Инструкция по установке ТЭМ

1. Высота термоэлектрических модулей
2. Надежность термоэлектрических модулей
3. Механические характеристики модулей
4. Провода
5. Металлизированные модули
6. Герметизация модулей
7. Установка шлифованных модулей
8. Установка металлизированных модулей
9. Подключение к источнику питания
10. Выбор источника питания
11. Выбор напряжения питания

1. Высота термоэлектрических модулей

В каталоге термоэлектрических модулей производства компании КРИОТЕРМ приведены значения базовой высоты для модулей каждого типа. При отсутствии в заказе специальных требований высота поставляемых компанией Криотерм модулей может отличаться от базовой высоты не более чем ± 0,15 мм. При этом стандартный разброс высот внутри партии модулей не будет превышать ±0,05 мм. Стандартный допуск компании КРИОТЕРМ на параллельность модулей составляет 0,03 мм. (*)

В случаях, когда предполагается использование нескольких шлифованных модулей в одной термоэлектрической сборке, партия таких модулей может быть изготовлена с более жесткими допусками на высоту и параллельность: ±0,025 мм и 0,02 мм соответственно. В качестве дополнительной опции для специальных случаев компания КРИОТЕРМ предлагает уменьшение допуска на высоту и параллельность модулей в партии до ± 15 мкм и 10 мкм соответственно.

По специальному заказу компания может изготавливать термоэлектрические модули с высотой, отличной от указанной в каталоге.

(*) Для микромодулей и модулей с металлизацией стандартный допуск на высоту и параллельность составляет ±0,15 мм и 0,15 мм соответственно.

Наверх

2. Надежность термоэлектрических модулей

Показатель надежности является одним из важнейших параметров, который оценивает любой инженер при выборе термоэлектрического модуля. Термоэлектрические модули являются твердотельными приборами и в силу этого при правильном выборе и использовании имеют очень высокую надежность.

Многолетний опыт компании КРИОТЕРМ показывает, что основными причинами отказов термоэлектрических модулей являются:

Неаккуратное обращение с модулем при его эксплуатации и, в первую очередь, при его установке, приводящие к механическому разрушению ТЭМ;
Неправильная установка термоэлектрических модулей, при которой отсутствует надлежащий тепловой контакт горячей стороны модуля с теплообменником;
Недостаточно эффективный отбор тепла с горячей стороны модуля или подача повышенного напряжения, вызывающие перегрев модуля в процессе его эксплуатации;
Быстрое периодическое изменение температуры холодной и (или) горячей стороны термоэлектрического модуля в широком диапазоне (температурное циклирование);
Несоблюдение допустимых температурных режимов эксплуатации модуля.

Необходимые рекомендации по установке термоэлектрических модулей приведены в соответствующем разделе (ниже). Мы настоятельно рекомендуем Вам ознакомиться с этими рекомендациями перед началом работы, особенно в том случае, если Вы делаете эту операцию в первый раз. При расчете охлаждающей системы или выборе термоэлектрического модуля необходимо понимать, что рабочая температура горячей стороны термоэлектрического модуля не должна быть больше максимальной величины рабочей температуры, указанной в спецификации на модули. Превышение этой температуры неминуемо приводит к интенсификации процессов деградации термоэлектрического вещества или разрушению термоэлектрических модулей. Компания КРИОТЕРМ серийно изготавливает термоэлектрические модули с максимальной рабочей температурой 80 °С, 120 °С, 150 °С и 200 °С. ТЭМ с рабочей температурой 120°С, 150 °С и 200 °С имеют дополнительное обозначение НТ(120), HT(150) и HT(200) соответственно.

Для приложений, требующих жесткого температурного циклирования компания КРИОТЕРМ производит специальные модули – с индексом С в названии, конструкция которых позволяет свести к минимуму губительное влияние периодических механических напряжений, возникающих при температурном циклировании. Такие модули при прочих равных условиях выдерживают на несколько порядков большее количество температурных циклов по сравнению с обычными ТЭМ.

Среднее время наработки на отказ термоэлектрических модулей производства компания «КРИОТЕРМ» составляет не менее 200 000 часов при комнатной температуре. С целью достижения максимальной надежности следует проектировать термоэлектрическую систему таким образом, чтобы температура горячей стороны ТЭМ была по возможности максимально низкой.

Наверх

3. Механические характеристики модулей

Согласно техническим условиям, по которым производится продукция компании КРИОТЕРМ, однокаскадные ТЭМ (на микромодули и многокаскадные ТЭМ требования не распространяются) не изменяют своих характеристик при:

при воздействии синусоидальной вибрации в диапазоне частот от 10 до 50 Гц при амплитуде виброперемещения 0,5 мм;
при воздействии механических ударов одиночного действия с пиковым ударным ускорением 20g при длительности ударного импульса 2÷20 мс;
при воздействии механических ударов многократного действия с пиковым ударным ускорением 7g при длительности ударного импульса 2÷20 мс;

Наверх

4. Провода

Для удобства установки модулей и подключения электропитания, термоэлектрические модули компании КРИОТЕРМ в большинстве случаев поставляются с припаянными проводами. Тип и длина проводов определяется заказчиком, при этом длина провода должна быть не менее 20 мм. Точность зачистки и залудки концов проводов - +/-1,0 мм. Стандартный допуск на длину проводов составляет +/- 2% при длине провода более 50 мм. и +/-1,0 мм для более коротких проводов. Для электрической изоляции места присоединения проводов к модулям, имеющим выводные шинки, используется специальный цветной термоусадочный кембрик. В тех случаях, когда модули приобретены без соединительных проводов, необходимо быть максимально внимательными при их припаивании к модулю. Следует использовать висмут-оловянный припой с температурой плавления 139 °С для обычных модулей и модулей HT(120), припой ПОС-61 для высокотемпературных модулей НТ (150) и припой олово-сурьма для высокотемпературных модулей НТ (200).

Наверх

5. Металлизированные модули

В качестве дополнительной опции компания КРИОТЕРМ предлагает термоэлектрические модули с металлизацией наружных поверхностей керамических пластин. Такие модули не подвергаются шлифовке и должны устанавливаться на радиаторы или теплообменники с помощью пайки. Для удобства припаивания модулей к радиатору, металлизированные поверхности модуля могут быть покрыты слоем припоя с температурой плавления 95°С. По специальному заказу для стандартных модулей может быть использован припой с температурой плавления 117°С, а для модулей НТ (150) - 139°С.

Модули с рабочей температурой до 200°С могут быть также залужены припоем с температурой плавления 183°С. Для приложений, требующих установки модулей методом безфлюсовой пайки - в первую очередь для использования в области телекоммуникаций, компания КРИОТЕРМ выпускает металлизированные модули с золотым покрытием. В последнем случае металлизация имеет следующую спецификацию слоев: Cu-Ni-Au.

Наверх

6. Герметизация модулей

Для защиты термоэлектрических модулей от конденсата и проникновения влаги в качестве дополнительной опции компания КРИОТЕРМ предлагает герметизацию модулей по периметру силиконовым или эпоксидным герметиком – им соответствуют индексы S, E в названии термоэлектрического модуля. Использование специальных технологий и современных материалов позволяет максимально снизить дополнительный обратный перенос тепла от горячей стороны модуля к холодной, возникающий при герметизации модулей. Максимальное снижение Tmax для герметизированных модулей не превышает 1-1,5 °С. Компания КРИОТЕРМ настоятельно рекомендует заказчикам не осуществлять герметизацию модулей самостоятельно. В противном случае компания КРИОТЕРМ не несет ответственности за работу и возможные повреждения таких модулей.

Наверх

7. Установка шлифованных модулей

Установку шлифованных модулей рассмотрим на примере сборки, включающей в себя радиатор горячей стороны, термоэлектрический модуль и охлаждаемую пластину (для других случаев установка осуществляется аналогично).

Подготовить поверхности радиатора и пластины. Для этого необходимо отшлифовать поверхности радиатора и пластины, добившись плоскостности не хуже чем 0.025 мм (25 микрон) на линейном размере устанавливаемого ТЭМ. Для избежания изгибов или деформаций радиатора и пластины во время сборки, отверстия для стягивающих винтов следует размещать как можно ближе к термоэлектрическому модулю. Кроме того, желательно, чтобы отверстия для болтов располагались на линии ребер жесткости радиатора.
Нанести тонкий и равномерный слой теплопроводной пасты (например, КПТ-8) на термоэлектрический модуль и радиатор.
Установить термоэлектрический модуль горячей стороной на радиатор. Горячую сторону модуля легко определить по правилу, изложенному в разделе “подключение к источнику питания”. Тщательно, с равномерным усилием притереть модуль к поверхности радиатора до появления заметного сопротивления при перемещении модуля. Удалить излишки пасты, выступившей по краям модуля.
Проделать операцию, указанную в пунктах 2-3, для холодной стороны модуля и охлаждаемой пластины. В данном случае необходимо проводить легкое перемещение пластиной по холодной стороне модуля.
Стянуть горячий радиатор и охлаждаемую пластину между собой, используя теплоизоляционные втулки. Рекомендуемый материал для изготовления теплоизоляционных втулок - поликапроамид (капролон). Стягивание сборки производите исключительно аккуратно, по очереди завинчивая стягивающие винты в несколько этапов. Если монтируется сборка, состоящая из нескольких модулей, стягивание радиатора и пластины следует начинать с винта, ближайшего к центру сборки. В процессе сборки постепенно подтягивайте каждый винт, контролируя по возможности контакт модуля с плоскостью радиатора и пластины.

Примечание: компания КРИОТЕРМ рекомендует следующие значения прижимного давления (Pm) при монтаже неметаллизированных ТЭМ:

Тип модуля	P_м
Микромодули	2-6 кг/см²
Стандартные однокаскадные модули	5-12 кг/см²
Высокоэффективные однокаскадные модули	8-12 кг/см²
Многокаскадные модули	3-10 кг/см²

Соответствующий момент затяжки винтов может быть определен по следующей формуле:
T=P_m x S_m х N_m x K x d / N , где:
T - значения момента на каждом винте;
P_m - развиваемое давление прижима;
S_m - площадь поверхности термоэлектрических модулей в сборке; N_m - число термоэлектрических модулей в сборке;
N - количество винтов, используемых для монтажа сборки;
K - приведенный коэффициент трения (к примеру, K=0.2 для стали, K=0.15 для нейлона);
d - номинальный диаметр винта.

Наверх

8. Установка металлизированных модулей

Приготовьте поверхность радиатора - шлифовкой или полировкой добейтесь плоскостности не хуже чем 25 микрон на линейном размере устанавливаемого ТЭМ. Перед установкой следует тщательно очистить и обезжирить поверхности термоэлектрического модуля и радиатора.
Поверхность радиатора должна быть приспособлена для пайки, то есть радиатор должен быть изготовлен или покрыт соответствующим материалом, например, медью или никелем. После очистки следует облудить поверхность радиатора установочным припоем (тип припоя указан в спецификации на ТЭМ) и смочить ее флюсом.
Обезжирьте поверхность устанавливаемого модуля и покройте ее тонким слоем флюса. Подогрейте предварительно облуженную и очищенную поверхность радиатора до температуры на 20 °С выше температуры установочного припоя (указана в спецификации на ТЭМ). Поместите модуль на поверхности радиатора и подождите несколько секунд, чтобы припой на модуле расплавился, а избыток флюса испарился. Когда весь припой расплавится, модуль будет иметь тенденцию плавать на припое. Легкий обдув и прижим модуля улучшит его установку.
Охладите сборку и отвердите припой. Если в сборке используется более одного модуля, то в процессе пайки модули следует поджимать объектом, имеющим поверхность необходимого размера с необходимым допуском на плоскостность.

Наверх

9. Подключение к источнику питания

Токовые выводы ТЭМ, выпускаемых компанией КРИОТЕРМ, конструктивно расположены на горячей стороне модуля. Если поместить модуль горячей стороной вниз, направив токовые выводы на наблюдателя, то справа будет находиться положительный вывод, а слева - отрицательный.

В случае герметизированых ТЭМ провод, припаянный к положительному выводу, имеет красный цвет, а припаянный к отрицательному - черный (если другое не оговорено). Если поместить модуль проводами на наблюдателя так, чтобы положительный (красный) провод находиться справа, то горячей стороной модуля будет нижняя пластина, а холодной - верхняя.

При подаче тока на ТЭМ необходимо соблюдать полярность - выводы модуля должны быть подключены к одноименным полюсам источника питания. Однокаскадные термоэлектрические модули обратимы по току - при изменении полярности подключения горячая и холодная сторона модуля меняются местами. Однако, при использовании этого свойства ТЭМ следует учитывать дополнительный приток тепла по проводам к той стороне модуля, на которую они припаяны.

Наверх

10. Выбор источника питания

Питание термоэлектрических модулей (ТЭМ) должно осуществляется от источника постоянного тока. Для эффективной работы модуля рекомендуется, чтобы уровень пульсаций тока не превышал 5% (максимально допустимый уровень - 10%).

Для многокаскадных модулей при необходимости достижения значительного перепада температур уровень пульсаций не должен превышать 2%. Также рекомендуется максимально уменьшать уровень пульсаций в цепи питания ТЭМ, применяемых в качестве охладителей для прецизионных приёмников и параметрических усилителей.

С помощью регулируемых источников постоянного тока можно добиться точности поддержания температуры на охлаждаемом объекте +/- 1°С. При необходимости более точной стабилизации температуры в цепь питания ТЭМ включают температурный контроллер, осуществляющий обратную связь охлаждаемого объекта с источником питания. Такие схемы, в зависимости от типа используемого контроллера и источника питания, позволяют поддерживать температуру на объекте с точностью от 0,5 до 10^-5 °С.

Наверх

11. Выбор напряжения питания

Подаваемое на модуль напряжение должно выбираться исходя из требуемого режима работы ТЭМ (максимальной холодильной мощности или максимальной эффективности) и не должно превышать максимального напряжения модуля Umax, указанного в спецификации на конкретный ТЭМ.

Например, на высокоэффективные модули серии FROST, SNOWBALL, ICE с Umax =16 В рекомендуется подавать напряжение питания около 12 В, т. е. примерно 75 % от величины Umax. Такой выбор напряжения питания является оптимальным и позволяет обеспечить достаточную холодильную мощность (Qc) при хорошей экономичности (КПД). КПД ТЭМ определяется как отношение холодильной мощности (Qc), производимой ТЭМ, к потребляемой электрической мощности (P). При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности будет слабым, а КПД будет резко уменьшаться.

При необходимости обеспечить высокие значения КПД для термоэлектрических систем, работающих на относительно небольших T (T << Tmax), следует использовать большее количество модулей, а каждый модуль питать меньшим напряжением, например, 6 или 9 В. При необходимости повысить удельную холодильную мощность на модули серии FROST, SNOWBALL, ICE необходимо подавать напряжение больше 12 В, но это должно сопровождаться эффективным теплоотводом с горячей стороны модуля.

Для модулей с другими значениями Umax напряжение питания можно выбирать по тому же принципу, т.е. вблизи 75 % от Umax. При этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны и возможности источника питания. Для мощных модулей серии DRIFT оптимальным является диапазон напряжений от 12 до 18 В. Такой выбор напряжения питания для модулей данной серии позволяет добиться большой холодильной мощности без снижения КПД, что особенно важно, например, при охлаждении компьютерных процессоров.

При расчете электрических параметров рабочей точки модуля необходимо учитывать, что величина потребляемого тока после выхода модуля на режим будет на 20-35% меньше его первоначального значения. Согласно эффекту Зебека термоЭДС увеличивается с ростом разности температур между горячей и холодной сторонами ТЭМ, что приводит к уменьшению падения напряжения на ТЭМ и, соответственно, к уменьшению протекающего через него тока.

Наверх