热电制冷器TEC的原理及应用详解

1、热电制冷器的原理及应用技术1.0热电制冷的介绍1.1热电制冷器.也被称为HI尔站制冷器.是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件. 通过在热电制冷器的两端加裁-个较低的克流电压.热虽就会从元件的-端流到另一端此时，制冷器的 一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时卜升值得注总的是，只耍改变电流方向，就町以改变热流 的方向,将热呈输送到另一端。所以.在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。肉此, 热电制冷器还可以用丁辂确的沿度控制。1.1.1为了给新用八提供一个热电制冷器制冷邑的人致概念，我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。 将这个咆级热电制冷器放置在散热器上，使其保

2、持在空温。撚后将其连搖在-个适片的电池上或者也流电 源I：,制冷器的冷端温度会降低到大约40 *c此时.制冷器上将达到郴对热平衡状态.而II制冷器两端 将达到最大的温卑(D九如果向冷端不断输入热就，冷端滔度会逐渐增加，宜到与热端温度相同。这一 时刻，制冷器会达到最大制冷虽：(Qnax)<1.2热电制冷器与传统的机械式制冷器都遵循相同的热力学法则并II.,尽特两者的纽成形式冇很大不同, 但是其工作廉理却是相同的。在机戒式制冷单元中，首先使用压缩机增加液体的乐力.使制冷剂在体系中循环流动.然后，制冷剂在冷 冻区国化,在随后的升华过程中吸收热呈使冷冻区温度降低.而在冷冻区被吸收的热虽被运输到压

3、缩机, 并通过制冷剂压缩这个过程将热虽传递给环境.郴对的，在热电制冷系统中，掺杂的半导体材料就允片了 液念制冷剂的作用.而冷礙器被敬热器所収代压缩机被M流电源所収代.通过在热电制冷器上加我證流 电源，使半导体中的电子发工运动。在半导体材料的冷端，热就被电子运动所吸收，这些电子运动到材料 的另外-端，即热端。山J：材料的热端连接在散热器上，热虽也就从材料体内传到散热器上，然后再被输 送到环境中。1.3尽管商业化的热电制冷器在1960年询后才令所发展，但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪 早期.第一个与热电理论和关的巫災发现L(. 1821年宙雄国科学家托马斯塞贝克发现的。他发现，在一 个山

4、两种不同金屈导体构成的闭介何路中.十两个接头的温度不同时.冋路中会冇持续的电流流动.然而, 实际匕来贝克没有给出他这个发现的科学解释，并II，他错快的假设热流的流动与电流的流动能够产生相 同的效果。在1834年，一个法国制衣师兼物理学家简诵'1尔牠在研究塞贝克效应的过程中发规，这一现彖 具有一个相反的现彖,也就是当闭合回路中有电流流动的时候,两个接头之一会吸热,而另-个会放热。20年后，威廉姆汤姆逊(叩开尔文勋爵)为塞贝克效应和m尔帖效应提出了一个系统的解释，并建立了两 者的关系.但足此时，对这些现彖的研究仍然仅仅局限在实聯宅中，并没右发现任何实际应用的可能性。(- 20世纪30年代.

5、俄罗斯科学家们开始通过研究-些早期的热电效应，试图在一些偏远地区建立热电的 发电站.这吐俄罗斯科学家对热电材料的兴趣最终扩展到了金世界，并H激发了热电制冷器在实际应用中 的发展。如今的热电制冷器.上嬰应用现代半导体技术，使用掺朵的半导体取代了早期实验中的两种不同 的金阀导体。14塞贝克.珀尔帖、汤姆逊效应和其他一些现彖共同组成了功能性热电制冷器的基础。F面我们简尖 绍一下这些热电效应。1.4.1塞贝克效应：为了说明塞贝克效应.让我们来看一下图中热电偶闭合环路的简图。两种金属分别 标记为材料X和材料Y。MaterialYMaterial XTh川 aterialYB HEAT APPLIEDT

6、dT2Vo在典型的测就温度的应用中.热电偶A足作为参叱温度时保持矩-个相对枚低的温度入 热电偶B财川來测 星所需要的温度九珥B端被加热时.<£MTz两瑞会出现电压，这个电压,也被称为塞贝克电动势，可以 表示为Po=&rX(KT.).其中,"是输出电压,单位是V：g代衣两种材料的塞贝克系数Z星，单位是V/K：人和2:分别农示热电偶的热端和冷端温度，单位是K1.4.2珀尔帖效应：如果将热电偶的闭介冋路改成如图1.2所示，就可以获得一个完全相反的现彖，我们称 之为的尔帖效应。当在两个W点h和E输入一个电压VU回路屮会产生一个柑应的电流人接头A处的热虽会彼吸收，从而产

7、 生-个徹弱的制冷现彖.而在另-个接头B处，随看热虽流入，温度会升高。鉴丁这个效应是可逆的.所 以如果将电流反向.热流的方向也前之反向.弟尔帖效应的数学公式可以表示成：Q 或音 QFPxyXl其中，Pxy代衣两种材料x和y的用尔帖系数Z基，单位是V：/是电流，单位是A：Q和Q分别代表制冷和加热的速率，单位是w随着电流的流动，导体中同时也会产生焦耳热.大小町以用FR(R是电路中的电阳)表示。这个焦耳热效 应与珀尔帖效应和反，将导致制冷器制冷效果的降低。1.4.3汤姆逊效应：当电流在己经存在温差的导体中流动时，热帚会被吸收或者 被放出。而电流方向和温差Z间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热M

8、: 还是放出热量。这一现象，我们称为汤姆逊效应。汤姆逊效应在理论研究中非常 有趣但是在实际的热电制冷器屮却没有太大作用，所以我们一般忽略它。2.0热电技术的基本原理2.1热电材料：6 11 iii/的热电制冷砒中最常用到的半导体热电材料是昭化钮。目刑工业上己经可以通过 抄杂得到p型和n型晞化钮块体或石器件敢休。热见材料的制备方法通常是熔体定向晶化法或者粉末压制成型法。毎种制备方法都具右刍门的优势，泄向 生氏的方法更为呼遍。除了晞化祕Z外.另外还仃包括晞化钳.G上褚合金，铠挪介金等体系分别应用任不 同的条件下图2.1是不同材料的热电优值系数師温度变化的曲线.从图中，我们可以看出，晞化祕的豉人热电

9、优值系数所出现的温度在宅温.适介丁人篡数热电制冷的应用 条件.Typical Figure-of-Merit (Z)for Several TE MaterialsTemporoturo (VC)Bi2T©3PbTeSFGeFigure (2.1)各种热电材料的热电优值系数与镒度变化的曲线示意图2.1.1化铠基热电材料：晞化钮晶体n冇很多性能特点，使尖成为很好的热电材料。晞化钮晶体几冇天然 的并相异件这导致硏化钮在平行丁c轴方向比垂直Fc轴方向的电阳耍大四倍同时.平行丁c轴方向的热 导比临赴JSI方向耍大2倍。也就是说，电阻的各向异性现象比热导耍明显，所以，绘大的热电优值系数 JB现

10、圧旳j丁C轴的方向上。山丁这种各向斥性，在热电妝体组成热电制冷器的过程'!>, I'n'.体生t方向耍平 行丁毎个m体的长度或者高度方向而垂直丁陶瓷基底 另外，佛化钮还灯一个与晶体结构右关的仃趙特贮 晞化钮帖体是山许多相似的八方层状结构组成的。TjBi)T/lBiTJCovalent BondingTJlBiFfe2ukt Covalent Bondingvan der Waals Bonding Cleavage Rane)晞廉子和饨廉子层彼共价键紧密的结合在一起而締廉子Te1利晞脈子Te1Z间是山相对较弱的范德华键 连接的。因此.研化钮的解理山i是沿fi：re

11、1（Te1hkr.这与公M的性质非対相似。罷运的是，解理浙 一般是与c轴平疔的.所以在热电制冷器中的材料足非常坚周的。2.1.2通过定向生长得到的储化饨材料通常是铸锭状态.需箜通过切片得到不同厚度的晶圆.表啲进行适 当处理以右，这些胡圆被进一步切割.以获得可以组装成热电制冷器的块体。另外，晞化钮块体，也称为 单体，也可以通过粉木压制成型技术制备.2.2热电制冷器件：实际应用中的热电制冷器一般包括两个或多个半导体电偶骨。使用导电和导热性都比 较好的导流片小联成一个单体。而-个热电制冷器-般是山-对或者多对这样的巾-体iEUtll列而成，从电 流通路上看，呈巾联方式：从热流通路上斤呈并联方式.这叫

12、也体和导流片通常都被安装在两片陶瓷准 板之阿.这些基板的作用足将所仃的结构机械性的连接在一起，并II保持毎个单体与其它结构和外界焊接 ihiZMUll "绝缘。当安装好所仃的部件Z后，这些热电制冷器 般是2.5-50 mm的正方形衣山|,商度为2.5-5 mm的块体。Ceramic SubstrateTE ElementObject Being CooledJ Etectneal InierconneclCarriers Moving HeatpHeat AOsorpton SideMIL.<DC Poww Soucoe 亠I Figure （2.2）典些热电制冷器的结构示盘图

13、2.2.1热电制冷器中需耍同时便用p型和n型硝化钮材料.使用这种tim方法可以保证.在电流沿着p型和n 科电园宵在菇片之间来何流动时，热流只是沿着一个方向运动.通过掺杂使n驻材料中产生过嵐的电子（多 I：组成完整品格结构需耍的电子数）而4p住材料中产生空穴（少组成完整晶格结构需耍的电子数）。这 些n型材料中的篡余电f和p型材料的空穴就是热电材料中负贞输运电能和热能的姣流。图2.2描述的址个典空的热电制冷器在加我电流之后.热虽输送的过程。大多数热电制冷器是山相同数显的n型和p醴电 偶皆所组成的，这叽一个p住和一个n弋电偶牌组成一对温斥电偶对。比如说，上图所不的模 对P型和n型电偶骨，也就是说育曲

14、对温基电偶对。在热电制冷的过程中，热流（被实际吸收在热电制冷器里血的热1I-：比制冷器匕加拔的宣流电流的人 小。通过在0到垠人值Z间调整加载电流的人小叮以调整和控制热流和温度。3.0热电技术的应用3.1热电制冷器具有很广阔的应用领域，包抵军事、医疗、工业、日常消费品、科研/实验室和电信行业等. 从家庭野餐时fr物和饮料的冷诫栢到导弾或音航空器上而极反粘密的温度控制系统，都c经存在许多展体 的应用实例.打泮通的散热器不同，热电制冷器既可以在很宽的环境温度范国内保持物休的温度恒定.又可以将物体的温度降低到坏境温度以下可以说，热电制冷器是一个工动的制冷体系而普通散热器只能提供被动制冷.-般情况下，热

15、电制冷器可以应用在热显转移虽从儿乞瓦到几T瓦的范出内。包抓人电流和小电流制冷器 在内的大部分总级热电制冷器都可以在毎平方阿米衣而积I:传递竝大达到36瓦的热帚（20-40瓦毎平方 英寸）.对哆级热电制冷器而書，从热流通路I:看.制冷群的安装方式呈并联方式，从而增加总的热输 运效果。过公，瓦级的人型热电制冷系统上娶应用在一些专门的皱域里，比如潜水艇和火车上的制冷系 统。现在（2经证明.这种级别的热电制冷系统在半导体生产线上同样H仃很高的应用价值。3.2热电技术的典空应用 CCD （电荷耦金器件） CID （电荷注入器件） NEMA甲圈 半导体品圆探测器 冰箱和便携冰箱系统（E机、汽车、轮船、宾馆

16、、野餐、制药、胰岛索、F机等） 参比冰点 参駅放大器 沉浸式制冷器 持续制冷设备 除湿器 低噪音放大器 电泳电池制冷器 电子封装制冷 发电机（小型） 饭店白动取水机 惯性制导系统 光导摄像管制冷器 光电倍增管防护罩 航空电子 黑闻子制冷 恒沿槽 恒温浴 红外导押 红外辆射定标和黑体源 红外探测劉 环境分析 酒柜 激光二极管制冷器 激光准也仪 集成电路制冷 搅拌制冷器 紧凑熨换热器 晶圆热特性分析 榊密设备制冷（激光和微处理器） 冷板 冷柜 戢热器 爲点湿度计 切片机制冷 热密度测虽 热视仪和瞄准羽 热循坏系统（DNA和血液分析仪） 滲压机 生物学组织制备和储“ 湿化学过程温度控制 微处理器制冷

17、 夜视仪 饮用水和饮料冷却 fl打描阵列系统4.0热电技术的优点4.1在一些只需涉及较低或者中尊热量传输,但是需嘤复杂控湿的热控过程中,热电制冷器可以提供很大 的柄助，而n,在一些待定的惜况下它是唯-的选择.尽符没冇哪种制冷方式足万能的，热电制冷器也并 不能应用在所有的领域，（H足与其他制冷设备相比.热电制冷器具有很多优势其中包括：没有运动部件：热电制冷器在匚作的时候只用到电能，不会冇任何运动的 部件，这样一來，它们基本上不需耍维护保养。体积和重量很小：一个热电制冷系统的体枳和亜就要远远小和应的机械 式制冷体系。除此之外，对丁各种严格的应用耍求，有各种标准的或特殊 的尺寸和布局方式可供选择。可

18、以降温到环境温度以下:传统的散热器需要将温度升尙到环境温度以上 才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以 下的能力。fill同一器件可以满足升温和降温的要求:热电制冷器可以通过调整加载的l*L流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在给定体系 内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。精确的温度控制：宙于热电制冷器具有-个闭路温度控制循环，它可以任 0.1 范围内椿确地控制温度。高可靠性：由r全部为固态皋构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管 某种程度上与应用条件有关，但是典型热电制冷器的寿命般可以达到 200, 000小时以上。电子静音：与传统的机械式制冷器

19、件不同，热电制冷器在1：作过程屮基本 上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不 会干扰其工作。另外，它在运行过程中也不会产生任何噪音。可以在任意角度下工作：热电制冷器可以再任意角度和冬亜力状态下匸 作。所以，在航天器械中应用非常广泛。简单方便的能源供给：热电制冷器能够苴接使用H流电源，并II.加载电源 的电床和电流能够在很大范用内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲宽 度调制。点制冷：应用热电制冷器，可以做到对单独的单元或者很小的区域进行制 冷，因此可以避免冷却整个封装器件或外充时可能造成的能源浪费。发电：通过在热电制冷器上加载温差來使用其“逆过程”，可以将其变为 一个小

20、的苴流发电器。环境友好:传统的机械式制冷系统在工作时不可避免的需耍用到氟利昂或 其他化学物质，这些物质对环境非常有害。而热电器件不会涉及这些化学 物质，并且工作过程中也不会产生任何有害气体。5. 0散热器的选择5.1热电制冷器在工作时是作为一个热泵,将热试从点转移到另一点而不是普通的吸热过程或者魔术 般的将热戢消耗掉的过程。通电ZAL热电制冷器的 血会变冷而另 啲变热。被制冷训的热虽将被传 递到热端，完全符合热力営过程为了完成-个热流的循环过程，热电制冷器的热端必须耍连接在-个介 适的散热器h.从而释放抻从冷端传递过来的热昴:和器件运行过程中产生的焦耳热.散热器在热电制冷系统中是不叮或缺的部分

21、，所以这里必须总独强调 卜其巫嘤性。山丁所仃的热电制冷 器件的使用性能都与散热器的沿度冇关，所以我们在散热器的选择和设计过程中需要非常认真。理想的散热器需耍具有吸收无限的热处而不会引起温度增加的能力。但是这在实际上是不町能达到的，所 以设讣&必须选择-种散热器在吸收了从热电制冷器件传來的全部热虽Z后，温度的增加园能够保持在町 以接受的范I科内.这尽管所谓的做热器的温度增加示在可以接受的范由内“是与不同的应用环境郴关 联的，但是山热电制冷器的制冷戢是随着淋忙：的增加而减小的，所以在设计时一定要尽就减小散热器的 温度增加虽。对丁目前市场上流通的典型热电制冷器的应用来说，散热器的温度高丁室淑

22、5d5 *C是比较 常见的。Hlit竹很多种散热器町供选择其中包括I然对流式、强制对流式、和液体冷却式三种。自然对流式散 热器可以在功率非常低的应用条件卜便用,特别是当小型热电制冷器的工作电流在2A以下时。而对丁大 部分应用条件來说.n然対流式散热器并不能満足将所需热虽全部扌ii出的耍求，这时就需耍使用強制对流 式散热器或者液体冷却式散热器了散热器的性能一般使用热阻（QJ来衡戢：Qs 二Q其中,Q足热限,单位足V/w：A是散热器温度，单位是*C：7；是环境或者冷端沿度，单位是*C：Q是対散热器输入的热虽，址位是w5.2根据不同的应用条件，热电制冷器需要有不同种类的散热号与之相匹配，并且,还会有

23、不同的机械约 束条件，使整个设计过程非常复杂.由于毎种应用条件都不相同,很难推荐种单的敬热器结构可以满 足大芳数条件.我们为客户捉供多种散热器和液体热交换器的成品.可以满足多种不同的应用需求但是. 如果您有任何需求，欢迎您联系我们的生产部门咨询相关信息。-般来说.将热电制冷誥F散热熟纽装成为个完整的热休系之麻不用彷虑拯损失或忆执电制冷鴉与散 热器连接处的温度增加等问題。我们在这取列出的制冷器性能数据（2经包括了这种山丁在热端和冷端界而 上使用导热硅脂Z后引起的热损失。这里令一点需嬰注盘，当在热电制冷器I:使用商业的散热器ZJri. 一 些单体成骷的衣向不具右足够的衣山I半蔡度。为门曲足所需的热

24、性能.半整度hYrftj j-1 mm/m (0.001 in/m),所以竹必嘤进彳j额外的抛光、总刀切割、或者打以求满足这种平整度的耍求。5.2.1自然对流式散热器：般來说.门然对流式散热器只能用在涉及少猷热吊流动的小功率条件下尽 管很堆梢确概括，但是大部分fl然对流式散热器的热阻值要大J- 0.5匸/w,而4,多数悄况卜会达到40 r /Wc fl然对流式散热器的安装位対漫满足两个条件：(a),散热片的氏度方向耍沿着空气流动的方向，眶也 方向的操作可以增强I然对流：(b),不可以仃明显的物理阻捋妨碍空'(流动。另外，我们还需要考虑到， 4散热器周RI会冇一些其他的器件产牛热献.环境

25、温度会提高.从而对胳体的使用性能产t影响。5.2.2强制对流式散热團 强制对流式散热方法可以订是在热电制冷器中应用得最常见的散 乩 通过 与门然对流式散热器相比校，就可以发现其性能丄的优越性。介恪的強制对流敬热系统的热阻 般维持在 0.02-0.5 X?/w的范国内许多标准散热器挤驻与合适的风扇配介就可以作为完笹冷却系统的取础.应用 中，既町以通过风助或鼓风机获得冷却的空气乂可以使空气从散热器的长度方向通过，或者通过将空气 朝向散热器的中心吹入,使其在开口的两端流出而获得冷却.一般来说,如果空气从散热器表面流入，可 以加强涡流,增强传热效果.如图5/1所示的第二种空气流通模式,可以提供最佳的热

26、电制冷性能。为了 获得最佳的性能,单轴风扇的外壳应该焊接在距离散热器820mm (0.31O75-)的位置.另外,菇于不 同的应用条件还可能需要其他的布局方式图5.1强制对流散热系统的最佳气流方式在谈到散热器挤片的热阻值时.需耍说明持定的气流条件。H体的关系式箫耍使用气流速率.或音人多数 风扇所提供的输出体积来表示.输出体积与气体速率之间的转换关系足：气体速率二输出体枳/空气通过的枳 或打：英尺树分钟二立方英尺毎分钟/半方英尺或者：米毎分钟二立方米每分钟/平方米5.2.3液体冷却式散热器：与前两种散热器相比，相同休枳的液体冷却式散热器可以提供最好的件能.通 过优化设计，可以得到非常低的热叫值。

27、排除少址特殊惜况，典熨的液体冷却式散热器的热阳通常叮以低 到0.01-0.1 热电制冷器在斥力条件卜具有很高的机械强度.但是其剪切强度相对來说比较低。所以，不可以 将热电制冷器设计在起上耍支撐作用的机械结构体系中. 体系中所冇的界而之间必须保持相互平行，并几界而需耍平整、洁净，以降低热阻。在界而处- 般使用一些热导比较高的材料来保证表面间的良好接触。 标准热电制冷器的热端和冷端町以通过导线的位比分辨出來。导线一般是焊接在热电制冷器的热 端衣面上，而热靖衣浙是与散热器川接触的。对丁便用绝缘&线的热电制冷器來说，红色和黑色 的导线分别与克流电源的正极和负极郴连.热流从制冷器的冷端通过笹个制

28、冷器进入散热器。而 对于使用裸线的热电制冷器来说,如果将引线面向观察者放直,而连有引线的基底朝下时,正极 连接在制冷器的右边，而负极连在左边。 半讪度降低到环境温度以下时.被冷対I的物体应该尽可能的打空气绝缘.以减少热呈损失.另外. 为了减少对流损失.不应该安装风励.而应该将空气11接吹到被制冷的物体1:同时，尽最避免 被冷却物体和外部的结构单元宜接接触，也町以减少对流损失。C/WO简单的液体冷却散热器可以通过将铜质涡伦焊接住铜板上得到，或音在金屈块体上钻 孔使水从中通过.如果想得到更复杂的结构，也就足更高的性能.可以在铜块或若铝块上加丁出将细的盘 旋式水榊，然后用盖板封闭整个体系.我们公司为

29、热电体系提供多种液体冷却式散热器。如果使用其他商 业散热器，要在安装前需要首先确定平整度。尽管在很多应用条件下井不需耍使用到液体冷却,但是在 些特殊悄况下，它可能足唯-的选择.6.0热电制冷器的安装在这一部分手册中,我们将为您详细介绍安装热电制冷器的主婆技术,主嬰包括以卜四种: 螺钉夹紧固定 树脂胶黏结 焊接 软6或英他材料联接6.1重要的安装须知在制冷器体系中安装热电制冷器的技术是非常垂耍的。在安装过程中如果没仃遵循 定的基本规则，结果 将会导致不尽如人盘:的性能和町靠性.在系统设il和制冷器安装过程中盅耍舟临到的些冈索上耍包扌心 当温度降低到我点以卜时.在冷却的我啲匕会容易形成笫或霜。如果

30、潮气进入热电制冷器中.会 人人降低其制冷性能。为了避免这种悄况的发生，应该安装仃效的防潮密封保护。这口防潮保护 层应该包寰养热电制冷器.安装在散热片和被冷却物体之间.弹性蜩料绝缘胶带、薄片材料或打 RTV ftt胶部町以作为防潮保护层，英安装过程都很简也 并IL密対件能良好.安装热电制冷器的 方法有很多种.但是在某些特定条件卜必须使用某种特定的安装方法-在下面的儿个章节中,我 们列出了几种可能的安裂技术。6.1.1高度公差：大部分热电制冷器主要有两种高度公濫.+/-0.25mm (+/-0.010M) and ”0.025mm (0.001)当在热电部件中只使用一个制冷器的时候，町以考股选择公

31、羞为+/-0.25mm的制冷器，因为与対 应的小公公制冷器村比，其价格柑对低廉。然而，对J：在散热器和彼制冷物体Z何需要同时焊接篡个制冷 器的惜况下.为了保证良好的传热.需耍成纽的桔确比较所冇制冷器的疗度。基丁这个族因，所冇的多制 冷器布局中.都需耍使用公总为“0.025mm的制冷器。6.2螺钉夹吸固定螺钉夹紧固定是种垠常见的安装方法它的上耍过程是便用螺钉将热屯制冷器夹紧在散热器和需要被冷 却的物体的-个平而之间。如图6是这种方法的示意图。通常任大部分应用条件下，我们都会推荐使用 这种方法.具体的实施方法如下：(a) 将热电制冷器需耍进行安装的衣仏通过机械车床或右打烧的方法便ZT-o为了达到垠

32、佳的制冷性能 衣山I的半整度盅婴任1 mm/m (0.001 in/in)以内。如果在给定的衣面Z间盅耍安装炙组热电制冷器，这组制冷器中的所仃制冷器的疗度(或高度)都应 该相互致.J7度的最大偏泾不能超过0.05 mm (0.002)如果制冷器的端而不完整芾要特别标出InsulatingFiber WasherFlat Metal WasherBelleville WasherStainless Steel Screw(b) 夹紧螺钉需耍相对J：制冷器对称的拌布， 从而在整个部件被夹具夹紧时，可以在制冷器 上产生均匀的压力为了减少在螺钉上的热损 失，需耍尽最使用町以满足机械件能耍求的尺 寸最小

33、的螺钉.对于大多数情况来说,不锈钢 螺钉M3或者M3.5 (4-40或者6-32)即可以 满足要求.除此之外，还可以使用一些非金屈 的紧固部件，如尼龙等.在小空的机械部件连 接处还町以使用更小尺寸的螺钉另外，紧贴 毎-个螺钉头部的位世还应该放代贝氏弹赁 8圈或石开口锁紧址圈使得在系统零件热膨 胀或者收缩时其压强保持均匀。Typical Fastener Components(c) 确保淸洁制冷器和安装表面，不会残留任何毛刺或者灰尘.(d) 在制冷器的热端衣面涂阪很薄的导热肛脂(厚度-般为0.02mm/0.0001"或小丁该值)，并J1将热端 而向下放代用散热器I:,然麻放在需要的位用

34、.轻轻的压按制冷器然后來何转动制冷器.将多余的硅脂挤 乐出去武复多次向下按压和来回转动的动作,直到感觉到少虽的阻力为止.大和热雄公司推荐使用美国 右油洪应公nj(American Oil and Supply), AOS 400 空号的 52032 号产品。(e) 在制冷器的冷端表面涂稜一层与匕一步骤中使用的相同的导热什脂.将需要冷却的物体放玄在制冷器h 并与冷端接触.使用如上的步骤将多余的硅脂挤压出公。(f) 使用不锈钢螺钉和弹簧率圈将散热器和需要冷却的物体bM定在一起.为了保证良好的平行度，安装时需 嬰在安装表面匕保持均匀的斥力.如果施加的非常不半衡，可能会降低器件的性能，其至町能会损坏

35、热电制冷器。为了确保均匀施加压力忤先从中心的螺钉开始F动将所仃的螺钉旋入。然后使用町以显示 扭矩的螺丝刀逆时针方向逐-上紧所冇的螺钉.并L逐渐增加扣矩，克到所冇的螺钉上都获得适X的扭矩 值.一般來说根据不同的应用条件，正常的安装压力/f 25-100 psi之间不等.如果没有可以显示扭矩的螺 丝刀，可以使用如下步驟来估计出正确的扭矩值:逆时针方向上紧螺钉直到略有感觉，但是没有完全锁紧。 热后同样的逆时针方向.再将毎个螺钉旋转90度去到感觉到禅贤垫圈的作用为止。(g) /F所仃的部件第一次使用螺钉夹紧安装的过程中，会仃少気多余的导热砰脂会被挤出.为了保证毎个螺 钉上都可以保持住适当的扭矩，在至少

36、一个小时右需耍車新按照上一步骤确认螺钉的扭矩。(!)注盘：如呢夹紧孙钉过紧可能会引尼散热片或名诫冷却物依衣而的翘尼变形.转别見纫果这些曲件是山 很薄的材料加丁而成的时候.这种变形将会降低器件的热电性能并II.在大多数惜况下，还会破坏整个体 系。如果在安装过程中，将夹紧螺钉适当靠近热电制冷器或者使用相对絞厚的材料町以有效的减小这种弯COOLED OBJECTHEAT SINKCLAMPING SCREWS曲。另外.如果制冷器的热端或冷端使用小F6mm的铝片或者小3.3 mm的铜片时.在执行g步骤中 所涉及的操作时需更相应的减小螺钉扭矩。TE Modules with Thermal Grease

37、 at Top anij Bottom Surfaces圏6.1在使用螺钉夹紧|占|定的方法安装热电制冷器的操作过程中.针对J1体的热电制冷器部件和安装条件,可以使 用如下方法计算得到相应的适当螺筍扭矩:T= (Sa x A)/N) x K x d其中,T是毎个螺钉上的扭矩,Sa在静念卜是50-75 psi,任循环过程中取25-50 psi：A表示制冷器的总表面积：N表示幣个部件中所需耍使用的螺钉数忖：K是扭矩肉子,(对I：不镌钢来说K二0.2,对丁尼龙来说K二0.15)：d衣示螺钉的公称直径。对丁钢材紧固部件.我们-般建议：6-32d=0.138 in (0.350cm), 4-40d=0.

38、112 in (0.284 cm).所以我们以 使用440钢螺钉为紧bM部件的9个9500/065/018制冷器为例.建议扭矩的计算公式如F：T=(75 lbs/in2x (.44" x .48") x9)/4)x 0.2 x .112 in. = 0.8 in-lbs.6.3树脂胶點结第.种制冷器安装方法】漫用在一些特定应用条件卜°，其匸耍方法是在制冷器的一向或者两血上都使用 种特殊的高热导树脂黏结剂.11J 丁热电制冷器中谢瓷片、敬热器和被冷却物体Z何的热膨胀系数都不相同, 我们不推荐心较大的制冷器上使用树脂胶黏结方法.如需耍请及时咨询应用丁程师相关的JI体操

39、作方法。 注意：对需要在貝空的应用条件卜使用的热电制冷器件，除非采収了适肖的措施來避免漏气，一般不推荐 使用树脂胶黏结的方法.使用树脂胶安装热电制冷器的具体步骤如卜：(a) 将热电制冷器需耍安装的表啲通过机械车床或者打烧的方法使Z¥整。尽伶使用树脂胶黏结的时候不需 更太苛刻的平整度.但丛一般还丛需嬰将衣Illi做到尽呈平整。(b) 将制冷器和所有需耍安装的农向进彳j清洁虫汕，以術保不会残国任何毛刺、灰尘和汕污学按腮树脂胶 生产厂家的耍求对表面进行适当的预处理.(c) 4制冷器的热端农而涂粒-层很薄的导热树脂，将热端而向下放直在散热器上然肓调整到适'勺的位代。 轻轻的压按制冷器

40、并來何转动制冷器将多余的树脂挤乐出去.乖复向卜按压和来冋转动的动作，理到感 觉到少虽的阻力为止。(d) 4制冷器匕加压匝物或者使用夹具夹紧直到树脂胶完金固化为止对丁体的同化信息请咨询树脂胶生 产厂家提供的数据表格.如果需嬰采取箱式炉固化的方法，请先确认在加热程序中温度不会超过热电制冷 誥的I作温度。例如人和热磁公”生产的95条列的热电制冷器來说，一般的1.作温度是住200匸。6.4焊接只要保证采取了合理的保护描施避免制冷器过热,就可以将外表而金属化的热电制冷器焊接到热电部件中. 为了避免制冷器受到过分的机械压力.可以将制冷器的一个表而(通常是热端而)焊接在一个刚性结构部 件内.这里需要注意的一

41、点足，如果将制冷器的热端面焊接在一个刚性结构中那英他的元件或者小空电 路就必须嬰焊接在制冷器的冷端啲上.这样九件或右电路就不能与外界结构刚性连接。在焊接过程中，为 趨见过热会对热电制冷益造成的损吿.必烦婴稍确的控制温度。本公“J的热电制冷為町以氏时何在较高 的沿度(150-200 -C)下丁作.所以在大部分希要使用焊接方法安装制冷器的请况下都可以使用同样， 在蔡个加I过程中温度都不可以超出制冷器的1作温度.III热电制冷器的陶瓷片、散热器和被冷却物体 Z间的热膨胀系数都不相同.我们不推荐在大T* 15x15 mm2的热电制冷黔上应用焊接的方法。男外在任 何需娈涉及到冷热循环的应用条件下，都不推

42、荐适用焊接的方法.在炸接制冷器的过程中，冇以下儿个步 骤：(a) 将热电制冷器需耍安装的衣血通过机械车床或者打坯的方法使Z半整。尽骨使用焊接方法的时候不需婆 太苛刻的平整度，但是-般还是娶做到尽虽半整。另外，散热器的衣而必须是 个可炸接的材料制成比 如铜或镀铜的材料.(b) 将制冷器和所仃需要焊接的衣向进彳j清汕2油，并丄决除巫氧化肚。确保在需耍焊接的区域不会残留任 何毛创戒瓦他界物等.(c) A散热器表面需耍焊接的区域上使用适当的焊料预镀镯。所选择炸料的熔点必须小或等需耍安装的 热电爲件的虽犬便用温度。当使用焊料在散热器上镀紺的时倏，散热片的温度需耍椿确控制在适当温度， 这样焊料可以融化但是

43、温度又不会趙过郴应热电制冷器件的最人使用温度值。(d) 心热电制冷器的热端涂粒助焊剂，然后将制冷器放代在散热器匕预镀镯的区域卜，使制冷器在液态焊料 上保持漂浮状态，然垢來冋施转制冷器促进焊料与制冷器农啲接触。如果感觉到制冷器更倾向沉入悍料 中,而不是漂浮在焊料农面上,这说明炸料的虽不足。此时,需要先取F制冷器,然后在做热器上添加更 多的焊料.(e) d步驟中的动作儿秒Z6 制冷器农仙应该C经被充分浸润。将制冷器使用夹具夹紧或使用直物压在所 需位逢。将散热器从热源上移开，便制冷器冷却。充分冷却Z后,将制冷器进疗上油处理，以去除笋余的 残留助焊剂.6.5软垫或其他材料联接现在(2经设计了很多种类的

44、产品用来取代导热创脂作为界而材料.英中最當见的是什族安装软地了。山丁- 呆初这吃砖基软敏是用來安装半导体材料的，所以对热电应用來说他们的热阳会比较大。但是使用这种 方法的优点是可以减少生产所需时间和涓洁时间，所以这种方法可以广泛的应用于对器件损害较少的应用 条件卜：在这 领域比较领先的制造蔺包括Bergguist公诃.Chomerics Division-Parker Hannifin公川。7.0供电装置7.1热电制冷S*件在工作时可以亶接采用直流电濛供电,并且其可适应的电压范围很广,无论是电池还是 给耕细闭路温度控制系统供电的简单的不规则高压克流电源均町使用热电制冷器是低阳抗的半导体器件.

45、相当于在电源上加载一个电RU由附化钮材料的本征性质,制冷湍的电阻具有出IE的温度依賴因子,制 冷器的平均温度毎升高1 9电阻増加大约为0-5%。对丁一些非临界的应用条件来说,经优化后的传统的 电池充电器只要梵交流纹波系数不会超载，就可以为热电制冷器提供足够的电昆如果为了达到简爪的温 度控制H的，可以使用标准恒温器或者可变输出的克流电源来调整热电器件的输入电必在某些热载荷比 较稳定的应用条件下,使用娈动调控的直流电源就可以保证在几个小时温度或更长时间范II9内,温度的上 下波动不超过±1 -Co如果盅耍粘确控制温度，般盅耍使用闭路(反馈)系统，I'l动控制输入电流的人小 或者频

46、率.此时,温度控制的精度保持可以6：±0.1 C,或更高的精度内.7.2打其他典型的电子器件相比，対热电器件來说是古安装电源纹波系数的滤備并不是非常車耍。然而我们 仍然迩议将纹波系数的波动范出控制在10 %以内，而11址好悚持在 5%的范出内。7.2.1多级制冷和微弱信号检测是两种耍求输入电源具仃史低纹波系数的炖用条件.对J乡级热电制冷器 來说，获得更人的温整是最终的LI标，所以为了获得如优的益件性能.町能盅嘤波纹系数小丁 2%°隹需 要检测或测航侔常微弱的信号的场介下.尽符热电器件木少足电了静音的.但足在制冷器或&线中如果冇 交流波纹信号出现.将会彩响热电器件的件

47、能.所以在这种应用条件下，器件可以承受的纹波系数需要根 据不同悄况來逐一确定.7.3国7.1足为个71对温歪电偶，6安培热电制冷器供电的简巾电源电路示总图。这个电路的特点足使 用了一个桥式林流器和电容输入滤波器.也町以适当的进行元件种换.如使用个波中间抽头整流器或者在 电容器Z前加入一个濾波器.另外.与线性元件郴比，具令尺寸和匝疑优势的开关电源，同样也町以为热 电器件供电。BRIDGE RECTI Ff ER 10 AMP f 50 PIV图7.1为一个71对温签电偶，6安培热电制冷器供电的简单电源7.4图7.2是一个典型的模拟闭合度控制器的电路示意图。这个体系町以川來辂呦控制和保持物体淋度

48、怛定，并1L町以通过反馈电路fl动更止温度偏至。此外.对这个休系还町以进厅很多优化，包括将其改成 数字或计算机控制系统.DC图7.2典熨闭合电路温度控制器的电路图8.0热电体系设计8.1 i殳il热电制冷系统的第 步”先是分析体系整体的热性能这个分析过程対J课吐应川场介來说町能Ik 常简单，而对丁另趟场介可能高度父杂.如果想娶获得令人满盘的高效设计方案，这个分析过程是不可 缺少的.另外-些更币:要的希耍考虑的因素我们将在下而几个赧节中谈到.尽管在计算过程中需要进行一 些简化.这可能会影响单纯的动力学过程，但足得到的结果除了极少数惜况之外，仍然令人满总，接近国 际先进水平。注盘:在本手册中提到的

49、设计信息,其目的是帮助那些需要冷却设备或者是正在开发自己的冷却设备的匸 程师和科学家.对丁那些对热电郢件设计的细节没有兴趣的客户,我们欢迎您宜接咨询我们的服务人员。大和热磁公司致力丁为客户提供最冇力的技术支持.并I我们的工程人员都几务奴杂热电郴关系统的设计 能力.8.2有效热裁荷：仃效热栽荷是指电了元件、“曲MF或K需耍冷却的系统所产生的冇效热显 对丁吠部 分应用条件来说，有效热载荷等对被冷却元件输入的电能（电能二电电流，w=VxA）,但是在另一些情 况卜，很雄呦宦这种有效热载荷。但是-般悄况卜'总的输入电能就町以代农垠人可能的有效热较荷，我 们建议您使用这个数值作为设计参数.8.3热

50、损失：热损失（冇时也称为热泄爲损失或斤附加热载荷）是山J：被冷却物休通过热传导、对流或者 辐射所产&的热駅损失.热损失可能产生在任何可以导热的途能中，如空气、绝缘体和导线等。在没令I'l 身产热的应用条件下，热损失就衣示热电制冷器上的全部热载荷。在一个制冷体系中总的热损火的il算过程相对复杂.但是经當町以采川一些慕础的传热公式计算出这些热 虽损失.如果在给定设计中冇任何不能确定的热损失.我们建议您1接联系我们的工程人员以获得协助和 建议.8.4传热公式：这里给出了几个基本的传热公式.以协助匸程师评估一些设计或体系中的热学参数。8. 4. 1固态材料中的热传导：固态材料中的热传导

51、方程迪在19世纪早期由丄B. Fourier提出的。热传导 与给定块体材料的几何尺寸、热导率和材料I:存在的沿杲冇关.虽然热导率随着温度变化会产生变化，但 是实林的变化戢很小，4我们的计毎中町以将热导率视为怔定。I人I此.以传导方式进行的热输运可以在数 学上丧示为：Q=(K)(DT) (A)其中.Q代表材料上的热传导的热戢,单位是w：K农示材料的热导率，单位是W/m£：A&示材料的極截而枳，爪位足rT?： x表示材料的厚度或长度，小位是m：DT材料冷热端向Z间的温崔 单位是*0。842裸露表面与环境之间的对流：木进彳j绝缘处理的金WlfH I:产T的热损失能够显苦的増加一个热

52、体系 内的热戎仏Isaac Newton提出了一个关系式用來描述直接整踞在空'（中的冷却农面的热损失悄况。为了 说明裸霭表面和周围空气间的热耦介度，必须要在这个公式中引入了 个物理量，叫做热输运系数九此 时，这种形式的热猷损失（或获得）可以用数学表达式表示为：Q=hATA其中.Q代表对周H；l坏境输运的热昴.单位是w：/）为热输运系数,对静态空气一般使用23-28 -C.对涡流空气一般是JIJ 85-113 *C： A衣示材料的暴霜在空气中的面枳，敢位足rr?：x表示材料的片度或长度，单位是m：DT表示材料表向和空气Z间的温度左，单位是匸。8.4.3同时发生热传导与对流：绝缘容器上的热

53、损失需耍结合绝缘材料的热传导和绝缘我血对外界的对流 损失來计算。所以从绝缘容器上的热损失可以我示为：Q = (A) (DT)x 1Kh其中，Q代表对通过外壳输运的热戢.单位w：/）为热输运系数，对静态空气一般使用23-28r,对涡流空气一般是用85-1130 人农示材料的暴腐在空气中的面枳，敢位足m3x表示绝缘材料的片度，单位是m：D7农示外壳材料的内外Z间的温度圣，单位是*C：K衣示绝缘材料的热导率.单位泉W/nfC8.4.4变温时间：计算热电器件制冷或者加热一个物体所需要的时何是吐*11对镇朵的1作。为J获得史 粘呦的结果，我们需婆对包括所仃元件和界山I在内的整个体系进行更粘细的分析。然而

54、，使用这里列H1的 简化方法，可以对一个体系的热瞬时反应能力进行评估.（m）（G）（DT）t =其中,f足温度变化所需耍的时间，单位为s：m是材料的质戢，小位足g：Cp是材料比热，单位是calg/t：D7是材料的温垦，单位是f：Q是材料传输的热虽，单位cal/s.注释1：瓦特=0.239 cal/s注释2：热电制冷器的传热速率与制冷器匕的温左(DD成正比。为了估计制冷器在实际T作中的性能, 当计算一个热体系瞬间行为的时候需嬰使用半均导热速率。半均导热速率的计算方法是：Q = 0. 5 (Q, at DT* + Q. at DT J其中,在温差为聂小时的传热量(QcatDLnin)是指加载直流电

55、源时,热电制冷器上最初传递的热量。此 时的温左为零，传热速率最大。温罡最大时的传热试(QcatDG.)是指半材料被冷却到所需耍的温度时，热电制冷器上所传递的热厳. 此时的温冷为垠大.传热速率圮小.8.4.5热辐射：大部分热电制冷卷件主耍应用在温度相对较低的区间和很小的面积上,所以辐射热损失一般 可以忽略不计.町能唯需炎考世到辎射热损火的悄况是应用在接近英低温极限时的深度制冷的女级制冷；任这种惜况下, 般可以考电血冲 个低级制冷器I潦加 个小樂辐射屏蔽通过安装这个田绕看 上级制冷器和被冷却物体的辎射屏蔽，可以从根本上降低体系的热辐射损失。我们举例说明如何计克热辐射引起的热駅损失.-个几冇10 c

56、n?的表而枳，在JOO *C(173 K)下工作的完 美黑体，会从20 r(303 K)的周惘坏境下吸收43 mw的热就.粽确地计算辐射损失厳是一个非常复杂的过 程，町以通过査询适当的热传输教材來获得史详细的信息。使川卜抽的简化公式，可以简单的佔算这种辐 射损失。Qk=(s) (A) (e) (T； - TJ其中，g是轴射产生的热虽损失，爪位是w：s农示Stefan-Boltzmann? 数.5.67x1 O'® W/m2K4：A是暴露的表向枳，单位是rr?；e是星睹衣面的放射率：7；是热瑞农而的绝对温度巾位是K： 乙是冷端表iHi的绝对沿度.单位是K.8.4.6绝缘体的R值

57、：绝缘体的R值是绝缘体整体I.作效率或者对热流阻碍能力的一个说度。本质匕來讲R值不足个科学圮.但足在英国的建筑工业上它的应用非笊广泛.R值和绝缘体J7度还仃热导率Z何的 关系可以表示为：XR=12K其中/表示绝缘层的厚度单位为in.；K衣示绝缘材料的热导率，总位为BTU/hr-ft-T注释:绝缘体的R值一般是以绝缘材料的厚度（单位为in.）为基础的.由于附录B中材料的厚度是ft. 所以上面公式中的热导率上嬰乘以12o8.5绝热层-为了获得量仕的件能丿卞减小水分凝结.需耍对所仃的被冷却物体进行适十的绝缘。绝绿材料 种类和号度耍取决丁应用条件并II可能在所冇的借况下并不能获得呆优化的绝缘材料配代。尽馋如此， 我们还是需要尽最大的努力阴止周用坏境中的空气直接吹到被冷却物体和热电冷却器件匕。图8和8.2是温差为1 9时.绝缘表而上单位而积的热泄诙损失与绝缘层厚度之间的关系。我们可以看到，只需耍很少戢的绝缘材料就叮以明显的降低休系的热虽払火。总的热损失Q°t与