Moduli Peltier ideali per applicazioni di raffreddamento

Ottenere una migliore capacità di raffreddamento dall'applicazione dell'effetto Peltier

Il modulo Peltier, noto anche come raffreddatore termoelettrico (TEC) o modulo termoelettrico (TEM), è un dispositivo a stato solido senza parti in movimento che trasmette calore quando è alimentato e può operare su un'ampia gamma di temperature. È teoricamente basato sull'effetto Peltier, scoperto nel 1834 da Jean Peltier, un fisico francese.   Il modulo Peltier è strutturalmente composto da pellet di materiale semiconduttore drogati positivamente e negativamente posti tra due piastre ceramiche elettricamente isolate ma termicamente conduttive. Uno schema conduttivo di materiale metallico è placcato sulla superficie interna di ciascuna piastra ceramica, sui cui sono saldati i pellet semiconduttori. Questa configurazione del modulo consente a tutti i pellet semiconduttori di essere collegati in serie elettricamente e meccanicamente in parallelo. L'effetto termico desiderato è fornito dal collegamento elettrico in serie, mentre il collegamento meccanico in parallelo permette al calore di essere assorbito da una piastra ceramica (lato freddo) e rilasciato dall'altra piastra ceramica (lato caldo).

Cause comuni di guasto nei moduli Peltier tipici

Il guasto più comune nel modulo Peltier è la frattura meccanica di pellet semiconduttori o giunti di saldatura associati, che inizialmente non si propagano completamente attraverso il pellet o il giunto di saldatura e possono essere rilevati dall'aumento della resistenza in serie del dispositivo. L'aumento della resistenza del modulo Peltier può portare a una diminuzione dell'"efficienza" complessiva, ma la frattura che si propaga completamente al pellet semiconduttore o al giunto di saldatura può causare un guasto completo.   In un'applicazione tipica del modulo Peltier, l'oggetto da raffreddare viene posizionato sulla piastra fredda del modulo e un dissipatore di calore viene posizionato sul lato caldo. Nel caso in cui il dissipatore di calore e l'oggetto da raffreddare aderiscono alla piastra ceramica, l'assenza di qualsiasi altra struttura meccanica per sostenere l'oggetto raffreddato e il dissipatore di calore è probabile che causi un guasto meccanico. Sostenere l'oggetto o il dissipatore di calore esclusivamente usando il dispositivo Peltier può imporre un grande carico di taglio o tensione sul modulo. Il modulo Peltier non può sopportare l'alta tensione o forza di taglio tra il dissipatore di calore e la piastra fredda e può fratturarsi in caso di forza eccessiva.   Nella maggior parte delle applicazioni, il dissipatore di calore è serrato insieme all'oggetto da raffreddare, con il modulo Peltier posto in mezzo. Questa configurazione meccanica è resa possibile dal fatto che il modulo Peltier può supportare grandi forze di compressione dai morsetti, che possono assorbire qualsiasi stress di taglio o tensione tra l'oggetto e il dissipatore di calore.   Nonostante la capacità del modulo Peltier di sopportare grandi carichi di compressione, il dissipatore di calore e l'oggetto da raffreddare devono essere serrati uniformemente attraverso il modulo Peltier, o la coppia e le forze di compressione tra le piastre ceramiche possono provocare un guasto meccanico. I vincoli meccanici che generano forze di serraggio compressive sul modulo Peltier devono essere applicati con cura e uniformemente per minimizzare lo stress da coppia applicato al modulo Peltier e ridurre al minimo la possibilità di danni.   Inoltre, le piastre ceramiche e i pellet semiconduttori per la costruzione del modulo Peltier hanno coefficienti di espansione termica (CTE) correlati. Una disuniformità tra i CTE della ceramica e del semiconduttore può causare stress meccanici. Nel caso di moduli riscaldati o raffreddati, può provocare fratture nei pellet semiconduttori e nei giunti di saldatura. Oltre al cambiamento di temperatura assoluto del modulo Peltier, i gradienti termici sul dispositivo e la rapida variazione della sua temperatura possono anche causare stress meccanico a causa del CTE. Operare a temperature estreme, con grandi gradienti di temperatura e alte velocità di variazione della temperatura può aumentare lo stress meccanico e portare a guasti del dispositivo.   La possibile contaminazione esterna dei pellet semiconduttori, dei giunti di saldatura e dei percorsi di conduzione metallizzati nel modulo Peltier può anche portare a guasti. La soluzione comune per minimizzare l'esposizione alla contaminazione è applicare perline sigillanti attorno al modulo tra le due piastre ceramiche. La flessibilità meccanica del materiale rende la gomma siliconica un sigillante comune, ma potrebbe non essere efficace come barriera al vapore in ambienti operativi difficili. Le resine epossidiche possono essere utilizzate come sigillanti periferici in presenza di alta concentrazione di vapore, ma le resine epossidiche generalmente non hanno la conformità meccanica della gomma siliconica.

I moduli Peltier con struttura arcTEC™ offrono prestazioni ancora migliori

Come accennato sopra, le giunzioni di saldatura e i pellet semiconduttori del modulo Peltier possono rompersi sotto stress meccanico. Same Sky ha sviluppato moduli Peltier con struttura arcTEC™. La loro struttura unica consente loro di resistere alla fatica termica, migliorando così le prestazioni, l'affidabilità e la durata del ciclo del modulo.   Innanzitutto, i moduli Peltier con struttura arcTEC™ di Same Sky hanno le giunzioni di saldatura sul lato freddo dei moduli sostituite con resina conduttiva. Questa resina, che è meccanicamente più flessibile della saldatura, consente l'espansione e la contrazione termica durante i cicli termici ripetuti dei moduli Peltier e aiuta a minimizzare lo stress e le fratture nelle strutture dei moduli Peltier tradizionali, risultando in una migliore connessione termica, un eccellente legame meccanico e prestazioni che non si deteriorano significativamente nel tempo.   Le rimanenti giunzioni di saldatura nella struttura arcTEC sono realizzate in antimonio ad alta temperatura (SbSn, 235°C) al posto della più comune saldatura al bismuto a bassa temperatura (BiSn, 138°C). La saldatura all'antimonio è più resistente allo stress meccanico rispetto alla saldatura al bismuto e la sua eccellente resistenza alla fatica termica e una migliore resistenza al taglio contribuiscono a migliorare l'affidabilità del modulo Peltier. Il modulo Peltier di Same Sky è inoltre dotato di uno strato impermeabile in gomma siliconica per conformità meccanica. Altri strati impermeabili, come la resina epossidica, sono disponibili su richiesta.   Sotto l'azione combinata della resina termicamente conduttiva e della giunzione di saldatura SbSn nella struttura arcTEC, l'affidabilità e la durata del servizio del modulo Peltier sono notevolmente influenzate. Vi è una correlazione diretta tra la durata prevista del modulo Peltier e la qualità dei legami, e il fallimento è principalmente dovuto all'aumento della resistenza nel modulo per la fatica termica dei legami all'interno del modulo. Questo effetto è ulteriormente complicato dalle sollecitazioni interne che si verificano durante i cicli termici ripetuti. A più di 30.000 cicli termici, il cambiamento di resistenza del modulo Peltier con struttura arcTEC è trascurabile, conferendo eccellenti prestazioni.   Oltre a un'affidabilità superiore e a una maggiore durata del modulo, il modulo Peltier con struttura arcTEC fornisce prestazioni termiche migliorate. Nel modulo Peltier, gli elementi integrati P/N realizzati con lingotti di silicio di alta qualità hanno una dimensione 2,7 volte superiore rispetto agli elementi utilizzati in altri moduli termoelettrici sul mercato. Poiché elementi più grandi producono un raffreddamento più rapido e uniforme, questo può avere un impatto significativo sulle prestazioni termiche. L'ispezione a infrarossi dell'unità costruita dalla struttura arcTEC mostra una distribuzione uniforme della temperatura sulla superficie del substrato ceramico.   Al contrario, le unità convenzionali mostrano variazioni di temperatura multiple, indicando un rischio maggiore di diminuzione delle prestazioni di raffreddamento e una durata di servizio ridotta. Queste variazioni di temperatura possono essere causate dalla scarsa qualità dell'elemento P/N, dalle dimensioni ridotte degli elementi o dalla scarsa qualità della saldatura all'interno del modulo. L'uso di moduli con elementi P/N di dimensioni maggiori consente un raffreddamento più veloce senza perdita di prestazioni. Test sul campo mostrano che i moduli con struttura arcTEC hanno migliorato il tempo di raffreddamento di oltre il 50% rispetto ai moduli concorrenti. Questa differenza significativa può essere attribuita alla dimensione e alla qualità degli elementi P/N e alla maggiore affidabilità della struttura arcTEC. Un aumento del numero di cicli termici e dei cambiamenti di resistenza nei moduli convenzionali amplierà il divario.

Serie di moduli Peltier diversificati per soddisfare le diverse esigenze applicative

Inclusi nella serie di moduli Peltier ad alte prestazioni di Same Sky sono moduli Peltier a singolo stadio con una forma compatta e leggera e stato solido senza parti in movimento. Il controllo preciso della temperatura e la risposta consentono di evolvere in una soluzione di raffreddamento altamente affidabile. Il modulo Peltier a più stadi aggiuntivo è in grado di raggiungere incrementi di temperatura più elevati fino a 105°C impilando due moduli per aumentare la capacità della pompa di calore, mantenendo al contempo i vantaggi dello stato solido del refrigeratore termoelettrico a singolo stadio. Inoltre, la migliore resistenza all'acqua e la struttura a prova di perdite capace di assorbire lo stress termico dell'unità di raffreddamento Peltier consente una migliore assorbimento del calore, migliori prestazioni e installazione più facile senza bisogno di stringere viti.   Same Sky fornisce la serie di moduli Peltier ad alte prestazioni in dimensioni da 3,4 mm a 70 mm, un profilo basso fino a 1,95 mm, ΔTmax fino a 95°C (Th=50°C), corrente nominale da 0,7 A a 20 A e incrementi di temperatura da 70°C a 105°C. La costruzione affidabile a stato solido, il controllo preciso della temperatura e le capacità operative silenziose di questi moduli Peltier li rendono ideali per applicazioni mediche e industriali e progetti in cui il raffreddamento ad aria forzata non è un'opzione.

Conclusione

I moduli Peltier di Same Sky, che si concentrano sulla mitigazione degli effetti della fatica termica e sull'ottimizzazione degli elementi P/N, funzionano molto meglio dei refrigeratori termoelettrici con strutture convenzionali. Dato che questi miglioramenti implementati nella struttura arcTEC forniscono collettivamente le prestazioni e l'affidabilità migliorate richieste per le applicazioni più impegnative, questi moduli Peltier diventano la scelta ideale per applicazioni mediche e industriali ad alta densità e alta potenza.