TEC热电制冷器

什么是TEC热电制冷器

» TEC热电制冷器是半导体致冷器，又称帕尔贴。TEC热电制冷器是基于帕尔贴效应开发的固态加热、制冷器件。

TEC热电制冷器的原理

» TEC热电制冷器的原理由同时发生的五种不同效应组成。其中赛贝克、帕尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的。另外两种效应是热的不可逆效应，即焦耳和傅立叶效应。

TEC第一效应-赛贝克效应

» 塞贝克（Seeback）效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。赛贝克最直接的应用是热电发电片。 为了说明塞贝克效应，让我们来看一下图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。

TEC第二效应-帕尔帖效应

» 帕尔帖效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应，帕尔帖效应最直接的应用就是半导体制冷片。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。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=pxy×I。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。

TEC第三效应-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。

TEC第四效应-焦耳定律

» 焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。 焦耳定律数学表达式：Q=I2×Rt 或热功率P=I2×R （适用于所有电路）其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳(J)、安培(A)、欧姆（Ω）、秒（s）和瓦特（W）。

TEC第五效应-傅立叶效应

» 傅立叶效应指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。Q=k(S/L)(Th-Tc)=KdT 其中:k:导体的热导率；K:导体的总热导；Th：热端的绝对温度；Tc：冷端的绝对温度。

TEC热电制冷器的特点

» 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。

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

TEC关键部件散热器

» 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。

TEC热电制冷器的安装

» 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。

TEC热电制冷器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。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。

(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。

» 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.

TEC热电制冷器树脂胶黏结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。例如一冷科技公司生产的发电片系列的热电制冷器来说，一般的工作温度是在200 ℃。

TEC热电制冷器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15×15 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。

TEC热电制冷器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。