Peltier-Module ideal für Kühlanwendungen

Erhalten Sie eine bessere Kühlleistung durch die Anwendung des Peltier-Effekts

Das Peltierelement, auch bekannt als thermoelektrischer Kühler (TEC) oder thermoelektrisches Modul (TEM), ist ein festkörperbasiertes Bauteil ohne bewegliche Teile, das beim Anlegen von Energie Wärme überträgt und in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden kann. Theoretisch basiert es auf dem Peltier-Effekt, der 1834 von dem französischen Physiker Jean Peltier entdeckt wurde.   Das Peltierelement besteht strukturell aus positiv und negativ dotierten Pellets aus Halbleitermaterial, die zwischen zwei elektrisch isolierten, aber thermisch leitfähigen Keramikplatten angeordnet sind. Auf der inneren Oberfläche jeder Keramikplatte ist ein leitfähiges Muster aus Metallmaterial aufgebracht, an dem die Halbleiterpellets verlötet sind. Diese Modulkonfiguration ermöglicht es, dass alle Halbleiterpellets elektrisch in Reihe und mechanisch parallel angeschlossen werden. Der gewünschte thermische Effekt wird durch die elektrische Reihenschaltung bereitgestellt, während die mechanische Parallelschaltung es ermöglicht, dass Wärme von einer Keramikplatte (kalte Seite) aufgenommen und von der anderen Keramikplatte (heiße Seite) abgegeben wird.

Häufige Ursachen für Ausfälle in typischen Peltier-Modulen

Der häufigste Fehler im Peltier-Modul ist der mechanische Bruch von Halbleiterpellets oder zugehörigen Lötstellen, der sich zunächst nicht vollständig durch das Pellet oder die Lötstelle ausbreitet und durch den Anstieg des Serienwiderstands des Geräts erkannt werden kann. Der Anstieg des Widerstands des Peltier-Moduls kann zu einer verringerten allgemeinen „Effizienz“ führen, während der Bruch, der sich vollständig bis zum Halbleiterpellet oder zur Lötstelle ausbreitet, einen Totalausfall verursachen kann.   In einer typischen Anwendung des Peltier-Moduls wird das zu kühlende Objekt auf die Kaltplatte des Moduls gelegt und ein Kühlkörper auf der heißen Seite angebracht. Im Falle des Haftens des Kühlkörpers und des zu kühlenden Objekts an der Keramikplatte ist das Fehlen jeglicher anderer mechanischer Strukturen zur Unterstützung des gekühlten Objekts und des Kühlkörpers wahrscheinlich ein Grund für mechanisches Versagen. Das Objekt oder den Kühlkörper ausschließlich mit dem Peltier-Modul zu stützen, könnte erhebliche Scher- oder Zugkräfte auf das Modul ausüben. Das Peltier-Modul ist nicht in der Lage, die hohen Zug- oder Scherkräfte zwischen dem Kühlkörper und der Kaltplatte auszuhalten und kann bei übermäßiger Belastung brechen.   In den meisten Anwendungen wird der Kühlkörper zusammen mit dem zu kühlenden Objekt so eingespannt, dass das Peltier-Modul dazwischen platziert wird. Diese mechanische Anordnung ist möglich, da das Peltier-Modul große Druckkräfte von den Befestigungselementen aufnehmen kann, um Scher- oder Zugspannungen zwischen dem Objekt und dem Kühlkörper auszugleichen.   Trotz der Fähigkeit des Peltier-Moduls, große Druckbelastungen auszuhalten, müssen der Kühlkörper und das zu kühlende Objekt gleichmäßig auf dem Peltier-Modul eingespannt werden, da die Drehmomente und Druckkräfte zwischen den Keramikplatten zu mechanischen Schäden führen können. Mechanische Spannvorrichtungen, die auf das Peltier-Modul Druckkräfte ausüben, müssen sorgfältig und gleichmäßig angewandt werden, um Drehmomentspannungen zu minimieren und die Wahrscheinlichkeit von Schäden zu reduzieren.   Zusätzlich besitzen die Keramikplatten und Halbleiterpellets zur Konstruktion des Peltier-Moduls korrespondierende Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Eine Diskrepanz zwischen den CTEs der Keramik und des Halbleiters kann mechanische Spannungen verursachen. Im Falle von Modulen, die erhitzt oder gekühlt werden, kann dies zu Brüchen der Halbleiterpellets und Lötstellen führen. Neben der absoluten Temperaturänderung des Peltier-Moduls können auch die thermischen Gradienten auf dem Gerät und die schnelle Änderungsrate seiner Temperatur mechanische Spannungen aufgrund der CTE verursachen. Der Betrieb bei extremen Temperaturen, großen Temperaturgradienten und schnellen Temperaturänderungsraten kann mechanische Spannungen erhöhen und zu einem Ausfall des Geräts führen.   Mögliche externe Kontamination von Halbleiterpellets, Lötstellen und metallisierten Leitungspfaden im Peltier-Modul kann ebenfalls zu Ausfällen führen. Die übliche Lösung zur Minimierung der Kontaminationsgefahr ist das Auftragen von Dichtungsperlen rund um das Modul zwischen den beiden Keramikplatten. Die mechanische Flexibilität des Materials macht Silikonkautschuk zu einem häufig verwendeten Dichtungsmittel, jedoch ist es möglicherweise nicht als Dampfsperre in rauen Betriebsumgebungen effektiv. Epoxidharze können als periphere Dichtungsmittel in Umgebungen mit hoher Dampfdichte verwendet werden, allerdings haben Epoxidharze im Allgemeinen nicht die mechanische Flexibilität von Silikonkautschuk.

Peltier-Module mit arcTEC™-Struktur funktionieren noch besser

Wie oben erwähnt, können die Lötstellen und Halbleiterpellets des Peltier-Moduls unter mechanischer Belastung Risse bekommen. Same Sky hat Peltier-Module mit arcTEC™-Struktur entwickelt. Ihre einzigartige Struktur ermöglicht es ihnen, thermischer Ermüdung zu widerstehen und somit die Modulleistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verbessern.   Erstens haben Peltier-Module mit arcTEC™-Struktur von Same Sky Lötstellen auf der kalten Seite der Module, die durch leitfähiges Harz ersetzt wurden. Dieses Harz, das mechanisch flexibler ist als Lötzinn, ermöglicht eine thermische Ausdehnung und Kontraktion während wiederholter thermischer Zyklen der Peltier-Module und hilft, die Belastung und Brüche in herkömmlichen Peltier-Modulstrukturen zu minimieren, was zu einer besseren thermischen Verbindung, überlegener mechanischer Verbindung und einer Leistung führt, die sich im Laufe der Zeit nicht signifikant verschlechtert.   Die verbleibenden Lötstellen in der arcTEC-Struktur bestehen aus hochtemperaturbeständigem Antimon-Lötzinn (SbSn, 235°C) anstelle des häufiger verwendeten niedrigtemperaturbeständigen Bismut-Lötzinns (BiSn, 138°C). Antimon-Lötzinn ist widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen als Bismut-Lötzinn. Seine hervorragende thermische Ermüdungsbeständigkeit und bessere Scherfestigkeit tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Peltier-Moduls bei. Das Peltier-Modul von Same Sky wird außerdem mit einer feuchtigkeitsabweisenden Silikonkautschukschicht für mechanische Compliance geliefert. Auf Anfrage sind weitere feuchtigkeitsabweisende Schichten wie Epoxidharz erhältlich.   Durch das Zusammenspiel des wärmeleitenden Harzes und der SbSn-Lötstelle in der arcTEC-Struktur werden die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Peltier-Moduls erheblich beeinflusst. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Lebensdauer des Peltier-Moduls und der Qualität der Verbindungen, und der Ausfall ist hauptsächlich auf den Anstieg des Widerstands im Modul durch die thermische Ermüdung der Verbindungen innerhalb des Moduls zurückzuführen. Dieser Effekt wird durch die inneren Spannungen, die während wiederholter thermischer Zyklen auftreten, weiter kompliziert. Nach über 30.000 thermischen Zyklen ist die Widerstandsänderung des Peltier-Moduls mit arcTEC-Struktur vernachlässigbar, was eine hervorragende Leistung zeigt.   Zusätzlich zur 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 aus hochwertigem Silizium-Ingots 2,7-mal größer als die Elemente, die in anderen thermischen Modulen auf dem Markt verwendet werden. Da größere Elemente eine schnellere und gleichmäßigere Kühlung erzielen, kann dies erhebliche Auswirkungen auf die thermische Leistung haben. Die Infrarotinspektion der mit der arcTEC-Struktur konstruierten Einheit zeigt eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Keramiksubstrats.   Im Gegensatz dazu zeigen herkömmliche Einheiten mehrere Temperaturschwankungen, die auf ein höheres Risiko für eine verminderte Kühlleistung und eine verkürzte Lebensdauer hinweisen. Diese Temperaturschwankungen könnten durch minderwertige P/N-Element-Qualität, kleine Elementgrößen oder schlechte Lötqualität innerhalb des Moduls verursacht werden. Der Einsatz von Modulen mit größeren P/N-Elementen ermöglicht eine schnellere Kühlung ohne Leistungsabfall. Feldtests zeigen, dass Module mit arcTEC-Struktur die Kühlzeit im Vergleich zu konkurrierenden Modulen um mehr als 50 % verbessert haben. Dieser signifikante Unterschied ist auf die Größe und Qualität der P/N-Elemente sowie die höhere Zuverlässigkeit der arcTEC-Struktur zurückzuführen. Mit der Zunahme der thermischen Zyklen und Widerstandsänderung in herkömmlichen Modulen wird die Diskrepanz größer.

Vielfältige Peltier-Modulserie, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen

In der hochleistungsfähigen Peltier-Modulserie von Same Sky sind einstufige Peltier-Module enthalten, die eine kompakte, leichte Bauform und eine solide Zustandstechnologie ohne bewegliche Teile bieten. Präzise Temperaturkontrolle und schnelle Reaktion ermöglichen es, sich zu einer äußerst zuverlässigen Kühllösung weiterzuentwickeln. Das zusätzliche mehrstufige Peltier-Modul kann höhere Temperaturdifferenzen von bis zu 105 °C erreichen, indem zwei Module übereinander gestapelt werden, um die Wärmepumpenkapazität zu erhöhen, während die Vorteile der soliden Zustandstechnologie eines einstufigen thermoelektrischen Kühlers beibehalten werden. Darüber hinaus ermöglicht die bessere Wasserbeständigkeit und die thermische Spannungsabsorption durch die auslaufsichere Struktur der Peltier-Kühleinheit eine verbesserte Wärmeaufnahme, verbesserte Leistung und eine einfachere Installation ohne die Notwendigkeit von Schraubenbefestigungen.   Same Sky bietet die Serie hochleistungsfähiger Peltier-Module in Größen von 3,4 mm bis 70 mm, einem Profil von nur 1,95 mm, ΔTmax bis zu 95 °C (Th=50 °C), Nennstrom von 0,7 A bis 20 A und Temperaturdifferenzen von 70 °C bis 105 °C an. Die zuverlässige solide Zustandstechnologie, die präzise Temperaturkontrolle und die geräuscharmen Betriebseigenschaften dieser Peltier-Module machen sie ideal für medizinische und industrielle Anwendungen sowie Designs, bei denen keine forcierte Luftkühlung möglich ist.

Fazit

Die Peltier-Module von Same Sky, die sich auf die Minderung der Auswirkungen thermischer Ermüdung und die Optimierung von P/N-Elementen konzentrieren, schneiden deutlich besser ab als thermoelektrische Kühler mit herkömmlichen Strukturen. Da diese Verbesserungen, die in der arcTEC-Struktur implementiert wurden, zusammen die verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit bieten, die für die anspruchsvollsten Anwendungen erforderlich sind, sind diese Peltier-Module die ideale Wahl für hochdichte, leistungsstarke medizinische und industrielle Anwendungen.