TEC技术介绍.doc

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2008-08-29

       热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。

1821年由德国科学家托马斯·塞贝克发现在一个由两种不同金属导体构成的闭合回路中，当两个接头的温度不同时，回路中会有持续的电流流动。

1834年，一个法国制表师兼物理学家简·珀尔帖在研究塞贝克效应的过程中发现，这一现象具有一个相反的现象，也就是当闭合回路中有电流流动的时候，两个接头之一会吸热，而另一个会放热。

20年后，威廉姆·汤姆逊（即开尔文勋爵）为塞贝克效应和珀尔帖效应提出了一个系统的解释，并建立了两者的关系。

在很长时间里，温差电领域中只有用热电偶测量温度得到了广泛应用。

直到1960年前后前苏联科学家完善了以Bi2Te3为代表的化合物半导体材料的制备技术，才使得商业化的热电制冷器才有所发展。

半导体致冷器，是基于帕尔贴效应开发的固态加热、制冷器件。

目前应用于关键电子部件、光学系统、医疗仪器及其他装置中的精密温度控制。

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2008-08-29

      在目前的热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。

碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。

工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋料锭。

热电材料的制备方法通常是区域熔化法或者粉末压制成型法。

      由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。

此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。

值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。

所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。

因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。

另外，热电制冷器还具有发电的功能。

在这个模式下，只要在制冷器上加载一个温差后，回路中便会产生电流。

      从上面的半导体结果示意图中可以知道，电偶臂材料分别采用了p型和n型碲化铋。

这种布局方式下，电流在p型和n型电偶臂里上下流动的过程中，热流方向能始终保持不变，在n型材料中，热流方向与电流方向相反；在P型材料中，热流方向与电流方向相同。

一个p型和一个n型电偶臂组成一对温差电偶对，大多数热电制冷器是由相同数量的n型和p型电偶臂所组成的。

上图的模型是由两对p型和n型电偶臂构成的两对温差电偶对，通过合理的串联结构，可以组合成不同对数的半导体致冷器。

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2008-08-29

      目前，半导体致冷器广泛应用于电子、激光、通讯、测量、分析等科技领域，在民用领域也有相当的应用。

下面列举一些实际应用的实例：

●参比冰点

●参量放大器

●除湿器

●低噪音放大器

●电泳电池制冷器

●电子封装制冷

●发电机（小型）

●光导摄像管制冷器

●光电倍增管防护罩

●黑匣子制冷

●恒温槽

●恒温浴

●红外探测器

●环境分析

●酒柜

●激光二极管制冷器

●集成电路制冷

●晶圆热特性分析

●精密设备制冷（激光和微处理器）

●冷柜

●露点湿度计

●切片机制冷

●热密度测量

●热循环系统（DNA和血液分析仪）

●生物学组织制备和储存

●湿化学过程温度控制

●饮用水和饮料冷却

●冰箱和便携冰箱系统（飞机、汽车、轮船、宾馆、野餐、制药、胰岛素、手机等）

      在一些中小功率热量传输，但是需要复杂控温的热控过程中，半导体致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，半导体致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。

其中包括：

●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。

●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。

●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。

●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。

●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。

●可以在任意角度下工作：

热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。

●简单方便的能源供给：

热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化。

在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。

2.1半导体致冷器原理型的数学模型

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2011-03-03

      如图所示的是一个最简单、最基本的温差电器件，由N、P两种类型的半导体温差电材料经电导率较高的导流片串联构成。

当电流流过回路时，将在接头A处发生吸热，而在接头B处放热，使得T2>T1，因而在A、B两端建立温差ΔT=T2-T1，其作用就是一个制冷器。

      根据帕尔贴效应建立在冷端A处的热平衡方程，可获得该接头处单位时间从外界进入的热量（制冷量）QC为：

Qc=αNPT1I–0.5I2R–k（T2–T1）

其中R为N、P电偶臂的电阻，

αNP为N、P电偶臂的温差电动势总和，与制冷器的电偶臂对数有关

I为通过回路的电流，

k为电偶臂的热阻总和。

2.2温差电优值Z

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2011-03-03

为了评价温差电材料和器件的各种性能，可以引入一个与温差电材料有关的概念：

温差电优值Z。

对于温差电材料而言，Z=α2.σ/λ   

 其中α为材料的赛贝克系数，也就是温差电动势，

        σ为材料的电导率，

        λ为材料的热导率。

  对于温差电器件而言，Z=αNP2

2.3最大温差电流和最大温差

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2011-09-22

      温差电制冷器的一个重要性能参数是器件两端所能建立的温差ΔT=T2-T1。

显然，这个温差与制冷器的制冷能力和外加热负荷有关。

      利用器件的冷端热平衡方程，可以求得

ΔT=（αNPT12R–Qc）/k

      对于制冷器无外加热负载的情况即Qc=0，令d（ΔT）/dI=0,可以求得相应于ΔT取极值时的最佳电流IT为

IT=αNPT1/R

      当制冷器工作在这个最佳电流时，具有的最大温差ΔTmax为

ΔTmax=0.5ZT12

      以上是从制冷器冷端热平衡方程中推导出的最大温差电流和电偶对两端的最大温差的计算方法。

在厂商样本中和实际应用时，往往将其换算成以热端温度T2为参照值的数据，也就是定义：

      最大温差电流Imax：

在热端温度恒定为Th（通常定义为27℃）、负载Qc为0的情况下可以获得最大温差ΔTmax即最低冷端温度Tcmax时应输入的电流值。

      最大温差ΔTmax：

在热端温度恒定为Th（通常定义为27℃）、负载Qc为0、通以最大温差电流的情况下，制冷器可以获得的温差值。

      如果要实际测量这两个参数，需要在真空条件下测量。

我公司样本中提供的数据指的就是在真空条件下测的数据。

2.4最大产冷量Qcmax

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2011-09-26

      制冷器工作时单位时间内从外界吸入的热量成为产冷量，单位是W。

当材料的特性αNP、R、k一定时，器件的产冷量与通过器件的电流和两端的温差有关；对于不同的外加电流和温差条件，其产冷量是不同的。

      在制冷器冷端热平衡方程中，令dQc/dI=0，可以获得相对于Qc取极值时的最佳电流值Iq为:

      Iq=IT=αNPT1/R

      相对于的产冷量Qc为Qc=0.5αNP2T12/R–k（T2–T1）

      进一步，若定义制冷器工作在最佳电流Iq工况下，且器件两端的温差为0时制冷量为器件的最大产冷量为Qcmax，则Qcmax=0.5αNP2T12/R

      从上式中可以看出，最大产冷量也是温差的函数，我公司所给出的样本中的最大产冷量是指热面温度Th=27℃时标定的最大产冷量

2.5制冷效率COP

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2011-09-26

制冷器的制冷效率COP定义为：

COP=Qc/P

Qc为冷端吸热量；P为制冷器输入功率.

制冷器两端的外加电压V应等于电偶臂上的电压降VR=IR，加上抵抗温差电压所需的电压降Vs=αNP（T2-T1）,即

V=VR+Vs=IR+αNP（T2-T1）

由此可得制冷器的输入功率为

P=VI=I2R+αNP（T2-T1）I

进而可获得制冷器的制冷效率COP

COP=[αNPT1I–0.5I2R–k（T2–T1）]/[I2R+αNP（T2-T1）I]

从式中可以看出，制冷效率COP不仅与器件的特定参数（αNP、R、k）有关以外，还与其具体工作状态（T1、T2-T1、I）有关。

3.1半导体致冷器功能失效机理分析及解决方案

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2011-09-26

目前为止，我们发现导致制冷片失效的原因主要有以下4个方面：

●热应力

      ◎失效机理

      半导体致冷器工作时一面吸热、一面放热，两面工作在不同的温度上。

因为半导体材料和其他部件（导铜和瓷片）的热膨胀系数不同，导致致冷器内部的热电材料与导流片、瓷片之间产生热应力，长时间工作尤其是频繁进行冷热交变工作后导致热电材料与导流片结合部形成缺陷甚至开裂，引发致冷器失效。

      ◎我司解决方案

      已成功开发GL结构致冷器，这种产品更适应于工作在频繁进行冷热交变的场合。

●电化学腐蚀

      ◎失效机理

半导体致冷器使用时，冷面温度一般会降低到露点以下。

如果致冷器的密封不好，水汽会进入到致冷器内部，通电时引起电化学腐蚀导致半导体致冷器内部短路影响使用效果。

针对这种失效机理，在一般的致冷器设计中，要在致冷器的四周封装硅橡胶或环氧树脂胶加以密封，可以在一定程度上缓解由于水汽浸入而引起的电化学腐蚀，适用于一般场合。

      ◎我司解决方案

      对于对可靠性要求较高的应用场合，我公司开发了更有效抑制水汽浸入致冷器内部的

      PV-2F机芯。

这种产品从组件结构上更加重视防水的密封性能，并使用了GL结构的致冷器，从而大大提高了可靠性。

●物质迁移（扩散）

      ◎失效机理

      半导体致冷器长时间使用过程中，导流片中的铜元素以及焊料当中的锡元素会向半导体材料中扩散，使该接头处形成缺陷甚至断裂，同时导致半导体材料性能降低以至最终失效。

      ◎我司解决方案

      公司采用特殊工艺，在半导体材料表面制作厚度适当的阻挡层，有效阻止了铜元素扩散