ペルチェ モジュールは優れた冷却ソリューションであり、高密度、高出力の医療および産業用途、ならびに強制空冷が選択できない冷蔵および密閉環境に最適です。この記事では、ペルチェ モジュールの機能特性と、CUI Devicesが提供するペルチェ モジュールの特長と利点について説明します。
ペルチェ効果の応用により冷却能力が向上
ペルチェ モジュールは、熱電冷却器 (TEC) または熱電モジュール (TEM) とも呼ばれ、通電時に熱を伝達する可動部品のないソリッド ステート デバイスであり、広範囲の温度で動作できます。理論的には、1834年にフランスの物理学者ジャン・ペルティエによって発見されたペルティエ効果に基づいています。
ペルチェ モジュールは、電気的に絶縁されながら熱伝導性のある2つのセラミック プレートの間に配置された、正と負にドープされた半導体材料のペレットで構造的に構成されています。各セラミック板の内面には金属材料の導電パターンがメッキされており、その上に半導体ペレットがはんだ付けされています。このモジュール構成により、すべての半導体ペレットを電気的に直列に、機械的に並列に接続することができます。直列の電気接続により所望の熱効果が得られ、機械的な並列接続により、一方のセラミックプレート（冷側）で熱を吸収し、もう一方のセラミックプレート（熱側）で熱を放出することができます。
一般的なペルチェモジュールの故障の一般的な原因
ペルチェ モジュールで最も一般的な故障は、半導体ペレットまたは関連するはんだ接合部の機械的破損です。この破損は、最初はペレットまたははんだ接合部全体に広がることはなく、デバイスの直列抵抗の上昇によって検出できます。ペルチェモジュールの抵抗が上昇すると、全体的な「効率」が低下する可能性がありますが、半導体ペレットまたははんだ接合部に完全に伝播する破損により、完全な故障が発生する可能性があります。
ペルチェ モジュールの一般的な用途では、冷却対象物はモジュールの冷却プレート上に配置され、ヒートシンクは高温側に配置されます。ヒートシンクと冷却対象物がセラミック板に密着している場合、冷却対象物とヒートシンクを支持する他の機械構造がないと、機械的な故障が発生する可能性が高くなります。ペルチェ素子のみを使用して物体またはヒートシンクを支えると、モジュールに大きなせん断荷重または張力荷重がかかる可能性があります。 ペルチェモジュールは、 ヒートシンク とコールドプレート間の高張力またはせん断力に耐えることができず、過度の力が加わると破損する可能性があります。
ほとんどのアプリケーションでは、 ヒートシンク は冷却対象物と一緒にクランプされ、その間にペルチェモジュールが配置されます。この機械的構成は、ペルチェ モジュールがクランプからの大きな圧縮力をサポートし、物体と ヒートシンク間のせん断応力や張力応力を吸収できるという事実によって可能になります。
ペルチェモジュールは大きな圧縮荷重に耐えることができますが、 ヒートシンク と冷却対象物はペルチェモジュール上で均等に固定する必要があります。そうしないと、セラミックプレート間のトルクと圧縮力によって機械的な故障が発生する可能性があります。ペルチェ モジュールに圧縮クランプ力を生成する機械的制約は、ペルチェ モジュールにかかるトルク ストレスを最小限に抑え、損傷の可能性を最小限に抑えるために、慎重かつ均等に適用する必要があります。
さらに、ペルチェモジュールを構成するセラミックプレートと半導体ペレットには、関連する熱膨張係数 (CTE) があります。セラミックと半導体のCTEの不一致により、機械的ストレスが発生する可能性があります。モジュールが加熱または冷却されると、半導体ペレットやはんだ接合部に破損が生じる可能性があります。ペルチェモジュールの絶対温度変化に加えて、デバイス上の熱勾配と温度の急激な変化率も、CTEの結果として機械的ストレスを引き起こす可能性があります。極端な温度、大きな温度勾配、および高い温度スルーレートでの動作は、機械的ストレスを増加させ、デバイスの故障につながる可能性があります。
ペルチェモジュール内の半導体ペレット、はんだ接合部、金属化された伝導経路の外部汚染も故障につながる可能性があります。汚染の露出を最小限に抑える一般的な解決策は、2つのセラミック プレート間のモジュール周囲にシーラント ビーズを塗布することです。シリコーンゴムは機械的に柔軟な材料であるため、一般的なシーラントとして使用されますが、過酷な動作環境では蒸気バリアとしては効果がない場合があります。エポキシ樹脂は高蒸気濃度下で周辺シーラントとして使用できますが、エポキシ樹脂は一般にシリコーンゴムのような機械的柔軟性を持っていません。
arcTEC™ 構造のペルチェモジュールはさらに優れた性能を発揮します
前述のように、ペルチェモジュールのはんだ接合部と半導体ペレットは、機械的ストレスによって割れる可能性があります。CUI Devicesは、arcTEC™ 構造のペルチェモジュールを開発しました。独自の構造により熱疲労に耐えることができ、モジュールの性能、信頼性、サイクル寿命が向上します。
まず、CUI DevicesのarcTEC™ 構造のペルチェ モジュールでは、モジュールのコールド側のはんだ接合部が導電性樹脂に置き換えられています。この樹脂ははんだよりも機械的に柔軟で、ペルチェモジュールの繰り返し熱サイクル中の熱膨張と収縮を可能にし、従来のペルチェモジュール構造の応力と破損を最小限に抑え、より優れた熱接続、優れた機械的結合、および時間が経っても大幅に劣化しないパフォーマンスを実現します。
arcTEC構造の残りのはんだ接合部は、より一般的な低温ビスマスはんだ (BiSn、138°C) の代わりに、高温アンチモンはんだ (SbSn、235°C) で作られています。アンチモンはんだはビスマスはんだよりも機械的ストレスに強く、優れた耐熱疲労性と優れたせん断強度によりペルチェモジュールの信頼性向上に貢献します。CUI Devicesのペルチェ モジュールには、機械的な適合性を確保するためのシリコン ゴムの防湿層も付いています。エポキシ樹脂などの他の防湿層もご要望に応じてご利用いただけます。
arcTEC構造における熱伝導性樹脂とSbSnはんだ接合部の複合作用により、ペルチェ モジュールの信頼性と耐用年数に大きな影響が生じます。ペルチェ モジュールの寿命と接合の品質には直接的な相関関係があり、故障は主にモジュール内の接合の熱疲労によるモジュールの抵抗の増加によって発生します。この効果は、繰り返される熱サイクル中に発生する内部応力によってさらに複雑になります。30,000回以上の熱サイクルでも、arcTEC構造のペルチェ モジュールの抵抗変化はごくわずかであり、優れた性能を発揮します。
優れた信頼性とモジュール寿命に加え、arcTEC構造のペルチェ モジュールは、強化された熱性能を提供します。In the Peltier module, the integrated P/N elements made from premium-quality silicon ingots is 2.7 times the size of the elements used in other thermoelectric modules on the market.Since larger elements produce faster and more uniform cooling, this can have a significant impact on thermal performance.The infrared inspection of the unit constructed by the arcTEC structure shows a uniform temperature distribution on the surface of the ceramic substrate.
In contrast, conventional units exhibit multiple temperature variations, indicating a higher risk of decreased cooling performance and shortened service life.These temperature variations may be caused by inferior P/N element quality, small element size, or poor solder quality within the module.The use of modules with larger P/N elements allows for faster cooling without a drop-off in performance.Field tests show that the modules with arcTEC structure have improved cooling time by more than 50% compared to competing modules.This significant difference can be attributed to the size and quality of the P/N elements and the higher reliability of the arcTEC structure.An increase in the number of thermal cycles and resistance change in conventional modules will widen the gap.
Diversified Peltier module series to meet different application needs
Included in the high-performance Peltier module series of CUI Devices are single-stage Peltier modules with a compact, lightweight shape and solid state without moving parts.Precise temperature control and response allow it to evolve into a highly reliable cooling solution.The additional multi-stage Peltier module is able to achieve higher temperature increments of up to 105°C by stacking two modules to increase heat pump capacity, while maintaining the solid-state advantages of the single-stage thermoelectric cooler.In addition, the better water resistance and thermal stress absorbing leakproof structure of the Peltier cooling unit allows for better heat absorption, improved performance and easier installation without the need for tightening screws.
CUI Devices provides the series of high-performance Peltier modules in sizes from 3.4 mm to 70 mm, a profile as low as 1.95 mm, ΔTmax up to 95°C (Th=50°C), rated current from 0.7 A to 20 A, and temperature increments from 70°C to 105°C.The reliable solid-state construction, precise temperature control, and quiet operation capabilities of these Peltier modules make them ideal for medical and industrial applications and designs where forced air cooling is not an option.For more information about Peltier modules from CUI Devices, please visit the website of Arrow Electronics: https://www.arrow.com/en/products/search?cat=&q=Thermoelectric%20Cooler%20Peltier%20Modules%20CUI%20Devices&r=true
Conclusion
CUI Devices' Peltier modules, which focus on mitigating the effects of thermal fatigue and optimizing P/N elements, perform far better than thermoelectric coolers with conventional structures.Given that these enhancements implemented in the arcTEC structure collectively provide the improved performance and reliability required for the most demanding applications, these Peltier modules become the ideal choice for high-density, high-power medical and industrial applications.