提高热电制冷器性能的工艺措施.doc

提高热电制冷器性能的工艺措施
陈爱东1 时 阳2
(1. 河南纺织高等专科学校 机电工程系 河南 郑州 450007
2. 郑州轻工业学院 机电科学与工程系 河南 郑州 450002

摘要：通过分析热电制冷器的制冷工作特性，指出了附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换、元件性能下降对热电制冷器的制冷工作特性的影响，找出电堆制造产生性能下降的原因，提出了提高性能的工艺措施。
关键词：热电制冷器；特性；制造工艺
中图分类号：TB6 文献标识码：A

1 序言
热电制冷的基础是固体的热电效应，由于其特有的机理，热电制冷与其他制冷方法有明显的不同。这种制冷方法以电子为能量载体，不用制冷剂，不存在环境问题。热电制冷器的特点是结构简单、除风扇外无任何运动部件，因而噪声很小、基本无摩损问题、可靠性好、寿命长；热电堆的体积仅数十立方毫米至数立方厘米，重量仅数克至数十克；启动快、控制灵活，只要接通电源，即可迅速制冷，制冷量可通过调节电流方便调节；改变电流方向即可改变热流方向，而改变电流方向可不用机械装置；热电制冷不需要流体运动去载能，而电子的运动与地球重力无关。由于以上特点，热电制冷器广泛应用于航空航天、军事、通讯、遥感遥测、医疗以及空调、冷冻冷藏等各领域。但这种制冷方法的发展较慢，其基本原因是热电制冷器的效率较低，提高热电制冷器的效率一直是其主要发展方向。目前的研究工作主要是进行电压、电流和换热的优化[1]、[2]，而改进工艺是另一个提高效率的重要途径。

2 热电制冷器的制冷工作特性
(W) (1)
(K) (2)
热电制冷器由热电堆、冷端换热器及热端换热器组成，其中热电堆是制冷器件。由于热电堆是由多对电偶组成，且对电流而言，各电偶对是串联的；而对热流，各电偶对是并联的。分析热电堆的性能时，只需分析电偶对的制冷性能即可。在满足尺寸条件和电流条件的前提时，一对电偶的最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系数分别为[3]：
(3)

式中：

K1 —电偶对的导热率，W/K；
R1 —电偶对的电阻，Ω；
αpn—电偶对的温差电势率，V/K
ΔT—冷热端温差，K；
Th —热结点温度，K。
Tc —冷结点温度，K；
Tcmin —最低冷结点温度，K；
Tm —冷、热端的平均温度；
Zpn —电偶对的优值系数；
Rp —电偶元件的面长比，m。

电偶对的优值系数为：
Zpn=αpn2/(k1R1) （1/K） (4)
由此可知电偶对的性能主要取决于冷、热端温度和优值系数，而冷、热端温度和电偶对的优值系数不仅与元件的物理性质，也与电堆的加工制造工艺有关。

3 影响电堆性能的工艺因素及产生原因
电偶组成电堆时，由于存在传热温差、热电制冷元件与导电金属之间的焊缝电阻、杂散热交换等因素，使电堆的性能低于电偶的理论性能。
3.1 附加传热温差对电堆性能的影响
附加传热温差是对电堆性能影响最大的因素。由于电绝缘导热层、钎料层和导电金属片本身都存在热阻，焊接缺陷也会产生热阻，使得电堆冷端温度低于电偶冷结点温度，热端温度高于电偶热结点温度，电偶实际冷、热结点温度成为：
Tc’＝Tc－ΔTc (K) (5)
Th’＝Th－ΔTh (K) (6)
式中ΔTc和ΔTh分别为电堆冷端传热温差和热端传热温差。
在同样的工作条件下，随着ΔTc和ΔTh的增大，Tc将降低而Th升高，制冷量、制冷系数、可获得的最大温差均迅速下降。
由于电绝缘导热层是由陶瓷或塑料制成，导热系数较低且厚度相对是最大的，由电绝缘导热层产生的温差也是最大的，约为全部温差的92％。
3.2 焊缝电阻
每一对热电制冷元件焊接成电偶时,必有四处需焊接,这必然增加四个焊缝电阻Rw，如图1所示。
图1 焊缝电阻

焊缝电阻由钎料自身电阻与接触电阻组成。其中钎料自身电阻是存在钎料所形成的，与钎料厚度成正比。接触电阻与电偶元件长度尺寸误差和焊接工艺有关，如元件尺寸误差较大，在焊接时较短的元件与导电金属片会填充较多的钎料；焊后因钎料冷缩造成较大的接触电阻。焊接时夹紧力过小或倾斜，也会造成钎料层厚薄不匀。如每一焊缝处有焊缝电阻Rw，对于一对电偶来说，电阻就增大4Rw，使得电偶电阻大于两个电偶元件电阻之和，即：
R’＝ R1＋4Rw (7)
(8)
电阻的增大，增加了焦尔热，相当于降低了优值系数。此时，当量优值系数成为：
令焊缝电阻性能系数为：
Ccr＝1＋4Rw/R1 (9)
则当量优值系数为：
Z’＝ CcrZpn (10)
焊缝电阻性能系数表示由于存在焊缝电阻而使优值系数下降的比例。当Rw＝0.0154R1时，如元件的优值系数Zp＝Zn＝3.2×10-3 1/K、Th＝313 K、Tc＝273 K，则按制冷系数最佳条件工作的电偶对，制冷系数下降了8％。
3.3 杂散热交换
在电堆内部，不可避免的会存在漏冷，即不需要的辐射漏冷Qr和对流换热Qc，如图2所示。
图2 杂散热交换

杂散热交换使得电堆的制冷量小于各对电偶制冷量之和，电堆的制冷系数小于电偶对的制冷系数。即：
Q0t＜∑Q01 (11)
εg’＜ε1 (12)
辐射与对流漏冷与冷、热端的温差及电堆的结构型式有关，电偶元件排列越密，辐射与对流漏冷就越小；电堆冷热端之间有隔热时，漏冷较小。
3.4 元件性能下降
造成元件性能下降的原因主要是机械损伤、热冲击和渗铜。机械损伤是在材料切割成元件时产生的，主要有压缩变形、裂纹等。元件在焊接时，必须会在较短时间内被加热而后冷却，这就存在热冲击，有可能会在局部使原有的结晶方向发生改变。元件与铜制导电金属片焊接在一起后，铜原子有可能渗透到元件中去，产生渗铜现象，使元件热电性能下降。
如在焊接时，所用钎料过多，则钎料会附在电偶元件四周，使元件电阻改变，造成电偶性能偏离设计值，同时也造成电堆中各电偶对性能有较大偏差。

4 提高性能的工艺措施
为了改进电堆的制造工艺，国际上曾经采用过表面金属化搪瓷电绝缘导热层、铜-氧化亚铜电绝缘导热层、压紧式电堆结构、导流片表面镀金等措施，取得了一定效果[4]。但随着电堆的小型化，制造工艺仍是除元件材料之外对电堆性能影响最大的因素。
4.1 减小电绝缘导热层的厚度
减小传热温差最主要的方法是减小电绝缘导热层的厚度。在12704型热电堆的基础上，将氧化铝陶瓷材料厚度由0.8mm降至0.5mm，而电偶元件数量、几何尺寸、排列方式均不改变，热阻将降低37％，冷端传热温差最多约可下降0.8℃，热端传热温差最多约可下降4℃。同时，由于可减小电绝缘导热层的冷却变形，焊缝电阻也略有减小。减小电绝缘导热层的厚度将使电堆整体机械强度有所下降，也较容易产生机械冲击损坏。为保证机械强度，可将基板尺寸减小。由于热电堆主要应用于微型制冷器件，机械强度并非主要问题，整体机械强度虽有所下降，仍可满足使用要求。
4.2 检查元件的电阻值
元件端面倾斜会形成较大的接触电阻，元件内部缺陷则会使元件电阻值变化。镀钎料后钎焊前用接触电极板对元件的电阻值进行测量，发现异常的元件并将其剔除，可减小接触电阻；可使各元件性能参数的一致性有所提高，从而使电堆的优值系数有所提高；也可使成品电堆性能的一致性有所提高。测量时所用电极板形状与基板相同，压紧力与钎焊时相同。电阻测量采用通直流电测压降的方法实现，将偏差大于3%的元件筛出，变档使用。
4.3 保证夹具夹紧力、平面度和平行度
由造成焊缝电阻的原因可知，为了减小焊缝电阻，元件长度尺寸偏差应尽可能的小，同时保证夹具平紧力适中、夹紧面平面度偏差不大于0.03mm、平行度偏差不大于0.04mm、且关联偏差不大于0.05mm。钎焊时电堆在夹具中的压紧由弹簧压紧改为压紧簧片压紧，夹紧力的大小依靠压紧簧片的弹力保证。压紧簧片由目前常用的两片改为四片，从而使压紧点由四点增至八点。压紧簧片中部浮动固定在夹具上，以保证两端压紧力大小一致。
4.4 优化焊接工艺
在进行焊接时，保证温度场均匀。在满足焊接要求的前提下，尽可能缩短钎料熔化的时间，以减小对元件的热冲击。合理选择并优化降温曲线，减小冷缩造成的温度应力。降温速率与钎料种类有关，其关键是液固转变温区的降温速率。由于钎料液固转变时产生偏析，温度应力需实验确定。
4.5 减少钎料用量
在满足焊接强度、焊缝电阻要求的基础上，尽可能减少钎料用量。控制钎料用量时，以焊后元件四周钎料凸起不超过0.2mm为宜。为了减小钎料层减薄带来的渗透铜影响，可以采用导流片镀铅锡钎料，而元件上镀铋锡钎料进行钎接。

参考文献
1. 半导体制冷系统性能特性优化[J]．制冷．1999，18(4)：54～58
2. 热电制冷器的变工况特性[J]．郑州轻工业学院学报．1993(4)：61～65
3. 吴业正．制冷原理及设备(2nd)[M]．西安：西安交通大学出版社；1997，180～195
4. 徐得胜．半导体制冷与应用技术(2nd)[M]．上海：上海交通大学出版社；1999，96～99
THE MANUFACTURING TECHNIQUE EFFECTS ON THE PERFORMANCE DATA OF THERMOELECTRIC REFRIGERATOR AND IMPROVEMENT
SHI Yang ZHU Xing-wang
(Department of Mechanic and Electricity Science and Engineering，Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002)
CHENG Ei-Dong
(Department of Mechanic and Electricity，Henan Textile Industry Junior College，Zhengzhou 450007)
JI Peng-xian
(Department of Industry Art and Design，Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002)

Abstract：According to the performance data of thermoelectric refrigerator, adjunctive heat transfer temperature difference and welded resistance and stray heat exchange and element ability step-down effect on the performance data of thermoelectric refrigerator is analyzed. Base on the thermoelectric module manufacturing bring about performance data step-down is get out, the improvements is put forward..
Key words：thermoelectric refrigerator；performance data；manufacturing technique

基金项目：河南省科技攻关项目（0224370050）
作者简介：时阳(1954－)，男，河南省修武县人，郑州轻工业学院副教授，主要从事制冷机械设备研究．