熱電冷卻迅速成為許多電子裝置的實際應用。當今市場上的裝置是緊湊、高效的，並且具有先進的內部結構，克服了傳統的可靠性挑戰，這些挑戰在過去限制了這種裝置的機會。
保持電子元件如雷射二極體或影象感測器在穩定的溫度下是確保諸如大功率雷射器，實驗室參考，分光鏡或夜視系統能正常工作的關鍵。在某些情況下，可能需要冷卻到低於環境溫度。簡單的被動冷卻，使用乙個散熱器和強制空氣的組合，可以努力滿足這兩種要求;對熱負荷變化的反應可能是緩慢和不精確的，而冷卻依賴於熱量梯度，其中熱源溫度高於環境。
作為常用的被動冷卻技術的替代方法，熱電冷卻可以提供許多優點。這些包括精確的溫度控制和更快的響應，無風扇操作的機會(受散熱器效能的影響)，減少噪音，節省空間，降低功耗和冷卻元件到低於環境溫度的能力。
peltier元素:原則和結構
其內部結構是由n型和p型鉍碲化材料製成的半導體球團。球團的陣列是串聯的，但在熱的和冷的陶瓷表面之間的熱傳遞過程中(圖1)進行了熱的排列。
cui通用peltier元素的影象。
熱電冷卻利用了珀爾層效應，當電流通過時，兩個不同導體的接點之間的熱量被吸收或釋放。一種由兩種高導熱係數的陶瓷板夾在兩種陶瓷板之間的熱電模組，能夠有效地從乙個陶瓷板向另乙個陶瓷板輸送熱量。此外，可以簡單地通過改變電流的方向來改變熱流的方向。
應用直流電壓使正負電荷載體從乙個基板表面吸收熱量，並將其轉移到另一側的基板上。因此，能量被吸收的表面變得寒冷，而能量釋放的相反的表面變得熱。
構建乙個冷卻裝置
建立乙個實際的熱電冷卻裝置,珀爾帖模組構建成乙個系統,通常包括乙個金屬塊的導熱係數高,如鋁合金和翅片散熱器(圖2)。使用金屬塊附加裝置冷卻,如雷射二極體或影象感測器——冷端冷卻的元素。該塊的厚度被選擇來保持平整度，因此確保與peltier元素的冷板保持一致的熱連線，注意到過高的厚度會引入不需要的熱慣性。散熱片貼在另一側，或加熱板上，以將提取的熱量散逸到周圍環境中。在每個表面上都應用了一層薄層的熱潤滑脂或其他熱介面材料(tim)。
cui組合的peltier元素，鋁塊和散熱器的圖。
模組和控制器的選擇
乙個完整的熱電冷卻系統包括了peltier元件和散熱器元件，溫度感測器來監測熱冷板和控制器單元，以確保提供正確的電流，以保持模組間所需的溫度差。
控制器和珀爾帖模組選擇,以確保冷卻元件結合焦耳加熱的熱量的影響消散提供電流不會超過最大熱能力(qmax)或最大溫差(δtmax)表示在珀爾帖模組資料表。還應考慮最大溫差和最大電流，以確保所選的peltier模組在合適的電流執行時能夠保持所需的溫差。這通常應低於最大額定電流的70%，以確保焦耳加熱保持在可控制的範圍內，並且系統可以對冷盤溫度的短期增長作出反應，而不會遇到熱失控。
計算電流和熱吸收。
如果已知電源的理想溫差和工作電壓，則可以用資料表中所示的函式圖從模組中計算出熱耗散和執行電流。
作為乙個例子,功能圖如圖3所示可以用來找到熱注入和提供電流、熱板溫度(th)50°c,冷板溫度10°c,提供電壓12 v。
使用資料表函式圖進行設定的計算圖。
確定操作電流和熱吸收:
發現δt:
δt = th - tc - 50°c - 10°c = 40°c
使用th = 50°c的函式圖找到當前維護δt = 40°c,在提供的電壓:
從圖中，i = 3.77 a。
時的熱幫浦功能圖,發現我= 3.77和δt = 40°c:
從圖中，qc = 20.75 w。
peltier模組的熱疲勞。
熱電冷卻器容易受到熱疲勞的影響。傳統製造單位包含普通焊債券之間的電氣互連(銅)和p / n半導體元素,以及焊接或燒結債券之間的互連和陶瓷基片(圖4)。雖然這些鍵技術通常建立強大的機械、熱、電債券,它們不靈活,可以降解並最終失敗時受到典型的重複加熱和冷卻迴圈正常的珀爾帖效應模組操作。
乙個傳統的珀爾帖模組的焊錫和燒結鍵的圖。
崔構思的arctec™為珀爾帖模組結構對抗熱疲勞的影響。arctec結構用熱導電樹脂取代了銅電互連和陶瓷基板的冷端上的傳統焊錫鍵。該樹脂在模組內提供彈性鍵，允許在重複的熱迴圈過程中發生膨脹和收縮。這種樹脂的彈性可以降低模組內的應力，同時達到更好的熱連線和優良的機械鍵，並且在效能上沒有明顯的下降。
此外,乙個特殊的sbsn(antimony-tin)焊接取代了bisn(bismuth-tin)之間的焊接通常使用p / n半導體元素和銅互連(圖5)。sbsn焊料的更高的熔點為235°c,而bisn 138°c,所以提供了優越的熱疲勞效能和更好的抗剪強度。
arctec結構增強圖提高了可靠性和熱效能。
提高可靠性和熱效能
為了提高可靠性，arctec結構模組的p/n元素由優質矽製成，比其他模組使用的要大2.7倍。這確保了更均勻的冷卻效能，避免了導致工作壽命縮短的不均勻溫度。圖6通過比較傳統的peltier模組(頂部)和arctec結構模組(底部)的紅外影象，說明了對溫度分布的影響。arctec結構模組的優越的p/n元素也有助於使冷卻時間提高50%以上。
改進了arctec結構模組中溫度分布的影象。
通過對暴露於熱迴圈的peltier模組內部阻力變化的分析，可以證明arctec結構模組的預期壽命提高。由於peltier模組內部的電阻變化與粘結失效密切相關，因此分析這一趨勢提供了乙個有用的生命跡象。圖7所示的結果進一步證明了arctec結構對預期壽命的顯著改善。
通過監測電阻變化來評估可靠性。
圖7:通過監測電阻變化評估可靠性
結論
雖然熱電製冷的物理原理已經被人們理解了好幾代，但是適合的peltier模組的到來，已經準備好被設計成商用電子產品，這是乙個相對較新的現象。有許多優點，包括更快的響應速度，改善的溫度穩定性和更大的靈活性來控制關鍵裝置的溫度，如ics，雷射二極體或感測器。隨著設計師對產品和設計技術的熟悉，許多新的和創新的peltier模組應用程式將應運而生。
在選擇peltier模組和設計控制電路時，應注意在其熱限制範圍內操作模組。今天的最先進的peltier模組，設計了靈活的內部互連和高純度的p/n顆粒，已經開啟了進一步改進的熱響應和可靠性。
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