半导体热电制冷器详细技术说明

1.0热电制冷的介绍热电制冷器，也被称为珀尔帖制冷器，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载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。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。因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。1.1.1为了给新用户提供一个热电制冷器制冷量的大致概念，我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。将这个单级热电制冷器放置在散热器上，使其保持在室温。然后将其连接在一个适当的电池上或者直流电源上，制冷器的冷端温度会降低到大约-40°C。此时，制冷器上将达到相对热平衡状态，而且制冷器两端将达到最大的温差（）。如果向冷端不断输入热量，冷端温度会逐渐增加，直到与热端温度相同。这一时刻，制冷器会达到最大制冷量（QmaX。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，并且，尽管两者的组成形式有很大不同，但是其工作原理却是相同的。在机械式制冷单元中，首先使用压缩机增加液体的压力，使制冷剂在体系中循环流动。然后，制冷剂在冷冻区固化，在随后的升华过程中吸收热量使冷冻区温度降低。而在冷冻区被吸收的热量被运输到压缩机，并通过制冷剂压缩这个过程将热量传递给环境。相对的，在热电制冷系统中，掺杂的半导体材料就充当了液态制冷剂的作用，而冷凝器被散热器所取代，压缩机被直流电源所取代。通过在热电制冷器上加载直流电源，使半导体中的电子发生运动。在半导体材料的冷端，热量被电子运动所吸收，这些电子运动到材料的另外一端，即热端。由于材料的热端连接在散热器上，热量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60年前后才有所发展，但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。第一个与热电理论相关的重要发现是在1年由德国科学家托马斯•塞贝克发现的。他发现，在一个由两种不同金属导体构成的闭合回路中，当两个接头的温度不同时，回路中会有持续的电流流动。然而，实际上塞贝克没有给出他这个发现的科学解释，并且，他错误的假设热流的流动与电流的流动能够产生相同的效果。在年，一个法国制表师兼物理学家简•珀尔帖在研究塞贝克效应的过程中发现，这一现象具有一个相反的现象，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，而另一个会放热。20年后，威廉姆•汤姆逊（即开尔文勋爵）为塞贝克效应和珀尔帖效应提出了一个系统的解释，并建立了两者的关系。但是此时，对这些现象的研究仍然仅仅局限在实验室中，并没有发现任何实际应用的可能性。在20世纪30年代，俄罗斯科学家们开始通过研究一些早期的热电效应，试图在一些偏远地区建立热电的发电站。这些俄罗斯科学家对热电材料的兴趣最终扩展到了全世界，并且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，主要应用现代半导体技术，使用掺杂的半导体取代了早期实验中的两种不同的金属导体。1.4塞贝克、珀尔帖、汤姆逊效应和其他一些现象共同组成了功能性热电制冷器的基础。下面我们简要介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1.1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。在典型的测量温度的应用中，热电偶A是作为参比温度而保持在一个相对较低的温度。热电c偶B端用来测量所需要的温度T。当B端被加热时，在T1和"现电压。这个电压，也h2两端会出0被称为塞贝克电动势，可以表示为V=aX(T-T)。0xyhc其中，V0是输出电压，单位是V；axy代表两种材料的塞贝克系数之差，单位是V/K；Th和分别表示热电偶的热端和冷端温度，单位是K。1.4.2珀尔帖效应：如果将热电偶的闭合回路改成如图1.2所示，就可以获得一个完全相反的现象，我们称之为珀尔帖效应。

IVIa担「i呂IXIVIa担「i呂IXTnMaterialYBMateriaEY当在两个节点T1和2输入电压，回路中会产生一个相应的电流/。接头A处的热量会被吸收，从而产生一个微弱的制冷现象，而在另一个接头B处，随着热量流入，温度会升高。鉴于这个效应是可逆的，所以如果将电流反向，热流的方向也随之反向。珀尔帖效应的数学公式可以表示成：QC或者h=Pxy"其中，pxy代表两种材料和y的珀尔帖系数之差，单位是V；I是电流，单位是A；Qc和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，大小可以用2R（R是电路中的电阻）表示。这个焦耳热效应与珀尔帖效应相反，将导致制冷器制冷效果的降低。1.4.3汤姆逊效应：当电流在已经存在温差的导体中流动时，热量会被吸收或者被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热量还是放出热量。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中却没有太大作用，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：在目前的热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。目前工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋块体或者器件单体。热电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。每种制备方法都具有各自的优势，定向生长的方法更为普遍。除了碲化铋之外，另外还有包括碲化铅，硅锗合金，铋锑合金等体系分别应用在不同的条件下。图2.1是不同材料的热电优值系数随温度变化的曲线。从图中，我们可以看出，碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。TypicalFigure-of-Merit(Z)

forSeveralTEMaterialsBf2Te3Bf2Te3PbTeSiGee(2.1)各种热电材料的热电优值系数与温度变化的曲线示意图碲化铋基热电材料：碲化铋晶体具有很多性能特点，使其成为很好的热电材料。碲化铋晶体具有天然的各相异性。这导致碲化铋在平行于c轴方向比垂直于c轴方向的电阻要大四倍。同时，平行于c轴方向的热导比垂直于轴方向要大2倍。也就是说，电阻的各向异性现象比热导要明显，所以，最大的热电优值系数出现在平行于c轴的方向上。由于这种各向异性，在热电单体组成热电制冷器的过程中，晶体生长方向要平行于每个单体的长度或者高度方向而垂直于陶瓷基底。另外，碲化铋还有一个与晶体结构有关的有趣特征。碲化铋晶体是由许多相似的六方层状结构组成的。Lfei］［日川用勺閃口』］“J丄日口口/_bib.CnYalerilBanding*□□valentBending——vainderVUa-alsBnrudingPlane-)碲原子和铋原子层被共价键紧密的结合在一起，而碲原子［Tel］和碲原子［Tel］之间是由相对较弱的范德华键连接的。因此，碲化铋的解理面是沿着［Te1］［Te1］原子层，这与云母的性质非常相似。幸运的是，解理面一般是与c轴平行的，所以在热电制冷器中的材料是非常坚固的。通过定向生长得到的碲化铋材料通常是铸锭状态，需要通过切片得到不同厚度的晶圆。表面进行适当处理以后，这些晶圆被进一步切割，以获得可以组装成热电制冷器的块体。另外，碲化铋块体，也称为单体，也可以通过粉末压制成型技术制备。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臂。使用导电和导热性都比较好的导流片串联成一个单体。而一个热电制冷器一般是由一对或者多对这样的单体重复排列而成，从电流通路上看，呈串联方式；从热流通路上看，呈并联方式。这些单体和导流片通常都被安装在两片陶瓷基板之间。这些基板的作用是将所有的结构机械性的连接在一起，并且保持每个单体与其它结构和外界焊接面之间相互绝缘。当安装好所有的部件之后，这些热电制冷器一般是2.5-50mm的正方形表面，高度为2.5-5mm的块体。e（2.2）典型热电制冷器的结构示意图2.2.1热电制冷器中需要同时使用p型和n型碲化铋材料。使用这种排布方法可以保证，在电流沿着p型和n型电偶臂在基片之间来回流动时，热流只是沿着一个方向运动。通过掺杂使n型材料中产生过量的电子（多于组成完整晶格结构需要的电子数）而在p型材料中产生空穴（少于组成完整晶格结构需要的电子数）。这些n型材料中的多余电子和p型材料的空穴就是热电材料中负责输运电能和热能的载流子。图2.2描述的是一个典型的热电制冷器在加载电流之后，热量输送的过程。大多数热电制冷器是由相同数量的n型和p型电偶臂所组成的，这里一个型和一个型电偶臂组成了一对温差电偶对。比如说，上图所示的模型里面有两对p型和n型电偶臂，也就是说有两对温差电偶对。在热电制冷的过程中，热流（被实际吸收在热电制冷器里面的热量）正比于制冷器上加载的直流电流的大小。通过在0到最大值之间调整加载电流的大小，可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，包括军事、医疗、工业、日常消费品、科研/实验室和电信行业等。从家庭野餐时食物和饮料的冷藏柜到导弹或者航空器上面极其精密的温度控制系统，都已经存在许多具体的应用实例。与普通的散热器不同，热电制冷器既可以在很宽的环境温度范围内保持物体的温度恒定，又可以将物体的温度降低到环境温度以下。可以说，热电制冷器是一个主动的制冷体系而普通散热器只能提供被动制冷。一般情况下，热电制冷器可以应用在热量转移量从几毫瓦到几千瓦的范围内。包括大电流和小电流制冷器在内的大部分单级热电制冷器都可以在每平方厘米表面积上传递最大达到-6瓦的热量（20-40瓦每平方英寸）。对于多级热电制冷器而言，从热流通路上看，制冷器的安装方式呈并联方式，从而增加总的热输运效果。过去，千瓦级的大型热电制冷系统主要应用在一些专门的领域里，比如潜水艇和火车上的制冷系统。现在已经证明，这种级别的热电制冷系统在半导体生产线上同样具有很高的应用价值。3.2热电技术的典型应用CCD（电荷耦合器件）CID（电荷注入器件）NEMA垫圈半导体晶圆探测器冰箱和便携冰箱系统（飞机、汽车、轮船、宾馆、野餐、制药、胰岛素、手机等）•参比冰点参量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）饭店自动取水机•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匣子制冷恒温槽•恒温浴红外导弹红外辐射定标和黑体源红外探测器环境分析•酒柜激光二极管制冷器激光准直仪集成电路制冷搅拌制冷器紧凑型换热器晶圆热特性分析精密设备制冷（激光和微处理器）冷板冷柜量热器露点湿度计切片机制冷热密度测量热视仪和瞄准器热循环系统（DNA和血液分析仪）渗压机生物学组织制备和储存湿化学过程温度控制微处理器制冷夜视仪饮用水和饮料冷却自扫描阵列系统4.0热电技术的优点4.1在一些只需涉及较低或者中等热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，热电制冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，热电制冷器也并不能应用在所有的领域，但是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：热电制冷器在工作的时候只用到电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们基本上不需要维护保养。体积和重量很小：一个热电制冷系统的体积和重量要远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外，对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择。可以降温到环境温度以下：传统的散热器需要将温度升高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。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直流电流的方向，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：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在.10°C范围内精确地控制温度。高可靠性：由于全部为固态基构造，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一般可以达到0,000小时以上。电子静音：与传统的机械式制冷器件不同，热电制冷器在工作过程中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零重力状态下工作所以，在航天器械中应用非常广泛。简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。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壳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来使用其“逆过程”，可以将其变为一个小的直流发电器。环境友好：传统的机械式制冷系统在工作时不可避免的需要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，将热量从一点转移到另一点，而不是普通的吸热过程或者魔术般的将热量消耗掉的过程。通电之后，热电制冷器的一面会变冷而另一面变热。被制冷一面的热量将被传递到热端，完全符合热力学过程。为了完成一个热流的循环过程，热电制冷器的热端必须要连接在一个合适的散热器上，从而释放掉从冷端传递过来的热量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可或缺的部分，所以这里必须单独强调一下其重要性。由于所有的热电制冷器件的使用性能都与散热器的温度有关，所以我们在散热器的选择和设计过程中需要非常认真。•理想的散热器需要具有吸收无限的热量而不会引起温度增加的能力。但是这在实际上是不可能达到的，所以设计者必须选择一种散热器在吸收了从热电制冷器件传来的全部热量之后，温度的增加量能够保持在可以接受的范围内。这里，尽管所谓的“散热器的温度增加量在可以接受的范围内”是与不同的应用环境相关联的，但是由于热电制冷器的制冷量是随着温差的增加而减小的，所以在设计时一定要尽量减小散热器的温度增加量。对于目前市场上流通的典型热电制冷器的应用来说，散热器的温度高于室温5-15°C是比较常见的。•目前，有很多种散热器可供选择，其中包括自然对流式、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下使用，特别是当小型热电制冷器的工作电流在2A以下时。而对于大部分应用条件来说，自然对流式散热器并不能满足将所需热量全部排出的要求，这时就需要使用强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来衡量：•T-TsaQs=__sQ其中，Qs是热阻，单位是C/w；Ts是散热器温度，单位是C；Ta是环境或者冷端温度，单位是C；Q是对散热器输入的热量，单位是wo根据不同的应用条件，热电制冷器需要有不同种类的散热器与之相匹配，并且，还会有不同的机械约束条件，使整个设计过程非常复杂。由于每种应用条件都不相同，很难推荐一种单一的散热器结构可以满足大多数条件。我们为客户提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。•一般来说，将热电制冷器与散热器组装成为一个完整的热体系之后，不用考虑热损失或者热电制冷器与散热器连接处的温度增加等问题。我们在这里列出的制冷器性能数据已经包括了这种由于在热端和冷端界面上使用导热硅脂之后引起的热损失。这里有一点需要注意，当在热电制冷器上使用商业的散热器之后，一些单体成品的表面不具有足够的表面平整度。为了满足所需的热性能，平整度应高于1mm/m(0.001in/in),所以有必要进行额外的抛光、飞刀切割、或者打磨，以求满足这种平整度的要求。•5.2.1自然对流式散热器：一般来说，自然对流式散热器只能用在涉及少量热量流动的小功率条件下。尽管很难精确概括，但是大部分自然对流式散热器的热阻值要大于0.5°C/w，而且，多数情况下会达到°C/w。自然对流式散热器的安装位置要满足两个条件：(a),散热片的长度方向要沿着空气流动的方向，垂直方向的操作可以增强自然对流；(b),不可以有明显的物理阻挡妨碍空气流动。另外，我们还需要考虑到，在散热器周围会有一些其他的器件产生热量，环境温度会提高，从而对整体的使用性能产生影响。•5.2.2强制对流式散热器：强制对流式散热方法可以算是在热电制冷器中应用得最常见的散热方法。通过与自然对流式散热器相比较，就可以发现其性能上的优越性。合格的强制对流散热系统的热阻一般维持在.02~0.5C/w的范围内。许多标准散热器挤型与合适的风扇配合就可以作为完整冷却系统的基础。应用中，既可以通过风扇或鼓风机获得冷却的空气，又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8~20mm(0.31-0.75")的位置。另外，基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，需要说明特定的气流条件。具体的关系式需要使用气流速率，或者大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是：•气体速率=输出体积/空气通过的横截面积••或者：英尺每分钟=立方英尺每分钟/平方英尺或者：米每分钟=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，相同体积的液体冷却式散热器可以提供最好的性能，通过优化设计，可以得到非常低的热阻值。排除少量特殊情况，典型的液体冷却式散热器的热阻通常可以低到0.01~0.1°C/w。简单的液体冷却散热器可以通过将铜质涡轮焊接在铜板上得到，或者在金属块体上钻孔使水从中通过。如果想得到更复杂的结构，也就是更高的性能，可以在铜块或者铝块上加工出精细的盘旋式水槽，然后用盖板封闭整个体系。我们公司为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并不需要使用到液体冷却，但是在一些特殊情况下，它可能是唯一的选择。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要技术，主要包括以下四种•螺钉夹紧固定•树脂胶黏结•焊接•软垫或其他材料联接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重要的。在安装过程中如果没有遵循一定的基本规则，结果将会导致不尽如人意的性能和可靠性。在系统设计和制冷器安装过程中需要考虑到的一些因素主要包括：热电制冷器在压力条件下具有很高的机械强度，但是其剪切强度相对来说比较低。所以，不可以将热电制冷器设计在起主要支撑作用的机械结构体系中。体系中所有的界面之间必须保持相互平行，并且界面需要平整、洁净，以降低热阻。在界面处一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可以通过导线的位置分辨出来。导线一般是焊接在热电制冷器的热端表面上，而热端表面是与散热器相接触的。对于使用绝缘导线的热电制冷器来说，红色和黑色的导线分别与直流电源的正极和负极相连。热流从制冷器的冷端通过整个制冷器进入散热器。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置，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。当温度降低到环境温度以下时，被冷却的物体应该尽可能的与空气绝缘，以减少热量损失。另外，为了减少对流损失，不应该安装风扇，而应该将空气直接吹到被制冷的物体上。同时，尽量避免被冷却物体和外部的结构单元直接接触，也可以减少对流损失。当温度降低到露点以下时，在冷却的表面上会容易形成露或霜。如果潮气进入热电制冷器中，会大大降低其制冷性能。为了避免这种情况的发生，应该安装有效的防潮密封保护。这层防潮保护层应该包裹着热电制冷器，安装在散热片和被冷却物体之间。弹性塑料绝缘胶带、薄片材料或者RTV硅胶都可以作为防潮保护层，其安装过程都很简单，并且密封性能良好。安装热电制冷器的方法有很多种，但是在某些特定条件下必须使用某种特定的安装方法。在下面的几个章节中，我们列出了几种可能的安装技术。6.1.1高度公差：大部分热电制冷器主要有两种高度公差，+/---(0.001")。当在热电部件中只使用一个制冷器的时候，可以考虑选择公差为+/-0.25mm的制冷器，因为与对应的小公差制冷器相比，其价格相对低廉。然而，对于在散热器和被制冷物体之间需要同时焊接多个制冷器的情况下，为了保证良好的传热，需要成组的精确比较所有制冷器的厚度。基于这个原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差为+/-的制冷器。6.2螺钉夹紧固定螺钉夹紧固定是一种最常见的安装方法，它的主要过程是使用螺钉将热电制冷器夹紧在散热器和需要被冷却的物体的一个平面之间。如图6.1是这种方法的示意图。通常在大部分应用条件下，我们都会推荐使用这种方法，具体的实施方法如下：将热电制冷器需要进行安装的表面，通过机械车床或者打磨的方法使之平整。为了达到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在mm/m(0.001in/in)以内。如果在给定的表面之间需要安装多组热电制冷器，这一组制冷器中的所有制冷器的厚度(或高度)都应该相互一致，厚度的最大偏差不能超过0.05mm(0.002")。如果制冷器的端面不完整需要特别标出。

夹紧螺钉需要相对于制冷器对称的排布，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，需要尽量使用可以满足机械性能要求的尺寸最小的螺钉。对于大多数情况来说，不锈钢螺钉M3或者夹紧螺钉需要相对于制冷器对称的排布，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，需要尽量使用可以满足机械性能要求的尺寸最小的螺钉。对于大多数情况来说，不锈钢螺钉M3或者3.5(4-40或者-32)即可以满足要求。除此之外，还可以使用一些非金属的紧固部件，如尼龙等。在小型的机械部件连接处还可以使用更小尺寸的螺钉。另外，紧贴每一个螺钉头部的位置，还应该放置贝氏弹簧垫圈或者开□锁紧垫圈，使得在系统零件热膨胀或者收缩时其压强保持均匀。.TIIIIIIIIIIITTTfflTlFiberWasherFlatMetalWasherBeESevilleWa^erStainlessSteeScrewTypicalFastenerComponents确保清洁制冷器和安装表面，不会残留任何毛刺或者灰尘。在制冷器的热端表面涂覆一层很薄的导热硅脂厚度一般为0.02mm/0.0001〃或小于该值)，并且将热端面向下放置在散热器上，然后放在需要的位置。轻轻的压按制冷器然后来回转动制冷器，将多余的硅脂挤压出去。重复多次向下按压和来回转动的动作，直到感觉到少量的阻力为止。大和热磁公司推荐使用美国石油供应公司y),AOS400型号的2号产在制冷器的冷端表面涂覆一层与上一步骤中使用的相同的导热硅脂。将需要冷却的物体放置在制冷器上并与冷端接触。使用如上的步骤将多余的硅脂挤压出去。使用不锈钢螺钉和弹簧垫圈将散热器和需要冷却的物体固定在一起。为了保证良好的平行度,安装时需要在安装表面上保持均匀的压力。如果施加的压力非常不平衡，可能会降低器件的性能，甚至可能会损坏热电制冷器。为了确保均匀施加压力，首先从中心的螺钉开始手动将所有的螺钉旋入。然后使用可以显示扭矩的螺丝刀逆时针方向逐一上紧所有的螺钉，并且逐渐增加扭矩，直到所有的螺钉上都获得适当的扭矩值。一般来说根据不同的应用条件，正常的安装压力在-100psi之间不等。如果没有可以显示扭矩的螺丝刀，可以使用如下步骤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。然后同样的逆时针方向，再将每个螺钉旋转度直到感觉到弹簧垫圈的作用为止。在所有的部件第一次使用螺钉夹紧安装的过程中，会有少量多余的导热硅脂会被挤出。为了保证每个螺钉上都可以保持住适当的扭矩，在至少一个小时后需要重新按照上一步骤确认螺钉的扭矩。(i)注意：如果夹紧螺钉过紧可能会引起散热片或者被冷却物体表面的翘起变形，特别是如果这些部件是由很薄的材料加工而成的时候。这种变形将会降低器件的热电性能，并且在大多数情况下，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较厚的材料可以有效的减小这种弯曲。另外，如果制冷器的热端或冷端使用小于6mm的铝片或者小于.3mm的铜片时，在执行g步骤中所涉及的操作时需要相应的减小螺钉扭矩。£CLAMPINGSCREWSCOOLEDOBJECTTE£CLAMPINGSCREWSCOOLEDOBJECTTEM«Jule£s)withThernalGreaseatTbpandBcrttcmSurfecesHEATSINK图6.1在使用螺钉夹紧固定的方法安装热电制冷器的操作过程中，针对具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钉扭矩：T=((SaxA)/N)xKxd其中，T是每个螺钉上的扭矩，Sa在静态下是50-75psi,在循环过程中取25-50psi；A表示制冷器的总表面积；N表示整个部件中所需要使用的螺钉数目；K是扭矩因子，(对于不锈钢来说K=0.2，对于尼龙来说K=0.15)；d表示螺钉的公称直径。对于钢材紧固部件，我们一般建议：-),4-40d=0.112in(0.284cm)。所以我们以使用4-40钢螺钉为紧固部件的9个00/065/018制冷器为例，建议扭矩的计算公式如下：T=((75lbs/in.2x(.44"x.48")x9)/4)x0.2x.112in.=0.8in-lhs.6.3树脂胶黏结第二种制冷器安装方法主要用在一些特定应用条件下，其主要方法是在制冷器的一面或者两面上都使用一种特殊的高热导树脂黏结剂。由于热电制冷器中陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，我们不推荐在较大的制冷器上使用树脂胶黏结方法。如需要请及时咨询应用工程师相关的具体操作方法。注意：对于需要在真空的应用条件下使用的热电制冷器件,除非采取了适当的措施来避免漏气，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下：将热电制冷器需要安装的表面通过机械车床或者打磨的方法使之平整。尽管使用树脂胶黏结的时候不需要太苛刻的平整度，但是一般还是需要将表面做到尽量平整。将制冷器和所有需要安装的表面进行清洁去油，以确保不会残留任何毛刺、灰尘和油污等。按照树脂胶生产厂家的要求对表面进行适当的预处理。在制冷器的热端表面涂覆一层很薄的导热树脂，将热端面向下放置在散热器上，然后调整到适当的位置。轻轻的压按制冷器，并来回转动制冷器将多余的树脂挤压出去。重复向下按压和来回转动的动作，直到感觉到少量的阻力为止。在制冷器上加压重物或者使用夹具夹紧直到树脂胶完全固化为止。对于具体的固化信息请咨询树脂胶生产厂家提供的数据表格。如果需要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器的工作温度。例如大和热磁公司生产的95系列的热电制冷器来说，一般的工作温度是在00°C。6.4焊接只要保证采取了合理的保护措施避免制冷器过热，就可以将外表面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面(通常是热端面)焊接在一个刚性结构部件内。这里需要注意的一点是，如果将制冷器的热端面焊接在一个刚性结构中，那其他的元件或者小型电路就必须要焊接在制冷器的冷端面上，这样元件或者电路就不能与外界结构刚性连接。在焊接过程中，为了避免过热会对热电制冷器造成的损害，必须要精确的控制温度。本公司的热电制冷器可以长时间在较高的温度(150-200C)下工作，所以在大部分需要使用焊接方法安装制冷器的情况下都可以使用。同样，在整个加工过程中温度都不可以超出制冷器的工作温度。由于热电制冷器的陶瓷片、散热器和被冷却物体之间的热膨胀系数都不相同，我们不推荐在大于x15mm2的热电制冷器上应用焊接的方法。另外在任何需要涉及到冷热循环的应用条件下，都不推荐适用焊接的方法。在焊接制冷器的过程中，有以下几个步骤：(a)将热电制冷器需要安装的表面通过机械车床或者打磨的方法使之平整。尽管使用焊接方法的时候不需要太苛刻的平整度，但是一般还是要做到尽量平整。另外，散热器的表面必须是一个可焊接的材料制成，比如铜或镀铜的材料。(b)将制冷器和所有需要焊接的表面进行清洁去油，并且去除重氧化层。确保在需要焊接的区域不会残留任何毛刺或其他异物等。在散热器表面需要焊接的区域上使用适当的焊料预镀锡。所选择焊料的熔点必须小于或等于需要安装的热电器件的最大使用温度。当使用焊料在散热器上镀锡的时候，散热片的温度需要精确控制在适当温度，这样焊料可以融化但是温度又不会超过相应热电制冷器件的最大使用温度值在热电制冷器的热端涂覆助焊剂，然后将制冷器放置在散热器上预镀锡的区域上。使制冷器在液态焊料上保持漂浮状态，然后来回旋转制冷器促进焊料与制冷器表面接触。如果感觉到制冷器更倾向于沉入焊料中，而不是漂浮在焊料表面上，这说明焊料的量不足。此时，需要先取下制冷器，然后在散热器上添加更多的焊料。d步骤中的动作几秒之后，制冷器表面应该已经被充分浸润。将制冷器使用夹具夹紧或使用重物压在所需位置。将散热器从热源上移开，使制冷器冷却。充分冷却之后，将制冷器进行去油处理，以去除多余的残留助焊剂。软垫或其他材料联接现在已经设计了很多种类的产品用来取代导热硅脂作为界面材料。其中最常见的是硅基安装软垫了。由于最初这些硅基软垫是用来安装半导体材料的，所以对于热电应用来说他们的热阻会比较大。但是使用这种方法的优点是可以减少生产所需时间和清洁时间，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下。在这一领域比较领先的制造商包括uist公司，-fin公司。7.0供电装置热电制冷器件在工作时可以直接采用直流电源供电，并且其可适应的电压范围很广，无论是电池还是给精细闭路温度控制系统供电的简单的不规则高压直流电源均可使用。热电制冷器是低阻抗的半导体器件，相当于在电源上加载一个电阻。由于碲化铋材料的本征性质，制冷器的电阻具有出正的温度依赖因子，制冷器的平均温度每升高1°C电阻增加大约为0.5%对于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其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量。如果为了达到简单的温度控制目的，可以使用标准恒温器或者可变输出的直流电源来调整热电器件的输入电压。在某些热载荷比较稳定的应用条件下，使用手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围内，温度的上下波动不超过±1°C。如果需要精确控制温度，一般需要使用闭路（反馈）系统，自动控制输入电流的大小或者频率。此时，温度控制的精度保持可以在士0.1C,或更高的精度内。7.2与其他典型的电子器件相比，对热电器件来说是否安装电源纹波系数的滤镜并不是非常重要。然而我们仍然建议将纹波系数的波动范围控制在10%以内，而且最好保持在＜5%的范围内。多级制冷和微弱信号检测是两种要求输入电源具有更低纹波系数的应用条件。对于多级热电制冷器来说，获得更大的温差是最终的目标，所以为了获得最优的器件性能，可能需要波纹系数小于2%。在需要检测或测量非常微弱的信号的场合下，尽管热电器件本身是电子静音的，但是在制冷器或导线中如果有交流波纹信号出现，将会影响热电器件的性能。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情况来逐一确定。7.3图7.1是为一个71对温差电偶，6安培热电制冷器供电的简单电源电路示意图。这个电路的特点是使用了一个桥式整流器和电容输入滤波器。也可以适当的进行元件替换，如使用全波中间抽头整流器或者在电容器之前加入一个滤波器。另外，与线性元件相比，具有尺寸和重量优势的开关电源，同样也可以为热电器件供电。REO4DM呼F15VDCREO4DM呼F15VDC13VAC10ABRIDGERECTIFIER10AMPI50PIV71GPL6AMODULE图7.1为一个对温差电偶，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温度控制器的电路示意图。这个体系可以用来精确控制和保持物体温度恒定，并且可以通过反馈电路自动更正温度偏差。此外，对这个体系还可以进行很多优化，包括将其改成数字或计算机控制系统。TEcrbC^M^JrlLFiWlIUSTTEcrbC^M^JrlLFiWlIUST图7.2典型闭合电路温度控制器的电路图8.0热电体系设计设计热电制冷系统的第一步首先是分析体系整体的热性能。这个分析过程对于某些应用场合来说可能非常简单，而对于另一些场合可能高度复杂。如果想要获得令人满意的高效设计方案，这个分析过程是不可缺少的。另外一些更重要的需要考虑的因素我们将在下面几个章节中谈到。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，但是得到的结果除了极少数情况之外，仍然令人满意，接近国际先进水平。注意：在本手册中提到的设计信息，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工程师和科学家。对于那些对热电器件设计的细节没有兴趣的客户，我们欢迎您直接咨询我们的服务人员。大和热磁公司致力于为客户提供最有力的技术支持，并且我们的工程人员都具备复杂热电相关系统的设计能力。有效热载荷：有效热载荷是指电子元件、“黑匣子”或者需要冷却的系统所产生的有效热量。对于大部分应用条件来说，有效热载荷等于对被冷却元件输入的电能（电能=电压X电流，w=VxA）,但是在另一些情况下，很难确定这种有效热载荷。但是一般情况下，总的输入电能就可以代表最大可能的有效热载荷，我们建议您使用这个数值作为设计参数。热损失：热损失（有时也称为热泄露损失或者附加热载荷）是由于被冷却物体通过热传导、对流或者辐射所产生的热量损失。热损失可能产生在任何可以导热的途径中，如空气、绝缘体和导线等。在没有自身产热的应用条件下，热损失就表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失的计算过程相对复杂，但是经常可以采用一些基础的传热公式计算出这些热量损失。如果在给定设计中有任何不能确定的热损失，我们建议您直接联系我们的工程人员以获得协助和建议。传热公式：这里给出了几个基本的传热公式，以协助工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方程是在世纪早期由er提出的。热传导与给定块体材料的几何尺寸、热导率和材料上存在的温差有关。虽然热导率随着温度变化会产生变化，但是实际的变化量很小，在我们的计算中可以将热导率视为恒定。因此，以传导方式进行的热输运可以在数学上表示为：Q=(K)(DT)(A)x其中，Q代表材料上的热传导的热量，单位是W；K表示材料的热导率，单位是W/m°C；A表示材料的横截面积，单位是m2；x表示材料的厚度或长度，单位是m；DT表示材料冷热端面之间的温差，单位是C。8.4.2裸露表面与环境之间的对流：未进行绝缘处理的金属表面上产生的热损失能够显著的增加一个热体系内的热载荷。IsaacNewton提出了一个关系式用来描述直接暴露在空气中的冷却表面的热损失情况。为了说明裸露表面和周围空气间的热耦合度，必须要在这个公式中引入了一个物理量，叫做热输运系数力。此时，这种形式的热量损失(或获得)可以用数学表达式表示为:QJJA其中，Q代表对周围环境输运的热量，单位是w；h为热输运系数，对静态空气一般使用3-28C,对涡流空气一般是用5-113C；A表示材料的暴露在空气中的面积，单位是m2；x表示材料的厚度或长度，单位是m；DT表示材料表面和空气之间的温度差，单位是C。8.4.3同时发生热传导与对流:绝缘容器上的热损失需要结合绝缘材料的热传导和绝缘表面对外界的对流损失来计算。所以从绝缘容器上的热损失可以表示为:Q=(A)(DT)-^+1

其中，Q代表对通过外壳输运的热量，单位w；h为热输运系数，对静态空气一般使用3-28，对涡流空气一般是用5-113°C；A表示材料的暴露在空气中的面积，单位是m2；x表示绝缘材料的厚度，单位是m；DT表示外壳材料的内外之间的温度差，单位是C；K表示绝缘材料的热导率，单位是W/mC8.4.4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间是一些相对复杂的工作。为了获得更精确的结果，我们需要对包括所有元件和界面在内的整个体系进行更精细的分析。然而，使用这里列出的简化方法，可以对一个体系的热瞬时反应能力进行评估。(m)(C)(DT)pQ其中，t是温度变化所需要的时间，单位为s；m是材料的质量，单位是g；Cp是材料比热，单位是丨g/C；DT是材料的温差，单位是C；Q是材料传输的热量，单位是cal/s。注释1:瓦特=0.239cal/s。注释2：热电制冷器的传热速率与制冷器上的温差（DC成正比。为了估计制冷器在实际工作中的性能，当计算一个热体系瞬间行为的时候需要使用平均导热速率。平均导热速率的计算方法是：Q=0.5（Q+Q）cc其中，在温差为最小时的传热量（其中，在温差为最小时的传热量（QCC的热量。此时的温差为零，传热速率最大。）是指加载直流电源时，热电制冷器上最初传递温差最大时的传热量（QC）是指当材料被冷却到所需要的温度时，热电制冷器上所传递的热量。此时的温差为最大，传热速率最小。KK表示绝缘材料的热导率，单位为U/hr-ft-°F8.4.5热辐射：大部分热电制冷器件主要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。可能唯一需要考虑到辐射热损失的情况是应用在接近其低温极限时的深度制冷的多级制冷器。在这种情况下，一般可以考虑在其中一个低级制冷器上添加一个小型辐射屏蔽。通过安装这个围绕着上级制冷器和被冷却物体的辐射屏蔽，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算热辐射引起的热量损失。一个具有0cm2的表面积，在-100°C(173K)下工作的完美黑体，会从20C(303K)的周围环境下吸收43mw的热量。精确地计算辐射损失量是一个非常复杂的过程，可以通过查询适当的热传输教材来获得更详细的信息。使用下面的简化公式，可以简单的估算这种辐射损失。Qr=(s)(A)(e)(Th4-「)其中，QR是辐射产生的热量损失，单位是w；s表示-mann常数，5.67x10-8W/m2K4；A是暴露的表面积，单位是；e是暴露表面的放射率；Th是热端表面的绝对温度，单位是K；Tc是冷端表面的绝对温度，单位是Ko8.4.6绝缘体的值：绝缘体的值是绝缘体整体工作效率或者对热流阻碍能力的一个量度。本质上来讲R值不是一个科学量，但是在美国的建筑工业上它的应用非常广泛。R值和绝缘体厚度还有热导率之间的关系可以表示为：__xR=12K其中，X表示绝缘层的厚度，单位为注释：绝缘体的值一般是以绝缘材料的厚度（单位为.）为基础的。由于附录中材料的厚度是ft.，所以上面公式中的热导率上要乘以12。绝热层：为了获得最佳的性能并减小水分凝结，需要对所有的被冷却物体进行适当的绝缘。绝缘材料种类和厚度要取决于应用条件，并且可能在所有的情况下并不能获得最优化的绝缘材料配置。尽管如此，我们还是需要尽最大的努力阻止周围环境中的空气直接吹到被冷却物体和热电冷却器件上。图8.1和8.2是温差为1°C时，绝缘表面上单位面积的热泄露损失与绝缘层厚度之间的关系。我们可以看到，只需要很少量的绝缘材料就可以明显的降低体系的热量损失。总的热损失Qtot与表面积或者DT的关系可以被表示为：QtotxSAxDT图8.1公制体系中从绝缘表面泄露的热量HeatLeakFromInsulatedSurfacePQlyuretlisneIlotionin富MilAi「(IM*ItiISOudr1&FOMi0旳「恥FOfDTJQIe^k・WattsXisqflItiickriBasmInshES图8.1英制体系中从绝缘表面泄露的热量9.0热电制冷器的选择9.1为了给特定的应用条件选择合适的热电制冷器件，我们需要对使用制冷器的整个体系进行评估。对于大部分应用条件来讲，使用标准制冷器布局就应该可以胜任，但是对于另一些特殊的应用环境，可能需要涉及到特殊的设计，以应对电学、机械和其他另外方面的要求。尽管我们鼓励在任何可能的情况下都使用标准器件，但是大和热磁公司是专门的热电制冷器开发和制造商，我们乐于设计独特的器件来精确满足您的要求。一般情况下需要通过一系列的迭代计算来得到正确的工作参数。如果仍然不能确定哪种热电器件能够适应相应的应用条件，我们非常建议您联系我们的工程人员以寻求帮助。在实际进行热电制冷器的选择之前，设计者需要首先回答一下几个问题：被冷却的物体需要保持在什么温度上？从被冷却的物体上需要转移多少热量？热响应时间是否重要？如果是，在直流电源加载之后，需要在多少时间内将被冷却物体的温度改变？预期的环境温度是多少度？仪器运行的时候环境温度是否会明显变化？有多少热量会以传导、对流和辐射形式损失？有多大的空间提供给制冷器和散热器？可以使用什么样的电源供电？是否需要控制被冷却物体的温度？如果是，控制的精度是多少？仪器运行时，预期的散热器温度大概是多少？如果环境温度波动，散热器温度是否会显著变化？等。当然，每一种应用条件都有各自的具体要求，并且重要程度各不相同。由于许多临界要求不可以改变，设计者的工作主要是选择适当的元件和工作参数，以最终得到一个充分可靠的冷却系统在9.5中我们会给出一个设计的实例来说明在典型的生产过程中将会涉及的一些概念。9.2使用制冷器性能图表：在开始任何热电器件设计之前，有必要了解基本的制冷器性能参数。性能数据一般使用图表的形式表示，而且是需要对应于特定的散热器基础温度。大多数性能图表是以散热器热端温度Th=+50°C为标准的，所以这些数据在40-60°C的应用范围内时，可以保证很小的误差。如果客户有具体要求的话，我们可以提供温度范围在-80C到+200C之间的制冷器性能的图表。9.3让我们举例说明这些性能曲线的使用方法。例如我们有一个小型电子“黑匣子”正在释放5w的热量。为了保证电子元件正常工作，其温度不应该超过°C。室温一般是20C左右，因此需要使用热电制冷器来降低元件的温度。为了简化这个例子，我们忽略了散热器的存在（这个在实际中是不可行的），而不是假设在最坏的情形下将散热器温度设定在50C。我们使用一个71对温差电偶，6安培制冷器来提供所需要的冷却效果。9.3.1图I如图9.1所示，这幅图描述了制冷器的制冷量、温差DT与输入电流的函数关系。在这个例子中，建立起热电制冷器的工作参数=50°C,T=20°C,Qc=15w。所需的温差是DT=30C。首先需要计算单个对温差电偶，6安培制冷器是否有能力提供足够的制冷量来满足应用的要求。我们先找到DT=30C的那条线，就可以发现最大的制冷量Qc值点，输入电流为6A。从A点延长一条线到左边的y轴，我们可以得到当Tc保持在20C时,该制冷器的制冷量是8w。鉴于这个值比所需要的值略高，我们沿着T=30C的那条线向下，直到我们找到制冷量是c15w的B点。B点就是可以满足我们热学方面要求的工作参数。通过从B点延长一条线到x轴，我们得到此时适合的输入电流是.0A。

3D2520DTDTDTDTisvicpi/e.oAQcvs3D2520DTDTDTDTisvicpi/e.oAQcvs4QGY^haTh=5OC35i]t图9.171对温差电偶，6安培制冷器制冷量和温差与输入电流之间的函数关系9.3.2图Vivsf：如图9.2所示，这幅图描述了制冷器的输入电压.、温差DT与输入电流的inin函数关系。在这个例子中，热电制冷器的工作参数包括7>50°C,T=20°C,/=4.0A。我们找到hcT=30C这条线，然后与/=4.0A的直线相交，交点标注为点C。通过从点向y轴延长一条直线，我们可以找到这时制冷器所需的输入电压n是大约V。VNvs<IVNvs<IogTh=5OC71Cpl^0AD0.5tG1.^2.12.G工03広4,04,5“5.5辰0Lin-Ampere-sDT=6007=30DT=O图9,171对温差电偶，6安培制冷器输入电压匕n、温差DT与输入电流的函数关系

9.3.3图vsI如图9.2所示，这幅图描述了制冷器的制冷效率0P、温差DT与输入电流的函数关系。在这个例子中，热电制冷器的工作参数包括Th=50°C,T=20°C,/=4.0A。hc我们找到T=30C这条线，然后4.0A的线相交，标注点D。通过从点向y轴延长一条直线，我们可以找到这时制冷器所需的性能系数大概为0.58。二LCoefficientofPerformance(COP)TTi=soc&DACAP二LCoefficientofPerformance(COP)TTi=soc&DACAP01.92.9).a皿4Lin・Amperesor=cDT=1QDT=20DT=^0DT«40DT-£0DT=70图9.171对温差电偶，6安培制冷器制冷效率COP、温差DT与输入电流的函数关系这里需要注意的是P是一个制冷器效率的量度，并且在所有可能情况下一般都是要求最大P值。COP的计算公式如下：HeatPumpedC0iJ==InputPower9.4图9.4显示了一个额外的invsTh图，表示了制冷器输入电压、输入电源和制冷器热端温度的函数关系。由于塞贝克效应的影响，在给定电流和热端温度的条件下，系统的输入电压在DT=0的时候为最小值，在DT最大的时候为最大值。所以，这幅图一般是以DT=30°C为例表示平均的输入电压。

Vinvs.Th5>T=3DC7lCpl/$.QAVki■UOLTS&.0A5.0A4.0A3.0A2,0A1.0A图9.4对温差电偶，6安培制冷器输入电压、输入电流与热端温度的函数关系设计实例：我们以一个激光二极管的恒温器中使用的热电制冷器为例，说明一个典型的设计过程。二极管和相关的电子器件被安装在一个双列直插式科瓦合金外壳内，并且，必须保持在Vinvs.Th5>T=3DC7lCpl/$.QAVki■UOLTS&.0A5.0A4.0A3.0A2,0A1.0A图9.4对温差电偶，6安培制冷器输入电压、输入电流与热端温度的函数关系首先需要选择一个热电制冷器，其不但需要具有足够的制冷量来保持适当的温度，而且，还需要满足由于外壳所引起的尺寸上的要求。首先选择了一个18对热电偶臂.2安培的热电制冷器，因为它具有适合的尺寸和所需的热电性能。通过这种器件的性能图可以推算出相关的参数来进行数学计算。在开始设计过程之前，我们必须首先评估散热器性能，并且估算最坏情况下制冷器的热端温度Th。对于选择的热电制冷器，最大输入功率Pin可以通过图.5中的A点得到。最大制冷器输入功率in=1.2Ax2.4V=2.9w对外壳的最大热输入=2.9w+0.5w=3.4w外壳温度增加=3.4wx6C/w=20.4C外壳最高温度T=35C（环境温度）+20.4C（增加量）=55.4C。由于热端温度Th=55.4C与性能图中的Tin=50C足够接近,这些图可以被用来获得热电器件的性能,Vinvs.TH=fiOCLSVW1-VDLIB1BCpl/1.2A91=601BCpl/1.2ADT-30DT-0L-in-Amperes而且只有很小的误差。

图9.518对热电偶臂，1.2安培制冷器的vsI图既然已经建立了最差情况的Th值，我们就有可能得到制冷器的性能。Lin'Amperefi制冷器的温差DT=Th-Tc=55.4-25=30°Cor-oLin'AmperefiDT-10DT-20DT-30DT-40DT-70图9.618对热电偶臂，1.2安培制冷器的QcvsI图从图9.6中我们可以看到，在DT=30C时的最大制冷量Qc在B点，大约是0.9w。由于我们只需要Qc是0.5w,我们可以沿着DT=30C的线向下直到与0.5w的线相交于C点。通过从C点向x轴延长一条直线我们可以得到输入电流大约是0.55A时，可以提供所需的制冷要求。重新回到图9.5的vsI上，电流是0.55A时，标记为D点，所需的输入电压是1.2V。因为所需的输入电压比首次计算的电压值要小的多，所以我们现在需要重新进行分析。新的功率和温度值是：-最大制冷器输入功率in=0.55Ad2V=0.66w•对外壳的最大热输入=0.66w+0.5w=1.16w外壳温度增力加=1.16w>6°C/w=7°C外壳最高温度T=35C（环境温度）+7°C（增加量）=42C制冷器的温差D7=Th-T=42-25=17Chc可以看出由于我们重新计算了Th值，所以有必要重复上面的步骤，直到获得一个稳定的状态为h止。计算需要反复多次直到上下两次计算获得的h值相小彳为了保证精度，一般需要小于0.1°C）为止。我们没有必要将反复计算的过程列在这里，在这个计算中得到的结论是所选择的18对热电偶臂的热电制冷器可以在这个应用条件下运行非常良好。同时，这个分析过程也表明了散热器在热电制冷应用中非常重要的作用。多级制冷器的使用：为了获得更大的制冷量，相对比较大规模的热电制冷应用中需要使用多个制冷器。对于这种应用，热电制冷器的安装是采用热流上并联，而电流上串联的方式。在某些场合中，也会使用到电流的串并联式布局。由于随着功率的增加，散热器的性能变得越来越重要，设计中需要认真确认选择的散热器可以满足应用上的要求10.0热电制冷器的可靠性10.1介绍：由于热电制冷器是固态为基础的构造，所以，一般认为热电制冷器具有很高的可靠性。在大多数应用条件下，热电制冷器件均可以为您提供长期无故障的服务。目前，在很多具体的实例中，热电制冷器的持续工作时间都超过了20年，并且热电制冷器的寿命比相关仪器的寿命都要长。然而，因为失效率与应用环境是密切相关的，实际中想要得到具体的热电制冷器件的可靠性仍然是比较困难的。对于一些相对稳定的制冷应用条件下，在制冷器上加载的直流电源非常稳定而且基本上不会间断，此时热电制冷器的可靠性会非常的高。平均故障间隔时间）一般会超过2000,000小时，一般以这种情况下的平均故障间隔时间作为工业标准。而另一方面，在涉及到冷热循环工作的应用条件下，平均故障间隔时间就会大大缩短，特别是当热电制冷器在循环过程中温度会升高到较高温度时。一般来说，公布热电制冷器的可靠性数据是非常困难的，因为在实际应用中的很多应用条件和工作参数会影响到最终的结果。所以，可靠性数据只有对于与测试环境相似的应用环境来说是有效的，对其他应用情况来说并不一定适用。如制冷器安装和焊接工艺，供电电源和温度控制系统及相关技术，温度控制等因素，与外部环境相结合将会极大的影响失效率，使其发生大范围的波动。为了给用户提供有关热电制冷器寿命的基础数据，并且为相关工程人员在设计优化制冷器可靠性的过程中提供帮助，我们设计了若干制冷器的可靠性试验来获取所需的可靠性数据。这里列出了几种应用条件下的测试结果和数据，可以为在相似的条件下使用制冷器的最终消费者提供帮助。为用户提供这些数据时，要根据不同的应用环境和用户需求进行选择。对热电制冷器安装过程的一些大体要求，可以在本手册的第六部分找到。为了尽量减少错误的安装过程会对制冷器可靠性带来影响，所有制冷器的安装过程必须遵守手册上提到的要求。在安装过程中影响制冷器可靠性的因素主要有以下几点：a）热电制冷器在压力条件下具有很高的机械强度，但是其剪切强度相对来说比较低。因此，一般不可以将热电制冷器设计在承载主要支撑的机械结构体系中。此外，在可能会涉及到振动和冲击的应用条件下，热电制冷器最好是在安装时保持适当的压力，也就是使用螺钉夹紧的方法。对于热点制冷器来说，只要使用适当的安装方法，就可以成功的应对如飞机，军事或相似环境下出现的振动或冲击环境。b）尽管热电制冷器的最大建议压力载荷是每平方厘米15千克（每平方英寸200磅），但是在测试过程中，大多数制冷器都可以承受超过每平方厘米千克（每平方英寸200磅）的压力载荷而不造成失效。最重要的是需要保证制冷器的安装方法是选用螺钉夹紧固定的方法，并且安装过程中保持了适当的压力，这样制冷器不会在很小的侧向力下就容易松动进而引起移动。如果在同一个制冷器中需要固定若干对温差电偶对的话，松动的部件将引起很大的麻烦。这种情况下，如果安装过程中，夹具的压力不够，就可能引起制冷性能的降低甚至制冷器的提前失效。如果使用多级制冷器阵列式安装，建议使用高度公差为±0.025mm的制冷器。在任何情况下，必须保证夹具压力的均匀施加，并且要求表面必须平整（具体安装指导请参见第六部分）。c）为了避免受到明显的机械振动而引起的制冷器失效，尽量不要在制冷器的冷端面上放置没有支撑的大质量器件。如果需要涉及到质量很大的物体，最好使用夹具将热电制冷器紧固在散热器和物体之间，或者先将器件装夹在一个可作为介质的冷板上。此时，夹紧螺钉可以有效的增加整个机械系统的剪切强度。d）为了避免制冷性能的降低以及对制冷材料可能引起的电化学腐蚀，热电制冷器需要隔绝潮气。当温度降低到露点以下时，为了避免水汽渗入制冷器内部，应该安装有效的防潮密封保护。这层防潮保护层应该围绕着热电制冷器安装在散热片和被冷却物体之间。电子级V硅胶可以直接用作热电制冷器的防潮保护层。使用可变形的闭孔泡沫绝缘胶带或薄片材料，适当的结合RTV来填充空隙，就可以用来在被冷却物体和散热器之间形成保护层。e）如果器件的工作条件中需要涉及冷热循环或者很大的温度变化，此时制冷器的安装方法不可以使用焊接或树脂胶粘结的方法，因为这两种方法都需要在制冷器上进行刚性连接。一般情况下刚性连接会导致大量的热应力，从而引起制冷器的提前失效，除非所有元件的热膨胀系数都非常接近。由于制冷器热端面上的温度一般比较恒定，在制冷器热端面上的刚性连接一般影响比较小如果工作条件中需要涉及明显的温度变化或者冷热循环，我们强烈建议使用如导热硅脂，石墨片等安装材料，或者金属铟的螺钉夹紧方式对制冷器进行安装。此外，如果在制冷器两端都进行了刚性连接，这种制冷器尽量不要使用在大于5mm2的器件上。另外，温度控制方法同样也会影响热电制冷器的可靠性。如果想要延长制冷器寿命，一般建议选择线性或等比例的温度控制方法，而不是/OFF开关方法。高温下制冷器的可靠性热电制冷器的失效一般分为两种：早期失效和性能衰减。性能衰减一般是在长期使用之后由于半导体材料性能参数的变化或者接触电阻的增加所引起的。长期在高温下使用会引起半导体材料性能参数的变化从而降低制冷器的制冷性能。为了研究这个效应对性能的影响，我们做了一个测试。使用大和热磁公司的5-系列热电制冷器，在空气中持续的高温(150°C)环境下工作。在测试过程中，定时测量和记录材料的相关性能参数。在测试中，使用最大温差)来表示制冷器整体制冷性能。在42个月的时间内，我们跟踪记录这个参数，将平均值列在图10.1中。我们可以发现，在高温条件下暴露个月后，最大温差有少许(2.5%)降低。而在接下去的30个月中，由于半导体材料趋于稳定，最大温差只继续降低了1.3%。RedudionofDTmaxDuetoContinous

High-Temperature(ISO°C)Exposu□Tmaw1X1TinwinIVbrihiat150"G图10.1冷热循环过程中的制冷器可靠性将热电制冷器在很宽的温度范围内进行持续的冷热循环，可以看成是对制冷器进行可靠性测试，特别是在循环过程中将制冷器的热端温度升高到很高的温度。与绝大多数应用条件相比，这种运行方式都会引起更高的失效率。大部分热循环失效的根源是制冷器中热电材料与其它部件的热膨胀系数的不匹配，这是完全不可避免的。这种失效一般表现为早期失效，而有时也会在失效之前观察到性能衰减。为了研究冷热循环对制冷器性能的影响，首先，我们需要定义冷热循环。在许多热电器件的工作环境中都需要涉及到周期性的升高和降低温度，而有时这种循环会在很宽的温度范围内进行。尽管循环和非循环的工作条件之间的界限不是很明确，但是一般情况下我们将这种在很长一段时间内，温度有规律并且持续性的升高和降低的工作条件称为冷热循环。这种循环的工作条件一般趋向于自动化或者机械控制温度而不是人工控制。如果器件的温度每天只升高和降低几个循环，我们一般不会将这个作为循环工作条件来进行讨论。如果您对具体需要的工作条件的状态不是非常确定，请及时咨询我们的服务人员。在冷热循环过程中的失效率至少与四个因素相关：(1)总的循环次数；(2)循环过程中总的温度变化范围；(3)循环过程中的温度上限；(4)温度变化的速率。当循环次数很少，温度变化范围很窄，温度上限相对较低并且温度变化很慢时，可以获得最高的可靠性和较长的制冷器寿命。(相反，在很宽的温度范围内，温度变化速率很高时，进行大量的循环，并且循环过程中温度最大值较高时，将会大大缩短制冷器的寿命)。需要注意的是，制冷器的绝对寿命大大依赖于总的循环次数，而不是进行这些循环所需要的总时间。所以，当讨论热循环时，平均故障间隔时间的单位使用循环次数表示而不是小时；我们将使用平均故障间隔时间来进行下面的讨论。在冷热循环中使用的制冷器型号也会很大程度的影响失效率。最大使用温度较高的制冷器相对于最大使用温度较低的制冷器来说，具有更长的使用寿命。这个规律即使对于冷热循环中的最高温度远远小于制冷器的最大使用温度时也是适用的。在一个涉及到双级热电制冷器的应用中，制冷器在-55£到125°C之间循环，一个最大使用温度为50°C的制冷器的平均故障间隔时间为100次循环，而最大使用温度为0C的制冷器的平均故障间隔时间为7500次循环。最大使用温度更低的制冷器只能使用在更低温度的热循环应用中。总之，我们建议在超过90C的热循环应用中使用EC系列(最大使用温度为C)制冷器。在超过C的热循环应用中使用EC系列(最大使用温度为C)制冷器。这里需要指出，还有另外两个因素同样也会影响热循环时的平均故障间隔时间。体积较小的制冷器拥有较少的热电偶对，所以与体积较大的制冷器相比，其使用寿命较长。而在体积较大的制冷器中，热-机械应力更大，而且这种制冷器一般有比较多的热电偶对，这将增加焊接点在热应力下失效的可能。大量的数据表明在冷热循环过程中，尺寸小于或等于30mm2的制冷器与体积较大制冷器相比，具有更高的可靠性。为了更好的定义在高温冷热循环条件下的制冷器失效率，我们使用ECTM系列制冷器长期进行了一个测试，制冷器在0°C到100£之间循环。制冷器被安装在一个强制对流式散热器上，并且包覆了一层绝缘铝板。通过交替改变加载直流电源的两极来使器件制冷和加热。通过测量盖板上的温度来测量循环极限。每次循环时间是5分钟（2.5分钟从0C到100C,2.5分钟从00C到30C）,所以一天88次循环，一个星期016次循环。每星期测量一次制冷器的性能参数，突然的电阻增加表示失效。与预期相同，制冷器的电阻首先缓慢增加，直到某一点上电阻忽然快速增加，表示发生了失效。如图10.2所示，所有的制冷器在失效前至少进行了次循环，然后继续测试直到%的制冷器失效。计算出这组制冷器的平均故障间隔时间是000次循环。这里我们仍然需要注意，制冷器的安装方法和安装过程中的所有细节，对于制冷器在冷热循环在工作条件下的应用来说都非常重要。另外，5C到95C之间热循环的测试显示其平均故障间隔时间是100,000次循环。ChangeHighTemp-eratTherma.1Cycling(30-100-30DegreesC)图10.2在结束这个章节之前，我们需要提到热循环过程的一个实际应用。由于在工作过程中，热电制冷器内部会产生热-机械应力，此时，冷热循环可以被看成是一个有效的筛选技术。通过将热电制冷器置于一个精确控制的循环过程中，可以筛选出具有潜在缺陷的制冷器，从而降低早期失效的可能性。当然，这种操作可能会增加成本，但是在需要高可靠性的情况下还是非常有必要的。10.4ON/OFF开关循环试验前面提到工业上接受的标准热电制冷器的平均故障间隔时间是至少00,000小时。这个平均故障间隔时间是以相对稳态的制冷器运行条件为基础的，在工作时，系统电源只是偶尔打开或切断（每天几次）。而在另一些应用条件下，电源会被频繁的开关，特别是在恒温温度控制器的应用中。我们使用ECTM系列制冷器进行了一次测试，来研究相对恒定的温度下ON/OFF开关式电循环对制冷器的影响。使用导热硅脂将制冷器安装在一对强制对流式散热器之间。电流加载时间为7.5秒，断开时间为7.5秒，所以一个电循环的时间是15秒。循环过程中，监控每一个制冷器上的输入电流，由于制冷器电阻增加而引起的电流降低是制冷器失效的标志。测试进行大约0个小时，至少6百万次循环。在这种条件下计算出来的平均故障间隔时间是125，000小时，或者说3*107次N/OFF开关循环。注意：大多数传统的恒温器本身具有更大的开关温度差，这样会建立一个明显的冷热循环，其中热电制冷器上的温度会在较高和较低的温度极限之间变化。由于我们已经知道，冷热循环会降低热电制冷器的使用寿命，所以在要求高可靠性的应用条件下，不推荐使用传统的/OFF开关式恒温温度控制系统。10.5环境测试热电制冷器经常被安装在有振动、冲击或另一些潜在的不利环境中。在前文曾经提到，制冷器可以承受适当的压力但是其剪切强度相对较弱。当热电制冷器被适当的安装在一个机械部件中时，它们可以承受适当的机械应力而不产生失效。大和热磁公司提供的制冷器已经成功的应对了大量的环境/机械测试条件，而没有发生失效。具体的测试条件包括：高温运行和存储：150七下30,000多个小时低温运行和存储：-40°C下多个小时

热循环：(a)100°C(15sec)/100°C(15sec),10个循环(b)150C(5min)/-65C(5min),10个循环(c)MIL-STD-(c)MIL-STD-202,方法107系列制冷器：-55C到+85C系列制冷器：-65C到+150C机械冲击：次100G,200G,26msec;500G1000G@1sec,3个方向，每个方向上3冲击MIL-STD-202，方法，测试条件振动：测试条(a)10/55/10Hz，1分钟循环，9.1G,3个方向，每个方向上2小时4A，件B,最大15G(b)MIL-STD-202,方法质量控制流程每个热电制冷器件制造商都具有完备的质量控制和测试流程，以确保产品符合公布的规范，并且能代表标准的工艺。尽管工业上并没有太多正规的标准，但是许多主要的热电制冷器件制造商还是会使用某些特定的标准(军方说明等)。然而，如果用户对产品上可能影响应用的质量相关问题有任何疑问，请及时与相应的热电制冷器件制造商进行咨询。大和热磁公司的测试和质量流程经过多年的使用，具有丰富的工业生产经验，覆盖了热电制冷器工作中将遇到的很宽的应用条件。整个流程包括几个主要方面，如产品运输前100%的电学和机械性能测试/检查；在使用过程中100%检查或如IL-STD-105的抽样检查进行测试和监控；在多种临界使用条件下使用过程统计控制技术。全部的质量保证流程与-Q-完全一致。结论在前面的讨论中，我们强调了热电制冷器的可靠性与应用条件之间的依赖性。通过遵循一些基本规则，并且了解一些特定的因素是如何影响制冷器的使用寿命，设计者有可能延长系统的使用寿命。尽管一些设计者可能期望进行一个复杂的分析，建立起所有相关参数的模型，但是许多用户更倾向于在遇到一些特殊要求或非传统布局时，可能会寻求一些经验主义的方法来计算他们特定应用条件下的制冷器可靠性。11.0热电制冷器的数学模型11.1简介：我们可以使用数学模型对热电制冷器的运行进行数学描述，并且在个人电脑上通过建模对器件的性能进行模拟。由于制冷器上使用的半导体材料的许多性能都与温度相关，所以在建立实际应用模型的时候需要考虑到温度的影响。我们并没有试图提供一种需要使用电脑来建立细节化模型的方法，而是想要给出模拟热电制冷器性能的简单代数模型。大和热磁公司曾经在很宽的温度范围内,对多种热电制冷器的性能进行了复杂的分析。以这些研究为基础，建立了可以可靠预测正常运行条件下热电制冷器性能的数学模型。这里列出的数据是以正常的空气环境中工作的制冷器为基础的，制冷器的冷端面和热端面上都使用了导热硅脂（散热材料）。这种模拟条件可以适用于大多数热电制冷器的应用条件下。这里需要注意的一点是,对于包含金属化外表面的制冷器来说，如果使用焊接方法进行安装的话，那么与使用导热硅脂进行安装的制冷器相比，其热电性能会有少量提高。此外，如果制冷器在真空中运行，则也会观察到少量的性能提高，特别是对于多级制冷器来说。11.2与温度相关的材料性能：在建立数学模型的过程中，需要考虑很多个热电材料和器件的参数。然而，由于一些重要的参数一般是使用实际制冷器的测试数据来计算得出的，所以可以忽略某些特定参数，从而简化整个建模过程。在建立模型的过程中必须要考虑到的参数包括有效塞贝克系数SM，电阻R,和热导Ko一般来说，可以使用多项式来表示有效塞贝克系数SM，电阻R,和热导K等参数。我们使用工业标准的1对温差电偶，6安培的制冷器计算出来的具体参数可以在-100°