Fattori importanti per una migliore affidabilità delle celle di Peltier

La costruzione a stato solido e il controllo preciso della temperatura delle celle di Peltier (o raffreddatori termoelettrici (TEC)) ne hanno favorito la diffusione. Fondamentalmente, trasferiscono il calore da un lato all'altro della cella quando si applica l'energia elettrica. Come per qualsiasi componente di un progetto, anche per le celle di Peltier l'affidabilità è importante. Di conseguenza, conoscere a grandi linee come sono fatte e come vengono implementate può essere di grande aiuto per i progettisti. Dato il favore crescente di cui gode questa tecnologia, questo articolo propone una breve rassegna sulla costruzione delle celle di Peltier e sui comuni meccanismi di guasto da evitare per migliorarne l'affidabilità complessiva.

Costruzione di base

Come dispositivi a stato solido senza parti in movimento, i raffreddatori termoelettrici possono funzionare entro un ampio intervallo di temperatura. Le celle di Peltier sono costituite da prismi (pellet) in materiale semiconduttore posti tra due lamelle in ceramica elettricamente isolanti ma termoconduttive. I prismi sono drogati per in modo da trasportare una carica positiva o negativa. Le superfici interne di ogni lamella ceramica sono ricoperte da una struttura in metallo conduttivo, sulla quale sono saldati i prismi, configurati in modo che siano elettricamente in serie e meccanicamente in parallelo. Queste configurazioni elettriche e meccaniche portano in ultima analisi ai principi termici di base dei dispositivi Peltier, secondo i quali il calore viene assorbito dalla ceramica del lato freddo e dissipato da quella del lato caldo.

Per maggiori informazioni su questi principi di base e sulla costruzione, consultare questo white paper di Same Sky.

Figura 1: Schema generale della cella di Peltier (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Meccanismi di guasto comuni

La fratturazione meccanica dei prismi in materiale semiconduttore o delle relative giunzioni rappresenta il meccanismo di guasto più comune delle celle di Peltier. Anche se queste fratture inizialmente non si sviluppano lungo tutta la serie di prismi o la giunzione, se finiscono per interessare interamente una di queste due aree possono portare a un'avaria totale. Tuttavia, è possibile rilevarle prima dell'avaria, prestando attenzione all'aumento della resistenza in serie della cella che ne riduce l'efficienza complessiva.

Forze di tensione e di taglio

Le celle di Peltier sono comunemente utilizzate in applicazioni in cui il lato freddo della cella è posizionato su un oggetto da raffreddare con un dissipatore di calore sul lato caldo per migliorare la dissipazione termica. Tuttavia, se il dissipatore di calore e l'oggetto da raffreddare sono fissati alle lamelle in ceramica senza alcuna struttura meccanica di supporto, la cella potrebbe essere interessata da grandi forze di taglio o di tensione. Dal momento che non è previsto che le celle di Peltier sopportino questo tipo di carichi, queste forze potrebbero romperle o portare a un altro tipo di guasto meccanico.

Figura 2: Dimostrazione delle forze di taglio o di tensione in un comune gruppo di celle di Peltier (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Per far fronte a queste forze di taglio o di tensione, molte celle di Peltier sono bloccate per mezzo di morsetti tra l'oggetto e un dissipatore di calore, facendo affidamento sul fatto che le celle hanno notevoli capacità di resistere all'ingente forza di compressione dei morsetti. I morsetti, dal canto loro, sono in grado di assorbire qualsiasi forza di taglio o di tensione proveniente dall'oggetto e dal dissipatore di calore.

Figura 3: Sollecitazioni comuni su una cella di Peltier (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Forze di compressione

Anche se il serraggio contrasta molte delle forze negative di una cella di Peltier, può creare altri problemi se non viene eseguito correttamente. Quando si fissano dissipatori di calore e oggetti a una cella di Peltier, è indispensabile applicare delle forze di serraggio uniformi per ridurre al minimo le sollecitazioni di coppia sulla cella e ridurre la possibilità di danni. Eventuali forze di serraggio disomogenee possono creare coppie e forze di compressione che portano a guasti meccanici.

Figura 4: Serraggio corretto e non corretto di una cella di Peltier (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Cicli termici

Alle lamelle ceramiche e ai prismi in materiale semiconduttore dei raffreddatori termoelettrici sono associati degli specifici coefficienti di dilatazione termica (CTE). Mentre la cella esegue i cicli termici di riscaldamento e raffreddamento, una discordanza dei CTE della ceramica e dei semiconduttori può portare a sollecitazioni meccaniche che causano fratture nei prismi e nelle giunzioni. Oltre alle variazioni della temperatura assoluta di una cella di Peltier, anche i gradienti termici e le velocità rapide di variazione della temperatura di una cella possono portare a sollecitazioni meccaniche dovute ai CTE. L'esposizione di una cella a temperature estreme, con gradienti elevati di temperatura e alte velocità di variazione produce inoltre sollecitazioni meccaniche e aumenta le probabilità di guasto del dispositivo.

Contaminanti esterni

L'esposizione a contaminanti esterni è un'altra causa di guasti meccanici dei prismi, delle giunzioni e delle strutture di conduzione metallizzate di una cella di Peltier. Per ridurre al minimo l'esposizione a questi contaminanti, è pratica comune applicare un sigillante lungo il perimetro della cella, tra le due lamelle in ceramica. Tra i tipici metodi di sigillatura, viene ampiamente utilizzata la gomma siliconica in virtù della sua conformità meccanica. Tuttavia, in condizioni di funzionamento estreme potrebbe essere inefficace come barriera al vapore. Per ovviare a questo, in ambienti ad alto contenuto di vapore si può utilizzare la resina epossidica, ma occorre tener presente che non ha la conformità meccanica della gomma siliconica. In ultima analisi, la decisione tra i compromessi di ogni sigillante dipenderà dall'applicazione finale e dalle sue condizioni operative.

Miglioramenti dell'affidabilità

Per contrastare le sollecitazioni meccaniche che possono portare alla formazione di incrinature nelle giunzioni e nei prismi in materiale semiconduttore di una cella di Peltier, Same Sky ha sviluppato la struttura arcTEC™. Questa costruzione particolare è implementata nelle celle di Peltier ad alte prestazioni dell'azienda per migliorare affidabilità, numero di cicli e prestazioni. La struttura arcTEC contrasta gli effetti della fatica termica sostituendo le giunzioni con una resina elettricamente conduttiva sul lato freddo della cella TEC, più conforme dal punto di vista meccanico rispetto alla saldatura. Questo contribuisce a ridurre al minimo le sollecitazioni e le fratture che possono verificarsi nelle strutture tradizionali delle celle di Peltier. Le restanti giunzioni sono state sostituite con una lega saldante all'antimonio ad alta temperatura (SbSn, 235 °C) che tollera meglio le sollecitazioni meccaniche rispetto alla più tradizionale lega saldante al bismuto a bassa temperatura (BiSn, 138 °C). Le celle di Peltier di Same Sky sono dotate anche della barriera al vapore in gomma siliconica ricordata sopra. Per una maggiore conformità meccanica sono disponibili su richiesta anche barriere epossidiche e altre barriere al vapore.

Per dimostrare la maggiore affidabilità della struttura arcTEC, il grafico che segue riporta la resistenza rispetto al numero di cicli termici. Poiché le crescenti variazioni della resistenza aumentano le probabilità di guasto, si può chiaramente vedere che la struttura arcTEC di Same Sky ha prestazioni più stabili rispetto alle celle di Peltier standard su un numero maggiore di cicli termici.

Figura 5: Grafico che dimostra le prestazioni più affidabili della struttura arcTEC (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Conclusione

Il miglioramento o il deterioramento delle prestazioni e dell'affidabilità della cella di Peltier dipendono da molti fattori, tra cui l'installazione meccanica, le condizioni operative e i contaminanti esterni. Quando si sceglie una cella di Peltier, è importante rispettare le pratiche di montaggio corrette e i parametri operativi. La struttura arcTEC di Same Sky, presente in molte delle sue celle di Peltier, può contribuire a ridurre alcuni di questi comuni meccanismi di guasto e a migliorare l'affidabilità complessiva. Grazie all'ampia offerta di celle di Peltier disponibili in numerose dimensioni e valori termici, Same Sky è in grado di offrire agli ingegneri molte opzioni idonee per le loro esigenze di gestione termica.