Módulos Peltier ideales para aplicaciones de enfriamiento

Obtenga una mejor capacidad de enfriamiento mediante la aplicación del efecto Peltier

El módulo Peltier, también conocido como enfriador termoeléctrico (TEC) o módulo termoeléctrico (TEM), es un dispositivo de estado sólido sin partes móviles que transmite calor cuando está energizado y puede operar en un amplio rango de temperaturas. Teóricamente, se basa en el efecto Peltier, descubierto en 1834 por Jean Peltier, un físico francés.   El módulo Peltier está estructuralmente compuesto por pellets de material semiconductor dopados positivamente y negativamente, colocados entre dos placas cerámicas eléctricamente aisladas pero térmicamente conductoras. Un patrón conductor de material metálico está recubierto en la superficie interior de cada placa cerámica, sobre la cual se sueldan los pellets semiconductores. Esta configuración del módulo permite que todos los pellets semiconductores estén conectados en serie eléctricamente y mecánicamente en paralelo. El efecto térmico deseado se proporciona a partir de la conexión eléctrica en serie, mientras que la conexión mecánica en paralelo permite que una placa cerámica (lado frío) absorba el calor y la otra placa cerámica (lado caliente) lo libere.

Causas comunes de fallos en módulos Peltier típicos

La falla más común en el módulo Peltier es la fractura mecánica de los pellets semiconductores o de las juntas de soldadura asociadas, que inicialmente no se propaga completamente a través del pellet o de la junta de soldadura y puede detectarse por el aumento en la resistencia en serie del dispositivo. El aumento en la resistencia del módulo Peltier puede conducir a una disminución general de la "eficiencia", pero la fractura que se propaga completamente hacia el pellet semiconductor o la junta de soldadura puede causar una falla completa.   En una aplicación típica del módulo Peltier, el objeto a enfriar se coloca sobre la placa fría del módulo y un disipador de calor se coloca en el lado caliente. En el caso de adherir el disipador de calor y el objeto a enfriar a la placa cerámica, la ausencia de cualquier otra estructura mecánica para soportar el objeto enfriado y el disipador de calor probablemente cause una falla mecánica. Soportar el objeto o el disipador de calor únicamente utilizando el dispositivo Peltier puede imponer una carga de cizalla o tensión considerable en el módulo. El módulo Peltier no puede soportar la alta tensión o fuerza de cizalla entre el disipador de calor y la placa fría, y puede fracturarse en caso de fuerza excesiva.   En la mayoría de aplicaciones, el disipador de calor está sujeto junto con el objeto a enfriar, con el módulo Peltier colocado entre ambos. Esta configuración mecánica es posible gracias al hecho de que el módulo Peltier puede soportar grandes fuerzas compresivas provenientes de las abrazaderas, las cuales pueden absorber cualquier esfuerzo de cizalla o tensión entre el objeto y el disipador de calor.   A pesar de la capacidad del módulo Peltier para soportar grandes cargas compresivas, el disipador de calor y el objeto a enfriar deben estar sujetos de manera uniforme sobre el módulo Peltier, o el torque y las fuerzas compresivas entre las placas cerámicas pueden resultar en una falla mecánica. Las restricciones mecánicas que generan fuerzas de sujeción compresivas sobre el módulo Peltier deben aplicarse cuidadosamente y de manera uniforme para minimizar el esfuerzo de torque aplicado al módulo Peltier y minimizar la posibilidad de daño.   Además, las placas cerámicas y los pellets semiconductores utilizados para construir el módulo Peltier tienen coeficientes de dilatación térmica (CTE) relacionados. Una incompatibilidad entre los CTE de la cerámica y el semiconductor puede causar estrés mecánico. En el caso de que los módulos se calienten o enfríen, esto puede causar fracturas en los pellets semiconductores y las juntas de soldadura. Además del cambio absoluto de temperatura del módulo Peltier, los gradientes térmicos en el dispositivo y la tasa rápida de cambio de su temperatura también pueden causar estrés mecánico como resultado del CTE. La operación a temperaturas extremas, grandes gradientes de temperatura y altas tasas de cambio de temperatura pueden aumentar el estrés mecánico y conducir a fallas del dispositivo.   Una posible contaminación externa de los pellets semiconductores, juntas de soldadura y caminos de conducción metalizados en el módulo Peltier también puede provocar fallas. La solución común para minimizar la exposición a la contaminación es aplicar cordones de sellador alrededor del módulo entre las dos placas cerámicas. La flexibilidad mecánica del material hace que el caucho de silicona sea un sellador común, pero puede no ser efectivo como barrera de vapor en ambientes de operación severos. Las resinas epoxi pueden usarse como selladores periféricos en presencia de alta concentración de vapor, pero en general, las resinas epoxi no tienen la flexibilidad mecánica del caucho de silicona.

Los módulos Peltier con estructura arcTEC™ funcionan aún mejor

Como se mencionó anteriormente, las uniones de soldadura y las pastillas semiconductoras del módulo Peltier pueden agrietarse bajo estrés mecánico. Same Sky ha desarrollado módulos Peltier con estructura arcTEC™. Su estructura única les permite resistir la fatiga térmica, mejorando así el rendimiento del módulo, la fiabilidad y su vida útil.   En primer lugar, los módulos Peltier con estructura arcTEC™ de Same Sky tienen las uniones de soldadura en el lado frío de los módulos reemplazadas por resina conductiva. Esta resina, que es mecánicamente más flexible que la soldadura, permite la expansión y contracción térmica durante los ciclos térmicos repetidos de los módulos Peltier y ayuda a minimizar el estrés y las fracturas en las estructuras tradicionales de módulos Peltier, lo que resulta en una mejor conexión térmica, uniones mecánicas superiores y un rendimiento que no se deteriora significativamente con el tiempo.   Las uniones de soldadura restantes en la estructura arcTEC están hechas de soldadura de antimonio de alta temperatura (SbSn, 235°C) en lugar de la más común soldadura de bismuto de baja temperatura (BiSn, 138°C). La soldadura de antimonio es más resistente al estrés mecánico que la soldadura de bismuto, y su excelente resistencia a la fatiga térmica y mejor resistencia al corte contribuyen a mejorar la fiabilidad del módulo Peltier. El módulo Peltier de Same Sky también se suministra con una capa de goma de silicona a prueba de humedad para el cumplimiento mecánico. Otras capas a prueba de humedad, como la resina epoxi, están disponibles bajo petición.   Bajo la acción combinada de la resina conductiva térmica y la unión de soldadura SbSn en la estructura arcTEC, se ven muy afectadas la fiabilidad y la vida útil del módulo Peltier. Existe una correlación directa entre la expectativa de vida del módulo Peltier y la calidad de las uniones, y las fallas se deben principalmente al aumento de resistencia en el módulo por la fatiga térmica de las uniones dentro del módulo. Este efecto se complica aún más por las tensiones internas que ocurren durante ciclos térmicos repetidos. En más de 30,000 ciclos térmicos, el cambio de resistencia del módulo Peltier con estructura arcTEC es insignificante, lo que le otorga un rendimiento excelente.   Además de una fiabilidad superior y una mayor vida útil del módulo, el módulo Peltier con estructura arcTEC proporciona un mejor rendimiento térmico. En el módulo Peltier, los elementos P/N integrados fabricados con lingotes de silicio de alta calidad tienen un tamaño 2.7 veces mayor que los elementos utilizados en otros módulos termoeléctricos del mercado. Dado que los elementos más grandes producen un enfriamiento más rápido y uniforme, esto puede tener un impacto significativo en el rendimiento térmico. La inspección infrarroja de la unidad construida con la estructura arcTEC muestra una distribución uniforme de la temperatura en la superficie del sustrato cerámico.   En contraste, las unidades convencionales muestran múltiples variaciones de temperatura, lo que indica un mayor riesgo de disminución del rendimiento de enfriamiento y una vida útil más corta. Estas variaciones de temperatura pueden ser causadas por la baja calidad de los elementos P/N, el tamaño reducido de los elementos o la mala calidad de la soldadura dentro del módulo. El uso de módulos con elementos P/N más grandes permite un enfriamiento más rápido sin una disminución en el rendimiento. Las pruebas de campo muestran que los módulos con estructura arcTEC han mejorado el tiempo de enfriamiento en más del 50% en comparación con los módulos competidores. Esta diferencia significativa puede atribuirse al tamaño y la calidad de los elementos P/N y a la mayor fiabilidad de la estructura arcTEC. Un aumento en el número de ciclos térmicos y el cambio de resistencia en módulos convencionales ampliará la diferencia.

Serie diversificada de módulos Peltier para satisfacer diferentes necesidades de aplicación

Incluidos en la serie de módulos Peltier de alto rendimiento de Same Sky están los módulos Peltier de una sola etapa con una forma compacta y ligera, y diseño de estado sólido sin partes móviles. El control preciso de la temperatura y la rápida respuesta permiten que se convierta en una solución de refrigeración altamente confiable. El módulo Peltier de varias etapas adicional puede lograr incrementos de temperatura más altos de hasta 105°C al apilar dos módulos para aumentar la capacidad de la bomba de calor, mientras mantiene las ventajas de estado sólido del enfriador termoelectric de una sola etapa. Además, la mejor resistencia al agua y la estructura a prueba de fugas que absorbe el estrés térmico de la unidad de enfriamiento Peltier permiten una mejor absorción de calor, un rendimiento mejorado y una instalación más sencilla sin necesidad de usar tornillos de fijación.   Same Sky ofrece la serie de módulos Peltier de alto rendimiento en tamaños desde 3.4 mm hasta 70 mm, con un perfil tan bajo como 1.95 mm, ΔTmax de hasta 95°C (Th=50°C), corriente nominal de 0.7 A a 20 A, e incrementos de temperatura entre 70°C y 105°C. La construcción sólida y confiable, el control preciso de temperatura y las capacidades de operación silenciosa de estos módulos Peltier los hacen ideales para aplicaciones médicas e industriales y diseños donde la refrigeración por aire forzado no es una opción.

Conclusión

Los módulos Peltier de Same Sky, que se centran en mitigar los efectos de la fatiga térmica y optimizar los elementos P/N, funcionan mucho mejor que los enfriadores termoeléctricos con estructuras convencionales. Dado que estas mejoras implementadas en la estructura arcTEC proporcionan colectivamente el rendimiento y la fiabilidad mejorados necesarios para las aplicaciones más exigentes, estos módulos Peltier se convierten en la opción ideal para aplicaciones médicas e industriales de alta densidad y alta potencia.