熱電制冷器TEC的原理及應(yīng)用詳解

1、熱電制冷器的原理及應(yīng)用技術(shù)1.0熱電制冷的介紹1.1熱電制冷器.也被稱為HI爾站制冷器.是一種以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，可以用作小型熱泵的電子元件. 通過在熱電制冷器的兩端加裁-個較低的克流電壓.熱雖就會從元件的-端流到另一端此時，制冷器的 一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時卜升值得注總的是，只耍改變電流方向，就町以改變熱流 的方向,將熱呈輸送到另一端。所以.在一個熱電制冷器上就可以同時實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。肉此, 熱電制冷器還可以用丁輅確的沿度控制。1.1.1為了給新用八提供一個熱電制冷器制冷邑的人致概念，我們首先以一個典型的單級熱電制冷器為例。 將這個咆級熱電制冷器放置在散熱器上，使其保

2、持在空溫。撚后將其連搖在-個適片的電池上或者也流電 源I：,制冷器的冷端溫度會降低到大約40 *c此時.制冷器上將達(dá)到郴對熱平衡狀態(tài).而II制冷器兩端 將達(dá)到最大的溫卑(D九如果向冷端不斷輸入熱就，冷端滔度會逐漸增加，宜到與熱端溫度相同。這一 時刻，制冷器會達(dá)到最大制冷雖：(Qnax)<1.2熱電制冷器與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器都遵循相同的熱力學(xué)法則并II.,盡特兩者的紐成形式冇很大不同, 但是其工作廉理卻是相同的。在機(jī)戒式制冷單元中，首先使用壓縮機(jī)增加液體的樂力.使制冷劑在體系中循環(huán)流動.然后，制冷劑在冷 凍區(qū)國化,在隨后的升華過程中吸收熱呈使冷凍區(qū)溫度降低.而在冷凍區(qū)被吸收的熱雖被運(yùn)輸?shù)綁?/p>

3、縮機(jī), 并通過制冷劑壓縮這個過程將熱雖傳遞給環(huán)境.郴對的，在熱電制冷系統(tǒng)中，摻雜的半導(dǎo)體材料就允片了 液念制冷劑的作用.而冷礙器被敬熱器所収代壓縮機(jī)被M流電源所収代.通過在熱電制冷器上加我證流 電源，使半導(dǎo)體中的電子發(fā)工運(yùn)動。在半導(dǎo)體材料的冷端，熱就被電子運(yùn)動所吸收，這些電子運(yùn)動到材料 的另外-端，即熱端。山J：材料的熱端連接在散熱器上，熱雖也就從材料體內(nèi)傳到散熱器上，然后再被輸 送到環(huán)境中。1.3盡管商業(yè)化的熱電制冷器在1960年詢后才令所發(fā)展，但是熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀(jì) 早期.第一個與熱電理論和關(guān)的巫災(zāi)發(fā)現(xiàn)L(. 1821年宙雄國科學(xué)家托馬斯塞貝克發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，在一 個山

4、兩種不同金屈導(dǎo)體構(gòu)成的閉介何路中.十兩個接頭的溫度不同時.冋路中會冇持續(xù)的電流流動.然而, 實(shí)際匕來貝克沒有給出他這個發(fā)現(xiàn)的科學(xué)解釋，并II，他錯快的假設(shè)熱流的流動與電流的流動能夠產(chǎn)生相 同的效果。在1834年，一個法國制衣師兼物理學(xué)家簡誦'1爾牠在研究塞貝克效應(yīng)的過程中發(fā)規(guī)，這一現(xiàn)彖 具有一個相反的現(xiàn)彖,也就是當(dāng)閉合回路中有電流流動的時候,兩個接頭之一會吸熱,而另-個會放熱。20年后，威廉姆湯姆遜(叩開爾文勛爵)為塞貝克效應(yīng)和m爾帖效應(yīng)提出了一個系統(tǒng)的解釋，并建立了兩 者的關(guān)系.但足此時，對這些現(xiàn)彖的研究仍然僅僅局限在實(shí)聯(lián)宅中，并沒右發(fā)現(xiàn)任何實(shí)際應(yīng)用的可能性。(- 20世紀(jì)30年代.

5、俄羅斯科學(xué)家們開始通過研究-些早期的熱電效應(yīng)，試圖在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)建立熱電的 發(fā)電站.這吐俄羅斯科學(xué)家對熱電材料的興趣最終擴(kuò)展到了金世界，并H激發(fā)了熱電制冷器在實(shí)際應(yīng)用中 的發(fā)展。如今的熱電制冷器.上嬰應(yīng)用現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，使用摻朵的半導(dǎo)體取代了早期實(shí)驗(yàn)中的兩種不同 的金閥導(dǎo)體。14塞貝克.珀?duì)柼?、湯姆遜效應(yīng)和其他一些現(xiàn)彖共同組成了功能性熱電制冷器的基礎(chǔ)。F面我們簡尖 紹一下這些熱電效應(yīng)。1.4.1塞貝克效應(yīng)：為了說明塞貝克效應(yīng).讓我們來看一下圖中熱電偶閉合環(huán)路的簡圖。兩種金屬分別 標(biāo)記為材料X和材料Y。MaterialYMaterial XTh川 aterialYB HEAT APPLIEDT

6、dT2Vo在典型的測就溫度的應(yīng)用中.熱電偶A足作為參叱溫度時保持矩-個相對枚低的溫度入 熱電偶B財(cái)川來測 星所需要的溫度九珥B端被加熱時.<£MTz兩瑞會出現(xiàn)電壓，這個電壓,也被稱為塞貝克電動勢，可以 表示為Po=&rX(KT.).其中,"是輸出電壓,單位是V：g代衣兩種材料的塞貝克系數(shù)Z星，單位是V/K：人和2:分別農(nóng)示熱電偶的熱端和冷端溫度，單位是K1.4.2珀?duì)柼?yīng)：如果將熱電偶的閉介冋路改成如圖1.2所示，就可以獲得一個完全相反的現(xiàn)彖，我們稱 之為的爾帖效應(yīng)。當(dāng)在兩個W點(diǎn)h和E輸入一個電壓VU回路屮會產(chǎn)生一個柑應(yīng)的電流人接頭A處的熱雖會彼吸收，從而產(chǎn)

7、 生-個徹弱的制冷現(xiàn)彖.而在另-個接頭B處，隨看熱雖流入，溫度會升高。鑒丁這個效應(yīng)是可逆的.所 以如果將電流反向.熱流的方向也前之反向.弟爾帖效應(yīng)的數(shù)學(xué)公式可以表示成：Q 或音 QFPxyXl其中，Pxy代衣兩種材料x和y的用爾帖系數(shù)Z基，單位是V：/是電流，單位是A：Q和Q分別代表制冷和加熱的速率，單位是w隨著電流的流動，導(dǎo)體中同時也會產(chǎn)生焦耳熱.大小町以用FR(R是電路中的電陽)表示。這個焦耳熱效 應(yīng)與珀?duì)柼?yīng)和反，將導(dǎo)致制冷器制冷效果的降低。1.4.3湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)電流在己經(jīng)存在溫差的導(dǎo)體中流動時，熱帚會被吸收或者 被放出。而電流方向和溫差Z間的相對關(guān)系決定了材料在這個過程中是吸收熱M

8、: 還是放出熱量。這一現(xiàn)象，我們稱為湯姆遜效應(yīng)。湯姆遜效應(yīng)在理論研究中非常 有趣但是在實(shí)際的熱電制冷器屮卻沒有太大作用，所以我們一般忽略它。2.0熱電技術(shù)的基本原理2.1熱電材料：6 11 iii/的熱電制冷砒中最常用到的半導(dǎo)體熱電材料是昭化鈕。目刑工業(yè)上己經(jīng)可以通過 抄雜得到p型和n型晞化鈕塊體或石器件敢休。熱見材料的制備方法通常是熔體定向晶化法或者粉末壓制成型法。毎種制備方法都具右芻門的優(yōu)勢，泄向 生氏的方法更為呼遍。除了晞化祕Z外.另外還仃包括晞化鉗.G上褚合金，鎧挪介金等體系分別應(yīng)用任不 同的條件下圖2.1是不同材料的熱電優(yōu)值系數(shù)師溫度變化的曲線.從圖中，我們可以看出，晞化祕的豉人熱電

9、優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在宅溫.適介丁人篡數(shù)熱電制冷的應(yīng)用 條件.Typical Figure-of-Merit (Z)for Several TE MaterialsTemporoturo (VC)Bi2T©3PbTeSFGeFigure (2.1)各種熱電材料的熱電優(yōu)值系數(shù)與鎰度變化的曲線示意圖2.1.1化鎧基熱電材料：晞化鈕晶體n冇很多性能特點(diǎn)，使尖成為很好的熱電材料。晞化鈕晶體幾冇天然 的并相異件這導(dǎo)致硏化鈕在平行丁c軸方向比垂直Fc軸方向的電陽耍大四倍同時.平行丁c軸方向的熱 導(dǎo)比臨赴JSI方向耍大2倍。也就是說，電阻的各向異性現(xiàn)象比熱導(dǎo)耍明顯，所以，繪大的熱電優(yōu)值系數(shù) JB現(xiàn)

10、圧旳j丁C軸的方向上。山丁這種各向斥性，在熱電妝體組成熱電制冷器的過程'!>, I'n'.體生t方向耍平 行丁毎個m體的長度或者高度方向而垂直丁陶瓷基底 另外，佛化鈕還燈一個與晶體結(jié)構(gòu)右關(guān)的仃趙特貯 晞化鈕帖體是山許多相似的八方層狀結(jié)構(gòu)組成的。TjBi)T/lBiTJCovalent BondingTJlBiFfe2ukt Covalent Bondingvan der Waals Bonding Cleavage Rane)晞廉子和飩廉子層彼共價鍵緊密的結(jié)合在一起而締廉子Te1利晞脈子Te1Z間是山相對較弱的范德華鍵 連接的。因此.研化鈕的解理山i是沿fi：re

11、1（Te1hkr.這與公M的性質(zhì)非対相似。罷運(yùn)的是，解理浙 一般是與c軸平疔的.所以在熱電制冷器中的材料足非常堅(jiān)周的。2.1.2通過定向生長得到的儲化飩材料通常是鑄錠狀態(tài).需箜通過切片得到不同厚度的晶圓.表啲進(jìn)行適 當(dāng)處理以右，這些胡圓被進(jìn)一步切割.以獲得可以組裝成熱電制冷器的塊體。另外，晞化鈕塊體，也稱為 單體，也可以通過粉木壓制成型技術(shù)制備.2.2熱電制冷器件：實(shí)際應(yīng)用中的熱電制冷器一般包括兩個或多個半導(dǎo)體電偶骨。使用導(dǎo)電和導(dǎo)熱性都比 較好的導(dǎo)流片小聯(lián)成一個單體。而-個熱電制冷器-般是山-對或者多對這樣的巾-體iEUtll列而成，從電 流通路上看，呈巾聯(lián)方式：從熱流通路上斤呈并聯(lián)方式.這叫

12、也體和導(dǎo)流片通常都被安裝在兩片陶瓷準(zhǔn) 板之阿.這些基板的作用足將所仃的結(jié)構(gòu)機(jī)械性的連接在一起，并II保持毎個單體與其它結(jié)構(gòu)和外界焊接 ihiZMUll "絕緣。當(dāng)安裝好所仃的部件Z后，這些熱電制冷器 般是2.5-50 mm的正方形衣山|,商度為2.5-5 mm的塊體。Ceramic SubstrateTE ElementObject Being CooledJ Etectneal InierconneclCarriers Moving HeatpHeat AOsorpton SideMIL.<DC Poww Soucoe 亠I Figure （2.2）典些熱電制冷器的結(jié)構(gòu)示盤圖

13、2.2.1熱電制冷器中需耍同時便用p型和n型硝化鈕材料.使用這種tim方法可以保證.在電流沿著p型和n 科電園宵在菇片之間來何流動時，熱流只是沿著一個方向運(yùn)動.通過摻雜使n駐材料中產(chǎn)生過嵐的電子（多 I：組成完整品格結(jié)構(gòu)需耍的電子數(shù)）而4p住材料中產(chǎn)生空穴（少組成完整晶格結(jié)構(gòu)需耍的電子數(shù)）。這 些n型材料中的篡余電f和p型材料的空穴就是熱電材料中負(fù)貞輸運(yùn)電能和熱能的姣流。圖2.2描述的址個典空的熱電制冷器在加我電流之后.熱雖輸送的過程。大多數(shù)熱電制冷器是山相同數(shù)顯的n型和p醴電 偶皆所組成的，這嘰一個p住和一個n弋電偶牌組成一對溫斥電偶對。比如說，上圖所不的模 對P型和n型電偶骨，也就是說育曲

14、對溫基電偶對。在熱電制冷的過程中，熱流（被實(shí)際吸收在熱電制冷器里血的熱1I-：比制冷器匕加拔的宣流電流的人 小。通過在0到垠人值Z間調(diào)整加載電流的人小叮以調(diào)整和控制熱流和溫度。3.0熱電技術(shù)的應(yīng)用3.1熱電制冷器具有很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，包抵軍事、醫(yī)療、工業(yè)、日常消費(fèi)品、科研/實(shí)驗(yàn)室和電信行業(yè)等. 從家庭野餐時fr物和飲料的冷誡栢到導(dǎo)弾或音航空器上而極反粘密的溫度控制系統(tǒng)，都c經(jīng)存在許多展體 的應(yīng)用實(shí)例.打泮通的散熱器不同，熱電制冷器既可以在很寬的環(huán)境溫度范國內(nèi)保持物休的溫度恒定.又可以將物體的溫度降低到壞境溫度以下可以說，熱電制冷器是一個工動的制冷體系而普通散熱器只能提供被動制冷.-般情況下，熱

15、電制冷器可以應(yīng)用在熱顯轉(zhuǎn)移雖從兒乞瓦到幾T瓦的范出內(nèi)。包抓人電流和小電流制冷器 在內(nèi)的大部分總級熱電制冷器都可以在毎平方阿米衣而積I:傳遞竝大達(dá)到36瓦的熱帚（20-40瓦毎平方 英寸）.對哆級熱電制冷器而書，從熱流通路I:看.制冷群的安裝方式呈并聯(lián)方式，從而增加總的熱輸 運(yùn)效果。過公，瓦級的人型熱電制冷系統(tǒng)上娶應(yīng)用在一些專門的皺域里，比如潛水艇和火車上的制冷系 統(tǒng)?，F(xiàn)在（2經(jīng)證明.這種級別的熱電制冷系統(tǒng)在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上同樣H仃很高的應(yīng)用價值。3.2熱電技術(shù)的典空應(yīng)用 CCD （電荷耦金器件） CID （電荷注入器件） NEMA甲圈 半導(dǎo)體品圓探測器 冰箱和便攜冰箱系統(tǒng)（E機(jī)、汽車、輪船、賓館

16、、野餐、制藥、胰島索、F機(jī)等） 參比冰點(diǎn) 參駅放大器 沉浸式制冷器 持續(xù)制冷設(shè)備 除濕器 低噪音放大器 電泳電池制冷器 電子封裝制冷 發(fā)電機(jī)（小型） 飯店白動取水機(jī) 慣性制導(dǎo)系統(tǒng) 光導(dǎo)攝像管制冷器 光電倍增管防護(hù)罩 航空電子 黑聞子制冷 恒沿槽 恒溫浴 紅外導(dǎo)押 紅外輛射定標(biāo)和黑體源 紅外探測劉 環(huán)境分析 酒柜 激光二極管制冷器 激光準(zhǔn)也儀 集成電路制冷 攪拌制冷器 緊湊熨換熱器 晶圓熱特性分析 榊密設(shè)備制冷（激光和微處理器） 冷板 冷柜 戢熱器 爲(wèi)點(diǎn)濕度計(jì) 切片機(jī)制冷 熱密度測雖 熱視儀和瞄準(zhǔn)羽 熱循壞系統(tǒng)（DNA和血液分析儀） 滲壓機(jī) 生物學(xué)組織制備和儲“ 濕化學(xué)過程溫度控制 微處理器制冷

17、 夜視儀 飲用水和飲料冷卻 fl打描陣列系統(tǒng)4.0熱電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)4.1在一些只需涉及較低或者中尊熱量傳輸,但是需嚶復(fù)雜控濕的熱控過程中,熱電制冷器可以提供很大 的柄助，而n,在一些待定的惜況下它是唯-的選擇.盡符沒冇哪種制冷方式足萬能的，熱電制冷器也并 不能應(yīng)用在所有的領(lǐng)域，（H足與其他制冷設(shè)備相比.熱電制冷器具有很多優(yōu)勢其中包括：沒有運(yùn)動部件：熱電制冷器在匚作的時候只用到電能，不會冇任何運(yùn)動的 部件，這樣一來，它們基本上不需耍維護(hù)保養(yǎng)。體積和重量很?。阂粋€熱電制冷系統(tǒng)的體枳和亜就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小和應(yīng)的機(jī)械 式制冷體系。除此之外，對丁各種嚴(yán)格的應(yīng)用耍求，有各種標(biāo)準(zhǔn)的或特殊 的尺寸和布局方式可供選擇。可

18、以降溫到環(huán)境溫度以下:傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升尙到環(huán)境溫度以上 才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以 下的能力。fill同一器件可以滿足升溫和降溫的要求:熱電制冷器可以通過調(diào)整加載的l*L流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在給定體系 內(nèi)加入另外獨(dú)立的加熱或者制冷功能元件。精確的溫度控制：宙于熱電制冷器具有-個閉路溫度控制循環(huán)，它可以任 0.1 范圍內(nèi)椿確地控制溫度。高可靠性：由r全部為固態(tài)皋構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管 某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命般可以達(dá)到 200, 000小時以上。電子靜音：與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器

19、件不同，熱電制冷器在1：作過程屮基本 上不會產(chǎn)生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不 會干擾其工作。另外，它在運(yùn)行過程中也不會產(chǎn)生任何噪音。可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以再任意角度和冬亜力狀態(tài)下匸 作。所以，在航天器械中應(yīng)用非常廣泛。簡單方便的能源供給：熱電制冷器能夠苴接使用H流電源，并II.加載電源 的電床和電流能夠在很大范用內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬 度調(diào)制。點(diǎn)制冷：應(yīng)用熱電制冷器，可以做到對單獨(dú)的單元或者很小的區(qū)域進(jìn)行制 冷，因此可以避免冷卻整個封裝器件或外充時可能造成的能源浪費(fèi)。發(fā)電：通過在熱電制冷器上加載溫差來使用其“逆過程”，可以將其變?yōu)?一個小

20、的苴流發(fā)電器。環(huán)境友好:傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷系統(tǒng)在工作時不可避免的需耍用到氟利昂或 其他化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)對環(huán)境非常有害。而熱電器件不會涉及這些化學(xué) 物質(zhì)，并且工作過程中也不會產(chǎn)生任何有害氣體。5. 0散熱器的選擇5.1熱電制冷器在工作時是作為一個熱泵,將熱試從點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)而不是普通的吸熱過程或者魔術(shù) 般的將熱戢消耗掉的過程。通電ZAL熱電制冷器的 血會變冷而另 啲變熱。被制冷訓(xùn)的熱雖將被傳 遞到熱端，完全符合熱力営過程為了完成-個熱流的循環(huán)過程，熱電制冷器的熱端必須耍連接在-個介 適的散熱器h.從而釋放抻從冷端傳遞過來的熱昴:和器件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的焦耳熱.散熱器在熱電制冷系統(tǒng)中是不叮或缺的部分

21、，所以這里必須總獨(dú)強(qiáng)調(diào) 卜其巫嚶性。山丁所仃的熱電制冷 器件的使用性能都與散熱器的沿度冇關(guān)，所以我們在散熱器的選擇和設(shè)計(jì)過程中需要非常認(rèn)真。理想的散熱器需耍具有吸收無限的熱處而不會引起溫度增加的能力。但是這在實(shí)際上是不町能達(dá)到的，所 以設(shè)訃&必須選擇-種散熱器在吸收了從熱電制冷器件傳來的全部熱雖Z后，溫度的增加園能夠保持在町 以接受的范I科內(nèi).這盡管所謂的做熱器的溫度增加示在可以接受的范由內(nèi)“是與不同的應(yīng)用環(huán)境郴關(guān) 聯(lián)的，但是山熱電制冷器的制冷戢是隨著淋忙：的增加而減小的，所以在設(shè)計(jì)時一定要盡就減小散熱器的 溫度增加雖。對丁目前市場上流通的典型熱電制冷器的應(yīng)用來說，散熱器的溫度高丁室淑

22、5d5 *C是比較 常見的。Hlit竹很多種散熱器町供選擇其中包括I然對流式、強(qiáng)制對流式、和液體冷卻式三種。自然對流式散 熱器可以在功率非常低的應(yīng)用條件卜便用,特別是當(dāng)小型熱電制冷器的工作電流在2A以下時。而對丁大 部分應(yīng)用條件來說.n然対流式散熱器并不能満足將所需熱雖全部扌ii出的耍求，這時就需耍使用強(qiáng)制對流 式散熱器或者液體冷卻式散熱器了散熱器的性能一般使用熱阻（QJ來衡戢：Qs 二Q其中,Q足熱限,單位足V/w：A是散熱器溫度，單位是*C：7；是環(huán)境或者冷端沿度，單位是*C：Q是対散熱器輸入的熱雖，址位是w5.2根據(jù)不同的應(yīng)用條件，熱電制冷器需要有不同種類的散熱號與之相匹配，并且,還會有

23、不同的機(jī)械約 束條件，使整個設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜.由于毎種應(yīng)用條件都不相同,很難推薦種單的敬熱器結(jié)構(gòu)可以滿 足大芳數(shù)條件.我們?yōu)榭蛻糇焦┒喾N散熱器和液體熱交換器的成品.可以滿足多種不同的應(yīng)用需求但是. 如果您有任何需求，歡迎您聯(lián)系我們的生產(chǎn)部門咨詢相關(guān)信息。-般來說.將熱電制冷誥F散熱熟紐裝成為個完整的熱休系之麻不用彷慮拯損失或憶執(zhí)電制冷鴉與散 熱器連接處的溫度增加等問題。我們在這取列出的制冷器性能數(shù)據(jù)（2經(jīng)包括了這種山丁在熱端和冷端界而 上使用導(dǎo)熱硅脂Z后引起的熱損失。這里令一點(diǎn)需嬰注盤，當(dāng)在熱電制冷器I:使用商業(yè)的散熱器ZJri. 一 些單體成骷的衣向不具右足夠的衣山I半蔡度。為門曲足所需的熱

24、性能.半整度hYrftj j-1 mm/m (0.001 in/m),所以竹必嚶進(jìn)彳j額外的拋光、總刀切割、或者打以求滿足這種平整度的耍求。5.2.1自然對流式散熱器：般來說.門然對流式散熱器只能用在涉及少猷熱吊流動的小功率條件下盡 管很堆梢確概括，但是大部分fl然對流式散熱器的熱阻值要大J- 0.5匸/w,而4,多數(shù)悄況卜會達(dá)到40 r /Wc fl然對流式散熱器的安裝位対漫滿足兩個條件：(a),散熱片的氏度方向耍沿著空氣流動的方向，眶也 方向的操作可以增強(qiáng)I然對流：(b),不可以仃明顯的物理阻捋妨礙空'(流動。另外，我們還需要考慮到， 4散熱器周RI會冇一些其他的器件產(chǎn)牛熱獻(xiàn).環(huán)境

25、溫度會提高.從而對胳體的使用性能產(chǎn)t影響。5.2.2強(qiáng)制對流式散熱團(tuán) 強(qiáng)制對流式散熱方法可以訂是在熱電制冷器中應(yīng)用得最常見的散 乩 通過 與門然對流式散熱器相比校，就可以發(fā)現(xiàn)其性能丄的優(yōu)越性。介恪的強(qiáng)制對流敬熱系統(tǒng)的熱阻 般維持在 0.02-0.5 X?/w的范國內(nèi)許多標(biāo)準(zhǔn)散熱器擠駐與合適的風(fēng)扇配介就可以作為完笹冷卻系統(tǒng)的取礎(chǔ).應(yīng)用 中，既町以通過風(fēng)助或鼓風(fēng)機(jī)獲得冷卻的空氣乂可以使空氣從散熱器的長度方向通過，或者通過將空氣 朝向散熱器的中心吹入,使其在開口的兩端流出而獲得冷卻.一般來說,如果空氣從散熱器表面流入，可 以加強(qiáng)渦流,增強(qiáng)傳熱效果.如圖5/1所示的第二種空氣流通模式,可以提供最佳的熱

26、電制冷性能。為了 獲得最佳的性能,單軸風(fēng)扇的外殼應(yīng)該焊接在距離散熱器820mm (0.31O75-)的位置.另外,菇于不 同的應(yīng)用條件還可能需要其他的布局方式圖5.1強(qiáng)制對流散熱系統(tǒng)的最佳氣流方式在談到散熱器擠片的熱阻值時.需耍說明持定的氣流條件。H體的關(guān)系式簫耍使用氣流速率.或音人多數(shù) 風(fēng)扇所提供的輸出體積來表示.輸出體積與氣體速率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系足：氣體速率二輸出體枳/空氣通過的枳 或打：英尺樹分鐘二立方英尺毎分鐘/半方英尺或者：米毎分鐘二立方米每分鐘/平方米5.2.3液體冷卻式散熱器：與前兩種散熱器相比，相同休枳的液體冷卻式散熱器可以提供最好的件能.通 過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到非常低的熱叫值。

27、排除少址特殊惜況，典熨的液體冷卻式散熱器的熱陽通常叮以低 到0.01-0.1 熱電制冷器在斥力條件卜具有很高的機(jī)械強(qiáng)度.但是其剪切強(qiáng)度相對來說比較低。所以，不可以 將熱電制冷器設(shè)計(jì)在起上耍支撐作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)體系中. 體系中所冇的界而之間必須保持相互平行，并幾界而需耍平整、潔凈，以降低熱阻。在界而處- 般使用一些熱導(dǎo)比較高的材料來保證表面間的良好接觸。 標(biāo)準(zhǔn)熱電制冷器的熱端和冷端町以通過導(dǎo)線的位比分辨出來。導(dǎo)線一般是焊接在熱電制冷器的熱 端衣面上，而熱靖衣浙是與散熱器川接觸的。對丁便用絕緣&線的熱電制冷器來說，紅色和黑色 的導(dǎo)線分別與克流電源的正極和負(fù)極郴連.熱流從制冷器的冷端通過笹個制

28、冷器進(jìn)入散熱器。而 對于使用裸線的熱電制冷器來說,如果將引線面向觀察者放直,而連有引線的基底朝下時,正極 連接在制冷器的右邊，而負(fù)極連在左邊。 半訕度降低到環(huán)境溫度以下時.被冷対I的物體應(yīng)該盡可能的打空氣絕緣.以減少熱呈損失.另外. 為了減少對流損失.不應(yīng)該安裝風(fēng)勵.而應(yīng)該將空氣11接吹到被制冷的物體1:同時，盡最避免 被冷卻物體和外部的結(jié)構(gòu)單元宜接接觸，也町以減少對流損失。C/WO簡單的液體冷卻散熱器可以通過將銅質(zhì)渦倫焊接住銅板上得到，或音在金屈塊體上鉆 孔使水從中通過.如果想得到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也就足更高的性能.可以在銅塊或若鋁塊上加丁出將細(xì)的盤 旋式水榊，然后用蓋板封閉整個體系.我們公司為

29、熱電體系提供多種液體冷卻式散熱器。如果使用其他商 業(yè)散熱器，要在安裝前需要首先確定平整度。盡管在很多應(yīng)用條件下井不需耍使用到液體冷卻,但是在 些特殊悄況下，它可能足唯-的選擇.6.0熱電制冷器的安裝在這一部分手冊中,我們將為您詳細(xì)介紹安裝熱電制冷器的主婆技術(shù),主嬰包括以卜四種: 螺釘夾緊固定 樹脂膠黏結(jié) 焊接 軟6或英他材料聯(lián)接6.1重要的安裝須知在制冷器體系中安裝熱電制冷器的技術(shù)是非常垂耍的。在安裝過程中如果沒仃遵循 定的基本規(guī)則，結(jié)果 將會導(dǎo)致不盡如人盤:的性能和町靠性.在系統(tǒng)設(shè)il和制冷器安裝過程中盅耍舟臨到的些岡索上耍包扌心 當(dāng)溫度降低到我點(diǎn)以卜時.在冷卻的我啲匕會容易形成笫或霜。如果

30、潮氣進(jìn)入熱電制冷器中.會 人人降低其制冷性能。為了避免這種悄況的發(fā)生，應(yīng)該安裝仃效的防潮密封保護(hù)。這口防潮保護(hù) 層應(yīng)該包寰養(yǎng)熱電制冷器.安裝在散熱片和被冷卻物體之間.彈性蜩料絕緣膠帶、薄片材料或打 RTV ftt膠部町以作為防潮保護(hù)層，英安裝過程都很簡也 并IL密対件能良好.安裝熱電制冷器的 方法有很多種.但是在某些特定條件卜必須使用某種特定的安裝方法-在下面的兒個章節(jié)中,我 們列出了幾種可能的安裂技術(shù)。6.1.1高度公差：大部分熱電制冷器主要有兩種高度公濫.+/-0.25mm (+/-0.010M) and ”0.025mm (0.001)當(dāng)在熱電部件中只使用一個制冷器的時候，町以考股選擇公

31、羞為+/-0.25mm的制冷器，因?yàn)榕c対 應(yīng)的小公公制冷器村比，其價格柑對低廉。然而，對J：在散熱器和彼制冷物體Z何需要同時焊接篡個制冷 器的惜況下.為了保證良好的傳熱.需耍成紐的桔確比較所冇制冷器的療度?；∵@個族因，所冇的多制 冷器布局中.都需耍使用公總為“0.025mm的制冷器。6.2螺釘夾吸固定螺釘夾緊固定是種垠常見的安裝方法它的上耍過程是便用螺釘將熱屯制冷器夾緊在散熱器和需要被冷 卻的物體的-個平而之間。如圖6是這種方法的示意圖。通常任大部分應(yīng)用條件下，我們都會推薦使用 這種方法.具體的實(shí)施方法如下：(a) 將熱電制冷器需耍進(jìn)行安裝的衣仏通過機(jī)械車床或右打燒的方法便ZT-o為了達(dá)到垠

32、佳的制冷性能 衣山I的半整度盅嬰任1 mm/m (0.001 in/in)以內(nèi)。如果在給定的衣面Z間盅耍安裝炙組熱電制冷器，這組制冷器中的所仃制冷器的療度(或高度)都應(yīng) 該相互致.J7度的最大偏涇不能超過0.05 mm (0.002)如果制冷器的端而不完整芾要特別標(biāo)出InsulatingFiber WasherFlat Metal WasherBelleville WasherStainless Steel Screw(b) 夾緊螺釘需耍相對J：制冷器對稱的拌布， 從而在整個部件被夾具夾緊時，可以在制冷器 上產(chǎn)生均勻的壓力為了減少在螺釘上的熱損 失，需耍盡最使用町以滿足機(jī)械件能耍求的尺 寸最小

33、的螺釘.對于大多數(shù)情況來說,不銹鋼 螺釘M3或者M(jìn)3.5 (4-40或者6-32)即可以 滿足要求.除此之外，還可以使用一些非金屈 的緊固部件，如尼龍等.在小空的機(jī)械部件連 接處還町以使用更小尺寸的螺釘另外，緊貼 毎-個螺釘頭部的位世還應(yīng)該放代貝氏彈賃 8圈或石開口鎖緊址圈使得在系統(tǒng)零件熱膨 脹或者收縮時其壓強(qiáng)保持均勻。Typical Fastener Components(c) 確保淸潔制冷器和安裝表面，不會殘留任何毛刺或者灰塵.(d) 在制冷器的熱端衣面涂阪很薄的導(dǎo)熱肛脂(厚度-般為0.02mm/0.0001"或小丁該值)，并J1將熱端 而向下放代用散熱器I:,然麻放在需要的位用

34、.輕輕的壓按制冷器然后來何轉(zhuǎn)動制冷器.將多余的硅脂擠 樂出去武復(fù)多次向下按壓和來回轉(zhuǎn)動的動作,直到感覺到少雖的阻力為止.大和熱雄公司推薦使用美國 右油洪應(yīng)公nj(American Oil and Supply), AOS 400 空號的 52032 號產(chǎn)品。(e) 在制冷器的冷端表面涂稜一層與匕一步驟中使用的相同的導(dǎo)熱什脂.將需要冷卻的物體放玄在制冷器h 并與冷端接觸.使用如上的步驟將多余的硅脂擠壓出公。(f) 使用不銹鋼螺釘和彈簧率圈將散熱器和需要冷卻的物體bM定在一起.為了保證良好的平行度，安裝時需 嬰在安裝表面匕保持均勻的斥力.如果施加的非常不半衡，可能會降低器件的性能，其至町能會損壞

35、熱電制冷器。為了確保均勻施加壓力忤先從中心的螺釘開始F動將所仃的螺釘旋入。然后使用町以顯示 扭矩的螺絲刀逆時針方向逐-上緊所冇的螺釘.并L逐漸增加扣矩，克到所冇的螺釘上都獲得適X的扭矩 值.一般來說根據(jù)不同的應(yīng)用條件，正常的安裝壓力/f 25-100 psi之間不等.如果沒有可以顯示扭矩的螺 絲刀，可以使用如下步驟來估計(jì)出正確的扭矩值:逆時針方向上緊螺釘直到略有感覺，但是沒有完全鎖緊。 熱后同樣的逆時針方向.再將毎個螺釘旋轉(zhuǎn)90度去到感覺到禪賢墊圈的作用為止。(g) /F所仃的部件第一次使用螺釘夾緊安裝的過程中，會仃少気多余的導(dǎo)熱砰脂會被擠出.為了保證毎個螺 釘上都可以保持住適當(dāng)?shù)呐ぞ?，在至?/p>

36、一個小時右需耍車新按照上一步驟確認(rèn)螺釘?shù)呐ぞ亍?!)注盤：如呢夾緊孫釘過緊可能會引尼散熱片或名誡冷卻物依衣而的翹尼變形.轉(zhuǎn)別見紉果這些曲件是山 很薄的材料加丁而成的時候.這種變形將會降低器件的熱電性能并II.在大多數(shù)惜況下，還會破壞整個體 系。如果在安裝過程中，將夾緊螺釘適當(dāng)靠近熱電制冷器或者使用相對絞厚的材料町以有效的減小這種彎COOLED OBJECTHEAT SINKCLAMPING SCREWS曲。另外.如果制冷器的熱端或冷端使用小F6mm的鋁片或者小3.3 mm的銅片時.在執(zhí)行g(shù)步驟中 所涉及的操作時需更相應(yīng)的減小螺釘扭矩。TE Modules with Thermal Grease

37、 at Top anij Bottom Surfaces圏6.1在使用螺釘夾緊|占|定的方法安裝熱電制冷器的操作過程中.針對J1體的熱電制冷器部件和安裝條件,可以使 用如下方法計(jì)算得到相應(yīng)的適當(dāng)螺筍扭矩:T= (Sa x A)/N) x K x d其中,T是毎個螺釘上的扭矩,Sa在靜念卜是50-75 psi,任循環(huán)過程中取25-50 psi：A表示制冷器的總表面積：N表示幣個部件中所需耍使用的螺釘數(shù)忖：K是扭矩肉子,(對I：不鐫鋼來說K二0.2,對丁尼龍來說K二0.15)：d衣示螺釘?shù)墓Q直徑。對丁鋼材緊固部件.我們-般建議：6-32d=0.138 in (0.350cm), 4-40d=0.

38、112 in (0.284 cm).所以我們以 使用440鋼螺釘為緊bM部件的9個9500/065/018制冷器為例.建議扭矩的計(jì)算公式如F：T=(75 lbs/in2x (.44" x .48") x9)/4)x 0.2 x .112 in. = 0.8 in-lbs.6.3樹脂膠點(diǎn)結(jié)第.種制冷器安裝方法】漫用在一些特定應(yīng)用條件卜°，其匸耍方法是在制冷器的一向或者兩血上都使用 種特殊的高熱導(dǎo)樹脂黏結(jié)劑.11J 丁熱電制冷器中謝瓷片、敬熱器和被冷卻物體Z何的熱膨脹系數(shù)都不相同, 我們不推薦心較大的制冷器上使用樹脂膠黏結(jié)方法.如需耍請及時咨詢應(yīng)用丁程師相關(guān)的JI體操

39、作方法。 注意：對需要在貝空的應(yīng)用條件卜使用的熱電制冷器件，除非采収了適肖的措施來避免漏氣，一般不推薦 使用樹脂膠黏結(jié)的方法.使用樹脂膠安裝熱電制冷器的具體步驟如卜：(a) 將熱電制冷器需耍安裝的表啲通過機(jī)械車床或者打燒的方法使Z¥整。盡伶使用樹脂膠黏結(jié)的時候不需 更太苛刻的平整度.但叢一般還叢需嬰將衣Illi做到盡呈平整。(b) 將制冷器和所有需耍安裝的農(nóng)向進(jìn)彳j清潔蟲汕，以術(shù)保不會殘國任何毛刺、灰塵和汕污學(xué)按腮樹脂膠 生產(chǎn)廠家的耍求對表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理.(c) 4制冷器的熱端農(nóng)而涂粒-層很薄的導(dǎo)熱樹脂，將熱端而向下放直在散熱器上然肓調(diào)整到適'勺的位代。 輕輕的壓按制冷器

40、并來何轉(zhuǎn)動制冷器將多余的樹脂擠樂出去.乖復(fù)向卜按壓和來冋轉(zhuǎn)動的動作，理到感 覺到少雖的阻力為止。(d) 4制冷器匕加壓匝物或者使用夾具夾緊直到樹脂膠完金固化為止對丁體的同化信息請咨詢樹脂膠生 產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)表格.如果需嬰采取箱式爐固化的方法，請先確認(rèn)在加熱程序中溫度不會超過熱電制冷 誥的I作溫度。例如人和熱磁公”生產(chǎn)的95條列的熱電制冷器來說，一般的1.作溫度是住200匸。6.4焊接只要保證采取了合理的保護(hù)描施避免制冷器過熱,就可以將外表而金屬化的熱電制冷器焊接到熱電部件中. 為了避免制冷器受到過分的機(jī)械壓力.可以將制冷器的一個表而(通常是熱端而)焊接在一個剛性結(jié)構(gòu)部 件內(nèi).這里需要注意的一

41、點(diǎn)足，如果將制冷器的熱端面焊接在一個剛性結(jié)構(gòu)中那英他的元件或者小空電 路就必須嬰焊接在制冷器的冷端啲上.這樣九件或右電路就不能與外界結(jié)構(gòu)剛性連接。在焊接過程中，為 趨見過熱會對熱電制冷益造成的損吿.必?zé)肷源_的控制溫度。本公“J的熱電制冷為町以氏時何在較高 的沿度(150-200 -C)下丁作.所以在大部分希要使用焊接方法安裝制冷器的請況下都可以使用同樣， 在蔡個加I過程中溫度都不可以超出制冷器的1作溫度.III熱電制冷器的陶瓷片、散熱器和被冷卻物體 Z間的熱膨脹系數(shù)都不相同.我們不推薦在大T* 15x15 mm2的熱電制冷黔上應(yīng)用焊接的方法。男外在任 何需孌涉及到冷熱循環(huán)的應(yīng)用條件下，都不推

42、薦適用焊接的方法.在炸接制冷器的過程中，冇以下兒個步 驟：(a) 將熱電制冷器需耍安裝的衣血通過機(jī)械車床或者打坯的方法使Z半整。盡骨使用焊接方法的時候不需婆 太苛刻的平整度，但是-般還是娶做到盡雖半整。另外，散熱器的衣而必須是 個可炸接的材料制成比 如銅或鍍銅的材料.(b) 將制冷器和所仃需要焊接的衣向進(jìn)彳j清汕2油，并丄決除巫氧化肚。確保在需耍焊接的區(qū)域不會殘留任 何毛創(chuàng)戒瓦他界物等.(c) A散熱器表面需耍焊接的區(qū)域上使用適當(dāng)?shù)暮噶项A(yù)鍍鐲。所選擇炸料的熔點(diǎn)必須小或等需耍安裝的 熱電爲(wèi)件的雖犬便用溫度。當(dāng)使用焊料在散熱器上鍍紺的時倏，散熱片的溫度需耍椿確控制在適當(dāng)溫度， 這樣焊料可以融化但是

43、溫度又不會趙過郴應(yīng)熱電制冷器件的最人使用溫度值。(d) 心熱電制冷器的熱端涂粒助焊劑，然后將制冷器放代在散熱器匕預(yù)鍍鐲的區(qū)域卜，使制冷器在液態(tài)焊料 上保持漂浮狀態(tài)，然垢來冋施轉(zhuǎn)制冷器促進(jìn)焊料與制冷器農(nóng)啲接觸。如果感覺到制冷器更傾向沉入悍料 中,而不是漂浮在焊料農(nóng)面上,這說明炸料的雖不足。此時,需要先取F制冷器,然后在做熱器上添加更 多的焊料.(e) d步驟中的動作兒秒Z6 制冷器農(nóng)仙應(yīng)該C經(jīng)被充分浸潤。將制冷器使用夾具夾緊或使用直物壓在所 需位逢。將散熱器從熱源上移開，便制冷器冷卻。充分冷卻Z后,將制冷器進(jìn)療上油處理，以去除筍余的 殘留助焊劑.6.5軟墊或其他材料聯(lián)接現(xiàn)在(2經(jīng)設(shè)計(jì)了很多種類的

44、產(chǎn)品用來取代導(dǎo)熱創(chuàng)脂作為界而材料.英中最當(dāng)見的是什族安裝軟地了。山丁- 呆初這吃磚基軟敏是用來安裝半導(dǎo)體材料的，所以對熱電應(yīng)用來說他們的熱陽會比較大。但是使用這種 方法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少生產(chǎn)所需時間和涓潔時間，所以這種方法可以廣泛的應(yīng)用于對器件損害較少的應(yīng)用 條件卜：在這 領(lǐng)域比較領(lǐng)先的制造藺包括Bergguist公訶.Chomerics Division-Parker Hannifin公川。7.0供電裝置7.1熱電制冷S*件在工作時可以亶接采用直流電濛供電,并且其可適應(yīng)的電壓范圍很廣,無論是電池還是 給耕細(xì)閉路溫度控制系統(tǒng)供電的簡單的不規(guī)則高壓克流電源均町使用熱電制冷器是低陽抗的半導(dǎo)體器件.

45、相當(dāng)于在電源上加載一個電RU由附化鈕材料的本征性質(zhì),制冷湍的電阻具有出IE的溫度依賴因子,制 冷器的平均溫度毎升高1 9電阻増加大約為0-5%。對丁一些非臨界的應(yīng)用條件來說,經(jīng)優(yōu)化后的傳統(tǒng)的 電池充電器只要梵交流紋波系數(shù)不會超載，就可以為熱電制冷器提供足夠的電昆如果為了達(dá)到簡爪的溫 度控制H的，可以使用標(biāo)準(zhǔn)恒溫器或者可變輸出的克流電源來調(diào)整熱電器件的輸入電必在某些熱載荷比 較穩(wěn)定的應(yīng)用條件下,使用孌動調(diào)控的直流電源就可以保證在幾個小時溫度或更長時間范II9內(nèi),溫度的上 下波動不超過±1 -Co如果盅耍粘確控制溫度，般盅耍使用閉路(反饋)系統(tǒng)，I'l動控制輸入電流的人小 或者頻

46、率.此時,溫度控制的精度保持可以6：±0.1 C,或更高的精度內(nèi).7.2打其他典型的電子器件相比，対熱電器件來說是古安裝電源紋波系數(shù)的濾備并不是非常車耍。然而我們 仍然邇議將紋波系數(shù)的波動范出控制在10 %以內(nèi)，而11址好悚持在 5%的范出內(nèi)。7.2.1多級制冷和微弱信號檢測是兩種耍求輸入電源具仃史低紋波系數(shù)的燉用條件.對J鄉(xiāng)級熱電制冷器 來說，獲得更人的溫整是最終的LI標(biāo)，所以為了獲得如優(yōu)的益件性能.町能盅嚶波紋系數(shù)小丁 2%°隹需 要檢測或測航侔常微弱的信號的場介下.盡符熱電器件木少足電了靜音的.但足在制冷器或&線中如果冇 交流波紋信號出現(xiàn).將會彩響熱電器件的件

47、能.所以在這種應(yīng)用條件下，器件可以承受的紋波系數(shù)需要根 據(jù)不同悄況來逐一確定.7.3國7.1足為個71對溫歪電偶，6安培熱電制冷器供電的簡巾電源電路示總圖。這個電路的特點(diǎn)足使 用了一個橋式林流器和電容輸入濾波器.也町以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行元件種換.如使用個波中間抽頭整流器或者在 電容器Z前加入一個濾波器.另外.與線性元件郴比，具令尺寸和匝疑優(yōu)勢的開關(guān)電源，同樣也町以為熱 電器件供電。BRIDGE RECTI Ff ER 10 AMP f 50 PIV圖7.1為一個71對溫簽電偶，6安培熱電制冷器供電的簡單電源7.4圖7.2是一個典型的模擬閉合度控制器的電路示意圖。這個體系町以川來輅呦控制和保持物體淋度

48、怛定，并1L町以通過反饋電路fl動更止溫度偏至。此外.對這個休系還町以進(jìn)廳很多優(yōu)化，包括將其改成 數(shù)字或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).DC圖7.2典熨閉合電路溫度控制器的電路圖8.0熱電體系設(shè)計(jì)8.1 i殳il熱電制冷系統(tǒng)的第 步”先是分析體系整體的熱性能這個分析過程対J課吐應(yīng)川場介來說町能Ik 常簡單，而對丁另趟場介可能高度父雜.如果想娶獲得令人滿盤的高效設(shè)計(jì)方案，這個分析過程是不可 缺少的.另外-些更幣:要的希?？紤]的因素我們將在下而幾個赧節(jié)中談到.盡管在計(jì)算過程中需要進(jìn)行一 些簡化.這可能會影響單純的動力學(xué)過程，但足得到的結(jié)果除了極少數(shù)惜況之外，仍然令人滿總，接近國 際先進(jìn)水平。注盤:在本手冊中提到的

49、設(shè)計(jì)信息,其目的是幫助那些需要冷卻設(shè)備或者是正在開發(fā)自己的冷卻設(shè)備的匸 程師和科學(xué)家.對丁那些對熱電郢件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)沒有興趣的客戶,我們歡迎您宜接咨詢我們的服務(wù)人員。大和熱磁公司致力丁為客戶提供最冇力的技術(shù)支持.并I我們的工程人員都幾務(wù)奴雜熱電郴關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 能力.8.2有效熱裁荷：仃效熱栽荷是指電了元件、“曲MF或K需耍冷卻的系統(tǒng)所產(chǎn)生的冇效熱顯 對丁吠部 分應(yīng)用條件來說，有效熱載荷等對被冷卻元件輸入的電能（電能二電電流，w=VxA）,但是在另一些情 況卜，很雄呦宦這種有效熱載荷。但是-般悄況卜'總的輸入電能就町以代農(nóng)垠人可能的有效熱較荷，我 們建議您使用這個數(shù)值作為設(shè)計(jì)參數(shù).8.3熱

50、損失：熱損失（冇時也稱為熱泄?fàn)?wèi)損失或斤附加熱載荷）是山J：被冷卻物休通過熱傳導(dǎo)、對流或者 輻射所產(chǎn)&的熱駅損失.熱損失可能產(chǎn)生在任何可以導(dǎo)熱的途能中，如空氣、絕緣體和導(dǎo)線等。在沒令I(lǐng)'l 身產(chǎn)熱的應(yīng)用條件下，熱損失就衣示熱電制冷器上的全部熱載荷。在一個制冷體系中總的熱損火的il算過程相對復(fù)雜.但是經(jīng)當(dāng)町以采川一些慕礎(chǔ)的傳熱公式計(jì)算出這些熱 雖損失.如果在給定設(shè)計(jì)中冇任何不能確定的熱損失.我們建議您1接聯(lián)系我們的工程人員以獲得協(xié)助和 建議.8.4傳熱公式：這里給出了幾個基本的傳熱公式.以協(xié)助匸程師評估一些設(shè)計(jì)或體系中的熱學(xué)參數(shù)。8. 4. 1固態(tài)材料中的熱傳導(dǎo)：固態(tài)材料中的熱傳導(dǎo)

51、方程迪在19世紀(jì)早期由丄B. Fourier提出的。熱傳導(dǎo) 與給定塊體材料的幾何尺寸、熱導(dǎo)率和材料I:存在的沿杲冇關(guān).雖然熱導(dǎo)率隨著溫度變化會產(chǎn)生變化，但 是實(shí)林的變化戢很小，4我們的計(jì)毎中町以將熱導(dǎo)率視為怔定。I人I此.以傳導(dǎo)方式進(jìn)行的熱輸運(yùn)可以在數(shù) 學(xué)上喪示為：Q=(K)(DT) (A)其中.Q代表材料上的熱傳導(dǎo)的熱戢,單位是w：K農(nóng)示材料的熱導(dǎo)率，單位是W/m£：A&示材料的極截而枳，爪位足rT?： x表示材料的厚度或長度，小位是m：DT材料冷熱端向Z間的溫崔 單位是*0。842裸露表面與環(huán)境之間的對流：木進(jìn)彳j絕緣處理的金WlfH I:產(chǎn)T的熱損失能夠顯苦的増加一個熱

52、體系 內(nèi)的熱戎仏Isaac Newton提出了一個關(guān)系式用來描述直接整踞在空'（中的冷卻農(nóng)面的熱損失悄況。為了 說明裸靄表面和周圍空氣間的熱耦介度，必須要在這個公式中引入了 個物理量，叫做熱輸運(yùn)系數(shù)九此 時，這種形式的熱猷損失（或獲得）可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：Q=hATA其中.Q代表對周H；l壞境輸運(yùn)的熱昴.單位是w：/）為熱輸運(yùn)系數(shù),對靜態(tài)空氣一般使用23-28 -C.對渦流空氣一般是JIJ 85-113 *C： A衣示材料的暴霜在空氣中的面枳，敢位足rr?：x表示材料的片度或長度，單位是m：DT表示材料表向和空氣Z間的溫度左，單位是匸。8.4.3同時發(fā)生熱傳導(dǎo)與對流：絕緣容器上的熱

53、損失需耍結(jié)合絕緣材料的熱傳導(dǎo)和絕緣我血對外界的對流 損失來計(jì)算。所以從絕緣容器上的熱損失可以我示為：Q = (A) (DT)x 1Kh其中，Q代表對通過外殼輸運(yùn)的熱戢.單位w：/）為熱輸運(yùn)系數(shù)，對靜態(tài)空氣一般使用23-28r,對渦流空氣一般是用85-1130 人農(nóng)示材料的暴腐在空氣中的面枳，敢位足m3x表示絕緣材料的片度，單位是m：D7農(nóng)示外殼材料的內(nèi)外Z間的溫度圣，單位是*C：K衣示絕緣材料的熱導(dǎo)率.單位泉W/nfC8.4.4變溫時間：計(jì)算熱電器件制冷或者加熱一個物體所需要的時何是吐*11對鎮(zhèn)朵的1作。為J獲得史 粘呦的結(jié)果，我們需婆對包括所仃元件和界山I在內(nèi)的整個體系進(jìn)行更粘細(xì)的分析。然而

54、，使用這里列H1的 簡化方法，可以對一個體系的熱瞬時反應(yīng)能力進(jìn)行評估.（m）（G）（DT）t =其中,f足溫度變化所需耍的時間，單位為s：m是材料的質(zhì)戢，小位足g：Cp是材料比熱，單位是calg/t：D7是材料的溫墾，單位是f：Q是材料傳輸?shù)臒犭m，單位cal/s.注釋1：瓦特=0.239 cal/s注釋2：熱電制冷器的傳熱速率與制冷器匕的溫左(DD成正比。為了估計(jì)制冷器在實(shí)際T作中的性能, 當(dāng)計(jì)算一個熱體系瞬間行為的時候需嬰使用半均導(dǎo)熱速率。半均導(dǎo)熱速率的計(jì)算方法是：Q = 0. 5 (Q, at DT* + Q. at DT J其中,在溫差為聶小時的傳熱量(QcatDLnin)是指加載直流電

55、源時,熱電制冷器上最初傳遞的熱量。此 時的溫左為零，傳熱速率最大。溫罡最大時的傳熱試(QcatDG.)是指半材料被冷卻到所需耍的溫度時，熱電制冷器上所傳遞的熱厳. 此時的溫冷為垠大.傳熱速率圮小.8.4.5熱輻射：大部分熱電制冷卷件主耍應(yīng)用在溫度相對較低的區(qū)間和很小的面積上,所以輻射熱損失一般 可以忽略不計(jì).町能唯需炎考世到輜射熱損火的悄況是應(yīng)用在接近英低溫極限時的深度制冷的女級制冷；任這種惜況下, 般可以考電血沖 個低級制冷器I潦加 個小樂輻射屏蔽通過安裝這個田繞看 上級制冷器和被冷卻物體的輜射屏蔽，可以從根本上降低體系的熱輻射損失。我們舉例說明如何計(jì)克熱輻射引起的熱駅損失.-個幾冇10 c

56、n?的表而枳，在JOO *C(173 K)下工作的完 美黑體，會從20 r(303 K)的周惘壞境下吸收43 mw的熱就.粽確地計(jì)算輻射損失厳是一個非常復(fù)雜的過 程，町以通過査詢適當(dāng)?shù)臒醾鬏斀滩膩慝@得史詳細(xì)的信息。使川卜抽的簡化公式，可以簡單的佔(zhàn)算這種輻 射損失。Qk=(s) (A) (e) (T； - TJ其中，g是軸射產(chǎn)生的熱雖損失，爪位是w：s農(nóng)示Stefan-Boltzmann? 數(shù).5.67x1 O'® W/m2K4：A是暴露的表向枳，單位是rr?；e是星睹衣面的放射率：7；是熱瑞農(nóng)而的絕對溫度巾位是K： 乙是冷端表iHi的絕對沿度.單位是K.8.4.6絕緣體的R值

57、：絕緣體的R值是絕緣體整體I.作效率或者對熱流阻礙能力的一個說度。本質(zhì)匕來講R值不足個科學(xué)圮.但足在英國的建筑工業(yè)上它的應(yīng)用非笊廣泛.R值和絕緣體J7度還仃熱導(dǎo)率Z何的 關(guān)系可以表示為：XR=12K其中/表示絕緣層的厚度單位為in.；K衣示絕緣材料的熱導(dǎo)率，總位為BTU/hr-ft-T注釋:絕緣體的R值一般是以絕緣材料的厚度（單位為in.）為基礎(chǔ)的.由于附錄B中材料的厚度是ft. 所以上面公式中的熱導(dǎo)率上嬰乘以12o8.5絕熱層-為了獲得量仕的件能丿卞減小水分凝結(jié).需耍對所仃的被冷卻物體進(jìn)行適十的絕緣。絕綠材料 種類和號度耍取決丁應(yīng)用條件并II可能在所冇的借況下并不能獲得呆優(yōu)化的絕緣材料配代。盡饞如此， 我們還是需要盡最大的努力陰止周用壞境中的空氣直接吹到被冷卻物體和熱電冷卻器件匕。圖8和8.2是溫差為1 9時.絕緣表而上單位而積的熱泄詼損失與絕緣層厚度之間的關(guān)系。我們可以看到，只需耍很少戢的絕緣材料就叮以明顯的降低休系的熱雖払火?？偟臒釗p失Q°t與