制冷片使用手册

1、中星半导体制冷组件使用手册、八 刖言温差电致冷现象已发现一百五十多年了。1834年法国科学家珀尔帖Peltier发现了一种效应，在两个不同导体组成的回路中通电时，一个接头吸热，另一个接头放热。这就是所谓珀尔帖效应。1911年，德国人Altenkirch用实验证实了此效应可以致冷，提出温差电致冷的理论，并得到温差电致冷器根本参数的 热力学公式。本世纪 50年代，由于半导体材料制造技术的突破，温差电致冷技术获得了较快开展。温差电致冷组件是利用珀尔帖效应工作的热泵，可用于致冷，也可以致热。它是一种没有转动部件的 固态器件，寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质如氟氯烃，能在任意角度安装运行，调节电

2、压或电流时可以精确控制温度。由于它具有的一系列优点，在国防、工业、农业、科学研究各领域都得到了 广泛的应用当前，温差电致冷器在中致冷功率在100W500W范围、小致冷功率低于100W功率的应用占极大局部。在某些小功率场合已经是并将仍然是唯一可用的致冷方式。在激光二极管、CCD器件、红外探测器的冷却等小功率应用领域，应用相当普遍。中功率应用领域，温差电致冷也有相当大的市场，如气体 除湿器，气体或液体冷却器等。近几年中小功率温差电致冷器应用年增长超过20%。大功率致冷功率大于500W温差 电致冷器，包括电子仪器空调舱、计算机空调机等，在权衡空间大小、重量、可靠性、运 行方式等要求后，在军用领域是竟

3、争力的。1工作原理、结构与制造工艺流程在两个不同的导体组成的回路中通电时，一个接头吸热，另一个接头放热，接头的吸热或放热取决于 电流的方向。如果在放热的接头上维持一定的温度，那么另一个接头就开始冷却，一直到从周围介质中传入 该接头上的热量和沿温差电偶臂传入的热量的总和等于所吸收的珀尔帖热为止。在热平衡条件下，冷接头 的热平衡方程为：Qc=aTcl-0.5l 2R-KTh-Tc方程式中第一项为哪一项珀尔帖热，a称为材料的塞贝克系数。其实，塞贝克系数与冷面温度的乘积就是该材料 对在冷接头处的珀尔帖系数。方程中第二项是焦耳热的一半，我们假设通电过程中热偶上产生的焦耳热有 一半传到冷接头。方程中的第三

4、项是由傅利叶热传导定律决定的由热接头传导到冷接头的热量。在说到温差电材料和温差电组件时经常提到优值有的文献那么用品质因子的说法的概念，以表示温 差电材料和组件热电性能的好坏。温差电材料的优值与它的塞贝克系数、电导率和热导率有关，定义为：z = a2 6/ k公式中优值z的单位是1/K，塞贝克系数a的单位是V/K，电导率6的单位是S/cm，热导率k的单位是w/ cm - k o常规的单级温差电致冷组件是由假设干对温差电偶电串联构成。温差电元件呈矩形截面。流行的结构中铜制导流片连接P、N型元件，用高纯氧化铝或氧化铍陶瓷片在冷面和热面与外界耦合。多级温差电致冷组件，常规的结构方式是上一级的热面作为下

5、一级的冷面，如此叠加成的多层次组件，通常呈金字塔形式。一般情况下，各级温差电偶串联供电。制作温差电致冷组件，首先要制备温差电致冷材料。常用的温差电材料是用区域熔炼法可以用电阻 炉区熔，也可以用高频区熔、布里奇曼法等熔融生长法制备的定向多晶。用于室温附近致冷，目前最好的 P型温差电材料是掺一定量杂质的赝二元Bi2Te3-BiSe3，以及由Bi2Te3- Sb2Te3- Bi2Se3组成并掺一定量杂质的赝三元材料。优值在 2.5 X 10- 3 / K左右。制备的温差电制冷材料多晶锭去掉头尾后 ,用切片机按温差电元件的高度切成片 , 再用划片机切成所需 尺寸的元件。最后, 利用模具将温差电元件焊接

6、到按一定形式排布的带导流片的陶瓷板上 , 形成温差电制冷组件。 目 前市售温差电致冷组件多用熔点 138C的焊料焊接，长期工作温度为 80 'C,短期工作温度为 100'C。近几 年研制成功一种高温温差电致冷组件，使用较高熔点的焊料制作，最高持续工作温度为150C。2 温差电致冷的优越性a小型化：一般情况下，温差电致冷器外形尺寸和体积远远小于机械制冷系统，重量也比拟轻。各种标 准的和特殊的尺寸以及结构的温差电致冷组件可供选择，适用于各种应用的需要。b具有致冷和加热两种功能：改变直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷两种功能。c 精确温控：使用适宜的闭环温控电路，可实现温度控

7、制。温差电致冷器控温精度可优于±0.1 C。d高可靠性：温差电致冷组件为固体器件，无运动部件，因此失效率低。典型的温差电致冷器的寿命大 于二十万小时。e工作时无声：与机械制冷系统不一样，温差电致冷器工作时不产生噪音。f 可使用常规电源：温差电致冷器对电源要求不高。可使用一般直流电源，工作电压和电流可在大范围调整。g可实现点致冷：可只冷却一专门的元件或特定的面积，不必要冷却一完整的封装外壳和整体。h具有发电能力：假设在温差电致冷组件两面建立温差，那么可产生直流电。可利用温差电致冷组件制作小 功率发电装置。i 绿色器件：温差电制冷器不会释放氟氯烃或其它有害化学物质，不危害环境。温差电致冷

8、器是一种绿 色无公害半导体器件。3 性能参数与曲线反映温差电致冷组件的热电性能的主要参数是最大温差电流、 最大温差、 最大致冷功率和最大温差电压。最大温差电流Imax指的是热面温度27C，冷面无热负荷，温差电致冷组件能到达最大温差时的工作 电流，单位 A。最大温差 max指的是热面温度 27C，冷面无热负荷，温差电致冷组件能到达最大温差，单位C,此时温差电致冷组件在最大温差电流 Imax工作。最大致冷功率Qcmax指的是热面温度 27 C，温差电致冷组件在冷面能吸收的最大热负荷，单位W此时温差电致冷组件在最大温差电流 Imax工作。最大温差电压Vmax 指的是热面温度 27 C，冷面无热负荷时

9、，温差电致冷组件在最大温差电流Imax工作时的电压，单位 V。有时，还用到性能系数这个概念。温差电致冷组件的性能系数定义为致冷功率致冷运行时或致热功 率致热运行时与输入功率之比值。一般情况下，温差电致冷组件致热运行时性能系数大于1。4 分类与命名方法温差电致冷组件可分为单级温差电致冷组件和多级温差电致冷组件。单级温差电致冷组件指的是只有一 个热面和一个冷面的单层温差电致冷组件。为了获得更大温差或者更大性能系数，将上一级温差电致冷组 件的热端与下一级温差电致冷组件的冷端热耦合，如此叠加形成的多层次的组件被称为多级温差电致冷组 件。通常称为温差电致冷器。 该致冷器也可温差电致冷组件在应用过程中与热

10、交换器构成一个完整的系统，用于加热。按热交换器型式进行分类，温差电致冷器可分为空冷式温差电致冷器和水冷式温差电致冷器。 我国已经在中国电子科技集团公司部颁标准( SJ2856-88 )中公布了温差电致冷组件的型号命名法。温差 电致冷组件的型号由六局部组成。第一局部代表温差电致冷组件，用TE表示；第二局部表示结构类别，常用的陶瓷式温差电致冷组件用 C表示，小型陶瓷式温差电致冷组件(温差电元件截面小于或等于1mm,这类温差电致冷组件常称微型温差电致冷组件)用S表示；第三局部表示级数，如1表示一级，3表示三级；第四局部表示组件内温差电偶总对数，用三位阿拉伯数字表示；第五局部用两位数字表示温差电致冷组

11、件 的最大温差电流值，对 C型温差电致冷组件而言，取最大温差电流的整数值，对于S型温差电致冷组件而言，组件的最大温差电流的 10部才是型号的数值；第六局部表示温差电致冷组件外外表的状态，如单面金 属化的用T表示,双面金属化的用TT表示，无金属化的那么不表示。例如，型号为TEC1-12705TT的致冷组件，是一种陶瓷式单级致冷组件，由127对温差电偶构成，其最大温差电流为5A，它热面和冷面外侧都有金属化层。5 产品目录5.1 产品目录标准的单级温差电致冷组件、微型单级温差电致冷组件、多级温差电致冷组件的性能参数见附录1。5.2 结构形式温差电致冷组件的结构型式有如下四种。第I种结构型式为常规单级

12、温差电致组件的结构型式。第W种结构型式为常规多级温差电致冷组件的结构型式。目前 ，第U种结构型式单级温差电致冷组件有TES1-01810、TES1-01815、TEC1-12704、TEC1-12706、TEC1-12708温差电致冷组件，第山种结构型式单级温差电致冷组件有TES1-03920SP温差电致冷组件。6 安装方法6.1 螺栓固紧法1) 安装外表研磨或抛光，热槽外表的平面度不大于0.03mm。2) 小心清洁安装外表和组件外表 ， 除去毛刺、脏物、油脂。3) 安装多于一个组件时，组件厚度公差在土0.05m m以内。4) 组件热面和冷面分别涂一均匀的薄层导热硅脂。5) 将组件放置在热槽和

13、被冷却物体之间 ， 四个或六个螺栓固紧热槽和备冷却物体。 注意用力均匀 ， 切 勿过度。6.2 胶粘法1) 安装外表研磨或抛光，热槽外表的平面度大于0.03mm。2) 小心清洁安装外表和组件外表 ， 除去毛刺、脏物、油脂。3) 组件热面和冷面分别涂一均匀的薄层导热环氧树脂。4) 将组件放置在热槽和被冷却物体之间。5) 轻夹组件 ， 直至导热胶固化。6.3 焊接法1) 热槽外表必须是可焊的 ， 即是铜材或已经涂复的铝材。2) 将低温焊料预先挂在热槽和组件外表，低温焊料的熔点至少比焊接组件的焊料的熔点低2030o3) 小心清洁安装外表和组件外表 ， 除去脏物、油脂。4) 在安装外表和之间外表涂适量

14、焊剂。5) 在适当温度下进行焊接。6) 冷却后去除焊剂等剩余物。注意：焊接法有损坏组件的风险，必须进行温度控制，以防止组件过热。当最终产品须热循环运行 时,最好不使用焊接法。7使用与维护选择温差电致冷组件时，必须预先知道三个应用参数，即热面温度Th,冷面温度Tc,致冷功率Qc即热负荷 温差电致冷组件的热面温度与散热方式有关。通常，温差电致冷组件散热方式有水冷、强迫风冷、自然风 冷三种。如用强迫风冷散热时温差电致冷组件的热面温度一般比环境温度高1015C，如用自然对流冷却时温差电致冷组件的热面温度一般比环境温度高2040 'C,如用水冷散热时温差电致冷组件的热面温度一般比环境温度高 25

15、C。单级温差电致冷组件最大温差可达6070 C。如要求致冷器温差超过此范围，必须选用多级温差电致冷组件。如要采用多级致冷组件，那么要确定用几级温差电致冷组件较为适宜。在目前的工艺水平，采用性能最好的温差电材料制作的单级和多级温差电致冷组件可能到达的最大温 差见表 1表1各级温差电致冷组件的温差范围级数最大温差C160-70280-95395-1104100-1206120-1358130-140热负荷有主动热负荷和被动热负荷之分。被动负荷包括辐射热负荷、对流热负荷和传导热负荷。在设 计系统前应领先根据实际应用情况把主动热负荷和被动热负荷估算岀来。使用温差电致冷组件时，一定要注意以下几点：1.

16、温差电致冷组件致冷运行时，热面必须散热。必要时，可在散热器上安装热保护继电器，以防止致 冷组件过热而损坏。下面，分三种散热情况进行讨论。 水冷散热：即利用一水套铜质或铝质，接上自来水管，让流水将热量带走。 强迫风冷散热：采用肋状铝质或铜质散热器，并配以轴流风扇或离心风扇，将温差电致冷组件热面 的热量带走。 自然风冷散热：采用较强迫风冷大得多的铝质或铜质肋状散热器，将温差电致冷组件热面的热量带 走。2. 绝热的考虑为了到达最正确致冷效果，致冷器内部冷热面之间应当绝热。综合考虑体积、绝热效果等问题，最正确绝热 层厚度在2530mm如绝热层厚度再增加，那么体积迅速增加，而绝热效果改善不明显。温差电致

17、冷器的绝 热材料可采用聚氨酯泡沫塑料软泡或硬泡或聚苯乙烯发泡塑料等绝热材料。3. 电源的考虑温差电致冷组件必须直流供电，电源的波纹系数应不大于10 %。电源的纹波系数为10 %时，致冷组件的温差减少2%;电源的纹波系数为 20%时，致冷组件的温差减少 5%。多级温差电致冷组件和低电平信号。4. 可改变单级温差电致冷组件工作的方向，使其在致冷或致热状态运行。但多级温差电致冷组件只 能在致冷状态工作，不可随意改变电流方向。8订货须知8 . 1常规的单级温差电致冷组件和多级温差电致冷组件，连续工作时最高工作温度为+80 C，冷热面陶瓷片为氧化铝陶瓷片，外侧无金属化层。常规单级温差电致冷组件的高度公差

18、为土0.25mmt8. 2如有需要，订货时应作如下说明：1热、冷面外侧金属化。2热面外侧金属化。3冷面外侧金属化。4连续工作时最高工作温度+ 150%'C。5连续工作时最高工作温度+ 200%C。8 . 3我所可满足用户如下特殊要求：1热面陶瓷片外侧预挂+ 96 C焊料。2热、冷面陶瓷片外侧预挂+ 96 C焊料。3热面陶瓷片外侧预挂+ 117C焊料。4热、冷面陶瓷片外侧预挂+ 117C焊料。5热面陶瓷片外侧预挂+ 138C焊料。6热、冷面陶瓷片外侧预挂+ 138C焊料。7高度公差土 0.025mm。8电信级温差电致冷组件，预先进行高强度老化筛选。9提供温差电致冷组件的测试数据、有关的性

19、能曲线。10防水密封型温差电致冷组件。11供给 96C、117C、138C焊料。12供给特种用途的焊料。附录1单级温差电致冷组件性能参数SINGLE STAGE THERMOELECTRIC COOLING MODULES型号TYPE热面温度 HOT FACE TEMPERATURTh=27C )尺寸 DIMENSION(mm最大温差电流Imax A最大温差电压Vmax V最大致冷功率Qcmax W最大温差 TCA (长)(L)B (宽)(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