Mặc dù hiện tượng cảm ứng điện nhiệt đã được phát hiện hơn 150 năm về trước nhưng nó chỉ được áp dụng vào các thiết bị, máy móc trong khoảng mười năm trở lại đây. Ban đầu, các bộ làm mát nhiệt điện (TECs) được phát triển song song trên cả hai lĩnh vực là điện và quang, đặc biệt là hiển vi điện tử và công nghệ laser. Nhờ các bộ làm mát này, lĩnh vực hiển vi điện tử đã đạt được các bước tiến đặc biệt quan trọng như đi-ốt laser, đi-ốt siêu quang (superluminescent diodes), các loại cảm biến quang học (DPSS, CCD, FDA và các loại khác).
Về lý thuyết, sự chênh lệch nhiệt độ tại khoảng trống giữa hai chất dẫn điện tạo ra một dòng điện, và ngược lại, nếu có dòng điện chạy trong hai bản cực thì cũng tạo ra sự chênh lệch nhiệt động giữa chúng. Hiện tượng này được đặt theo tên của nhà khoa học người Pháp đã phát hiện ra nó năm 1934 là Jean Peltier (1785-1845). Dựa trên nguyên tắc này, người ta đã tạo ra các module làm mát nhiệt điện. Trái với lý thuyết của Joul, nhiệt năng tỷ lệ thuận với bình phương điện tích:
Q=RI2
Nhiệt Peltier (Qp) sẽ phụ thuộc vào cường độ dòng điện cũng như điện tích theo một đường tuyến tính:
Qp=P.q
Trong đó q là điện tích đi qua khoảng trống giữa hai bản dẫn điện (q=I.t); P là hệ số Peltier, hệ số này đặc trưng cho từng vật liệu và có thể được tính theo công thức:
Với α là hệ số Seedbeck được tính dựa trên khả năng tương tác của vật liệu, đặc tính cũng như nhiệt độ của chúng. T là nhiệt độ tính theo thang Kelvins.
Một module nhiệt điện được cấu thành từ một cặp nhiệt điện (các chân bán dẫn loại N và P), chúng là các đường nối điện giữa hai bản cực song song và được cố định bởi các chân hàn. Xét về cấu tạo cụ thể, một module nhiệt điện thường gồm các phần:
- Ma trận điều hòa module, các Pellet, chúng thường là các chất bán dẫn như bismuth telluride (BiTe), antimony telluride hay các chất khác, trong đó BiTe được sử dụng chủ yếu trong các bộ làm mát nhiệt điện.
- Các tấm gốm tạo nên hình dáng cho module đồng thời cũng là điểm tựa cho toàn bộ hệ thống. Chúng phải tuân theo các quy chuẩn rất nghiêm ngặt về khả năng cách điện nhưng phải có khả năng dẫn nhiệt tốt, các tấm gốm có pha nhôm oxit (Al2O3) được sử dụng khá phổ biến do chúng có khả năng dẫn nhiệt tốt song lại có chi phí thấp. Các loại gốm khác có pha nhôm nitrite (AlN) và beryllium oxit (BeO) cũng được sử dụng tương đối nhiều, mặc dù chúng có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn gấp năm đến bảy lần so với Al2O3nhưng chúng lại có giá thành cao hơn hẳn. Hơn nữa, công nghệ sử dụng BeO thường khá độc hại.
- Các tấm dẫn điện liên kết các pellet với nhau. Nhiều dòng thiết bị làm mát nhiệt điện sử dụng các tấm film làm chất dẫn điện (cấu trúc gồm nhiều lớp đồng mỏng) và đặt trên các tấm gốm. Đối với các thiết bị có kích thước lớn và công suất cao, chúng được làm từ các tấm đồng nhằm làm giảm điện trở.
Hoạt động
Bộ làm mát điện nhiệt được mô tả bởi các thông số hoạt động tối đa với nhiệt độ cao (T1). Thường thì họ sử dụng các thông số sau:
ΔTmax: Nhiệt độ khác biệt tối đa tại thời điểm tải nhiệt Q=0
Qmax: khả năng làm mát tối đa ứng với ΔTmax=0
Imax: điên tích của thiết bị ứng với ΔTmax
Umax: Hiệu điện thế tới đa tại ΔTmax
Nhà sản xuất thường chế tạo các thiết bị với nhiệt độ hoạt động ở 270C trong chân không hoặc 500C trong môi trường Ni-tơ.
Đồ thị hoạt động tiêu chuẩn: Đây là thông số kỹ thuật quan trọng của một bộ làm mát điện nhiệt gồm các đồ thị mô tả mối quan hệ giữa Imax, Umax, Qmax và ΔTmax. Các thông số hoạt động và các đồ thị hoạt động tiêu chuẩn được ghi lại bởi nhà sản xuất tại nhiệt độ 3000K và trong môi trường chân không.
Đồ thị hoạt động tối ưu: Đây là các thông số kỹ thuật của thiết bị khi hoạt động với hiệu suất tối đa.
Hệ số chất lượng: Các thông số khác như độ dẫn nhiệt, điện trở và hệ số Seebeck là các thông số quan trọng nhằm mô tả đặc tính của vật liệu chế tạo nhưng chúng lại không được liệt kê trong bảng thông số kỹ thuật của các bộ làm mát nhiệt điện thương mại. Để mô tả chúng, người ta sử dụng đại lượng Z:
Z = (α2)/(kR)
Z thường dao động trong khoảng 2,5 – 3,2 x 10-3 K-1. Sau khi biết được giá trị Z, người ta có thể ước lượng ΔTmax của một bộ làm mát một tầng nhờ công thức
ΔTmax = (1/2).Z.T02
Tuổi thọ: Các dòng bộ làm mát nhiệt điện thương mại thường có tuổi thọ khá dài, từ 250,000 đến 350,000 giờ sử dụng trong điều kiện bình thường. Các con số này phụ thuộc rất lớn vào công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo. Trong nhiều lĩnh vực, bộ làm mát nhiệt điện là một bộ phận thiết yếu do chúng có thể điều chỉnh nhiệt độ và khả năng hoạt động của máy, đây là lý do vì sao việc kiểm tra tuổi thọ của bộ làm mát nhiệt điện luôn được xem trọng trong quá trình sản xuất.
Lựa chọn module nhiệt điện:
Việc lựa chọn module nhiệt điện dựa trên các thông số hoạt động như:
- ΔT: Biên độ nhiệt độ hoạt động
- Q: Khả năng làm lạnh
- I: Điện tích hoạt động
- U: Điện thế hoạt động
Phụ thuộc vào các nhóm (đơn tầng hay đa tầng), có các loại module với các khả năng làm lạnh khác nhau. Khả năng làm lạnh phụ thuộc vào số pellet sử dụng cũng như hình dạng cấu tạo của module. Đối với các dòng module có pellet ngắn, chúng có khả năng làm mát cao nhưng lại tiêu thụ điện nhiều và điện tích hoạt động cũng cao. Các dòng có pellet nhỏ thì biên độ nhiệt thay đổi cao và tiêu thụ ít điện năng hơn nhưng khả năng làm mát lại tương đối thấp. Nếu xem xét một cách nghiêm ngặt nguồn điện cung cấp, việc lựa chọn module sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều.
Tháp làm mát (module đa tầng)
Trên thực tế, tuổi thọ sử dụng của các linh kiện nhiệt điện lạnh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như cách thức thiết kế tháp, vật liệu sử dụng để tạo khả năng tiếp xúc nhiệt tố cũng như tối thiểu hóa sự kháng nhiệt.Tháp cơ khí: module nhiệt điện được đặt giữa hai vùng chênh lệch nhiệt độ. Thiết kế dạng sandwich được cố định bởi các đinh vít hay bằng các phương thức cơ khí khác. Kỹ thuật này cho phép lắp ráp tháp làm mát một cách nhanh chóng cũng như thuận tiện cho việc tháo rời khi cần thiết, do đó chúng được sử dụng để tạo các bộ làm mát kích thước lớn.
Tháp hàn: Đây là phương pháp chế tạo phổ biến nhằm tạo các bộ làm mát kích thước nhỏ. Phương pháp này tạo cho module một lớp vỏ kim loại bề mặt (mặt nóng và mặt lạnh). Khi hàn, bộ làm mát nhiệt điện được đốt nóng trong thời gian ngắn ở nhiệt độ rất cao. Do đó, điểm nóng chảy phần hàn bên ngoài phải luôn thấp hơn phần hàn bên trong của module và thời gian hàn cần thu lại càng ngắn càng tốt để giảm thời gian quá tải nhiệt. Thông thường, phương pháp này không được áp dụng cho việc tạo các thiết bị có kích thước quá 18 mm do chúng có thể gây quá tải nhiệt, trong trường hợp bắt buộc, nhà chế tạo phải lựa chọn vật liệu một cách cẩn trọng.
Tháp dán: đây là phương pháp được sử dụng rất phổ biến do tính đơn giản của nó. Thông thường, các cầu epoxy sẽ được lấp đầy bởi các chất có tính dẫn nhiệt cao như bột than chì, bạc, silicon nitrite (SiN), hoặc các chất khác. Tuy nhiên, cần rất thận trọng khi chọn vật liệu, đối với một số cầu epoxy có nhiệt độ hoạt động thấp, không nên dùng chúng làm linh kiện trong các máy có nhiệt độ hoạt động cao. Đây cũng không phải một phương pháp thích hợp cho các lĩnh vực cần độ chân không cao do cầu epoxy có thể tạo ra sự dò khí.
Nguồn:
TEC Microsystems: http://www.tec-microsystems.com/EN/Home.html
Điểm 4.7/5 dựa vào 27 đánh giá
EmoticonEmoticon