將外表面金屬化的熱電制冷器焊接到熱電部件中。為了避免制冷器受到過分的機(jī)械壓力，可以將制冷器的一個(gè)表面（通常是熱端面）焊接在一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)部件內(nèi)。這里需要注意的一點(diǎn)是，如果將制冷器的熱端面焊接在一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)中，那其他的元件或者小型電路就必須要焊接在制冷器的冷端面上，這樣元件或者電路就不能與外界結(jié)構(gòu)剛性連接。在焊接過程中，為了避免過熱會(huì)對(duì)熱電制冷器造成的損害，必須要精確的控制溫度，對(duì)于不同的制冷器請(qǐng)咨詢我們的工程師給出焊接溫度上限。由于熱電制冷器的陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數(shù)都不相同，我們不推薦在大于15×15 mm2的熱電制冷器上應(yīng)用焊接的方法。另外在任何需要涉及到冷熱循環(huán)的應(yīng)用條件下，都不推薦適用焊接的方法。

● 軟墊或其他材料聯(lián)接

現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)了很多種類的產(chǎn)品用來取代導(dǎo)熱硅脂作為界面材料。其中最常見的是硅基安裝軟墊了。由于最初這些硅基軟墊是用來安裝半導(dǎo)體材料的，所以對(duì)于熱電應(yīng)用來說他們的熱阻會(huì)比較大。但是使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少生產(chǎn)所需時(shí)間和清潔時(shí)間，所以這種方法可以廣泛的應(yīng)用于對(duì)器件損害較少的應(yīng)用條件下。

5.2 安裝時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

在制冷器體系中安裝熱電制冷器的技術(shù)是非常重要的。在安裝過程中如果沒有遵循一定的基本規(guī)則，結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致性能和可靠性的下降。

● 熱電制冷器在壓力條件下具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，但是其剪切強(qiáng)度相對(duì)來說比較低。所以，不可以將熱電制冷器設(shè)計(jì)在起主要支撐作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)體系中。

● 體系中所有的界面之間必須保持相互平行，并且界面需要平整、潔凈，以降低熱阻。在界面處一般使用一些熱導(dǎo)比較高的材料來保證表面間的良好接觸。對(duì)于需要拆卸的結(jié)構(gòu)，或者要求不高的場(chǎng)合可以使用導(dǎo)熱硅油脂，但是注意硅油在長期的高溫下會(huì)揮發(fā)，導(dǎo)致硅脂熱傳導(dǎo)性能下降，所以有時(shí)需要使用固化型導(dǎo)熱劑。但固化型導(dǎo)熱劑大多需要加熱固化并對(duì)組裝過程有更嚴(yán)格的清潔要求，給應(yīng)用者帶來諸多工藝與成本問題。

● 標(biāo)準(zhǔn)熱電制冷器的熱端和冷端可以通過導(dǎo)線的位置分辨出來。導(dǎo)線一般是焊接在熱電制冷器的熱端表面上，而熱端表面是與散熱器相接觸的。對(duì)于使用絕緣導(dǎo)線的熱電制冷器來說，紅色和黑色的導(dǎo)線分別與直流電源的正極和負(fù)極相連。熱流從制冷器的冷端通過整個(gè)制冷器進(jìn)入散熱器。正極連接在制冷器的右邊，而負(fù)極連在左邊。富連京的制冷器印有序列號(hào)的一面為冷面（除非客戶特別要求）。

● 當(dāng)溫度降低到環(huán)境溫度以下時(shí)，被冷卻的物體應(yīng)該盡可能的與空氣絕緣，以減少熱量損失。同時(shí)，盡量避免被冷卻物體和外部的結(jié)構(gòu)單元直接接觸，也可以減少對(duì)流損失。

● 當(dāng)溫度降低到露點(diǎn)以下時(shí)，在冷卻的表面上會(huì)容易形成露或霜。如果潮氣進(jìn)入熱電制冷器中，會(huì)大大降低其制冷性能。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該安裝有效的防潮密封保護(hù)。富連京的制冷器出廠前針對(duì)一般的應(yīng)用已做了基本的防護(hù)，對(duì)于特殊的應(yīng)用結(jié)構(gòu)上還應(yīng)做加強(qiáng)防護(hù)。

● 高度公差：富連京熱電制冷器主要有兩種高度公差，+/-0.10mm 和 +/-0.02mm 。當(dāng)在熱電部件中只使用一個(gè)制冷器的時(shí)候，可以考慮選擇公差為+/-0.10mm的制冷器，因?yàn)榕c對(duì)應(yīng)的小公差制冷器相比，其價(jià)格相對(duì)低廉。然而，對(duì)于在散熱器和被制冷物體之間需要同時(shí)焊接多個(gè)制冷器的情況下，為了保證良好的傳熱，需要成組的精確比較所有制冷器的厚度?；谶@個(gè)原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差為+/-0.02mm的制冷器。

編輯：黃飛