第三章 熱電致冷器之性能
3.3 散熱鰭片對熱電致冷器之性能影響
與TH的差異。由式（3-9）及（3-15）所計算得到的TH意義即為在此電流 I 下，
要使發熱源溫度維持在T 時，熱電致冷器的熱端需要維持在C TH，而在此情況下 熱端的散熱器需帶走Q&HS的熱通量。但若在數值計算中所得到的散熱鰭片底面溫 度T 與H* TH相差甚大，即表示此散熱鰭片在底面為Q&HS的熱通量下，無法達到TH
的溫度，因此要重新改變 I 的值，計算出新的TH、Q&HS，並以數值計算再一次算 出新的T 。 H*
當TH −TH* <0.1時，即可結束計算，此時即可得知此熱電致冷器散熱系統在
發熱源為Q& 下，要把發熱源維持在S T 時，熱電致冷器需要輸入的電流 I 為多少，C 即為輸入的電功率為多少，就此來評估此熱電致冷器散熱系統的效能。整個系統 的計算流程圖如圖 3-6 所示。
在此若熱源Q& 為 4W，則此熱電致冷器散熱系統的效能如表 3-3 及圖 3-7 所S 示，可發現要使T 維持在越低溫，則熱電致冷器的耗電功率將會越大，因此在C 使用熱電致冷器散熱系統時，發熱源所要達到的溫度及熱電致冷器耗電量的取捨 亦是一個需要考量的問題。
圖 3-6 計算流程圖 設定Q& S
設定T C
給定 I ，得TH、Q&HS
由 GAMBIT 建立 幾何外型
設定流體性質、邊界條 件、物理性質、參數，給
定熱端熱通量Q&HS
STAR-CD 計算核心部分
得熱端溫度T H* 檢查是否有錯誤訊
息或發散
檢查TH −TH* 的值 改變電流或散熱
鰭片型式
結束
發散
收斂
小於 0.1 大於 0.1
改變電流
改變鰭片
表 3-3 熱電致冷器散熱系統耗電量與溫度對照表
發熱源：4W
組數 T （℃）C I （ A ） 熱電致 冷器耗 電量
（W） Q&HS
（W）
TH（℃） T （℃）H* *
H
H T
T −
（℃）
Case1 40 1.50 8.55 13.43 96.6 96.6 0.0 Case2 45 1.03 3.91 8.87 79.8 79.7 0.1 Case3 50 0.81 2.32 7.30 73.0 73.1 0.1 Case4 55 0.67 1.48 6.47 69.4 69.3 0.1 Case5 60 0.55 0.92 5.91 66.8 66.8 0.0 Case6 65 0.45 0.54 5.54 65.0 65.0 0.0 Case7 70 0.36 0.29 5.30 64.0 63.9 0.1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
熱電致冷器冷面溫度(℃)
熱電致冷器耗電量(W)
發熱源：4W
圖 3-7 熱電致冷器散熱系統耗電量與溫度對照圖
四、 熱電致冷器散熱系統應用於 LED 之實驗
4.1 實驗目的
在人類的生活中，照明是一不可或缺的因素。近年來，隨著環保意識抬頭，
標榜省電與節能的消費性產品逐漸為大眾所關注，傳統的照明設備如燈泡將被其 他高效能的發光元件所替代。
LED 自從 1970 年代開始商業化後持續蓬勃發展，現今的白光 LED 的用途 已逐漸轉移到照明的領域，但是高功率 LED 在使用上仍有許多問題需要解決，
最主要的即是散熱不易。由於高功率 LED 在輸入功率上只有 15~20%轉換為光 能，其餘都轉換為廢熱，如果這些熱無法即時排出將會使 LED 晶粒界面溫度過 高，進而影響 LED 的發光效率及使用壽命。
傳統使用上 LED 的散熱設備一般以散熱片為主，熱量透過 LED 本體及 PCB 板熱傳至散熱片上。但是 LED 由於本身封裝的限制，點熱源的問題及本身材料 熱阻抗大，散熱片的散熱效果有限，各種散熱方式遂因應而生，但至今仍無一有 效的方法能完全解決高溫的問題。
在本文的研究中，嘗試以熱電致冷器散熱系統來處理 LED 的散熱問題。熱 電致冷器散熱系統對於 LED 的散熱有諸多優點如下：
一、體積小，構造簡單：熱電致冷器散熱系統不需要龐大的體積（如壓縮機）
或複雜的元件（如風扇）來進行散熱，可靠性高。
二、主動式散熱：大部分應用於 LED 之散熱方法皆為被動式散熱，只能消 極的防止 LED 溫度上升。而熱電致冷器散熱系統以熱電現象為基礎，
隨著通過電流的大小可主動控制散熱效果，因應不同的操作環境來改變 耗能，使用彈性大。
三、溫控精準：由於 LED 亮度會隨著溫度而衰減，因此在一般散熱方式上 會有亮度不均的情形發生。熱電致冷器散熱系統可透過改變電流大小與 方向來穩定維持 LED 在低溫下操作，提升 LED 效率與使用壽命，穩定
的亮度對於照明來說更是一必要條件。
綜觀以上各點，使用熱電致冷器散熱系統於 LED 散熱上有實質的可行 性，在此將以不同型號之熱電致冷器配合不同類型之 LED 樣品來實際量測 在熱電致冷器通入不同電流時對於 LED 之散熱效果及效能提升，以及不同 封裝之 LED 對於使用熱電致冷器之成效。
4.2 實驗設備
在本實驗中使用四組不同的 LED 樣品配合熱電致冷器散熱系統來量測 LED 在不同耗電量時，熱電致冷器輸入不同電流所造成的溫度下降以及相對照度的提 升，比較 LED 配合熱電致冷器散熱系統的耗電量提升與相對照度的增加百分 比，評估使用熱電致冷器散熱系統於 LED 上之優缺點。
本實驗使用的四組 LED 樣品，分為 S1、S2、S3、S4，分別為相異之封裝結 構，並配合適當型號之熱電致冷器及散熱鰭片，以此比較不同封裝結構之 LED 對於使用熱電致冷器散熱系統的成效。
以下為四組樣品的簡介：
（1） S1：
S1 樣品是單顆 LED 的結構，如圖 4-1 所示，整個 LED 焊於一星狀 PCB 板 上，在 PCB 板上有電極來輸入電流，而 PCB 板與 LED 接觸面為絕緣層，有電 路分佈於其上，而另一面與熱電致冷器散熱系統的接觸面則為鋁材。
與 S1 配合之熱電致冷器型號為 TEC1-03103，相關規格如表 4-1 所示。使用 於此熱電致冷器之散熱鰭片型式如圖 4-2 所示。而 S1 與熱電致冷器散熱系統的 配置為 S1-熱電致冷器-散熱鰭片，如圖 4-3 所示。
在整個 LED-熱電致冷器散熱系統中，因為 S1 結構的關係，選取的 LED 測 溫點為 S1 的 PCB 板與空氣間的接觸面，如圖 4-4 所示。
（2） S2：
S2 樣品也是單顆 LED 的結構，如圖 4-5 所示，S2 與 S1 最大的不同在於 S2 沒有 PCB 板，而是直接從封裝內部拉出腳位當做電極。有別於 S1 透過 PCB 板 來與散熱器接合，S2 於封裝內部延伸出一圓形鋁板，略為突出於 LED 底部，以 之來跟散熱器做接觸面。
與 S2 配合之熱電致冷器型號為 TES1-00703，相關規格如表 4-1 所示。使用 於此熱電致冷器之散熱鰭片型式如圖 4-2 所示。而 S2 與熱電致冷器散熱系統的
配置為 S2-熱電致冷器-散熱鰭片，如圖 4-6 所示。
在整個 LED-熱電致冷器散熱系統中，因為 S2 結構的關係，選取的 LED 測 溫點為 S2 的發光表面，如圖 4-4 所示。
（3） S3：
S3 樣品與 S1 和 S2 不同，是完整的 LED 燈條，如圖 4-7 所示，共有 2 排 16 顆 LED，共 32 顆 LED 焊於 PCB 板上。PCB 板與 LED 接觸面為絕緣層，有電 路分佈於其上，而另一面與熱電致冷器散熱系統的接觸面則為鋁材。
與 S3 配合之熱電致冷器型號為 TEC1-12704，相關規格如表 4-1 所示，由於 LED 燈條尺寸的關係，在此使用了 8 個熱電致冷器來配置熱電致冷器散熱系統。
使用於此熱電致冷器之散熱鰭片型式如圖 4-8 所示。而 S3 與熱電致冷器散熱系 統的配置為 S3-熱電致冷器-散熱鰭片，如圖 4-9 所示。
在整個 LED-熱電致冷器散熱系統中，因為 S3 結構的關係，選取的 LED 測 溫點為 S3 的發光表面，如圖 4-4 所示。
（4） S4：
S4 樣品與 S3 相同，也是完整的 LED 燈條，如圖 4-10 所示，有一排共 16 顆 LED 焊於已挖空的 PCB 板上，PCB 板的表面為絕緣層，有電路分佈於其上。
S4 的 LED 封裝與 S2 類似，在 LED 封裝內直接延伸一圓形鋁板與散熱器接觸，
因此 S4 不需透過 PCB 板做為熱傳導的途徑。
與 S4 配合之熱電致冷器型號為 TEC1-01703，相關規格如表 4-1 所示，由於 LED 燈條尺寸的關係，有別於 S1、S2、S3 中 LED 直接接觸熱電致冷器，S4 另 外配置了一均溫鋁基板於 LED 燈條下，而在均溫鋁基板下再配置 16 個熱電致冷 器平均分佈於 16 顆 LED 的相對位置下來配置熱電致冷器散熱系統。使用於此熱 電致冷器之散熱鰭片型式如圖 4-11 所示。而 S4 與熱電致冷器散熱系統的配置為 S4-均溫鋁基板-熱電致冷器-散熱鰭片，如圖 4-12 所示。
在整個 LED-熱電致冷器散熱系統中，因為 S4 結構的關係，選取的 LED 測 溫點為 S4 與均溫鋁基板之間，的如圖 4-4 所示。
以上四組 LED-熱電致冷器散熱系統即為本實驗的主要部分。為了量得 LED 之亮度變化，在實驗中以照度計與 LED 相隔一固定距離來量得相對照度。另外 在量測照度的過程中，為避面外界光源影響 LED 照度之變化，LED 發光面至照 度計以不會反光的黑紙所包圍，如圖 4-13 所示。
本實驗使用 GW 公司型號 GPC-3030D 的直流電源供應器提供 LED 與熱電 致冷器電能，並且利用 UNI-T 公司型號 UT60E 的三用電表量測電壓與電流值。
在量測照度方面，使用 The Art of Measurement 公司型號 LX-101 的照度計做相對 照度的量測。溫度量測部分則利用 OMEGA 公司 J-TYPE 熱偶線，配合 Yokogawa 公司型號 MX110 的資料擷取器，讀取各熱電偶線溫度值。並以 Yokogawa 公司 型號 MX100 資料擷取卡，將熱偶線所量得的溫度值讀入個人電腦進行分析。
（a）S1 正面圖
（b）S1 背面圖
圖 4-1 S1 結構圖
表 4-1 熱電致冷器規格表
Part No. Dimension LxWxH(mm)
Couples Imax(A) Vmax(V) Qc max(W) △T max(℃)
TEC1 03103
20x20x4.7 31 3.3 3.50 7.2 67.0
TES1 00703
8x8x3.6 7 3.0 0.85 1.4 67.0
TEC1 01703
15x15x4.7 17 3.4 2.00 3.9 67.0
TEC1 12704
40x40x4.7 127 3.9 15.40 33.4 67.0
圖 4-2 S1、S2 散熱鰭片圖
圖 4-3 S1 與熱電致冷器散熱系統配置圖
（a）S1
（b）S2
（c）S3
（d）S4
圖 4-4 S1、S2、S3、S4 測溫點示意圖
發光面
發光面
發光面
發光面 絕緣層
鋁層
鋁層
絕緣層 鋁層
鋁層 測溫點
測溫點
測溫點
測溫點
（a）S2 正面圖
（b）S2 背面圖
圖 4-5 S2 結構圖
圖 4-6 S2 與熱電致冷器散熱系統配置圖
圖 4-7 S3 結構圖
圖 4-8 S3 散熱鰭片圖
圖 4-9 S3 與熱電致冷器散熱系統配置圖
圖 4-10 S4 結構圖
圖 4-11 S4 散熱鰭片圖
（a）配置示意圖
（b）配置圖
圖 4-12 S4 與熱電致冷器散熱系統配置圖 散熱鰭片
均溫鋁基板
熱電致冷器
LED
圖 4-13 LED 照度量測系統配置示意圖
散熱鰭片
熱電致冷器 LED
照度計 黑紙
4.3 實驗步驟
本實驗研究熱電致冷器散熱系統應用於 LED 散熱之效能，因此在實驗中幾 個最重要的量測參數即為 LED 溫度、LED 耗電量、LED 相對照度、熱電致冷器 耗電量、熱電致冷器冷熱端之溫度。由量得的數據計算出整個 LED-熱電致冷器 散熱系統在提高整體耗電時，相對照度是否也相對應提升，由此判斷 LED 使用 熱電致冷器散熱系統之效益。
4.3.1 LED 耗電量與照度實驗
在應用熱電致冷器於 LED 前，首先需要考慮單獨 LED 的耗電量比上 LED-熱電致冷器的總耗電量。在一般情況下，LED 固定耗電量時，單獨 LED 的耗電
在應用熱電致冷器於 LED 前，首先需要考慮單獨 LED 的耗電量比上 LED-熱電致冷器的總耗電量。在一般情況下，LED 固定耗電量時，單獨 LED 的耗電