制冷片使用手冊

溫差電致冷現(xiàn)象已發(fā)現(xiàn)一百五十多年了。1834年法國科學家珀爾帖（Peltier）發(fā)現(xiàn)了一種效應，在兩個不同導體組成回路中通電時，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，提出溫差電致冷理論，并得到溫差電致冷器基本參數(shù)熱力學公式。本世紀50年代，由于半導體材料制造技術突破，溫差電致冷技術獲得了較快發(fā)展。溫差電致冷組件是利用珀爾帖效應工作熱泵，可用于致冷，也可以致熱。它是一種沒有轉動部件固態(tài)器件，壽命長，工作時無噪聲，又不會釋放有害物質(zhì)（如氟氯烴），能在任意角度安裝運行，調(diào)節(jié)電壓或電流時可以精確控制溫度。由于它具有一系列優(yōu)點，在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究各領域都得到了廣泛應用當前，溫差電致冷器在中（致冷功率在100W?500W范圍）、小（致冷功率低于100W）功率應用占極大部分。在某些小功率場合已經(jīng)是并將仍然是唯一可用致冷方式。在激光二極管、CCD器件、紅外探測器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(diào)艙、計算機空調(diào)機等，在權衡空間大小、重量、可靠性、運行方式等要求后，在軍用領域是競爭力。1工作原理、結構及制造工藝流程在兩個不同導體組成回路中通電時，一個接頭吸熱，另一個接頭放熱，接頭吸熱或放熱取決于電流方向。如果在放熱接頭上維持一定溫度，則另一個接頭就開始冷卻，一直到從周圍介質(zhì)中傳入該接頭上熱量和沿溫差電偶臂傳入熱量總和等于所吸收珀爾帖熱為止。在熱平衡條件下，冷接頭熱平衡方程為：Qc=aTcI-0.5I2R-K（Th-Tc）方程式中第一項是珀爾帖熱，a稱為材料塞貝克系數(shù)。其實，塞貝克系數(shù)及冷面溫度乘積就是該材料對在冷接頭處珀爾帖系數(shù)。方程中第二項是焦耳熱一半，我們假設通電過程中熱偶上產(chǎn)生焦耳熱有一半傳到冷接頭。方程中第三項是由傅利葉熱傳導定律決定由熱接頭傳導到冷接頭熱量。在說到溫差電材料和溫差電組件時經(jīng)常提到優(yōu)值（有文獻則用品質(zhì)因子說法）概念，以表示溫差電材料和組件熱電性能好壞。溫差電材料優(yōu)值及它塞貝克系數(shù)、電導率和熱導率有關，定義為：z=a2o/k公式中優(yōu)值z單位是1/K,塞貝克系數(shù)a單位是V/K,電導率0單位是S/cm,熱導率k單位是w/（cm?k）o常規(guī)單級溫差電致冷組件是由若干對溫差電偶電串聯(lián)構成。溫差電元件呈矩形截面。流行結構中銅制導流片連接P、N型元件，用高純氧化鋁（或氧化鍍）陶瓷片在冷面和熱面及外界耦合。多級溫差電致冷組件，常規(guī)結構方式是上一級熱面作為下一級冷面，如此疊加成多層次組件，通常呈金字塔形式。一般情況下，各級溫差電偶串聯(lián)供電。制作溫差電致冷組件，首先要制備溫差電致冷材料。常用溫差電材料是用區(qū)域熔煉法（可以用電阻爐區(qū)熔，也可以用高頻區(qū)熔）、布里奇曼法等熔融生長法制備定向多晶。用于室溫附近致冷，目前最好P型溫差電材料是摻一定量雜質(zhì)贗二元Bi2Te3-BiSe3，以及由Bi2Te3-Sb2Te3-Bi2Se3組成并摻一定量雜質(zhì)贗三元材料。優(yōu)值在2.5X10-3/K左右。制備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高度切成片,再用劃片機切成所需尺寸元件。最后，利用模具將溫差電元件焊接到按一定形式排布帶導流片陶瓷板上，形成溫差電制冷組件。目前市售溫差電致冷組件多用熔點138℃焊料焊接，長期工作溫度為80℃,短期工作溫度為100℃。近幾年研制成功一種高溫溫差電致冷組件，使用較高熔點焊料制作，最高持續(xù)工作溫度為150℃。2溫差電致冷優(yōu)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(tǒng)，重量也比較輕。各種標準和特殊尺寸以及結構溫差電致冷組件可供選擇，適用于各種應用需要。b）具有致冷和加熱兩種功能：改變直流電源極性，同一致冷器可實現(xiàn)加熱和致冷兩種功能。c）精確溫控：使用合適閉環(huán)溫控電路，可實現(xiàn)溫度控制。溫差電致冷器控溫精度可優(yōu)于±0.1℃。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。典型溫差電致冷器壽命大于二十萬小時。e）工作時無聲：及機械制冷系統(tǒng)不一樣，溫差電致冷器工作時不產(chǎn)生噪音。f）可使用常規(guī)電源:溫差電致冷器對電源要求不高?？墒褂靡话阒绷麟娫矗ぷ麟妷汉碗娏骺稍诖蠓秶{(diào)整。g）可實現(xiàn)點致冷：可只冷卻一專門元件或特定面積，不必要冷卻一完整封裝外殼和整體。h）具有發(fā)電能力：若在溫差電致冷組件兩面建立溫差，則可產(chǎn)生直流電。可利用溫差電致冷組件制作小功率發(fā)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(zhì)，不危害環(huán)境。溫差電致冷器是一種綠色無公害半導體器件。3性能參數(shù)及曲線反映溫差電致冷組件熱電性能主要參數(shù)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）指是熱面溫度27℃,冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能達到最大溫差時工作電流，單位A。最大溫差（Amax）指是熱面溫度27℃,冷面無熱負荷，溫差電致冷組件能達到最大溫差，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）指是熱面溫度27℃,溫差電致冷組件在冷面能吸收最大熱負荷，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）指是熱面溫度27℃,冷面無熱負荷時，溫差電致冷組件在最大溫差電流Imax工作時電壓，單位V。有時，還用到性能系數(shù)這個概念。溫差電致冷組件性能系數(shù)定義為致冷功率（致冷運行時）或致熱功率（致熱運行時）及輸入功率之比值。一般情況下，溫差電致冷組件致熱運行時性能系數(shù)大于1。4分類及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是只有一個熱面和一個冷面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(shù)，將上一級溫差電致冷組件熱端及下一級溫差電致冷組件冷端熱耦合，如此疊加形成多層次組件被稱為多級溫差電致冷組件。溫差電致冷組件在應用過程中及熱交換器構成一個完整系統(tǒng)，通常稱為溫差電致冷器。該致冷器也可用于加熱。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(jīng)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型號命名法。溫差電致冷組件型號由六部分組成。第一部分代表溫差電致冷組件，用TE表示;第二部分表示結構類別，常用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1mm2,這類溫差電致冷組件常稱微型溫差電致冷組件）用S表示；第三部分表示級數(shù)，如1表示一級，3表示三級；第四部分表示組件內(nèi)溫差電偶總對數(shù)，用三位阿拉伯數(shù)字表示；第五部分用兩位數(shù)字表示溫差電致冷組件最大溫差電流值，對C型溫差電致冷組件而言，取最大溫差電流整數(shù)值，對于S型溫差電致冷組件而言，組件最大溫差電流10部才是型號數(shù)值；第六部分表示溫差電致冷組件外表面狀態(tài)，如單面金屬化用T表示,雙面金屬化用TT表示，無金屬化則不表示。例如，型號為TEC1-12705TT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(chǎn)品目錄5.1產(chǎn)品目錄標準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性能參數(shù)見附錄1。5.2結構形式溫差電致冷組件結構型式有如下四種。第I種結構型式為常規(guī)單級溫差電致組件結構型式。第W種結構型式為常規(guī)多級溫差電致冷組件結構型式。目前，第n種結構型式單級溫差電致冷組件有TES1-01810、TES1-01815、TEC1T2704、TEC1T2706、TEC1-12708溫差電致冷組件，第III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安裝方法螺栓固緊法1)安裝表面研磨或拋光，熱槽表面平面度不大于0.03mm。1)2）小心清潔安裝表面和組件表面，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±0.05mm以內(nèi)。4）組件熱面和冷面分別涂一均勻薄層導熱硅脂。5）將組件放置在熱槽和被冷卻物體之間，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。膠粘法D安裝表面研磨或拋光，熱槽表面平面度大于0.03mm。2）小心清潔安裝表面和組件表面，除去毛刺、臟物、油脂。3）組件熱面和冷面分別涂一均勻薄層導熱環(huán)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。焊接法D熱槽表面必須是可焊，即是銅材或已經(jīng)涂復鋁材。2）將低溫焊料預先掛在熱槽和組件表面，低溫焊料熔點至少比焊接組件焊料熔點低20?30。3）小心清潔安裝表面和組件表面，除去臟物、油脂。4）在安裝表面和之間表面涂適量焊劑。5）在適當溫度下進行焊接。6）冷卻后清除焊劑等殘余物。注意:焊接法有損壞組件風險,必須進行溫度控制，以避免組件過熱。當最終產(chǎn)品須熱循環(huán)運行時,最好不使用焊接法。7使用及維護選擇溫差電致冷組件時，必須預先知道三個應用參數(shù)，即熱面溫度Th,冷面溫度Tc,致冷功率Qc（即熱負荷）。溫差電致冷組件熱面溫度及散熱方式有關。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熱面溫度一般比環(huán)境溫度高 10?15℃,如用自然對流冷卻時溫差電致冷組件熱面溫度一般比環(huán)境溫度高20?40℃,如用水冷散熱時溫差電致冷組件熱面溫度一般比環(huán)境溫度高2?5℃。單級溫差電致冷組件最大溫差可達60?70℃。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，則要確定用幾級溫差電致冷組件較為合適。在目前工藝水平，采用性能最好溫差電材料制作單級和多級溫差電致冷組件可能達到最大溫差見表1表1各級溫差電致冷組件溫差范圍級數(shù)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(tǒng)前應當先根據(jù)實際應用情況把主動熱負荷和被動熱負荷估算出來。使用溫差電致冷組件時，一定要注意以下幾點：1.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(zhì)或鋁質(zhì)），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(zhì)或銅質(zhì)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熱量帶走。③自然風冷散熱：采用較強迫風冷大得多鋁質(zhì)或銅質(zhì)肋狀散熱器，將溫差電致冷組件熱面熱量帶走。.絕熱考慮為了達到最佳致冷效果，致冷器內(nèi)部冷熱面之間應當絕熱。綜合考慮體積、絕熱效果等問題，最佳絕熱層厚度在25?30mm,如絕熱層厚度再增加，則體積迅速增加，而絕熱效果改善不明顯。溫差電致冷器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(fā)泡塑料等絕熱材料。.電源考慮溫差電致冷組件必須直流供電，電源波紋系數(shù)應不大于10%。電源紋波系數(shù)為10%時，致冷組件溫差減少2%；電源紋波系數(shù)為20%時，致冷組件溫差減少5%。多級溫差電致冷組件和低電平信號。.可改變單級溫差電致冷組件工作方向，使其在致冷或致熱狀態(tài)運行。但多級溫差電致冷組件只能在致冷狀態(tài)工作，不可隨意改變電流方向。8訂貨須知常規(guī)單級溫差電致冷組件和多級溫差電致冷組件，連續(xù)工作時最高工作溫度為+80℃,冷熱面陶瓷片為氧化鋁陶瓷片，外側無金屬化層。常規(guī)單級溫差電致冷組件高度公差為±0.25mm。如有需要，訂貨時應作如下說明：D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(xù)工作時最高工作溫度+150%℃。5）連續(xù)工作時最高工作溫度+200%℃。我所可滿足用戶如下特殊要求：1）熱面陶瓷片外側預掛+96℃焊料。2）熱、冷面陶瓷片外側預掛+96℃焊料。3）熱面陶瓷片外側預掛+117℃焊料。4）熱、冷面陶瓷片外側預掛+117℃焊料。5）熱面陶瓷片外側預掛+138℃焊料。6）熱、冷面陶瓷片外側預掛+138℃焊料。7）高度公差±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測試數(shù)據(jù)、有關性能曲線。10）防水密封型溫差電致冷組件。n）供應96℃、117℃、138℃焊料。12）供應特種用途焊料。附錄1單級溫差電致冷組件性能參數(shù)SINGLESTAGETHERMOELECTRICCOOLINGMODULES型號TYPE熱面溫度HOTFACETEMPERATURE(Th=27℃)尺寸DIMENSIONS(mm)最大溫差電流ImaxA最大溫差電壓VmaxV最大致冷功率QcmaxW最大溫差△T℃A(長)(L)B(寬)(W)C(高)(H)TES1-007252.50.81.267884.0TES1-017252.02.81212TES1-031253.65.21515TES1-071258.212.12323TES1-1272514.721.63030TES1-007303.00.81.567883.6TES1-017302.03.61212

TES1-031303.66.61515TES1-071308.215.22323TES1-1273014.727.23030TES1-007393.90.81.867883.2TES1-017392.04.51212TES1-031393.68.21515TES1-071398.218.82323TES1-1273914.733.73030TEC1-007044.00.81.86710104.7TEC1-017042.04.51515TEC1-031043.68.32020TEC1-071048.2193030TEC1-12704