半导体热电制冷器详细技术说明

1.0 热电制冷的介绍1.1 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 。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(DTmax)。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1960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1821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1834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Tc。热电偶B端用来测量所需要的温度Th。当B端被加热时，在T1和T2两端会出现电压。这个电压V0，也被称为塞贝克电动势，可以表示为V0=axy(Th Tc)。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Tc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。当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin，回路中会产生一个相应的电流I。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Qh=pxyI其中，pxy代表两种材料x和y的珀尔帖系数之差，单位是V；I是电流，单位是A；Qc和Qh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I2R（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。Figure (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2.1.1 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c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。碲原子和铋原子层被共价键紧密的结合在一起，而碲原子Te1和碲原子Te1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。2.1.2 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2.5-50 mm的正方形表面，高度为2.5-5 mm的块体。Figure (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p型和一个n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3-6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0.1 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200,000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 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2 A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(Qs)来衡量： Qs=Ts - Ta _ Q 其中，Qs是热阻，单位是/w； Ts是散热器温度，单位是； Ta是环境或者冷端温度，单位是； Q是对散热器输入的热量，单位是w。 5.2 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1 mm/m （0.001 in/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 /w，而且，多数情况下会达到10 /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0.020.5 /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820 mm（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0.010.1 /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，+/-0.25mm (+/-0.010) and +/-0.025mm (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+/-0.025mm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：(a)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1 mm/m (0.001 in/in)以内。(b)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0.05 mm (0.002)。如果制冷器的端面不完整需要特别标出。(c)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口锁紧垫圈，使得在系统零件热膨胀或者收缩时其压强保持均匀。(d)确保清洁制冷器和安装表面，不会残留任何毛刺或者灰尘。(e)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(American Oil and Supply), AOS 400型号的52032号产品。(f)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。(g)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90度直到感觉到弹簧垫圈的作用为止。(h)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6 mm的铝片或者小于3.3 mm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。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=(Sa x A)/N) x K x d其中，T是每个螺钉上的扭矩，Sa在静态下是50-75 psi，在循环过程中取25-50 psi；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：6-32d=0.138 in (0.350cm), 4-40d=0.112 in (0.284 cm)。所以我们以使用4-40钢螺钉为紧固部件的9个9500/065/018制冷器为例，建议扭矩的计算公式如下：T=(75 lbs/in.2 x (.44 x .48) x 9)/4)x 0.2 x .112 in. = 0.8 in-lbs.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：(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。(b)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。(c)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。(d)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200 。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（150-200 ）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1515 mm2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。(c)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。(d)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。(e)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。6.5 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Bergguist公司，Chomerics Division-Parker Hannifin公司。7.0 供电装置7.1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 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 。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0.1 ，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。7.2.1 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。 图7.1 为一个71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。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8.1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。8.2 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=电压电流，w=VA)，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。8.3 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。8.4 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19世纪早期由J.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；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。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。Isaac Newton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h。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：Q=hTA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23-28 ，对涡流空气一般是用85-113 ；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。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)x+ 1K h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23-28，对涡流空气一般是用85-113；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；K表示绝缘材料的热导率，单位是W/m8.4.4 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。t =(m)(Cp)(DT)Q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cal g/；DT是材料的温差，单位是；Q是材料传输的热量，单位是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上的温差（DT）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 (Qc at DTmin + Qc at DTmax)其中，在温差为最小时的传热量（QC at DTmin）是指加载直流电源时，热电制冷器上最初传递的热量。此时的温差为零，传热速率最大。温差最大时的传热量（QC at DTmax）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。8.4.5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10 cm2的表面积，在-100 (173 K)下工作的完美黑体，会从20 (303 K)的周围环境下吸收43 mw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 Tc4)其中，QR是辐射产生的热量损失，单位是w；s表示Stefan-Boltzmann常数，5.6710-8 W/m2K4；A是暴露的表面积，单位是m2；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K。8.4.6 绝缘体的R值：绝缘体的R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：R= x12K其中, x表示绝缘层的厚度，单位为in.；K表示绝缘材料的热导率，单位为BTU/hr-ft-F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要乘以12。8.5 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 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SA或者DT的关系可以被表示为：Qtot = Qleak x SA x DT图8.1公制体系中从绝缘表面泄露的热量图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：1. 被冷却的物体需要保持在什么温度上？ 2. 从被冷却的物体上需要转移多少热量？ 3. 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？ 4. 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？