1、中星半導體制冷組件使用手冊、八 刖言溫差電致冷現象已發現一百五十多年了。1834年法國科學家珀爾帖Peltier發現了一種效應，在兩個不同導體組成的回路中通電時，一個接頭吸熱，另一個接頭放熱。這就是所謂珀爾帖效應。1911年，德國人Altenkirch用實驗證實了此效應可以致冷，提出溫差電致冷的理論，并得到溫差電致冷器根本參數的 熱力學公式。本世紀 50年代，由于半導體材料制造技術的突破，溫差電致冷技術獲得了較快開展。溫差電致冷組件是利用珀爾帖效應工作的熱泵，可用于致冷，也可以致熱。它是一種沒有轉動部件的 固態器件，壽命長，工作時無噪聲，又不會釋放有害物質如氟氯烴，能在任意角度安裝運行，調節電

2、壓或電流時可以精確控制溫度。由于它具有的一系列優點，在國防、工業、農業、科學研究各領域都得到了 廣泛的應用當前，溫差電致冷器在中致冷功率在100W500W范圍、小致冷功率低于100W功率的應用占極大局部。在某些小功率場合已經是并將仍然是唯一可用的致冷方式。在激光二極管、CCD器件、紅外探測器的冷卻等小功率應用領域，應用相當普遍。中功率應用領域，溫差電致冷也有相當大的市場，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用年增長超過20%。大功率致冷功率大于500W溫差 電致冷器，包括電子儀器空調艙、計算機空調機等，在權衡空間大小、重量、可靠性、運 行方式等要求后，在軍用領域是竟

3、爭力的。1工作原理、結構與制造工藝流程在兩個不同的導體組成的回路中通電時，一個接頭吸熱，另一個接頭放熱，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，那么另一個接頭就開始冷卻，一直到從周圍介質中傳入 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爾帖熱為止。在熱平衡條件下，冷接頭 的熱平衡方程為：Qc=aTcl-0.5l 2R-KTh-Tc方程式中第一項為哪一項珀爾帖熱，a稱為材料的塞貝克系數。其實，塞貝克系數與冷面溫度的乘積就是該材料 對在冷接頭處的珀爾帖系數。方程中第二項是焦耳熱的一半，我們假設通電過程中熱偶上產生的焦耳熱有 一半傳到冷接頭。方程中的第三

4、項是由傅利葉熱傳導定律決定的由熱接頭傳導到冷接頭的熱量。在說到溫差電材料和溫差電組件時經常提到優值有的文獻那么用品質因子的說法的概念，以表示溫 差電材料和組件熱電性能的好壞。溫差電材料的優值與它的塞貝克系數、電導率和熱導率有關，定義為：z = a2 6/ k公式中優值z的單位是1/K，塞貝克系數a的單位是V/K，電導率6的單位是S/cm，熱導率k的單位是w/ cm - k o常規的單級溫差電致冷組件是由假設干對溫差電偶電串聯構成。溫差電元件呈矩形截面。流行的結構中銅制導流片連接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。多級溫差電致冷組件，常規的結構方式是上一級的熱面作為下

5、一級的冷面，如此疊加成的多層次組件，通常呈金字塔形式。一般情況下，各級溫差電偶串聯供電。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域熔煉法可以用電阻 爐區熔，也可以用高頻區熔、布里奇曼法等熔融生長法制備的定向多晶。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的贗二元Bi2Te3-BiSe3，以及由Bi2Te3- Sb2Te3- Bi2Se3組成并摻一定量雜質的贗三元材料。優值在 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 ,用切片機按溫差電元件的高度切成片 , 再用劃片機切成所需 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 138C的焊料焊接，長期工作溫度為 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，使用較高熔點的焊料制作，最高持續工作溫度為150C。2 溫差電致冷的優越性a小型化：一般情況下，溫差電致冷器外形尺寸和體積遠遠小于機械制冷系統，重量也比擬輕。各種標 準的和特殊的尺寸以及結構的溫差電致冷組件可供選擇，適用于各種應用的需要。b具有致冷和加熱兩種功能：改變直流電源的極性，同一致冷器可實現加熱和致冷兩種功能。c 精確溫控：使用適宜的閉環溫控電路，可實現溫度控

7、制。溫差電致冷器控溫精度可優于±0.1 C。d高可靠性：溫差電致冷組件為固體器件，無運動部件，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。e工作時無聲：與機械制冷系統不一樣，溫差電致冷器工作時不產生噪音。f 可使用常規電源：溫差電致冷器對電源要求不高。可使用一般直流電源，工作電壓和電流可在大范圍調整。g可實現點致冷：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具有發電能力：假設在溫差電致冷組件兩面建立溫差，那么可產生直流電。可利用溫差電致冷組件制作小 功率發電裝置。i 綠色器件：溫差電制冷器不會釋放氟氯烴或其它有害化學物質，不危害環境。溫差電致冷

8、器是一種綠 色無公害半導體器件。3 性能參數與曲線反映溫差電致冷組件的熱電性能的主要參數是最大溫差電流、 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，冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能到達最大溫差時的工作 電流，單位 A。最大溫差 max指的是熱面溫度 27C，冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能到達最大溫差，單位C,此時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荷，單位W此時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，冷面無熱負荷時

9、，溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作時的電壓，單位 V。有時，還用到性能系數這個概念。溫差電致冷組件的性能系數定義為致冷功率致冷運行時或致熱功 率致熱運行時與輸入功率之比值。一般情況下，溫差電致冷組件致熱運行時性能系數大于1。4 分類與命名方法溫差電致冷組件可分為單級溫差電致冷組件和多級溫差電致冷組件。單級溫差電致冷組件指的是只有一 個熱面和一個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，將上一級溫差電致冷組 件的熱端與下一級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用過程中與熱

10、交換器構成一個完整的系統，用于加熱。按熱交換器型式進行分類，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。 我國已經在中國電子科技集團公司部頒標準( SJ2856-88 )中公布了溫差電致冷組件的型號命名法。溫差 電致冷組件的型號由六局部組成。第一局部代表溫差電致冷組件，用TE表示；第二局部表示結構類別，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；第三局部表示級數，如1表示一級，3表示三級；第四局部表示組件內溫差電偶總對數，用三位阿拉伯數字表示；第五局部用兩位數字表示溫差電致冷組

11、件 的最大溫差電流值，對 C型溫差電致冷組件而言，取最大溫差電流的整數值，對于S型溫差電致冷組件而言，組件的最大溫差電流的 10部才是型號的數值；第六局部表示溫差電致冷組件外外表的狀態，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，型號為TEC1-12705TT的致冷組件，是一種陶瓷式單級致冷組件，由127對溫差電偶構成，其最大溫差電流為5A，它熱面和冷面外側都有金屬化層。5 產品目錄5.1 產品目錄標準的單級溫差電致冷組件、微型單級溫差電致冷組件、多級溫差電致冷組件的性能參數見附錄1。5.2 結構形式溫差電致冷組件的結構型式有如下四種。第I種結構型式為常規單級

12、溫差電致組件的結構型式。第W種結構型式為常規多級溫差電致冷組件的結構型式。目前 ，第U種結構型式單級溫差電致冷組件有TES1-01810、TES1-01815、TEC1-12704、TEC1-12706、TEC1-12708溫差電致冷組件，第山種結構型式單級溫差電致冷組件有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) 安裝多于一個組件時，組件厚度公差在土0.05m m以內。4) 組件熱面和冷面分別涂一均勻的薄層導熱硅脂。5) 將組件放置在熱槽和

13、被冷卻物體之間 ， 四個或六個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熱環氧樹脂。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 ， 即是銅材或已經涂復的鋁材。2) 將低溫焊料預先掛在熱槽和組件外表，低溫焊料的熔點至少比焊接組件的焊料的熔點低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) 在適當溫度下進行焊接。6) 冷卻后去除焊劑等剩余物。注意：焊接法有損壞組件的風險，必須進行溫度控制，以防止組件過熱。當最終產品須熱循環運行 時,最好不使用焊接法。7使用與維護選擇溫差電致冷組件時，必須預先知道三個應用參數，即熱面溫度Th,冷面溫度Tc,致冷功率Qc即熱負荷 溫差電致冷組件的熱面溫度與散熱方式有關。通常，溫差電致冷組件散熱方式有水冷、強迫風冷、自然風 冷三種。如用強迫風冷散熱時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高1015C，如用自然對流冷卻時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高2040 'C,如用水冷散熱時溫差電致冷組件的熱面溫度一般比環境溫度高 25

15、C。單級溫差電致冷組件最大溫差可達6070 C。如要求致冷器溫差超過此范圍，必須選用多級溫差電致冷組件。如要采用多級致冷組件，那么要確定用幾級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和多級溫差電致冷組件可能到達的最大溫 差見表 1表1各級溫差電致冷組件的溫差范圍級數最大溫差C160-70280-95395-1104100-1206120-1358130-140熱負荷有主動熱負荷和被動熱負荷之分。被動負荷包括輻射熱負荷、對流熱負荷和傳導熱負荷。在設 計系統前應領先根據實際應用情況把主動熱負荷和被動熱負荷估算岀來。使用溫差電致冷組件時，一定要注意以下幾點：1.

16、溫差電致冷組件致冷運行時，熱面必須散熱。必要時，可在散熱器上安裝熱保護繼電器，以防止致 冷組件過熱而損壞。下面，分三種散熱情況進行討論。 水冷散熱：即利用一水套銅質或鋁質，接上自來水管，讓流水將熱量帶走。 強迫風冷散熱：采用肋狀鋁質或銅質散熱器，并配以軸流風扇或離心風扇，將溫差電致冷組件熱面 的熱量帶走。 自然風冷散熱：采用較強迫風冷大得多的鋁質或銅質肋狀散熱器，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最正確致冷效果，致冷器內部冷熱面之間應當絕熱。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，電源的波紋系數應不大于10 %。電源的紋波系數為10 %時，致冷組件的溫差減少2%;電源的紋波系數為 20%時，致冷組件的溫差減少 5%。多級溫差電致冷組件和低電平信號。4. 可改變單級溫差電致冷組件工作的方向，使其在致冷或致熱狀態運行。但多級溫差電致冷組件只 能在致冷狀態工作，不可隨意改變電流方向。8訂貨須知8 . 1常規的單級溫差電致冷組件和多級溫差電致冷組件，連續工作時最高工作溫度為+80 C，冷熱面陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，外側無金屬化層。常規單級溫差電致冷組件的高度公差

18、為土0.25mmt8. 2如有需要，訂貨時應作如下說明：1熱、冷面外側金屬化。2熱面外側金屬化。3冷面外側金屬化。4連續工作時最高工作溫度+ 150%'C。5連續工作時最高工作溫度+ 200%C。8 . 3我所可滿足用戶如下特殊要求：1熱面陶瓷片外側預掛+ 96 C焊料。2熱、冷面陶瓷片外側預掛+ 96 C焊料。3熱面陶瓷片外側預掛+ 117C焊料。4熱、冷面陶瓷片外側預掛+ 117C焊料。5熱面陶瓷片外側預掛+ 138C焊料。6熱、冷面陶瓷片外側預掛+ 138C焊料。7高度公差土 0.025mm。8電信級溫差電致冷組件，預先進行高強度老化篩選。9提供溫差電致冷組件的測試數據、有關的性

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單級溫差電致冷組件性能參數SINGLE STAGE THERMOELECTRIC COOLING MODULES型號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)(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