О причинах выхода из строя
Надежность и долговечность изделия определяется его паяными соединениями.
Термоэлектрический модуль состоит из термоэлектрических элементов p- и n-типа проводимости, соединенных между собой медными проводниками, сформированными на керамике. У широко используемых 127-парных термоэлектрических модулей число паек составляет 508, а с учетом токоподводящих проводов – 510. Поскольку электрическая цепь является последовательной, срок службы модуля в целом определяется сроком службы каждого из данных 510 соединений.
Характерные причины неисправностей
Причины неисправностей термоэлектрических модулей зависят от условий их эксплуатации. Характерные причины неисправностей приведены в следующей таблице. Пожалуйста, ознакомьтесь с описанием каждой причины.
| Причина неисправности | Описание | Условия возникновения | Меры предотвращения |
|---|---|---|---|
| Термоциклическая усталость | В местах соединений термоэлемента и медного проводника или в самом термоэлементе возникают и развиваются трещины, что в конечном счете приводит к выгоранию и разрыву цепи. | Высокая разность температур (ΔT), а также работа в условиях высокой частоты теплового цикла. | GL-структура |
| Коррозия | Коррозия соединений медных проводников, токоподводящих проводов, припоя и т. д. приводит к разрыву цепи. | Устройства, конструкция которых позволяет конденсату или иной влаге проникать к термоэлектрическому модулю. | Влагозащитные уплотнения |
| Миграция (КЗ, обрыв) | В условиях конденсации влаги припой между медным проводником и термоэлементом осуществляет миграцию в сторону проводника, что приводит к постепенному снижению внутреннего сопротивления и, в конечном счете, к утрате охлаждающей способности. | Устройства, конструкция которых позволяет конденсату или иной влаге проникать к термоэлектрическому модулю. | Влагозащитные уплотнения |
| Кристаллические дефекты термоэлементов | В случае сильного наклона плоскости спайности относительно направления роста кристалла концентрированное джоулево тепло может привести к выгоранию термоэлемента. | Наличие термоэлементов с существенным наклоном плоскостей спайности. | Строгий контроль качества |
О термоциклической усталости
Это самая частая неисправность термоэлектрических модулей, которая естественным образом возникает в спаях термоэлемента и медного проводника или в самом термоэлементе. При использовании термоэлектрических модулей создается разность температур (ΔT) между стороной теплопоглощения (холодной стороной) и стороной теплоизлучения (горячей стороной), что неизбежно вызывает возникновение термических напряжений. В термоэлементах и спаях в углах модуля, где термические напряжения максимальны, вследствие термоциклической усталости появляются и развиваются трещины. По мере развития трещин их поверхность окисляется, растет электрическое сопротивление и выделяется всё больше джоулева тепла. При этом повышается температура и происходит обрыв цепи по причине выгорания термоэлемента или плавления припоя.
О коррозии
Конденсация влаги неизбежно возникает в устройствах, работающих при температурах ниже комнатной. Конденсат скапливается внутри термоэлектрического модуля, что, в первую очередь, вызывает коррозию припоя. Поскольку в паяных соединениях контактируют разнородные металлы, эти области являются наиболее уязвимыми. Затем коррозия может распространиться и на медные проводники. В конечном случае происходит обрыв цепи, и модуль выходит из строя.
О миграции (КЗ и обрывы)
Как и коррозия, это явление возникает в условиях конденсации влаги. Когда конденсат заполняет пространство между медными проводниками, компоненты припоя вымываются и мигрируют под действием разности потенциалов, концентрация ионов металлов в конденсате возрастает, и они осаждаются на керамике. Вследствие повторяющегося процесса вымывания, миграции и осаждения происходит короткое замыкание. В результате внутреннее сопротивление термоэлектрического модуля постепенно падает, и также снижается охлаждающая способность. По мере того как уменьшается площадь поперечного сечения спаев между термоэлементом и проводником, электрическое сопротивление растет, выделяется больше джоулева тепла и в конечном счёте происходит обрыв цепи вследствие выгорания термоэлемента или плавления припоя, что приводит к выходу модуля из строя.
Кристаллические дефекты термоэлементов
Когда плоскость спайности в направлении роста кристалла в термоэлектрическом элементе сильно наклонена по отношению к направлению электрического тока, то в результате термических напряжений и механической нагрузки может происходить отрыв по этой плоскости. При этом наблюдается отделение термоэлемента от проводника: искрение в плоскости спайности или сильное тепловыделение может привести к расплавлению и обрыву цепи.