【选型】TEC半导体制冷片如何选？

时间： 2019-07-05 来源：II-VI MARLOW

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II-VI MARLOW（贰陆马洛）公司推出一系列半导体制冷片，有批量标准产品也可根据客户需要定制特殊产品，有一级制冷，也有二级三级等多级制冷产品。半导体制冷片利用半导体的热电效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，冷端和热端分别吸收和释放热量，成为温度循环应用的理想选择。不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应。此外，它不含滑动部件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。半导体制冷片广泛应用于对温度控制精度要求较高，可靠性要求较高的医疗、军事及实验室等领域。

如何选型是应用的开始，只有选择合适的制冷片才能达到预期的温度控制目标。在选择制冷片之前，首先要明确制冷需求，制冷的目标对象是什么，选择什么样的制冷技术，何种热传导方式，目标温度是多少，可以提供多大功率。如果计划选择II-VI MARLOW公司的半导体制冷片，可以通过以下选型步骤来确定所需型号。

1.估算热负荷

热负荷是在一个温度环境下，将制冷目标物的温度降到指定温度，需要带走的热量，单位是W（瓦特）。热负荷主要包括主动负荷，被动负荷，及它们的组合。主动热负荷是制冷目标物自身产生的热负荷。被动热负荷是由外部辐射，对流和传导导致的热负荷。主动负荷计算公式：

Qactive = V²/R = VI = I²R ；
Qactive = 主动热负荷 (W) ；
V = 制冷目标物所加电压 (V) ；
R = 制冷目标物电阻；
I = 流过制冷目标物电流 (A)。

辐射热负荷是通过电磁辐射传给目标物的热负荷，计算公式：

Qrad = F e s A (Tamb⁴ - Tc⁴) ；
Qrad = 辐射热负荷(W) ；
F = shape factor (最坏值 = 1) ；
e = emissivity (最坏值 = 1) ；
s = Stefan-Boltzmann 常数 (5.667 X 10-8W/m²K⁴) ；

A = 冷却面面积(m²) ；
Tamb = 环境温度 (K) ；
Tc = TEC冷端温度(K) 。

对流热负荷是外部通过目标物表面的流体自然对流传递的热负荷，计算公式：

Qconv = h A (Tair - Tc) ；
Qconv = 对流热负荷 (W)
h = 对流热传递系数 (W/m2 °C) (在一个标准大气压下水平面典型值) = 21.7 W/m² °C ；
A = 表面积(m²) ；
Tair =环境温度(°C) ；
Tc = 冷端温度(°C) ；

传导热负荷是外部通过目标物表面接触物传递的热负荷，计算公式：

Qcond =k A DT/L；
Qcond = 传到热负荷 (W) ;
k = 导热材料的导热系数(W/m °C) ;
A = 导热材料的截面积(m²) ;
L = 导热路径长度(m) ;
DT = 导热路径的温差(°C) (通常指环境温度或散热器温度减去冷端温度。）

对于对流和传导复合热负荷，计算公式：

Q passive = (A x DT)/(x/k + 1/h) ；
Qpassive = 热负荷 (W) ；
A =外壳的总表面积(m²) ；
x = 保温层厚度(m) ；
k = 绝缘导热系数(W/m °C) ；
h = 对流换热系数(W/m² °C) ；
DT =温差(°C) 。

2.计算总热负荷

通过第一步，我们可以计算出制冷目标总的热负荷。

假设在实际项目中，主动热负荷为8W，辐射热负荷为0.2W，对流热负荷为0.8W，传导热负荷为0W，总热负荷为9W。

3.定义温度

定义制冷片热端温度，冷端温度，制冷温差。假设实际项目中，环境温度为27°C，制冷目标温度为-8°C，制冷温差DT=35°C。

4.确定制冷级数

确定了需求制冷温差，查表1，得到我们所需的制冷级数。表1中给出了制冷片在氮气和真空环境中，不同级数所能达到的制冷温差。所选级数的制冷温差需要大于我们的需求制冷温差，并留有一定余量。

表1：

5.选择合适的制冷片

通过前面的估算我们获得了需求制冷温差DT，选出来制冷片级数对于有其最大制冷温差DTmax，可以计算出温差系数DT/DTmax，举例DT= 35°C ，DTmax= 64°C,DT/DTmax=0.55。

图1 一级制冷片性能图

如图1所示为一级制冷片性能图，横轴为制冷片电流，纵轴分别为温差系数、热负荷系数。在温差系数0.55出画一条水平线，在原点到右上角画斜线，为最优制冷曲线，两线交点即为最有工作点，水平线的最右端为最大热负荷点，对应的热负荷系数为：

最优 Q/Qmax = 0.25，最大Q/Qmax = 0.45。

假设根据前面估算出制冷目标物的总热负荷为9W，可得最优Qmax = 9/0.25=36W，最大Qmax=9/0.45=20。查找II-VI MARLOW公司的半导体制冷片产品目录，找出Qmax在20~36之间的产品。我们可以找到型号RC6-6 ，RC6-4 符合要求。

6.引线及外部金属化部件选择

对于量产产品，II-VI MARLOW公司提供标准的4英寸引线，对于NL产品，可根据用户安装需求定制金属化外部封装。

7.评估所选制冷片的使用性能

根据前面的几个步骤，我们已经能够选出合适的半导体制冷片了，对于最选出的制冷片我们可以评估其实际使用性能。

假设所选制冷片最小参数：

DTmax ：65° C ；
Qmax ：30 W ；
Imax ：5.6 A ；
Vmax ：8.2 V ；

需求制冷温差DT=35° C；

DT/DTmax=35/65=0.54；

假设需求热负荷为9W；

Q/Qmax = 9/30=0.3；

图2 所选制冷片性能曲线

如图2所示所选制冷片性能曲线。在上图中0.54出画水平线，与Q/Qmax=0.3曲线相交，在此点画垂直线与下图曲线相交，与曲线的两个交点画水平线，得到两个V/Vmax，获得制冷片的工作电压范围V= 8.2 X 0.54~ 8.2 X 0.68=4.4~5.6V，横轴值I/Imax ，获得工作电流I= 5.6 X 0.6 =3.4A。制冷片的最大功耗为3.4X 5.6=19W，对于如此制冷应用，其总的热负荷应该是制冷目标物热负荷和制冷片功耗之和，即9+19=28W。

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用户34034008 Lv2 2022-11-10

一个新项目准备选用制冷片、项目是制作一个制冷平台，将制冷平台上的温度稳定在-20摄氏度，制冷片的热端准备采用水冷，怎么样计算主动负荷和被动负荷从而去选型制冷片，我在你们平台搜到了tec制冷片的选型，但是里面说的有些疑问。我该怎么去计算去选型
- Caligula_世强回复：您好，如沟通，您的设备主要热耗时被动散热，其中对流传热的传热系数h值难以估计，需要根据具体制冷器件所处的环境判断，对于自热对流来说，普遍取5~10W/m2K。另一方面，辐射散热量也比较难以判断，总的来说，保守的话可以取极大值，我们后续可以详细聊被动散热量的计算与TEC的选择，有问题随时沟通，保持交流，谢谢！
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大王小王 Lv7 2024-01-03

受教了

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