制冷片使用手冊(cè)

1、中星半導(dǎo)體制冷組件使用手冊(cè)、八 刖言溫差電致冷現(xiàn)象已發(fā)現(xiàn)一百五十多年了。1834年法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼鸓eltier發(fā)現(xiàn)了一種效應(yīng)，在兩個(gè)不同導(dǎo)體組成的回路中通電時(shí)，一個(gè)接頭吸熱，另一個(gè)接頭放熱。這就是所謂珀?duì)柼?yīng)。1911年，德國(guó)人Altenkirch用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了此效應(yīng)可以致冷，提出溫差電致冷的理論，并得到溫差電致冷器根本參數(shù)的 熱力學(xué)公式。本世紀(jì) 50年代，由于半導(dǎo)體材料制造技術(shù)的突破，溫差電致冷技術(shù)獲得了較快開展。溫差電致冷組件是利用珀?duì)柼?yīng)工作的熱泵，可用于致冷，也可以致熱。它是一種沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的 固態(tài)器件，壽命長(zhǎng)，工作時(shí)無噪聲，又不會(huì)釋放有害物質(zhì)如氟氯烴，能在任意角度安裝運(yùn)行，調(diào)節(jié)電

2、壓或電流時(shí)可以精確控制溫度。由于它具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究各領(lǐng)域都得到了 廣泛的應(yīng)用當(dāng)前，溫差電致冷器在中致冷功率在100W500W范圍、小致冷功率低于100W功率的應(yīng)用占極大局部。在某些小功率場(chǎng)合已經(jīng)是并將仍然是唯一可用的致冷方式。在激光二極管、CCD器件、紅外探測(cè)器的冷卻等小功率應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用相當(dāng)普遍。中功率應(yīng)用領(lǐng)域，溫差電致冷也有相當(dāng)大的市場(chǎng)，如氣體 除濕器，氣體或液體冷卻器等。近幾年中小功率溫差電致冷器應(yīng)用年增長(zhǎng)超過20%。大功率致冷功率大于500W溫差 電致冷器，包括電子儀器空調(diào)艙、計(jì)算機(jī)空調(diào)機(jī)等，在權(quán)衡空間大小、重量、可靠性、運(yùn) 行方式等要求后，在軍用領(lǐng)域是竟

3、爭(zhēng)力的。1工作原理、結(jié)構(gòu)與制造工藝流程在兩個(gè)不同的導(dǎo)體組成的回路中通電時(shí)，一個(gè)接頭吸熱，另一個(gè)接頭放熱，接頭的吸熱或放熱取決于 電流的方向。如果在放熱的接頭上維持一定的溫度，那么另一個(gè)接頭就開始冷卻，一直到從周圍介質(zhì)中傳入 該接頭上的熱量和沿溫差電偶臂傳入的熱量的總和等于所吸收的珀?duì)柼麩釣橹?。在熱平衡條件下，冷接頭 的熱平衡方程為：Qc=aTcl-0.5l 2R-KTh-Tc方程式中第一項(xiàng)為哪一項(xiàng)珀?duì)柼麩?，a稱為材料的塞貝克系數(shù)。其實(shí)，塞貝克系數(shù)與冷面溫度的乘積就是該材料 對(duì)在冷接頭處的珀?duì)柼禂?shù)。方程中第二項(xiàng)是焦耳熱的一半，我們假設(shè)通電過程中熱偶上產(chǎn)生的焦耳熱有 一半傳到冷接頭。方程中的第三

4、項(xiàng)是由傅利葉熱傳導(dǎo)定律決定的由熱接頭傳導(dǎo)到冷接頭的熱量。在說到溫差電材料和溫差電組件時(shí)經(jīng)常提到優(yōu)值有的文獻(xiàn)那么用品質(zhì)因子的說法的概念，以表示溫 差電材料和組件熱電性能的好壞。溫差電材料的優(yōu)值與它的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有關(guān)，定義為：z = a2 6/ k公式中優(yōu)值z(mì)的單位是1/K，塞貝克系數(shù)a的單位是V/K，電導(dǎo)率6的單位是S/cm，熱導(dǎo)率k的單位是w/ cm - k o常規(guī)的單級(jí)溫差電致冷組件是由假設(shè)干對(duì)溫差電偶電串聯(lián)構(gòu)成。溫差電元件呈矩形截面。流行的結(jié)構(gòu)中銅制導(dǎo)流片連接P、N型元件，用高純氧化鋁或氧化鈹陶瓷片在冷面和熱面與外界耦合。多級(jí)溫差電致冷組件，常規(guī)的結(jié)構(gòu)方式是上一級(jí)的熱面作為下

5、一級(jí)的冷面，如此疊加成的多層次組件，通常呈金字塔形式。一般情況下，各級(jí)溫差電偶串聯(lián)供電。制作溫差電致冷組件，首先要制備溫差電致冷材料。常用的溫差電材料是用區(qū)域熔煉法可以用電阻 爐區(qū)熔，也可以用高頻區(qū)熔、布里奇曼法等熔融生長(zhǎng)法制備的定向多晶。用于室溫附近致冷，目前最好的 P型溫差電材料是摻一定量雜質(zhì)的贗二元Bi2Te3-BiSe3，以及由Bi2Te3- Sb2Te3- Bi2Se3組成并摻一定量雜質(zhì)的贗三元材料。優(yōu)值在 2.5 X 10- 3 / K左右。制備的溫差電制冷材料多晶錠去掉頭尾后 ,用切片機(jī)按溫差電元件的高度切成片 , 再用劃片機(jī)切成所需 尺寸的元件。最后, 利用模具將溫差電元件焊接

6、到按一定形式排布的帶導(dǎo)流片的陶瓷板上 , 形成溫差電制冷組件。 目 前市售溫差電致冷組件多用熔點(diǎn) 138C的焊料焊接，長(zhǎng)期工作溫度為 80 'C,短期工作溫度為 100'C。近幾 年研制成功一種高溫溫差電致冷組件，使用較高熔點(diǎn)的焊料制作，最高持續(xù)工作溫度為150C。2 溫差電致冷的優(yōu)越性a小型化：一般情況下，溫差電致冷器外形尺寸和體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械制冷系統(tǒng)，重量也比擬輕。各種標(biāo) 準(zhǔn)的和特殊的尺寸以及結(jié)構(gòu)的溫差電致冷組件可供選擇，適用于各種應(yīng)用的需要。b具有致冷和加熱兩種功能：改變直流電源的極性，同一致冷器可實(shí)現(xiàn)加熱和致冷兩種功能。c 精確溫控：使用適宜的閉環(huán)溫控電路，可實(shí)現(xiàn)溫度控

7、制。溫差電致冷器控溫精度可優(yōu)于±0.1 C。d高可靠性：溫差電致冷組件為固體器件，無運(yùn)動(dòng)部件，因此失效率低。典型的溫差電致冷器的壽命大 于二十萬小時(shí)。e工作時(shí)無聲：與機(jī)械制冷系統(tǒng)不一樣，溫差電致冷器工作時(shí)不產(chǎn)生噪音。f 可使用常規(guī)電源：溫差電致冷器對(duì)電源要求不高。可使用一般直流電源，工作電壓和電流可在大范圍調(diào)整。g可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)致冷：可只冷卻一專門的元件或特定的面積，不必要冷卻一完整的封裝外殼和整體。h具有發(fā)電能力：假設(shè)在溫差電致冷組件兩面建立溫差，那么可產(chǎn)生直流電?？衫脺夭铍娭吕浣M件制作小 功率發(fā)電裝置。i 綠色器件：溫差電制冷器不會(huì)釋放氟氯烴或其它有害化學(xué)物質(zhì)，不危害環(huán)境。溫差電致冷

8、器是一種綠 色無公害半導(dǎo)體器件。3 性能參數(shù)與曲線反映溫差電致冷組件的熱電性能的主要參數(shù)是最大溫差電流、 最大溫差、 最大致冷功率和最大溫差電壓。最大溫差電流Imax指的是熱面溫度27C，冷面無熱負(fù)荷，溫差電致冷組件能到達(dá)最大溫差時(shí)的工作 電流，單位 A。最大溫差 max指的是熱面溫度 27C，冷面無熱負(fù)荷，溫差電致冷組件能到達(dá)最大溫差，單位C,此時(shí)溫差電致冷組件在最大溫差電流 Imax工作。最大致冷功率Qcmax指的是熱面溫度 27 C，溫差電致冷組件在冷面能吸收的最大熱負(fù)荷，單位W此時(shí)溫差電致冷組件在最大溫差電流 Imax工作。最大溫差電壓Vmax 指的是熱面溫度 27 C，冷面無熱負(fù)荷時(shí)

9、，溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作時(shí)的電壓，單位 V。有時(shí)，還用到性能系數(shù)這個(gè)概念。溫差電致冷組件的性能系數(shù)定義為致冷功率致冷運(yùn)行時(shí)或致熱功 率致熱運(yùn)行時(shí)與輸入功率之比值。一般情況下，溫差電致冷組件致熱運(yùn)行時(shí)性能系數(shù)大于1。4 分類與命名方法溫差電致冷組件可分為單級(jí)溫差電致冷組件和多級(jí)溫差電致冷組件。單級(jí)溫差電致冷組件指的是只有一 個(gè)熱面和一個(gè)冷面的單層溫差電致冷組件。為了獲得更大溫差或者更大性能系數(shù)，將上一級(jí)溫差電致冷組 件的熱端與下一級(jí)溫差電致冷組件的冷端熱耦合，如此疊加形成的多層次的組件被稱為多級(jí)溫差電致冷組 件。通常稱為溫差電致冷器。 該致冷器也可溫差電致冷組件在應(yīng)用過程中與熱

10、交換器構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，用于加熱。按熱交換器型式進(jìn)行分類，溫差電致冷器可分為空冷式溫差電致冷器和水冷式溫差電致冷器。 我國(guó)已經(jīng)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司部頒標(biāo)準(zhǔn)( SJ2856-88 )中公布了溫差電致冷組件的型號(hào)命名法。溫差 電致冷組件的型號(hào)由六局部組成。第一局部代表溫差電致冷組件，用TE表示；第二局部表示結(jié)構(gòu)類別，常用的陶瓷式溫差電致冷組件用 C表示，小型陶瓷式溫差電致冷組件(溫差電元件截面小于或等于1mm,這類溫差電致冷組件常稱微型溫差電致冷組件)用S表示；第三局部表示級(jí)數(shù)，如1表示一級(jí)，3表示三級(jí)；第四局部表示組件內(nèi)溫差電偶總對(duì)數(shù)，用三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示；第五局部用兩位數(shù)字表示溫差電致冷組

11、件 的最大溫差電流值，對(duì) C型溫差電致冷組件而言，取最大溫差電流的整數(shù)值，對(duì)于S型溫差電致冷組件而言，組件的最大溫差電流的 10部才是型號(hào)的數(shù)值；第六局部表示溫差電致冷組件外外表的狀態(tài)，如單面金 屬化的用T表示,雙面金屬化的用TT表示，無金屬化的那么不表示。例如，型號(hào)為TEC1-12705TT的致冷組件，是一種陶瓷式單級(jí)致冷組件，由127對(duì)溫差電偶構(gòu)成，其最大溫差電流為5A，它熱面和冷面外側(cè)都有金屬化層。5 產(chǎn)品目錄5.1 產(chǎn)品目錄標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)溫差電致冷組件、微型單級(jí)溫差電致冷組件、多級(jí)溫差電致冷組件的性能參數(shù)見附錄1。5.2 結(jié)構(gòu)形式溫差電致冷組件的結(jié)構(gòu)型式有如下四種。第I種結(jié)構(gòu)型式為常規(guī)單級(jí)

12、溫差電致組件的結(jié)構(gòu)型式。第W種結(jié)構(gòu)型式為常規(guī)多級(jí)溫差電致冷組件的結(jié)構(gòu)型式。目前 ，第U種結(jié)構(gòu)型式單級(jí)溫差電致冷組件有TES1-01810、TES1-01815、TEC1-12704、TEC1-12706、TEC1-12708溫差電致冷組件，第山種結(jié)構(gòu)型式單級(jí)溫差電致冷組件有TES1-03920SP溫差電致冷組件。6 安裝方法6.1 螺栓固緊法1) 安裝外表研磨或拋光，熱槽外表的平面度不大于0.03mm。2) 小心清潔安裝外表和組件外表 ， 除去毛刺、臟物、油脂。3) 安裝多于一個(gè)組件時(shí)，組件厚度公差在土0.05m m以內(nèi)。4) 組件熱面和冷面分別涂一均勻的薄層導(dǎo)熱硅脂。5) 將組件放置在熱槽和

13、被冷卻物體之間 ， 四個(gè)或六個(gè)螺栓固緊熱槽和備冷卻物體。 注意用力均勻 ， 切 勿過度。6.2 膠粘法1) 安裝外表研磨或拋光，熱槽外表的平面度大于0.03mm。2) 小心清潔安裝外表和組件外表 ， 除去毛刺、臟物、油脂。3) 組件熱面和冷面分別涂一均勻的薄層導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂。4) 將組件放置在熱槽和被冷卻物體之間。5) 輕夾組件 ， 直至導(dǎo)熱膠固化。6.3 焊接法1) 熱槽外表必須是可焊的 ， 即是銅材或已經(jīng)涂復(fù)的鋁材。2) 將低溫焊料預(yù)先掛在熱槽和組件外表，低溫焊料的熔點(diǎn)至少比焊接組件的焊料的熔點(diǎn)低2030o3) 小心清潔安裝外表和組件外表 ， 除去臟物、油脂。4) 在安裝外表和之間外表涂適量

14、焊劑。5) 在適當(dāng)溫度下進(jìn)行焊接。6) 冷卻后去除焊劑等剩余物。注意：焊接法有損壞組件的風(fēng)險(xiǎn)，必須進(jìn)行溫度控制，以防止組件過熱。當(dāng)最終產(chǎn)品須熱循環(huán)運(yùn)行 時(shí),最好不使用焊接法。7使用與維護(hù)選擇溫差電致冷組件時(shí)，必須預(yù)先知道三個(gè)應(yīng)用參數(shù)，即熱面溫度Th,冷面溫度Tc,致冷功率Qc即熱負(fù)荷 溫差電致冷組件的熱面溫度與散熱方式有關(guān)。通常，溫差電致冷組件散熱方式有水冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、自然風(fēng) 冷三種。如用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí)溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環(huán)境溫度高1015C，如用自然對(duì)流冷卻時(shí)溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環(huán)境溫度高2040 'C,如用水冷散熱時(shí)溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環(huán)境溫度高 25

15、C。單級(jí)溫差電致冷組件最大溫差可達(dá)6070 C。如要求致冷器溫差超過此范圍，必須選用多級(jí)溫差電致冷組件。如要采用多級(jí)致冷組件，那么要確定用幾級(jí)溫差電致冷組件較為適宜。在目前的工藝水平，采用性能最好的溫差電材料制作的單級(jí)和多級(jí)溫差電致冷組件可能到達(dá)的最大溫 差見表 1表1各級(jí)溫差電致冷組件的溫差范圍級(jí)數(shù)最大溫差C160-70280-95395-1104100-1206120-1358130-140熱負(fù)荷有主動(dòng)熱負(fù)荷和被動(dòng)熱負(fù)荷之分。被動(dòng)負(fù)荷包括輻射熱負(fù)荷、對(duì)流熱負(fù)荷和傳導(dǎo)熱負(fù)荷。在設(shè) 計(jì)系統(tǒng)前應(yīng)領(lǐng)先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況把主動(dòng)熱負(fù)荷和被動(dòng)熱負(fù)荷估算岀來。使用溫差電致冷組件時(shí)，一定要注意以下幾點(diǎn)：1.

16、溫差電致冷組件致冷運(yùn)行時(shí)，熱面必須散熱。必要時(shí)，可在散熱器上安裝熱保護(hù)繼電器，以防止致 冷組件過熱而損壞。下面，分三種散熱情況進(jìn)行討論。 水冷散熱：即利用一水套銅質(zhì)或鋁質(zhì)，接上自來水管，讓流水將熱量帶走。 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱：采用肋狀鋁質(zhì)或銅質(zhì)散熱器，并配以軸流風(fēng)扇或離心風(fēng)扇，將溫差電致冷組件熱面 的熱量帶走。 自然風(fēng)冷散熱：采用較強(qiáng)迫風(fēng)冷大得多的鋁質(zhì)或銅質(zhì)肋狀散熱器，將溫差電致冷組件熱面的熱量帶 走。2. 絕熱的考慮為了到達(dá)最正確致冷效果，致冷器內(nèi)部冷熱面之間應(yīng)當(dāng)絕熱。綜合考慮體積、絕熱效果等問題，最正確絕熱 層厚度在2530mm如絕熱層厚度再增加，那么體積迅速增加，而絕熱效果改善不明顯。溫差電致

17、冷器的絕 熱材料可采用聚氨酯泡沫塑料軟泡或硬泡或聚苯乙烯發(fā)泡塑料等絕熱材料。3. 電源的考慮溫差電致冷組件必須直流供電，電源的波紋系數(shù)應(yīng)不大于10 %。電源的紋波系數(shù)為10 %時(shí)，致冷組件的溫差減少2%;電源的紋波系數(shù)為 20%時(shí)，致冷組件的溫差減少 5%。多級(jí)溫差電致冷組件和低電平信號(hào)。4. 可改變單級(jí)溫差電致冷組件工作的方向，使其在致冷或致熱狀態(tài)運(yùn)行。但多級(jí)溫差電致冷組件只 能在致冷狀態(tài)工作，不可隨意改變電流方向。8訂貨須知8 . 1常規(guī)的單級(jí)溫差電致冷組件和多級(jí)溫差電致冷組件，連續(xù)工作時(shí)最高工作溫度為+80 C，冷熱面陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，外側(cè)無金屬化層。常規(guī)單級(jí)溫差電致冷組件的高度公差

18、為土0.25mmt8. 2如有需要，訂貨時(shí)應(yīng)作如下說明：1熱、冷面外側(cè)金屬化。2熱面外側(cè)金屬化。3冷面外側(cè)金屬化。4連續(xù)工作時(shí)最高工作溫度+ 150%'C。5連續(xù)工作時(shí)最高工作溫度+ 200%C。8 . 3我所可滿足用戶如下特殊要求：1熱面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 96 C焊料。2熱、冷面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 96 C焊料。3熱面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 117C焊料。4熱、冷面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 117C焊料。5熱面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 138C焊料。6熱、冷面陶瓷片外側(cè)預(yù)掛+ 138C焊料。7高度公差土 0.025mm。8電信級(jí)溫差電致冷組件，預(yù)先進(jìn)行高強(qiáng)度老化篩選。9提供溫差電致冷組件的測(cè)試數(shù)據(jù)、有關(guān)的性

19、能曲線。10防水密封型溫差電致冷組件。11供給 96C、117C、138C焊料。12供給特種用途的焊料。附錄1單級(jí)溫差電致冷組件性能參數(shù)SINGLE STAGE THERMOELECTRIC COOLING MODULES型號(hào)TYPE熱面溫度 HOT FACE TEMPERATURTh=27C )尺寸 DIMENSION(mm最大溫差電流Imax A最大溫差電壓Vmax V最大致冷功率Qcmax W最大溫差 TCA (長(zhǎng))(L)B (寬)(WC (高)(H)TES1-007250.81.288TES1-017252.02.81212TES1-031252.53.65.26715154.0TES

20、1-071258.212.12323TES1-1272514.721.63030TES1-007300.81.588TES1-017302.03.61212TES1-031303.03.66.66715153.6TES1-071308.215.22323TES1-1273014.727.23030TES1-007393.90.81.867883.2TES1-017392.04.51212TES1-031393.68.21515TES1-071398.218.82323TES1-1273914.733.73030TEC1-007044. 00.81.86710104.7TEC1-017042.04.51515TEC1-031043.68.32020TEC1-07104