【经验】选择TEC时如何估算热负载

时间： 2020-07-29 来源：世强

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当需要给一个设备进行冷却控温时，我们通常选择用TEC来冷却控温，那TEC该如何选择呢？最重要的就是要估算热负载，只有热负载估算准确了，才能选择合适的TEC。

热负载一般由两种类型组成：主动热负载或被动热负载，或两者结合。主动热负载是指需要冷却设备散发的热量，它通常等于设备的输入功率。被动热负载相对于主动热负载通常比较小，一般包括辐射，对流或传导。

1、主动热负载：

主动热负载的公式是Qactive = V²/R = VI = I²R

其中：

Qactive=主动热负载（W）；

V=施加在被冷设备上的电压；

R=设备的电阻（Ω）

I=通过设备的电流

例如：给一个发热功耗比较大的芯片控温，芯片的输入电压电流分别是5V和1.2A，那么主动热负载Qactive =VI=5V*1.2A=6W。

2、辐射：

当两个处于不同温度的物体彼此接近时，就会进行热交换。这是通过从一个物体发出并被另一物体吸收的电磁辐射发生的。由于温度差，热物体将遭受净热损失，而冷物体将遭受净热增加。这称为热辐射。

一般来说，当系统在气体环境中运行时，辐射负载通微不足道，因为其它被动热负载会大的多，在具有较小主动热负载和较大温差的系统中，尤其是在真空环境中运行时，辐射热负载会占比较大。

辐射热负载的计算公式是Qrad = F e s A (Tamb⁴ - Tc⁴)

其中：

Qrad=辐射热负载；

F=形状因子（最坏情况值= 1）；

e=发射率（最坏情况值= 1）；

s=Stefan-Boltzmann常数（5.667 X 10^-8W / m²K⁴）

A=冷却面积（m2）

T=环境温度（K）

Tc=TEC冷面陶瓷温度（K）

例如：电荷耦合器件正在从27℃（300 K）的环境温度冷却到-50℃（223 K），检测器表面积（包括4个边缘+顶表面）为8.54 X 10^-4 m²且发射率为1。假定形状因子= 1。

根据上式：

Qrad =1×1×（5.66X10^-8W / m²K⁴）（8.54 X 10^-4 m²）[（300 K）⁴-（223 K）⁴] = 0.272 W

3、对流

当在物体上流动的气体的温度与物体的温度不同时，就会发生热传递。传热量根据流体流速而变化。TEC上的对流热负荷通常是自然对流的结果。当不是像风扇那样人为地引起气流，而是自然而然地发生气流时，就是由于冷却的物体和气体之间的温度差而导致的气体密度变化而发生这种情况。

系统上的对流负载是暴露区域和该区域与周围气体之间的温度差的函数。对流负载通常在具有较小主动热负载或较大温差的气体环境中运行的系统最为重要。

对流热负载的基本公式为：Qconv = h A (Tair - Tc)

其中：

Qconv =对流热负荷（W）；

h =对流换热系数（W / m2°C）（在1 atm的空气中水平平板的典型值= 21.7 W / m2℃；

A =暴露表面积（平方米）；

Tair =周围空气温度（℃）；

Tc =TEC冷端表面温度（℃）

例如：将一块方形板从25℃冷却到5℃。顶部和四个侧面是暴露的表面。板厚0.006米，每边长0.1米。

根据上述公式：Qconv =（21.7 W / m2°C）（0.0124 m2）（25°C-5°C）= 5.4 W

冷却至露点以下时，避免形成冷凝水非常重要。通过将冷却系统封闭在干燥气体或真空环境中，可以避免此问题。

4、传导

当分子从高温区域到低温区域的直接碰撞产生能量交换时，就发生了导热传热。系统上的传导热负载可能通过导线、安装螺丝等产生，形成从被冷却设备到散热器或周围环境的热路径。

传导热负载的基本公式为：Qcond =kAΔT/L

其中：
Qcond =传导热负荷（W）
k =材料的导热系数（W / m°C）
A =材料的横截面积（m²）
L =热通道长度（米）
ΔT=整个热路径上的温差（°C）（通常是环境或散热器温度减去TEC冷侧温度）

例如：温度传感器附在TEC的冷端表面上。它有两个铂金的引线，直径25尺m，长12毫米。这些引线连接到散热器的引脚上。冷板温度为-20℃，散热器温度为30℃。

根据上式：

铂金的导热系数为70.9W / m°C

Qcond = [（70.9 W / m°C）（2×π×（25/2）²×10^-12m²）][30°C-（-20°C）/（0.012m）

= 0.0003W

由于传导负载与导线的长度成反比，因此可以通过使用较长的导线来减少传导负载。

热负载可能包括上述四种模式中的一种或多种：主动，辐射，对流或传导。通过利用上述这些方程式，就可以计算出比较准确的热负载，然后再选择TEC。

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