Peltier-Module ideal für Kühlanwendungen

Verbessern Sie die Kühlkapazität durch die Anwendung des Peltier-Effekts

Das Peltier-Modul, auch bekannt als thermoelektrischer Kühler (TEC) oder thermoelektrisches Modul (TEM), ist ein Festkörpergerät ohne bewegliche Teile, das bei Stromzufuhr Wärme überträgt und in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden kann. Es basiert theoretisch auf dem Peltier-Effekt, der 1834 von Jean Peltier, einem französischen Physiker, entdeckt wurde.   Das Peltier-Modul besteht strukturell aus positiv und negativ dotierten Pellets aus Halbleitermaterial, die zwischen zwei elektrisch isolierten, aber thermisch leitfähigen Keramikplatten angeordnet sind. Ein leitfähiges Muster aus Metallmaterial ist auf der Innenseite jeder Keramikplatte aufgebracht, auf der die Halbleiterpellets verlötet sind. Diese Modulkonfiguration ermöglicht es, dass alle Halbleiterpellets elektrisch in Reihe und mechanisch parallel verbunden sind. Der gewünschte thermische Effekt wird durch die elektrische Reihenschaltung bereitgestellt, während die mechanische Parallelschaltung es ermöglicht, dass Wärme von der einen Keramikplatte (kalte Seite) aufgenommen und von der anderen Keramikplatte (warme Seite) abgegeben wird.

Häufige Ursachen für Ausfälle in typischen Peltier-Modulen

Der häufigste Fehler im Peltier-Modul ist der mechanische Bruch eines Halbleiterpellets oder der zugehörigen Lötstellen, die sich zunächst nicht vollständig durch das Pellet oder die Lötstelle ausbreiten und durch den Anstieg des Reihenwiderstands des Geräts erkannt werden können. Der Anstieg des Widerstands des Peltier-Moduls kann zu einer verringerten Gesamteffizienz führen, aber der Bruch, der sich vollständig auf das Halbleiterpellet oder die Lötstelle ausbreitet, kann zu einem vollständigen Ausfall führen.   In einer typischen Anwendung des Peltier-Moduls wird das zu kühlende Objekt auf der Kaltplatte des Moduls platziert und ein Kühlkörper auf der heißen Seite. Im Falle einer Haftung des Kühlkörpers und des zu kühlenden Objekts an der Keramikplatte ist das Fehlen einer anderen mechanischen Struktur zur Unterstützung des Kühlkörpers und des zu kühlenden Objekts wahrscheinlich eine Ursache für mechanisches Versagen. Die ausschließliche Unterstützung des Objekts oder des Kühlkörpers durch das Peltier-Gerät kann eine große Scher- oder Zugbelastung auf das Modul ausüben. Das Peltier-Modul kann den hohen Zug- oder Scherkräften zwischen dem Kühlkörper und der Kaltplatte nicht standhalten und kann bei übermäßiger Kraft brechen.   In den meisten Anwendungen wird der Kühlkörper zusammen mit dem zu kühlenden Objekt geklemmt, wobei das Peltier-Modul dazwischen platziert wird. Diese mechanische Konfiguration wird durch die Tatsache ermöglicht, dass das Peltier-Modul große Druckkräfte von den Klammern tragen kann, die jegliche Scher- oder Zugspannungen zwischen dem Objekt und dem Kühlkörper absorbieren können.   Trotz der Fähigkeit des Peltier-Moduls, große Druckbelastungen zu widerstehen, müssen der Kühlkörper und das zu kühlende Objekt gleichmäßig über das Peltier-Modul gespannt werden, oder die Dreh- und Druckkräfte zwischen den Keramikplatten können zu einem mechanischen Versagen führen. Mechanische Beschränkungen, die Druckklammerkräfte auf das Peltier-Modul erzeugen, müssen sorgfältig und gleichmäßig angewendet werden, um Drehmomentbelastungen auf das Peltier-Modul zu minimieren und die Möglichkeit von Schäden zu verringern.   Darüber hinaus haben die Keramikplatten und Halbleiterpellets zum Bau des Peltier-Moduls verwandte Koeffizienten der Wärmeausdehnung (CTE). Ein Missverhältnis zwischen den Keramiken und den Halbleiter-CTEs kann mechanische Spannungen verursachen. Im Falle von Modulen, die erhitzt oder gekühlt werden, kann es zu Brüchen in den Halbleiterpellets und Lötstellen führen. Zusätzlich zur absoluten Temperaturänderung des Peltier-Moduls können die thermischen Gradienten auf dem Gerät und die schnelle Änderungsrate seiner Temperatur auch mechanische Spannungen aufgrund des CTE verursachen. Der Betrieb bei extremen Temperaturen, großen Temperaturgradienten und hohen Temperaturänderungsraten kann mechanische Spannungen erhöhen und zu Geräteausfällen führen.   Mögliche externe Verunreinigungen der Halbleiterpellets, Lötstellen und metallisierten Leitungsbahnen im Peltier-Modul können ebenfalls zu Ausfällen führen. Die übliche Lösung zur Minimierung der Kontaminationsbelastung besteht darin, Dichtungsperlen um das Modul zwischen den beiden Keramikplatten anzubringen. Die mechanische Flexibilität des Materials macht Silikonkautschuk zu einem gängigen Dichtungsmittel, aber es ist möglicherweise nicht effektiv als Dampfsperre in rauen Betriebsumgebungen. Epoxidharze können als periphere Dichtungen bei hoher Dampfkonzentration verwendet werden, allerdings haben Epoxidharze im Allgemeinen nicht die mechanische Anpassungsfähigkeit von Silikonkautschuk.

Peltier-Module mit arcTEC™-Struktur funktionieren noch besser

Wie oben erwähnt, können die Lötstellen und Halbleiterplättchen des Peltier-Moduls unter mechanischem Stress reißen. Same Sky hat Peltier-Module mit der arcTEC™-Struktur entwickelt. Ihre einzigartige Struktur ermöglicht es ihnen, thermischer Ermüdung zu widerstehen, wodurch die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Moduls verbessert werden.
 
Zunächst haben Peltier-Module mit arcTEC™-Struktur von Same Sky die Lötstellen auf der kalten Seite der Module durch leitfähiges Harz ersetzt. Dieses Harz, das mechanisch flexibler ist als Lötzinn, ermöglicht thermische Ausdehnung und Kontraktion während wiederholter thermischer Zyklen der Peltier-Module und hilft, Stress und Bruch in traditionellen Peltier-Modulstrukturen zu minimieren. Dies führt zu einer besseren thermischen Verbindung, einer überlegenen mechanischen Verbindung und einer Leistung, die sich über die Zeit hinweg nicht signifikant verschlechtert.
 
Die verbleibenden Lötstellen in der arcTEC-Struktur bestehen aus Hochtemperatur-Antimonlötzinn (SbSn, 235°C) anstelle des häufiger verwendeten Niedertemperatur-Wismutlötzinns (BiSn, 138°C). Antimonlötzinn ist widerstandsfähiger gegen mechanischen Stress als Wismutlötzinn, und seine hervorragende thermische Ermüdungsbeständigkeit und bessere Scherfestigkeit tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Peltier-Moduls bei. Das Peltier-Modul von Same Sky wird auch mit einer silikonbeschichteten Gummischicht zur Feuchtigkeitsresistenz geliefert. Andere feuchtigkeitsbeständige Beschichtungen wie Epoxidharz sind auf Anfrage erhältlich.
 
Unter der kombinierten Wirkung von wärmeleitendem Harz und SbSn-Lötstelle in der arcTEC-Struktur werden die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Peltier-Moduls stark beeinflusst. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Lebensdauer des Peltier-Moduls und der Qualität der Verbindungen, und das Versagen ist hauptsächlich auf den Anstieg des Widerstands im Modul aufgrund der thermischen Ermüdung der Verbindungen innerhalb des Moduls zurückzuführen. Dieser Effekt wird durch interne Spannungen, die während wiederholter thermischer Zyklen auftreten, weiter verschärft. Bei mehr als 30.000 thermischen Zyklen ist die Widerstandsänderung des Peltier-Moduls mit arcTEC-Struktur vernachlässigbar, was ihm eine hervorragende Leistung verleiht.
 
Neben der überlegenen Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Moduls bietet das Peltier-Modul mit arcTEC-Struktur eine verbesserte thermische Leistung. Im Peltier-Modul sind die integrierten P/N-Elemente, die aus erstklassigen Siliziumbarren hergestellt werden, 2,7-mal so groß wie die in anderen thermoelektrischen Modulen auf dem Markt verwendeten Elemente. Da größere Elemente eine schnellere und gleichmäßigere Kühlung erzeugen, kann dies erhebliche Auswirkungen auf die thermische Leistung haben. Die Infrarotinspektion der Einheit, die durch die arcTEC-Struktur konstruiert wurde, zeigt eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Keramiksubstrats.
 
Im Gegensatz dazu zeigen herkömmliche Einheiten mehrere Temperaturabweichungen, was auf ein höheres Risiko für eine verminderte Kühlleistung und eine verkürzte Lebensdauer hinweist. Diese Temperaturabweichungen können durch minderwertige P/N-Elementqualität, kleine Elementgröße oder schlechte Lötqualität innerhalb des Moduls verursacht werden. Der Einsatz von Modulen mit größeren P/N-Elementen ermöglicht eine schnellere Kühlung ohne Leistungseinbußen. Feldtests zeigen, dass die Module mit arcTEC-Struktur die Kühlzeit im Vergleich zu konkurrierenden Modulen um mehr als 50% verbessert haben. Dieser wesentliche Unterschied kann der Größe und Qualität der P/N-Elemente sowie der höheren Zuverlässigkeit der arcTEC-Struktur zugeschrieben werden. Eine Zunahme der Anzahl thermischer Zyklen und der Widerstandsänderung in herkömmlichen Modulen wird die Lücke weiter vergrößern.

Diversifizierte Peltier-Modulserie zur Erfüllung unterschiedlicher Anwendungsanforderungen

In der Hochleistungs-Peltiermodul-Serie von Same Sky sind einstufige Peltiermodule mit einer kompakten, leichten Form und fester Bauweise ohne bewegliche Teile enthalten. Präzise Temperaturkontrolle und schnelle Reaktion ermöglichen eine hochzuverlässige Kühlungslösung. Das zusätzliche mehrstufige Peltiermodul kann durch die Stapelung von zwei Modulen, um die Wärmepumpenkapazität zu erhöhen, höhere Temperatursteigerungen von bis zu 105°C erreichen, während die Vorteile der einstufigen thermoelektrischen Kühlung in fester Bauweise erhalten bleiben. Die verbesserte Wasserbeständigkeit und die thermische Spannungsabsorptionsfähigkeit der dichtungsfreien Struktur der Peltier-Kühleinheit ermöglichen eine bessere Wärmeaufnahme, verbesserte Leistung und einfachere Installation ohne Schraubenanzug.   Same Sky bietet die Serie von Hochleistungs-Peltiermodulen in Größen von 3,4 mm bis 70 mm, einem Profil von nur 1,95 mm, einem ΔTmax von bis zu 95°C (Th=50°C), Nennstrom von 0,7 A bis 20 A und Temperatursteigerungen von 70°C bis 105°C an. Die zuverlässige feste Bauweise, die präzise Temperaturkontrolle und die leise Betriebseigenschaft dieser Peltiermodule machen sie ideal für medizinische und industrielle Anwendungen und Designs, bei denen Luftkühlung nicht möglich ist.

Fazit

Die Peltier-Module von Same Sky, die darauf abzielen, die Auswirkungen thermischer Ermüdung zu mildern und P/N-Elemente zu optimieren, leisten weit mehr als thermoelektrische Kühler mit herkömmlichen Strukturen. Da diese Verbesserungen in der arcTEC-Struktur insgesamt die verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit bieten, die für die anspruchsvollsten Anwendungen erforderlich sind, werden diese Peltier-Module zur idealen Wahl für hochdichte, leistungsstarke medizinische und industrielle Anwendungen.