Factores importantes para mejorar la fiabilidad del módulo Peltier

Ha aumentado la popularidad de Los módulos Peltier o enfriadores termoeléctricos (TEC) debido a su fiable construcción en estado sólido y a su preciso control de la temperatura. Su funcionamiento básico funciona transfiriendo el calor de un lado del módulo al otro cuando se aplica la energía eléctrica. Como con cualquier componente del diseño, la fiabilidad del módulo Peltier es importante, por lo que tener un conocimiento básico de su implementación y construcción puede ayudar en gran medida a los diseñadores en su correcta aplicación. Para ayudar a los ingenieros a comprender esta creciente tecnología, este artículo ofrecerá una breve reseña de la construcción del módulo Peltier, así como de los mecanismos de fallo comunes que deben evitarse para mejorar la fiabilidad general.

Construcción básica

Como dispositivos de estado sólido sin partes móviles, los refrigeradores termoeléctricos pueden funcionar dentro de un amplio rango de temperaturas. Desde un alto nivel, los módulos Peltier están compuestos por pellets semiconductores colocados entre dos placas de cerámica aislantes, pero termoconductoras. Los pellets de semiconductor también están dopados para llevar una carga positiva o negativa. En las superficies internas de cada cerámica hay patrones metálicos conductores, a los que se sueldan los pellets de semiconductor y se configuran de forma que las ponen eléctricamente en serie y mecánicamente en paralelo. Estas configuraciones eléctricas y mecánicas conducen finalmente a los principios térmicos básicos de los dispositivos Peltier, en los que el calor es absorbido por la cerámica del lado frío y expulsado por la cerámica del lado caliente.

Para más información sobre estos principios básicos y su construcción, consulte laficha técnica de Same Sky, un recurso más sobre este tema.

Figura 1: Construcción general del módulo Peltier (Fuente de la imagen: Same Sky)

Mecanismos de fallo comunes

La fractura mecánica de los gránulos de semiconductores o las uniones de soldadura asociadas representan los mecanismos de fallo más comunes de los módulos Peltier. Aunque estas fracturas no se desarrollan inicialmente en toda la articulación de la bolita o de la soldadura, puede producirse un fallo completo si la fractura se extiende completamente a través de cualquiera de esas dos áreas. Sin embargo, estas fracturas pueden detectarse antes de un fallo total al observar un aumento de la resistencia en serie del módulo Peltier que reduce su eficiencia general.

La tensión y las fuerzas de corte

Los módulos Peltier se utilizan comúnmente en aplicaciones en las que el lado frío del módulo TEC se coloca sobre un objeto a enfriar con un disipador de calor en el lado caliente para mejorar la disipación del calor. Sin embargo, si el disipador térmico y el objeto a enfriar están unidos a las placas de cerámica sin ninguna estructura mecánica de soporte, podrían producirse grandes fuerzas de cizallamiento o tensión en todo el módulo TEC. Como los módulos Peltier no están hechos para soportar este tipo de cargas, estas fuerzas podrían romper el módulo o provocar otro fallo mecánico.

Figura 2: Demostración de las fuerzas de cizallamiento o tensión en un conjunto de módulos Peltier común (Fuente de la imagen: Same Sky)

Para combatir estas fuerzas de cizallamiento o de tensión, muchos módulos Peltier se sujetan entre el objeto y un disipador térmico debido a la capacidad de un módulo Peltier de soportar grandes fuerzas de compresión de las abrazaderas. A su vez, las pinzas son capaces de absorber cualquier fuerza de cizallamiento o tensión del objeto y el disipador.

Figura 3: Tensiones comunes en un módulo Peltier (Fuente de la imagen: Same Sky)

Las fuerzas de compresión

Aunque el pinzamiento combate muchas de las fuerzas negativas de un módulo Peltier, puede crear sus propios problemas si no se aplica correctamente. Al sujetar disipadores y objetos a un módulo Peltier, es imperativo que se apliquen fuerzas de sujeción uniformes para minimizar los esfuerzos de torsión en el módulo TEC y reducir la posibilidad de daños. Estas fuerzas de sujeción desiguales pueden crear torques así como fuerzas de compresión que conducen a fallos mecánicos.

Figura 4: Sujeción correcta e incorrecta de un módulo Peltier (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los ciclos térmicos

Las placas de cerámica y los gránulos de semiconductores de los refrigeradores termoeléctricos tienen cada uno coeficientes de expansión térmica (CTE) asociados. A medida que el módulo TEC pasa por sus ciclos térmicos de calentamiento y enfriamiento, un desajuste de los CTE de cerámica y semiconductores puede llevar a tensiones mecánicas que causen fracturas en los gránulos de semiconductores y en las uniones de soldadura. Además de los cambios en la temperatura absoluta de un módulo Peltier, los gradientes térmicos y las rápidas tasas de cambio en la temperatura de un módulo también pueden provocar tensiones mecánicas debido a las CTE. Operar un módulo TEC a temperaturas extremas, con grandes gradientes de temperatura, y a altas velocidades de giro de la temperatura también produce tensiones mecánicas y una mayor posibilidad de fallo del dispositivo.

Contaminantes externos

La exposición a contaminantes externos es otra vía para los fallos mecánicos de los pellets de semiconductores, las uniones de soldadura y los patrones de conducción metalizados de un módulo Peltier. Para minimizar la exposición a estos contaminantes, es común que se aplique un sellador alrededor del perímetro del módulo TEC, entre las dos placas de cerámica. De los métodos típicos de sellado, el caucho de silicona se utiliza ampliamente para su cumplimiento mecánico. Sin embargo, puede ser ineficaz como barrera de vapor en condiciones operativas extremas. Para superar este déficit, el epoxi puede utilizarse como un sellador alternativo en entornos de mucho vapor, pero carece de la conformidad mecánica del caucho de silicona. En última instancia, decidir entre las compensaciones de cada sellante dependerá de la aplicación final y sus condiciones de funcionamiento.

Mejoras en la fiabilidad

Para combatir las tensiones mecánicas que pueden provocar grietas en las uniones de soldadura y en los gránulos de semiconductores de un módulo Peltier, Same Sky ha desarrollado la estructura arcTEC™. Esta construcción única se implementa en los módulos Peltier de alto rendimiento de Same Sky para mejorar la fiabilidad, la vida útil del ciclo y el rendimiento. La estructura del arcTEC contrarresta los efectos de la fatiga térmica reemplazando las uniones de soldadura con una resina conductora de electricidad en el lado frío del módulo TEC que es más compatible mecánicamente que la soldadura. Esto ayuda a minimizar las tensiones y fracturas que pueden ocurrir en las estructuras tradicionales de los módulos Peltier. El resto de las uniones soldadas son reemplazadas por una soldadura de antimonio de alta temperatura (SbSn, 235 °C) que tolera mejor el estrés mecánico que la soldadura de bismuto más tradicional y de menor temperatura (BiSn, 138 °C). Los módulos Peltier de Same Sky también implementan la barrera de vapor de caucho de silicona mencionada anteriormente para una mayor conformidad mecánica con las barreras de vapor de epoxi y de otro tipo disponibles a petición.

Para demostrar la mayor fiabilidad de la estructura arcTEC, el gráfico a continuación traza la resistencia contra el número de ciclos térmicos. Como los cambios crecientes en la resistencia llevan a una mayor posibilidad de fallo, se puede ver claramente el rendimiento más estable de la estructura arcTEC de Same Sky en comparación con los módulos Peltier estándar durante un mayor número de ciclos térmicos.

Figura 5: Gráfico que demuestra el rendimiento más fiable de la estructura arcTEC (Fuente de la imagen: Same Sky)

Conclusión:

Hay muchos factores que pueden conducir a una mejora o degradación del rendimiento y la fiabilidad del módulo Peltier, entre ellos la instalación mecánica, las condiciones de funcionamiento y los contaminantes externos. Cuando se selecciona un módulo Peltier, es importante observar las prácticas de montaje y los parámetros de funcionamiento adecuados. La estructura arcTEC de Same Sky, que se encuentra en muchos de sus módulos Peltier, puede ayudar a mitigar algunos de estos mecanismos de fallo comunes y mejorar la fiabilidad general. Con una gama de dispositivos Peltier en una variedad de tamaños y clasificaciones térmicas, Same Sky tiene múltiples opciones para cumplir con los requisitos de gestión térmica de un ingeniero.