第二章 散熱鰭片之性能
2.2 散熱鰭片散熱能力之實驗
在量測散熱鰭片之散熱能力時，需要在散熱鰭片底部加一熱負載，在此使用 加熱片來給予散熱鰭片發熱源，加熱片的原理如下：
將鎳鉻絲纏繞於孔洞分布均勻的電路板，並且連接電源供應器通以電流使其 均勻發熱，外面包覆高熱傳導係數的銅箔藉此形成一個表面均溫且對於熱反應快 速的發熱體。在其側邊利用相同製作過程的銅箔夾層緊靠來達成熱保護的效果，
當這些銅箔夾層都加熱到相同溫度時，彼此間就不會有熱傳，藉此降低無法估計 的熱損。銅箔的下表面緊貼巴沙木用以計算下方熱傳導帶走的熱損失，其餘的部 份則貼覆絕熱泡棉使其熱損失降到最低。
加熱片的製作方法：
（1）材料準備：
銅箔（厚度 0.05mm）、電路板（厚度 1.6mm）、直徑 0.17mm 之鎳鉻絲，鐵 氟龍絕緣膠帶、巴沙木（厚度 1.5mm 和 6mm）、直徑 0.001mm 之 J-TYPE 熱電 偶線、OMEGA 公司的 OB-200 導熱膠、AB 膠等。
（2）製作銅箔夾層：
將厚度 1.6mm 之電路板裁成長度 31mm，寬度 11mm 之長條型，其內部有 48 個孔洞（12×4），表面有金屬的部份用砂紙磨去，並取中間且均勻分佈鑽三個 通孔以便於放置熱偶線；於裁好的電路板上繞以細密且均勻間隔之鎳鉻絲，其纏 法如圖 2-4 所示，注意鎳鉻絲需保持平整避免在電路板表面發生高突而與銅箔間 隙太大，接著再將鐵氟龍絕緣膠帶包覆於纏好鎳鉻絲的電路板外用以與銅箔絕 緣；切取尺寸為 31mm×24mm 厚度 0.05mm 之銅箔，將銅箔折成寬度為 11mm 之 U 字型，包覆於巴沙木外且銅箔表面需盡量保持平坦。並將穿過電路板夾層之三 條熱電偶線黏貼於銅箔內側通孔對應的位置。
（3）製作巴沙木夾層：
為了減少同組的三個加熱片間因為組合時產生的接觸熱阻，因此把一組加熱 區塊所需的三個巴沙木夾層一起製作，將巴沙木（厚度 1.5mm 和 6mm）裁成一 塊長度 31mm，寬度 35mm 之長方體，也就是三個銅箔夾層組合起來的大小，對 照銅箔夾層適當的位置鑽九個通孔用來穿過所有的熱偶線。為求估算經由巴沙木 的熱損失，在巴沙木（厚度為 1.5mm）上下放置熱偶線以量測溫度，用以求得藉 由熱傳導耗散的熱量。
（4）加熱片成形：
組裝時，最上層為銅箔夾層，中間為厚度 1.5mm 之巴沙木夾層，下層則為 6mm 之巴沙木夾層，熱偶線分別由各通孔拉出，銅箔夾層三條，中間巴沙木上 下各三條，接著再將各層之間均勻塗上導熱膠，組合夾緊放置 24 小時待其乾燥 固定，即可完成組裝工作。製作過程中需注意加熱面銅箔保持平整，以達到均溫 效果。另外需注意加熱片有無縫隙，須以導熱膠或 AB 膠於適當的地方填補。
為準確的控制每個加熱片之輸入熱量，將每一加熱片分別連接至 GW 公司 型號 GPC-3030D 的直流電源供應器，並且利用 UNI-T 公司型號 UT60E 的三用 電表量測電壓與電流值。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。
2.2.2 量測散熱鰭片自然對流之溫度
為了評估散熱鰭片之散熱能力，在散熱鰭片的底面置放一加熱片來模擬熱 源，藉此量取此散熱鰭片在某個固定熱通量下，散熱鰭片底面的溫度。實驗設備 如圖 2-5，散熱鰭片型式如圖 2-6。實驗步驟如下：
（1）開啟加熱片電源，輸入不同的電流以產生不同的熱通量。
（2）每 60 分鐘量取加熱片表面溫度，當兩次溫度差小於 0.2℃時則視系統已達 穩態，紀錄溫度及電流大小。
（3）計算加熱片的熱損，計算總熱傳至散熱鰭片的熱通量。
（4）量得的溫度及熱通量即為在自然對流下，此散熱鰭片在發熱源為此熱通量 下發熱源面之溫度。
實驗結果如表 2-1 及圖 2-7 所示，在不同熱源大小時，加熱片表面溫度隨之 變化。由此可以跟數值模擬的結果做相互比對。在數值模擬中，把本實驗的六組 熱源輸入，模擬相同散熱鰭片在自然對流下熱源面的溫度。實驗與模擬的對照結 果如表 2-2 及圖 2-8，可得知在模擬散熱鰭片的自然對流下，熱源小時，無法估 計的熱損相對來說較大，因此模擬值會比實驗值高上許多，誤差百分比達 28.8
％，但是以絕對誤差來說，模擬值也只比實驗值多上 3 度；而在熱源大時，因為 熱損相對來說就減小了，因此溫度相對誤差也越少，僅有 8.6%。
單位：公釐
圖 2-4 加熱片結構圖
36
12
1.5
36
圖 2-5 量測散熱鰭片效率實驗配置示意圖
散熱片
加熱片
圖 2-6 散熱鰭片
69mm
1mm 83.1mm
8.8mm 30mm
0.6mm
表 2-1 散熱鰭片自然對流結果對照表
組數 熱源（W） 室溫（℃） 加熱片表面溫度
（℃）
Case1 0.594 25.5 35.9 Case2 1.591 26.6 41.6 Case3 2.991 28.4 49.0 Case4 4.401 28.1 56.1 Case5 5.833 26.3 62.5 Case6 10.356 25.1 80.7
0 15 30 45 60 75 90
0 2 4 6 8 10 12
熱源(W)
熱源面溫度(℃)
圖 2-7 散熱鰭片自然對流實驗結果圖
表 2-2 散熱鰭片自然對流實驗與模擬對照表
組數 熱源（W） 室溫（℃） 加熱片表 面溫度
（℃）
模擬值
（℃）
誤差（℃） 相對誤差
（％）
Case1 0.594 25.5 35.9 38.9 3.0 28.8 Case2 1.591 26.6 41.6 45.3 3.7 24.7 Case3 2.991 28.4 49.0 52.9 3.9 18.9 Case4 4.401 28.1 56.1 59.9 3.8 13.6 Case5 5.833 26.3 62.5 66.7 4.2 11.6 Case6 10.356 25.1 80.7 85.5 4.8 8.6
0 15 30 45 60 75 90
0 2 4 6 8 10 12
熱源(W)
熱源面溫度(℃)
實驗值 模擬值
圖 2-8 散熱鰭片自然對流實驗與模擬對照圖
三、 熱電致冷器之性能
吸熱與放熱反應，因此可定義出冷端（Cold Side）與熱端（Hot side），把熱電致 冷器視為一個熱泵（Heat Pump）如圖 3-3。當有一電流通過熱電致冷器時，在冷 端會因為材料特性而吸熱（Q& ）C ，熱端會放熱（Q& ）H ；而整個系統會因為通入電R
在此以市售由碲化鉍（Bi2Te3）材料製成的熱電致冷器 TEC1-07103 為例，
圖 3-1 熱電致冷器示意圖
圖 3-2 熱電致冷器散熱系統
散熱器
熱電致冷器
發熱源
圖 3-3 熱電致冷器熱泵圖
表 3-1 熱電致冷器規格表
Part No. Dimension LxWxH(mm)
Couples Imax(A) Vmax(V) Qc max(W) △T max(℃)
TEC1 07103
30x30x4.8 71 3.00 8.1 16.40 68.0
3.2
熱電致冷器效率之實驗
為了了解熱電致冷器之效率，在此需要量取熱電致冷器之最大溫差、最大電 流與電壓及最大致冷量。
量測最大溫差時，首先需要把熱電致冷器的熱端維持在 27℃，而冷端絕熱。
在本實驗中，熱電致冷器的熱端緊貼一散熱鰭片，並以一風扇做強制對流，冷端 則包覆多層絕熱泡綿把熱損降到最低。另外在冷熱端各放一熱電偶線來量測溫 度，實驗設備配置如圖 3-4，散熱鰭片型式如圖 2-6。實驗步驟如下：
（1） 開啟風扇電源，開啟熱電致冷器電源。
（2） 熱電致冷器輸入初始電壓，此電壓不宜過大。
（3） 每 60 分鐘量取冷端及熱端溫度一次，當兩次溫度差小於 0.2℃時則視系統 已達穩態，並計算冷熱端溫差。
（4） 每次系統達穩態後電壓增加 0.2 伏特，並重複步驟（3）。
（5） 當冷熱端溫差隨著電壓增加而減小時，結束實驗。
（6） 冷熱端溫差減少前所量得的電流、電壓、冷熱端溫差即為最大電流、最大 電壓、最大溫差。
量測最大致冷量時，輸入上面量測到的最大電流，並且在冷端放置加熱片當 做發熱源使冷熱端皆維持在 27℃即可。實驗設備配置如圖 3-5。實驗步驟如下：
（1） 開啟風扇電源，開啟熱電致冷器電源。
（2） 熱電致冷器輸入最大電流。
（3） 加熱片輸入初始電流，每 60 分鐘量取冷端及熱端溫度一次，當兩次溫度 差小於 0.2℃時則視系統已達穩態，並計算冷熱端溫差。
（4） 每次系統達穩態後電壓增加 0.1 安培，並重複步驟（3）。
（5） 當冷熱端溫差為零時，結束實驗。計算加熱片對熱電致冷器冷端的熱通 量，此熱通量即為最大致冷量。
在本實驗中，使用加熱片來模擬熱源，最理想的狀況為所有熱量皆傳遞到銅
箔上，但實驗中熱量損失無可避免，在忽略熱輻射的前提下，當熱量輸入加熱片
溫差僅為 62.7℃，這是因為在冷端絕熱的部分僅是以多層絕熱泡綿包覆，無法完 全絕熱，使得冷端從外界吸熱，冷端溫度上升，最大溫差因此下降。
而在量測最大致冷量的實驗中，冷熱端皆只能維持在 45.7℃，比定義的 27
℃高，由式（3-11），量得的最大致冷量會比定義為高。由表 3-2（a），本實驗量 得的最大致冷量為 17.04W，比廠商規格中的 16.4W 高，符合理論計算。
圖 3-4 量測最大電流、電壓、溫差實驗配置示意圖 散熱鰭片
絕熱泡綿 熱端 冷端
TH
Tc
風扇
圖 3-5 量測最大致冷量實驗配置示意圖 散熱鰭片
加熱片 熱端 冷端
TH
Tc
風扇
表 3-2 熱電致冷器實驗規格對照表
組數 電壓(V) 電流(A) Th(℃) Tc(℃) △T(℃)
Case1 7.6 2.73 34.2 -27.2 61.4 Case2 7.8 2.82 34.5 -27.5 62.0 Case3 8.0 2.88 34.8 -27.4 62.2 Case4 8.2 2.95 35.0 -27.7 62.7 Case5 8.4 3.02 35.3 -27.3 62.6 Case6 8.6 3.09 35.6 -27.0 62.6
（a）量測最大電壓、最大電流、最大溫差。環境溫度為 27.5℃
電壓(V) 電流(A) Th(℃) Tc(℃) Q(W)
8.0 2.95 45.7 45.7 17.04
（b）量測最大致冷量。環境溫度為 27.8℃
Imax.(A) Vmax.(V)
Q& max. (W) △T max. (℃) C
廠商規格 3.00 8.1 16.40 68.0
實驗值 2.95 8.2 17.04 62.7
（c）實驗值與廠商規格對照
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
結束