前言
熱電冷卻器(Thermoelectric cooler, TEC) 是一種重要的微型制冷系統(tǒng)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，因此熱電冷卻器在微電子系統(tǒng)、激光二極管、通信、醫(yī)療設備和精密儀器等領域得到廣泛應用。在熱電制冷系統(tǒng)設計和開發(fā)過程中，需要建立有效的方法來確定和優(yōu)化TEC性能。目前最常用的方法是迭代法[1]，這種方法通過TEC的幾何尺寸和熱電特征參數(shù)（塞貝克系數(shù)、導熱系數(shù)等）計算其冷卻性能，但是上述參數(shù)隨著TEC的制造工藝和材料的不同而變化，并且作為制造商的專有信息，設計人員大多無法獲取，因此用迭代法確定或優(yōu)化制冷性能無疑是很繁瑣的。
圖1 TEC結構（左）和實物圖（右）
實驗部分
1.樣品準備
實驗樣品：TEC模塊(TEC1-13905,K30,120mm*80mm*5.8mm)。2.實驗條件
實驗儀器：仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀；工作模式：功率補償?shù)葴亓繜崮Ｊ?；標準勻熱塊：6061鋁合金，120mm*80mm*10mm*2塊；加熱片參數(shù)：PI加熱膜，120mm*80mm*0.3mm*2張，15.30Ω；環(huán)境溫度：恒溫25℃。
3.測試過程
Step1：打開等溫量熱儀蓋板，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(nèi)測溫點，并將電源線及電壓線分別連接至TEC的正負引線；
Step3：關閉儀器蓋板，設置實驗條件，點擊“開始”按鈕啟動實驗，實驗工況如表1所示。
圖2 等溫量熱儀結構與制樣裝樣過程
表1 實驗設置參數(shù)表
實驗結果
圖3 TEC25℃恒流1A條件下輸入&輸出功率-時間曲線
圖4 TEC功率和效率隨工作電流變化曲線
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(shù)來表示TEC的使用效率，該參數(shù)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-時間曲線如圖4所示，TEC在恒溫恒流工況下，輸入功率較為穩(wěn)定，輸出功率(制熱功率及制冷功率)在短暫的波動后也趨于穩(wěn)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，其主要原因是隨著電流增大，在Thomson熱增大的同時，Joule熱也隨之增大。
因此在TEC制冷系統(tǒng)中，一定范圍內(nèi)，可以通過增加工作電流的方式來實現(xiàn)增大制冷功率，但是與此同時要增加熱面的散熱;
但在滿足制冷需求的基礎上，為提高能源利用率，TEC系統(tǒng)工作的電流不宜過大。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
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(tǒng)的選型設計。
相關結果幫助大眾更清晰地了解TEC的工作原理，輔助TEC系統(tǒng)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(shù)和Seebeck系數(shù)等半導體本征參數(shù)。
[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] 陳樹權,王劍,楊振等.Peltier系數(shù)的穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法測量[J].物理學報,2023,72(06):343-355.
