引言

根據(jù)系統(tǒng)需求和關鍵功能設計,高精度溫度控制器(TCU)采用半導體制冷片制冷技術(shù)實現(xiàn)對循環(huán)介質(zhì)制冷,吸收的熱量通過系統(tǒng)提供的冷卻水帶走。半導體制冷片技術(shù)的實現(xiàn)裝置為半導體制冷器,其性能好壞直接影響TCU的制冷性能和可靠性。

1半導體制冷器設計輸入條件

1.1功能需求

(1)采用半導體制冷片制冷技術(shù)實現(xiàn)對循環(huán)介質(zhì)制冷,吸

收的熱量通過系統(tǒng)提供的冷卻水帶走,制冷功率要求達到3500w:

(2)采用溫度開關監(jiān)測熱電模塊熱端的溫度,當溫度超過60℃時輸出開關量信號供系統(tǒng)進行錯誤處理。

1.2設計約束

導體制冷器模塊作為TCU的制冷單元,受到TCU整機系統(tǒng)的約束如下:

(1)尺寸約束:WxDxH=419mmx295mm×259mm:

(2)接口約束:冷卻水接口軟管內(nèi)徑小13mm,循環(huán)水管路接口內(nèi)徑小30mm。

2半導體制冷器模塊設計

2.1功能輸出

利用半導體制冷原理制造出的制冷元器件稱為半導體制冷片,半導體制冷主要利用珀爾帖效應原理達到制冷目的,即在兩種不同金屬組成的閉合線路中通以直流電流,會產(chǎn)生一個結(jié)點熱、另一個結(jié)點冷的現(xiàn)象,即溫差電現(xiàn)象。

圖1所示為由一塊P型半導體材料和一塊N型半導體材料連接成的電偶,通以直流電后制取冷量的情況。由于P型半導體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導體內(nèi)載流子(電子)與金屬片中所有的載流子勢能不同,必然會在半導體材料和金屬片的結(jié)點上發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換。因為空穴在P型半導體內(nèi)具有的勢能高于其他金屬片的勢能,在外電場作用下,當空穴通過結(jié)點a時,需要從金屬片中吸取一定的能量,用以提高自身的勢能才能進入P型半導體內(nèi),因而a處溫度就會降低,形成冷結(jié)點:當空穴通過b結(jié)點時,需要將多余部分勢能留給結(jié)點,才能進入金屬片中,這時結(jié)點b處溫度會升高,形成熱結(jié)點。

圖1半導體制冷原理

通常條件下,半導體制冷片的使用方法是單片使用,且單獨設計半導體制冷片的熱端和冷端散熱器。目前公司研制的半導體制冷器總體工作原理與其沒有原則上的差別,只是為了實現(xiàn)TCU較大制冷功率的需求,采用多片半導體制冷片串聯(lián),形成大功率的半導體制冷器。

根據(jù)同類產(chǎn)品的試驗驗證,單個半導體制冷器仍然采用48片以串聯(lián)方式連接的半導體制冷片,如圖2所示,制冷單元仍采用兩個半導體制冷器組合的形式達到大功率制冷目的。

圖2半導體制冷片分布

熱端高溫保護功能的實現(xiàn),采用溫度開關監(jiān)測熱電模塊熱端的溫度,當溫度超過60℃時輸出開關量信號供系統(tǒng)進行錯誤處理。

2.2機械結(jié)構(gòu)設計輸出

2.2.1機械結(jié)構(gòu)物理層次劃分

根據(jù)功能要求,半導體制冷器機械結(jié)構(gòu)可以劃分為兩個模塊,分別為熱端散熱器、冷端散熱器,如圖3所示。

2.2.2半導體制冷模塊結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)半導體制冷器工作原理和物理結(jié)構(gòu)層次劃分,將半導體制冷器分解成兩層式結(jié)構(gòu),即中間放置冷端散熱器,左右分別布置一個熱端散熱器,半導體制冷片置于熱端與冷端之間。大致結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

2.2.2.1冷端散熱器設計

冷端散熱器主要由冷端散熱腔、冷端散熱板及密封圈等組件組成。冷端散熱腔采用雙層結(jié)構(gòu)形式,散熱腔及散熱板均采用鋁材質(zhì)。冷端散熱器是半導體制冷器的載冷裝置,載冷方式為水冷,其內(nèi)部需承受500kPa(5bar)的壓力,故在本設計中采用密封圈及螺釘?shù)拿芊膺B接方式,經(jīng)試驗驗證,此結(jié)構(gòu)滿足設計要求。

2.2.2.2熱端散熱器設計

熱端散熱器是半導體制冷器的冷卻裝置,冷卻方式為水

冷。與冷端類似,主要由熱端散熱腔、熱端散熱板及密封圈等組件組成。熱端散熱腔采用管路結(jié)構(gòu)形式,散熱腔與散熱板之間通過o形密封圈進行密封,其密封性能要求與冷端一致。另外,散熱腔及散熱板同樣均為鋁材質(zhì)。

2.2.2.3半導體制冷器結(jié)構(gòu)布局

半導體制冷器三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5半導體制冷器結(jié)構(gòu)布局

在半導體制冷片和熱端、冷端散熱腔體間采用導熱膠填充,其強化了傳熱。在電氣安全方面,半導體制冷片的連接完全由自制PCB板完成,保證了整機的高絕緣和高耐壓性能。2.3半導體制冷片選型

半導體制冷片是半導體制冷器核心元件。根據(jù)系統(tǒng)的制冷功率等技術(shù)要求,并參考前期產(chǎn)品的選型以及相關試驗的驗證,現(xiàn)階段公司研制的半導體制冷器選用的半導體制冷片規(guī)格為TE9500/199/100Bs,其詳細技術(shù)指標如表1所示。

通過前期產(chǎn)品試驗的驗證,與之前選用的制冷片比較,選用此制冷片后制冷量提高了35.5%。另外,考慮到半導體制冷片的重要性,在使用時還需注意以下幾點:

(1)半導體制冷片的兩表面平面度≤0.02mm,兩表面平行度≤0.02mm:

(2)半導體制冷片的絕緣性能在1000V條件下達到1000MQ:

(3)在半導體制冷片貼裝入半導體制冷器后,正確連接所有電路:

(4)必須保證半導體循環(huán)水裝置和冷卻裝置正常工作,不發(fā)生半導體制冷片直接通直流電的情況:

(5)當半導體制冷片陶瓷表面的溫度降至一定程度時,很可能會產(chǎn)生"結(jié)露"現(xiàn)象,而是否會"結(jié)露"與溫度和濕度有關,那么在機器工作時,可通過調(diào)整制冷片電壓進行調(diào)節(jié)。

2.4設計計算

如半導體制冷原理圖(圖1)所示,當直流電通過半導體p,n結(jié)時,在結(jié)點接觸面上將產(chǎn)生熱電效應。半導體制冷主要是珀爾帖效應的應用,珀爾帖效應產(chǎn)生的熱量為:

式中,ap、an分別為p型結(jié)和n型結(jié)的溫差電動勢率:T為接頭上的絕對溫度:I為回路中直流電產(chǎn)生的電流強度。

除了珀爾帖效應外,熱電效應還存在兩種不可逆的效應,即傅里葉效應和焦耳效應。

傅里葉效應:

式中,入為導體的導熱系數(shù):s為導體的有效截面積:l為導體的有效長度:Th為熱端絕對溫度:Tc為冷端絕對溫度:K為導體的總熱導:AT為冷熱端溫差。

焦耳效應:

式中,R為導體的總電阻:p為導體的電阻率。

在制冷p,n結(jié)電偶中,p,n結(jié)的一端為冷端,另一端為熱端,因此在p,n結(jié)的兩端存在著溫差,由于溫差的存在,同時由于電流通過電偶臂時會產(chǎn)生焦耳熱,使局部溫度升高,熱量就會由熱端向冷端傳播。如果在p,n結(jié)上達到了平衡,則由熱端傳導給冷結(jié)點的熱量可由一維傅里葉方程來表示:

假定p,n型半導體制冷材料的側(cè)面是絕熱的,并忽略湯姆遜熱和接觸電阻的影響,以及假定制冷材料參數(shù)與溫度無關,制冷基本單元兩臂形狀、大小一致且參數(shù)完全相同,于是可得熱電偶的制冷量為:

式中,QC為溫差電制冷組件的制冷量,即制冷組件的制冷功率:a=ap-an,為材料對的溫差電動勢率。

由式(5)可知,在半導體制冷片材料物理特性及尺寸確定后,制冷功率QC與直流電流I,冷、熱端溫度Tc、th及溫差AT的函數(shù)關系。對于2.3中所選用的半導體制冷片(TE9500/199/100Bs),在熱端溫度一定時,制冷功率QC與I、AT的函數(shù)曲線如圖6所示。

由圖6所示曲線可以看出,在溫差AT確定時,直流電流I(0~Imax=10A)越大,制冷功率QC越大:在I一定時,QC隨AT減少而增大。

根據(jù)TCU的功能需求得到半導體制冷片冷、熱端的水冷工作環(huán)境,即熱端冷卻水供應溫度范圍為15~30℃:冷端循環(huán)水溫度控制范圍為16.5~27.5℃。從可靠性的角度出發(fā),我們假定半導體制冷器最惡劣的工況來確定制冷功率,即設定冷端溫度Tc=10℃,熱端溫度Th=35℃,則溫差AT=25℃。半導體制冷片的工作電流I=7.5A,那么根據(jù)圖6可以得到單片制冷片在此工況下的制冷功率為:

式(6)結(jié)果進一步從理論上驗證了半導體制冷器選用48片制冷片串聯(lián),能夠?qū)崿F(xiàn)TCU較大功率的制冷目的,并且在半導體制冷器運行時,可以根據(jù)需要適當調(diào)節(jié)工作電流來實現(xiàn)所需的制冷量。

3結(jié)語

超精密溫度控制裝置(TCU)是半導體行業(yè)中為步進、掃描投影光刻機提供溫度、壓力、流量受控循環(huán)水的專用設備,采用加熱制冷控制內(nèi)部循環(huán)水的溫度,通過管路與光刻機連接,實現(xiàn)與其內(nèi)部環(huán)境和器件的熱交換,保證其溫度穩(wěn)定性要求。