Moduli di Peltier: alcune considerazioni sui fattori che influenzano l’affidabilità

Pubblicato il 9 giugno 2020

Dispositivi sempre più diffusi grazie a caratteristiche quali controllo preciso della temperatura e affidabilità, frutto quest’ultima della realizzazione a stato solido, i moduli di Peltier o raffreddatori termoelettrici (TEC – Thermoelectric Cooler) si basano sul principio del trasferimento del calore da un lato all’altro del modulo nel momento in cui viene applicata l’energia elettrica. Sebbene l’assenza di parti in movimento conferisca elevate doti di affidabilità, sono numerosi i fattori che possono penalizzare le prestazioni in caso di una non corretta implementazione. Per una migliore comprensione di questi aspetti, in questo blog verrà fornita una sintetica panoramica delle modalità di realizzazione di un modulo di Peltier e dei fattori che possono influenzare prestazioni e affidabilità del modulo stesso.

Struttura di una modulo di Peltier

Come accennato appena sopra, i raffreddatori termoelettrici sono dispositivi a stato solido che non prevedono parti in movimento. Al loro interno i moduli TEC sono costituiti da array di prismi (pellet) realizzati con materiale semiconduttore drogato positivamente (P) e negativamente (N) situati tra due piastre ceramiche elettricamente isolate ma conduttive dal punto di vista termico. Sulla superficie interna di ciascuna piastra ceramica sono presenti percorsi (pattern) di metallo conduttivo sui quali sono saldati i pellet a semiconduttore. Questi ultimi sono quindi configurati in modo tale da risultare in parallelo dal punto di vista meccanico e in serie da quello elettrico. Le connessioni elettriche in serie garantiscono gli effetti termici desiderati, mentre la configurazione meccanica fa sì che il calore venga assorbito dalla piastra ceramica del lato freddo e rilasciato dalla piastra ceramica del lato caldo. La struttura di base di un modulo di Peltier è riportata in figura 1.

Per informazioni più approfondite sulla realizzazione e sui principi di funzionamento di un modulo di Peltier è possibile consultare questo articolo tecnico di CUI Devices.

Fig. 1 – Struttura di base di un modulo di Peltier

Meccanismo di guasto tipici

Il meccanismo di guasto più comune di un modulo di Peltier è la frattura meccanica dei pellet a semiconduttore o dei giunti di saldatura. Fortunatamente queste fratture possono essere rilevate in quanto producono un aumento della resistenza serie del modulo, che si traduce in una diminuzione dell’efficienza complessiva. Anche se queste fratture nella fase iniziale non si propagano all’intero pellet o all’area del giunto di saldatura, esse alla fine tendono a diffondersi e provocare un malfunzionamento dell’intero dispositivo.

Sforzo di taglio e di trazione

In una tipica applicazione del modulo di Peltier, la piastra fredda del modulo TEC viene posizionato sull’oggetto che deve essere raffreddato, mentre un dissipatore di calore viene posto sulla piastra calda per favorire la dissipazione del calore. A questo punto va sottolineato il fatto che si possono generare forze di taglio e di trazione di notevole entità in tutto il modulo nel caso non si predisponga una struttura meccanica atta a supportare l’oggetto da raffreddare e il dissipatore di calore. Se l’oggetto e il dissipatore di calore sono semplicemente attaccati alle piastre ceramiche senza un supporto addizionale, il modulo di Peltier potrebbe rompersi o guastarsi sotto l’azione di queste forze al quale le piastre non sono in grado di resistere (Fig. 2).

Fig. 2 – Forze di taglio o di trazione che si generano nell’assemblaggio di un modulo di Peltier

Poiché un modulo di Peltier è in grado di resistere a forze di compressione di notevole entità prodotte da morsetti, in molte applicazioni il modulo di Peltier viene serrato tra l’oggetto da raffreddare e il dissipatore di calore al fine di impedire appunto l’insorgere di forze di taglio e di trazione. I morsetti sono quindi in grado di supportare i carichi prodotti da fenomeni di taglio e di trazione generati dall’oggetto e dal dissipatore di calore (Fig. 3).

 

Fig. 3 – Sollecitazioni tipiche che si manifestano su un modulo di Peltier

Forze di compressione di natura meccanica

Come menzionato poco sopra, i moduli di Peltier possono resistere a forze di compressione di notevole entità provocate dal serraggio, ma se questo non è implementato correttamente può dar luogo a forze di serraggio irregolari che possono causare diversi problemi. Queste forze irregolari possono produrre coppie e forze di compressione tra le piastre ceramiche che causano guasti meccanici. Per questo motivo è di fondamentale importanza applicare forze uniformi su tutto il modulo TEC durante l’operazione di serraggio per minimizzare la coppia e altri carichi potenzialmente dannosi (fig. 4).

 

Fig. 4 – Esempi di serraggio corretto e non di un modulo di Peltier

Cicli termici

A ogni pellet a semiconduttore di un modulo e alle piastre ceramiche sono associati coefficiente di espansione termica (CTE – Coefficient of Thermal Expansion). Durante i tipici cicli di riscaldamento e di raffreddamento si possono generare fratture nei pellet a semiconduttore e nei giunti di saldatura a causa del divario tra i CTE del materiale semiconduttore e della ceramica. Oltre a ciò, le variazioni della temperatura assoluta del raffreddatore termoelettrico, la velocità della variazione della sua temperatura e i gradienti termici che interessano l’intero modulo TEC possono provocare sollecitazioni meccaniche imputabili ai coefficienti di espansione termica. Tra gli altri fattori che possono generare sollecitazioni di natura meccanica con conseguente malfunzionamento del dispositivo si possono annoverare funzionamento a temperature estreme, gradienti di temperatura di notevole entità e rapide variazioni di temperatura.

Agenti contaminanti

Gli agenti contaminanti provenienti da fonti esterne sono altri elementi che contribuiscono a ridurre l’affidabilità dei percorsi di conduzione, dei giunti di saldatura e dei pellet a semiconduttore di un modulo di Peltier. Per contrastare l’azione degli agenti contaminanti esterni, in molti moduli di Peltier vengono utilizzati sigillanti tra le due piastre di ceramica applicati attorno ai bordi esterni. Nel caso dei moduli di Peltier i due materiali sigillanti più comuni sono la gomma siliconica e la resina epossidica, ognuno dei quali con i propri pregi e difetti. La gomma siliconica viene spesso utilizzata per le sue proprietà meccaniche, ma può risultare inadeguata come barriera al vapore in ambienti estremi. La resina epossidica, dal canto suo, rappresenta un’ottima barriera al valore ma non può vantare le proprietà meccaniche della gomma siliconica. In pratica la scelta del materiale sigillante dipende dall’ambiente in cui l’applicazione deve operare.

Migliorare l’affidabilità dei moduli di Peltier

CUI Devices ha sviluppato la struttura arcTEC™ grazie alla quale è possibile contrastare in modo efficace le sollecitazioni meccaniche descritte poco sopra che possono provocare la formazione di crepe nei giunti di saldatura e nei pellet a semiconduttore di un modulo di Peltier. Implementata nella famiglia di moduli di Peltier ad alte prestazioni, la struttura brevettata arcTEC permette di contrastare gli effetti della fatica termica e migliorare affidabilità, durata e prestazioni. Per assolvere a tale compito sono stati adottati diversi accorgimenti. In primo luogo i giunti saldati sul lato freddo del modulo sono stati sostituiti con una resina elettricamente conduttiva con migliori proprietà meccaniche, in modo da ridurre le sollecitazioni e le fratture che possono verificarsi nelle strutture dei moduli di Peltier tradizionali. I restanti giunti di saldatura sono stati sostituiti con una saldatura effettuata con una lega di antimonio-stagno (SbSn). Caratterizzata da un punto di fusione a 235 °C, questa saldatura garantisce una maggiore resistenza alle sollecitazioni meccaniche rispetto alla saldatura eseguita con una tradizionale lega di bismuto-stagno (BiSn), caratterizzata da un punto di fusione a 138 °C. I moduli di Peltier di CUI Devices utilizzano inoltre una gomma siliconica come barriera al vapore per assicurare migliori proprietà meccaniche. A richiesta sono disponibili sigillanti in resina epossidica e altri tipi di barriere al vapore.

Il grafico di figura 5, che riporta l’andamento della resistenza in funzione del numero di cicli termici, evidenzia chiaramente il miglioramento in termini di affidabilità garantito dalla struttura arcTEC di CUI Devices. Come accennato in precedenza, a variazioni di resistenza di notevole entità è associata un’elevata probabilità di guasti meccanici. Mentre i moduli di Peltier standard mostrano picchi di resistenza dopo appena 3.000 cicli termici, la struttura arcTEC assicura prestazioni stabili per oltre 30.000 cicli.

Fig. 5 – Questo grafico sottolinea la maggiore stabilità a livello di prestazioni della struttura arcTEC

Considerazioni conclusive

Come per qualsiasi altro componente, l’affidabilità è un parametro importante del processo di selezione e i fattori che influenzano di prestazioni sono di varia natura. Nel caso dei moduli di Peltier questi fattori includono le condizioni operative, l’installazione e gli agenti contaminanti prodotti da sorgenti esterne. Molti di questi fattori possono essere contrastati efficacemente mediante l’adozione di corrette tecniche di installazione e il rispetto dei limiti operativi.

Al di là di queste considerazioni, la struttura arcTEC di CUI Devices permette di superare alcune delle limitazioni tipiche delle strutture dei moduli di Peltier tradizionali grazie all’unicità della sua implementazione e alle sue doti di affidabilità. Disponibili in una vasta gamma di dimensioni e di temperature nominali, i dispositivi di Peltier di CUI Devices permettono ai progettisti di reperire la soluzione più adatta per risolvere le problematiche legate alla gestione termica.

a cura di CUI Devices



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