前言
熱電冷卻器(Thermoelectric cooler, TEC) 是一種重要的微型制冷系統組成器件，其代表了利用電力泵送熱量的最直接方式，具有可靠性高、封裝集成靈活、重量輕、靜音和環(huán)保等特點(diǎn)，因此熱電冷卻器在微電子系統、激光二極管、通信、醫療設備和精密儀器等領(lǐng)域得到廣泛應用。在熱電制冷系統設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要建立有效的方法來(lái)確定和優(yōu)化TEC性能。目前最常用的方法是迭代法[1]，這種方法通過(guò)TEC的幾何尺寸和熱電特征參數（塞貝克系數、導熱系數等）計算其冷卻性能，但是上述參數隨著(zhù)TEC的制造工藝和材料的不同而變化，并且作為制造商的專(zhuān)有信息，設計人員大多無(wú)法獲取，因此用迭代法確定或優(yōu)化制冷性能無(wú)疑是很繁瑣的。
圖1 TEC結構（左）和實(shí)物圖（右）
實(shí)驗部分
1.樣品準備
實(shí)驗樣品：TEC模塊(TEC1-13905,K30,120mm*80mm*5.8mm)。2.實(shí)驗條件
實(shí)驗儀器：仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀；工作模式：功率補償等溫量熱模式；標準勻熱塊：6061鋁合金，120mm*80mm*10mm*2塊；加熱片參數：PI加熱膜，120mm*80mm*0.3mm*2張，15.30Ω；環(huán)境溫度：恒溫25℃。
3.測試過(guò)程
Step1：打開(kāi)等溫量熱儀蓋板，至下向上依次安裝勻熱塊-加熱片-導熱硅脂墊-半導體制冷片-導熱硅脂墊-加熱片-勻熱塊，如圖2，保證各部件之間不產(chǎn)生間隙；Step2：將測溫傳感器包埋至勻熱塊內測溫點(diǎn)，并將電源線(xiàn)及電壓線(xiàn)分別連接至TEC的正負引線(xiàn)；
Step3：關(guān)閉儀器蓋板，設置實(shí)驗條件，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕啟動(dòng)實(shí)驗，實(shí)驗工況如表1所示。
圖2 等溫量熱儀結構與制樣裝樣過(guò)程
表1 實(shí)驗設置參數表
實(shí)驗結果
圖3 TEC25℃恒流1A條件下輸入&輸出功率-時(shí)間曲線(xiàn)
圖4 TEC功率和效率隨工作電流變化曲線(xiàn)
TEC的熱電效應主要由Joule熱、Fourier熱、Thomson熱等組成[2]，空調與制冷行業(yè)經(jīng)常使用COP(coefficient of performance)性能系數來(lái)表示TEC的使用效率，該參數為制冷功率(或制熱功率)與輸入功率之間的比值。
25℃恒流1A條件下TEC輸入和輸出功率-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示，TEC在恒溫恒流工況下，輸入功率較為穩定，輸出功率(制熱功率及制冷功率)在短暫的波動(dòng)后也趨于穩定。
對比TEC 在25℃恒溫，1A、1.5A、2.0A、2.5A下的測試結果，TEC功率和效率隨工作電流的變化如圖4所示。
隨著(zhù)工作電流的增大，TEC的制冷功率和制熱功率都隨之增大，但制冷效率和制熱效率都隨之減小，其主要原因是隨著(zhù)電流增大，在Thomson熱增大的同時(shí)，Joule熱也隨之增大。
因此在TEC制冷系統中，一定范圍內，可以通過(guò)增加工作電流的方式來(lái)實(shí)現增大制冷功率，但是與此同時(shí)要增加熱面的散熱;
但在滿(mǎn)足制冷需求的基礎上，為提高能源利用率，TEC系統工作的電流不宜過(guò)大。另一方面，不同工作電流下TEC的制冷效率都比制熱效率低，主要受Joule熱效應的影響。
圖5 TEC功率和效率隨工作溫度變化曲線(xiàn)
結論與展望
利用BIC-400A等溫量熱儀便捷、準確地分析了TEC在不同工作電流或不同工作溫度下，制冷/制熱功率和效率變化，幫助TEC系統的選型設計。
相關(guān)結果幫助大眾更清晰地了解TEC的工作原理，輔助TEC系統的設計選型和工作條件的優(yōu)化。
并且，用同樣的方法有望計算半導體器件的Peltier系數和Seebeck系數等半導體本征參數。
[1] Zhang H Y, Mui Y C, Tarin M. Analysis of thermoelectric cooler performance for high power electronic packages[J]. Applied thermal engineering, 2010, 30(6-7): 561-568.
[2] 陳樹(shù)權,王劍,楊振等.Peltier系數的穩態(tài)法和瞬態(tài)法測量[J].物理學(xué)報,2023,72(06):343-355.
