Vigtige faktorer for forbedret Peltier-modulers pålidelighed

Peltier-moduler eller termoelektriske kølere (TEC) har oplevet en stigende popularitet på grund af deres pålidelige solid-state-konstruktion og præcise temperaturstyring. Deres grundlæggende funktion er at overføre varme fra den ene side af modulet til den anden, når der tilføres elektrisk strøm. Som med alle andre komponenter i design er pålideligheden af Peltier-moduler vigtig, så hvis man har en grundlæggende viden om deres implementering og konstruktion, kan det være en stor hjælp for designere at anvende dem korrekt. For at hjælpe ingeniører med at forstå denne voksende teknologi vil denne artikel give en kort gennemgang af opbygningen af Peltier-moduler samt de almindelige fejlmekanismer, der skal undgås for at forbedre den samlede pålidelighed.

Grundlæggende konstruktion

Som faststofkomponenter uden bevægelige dele kan termoelektriske kølere fungere inden for et bredt temperaturområde. Peltier-moduler består på et højt niveau af halvlederpiller, der er placeret mellem to elektrisk isolerende, men termisk ledende keramiske plader. Halvlederpillerne er også doteret til at bære enten en positiv eller negativ ladning. På de indre overflader af hver enkelt keramisk komponent er der påført ledende metalmønstre, som halvlederpillerne loddes til og konfigureres på en sådan måde, at de er elektrisk i serie og mekanisk parallelle. Disse elektriske og mekaniske konfigurationer fører i sidste ende til de grundlæggende termiske principper for Peltier-enheder, hvor varme absorberes fra den kolde side af keramikken og udledes af den varme side af keramikken.

For yderligere oplysninger om disse grundlæggende principper og konstruktion kan Same Sky whitepaper bruges som en yderligere ressource om dette emne.

Figur 1: Generel opbygning af Peltier-modulet (Billedkilde: Same Sky)

Almindelige fejlmekanismer

Mekanisk brud på halvlederpillerne eller de tilhørende loddeforbindelser er de mest almindelige fejlmekanismer i Peltier-moduler. Selv om disse brud ikke i første omgang udvikler sig i hele pellet eller loddeforbindelsen, kan der opstå en fuldstændig fejl, hvis bruddet spreder sig fuldstændigt over et af disse to områder. Disse brud kan imidlertid opdages før et totalt svigt ved at bemærke en stigning i Peltier-modulets seriemoduls seriemodstand, hvilket reducerer dets samlede effektivitet.

Spændings- og forskydningskræfter

Peltier-moduler anvendes almindeligvis i applikationer, hvor den kolde side af TEC-modulet placeres på en genstand, der skal køles, med en køleplade på den varme side for at forbedre varmeafledningen. Hvis kølehovedet og den genstand, der skal køles, er fastgjort til de keramiske plader uden nogen understøttende mekanisk struktur, kan der imidlertid opstå store forskydnings- eller spændingskræfter på tværs af TEC-modulet. Da Peltier-moduler ikke er beregnet til at modstå disse typer belastninger, kan disse kræfter ødelægge modulet eller føre til en anden mekanisk fejl.

Figur 2: Demonstration af forskydnings- eller spændingskræfter i et almindeligt Peltier-modul (billedkilde: Same Sky)

For at bekæmpe disse forskydnings- eller spændingskræfter er mange Peltier-moduler fastspændt mellem objektet og en køleplade, fordi Peltier-modulet kan modstå store kompressionskræfter fra klemmerne. Til gengæld er klemmerne i stand til at absorbere eventuelle forskydnings- eller spændingskræfter fra objektet og kølehovedet.

Figur 3: Almindelige belastninger på et Peltier-modul (Billedkilde: Same Sky)

Kompressionskræfter

Selv om fastspænding bekæmper mange af de negative kræfter på et Peltier-modul, kan det skabe sine egne problemer, hvis det ikke implementeres korrekt. Når du fastspænder køleplader og genstande til et Peltier-modul, er det vigtigt, at der anvendes jævne fastspændingskræfter for at minimere drejningsbelastningen på TEC-modulet og reducere risikoen for skader. Disse ujævne klemkrafter kan skabe moment og kompressionskræfter, som fører til mekanisk svigt.

Figur 4: Korrekt og ukorrekt fastspænding af et Peltier-modul (Billedkilde: Same Sky)

Termiske cyklusser

De keramiske plader og halvlederpellets i termoelektriske køleapparater har hver især en termisk udvidelseskoefficient (CTE). Når TEC-modulet gennemgår termiske cyklusser med opvarmning og afkøling, kan en uoverensstemmelse mellem keramikkens og halvlederens CTE føre til mekaniske spændinger, der forårsager brud i halvlederpillerne og loddeforbindelserne. Ud over ændringer i et Peltier-moduls absolutte temperatur kan termiske gradienter og hurtige ændringer i et moduls temperatur også føre til mekaniske spændinger på grund af CTE'erne. Drift af et TEC-modul ved ekstreme temperaturer, med store temperaturgradienter og ved høje temperaturforskydningshastigheder medfører også mekaniske belastninger og en øget risiko for fejl på enheden.

Eksterne forurenende stoffer

Eksponering for eksterne forurenende stoffer er en anden vej til mekaniske svigt af halvlederpellets, loddeforbindelser og metalliserede ledningsmønstre i et Peltier-modul. For at minimere eksponeringen for disse forurenende stoffer er det almindeligt, at der påføres et tætningsmiddel rundt om TEC-modulets omkreds mellem de to keramiske plader. Af de typiske tætningsmetoder anvendes silikonegummi i vid udstrækning på grund af dets mekaniske overensstemmelse. Det kan dog være ineffektivt som dampspærre under ekstreme driftsforhold. For at afhjælpe denne mangel kan epoxy anvendes som et alternativt tætningsmateriale i miljøer med meget damp, men det har ikke samme mekaniske eftergivelighed som silikonegummi. I sidste ende afhænger beslutningen om at vælge mellem de enkelte tætningsmidlers fordele og ulemper af den endelige anvendelse og driftsbetingelserne.

Forbedringer af pålideligheden

Same Sky har udviklet arcTEC™-strukturen for at bekæmpe de mekaniske belastninger, der kan føre til revner i loddeforbindelserne og halvlederpillerne i et Peltier-modul. Denne unikke konstruktion er implementeret i Same Sky højtydende Peltier-moduler for at forbedre pålidelighed, levetid og ydeevne. ArcTEC-strukturen modvirker virkningerne af termisk træthed ved at erstatte loddeforbindelserne med en elektrisk ledende harpiks på den kolde side af TEC-modulet, som er mere mekanisk eftergivelig end loddet. Dette er med til at minimere de spændinger og brud, der kan opstå i traditionelle Peltier-modulstrukturer. Resten af lodningerne udskiftes derefter med et højtemperatur antimonlod (SbSn, 235 °C), der tåler mekanisk belastning bedre end det mere traditionelle, lavere temperatur-bismuthlod (BiSn, 138 °C). Same Sky Peltier-moduler indeholder også den tidligere nævnte dampspærre af silikonegummi for at opnå ekstra mekanisk overensstemmelse med epoxy og andre dampspærrer, der kan fås efter anmodning.

For at demonstrere den forbedrede pålidelighed af arcTEC-strukturen viser nedenstående graf modstand mod antallet af termiske cyklusser. Da stigende ændringer i modstanden fører til en øget risiko for fejl, kan man tydeligt se den mere stabile ydelse af Same Sky arcTEC-struktur sammenlignet med standard Peltier-moduler over et større antal termiske cyklusser.

Figur 5: Graf, der viser arcTEC-strukturens mere pålidelige ydeevne (Billedkilde: Same Sky)

Konklusion

Der er mange faktorer, der kan føre til forbedret eller forringet ydeevne og pålidelighed af Peltier-moduler, herunder mekanisk installation, driftsforhold og eksterne forurenende stoffer. Når du vælger et Peltier-modul, er det vigtigt at overholde korrekt monteringspraksis og driftsparametre. Same Sky arcTEC-struktur, som findes i mange af deres Peltier-moduler, kan hjælpe med at mindske nogle af disse almindelige fejlmekanismer og forbedre den samlede pålidelighed. Med et udvalg af Peltier-enheder i forskellige størrelser og termiske værdier har Same Sky flere muligheder for at opfylde en ingeniørs behov for termisk styring.