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半导体制冷器的使用

  • 分类:技术说明文件
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-10-29 16:11
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【概要描述】

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4.1.半导体致冷器件的选型

制冷器件是一种热量搬运的电子器件,可以在器件两端维持一个温差,当热面温度Th达到50℃时这个温差可超过75℃(单级器件),当热面的热量被不断地移除时,热量就从冷面持续地被抽运出来。抽运的速率跟器件的功率有关,一般地功率越大这个速率越大,为了良好地平衡制冷效果与成本,首先需要恰当地选择制冷器件规格。

● 认识制冷器件主要的规格参数:

1.外形尺寸:通常规格的器件为方形,也有长方形和圆形,多级器件的宝塔形等。单层器件厚度约3—5mm,双层或多层近乎3mm的倍数。

2.最大产冷量:保持器件热面温度27℃(或50℃)时可从冷面抽运热量的最大值。实际使用时的制冷量通常远小于该数值。最大产冷量一般用来比较不同规格器件的制冷能力。

3.最大温差电压:器件维持两端温差大小的能力与加在器件上的直流电压成正比,达到最大温差时的电压称为最大温差电压,施加的电压超过该电压后温差将会减小。测定最大产冷量时使用最大温差电压,器件使用时的电压应该小于该电压,最常选用的范围是最大电压的70%--80%,当需要的温差较小时可以使用更小的电压。此时所能获得的最大温差、最大产冷量也相应较小。该参数表明了器件工作时适用的电压范围。

4.最大温差电流:是确定器件功率的重要指标,有时用电阻值替代表示,是冷热面温度27℃时(温差为0)在最大温差电压下的电流值,器件工作时的电流一般小于该值,实际工作电流还会随着温差增加、热面温度升高而减小。该数值可以比较直观地代表制冷器件的功率大小,此外表示了器件工作时的电流范围。

● 选型方法

1.为了选择制冷器件规格要先确定需要的制冷量,即需要移除的热量,如果不能确切的测量或计算也可以通过温升等外部状况推算和估计,将估算值标记为Qc,如果冷面温度与环境温度的差小于30℃,属于常规制冷应用,直接用1.5*Qc与制冷器件规格表中27℃的最大制冷量比较,找到数值相近的规格(±5W),再参照希望采用的电流、电压即可选择一款合适的制冷器件。

2.对于制冷温差30℃--60℃的非常规制冷应用,需要选用2.5*Qc甚至更高制冷量的规格,因为器件的特性是随着温差增加抽运热的能力呈线性下降。

3.选择制冷器件时还应充分地考虑到散热条件的制约,散热条件直接影响器件热面的温度,器件工作时需要不断地从热面移除抽运出来的热量,和器件工作时消耗功率而产生的热量,总的散热量其数值等于Qc+V*I,V*I是输入到器件的功率,如果散热不充分热量就会倒流回冷端,使冷端温度升高,所以在散热条件受制约时选择功率较小的器件制冷效果反而有可能改善。

4.作为选择时的一种方案是以较多数量的小功率器件代替较少数量的大功率器件,获得相同的制冷量,目的在于增加热源面积降低散热功率密度。少数大功率器件常常需要水冷散热,比如12715器件在12V下工作,当电流为9A时根据Th=50℃的特性图Qc≈10W,散热量Qh=12*9+10=118W,所以散热负荷很大,风冷散热时对散热器要求很高。解决的方案可以使用2片12708替代或采用水冷散热。

5.以上作为一种近似的简易的选型方案使对制冷器件应用缺乏实际经验的设计者能够快速地切近主题,在此基础上获得设计的大概轮廓,然后通过实际模拟和测试确定最终的制冷器规格和周边设计。对于更为精确的计算和设计请随时联系我们的技术人员,我们会为您提供更为丰富的实践经验帮助您尽可能地完善设计。

 

4.2半导体致冷器在实际使用时的基本结构模型

4.2.1冷藏箱类典型结构

4.2.2恒温操作台类典型结构

 

4.3散热器的选择

我们可以将热电制冷器看作为一个介质为热的泵,热量从一面被运送到另一面。制冷器的工作过程不是普通的吸热过程或者将热量消耗掉的过程。通电之后,热电制冷器的一面会变冷而另一面变热。被制冷一面的热量将被传递到另一面—热端,传递的过程完全符合热力学过程。热电制冷器的热端必须要连接在一个合适的散热器上,以便释放掉从冷端传递过来的热量和器件运行过程中产生的焦耳热。

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。对于一般的应用,散热器的温度高于室温5-15 ℃是比较常见的。

市场上,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。

散热器的性能一般使用热阻来衡量,热阻越小性能越好。

根据不同的应用条件,热电制冷器需要有不同种类的散热器与之相匹配,并且,还会有不同的机械约束条件,使整个设计过程非常复杂。由于每种应用条件都不相同,很难推荐一种单一的散热器结构可以满足大多数条件。

热电制冷器上使用的散热器表面平整度50mm内不大于0.02mm,所以有必要对挤压散热器进行额外的抛光、飞刀切割、或者打磨,以求满足这种平整度的要求。

 

●自然对流式散热器:

自然对流式散热器一般只能用在小功率条件下。大部分自然对流式散热器的热阻值要大于0.5 ℃/W,而且,多数情况下会达到10 ℃/W。自然对流式散热器的安装位置要满足两个条件:a.散热片的长度方向要沿着空气流动的方向,垂直方向的操作可以增强自然对流;b.不可以有明显的物理阻挡妨碍空气流动。另外,我们还需要考虑到散热器周围其他的器件产生热量,环境温度会提高,从而对整体的使用性能产生影响。

 

● 强制对流式散热器:

强制对流式散热方法是热电制冷器中最常见的散热方法。合格的强制对流散热系统的热阻一般维持在0.02~0.5 ℃/W的范围内。许多标准散热器挤型与合适的风扇配合就可以作为完整冷却系统的基础。应用中,既可以通过风扇或鼓风机获得冷却的空气,又可以使空气从散热器的长度方向通过,或者通过将空气朝向散热器的中心吹入,使其在开口的两端流出而获得冷却。

 

● 液体冷却式散热器:

与前两种散热器相比,相同体积的液体冷却式散热器可以提供最好的性能,通过优化设计,可以得到非常低的热阻值。典型的液体冷却式散热器的热阻通常可以低到0.01~0.1 ℃/w。简单的液体冷却散热器可以通过将铜质涡轮焊接在铜板上得到,或者在金属块体上钻孔使水从中通过。如果想得到更复杂的结构,也就是更高的性能,可以在铜块或者铝块上加工出精细的盘旋式水槽,然后用盖板封闭整个体系。 

 

4.4电源及控制方式的选择

热电制冷器件在工作时可以直接采用直流电源供电,无论是电池或开关电源、还是简单的整流直流电源均可使用。热电制冷器是低阻抗的半导体器件,相当于在电源上加载一个电阻。由于碲化铋材料的本征性质,制冷器的平均温度每升高1 ℃电阻增加大约为0.5%。经优化后的传统的电池充电器只要其交流纹波系数不会超载,就可以为热电制冷器提供足够的电量。如果为了达到简单的温度控制目的,可以使用标准恒温器或者可变输出的直流电源来调整热电器件的输入电压。在热载荷比较稳定的应用条件下,使用手动调控的直流电源就可以保证在几个小时温度或更长时间范围内,温度的上下波动不超过±1 ℃。如果需要精确控制温度,一般需要使用闭路(反馈)系统,通PID或PWM等自动控制输入电流的大小或者脉宽。此时,温度控制的精度保持可以在±0.1 ℃,或更高的精度内。

与其他典型的电子器件相比,对热电器件来说是否安装电源纹波系数的滤镜并不是非常重要。然而我们仍然建议将纹波系数的波动范围控制在10 %以内,而且最好保持在< 5%的范围内。

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