半導體熱電制冷器詳細技術(shù)說明

1.0熱電制冷的介紹熱電制冷器，也被稱為珀爾帖制冷器，是一種以半導體材料為基礎，可以用作小型熱泵的電子元件。通過在熱電制冷器的兩端加載一個較低的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個熱電制冷器上就可以同時實現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。因此，熱電制冷器還可以用于精確的溫度控制。1.1.1為了給新用戶提供一個熱電制冷器制冷量的大致概念，我們首先以一個典型的單級熱電制冷器為例。將這個單級熱電制冷器放置在散熱器上，使其保持在室溫。然后將其連接在一個適當?shù)碾姵厣匣蛘咧绷麟娫瓷?，制冷器的冷端溫度會降低到大約-40°C。此時，制冷器上將達到相對熱平衡狀態(tài)，而且制冷器兩端將達到最大的溫差（）。如果向冷端不斷輸入熱量，冷端溫度會逐漸增加，直到與熱端溫度相同。這一時刻，制冷器會達到最大制冷量（QmaX。1.2熱電制冷器與傳統(tǒng)的機械式制冷器都遵循相同的熱力學法則，并且，盡管兩者的組成形式有很大不同，但是其工作原理卻是相同的。在機械式制冷單元中，首先使用壓縮機增加液體的壓力，使制冷劑在體系中循環(huán)流動。然后，制冷劑在冷凍區(qū)固化，在隨后的升華過程中吸收熱量使冷凍區(qū)溫度降低。而在冷凍區(qū)被吸收的熱量被運輸?shù)綁嚎s機，并通過制冷劑壓縮這個過程將熱量傳遞給環(huán)境。相對的，在熱電制冷系統(tǒng)中，摻雜的半導體材料就充當了液態(tài)制冷劑的作用，而冷凝器被散熱器所取代，壓縮機被直流電源所取代。通過在熱電制冷器上加載直流電源，使半導體中的電子發(fā)生運動。在半導體材料的冷端，熱量被電子運動所吸收，這些電子運動到材料的另外一端，即熱端。由于材料的熱端連接在散熱器上，熱量也就從材料體內(nèi)傳到散熱器上，然后再被輸送到環(huán)境中。1.3盡管商業(yè)化的熱電制冷器在60年前后才有所發(fā)展，但是熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀早期。第一個與熱電理論相關(guān)的重要發(fā)現(xiàn)是在1年由德國科學家托馬斯?塞貝克發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，在一個由兩種不同金屬導體構(gòu)成的閉合回路中，當兩個接頭的溫度不同時，回路中會有持續(xù)的電流流動。然而，實際上塞貝克沒有給出他這個發(fā)現(xiàn)的科學解釋，并且，他錯誤的假設熱流的流動與電流的流動能夠產(chǎn)生相同的效果。在年，一個法國制表師兼物理學家簡?珀爾帖在研究塞貝克效應的過程中發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象具有一個相反的現(xiàn)象，也就是當閉合回路中有電流流動的時候，兩個接頭之一會吸熱，而另一個會放熱。20年后，威廉姆?湯姆遜（即開爾文勛爵）為塞貝克效應和珀爾帖效應提出了一個系統(tǒng)的解釋，并建立了兩者的關(guān)系。但是此時，對這些現(xiàn)象的研究仍然僅僅局限在實驗室中，并沒有發(fā)現(xiàn)任何實際應用的可能性。在20世紀30年代，俄羅斯科學家們開始通過研究一些早期的熱電效應，試圖在一些偏遠地區(qū)建立熱電的發(fā)電站。這些俄羅斯科學家對熱電材料的興趣最終擴展到了全世界，并且激發(fā)了熱電制冷器在實際應用中的發(fā)展。如今的熱電制冷器，主要應用現(xiàn)代半導體技術(shù)，使用摻雜的半導體取代了早期實驗中的兩種不同的金屬導體。1.4塞貝克、珀爾帖、湯姆遜效應和其他一些現(xiàn)象共同組成了功能性熱電制冷器的基礎。下面我們簡要介紹一下這些熱電效應。1.4.1塞貝克效應：為了說明塞貝克效應，讓我們來看一下圖1.1中熱電偶閉合環(huán)路的簡圖。兩種金屬分別標記為材料X和材料Y。在典型的測量溫度的應用中，熱電偶A是作為參比溫度而保持在一個相對較低的溫度。熱電c偶B端用來測量所需要的溫度T。當B端被加熱時，在T1和"現(xiàn)電壓。這個電壓，也h2兩端會出0被稱為塞貝克電動勢，可以表示為V=aX(T-T)。0xyhc其中，V0是輸出電壓，單位是V；axy代表兩種材料的塞貝克系數(shù)之差，單位是V/K；Th和分別表示熱電偶的熱端和冷端溫度，單位是K。1.4.2珀爾帖效應：如果將熱電偶的閉合回路改成如圖1.2所示，就可以獲得一個完全相反的現(xiàn)象，我們稱之為珀爾帖效應。

IVIa擔「i呂IXIVIa擔「i呂IXTnMaterialYBMateriaEY當在兩個節(jié)點T1和2輸入電壓，回路中會產(chǎn)生一個相應的電流/。接頭A處的熱量會被吸收，從而產(chǎn)生一個微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個接頭B處，隨著熱量流入，溫度會升高。鑒于這個效應是可逆的，所以如果將電流反向，熱流的方向也隨之反向。珀爾帖效應的數(shù)學公式可以表示成：QC或者h=Pxy"其中，pxy代表兩種材料和y的珀爾帖系數(shù)之差，單位是V；I是電流，單位是A；Qc和分別代表制冷和加熱的速率，單位是w。隨著電流的流動，導體中同時也會產(chǎn)生焦耳熱，大小可以用2R（R是電路中的電阻）表示。這個焦耳熱效應與珀爾帖效應相反，將導致制冷器制冷效果的降低。1.4.3湯姆遜效應：當電流在已經(jīng)存在溫差的導體中流動時，熱量會被吸收或者被放出。而電流方向和溫差之間的相對關(guān)系決定了材料在這個過程中是吸收熱量還是放出熱量。這一現(xiàn)象，我們稱為湯姆遜效應。湯姆遜效應在理論研究中非常有趣但是在實際的熱電制冷器中卻沒有太大作用，所以我們一般忽略它。2.0熱電技術(shù)的基本原理2.1熱電材料：在目前的熱電制冷器件中最常用到的半導體熱電材料是碲化鉍。目前工業(yè)上已經(jīng)可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍塊體或者器件單體。熱電材料的制備方法通常是熔體定向晶化法或者粉末壓制成型法。每種制備方法都具有各自的優(yōu)勢，定向生長的方法更為普遍。除了碲化鉍之外，另外還有包括碲化鉛，硅鍺合金，鉍銻合金等體系分別應用在不同的條件下。圖2.1是不同材料的熱電優(yōu)值系數(shù)隨溫度變化的曲線。從圖中，我們可以看出，碲化鉍的最大熱電優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在室溫，適合于大多數(shù)熱電制冷的應用條件。TypicalFigure-of-Merit(Z)

forSeveralTEMaterialsBf2Te3Bf2Te3PbTeSiGee(2.1)各種熱電材料的熱電優(yōu)值系數(shù)與溫度變化的曲線示意圖碲化鉍基熱電材料：碲化鉍晶體具有很多性能特點，使其成為很好的熱電材料。碲化鉍晶體具有天然的各相異性。這導致碲化鉍在平行于c軸方向比垂直于c軸方向的電阻要大四倍。同時，平行于c軸方向的熱導比垂直于軸方向要大2倍。也就是說，電阻的各向異性現(xiàn)象比熱導要明顯，所以，最大的熱電優(yōu)值系數(shù)出現(xiàn)在平行于c軸的方向上。由于這種各向異性，在熱電單體組成熱電制冷器的過程中，晶體生長方向要平行于每個單體的長度或者高度方向而垂直于陶瓷基底。另外，碲化鉍還有一個與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的有趣特征。碲化鉍晶體是由許多相似的六方層狀結(jié)構(gòu)組成的。Lfei］［日川用勺閃口』］“J丄日口口/_bib.CnYalerilBanding*□□valentBending——vainderVUa-alsBnrudingPlane-)碲原子和鉍原子層被共價鍵緊密的結(jié)合在一起，而碲原子［Tel］和碲原子［Tel］之間是由相對較弱的范德華鍵連接的。因此，碲化鉍的解理面是沿著［Te1］［Te1］原子層，這與云母的性質(zhì)非常相似。幸運的是，解理面一般是與c軸平行的，所以在熱電制冷器中的材料是非常堅固的。通過定向生長得到的碲化鉍材料通常是鑄錠狀態(tài)，需要通過切片得到不同厚度的晶圓。表面進行適當處理以后，這些晶圓被進一步切割，以獲得可以組裝成熱電制冷器的塊體。另外，碲化鉍塊體，也稱為單體，也可以通過粉末壓制成型技術(shù)制備。2.2熱電制冷器件：實際應用中的熱電制冷器一般包括兩個或多個半導體電偶臂。使用導電和導熱性都比較好的導流片串聯(lián)成一個單體。而一個熱電制冷器一般是由一對或者多對這樣的單體重復排列而成，從電流通路上看，呈串聯(lián)方式；從熱流通路上看，呈并聯(lián)方式。這些單體和導流片通常都被安裝在兩片陶瓷基板之間。這些基板的作用是將所有的結(jié)構(gòu)機械性的連接在一起，并且保持每個單體與其它結(jié)構(gòu)和外界焊接面之間相互絕緣。當安裝好所有的部件之后，這些熱電制冷器一般是2.5-50mm的正方形表面，高度為2.5-5mm的塊體。e（2.2）典型熱電制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1熱電制冷器中需要同時使用p型和n型碲化鉍材料。使用這種排布方法可以保證，在電流沿著p型和n型電偶臂在基片之間來回流動時，熱流只是沿著一個方向運動。通過摻雜使n型材料中產(chǎn)生過量的電子（多于組成完整晶格結(jié)構(gòu)需要的電子數(shù)）而在p型材料中產(chǎn)生空穴（少于組成完整晶格結(jié)構(gòu)需要的電子數(shù)）。這些n型材料中的多余電子和p型材料的空穴就是熱電材料中負責輸運電能和熱能的載流子。圖2.2描述的是一個典型的熱電制冷器在加載電流之后，熱量輸送的過程。大多數(shù)熱電制冷器是由相同數(shù)量的n型和p型電偶臂所組成的，這里一個型和一個型電偶臂組成了一對溫差電偶對。比如說，上圖所示的模型里面有兩對p型和n型電偶臂，也就是說有兩對溫差電偶對。在熱電制冷的過程中，熱流（被實際吸收在熱電制冷器里面的熱量）正比于制冷器上加載的直流電流的大小。通過在0到最大值之間調(diào)整加載電流的大小，可以調(diào)整和控制熱流和溫度。3.0熱電技術(shù)的應用3.1熱電制冷器具有很廣闊的應用領(lǐng)域，包括軍事、醫(yī)療、工業(yè)、日常消費品、科研/實驗室和電信行業(yè)等。從家庭野餐時食物和飲料的冷藏柜到導彈或者航空器上面極其精密的溫度控制系統(tǒng)，都已經(jīng)存在許多具體的應用實例。與普通的散熱器不同，熱電制冷器既可以在很寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)保持物體的溫度恒定，又可以將物體的溫度降低到環(huán)境溫度以下?？梢哉f，熱電制冷器是一個主動的制冷體系而普通散熱器只能提供被動制冷。一般情況下，熱電制冷器可以應用在熱量轉(zhuǎn)移量從幾毫瓦到幾千瓦的范圍內(nèi)。包括大電流和小電流制冷器在內(nèi)的大部分單級熱電制冷器都可以在每平方厘米表面積上傳遞最大達到-6瓦的熱量（20-40瓦每平方英寸）。對于多級熱電制冷器而言，從熱流通路上看，制冷器的安裝方式呈并聯(lián)方式，從而增加總的熱輸運效果。過去，千瓦級的大型熱電制冷系統(tǒng)主要應用在一些專門的領(lǐng)域里，比如潛水艇和火車上的制冷系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)證明，這種級別的熱電制冷系統(tǒng)在半導體生產(chǎn)線上同樣具有很高的應用價值。3.2熱電技術(shù)的典型應用CCD（電荷耦合器件）CID（電荷注入器件）NEMA墊圈半導體晶圓探測器冰箱和便攜冰箱系統(tǒng)（飛機、汽車、輪船、賓館、野餐、制藥、胰島素、手機等）?參比冰點參量放大器沉浸式制冷器持續(xù)制冷設備除濕器低噪音放大器電泳電池制冷器電子封裝制冷發(fā)電機（小型）飯店自動取水機?慣性制導系統(tǒng)光導攝像管制冷器光電倍增管防護罩航空電子黑匣子制冷恒溫槽?恒溫浴紅外導彈紅外輻射定標和黑體源紅外探測器環(huán)境分析?酒柜激光二極管制冷器激光準直儀集成電路制冷攪拌制冷器緊湊型換熱器晶圓熱特性分析精密設備制冷（激光和微處理器）冷板冷柜量熱器露點濕度計切片機制冷熱密度測量熱視儀和瞄準器熱循環(huán)系統(tǒng)（DNA和血液分析儀）滲壓機生物學組織制備和儲存濕化學過程溫度控制微處理器制冷夜視儀飲用水和飲料冷卻自掃描陣列系統(tǒng)4.0熱電技術(shù)的優(yōu)點4.1在一些只需涉及較低或者中等熱量傳輸，但是需要復雜控溫的熱控過程中，熱電制冷器可以提供很大的幫助，而且，在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的，熱電制冷器也并不能應用在所有的領(lǐng)域，但是與其他制冷設備相比，熱電制冷器具有很多優(yōu)勢其中包括：?沒有運動部件：熱電制冷器在工作的時候只用到電能，不會有任何運動的部件，這樣一來，它們基本上不需要維護保養(yǎng)。體積和重量很小：一個熱電制冷系統(tǒng)的體積和重量要遠遠小于相應的機械式制冷體系。除此之外，對于各種嚴格的應用要求，有各種標準的或特殊的尺寸和布局方式可供選擇?？梢越禍氐江h(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電制冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件。精確的溫度控制：由于熱電制冷器具有一個閉路溫度控制循環(huán)，它可以在.10°C范圍內(nèi)精確地控制溫度。高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應用條件有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達到0,000小時以上。電子靜音：與傳統(tǒng)的機械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會產(chǎn)生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運行過程中也不會產(chǎn)生任何噪音。可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以再任意角度和零重力狀態(tài)下工作所以，在航天器械中應用非常廣泛。簡單方便的能源供給：熱電制冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。點制冷：應用熱電制冷器，可以做到對單獨的單元或者很小的區(qū)域進行制冷，因此可以避免冷卻整個封裝器件或外殼時可能造成的能源浪費。發(fā)電：通過在熱電制冷器上加載溫差來使用其“逆過程”，可以將其變?yōu)橐粋€小的直流發(fā)電器。環(huán)境友好：傳統(tǒng)的機械式制冷系統(tǒng)在工作時不可避免的需要用到氟利昂或其他化學物質(zhì)，這些物質(zhì)對環(huán)境非常有害。而熱電器件不會涉及這些化學物質(zhì)，并且工作過程中也不會產(chǎn)生任何有害氣體。5.0散熱器的選擇5.1熱電制冷器在工作時是作為一個熱泵，將熱量從一點轉(zhuǎn)移到另一點，而不是普通的吸熱過程或者魔術(shù)般的將熱量消耗掉的過程。通電之后，熱電制冷器的一面會變冷而另一面變熱。被制冷一面的熱量將被傳遞到熱端，完全符合熱力學過程。為了完成一個熱流的循環(huán)過程，熱電制冷器的熱端必須要連接在一個合適的散熱器上，從而釋放掉從冷端傳遞過來的熱量和器件運行過程中產(chǎn)生的焦耳熱。?散熱器在熱電制冷系統(tǒng)中是不可或缺的部分，所以這里必須單獨強調(diào)一下其重要性。由于所有的熱電制冷器件的使用性能都與散熱器的溫度有關(guān)，所以我們在散熱器的選擇和設計過程中需要非常認真。?理想的散熱器需要具有吸收無限的熱量而不會引起溫度增加的能力。但是這在實際上是不可能達到的，所以設計者必須選擇一種散熱器在吸收了從熱電制冷器件傳來的全部熱量之后，溫度的增加量能夠保持在可以接受的范圍內(nèi)。這里，盡管所謂的“散熱器的溫度增加量在可以接受的范圍內(nèi)”是與不同的應用環(huán)境相關(guān)聯(lián)的，但是由于熱電制冷器的制冷量是隨著溫差的增加而減小的，所以在設計時一定要盡量減小散熱器的溫度增加量。對于目前市場上流通的典型熱電制冷器的應用來說，散熱器的溫度高于室溫5-15°C是比較常見的。?目前，有很多種散熱器可供選擇，其中包括自然對流式、強制對流式、和液體冷卻式三種。自然對流式散熱器可以在功率非常低的應用條件下使用，特別是當小型熱電制冷器的工作電流在2A以下時。而對于大部分應用條件來說，自然對流式散熱器并不能滿足將所需熱量全部排出的要求，這時就需要使用強制對流式散熱器或者液體冷卻式散熱器了。?散熱器的性能一般使用熱阻（QJ來衡量：?T-TsaQs=__sQ其中，Qs是熱阻，單位是C/w；Ts是散熱器溫度，單位是C；Ta是環(huán)境或者冷端溫度，單位是C；Q是對散熱器輸入的熱量，單位是wo根據(jù)不同的應用條件，熱電制冷器需要有不同種類的散熱器與之相匹配，并且，還會有不同的機械約束條件，使整個設計過程非常復雜。由于每種應用條件都不相同，很難推薦一種單一的散熱器結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)條件。我們?yōu)榭蛻籼峁┒喾N散熱器和液體熱交換器的成品，可以滿足多種不同的應用需求。但是，如果您有任何需求，歡迎您聯(lián)系我們的生產(chǎn)部門咨詢相關(guān)信息。?一般來說，將熱電制冷器與散熱器組裝成為一個完整的熱體系之后，不用考慮熱損失或者熱電制冷器與散熱器連接處的溫度增加等問題。我們在這里列出的制冷器性能數(shù)據(jù)已經(jīng)包括了這種由于在熱端和冷端界面上使用導熱硅脂之后引起的熱損失。這里有一點需要注意，當在熱電制冷器上使用商業(yè)的散熱器之后，一些單體成品的表面不具有足夠的表面平整度。為了滿足所需的熱性能，平整度應高于1mm/m(0.001in/in),所以有必要進行額外的拋光、飛刀切割、或者打磨，以求滿足這種平整度的要求。?5.2.1自然對流式散熱器：一般來說，自然對流式散熱器只能用在涉及少量熱量流動的小功率條件下。盡管很難精確概括，但是大部分自然對流式散熱器的熱阻值要大于0.5°C/w，而且，多數(shù)情況下會達到°C/w。自然對流式散熱器的安裝位置要滿足兩個條件：(a),散熱片的長度方向要沿著空氣流動的方向，垂直方向的操作可以增強自然對流；(b),不可以有明顯的物理阻擋妨礙空氣流動。另外，我們還需要考慮到，在散熱器周圍會有一些其他的器件產(chǎn)生熱量，環(huán)境溫度會提高，從而對整體的使用性能產(chǎn)生影響。?5.2.2強制對流式散熱器：強制對流式散熱方法可以算是在熱電制冷器中應用得最常見的散熱方法。通過與自然對流式散熱器相比較，就可以發(fā)現(xiàn)其性能上的優(yōu)越性。合格的強制對流散熱系統(tǒng)的熱阻一般維持在.02~0.5C/w的范圍內(nèi)。許多標準散熱器擠型與合適的風扇配合就可以作為完整冷卻系統(tǒng)的基礎。應用中，既可以通過風扇或鼓風機獲得冷卻的空氣，又可以使空氣從散熱器的長度方向通過，或者通過將空氣朝向散熱器的中心吹入，使其在開口的兩端流出而獲得冷卻。一般來說，如果空氣從散熱器表面流入，可以加強渦流，增強傳熱效果，如圖5.1所示的第二種空氣流通模式，可以提供最佳的熱電制冷性能。為了獲得最佳的性能，單軸風扇的外殼應該焊接在距離散熱器8~20mm(0.31-0.75")的位置。另外，基于不同的應用條件還可能需要其他的布局方式。??圖5.1強制對流散熱系統(tǒng)的最佳氣流方式?在談到散熱器擠片的熱阻值時，需要說明特定的氣流條件。具體的關(guān)系式需要使用氣流速率，或者大多數(shù)風扇所提供的輸出體積來表示。輸出體積與氣體速率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是：?氣體速率=輸出體積/空氣通過的橫截面積??或者：英尺每分鐘=立方英尺每分鐘/平方英尺或者：米每分鐘=立方米每分鐘/平方米?5.2.3液體冷卻式散熱器：與前兩種散熱器相比，相同體積的液體冷卻式散熱器可以提供最好的性能，通過優(yōu)化設計，可以得到非常低的熱阻值。排除少量特殊情況，典型的液體冷卻式散熱器的熱阻通?？梢缘偷?.01~0.1°C/w。簡單的液體冷卻散熱器可以通過將銅質(zhì)渦輪焊接在銅板上得到，或者在金屬塊體上鉆孔使水從中通過。如果想得到更復雜的結(jié)構(gòu)，也就是更高的性能，可以在銅塊或者鋁塊上加工出精細的盤旋式水槽，然后用蓋板封閉整個體系。我們公司為熱電體系提供多種液體冷卻式散熱器。如果使用其他商業(yè)散熱器，要在安裝前需要首先確定平整度。盡管在很多應用條件下并不需要使用到液體冷卻，但是在一些特殊情況下，它可能是唯一的選擇。6.0熱電制冷器的安裝在這一部分手冊中，我們將為您詳細介紹安裝熱電制冷器的主要技術(shù)，主要包括以下四種?螺釘夾緊固定?樹脂膠黏結(jié)?焊接?軟墊或其他材料聯(lián)接6.1重要的安裝須知在制冷器體系中安裝熱電制冷器的技術(shù)是非常重要的。在安裝過程中如果沒有遵循一定的基本規(guī)則，結(jié)果將會導致不盡如人意的性能和可靠性。在系統(tǒng)設計和制冷器安裝過程中需要考慮到的一些因素主要包括：熱電制冷器在壓力條件下具有很高的機械強度，但是其剪切強度相對來說比較低。所以，不可以將熱電制冷器設計在起主要支撐作用的機械結(jié)構(gòu)體系中。體系中所有的界面之間必須保持相互平行，并且界面需要平整、潔凈，以降低熱阻。在界面處一般使用一些熱導比較高的材料來保證表面間的良好接觸。標準熱電制冷器的熱端和冷端可以通過導線的位置分辨出來。導線一般是焊接在熱電制冷器的熱端表面上，而熱端表面是與散熱器相接觸的。對于使用絕緣導線的熱電制冷器來說，紅色和黑色的導線分別與直流電源的正極和負極相連。熱流從制冷器的冷端通過整個制冷器進入散熱器。而對于使用裸線的熱電制冷器來說，如果將引線面向觀察者放置，而連有引線的基底朝下時，正極連接在制冷器的右邊，而負極連在左邊。當溫度降低到環(huán)境溫度以下時，被冷卻的物體應該盡可能的與空氣絕緣，以減少熱量損失。另外，為了減少對流損失，不應該安裝風扇，而應該將空氣直接吹到被制冷的物體上。同時，盡量避免被冷卻物體和外部的結(jié)構(gòu)單元直接接觸，也可以減少對流損失。當溫度降低到露點以下時，在冷卻的表面上會容易形成露或霜。如果潮氣進入熱電制冷器中，會大大降低其制冷性能。為了避免這種情況的發(fā)生，應該安裝有效的防潮密封保護。這層防潮保護層應該包裹著熱電制冷器，安裝在散熱片和被冷卻物體之間。彈性塑料絕緣膠帶、薄片材料或者RTV硅膠都可以作為防潮保護層，其安裝過程都很簡單，并且密封性能良好。安裝熱電制冷器的方法有很多種，但是在某些特定條件下必須使用某種特定的安裝方法。在下面的幾個章節(jié)中，我們列出了幾種可能的安裝技術(shù)。6.1.1高度公差：大部分熱電制冷器主要有兩種高度公差，+/---(0.001")。當在熱電部件中只使用一個制冷器的時候，可以考慮選擇公差為+/-0.25mm的制冷器，因為與對應的小公差制冷器相比，其價格相對低廉。然而，對于在散熱器和被制冷物體之間需要同時焊接多個制冷器的情況下，為了保證良好的傳熱，需要成組的精確比較所有制冷器的厚度?；谶@個原因，所有的多制冷器布局中，都需要使用公差為+/-的制冷器。6.2螺釘夾緊固定螺釘夾緊固定是一種最常見的安裝方法，它的主要過程是使用螺釘將熱電制冷器夾緊在散熱器和需要被冷卻的物體的一個平面之間。如圖6.1是這種方法的示意圖。通常在大部分應用條件下，我們都會推薦使用這種方法，具體的實施方法如下：將熱電制冷器需要進行安裝的表面，通過機械車床或者打磨的方法使之平整。為了達到最佳的制冷性能，表面的平整度需要在mm/m(0.001in/in)以內(nèi)。如果在給定的表面之間需要安裝多組熱電制冷器，這一組制冷器中的所有制冷器的厚度(或高度)都應該相互一致，厚度的最大偏差不能超過0.05mm(0.002")。如果制冷器的端面不完整需要特別標出。

夾緊螺釘需要相對于制冷器對稱的排布，從而在整個部件被夾具夾緊時，可以在制冷器上產(chǎn)生均勻的壓力。為了減少在螺釘上的熱損失，需要盡量使用可以滿足機械性能要求的尺寸最小的螺釘。對于大多數(shù)情況來說，不銹鋼螺釘M3或者夾緊螺釘需要相對于制冷器對稱的排布，從而在整個部件被夾具夾緊時，可以在制冷器上產(chǎn)生均勻的壓力。為了減少在螺釘上的熱損失，需要盡量使用可以滿足機械性能要求的尺寸最小的螺釘。對于大多數(shù)情況來說，不銹鋼螺釘M3或者3.5(4-40或者-32)即可以滿足要求。除此之外，還可以使用一些非金屬的緊固部件，如尼龍等。在小型的機械部件連接處還可以使用更小尺寸的螺釘。另外，緊貼每一個螺釘頭部的位置，還應該放置貝氏彈簧墊圈或者開□鎖緊墊圈，使得在系統(tǒng)零件熱膨脹或者收縮時其壓強保持均勻。.TIIIIIIIIIIITTTfflTlFiberWasherFlatMetalWasherBeESevilleWa^erStainlessSteeScrewTypicalFastenerComponents確保清潔制冷器和安裝表面，不會殘留任何毛刺或者灰塵。在制冷器的熱端表面涂覆一層很薄的導熱硅脂厚度一般為0.02mm/0.0001〃或小于該值)，并且將熱端面向下放置在散熱器上，然后放在需要的位置。輕輕的壓按制冷器然后來回轉(zhuǎn)動制冷器，將多余的硅脂擠壓出去。重復多次向下按壓和來回轉(zhuǎn)動的動作，直到感覺到少量的阻力為止。大和熱磁公司推薦使用美國石油供應公司y),AOS400型號的2號產(chǎn)在制冷器的冷端表面涂覆一層與上一步驟中使用的相同的導熱硅脂。將需要冷卻的物體放置在制冷器上并與冷端接觸。使用如上的步驟將多余的硅脂擠壓出去。使用不銹鋼螺釘和彈簧墊圈將散熱器和需要冷卻的物體固定在一起。為了保證良好的平行度,安裝時需要在安裝表面上保持均勻的壓力。如果施加的壓力非常不平衡，可能會降低器件的性能，甚至可能會損壞熱電制冷器。為了確保均勻施加壓力，首先從中心的螺釘開始手動將所有的螺釘旋入。然后使用可以顯示扭矩的螺絲刀逆時針方向逐一上緊所有的螺釘，并且逐漸增加扭矩，直到所有的螺釘上都獲得適當?shù)呐ぞ刂?。一般來說根據(jù)不同的應用條件，正常的安裝壓力在-100psi之間不等。如果沒有可以顯示扭矩的螺絲刀，可以使用如下步驟來估計出正確的扭矩值：逆時針方向上緊螺釘直到略有感覺,但是沒有完全鎖緊。然后同樣的逆時針方向，再將每個螺釘旋轉(zhuǎn)度直到感覺到彈簧墊圈的作用為止。在所有的部件第一次使用螺釘夾緊安裝的過程中，會有少量多余的導熱硅脂會被擠出。為了保證每個螺釘上都可以保持住適當?shù)呐ぞ?，在至少一個小時后需要重新按照上一步驟確認螺釘?shù)呐ぞ亍?i)注意：如果夾緊螺釘過緊可能會引起散熱片或者被冷卻物體表面的翹起變形，特別是如果這些部件是由很薄的材料加工而成的時候。這種變形將會降低器件的熱電性能，并且在大多數(shù)情況下，還會破壞整個體系。如果在安裝過程中,將夾緊螺釘適當靠近熱電制冷器或者使用相對較厚的材料可以有效的減小這種彎曲。另外，如果制冷器的熱端或冷端使用小于6mm的鋁片或者小于.3mm的銅片時，在執(zhí)行g(shù)步驟中所涉及的操作時需要相應的減小螺釘扭矩?！闏LAMPINGSCREWSCOOLEDOBJECTTE￡CLAMPINGSCREWSCOOLEDOBJECTTEM?Jule￡s)withThernalGreaseatTbpandBcrttcmSurfecesHEATSINK圖6.1在使用螺釘夾緊固定的方法安裝熱電制冷器的操作過程中，針對具體的熱電制冷器部件和安裝條件,可以使用如下方法計算得到相應的適當螺釘扭矩：T=((SaxA)/N)xKxd其中，T是每個螺釘上的扭矩，Sa在靜態(tài)下是50-75psi,在循環(huán)過程中取25-50psi；A表示制冷器的總表面積；N表示整個部件中所需要使用的螺釘數(shù)目；K是扭矩因子，(對于不銹鋼來說K=0.2，對于尼龍來說K=0.15)；d表示螺釘?shù)墓Q直徑。對于鋼材緊固部件，我們一般建議：-),4-40d=0.112in(0.284cm)。所以我們以使用4-40鋼螺釘為緊固部件的9個00/065/018制冷器為例，建議扭矩的計算公式如下：T=((75lbs/in.2x(.44"x.48")x9)/4)x0.2x.112in.=0.8in-lhs.6.3樹脂膠黏結(jié)第二種制冷器安裝方法主要用在一些特定應用條件下，其主要方法是在制冷器的一面或者兩面上都使用一種特殊的高熱導樹脂黏結(jié)劑。由于熱電制冷器中陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數(shù)都不相同，我們不推薦在較大的制冷器上使用樹脂膠黏結(jié)方法。如需要請及時咨詢應用工程師相關(guān)的具體操作方法。注意：對于需要在真空的應用條件下使用的熱電制冷器件,除非采取了適當?shù)拇胧﹣肀苊饴猓话悴煌扑]使用樹脂膠黏結(jié)的方法。使用樹脂膠安裝熱電制冷器的具體步驟如下：將熱電制冷器需要安裝的表面通過機械車床或者打磨的方法使之平整。盡管使用樹脂膠黏結(jié)的時候不需要太苛刻的平整度，但是一般還是需要將表面做到盡量平整。將制冷器和所有需要安裝的表面進行清潔去油，以確保不會殘留任何毛刺、灰塵和油污等。按照樹脂膠生產(chǎn)廠家的要求對表面進行適當?shù)念A處理。在制冷器的熱端表面涂覆一層很薄的導熱樹脂，將熱端面向下放置在散熱器上，然后調(diào)整到適當?shù)奈恢?。輕輕的壓按制冷器，并來回轉(zhuǎn)動制冷器將多余的樹脂擠壓出去。重復向下按壓和來回轉(zhuǎn)動的動作，直到感覺到少量的阻力為止。在制冷器上加壓重物或者使用夾具夾緊直到樹脂膠完全固化為止。對于具體的固化信息請咨詢樹脂膠生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)表格。如果需要采取箱式爐固化的方法，請先確認在加熱程序中溫度不會超過熱電制冷器的工作溫度。例如大和熱磁公司生產(chǎn)的95系列的熱電制冷器來說，一般的工作溫度是在00°C。6.4焊接只要保證采取了合理的保護措施避免制冷器過熱，就可以將外表面金屬化的熱電制冷器焊接到熱電部件中。為了避免制冷器受到過分的機械壓力，可以將制冷器的一個表面(通常是熱端面)焊接在一個剛性結(jié)構(gòu)部件內(nèi)。這里需要注意的一點是，如果將制冷器的熱端面焊接在一個剛性結(jié)構(gòu)中，那其他的元件或者小型電路就必須要焊接在制冷器的冷端面上，這樣元件或者電路就不能與外界結(jié)構(gòu)剛性連接。在焊接過程中，為了避免過熱會對熱電制冷器造成的損害，必須要精確的控制溫度。本公司的熱電制冷器可以長時間在較高的溫度(150-200C)下工作，所以在大部分需要使用焊接方法安裝制冷器的情況下都可以使用。同樣，在整個加工過程中溫度都不可以超出制冷器的工作溫度。由于熱電制冷器的陶瓷片、散熱器和被冷卻物體之間的熱膨脹系數(shù)都不相同，我們不推薦在大于x15mm2的熱電制冷器上應用焊接的方法。另外在任何需要涉及到冷熱循環(huán)的應用條件下，都不推薦適用焊接的方法。在焊接制冷器的過程中，有以下幾個步驟：(a)將熱電制冷器需要安裝的表面通過機械車床或者打磨的方法使之平整。盡管使用焊接方法的時候不需要太苛刻的平整度，但是一般還是要做到盡量平整。另外，散熱器的表面必須是一個可焊接的材料制成，比如銅或鍍銅的材料。(b)將制冷器和所有需要焊接的表面進行清潔去油，并且去除重氧化層。確保在需要焊接的區(qū)域不會殘留任何毛刺或其他異物等。在散熱器表面需要焊接的區(qū)域上使用適當?shù)暮噶项A鍍錫。所選擇焊料的熔點必須小于或等于需要安裝的熱電器件的最大使用溫度。當使用焊料在散熱器上鍍錫的時候，散熱片的溫度需要精確控制在適當溫度，這樣焊料可以融化但是溫度又不會超過相應熱電制冷器件的最大使用溫度值在熱電制冷器的熱端涂覆助焊劑，然后將制冷器放置在散熱器上預鍍錫的區(qū)域上。使制冷器在液態(tài)焊料上保持漂浮狀態(tài)，然后來回旋轉(zhuǎn)制冷器促進焊料與制冷器表面接觸。如果感覺到制冷器更傾向于沉入焊料中，而不是漂浮在焊料表面上，這說明焊料的量不足。此時，需要先取下制冷器，然后在散熱器上添加更多的焊料。d步驟中的動作幾秒之后，制冷器表面應該已經(jīng)被充分浸潤。將制冷器使用夾具夾緊或使用重物壓在所需位置。將散熱器從熱源上移開，使制冷器冷卻。充分冷卻之后，將制冷器進行去油處理，以去除多余的殘留助焊劑。軟墊或其他材料聯(lián)接現(xiàn)在已經(jīng)設計了很多種類的產(chǎn)品用來取代導熱硅脂作為界面材料。其中最常見的是硅基安裝軟墊了。由于最初這些硅基軟墊是用來安裝半導體材料的，所以對于熱電應用來說他們的熱阻會比較大。但是使用這種方法的優(yōu)點是可以減少生產(chǎn)所需時間和清潔時間，所以這種方法可以廣泛的應用于對器件損害較少的應用條件下。在這一領(lǐng)域比較領(lǐng)先的制造商包括uist公司，-fin公司。7.0供電裝置熱電制冷器件在工作時可以直接采用直流電源供電，并且其可適應的電壓范圍很廣，無論是電池還是給精細閉路溫度控制系統(tǒng)供電的簡單的不規(guī)則高壓直流電源均可使用。熱電制冷器是低阻抗的半導體器件，相當于在電源上加載一個電阻。由于碲化鉍材料的本征性質(zhì)，制冷器的電阻具有出正的溫度依賴因子，制冷器的平均溫度每升高1°C電阻增加大約為0.5%對于一些非臨界的應用條件來說，經(jīng)優(yōu)化后的傳統(tǒng)的電池充電器只要其交流紋波系數(shù)不會超載，就可以為熱電制冷器提供足夠的電量。如果為了達到簡單的溫度控制目的，可以使用標準恒溫器或者可變輸出的直流電源來調(diào)整熱電器件的輸入電壓。在某些熱載荷比較穩(wěn)定的應用條件下，使用手動調(diào)控的直流電源就可以保證在幾個小時溫度或更長時間范圍內(nèi)，溫度的上下波動不超過±1°C。如果需要精確控制溫度，一般需要使用閉路（反饋）系統(tǒng)，自動控制輸入電流的大小或者頻率。此時，溫度控制的精度保持可以在士0.1C,或更高的精度內(nèi)。7.2與其他典型的電子器件相比，對熱電器件來說是否安裝電源紋波系數(shù)的濾鏡并不是非常重要。然而我們?nèi)匀唤ㄗh將紋波系數(shù)的波動范圍控制在10%以內(nèi)，而且最好保持在＜5%的范圍內(nèi)。多級制冷和微弱信號檢測是兩種要求輸入電源具有更低紋波系數(shù)的應用條件。對于多級熱電制冷器來說，獲得更大的溫差是最終的目標，所以為了獲得最優(yōu)的器件性能，可能需要波紋系數(shù)小于2%。在需要檢測或測量非常微弱的信號的場合下，盡管熱電器件本身是電子靜音的，但是在制冷器或?qū)Ь€中如果有交流波紋信號出現(xiàn)，將會影響熱電器件的性能。所以在這種應用條件下，器件可以承受的紋波系數(shù)需要根據(jù)不同情況來逐一確定。7.3圖7.1是為一個71對溫差電偶，6安培熱電制冷器供電的簡單電源電路示意圖。這個電路的特點是使用了一個橋式整流器和電容輸入濾波器。也可以適當?shù)倪M行元件替換，如使用全波中間抽頭整流器或者在電容器之前加入一個濾波器。另外，與線性元件相比，具有尺寸和重量優(yōu)勢的開關(guān)電源，同樣也可以為熱電器件供電。REO4DM呼F15VDCREO4DM呼F15VDC13VAC10ABRIDGERECTIFIER10AMPI50PIV71GPL6AMODULE圖7.1為一個對溫差電偶，6安培熱電制冷器供電的簡單電源7.4圖7.2是一個典型的模擬閉合溫度控制器的電路示意圖。這個體系可以用來精確控制和保持物體溫度恒定，并且可以通過反饋電路自動更正溫度偏差。此外，對這個體系還可以進行很多優(yōu)化，包括將其改成數(shù)字或計算機控制系統(tǒng)。TEcrbC^M^JrlLFiWlIUSTTEcrbC^M^JrlLFiWlIUST圖7.2典型閉合電路溫度控制器的電路圖8.0熱電體系設計設計熱電制冷系統(tǒng)的第一步首先是分析體系整體的熱性能。這個分析過程對于某些應用場合來說可能非常簡單，而對于另一些場合可能高度復雜。如果想要獲得令人滿意的高效設計方案，這個分析過程是不可缺少的。另外一些更重要的需要考慮的因素我們將在下面幾個章節(jié)中談到。盡管在計算過程中需要進行一些簡化，這可能會影響單純的動力學過程，但是得到的結(jié)果除了極少數(shù)情況之外，仍然令人滿意，接近國際先進水平。注意：在本手冊中提到的設計信息，其目的是幫助那些需要冷卻設備或者是正在開發(fā)自己的冷卻設備的工程師和科學家。對于那些對熱電器件設計的細節(jié)沒有興趣的客戶，我們歡迎您直接咨詢我們的服務人員。大和熱磁公司致力于為客戶提供最有力的技術(shù)支持，并且我們的工程人員都具備復雜熱電相關(guān)系統(tǒng)的設計能力。有效熱載荷：有效熱載荷是指電子元件、“黑匣子”或者需要冷卻的系統(tǒng)所產(chǎn)生的有效熱量。對于大部分應用條件來說，有效熱載荷等于對被冷卻元件輸入的電能（電能=電壓X電流，w=VxA）,但是在另一些情況下，很難確定這種有效熱載荷。但是一般情況下，總的輸入電能就可以代表最大可能的有效熱載荷，我們建議您使用這個數(shù)值作為設計參數(shù)。熱損失：熱損失（有時也稱為熱泄露損失或者附加熱載荷）是由于被冷卻物體通過熱傳導、對流或者輻射所產(chǎn)生的熱量損失。熱損失可能產(chǎn)生在任何可以導熱的途徑中，如空氣、絕緣體和導線等。在沒有自身產(chǎn)熱的應用條件下，熱損失就表示熱電制冷器上的全部熱載荷。在一個制冷體系中總的熱損失的計算過程相對復雜，但是經(jīng)常可以采用一些基礎的傳熱公式計算出這些熱量損失。如果在給定設計中有任何不能確定的熱損失，我們建議您直接聯(lián)系我們的工程人員以獲得協(xié)助和建議。傳熱公式：這里給出了幾個基本的傳熱公式，以協(xié)助工程師評估一些設計或體系中的熱學參數(shù)。8.4.1固態(tài)材料中的熱傳導：固態(tài)材料中的熱傳導方程是在世紀早期由er提出的。熱傳導與給定塊體材料的幾何尺寸、熱導率和材料上存在的溫差有關(guān)。雖然熱導率隨著溫度變化會產(chǎn)生變化，但是實際的變化量很小，在我們的計算中可以將熱導率視為恒定。因此，以傳導方式進行的熱輸運可以在數(shù)學上表示為：Q=(K)(DT)(A)x其中，Q代表材料上的熱傳導的熱量，單位是W；K表示材料的熱導率，單位是W/m°C；A表示材料的橫截面積，單位是m2；x表示材料的厚度或長度，單位是m；DT表示材料冷熱端面之間的溫差，單位是C。8.4.2裸露表面與環(huán)境之間的對流：未進行絕緣處理的金屬表面上產(chǎn)生的熱損失能夠顯著的增加一個熱體系內(nèi)的熱載荷。IsaacNewton提出了一個關(guān)系式用來描述直接暴露在空氣中的冷卻表面的熱損失情況。為了說明裸露表面和周圍空氣間的熱耦合度，必須要在這個公式中引入了一個物理量，叫做熱輸運系數(shù)力。此時，這種形式的熱量損失(或獲得)可以用數(shù)學表達式表示為:QJJA其中，Q代表對周圍環(huán)境輸運的熱量，單位是w；h為熱輸運系數(shù)，對靜態(tài)空氣一般使用3-28C,對渦流空氣一般是用5-113C；A表示材料的暴露在空氣中的面積，單位是m2；x表示材料的厚度或長度，單位是m；DT表示材料表面和空氣之間的溫度差，單位是C。8.4.3同時發(fā)生熱傳導與對流:絕緣容器上的熱損失需要結(jié)合絕緣材料的熱傳導和絕緣表面對外界的對流損失來計算。所以從絕緣容器上的熱損失可以表示為:Q=(A)(DT)-^+1

其中，Q代表對通過外殼輸運的熱量，單位w；h為熱輸運系數(shù)，對靜態(tài)空氣一般使用3-28，對渦流空氣一般是用5-113°C；A表示材料的暴露在空氣中的面積，單位是m2；x表示絕緣材料的厚度，單位是m；DT表示外殼材料的內(nèi)外之間的溫度差，單位是C；K表示絕緣材料的熱導率，單位是W/mC8.4.4變溫時間：計算熱電器件制冷或者加熱一個物體所需要的時間是一些相對復雜的工作。為了獲得更精確的結(jié)果，我們需要對包括所有元件和界面在內(nèi)的整個體系進行更精細的分析。然而，使用這里列出的簡化方法，可以對一個體系的熱瞬時反應能力進行評估。(m)(C)(DT)pQ其中，t是溫度變化所需要的時間，單位為s；m是材料的質(zhì)量，單位是g；Cp是材料比熱，單位是丨g/C；DT是材料的溫差，單位是C；Q是材料傳輸?shù)臒崃?，單位是cal/s。注釋1:瓦特=0.239cal/s。注釋2：熱電制冷器的傳熱速率與制冷器上的溫差（DC成正比。為了估計制冷器在實際工作中的性能，當計算一個熱體系瞬間行為的時候需要使用平均導熱速率。平均導熱速率的計算方法是：Q=0.5（Q+Q）cc其中，在溫差為最小時的傳熱量（其中，在溫差為最小時的傳熱量（QCC的熱量。此時的溫差為零，傳熱速率最大。）是指加載直流電源時，熱電制冷器上最初傳遞溫差最大時的傳熱量（QC）是指當材料被冷卻到所需要的溫度時，熱電制冷器上所傳遞的熱量。此時的溫差為最大，傳熱速率最小。KK表示絕緣材料的熱導率，單位為U/hr-ft-°F8.4.5熱輻射：大部分熱電制冷器件主要應用在溫度相對較低的區(qū)間和很小的面積上，所以輻射熱損失一般可以忽略不計?？赡芪ㄒ恍枰紤]到輻射熱損失的情況是應用在接近其低溫極限時的深度制冷的多級制冷器。在這種情況下，一般可以考慮在其中一個低級制冷器上添加一個小型輻射屏蔽。通過安裝這個圍繞著上級制冷器和被冷卻物體的輻射屏蔽，可以從根本上降低體系的熱輻射損失。我們舉例說明如何計算熱輻射引起的熱量損失。一個具有0cm2的表面積，在-100°C(173K)下工作的完美黑體，會從20C(303K)的周圍環(huán)境下吸收43mw的熱量。精確地計算輻射損失量是一個非常復雜的過程，可以通過查詢適當?shù)臒醾鬏斀滩膩慝@得更詳細的信息。使用下面的簡化公式，可以簡單的估算這種輻射損失。Qr=(s)(A)(e)(Th4-「)其中，QR是輻射產(chǎn)生的熱量損失，單位是w；s表示-mann常數(shù)，5.67x10-8W/m2K4；A是暴露的表面積，單位是；e是暴露表面的放射率；Th是熱端表面的絕對溫度，單位是K；Tc是冷端表面的絕對溫度，單位是Ko8.4.6絕緣體的值：絕緣體的值是絕緣體整體工作效率或者對熱流阻礙能力的一個量度。本質(zhì)上來講R值不是一個科學量，但是在美國的建筑工業(yè)上它的應用非常廣泛。R值和絕緣體厚度還有熱導率之間的關(guān)系可以表示為：__xR=12K其中，X表示絕緣層的厚度，單位為注釋：絕緣體的值一般是以絕緣材料的厚度（單位為.）為基礎的。由于附錄中材料的厚度是ft.，所以上面公式中的熱導率上要乘以12。絕熱層：為了獲得最佳的性能并減小水分凝結(jié)，需要對所有的被冷卻物體進行適當?shù)慕^緣。絕緣材料種類和厚度要取決于應用條件，并且可能在所有的情況下并不能獲得最優(yōu)化的絕緣材料配置。盡管如此，我們還是需要盡最大的努力阻止周圍環(huán)境中的空氣直接吹到被冷卻物體和熱電冷卻器件上。圖8.1和8.2是溫差為1°C時，絕緣表面上單位面積的熱泄露損失與絕緣層厚度之間的關(guān)系。我們可以看到，只需要很少量的絕緣材料就可以明顯的降低體系的熱量損失?？偟臒釗p失Qtot與表面積或者DT的關(guān)系可以被表示為：QtotxSAxDT圖8.1公制體系中從絕緣表面泄露的熱量HeatLeakFromInsulatedSurfacePQlyuretlisneIlotionin富MilAi「(IM*ItiISOudr1&FOMi0旳「恥FOfDTJQIe^k?WattsXisqflItiickriBasmInshES圖8.1英制體系中從絕緣表面泄露的熱量9.0熱電制冷器的選擇9.1為了給特定的應用條件選擇合適的熱電制冷器件，我們需要對使用制冷器的整個體系進行評估。對于大部分應用條件來講，使用標準制冷器布局就應該可以勝任，但是對于另一些特殊的應用環(huán)境，可能需要涉及到特殊的設計，以應對電學、機械和其他另外方面的要求。盡管我們鼓勵在任何可能的情況下都使用標準器件，但是大和熱磁公司是專門的熱電制冷器開發(fā)和制造商，我們樂于設計獨特的器件來精確滿足您的要求。一般情況下需要通過一系列的迭代計算來得到正確的工作參數(shù)。如果仍然不能確定哪種熱電器件能夠適應相應的應用條件，我們非常建議您聯(lián)系我們的工程人員以尋求幫助。在實際進行熱電制冷器的選擇之前，設計者需要首先回答一下幾個問題：被冷卻的物體需要保持在什么溫度上？從被冷卻的物體上需要轉(zhuǎn)移多少熱量？熱響應時間是否重要？如果是，在直流電源加載之后，需要在多少時間內(nèi)將被冷卻物體的溫度改變？預期的環(huán)境溫度是多少度？儀器運行的時候環(huán)境溫度是否會明顯變化？有多少熱量會以傳導、對流和輻射形式損失？有多大的空間提供給制冷器和散熱器？可以使用什么樣的電源供電？是否需要控制被冷卻物體的溫度？如果是，控制的精度是多少？儀器運行時，預期的散熱器溫度大概是多少？如果環(huán)境溫度波動，散熱器溫度是否會顯著變化？等。當然，每一種應用條件都有各自的具體要求，并且重要程度各不相同。由于許多臨界要求不可以改變，設計者的工作主要是選擇適當?shù)脑凸ぷ鲄?shù)，以最終得到一個充分可靠的冷卻系統(tǒng)在9.5中我們會給出一個設計的實例來說明在典型的生產(chǎn)過程中將會涉及的一些概念。9.2使用制冷器性能圖表：在開始任何熱電器件設計之前，有必要了解基本的制冷器性能參數(shù)。性能數(shù)據(jù)一般使用圖表的形式表示，而且是需要對應于特定的散熱器基礎溫度。大多數(shù)性能圖表是以散熱器熱端溫度Th=+50°C為標準的，所以這些數(shù)據(jù)在40-60°C的應用范圍內(nèi)時，可以保證很小的誤差。如果客戶有具體要求的話，我們可以提供溫度范圍在-80C到+200C之間的制冷器性能的圖表。9.3讓我們舉例說明這些性能曲線的使用方法。例如我們有一個小型電子“黑匣子”正在釋放5w的熱量。為了保證電子元件正常工作，其溫度不應該超過°C。室溫一般是20C左右，因此需要使用熱電制冷器來降低元件的溫度。為了簡化這個例子，我們忽略了散熱器的存在（這個在實際中是不可行的），而不是假設在最壞的情形下將散熱器溫度設定在50C。我們使用一個71對溫差電偶，6安培制冷器來提供所需要的冷卻效果。9.3.1圖I如圖9.1所示，這幅圖描述了制冷器的制冷量、溫差DT與輸入電流的函數(shù)關(guān)系。在這個例子中，建立起熱電制冷器的工作參數(shù)=50°C,T=20°C,Qc=15w。所需的溫差是DT=30C。首先需要計算單個對溫差電偶，6安培制冷器是否有能力提供足夠的制冷量來滿足應用的要求。我們先找到DT=30C的那條線，就可以發(fā)現(xiàn)最大的制冷量Qc值點，輸入電流為6A。從A點延長一條線到左邊的y軸，我們可以得到當Tc保持在20C時,該制冷器的制冷量是8w。鑒于這個值比所需要的值略高，我們沿著T=30C的那條線向下，直到我們找到制冷量是c15w的B點。B點就是可以滿足我們熱學方面要求的工作參數(shù)。通過從B點延長一條線到x軸，我們得到此時適合的輸入電流是.0A。

3D2520DTDTDTDTisvicpi/e.oAQcvs3D2520DTDTDTDTisvicpi/e.oAQcvs4QGY^haTh=5OC35i]t圖9.171對溫差電偶，6安培制冷器制冷量和溫差與輸入電流之間的函數(shù)關(guān)系9.3.2圖Vivsf：如圖9.2所示，這幅圖描述了制冷器的輸入電壓.、溫差DT與輸入電流的inin函數(shù)關(guān)系。在這個例子中，熱電制冷器的工作參數(shù)包括7>50°C,T=20°C,/=4.0A。我們找到hcT=30C這條線，然后與/=4.0A的直線相交，交點標注為點C。通過從點向y軸延長一條直線，我們可以找到這時制冷器所需的輸入電壓n是大約V。VNvs<IVNvs<IogTh=5OC71Cpl^0AD0.5tG1.^2.12.G工03広4,04,5“5.5辰0Lin-Ampere-sDT=6007=30DT=O圖9,171對溫差電偶，6安培制冷器輸入電壓匕n、溫差DT與輸入電流的函數(shù)關(guān)系

9.3.3圖vsI如圖9.2所示，這幅圖描述了制冷器的制冷效率0P、溫差DT與輸入電流的函數(shù)關(guān)系。在這個例子中，熱電制冷器的工作參數(shù)包括Th=50°C,T=20°C,/=4.0A。hc我們找到T=30C這條線，然后4.0A的線相交，標注點D。通過從點向y軸延長一條直線，我們可以找到這時制冷器所需的性能系數(shù)大概為0.58。二LCoefficientofPerformance(COP)TTi=soc&DACAP二LCoefficientofPerformance(COP)TTi=soc&DACAP01.92.9).a皿4Lin?Amperesor=cDT=1QDT=20DT=^0DT?40DT-￡0DT=70圖9.171對溫差電偶，6安培制冷器制冷效率COP、溫差DT與輸入電流的函數(shù)關(guān)系這里需要注意的是P是一個制冷器效率的量度，并且在所有可能情況下一般都是要求最大P值。COP的計算公式如下：HeatPumpedC0iJ==InputPower9.4圖9.4顯示了一個額外的invsTh圖，表示了制冷器輸入電壓、輸入電源和制冷器熱端溫度的函數(shù)關(guān)系。由于塞貝克效應的影響，在給定電流和熱端溫度的條件下，系統(tǒng)的輸入電壓在DT=0的時候為最小值，在DT最大的時候為最大值。所以，這幅圖一般是以DT=30°C為例表示平均的輸入電壓。

Vinvs.Th5>T=3DC7lCpl/$.QAVki■UOLTS&.0A5.0A4.0A3.0A2,0A1.0A圖9.4對溫差電偶，6安培制冷器輸入電壓、輸入電流與熱端溫度的函數(shù)關(guān)系設計實例：我們以一個激光二極管的恒溫器中使用的熱電制冷器為例，說明一個典型的設計過程。二極管和相關(guān)的電子器件被安裝在一個雙列直插式科瓦合金外殼內(nèi)，并且，必須保持在Vinvs.Th5>T=3DC7lCpl/$.QAVki■UOLTS&.0A5.0A4.0A3.0A2,0A1.0A圖9.4對溫差電偶，6安培制冷器輸入電壓、輸入電流與熱端溫度的函數(shù)關(guān)系首先需要選擇一個熱電制冷器，其不但需要具有足夠的制冷量來保持適當?shù)臏囟?，而且，還需要滿足由于外殼所引起的尺寸上的要求。首先選擇了一個18對熱電偶臂.2安培的熱電制冷器，因為它具有適合的尺寸和所需的熱電性能。通過這種器件的性能圖可以推算出相關(guān)的參數(shù)來進行數(shù)學計算。在開始設計過程之前，我們必須首先評估散熱器性能，并且估算最壞情況下制冷器的熱端溫度Th。對于選擇的熱電制冷器，最大輸入功率Pin可以通過圖.5中的A點得到。最大制冷器輸入功率in=1.2Ax2.4V=2.9w對外殼的最大熱輸入=2.9w+0.5w=3.4w外殼溫度增加=3.4wx6C/w=20.4C外殼最高溫度T=35C（環(huán)境溫度）+20.4C（增加量）=55.4C。由于熱端溫度Th=55.4C與性能圖中的Tin=50C足夠接近,這些圖可以被用來獲得熱電器件的性能,Vinvs.TH=fiOCLSVW1-VDLIB1BCpl/1.2A91=601BCpl/1.2ADT-30DT-0L-in-Amperes而且只有很小的誤差。

圖9.518對熱電偶臂，1.2安培制冷器的vsI圖既然已經(jīng)建立了最差情況的Th值，我們就有可能得到制冷器的性能。Lin'Amperefi制冷器的溫差DT=Th-Tc=55.4-25=30°Cor-oLin'AmperefiDT-10DT-20DT-30DT-40DT-70圖9.618對熱電偶臂，1.2安培制冷器的QcvsI圖從圖9.6中我們可以看到，在DT=30C時的最大制冷量Qc在B點，大約是0.9w。由于我們只需要Qc是0.5w,我們可以沿著DT=30C的線向下直到與0.5w的線相交于C點。通過從C點向x軸延長一條直線我們可以得到輸入電流大約是0.55A時，可以提供所需的制冷要求。重新回到圖9.5的vsI上，電流是0.55A時，標記為D點，所需的輸入電壓是1.2V。因為所需的輸入電壓比首次計算的電壓值要小的多，所以我們現(xiàn)在需要重新進行分析。新的功率和溫度值是：-最大制冷器輸入功率in=0.55Ad2V=0.66w?對外殼的最大熱輸入=0.66w+0.5w=1.16w外殼溫度增力加=1.16w>6°C/w=7°C外殼最高溫度T=35C（環(huán)境溫度）+7°C（增加量）=42C制冷器的溫差D7=Th-T=42-25=17Chc可以看出由于我們重新計算了Th值，所以有必要重復上面的步驟，直到獲得一個穩(wěn)定的狀態(tài)為h止。計算需要反復多次直到上下兩次計算獲得的h值相小彳為了保證精度，一般需要小于0.1°C）為止。我們沒有必要將反復計算的過程列在這里，在這個計算中得到的結(jié)論是所選擇的18對熱電偶臂的熱電制冷器可以在這個應用條件下運行非常良好。同時，這個分析過程也表明了散熱器在熱電制冷應用中非常重要的作用。多級制冷器的使用：為了獲得更大的制冷量，相對比較大規(guī)模的熱電制冷應用中需要使用多個制冷器。對于這種應用，熱電制冷器的安裝是采用熱流上并聯(lián)，而電流上串聯(lián)的方式。在某些場合中，也會使用到電流的串并聯(lián)式布局。由于隨著功率的增加，散熱器的性能變得越來越重要，設計中需要認真確認選擇的散熱器可以滿足應用上的要求10.0熱電制冷器的可靠性10.1介紹：由于熱電制冷器是固態(tài)為基礎的構(gòu)造，所以，一般認為熱電制冷器具有很高的可靠性。在大多數(shù)應用條件下，熱電制冷器件均可以為您提供長期無故障的服務。目前，在很多具體的實例中，熱電制冷器的持續(xù)工作時間都超過了20年，并且熱電制冷器的壽命比相關(guān)儀器的壽命都要長。然而，因為失效率與應用環(huán)境是密切相關(guān)的，實際中想要得到具體的熱電制冷器件的可靠性仍然是比較困難的。對于一些相對穩(wěn)定的制冷應用條件下，在制冷器上加載的直流電源非常穩(wěn)定而且基本上不會間斷，此時熱電制冷器的可靠性會非常的高。平均故障間隔時間）一般會超過2000,000小時，一般以這種情況下的平均故障間隔時間作為工業(yè)標準。而另一方面，在涉及到冷熱循環(huán)工作的應用條件下，平均故障間隔時間就會大大縮短，特別是當熱電制冷器在循環(huán)過程中溫度會升高到較高溫度時。一般來說，公布熱電制冷器的可靠性數(shù)據(jù)是非常困難的，因為在實際應用中的很多應用條件和工作參數(shù)會影響到最終的結(jié)果。所以，可靠性數(shù)據(jù)只有對于與測試環(huán)境相似的應用環(huán)境來說是有效的，對其他應用情況來說并不一定適用。如制冷器安裝和焊接工藝，供電電源和溫度控制系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)，溫度控制等因素，與外部環(huán)境相結(jié)合將會極大的影響失效率，使其發(fā)生大范圍的波動。為了給用戶提供有關(guān)熱電制冷器壽命的基礎數(shù)據(jù)，并且為相關(guān)工程人員在設計優(yōu)化制冷器可靠性的過程中提供幫助，我們設計了若干制冷器的可靠性試驗來獲取所需的可靠性數(shù)據(jù)。這里列出了幾種應用條件下的測試結(jié)果和數(shù)據(jù)，可以為在相似的條件下使用制冷器的最終消費者提供幫助。為用戶提供這些數(shù)據(jù)時，要根據(jù)不同的應用環(huán)境和用戶需求進行選擇。對熱電制冷器安裝過程的一些大體要求，可以在本手冊的第六部分找到。為了盡量減少錯誤的安裝過程會對制冷器可靠性帶來影響，所有制冷器的安裝過程必須遵守手冊上提到的要求。在安裝過程中影響制冷器可靠性的因素主要有以下幾點：a）熱電制冷器在壓力條件下具有很高的機械強度，但是其剪切強度相對來說比較低。因此，一般不可以將熱電制冷器設計在承載主要支撐的機械結(jié)構(gòu)體系中。此外，在可能會涉及到振動和沖擊的應用條件下，熱電制冷器最好是在安裝時保持適當?shù)膲毫?，也就是使用螺釘夾緊的方法。對于熱點制冷器來說，只要使用適當?shù)陌惭b方法，就可以成功的應對如飛機，軍事或相似環(huán)境下出現(xiàn)的振動或沖擊環(huán)境。b）盡管熱電制冷器的最大建議壓力載荷是每平方厘米15千克（每平方英寸200磅），但是在測試過程中，大多數(shù)制冷器都可以承受超過每平方厘米千克（每平方英寸200磅）的壓力載荷而不造成失效。最重要的是需要保證制冷器的安裝方法是選用螺釘夾緊固定的方法，并且安裝過程中保持了適當?shù)膲毫?，這樣制冷器不會在很小的側(cè)向力下就容易松動進而引起移動。如果在同一個制冷器中需要固定若干對溫差電偶對的話，松動的部件將引起很大的麻煩。這種情況下，如果安裝過程中，夾具的壓力不夠，就可能引起制冷性能的降低甚至制冷器的提前失效。如果使用多級制冷器陣列式安裝，建議使用高度公差為±0.025mm的制冷器。在任何情況下，必須保證夾具壓力的均勻施加，并且要求表面必須平整（具體安裝指導請參見第六部分）。c）為了避免受到明顯的機械振動而引起的制冷器失效，盡量不要在制冷器的冷端面上放置沒有支撐的大質(zhì)量器件。如果需要涉及到質(zhì)量很大的物體，最好使用夾具將熱電制冷器緊固在散熱器和物體之間，或者先將器件裝夾在一個可作為介質(zhì)的冷板上。此時，夾緊螺釘可以有效的增加整個機械系統(tǒng)的剪切強度。d）為了避免制冷性能的降低以及對制冷材料可能引起的電化學腐蝕，熱電制冷器需要隔絕潮氣。當溫度降低到露點以下時，為了避免水汽滲入制冷器內(nèi)部，應該安裝有效的防潮密封保護。這層防潮保護層應該圍繞著熱電制冷器安裝在散熱片和被冷卻物體之間。電子級V硅膠可以直接用作熱電制冷器的防潮保護層。使用可變形的閉孔泡沫絕緣膠帶或薄片材料，適當?shù)慕Y(jié)合RTV來填充空隙，就可以用來在被冷卻物體和散熱器之間形成保護層。e）如果器件的工作條件中需要涉及冷熱循環(huán)或者很大的溫度變化，此時制冷器的安裝方法不可以使用焊接或樹脂膠粘結(jié)的方法，因為這兩種方法都需要在制冷器上進行剛性連接。一般情況下剛性連接會導致大量的熱應力，從而引起制冷器的提前失效，除非所有元件的熱膨脹系數(shù)都非常接近。由于制冷器熱端面上的溫度一般比較恒定，在制冷器熱端面上的剛性連接一般影響比較小如果工作條件中需要涉及明顯的溫度變化或者冷熱循環(huán)，我們強烈建議使用如導熱硅脂，石墨片等安裝材料，或者金屬銦的螺釘夾緊方式對制冷器進行安裝。此外，如果在制冷器兩端都進行了剛性連接，這種制冷器盡量不要使用在大于5mm2的器件上。另外，溫度控制方法同樣也會影響熱電制冷器的可靠性。如果想要延長制冷器壽命，一般建議選擇線性或等比例的溫度控制方法，而不是/OFF開關(guān)方法。高溫下制冷器的可靠性熱電制冷器的失效一般分為兩種：早期失效和性能衰減。性能衰減一般是在長期使用之后由于半導體材料性能參數(shù)的變化或者接觸電阻的增加所引起的。長期在高溫下使用會引起半導體材料性能參數(shù)的變化從而降低制冷器的制冷性能。為了研究這個效應對性能的影響，我們做了一個測試。使用大和熱磁公司的5-系列熱電制冷器，在空氣中持續(xù)的高溫(150°C)環(huán)境下工作。在測試過程中，定時測量和記錄材料的相關(guān)性能參數(shù)。在測試中，使用最大溫差)來表示制冷器整體制冷性能。在42個月的時間內(nèi)，我們跟蹤記錄這個參數(shù)，將平均值列在圖10.1中。我們可以發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下暴露個月后，最大溫差有少許(2.5%)降低。而在接下去的30個月中，由于半導體材料趨于穩(wěn)定，最大溫差只繼續(xù)降低了1.3%。RedudionofDTmaxDuetoContinous

High-Temperature(ISO°C)Exposu□Tmaw1X1TinwinIVbrihiat150"G圖10.1冷熱循環(huán)過程中的制冷器可靠性將熱電制冷器在很寬的溫度范圍內(nèi)進行持續(xù)的冷熱循環(huán)，可以看成是對制冷器進行可靠性測試，特別是在循環(huán)過程中將制冷器的熱端溫度升高到很高的溫度。與絕大多數(shù)應用條件相比，這種運行方式都會引起更高的失效率。大部分熱循環(huán)失效的根源是制冷器中熱電材料與其它部件的熱膨脹系數(shù)的不匹配，這是完全不可避免的。這種失效一般表現(xiàn)為早期失效，而有時也會在失效之前觀察到性能衰減。為了研究冷熱循環(huán)對制冷器性能的影響，首先，我們需要定義冷熱循環(huán)。在許多熱電器件的工作環(huán)境中都需要涉及到周期性的升高和降低溫度，而有時這種循環(huán)會在很寬的溫度范圍內(nèi)進行。盡管循環(huán)和非循環(huán)的工作條件之間的界限不是很明確，但是一般情況下我們將這種在很長一段時間內(nèi)，溫度有規(guī)律并且持續(xù)性的升高和降低的工作條件稱為冷熱循環(huán)。這種循環(huán)的工作條件一般趨向于自動化或者機械控制溫度而不是人工控制。如果器件的溫度每天只升高和降低幾個循環(huán)，我們一般不會將這個作為循環(huán)工作條件來進行討論。如果您對具體需要的工作條件的狀態(tài)不是非常確定，請及時咨詢我們的服務人員。在冷熱循環(huán)過程中的失效率至少與四個因素相關(guān)：(1)總的循環(huán)次數(shù)；(2)循環(huán)過程中總的溫度變化范圍；(3)循環(huán)過程中的溫度上限；(4)溫度變化的速率。當循環(huán)次數(shù)很少，溫度變化范圍很窄，溫度上限相對較低并且溫度變化很慢時，可以獲得最高的可靠性和較長的制冷器壽命。(相反，在很寬的溫度范圍內(nèi)，溫度變化速率很高時，進行大量的循環(huán)，并且循環(huán)過程中溫度最大值較高時，將會大大縮短制冷器的壽命)。需要注意的是，制冷器的絕對壽命大大依賴于總的循環(huán)次數(shù)，而不是進行這些循環(huán)所需要的總時間。所以，當討論熱循環(huán)時，平均故障間隔時間的單位使用循環(huán)次數(shù)表示而不是小時；我們將使用平均故障間隔時間來進行下面的討論。在冷熱循環(huán)中使用的制冷器型號也會很大程度的影響失效率。最大使用溫度較高的制冷器相對于最大使用溫度較低的制冷器來說，具有更長的使用壽命。這個規(guī)律即使對于冷熱循環(huán)中的最高溫度遠遠小于制冷器的最大使用溫度時也是適用的。在一個涉及到雙級熱電制冷器的應用中，制冷器在-55￡到125°C之間循環(huán)，一個最大使用溫度為50°C的制冷器的平均故障間隔時間為100次循環(huán)，而最大使用溫度為0C的制冷器的平均故障間隔時間為7500次循環(huán)。最大使用溫度更低的制冷器只能使用在更低溫度的熱循環(huán)應用中。總之，我們建議在超過90C的熱循環(huán)應用中使用EC系列(最大使用溫度為C)制冷器。在超過C的熱循環(huán)應用中使用EC系列(最大使用溫度為C)制冷器。這里需要指出，還有另外兩個因素同樣也會影響熱循環(huán)時的平均故障間隔時間。體積較小的制冷器擁有較少的熱電偶對，所以與體積較大的制冷器相比，其使用壽命較長。而在體積較大的制冷器中，熱-機械應力更大，而且這種制冷器一般有比較多的熱電偶對，這將增加焊接點在熱應力下失效的可能。大量的數(shù)據(jù)表明在冷熱循環(huán)過程中，尺寸小于或等于30mm2的制冷器與體積較大制冷器相比，具有更高的可靠性。為了更好的定義在高溫冷熱循環(huán)條件下的制冷器失效率，我們使用ECTM系列制冷器長期進行了一個測試，制冷器在0°C到100￡之間循環(huán)。制冷器被安裝在一個強制對流式散熱器上，并且包覆了一層絕緣鋁板。通過交替改變加載直流電源的兩極來使器件制冷和加熱。通過測量蓋板上的溫度來測量循環(huán)極限。每次循環(huán)時間是5分鐘（2.5分鐘從0C到100C,2.5分鐘從00C到30C）,所以一天88次循環(huán)，一個星期016次循環(huán)。每星期測量一次制冷器的性能參數(shù)，突然的電阻增加表示失效。與預期相同，制冷器的電阻首先緩慢增加，直到某一點上電阻忽然快速增加，表示發(fā)生了失效。如圖10.2所示，所有的制冷器在失效前至少進行了次循環(huán)，然后繼續(xù)測試直到%的制冷器失效。計算出這組制冷器的平均故障間隔時間是000次循環(huán)。這里我們?nèi)匀恍枰⒁?，制冷器的安裝方法和安裝過程中的所有細節(jié)，對于制冷器在冷熱循環(huán)在工作條件下的應用來說都非常重要。另外，5C到95C之間熱循環(huán)的測試顯示其平均故障間隔時間是100,000次循環(huán)。ChangeHighTemp-eratTherma.1Cycling(30-100-30DegreesC)圖10.2在結(jié)束這個章節(jié)之前，我們需要提到熱循環(huán)過程的一個實際應用。由于在工作過程中，熱電制冷器內(nèi)部會產(chǎn)生熱-機械應力，此時，冷熱循環(huán)可以被看成是一個有效的篩選技術(shù)。通過將熱電制冷器置于一個精確控制的循環(huán)過程中，可以篩選出具有潛在缺陷的制冷器，從而降低早期失效的可能性。當然，這種操作可能會增加成本，但是在需要高可靠性的情況下還是非常有必要的。10.4ON/OFF開關(guān)循環(huán)試驗前面提到工業(yè)上接受的標準熱電制冷器的平均故障間隔時間是至少00,000小時。這個平均故障間隔時間是以相對穩(wěn)態(tài)的制冷器運行條件為基礎的，在工作時，系統(tǒng)電源只是偶爾打開或切斷（每天幾次）。而在另一些應用條件下，電源會被頻繁的開關(guān)，特別是在恒溫溫度控制器的應用中。我們使用ECTM系列制冷器進行了一次測試，來研究相對恒定的溫度下ON/OFF開關(guān)式電循環(huán)對制冷器的影響。使用導熱硅脂將制冷器安裝在一對強制對流式散熱器之間。電流加載時間為7.5秒，斷開時間為7.5秒，所以一個電循環(huán)的時間是15秒。循環(huán)過程中，監(jiān)控每一個制冷器上的輸入電流，由于制冷器電阻增加而引起的電流降低是制冷器失效的標志。測試進行大約0個小時，至少6百萬次循環(huán)。在這種條件下計算出來的平均故障間隔時間是125，000小時，或者說3*107次N/OFF開關(guān)循環(huán)。注意：大多數(shù)傳統(tǒng)的恒溫器本身具有更大的開關(guān)溫度差，這樣會建立一個明顯的冷熱循環(huán)，其中熱電制冷器上的溫度會在較高和較低的溫度極限之間變化。由于我們已經(jīng)知道，冷熱循環(huán)會降低熱電制冷器的使用壽命，所以在要求高可靠性的應用條件下，不推薦使用傳統(tǒng)的/OFF開關(guān)式恒溫溫度控制系統(tǒng)。10.5環(huán)境測試熱電制冷器經(jīng)常被安裝在有振動、沖擊或另一些潛在的不利環(huán)境中。在前文曾經(jīng)提到，制冷器可以承受適當?shù)膲毫Φ瞧浼羟袕姸认鄬^弱。當熱電制冷器被適當?shù)陌惭b在一個機械部件中時，它們可以承受適當?shù)臋C械應力而不產(chǎn)生失效。大和熱磁公司提供的制冷器已經(jīng)成功的應對了大量的環(huán)境/機械測試條件，而沒有發(fā)生失效。具體的測試條件包括：高溫運行和存儲：150七下30,000多個小時低溫運行和存儲：-40°C下多個小時

熱循環(huán)：(a)100°C(15sec)/100°C(15sec),10個循環(huán)(b)150C(5min)/-65C(5min),10個循環(huán)(c)MIL-STD-(c)MIL-STD-202,方法107系列制冷器：-55C到+85C系列制冷器：-65C到+150C機械沖擊：次100G,200G,26msec;500G1000G@1sec,3個方向，每個方向上3沖擊MIL-STD-202，方法，測試條件振動：測試條(a)10/55/10Hz，1分鐘循環(huán)，9.1G,3個方向，每個方向上2小時4A，件B,最大15G(b)MIL-STD-202,方法質(zhì)量控制流程每個熱電制冷器件制造商都具有完備的質(zhì)量控制和測試流程，以確保產(chǎn)品符合公布的規(guī)范，并且能代表標準的工藝。盡管工業(yè)上并沒有太多正規(guī)的標準，但是許多主要的熱電制冷器件制造商還是會使用某些特定的標準(軍方說明等)。然而，如果用戶對產(chǎn)品上可能影響應用的質(zhì)量相關(guān)問題有任何疑問，請及時與相應的熱電制冷器件制造商進行咨詢。大和熱磁公司的測試和質(zhì)量流程經(jīng)過多年的使用，具有豐富的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，覆蓋了熱電制冷器工作中將遇到的很寬的應用條件。整個流程包括幾個主要方面，如產(chǎn)品運輸前100%的電學和機械性能測試/檢查；在使用過程中100%檢查或如IL-STD-105的抽樣檢查進行測試和監(jiān)控；在多種臨界使用條件下使用過程統(tǒng)計控制技術(shù)。全部的質(zhì)量保證流程與-Q-完全一致。結(jié)論在前面的討論中，我們強調(diào)了熱電制冷器的可靠性與應用條件之間的依賴性。通過遵循一些基本規(guī)則，并且了解一些特定的因素是如何影響制冷器的使用壽命，設計者有可能延長系統(tǒng)的使用壽命。盡管一些設計者可能期望進行一個復雜的分析，建立起所有相關(guān)參數(shù)的模型，但是許多用戶更傾向于在遇到一些特殊要求或非傳統(tǒng)布局時，可能會尋求一些經(jīng)驗主義的方法來計算他們特定應用條件下的制冷器可靠性。11.0熱電制冷器的數(shù)學模型11.1簡介：我們可以使用數(shù)學模型對熱電制冷器的運行進行數(shù)學描述，并且在個人電腦上通過建模對器件的性能進行模擬。由于制冷器上使用的半導體材料的許多性能都與溫度相關(guān)，所以在建立實際應用模型的時候需要考慮到溫度的影響。我們并沒有試圖提供一種需要使用電腦來建立細節(jié)化模型的方法，而是想要給出模擬熱電制冷器性能的簡單代數(shù)模型。大和熱磁公司曾經(jīng)在很寬的溫度范圍內(nèi),對多種熱電制冷器的性能進行了復雜的分析。以這些研究為基礎，建立了可以可靠預測正常運行條件下熱電制冷器性能的數(shù)學模型。這里列出的數(shù)據(jù)是以正常的空氣環(huán)境中工作的制冷器為基礎的，制冷器的冷端面和熱端面上都使用了導熱硅脂（散熱材料）。這種模擬條件可以適用于大多數(shù)熱電制冷器的應用條件下。這里需要注意的一點是,對于包含金屬化外表面的制冷器來說，如果使用焊接方法進行安裝的話，那么與使用導熱硅脂進行安裝的制冷器相比，其熱電性能會有少量提高。此外，如果制冷器在真空中運行，則也會觀察到少量的性能提高，特別是對于多級制冷器來說。11.2與溫度相關(guān)的材料性能：在建立數(shù)學模型的過程中，需要考慮很多個熱電材料和器件的參數(shù)。然而，由于一些重要的參數(shù)一般是使用實際制冷器的測試數(shù)據(jù)來計算得出的，所以可以忽略某些特定參數(shù)，從而簡化整個建模過程。在建立模型的過程中必須要考慮到的參數(shù)包括有效塞貝克系數(shù)SM，電阻R,和熱導Ko一般來說，可以使用多項式來表示有效塞貝克系數(shù)SM，電阻R,和熱導K等參數(shù)。我們使用工業(yè)標準的1對溫差電偶，6安培的制冷器計算出來的具體參數(shù)可以在-100°