第五章 結果與討論
5.3 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
本實驗探討熱電致冷器耗電量大小對 LED 照度提升的影響，以樣品 S1、S2、
S3、S4 做研究。首先觀察 S1 在 0.35A 之下，熱電致冷器對照度的提升，如表 5-4，此時 LED 的耗電量為 1.19W。在 LED 的溫度方面，熱電致冷器是斷路時，
此散熱系統僅靠散熱鰭片做自然對流，LED 溫度為 30.6℃。隨著熱電致冷器形 成通路，加大熱電致冷器的耗電量，LED 的溫度也逐漸下降，當熱電致冷器的 耗電量為 0.36W 時，LED 溫度達到 18℃。
在此需要注意的是此 LED 溫度並非晶粒界面的溫度，而是 PCB 板表面溫 度，因此實際的 LED 溫度將會比此溫度來的高，但是相對來說，LED 晶粒因熱 電致冷器而下降的溫度幅度與 PCB 板表面溫度下降的幅度是相同的。
接著觀察 LED 因熱電致冷器而提升的照度百分比，在表 5-4 中熱電致冷器 的相對耗電百分比即為熱電致冷器耗電量與 LED 耗電量的比例，由表中可看出 熱電致冷器消耗 29.85%的 LED 耗電量時，LED 照度僅提升了 4.55%，此結果對 於熱電致冷器應用於 LED 的效率來說是非常不理想的。
圖 5-4 顯示熱電致冷器相對耗電百分比與照度提升百分比的關係圖，圖中的 斜線為耗電百分比與照度提升百分比相同比例的 45 度線，由圖中可看出 S1 的曲 線在前半段有一小部份在此線上，而其他部分皆在此線以下。此現象說明了使用 熱電致冷器於 S1 時，在此線以上的部分為 LED 照度提升百分比大於熱電致冷器 耗電百分比，即是對於此系統來說這個部分的使用效益是正面的。
其次比較 S2 的實驗結果，S2 共使用了四種不同的耗電量來進行此部分的實 驗，分別為 0.66W、1.09W、1.19W、1.4W，實驗結果列於表 5-5。與 S1 的結果 相似，熱電致冷器形成通路後 LED 的溫度隨之下降，比較不同 LED 耗電量時可 發現，LED 耗電量越高時，在相同耗電量百分比之下 LED 溫度下降的幅度也越 高。圖 5-5 顯示 S2 的熱電致冷器相對耗電百分比與照度提升百分比，由圖中可 看出 LED 耗電量越高時，曲線有越多的部分落在 45 度線以上，即是 LED 耗電
量越高，熱電致冷器的效果越好。此結論與熱電發電電流實驗的結果一樣，當 LED 耗電量越高時，熱電效應越明顯。
比較 S3 與 S4 兩組實驗，S3 以兩種不同的耗電量，35.4W 及 42W，而 S4 則以 18.48W 來進行實驗，結果如表 5-6 及表 5-7 所示，圖 5-6 及圖 5-7 為熱電致 冷器相對耗電百分比與 LED 照度提升百分比。由實驗結果可看出與 S1、S2 相同 的結果，即 LED 耗電量對於熱電致冷器的效率有著絕對的影響。
圖 5-8 及圖 5-9 為 S2 及 S4 以提高 LED 耗電量來增加 LED 照度以及使用熱 電致冷器來增加 LED 照度的比較，圖中系統相對耗電百分比的數值，對有使用 熱電致冷器的 LED 來說是是以熱電致冷器斷路時之 LED 耗電量為基準；對無使 用熱電致冷器的 LED 來說是以 LED 的初始耗電量為基準。從 S2 來看，使用熱 電致冷器來增加 LED 照度的效果在系統相對耗電量 25%內比提高 LED 耗電量來 的好，超過 25%之後的效果則以提高 LED 耗電量較好，這是因為熱電致冷器的 效率在耗電量越大時會變差的原因；但在超過 25%後，雖然提高 LED 耗電量的 效果較好， LED 的溫度卻會過高而降低了 LED 的使用壽命，而此時以使用熱 電致冷器來提高 LED 照度的 LED 溫度反而比初始溫度還低。另外從 S4 來看，
使用熱電致冷器的效果在所有量測數據中皆優於提高 LED 耗電量，因此可知在 提高 LED 照度及使用壽命的前提下，以使用熱電致冷器來降溫的實用價值確實 較好。
圖 5-10 比較 S1、S2、S3、S4 在不同 LED 耗電量下熱電致冷器耗電量與照 度提升，首先觀察不同樣品在相同耗電量下的結果，當 S1 與 S2 的 LED 耗電量 都是 1.19W 時，S2 的曲線甚高於 S1，S1 在 1.19W 時大約與 S2 在 0.66W 時相近。
代表在 LED 相同耗電量時，使用熱電致冷器的效果 S2 優於 S1，這是由於 S1 與 S2 的封裝結構不同所致，S2 連接散熱端的熱傳效果優於 S1。
接著比較所有樣品的結果，由圖中可發現 S4 的效率明顯高於其他三者，大 約在熱電致冷器相對耗電量 10%以內對 LED 都有實用價值，其次最好是 S2 在 1.4W 下是在 4%以內有實用價值。
圖 5-11 表示熱電致冷器相對耗電百分比與 LED 溫度下降的幅度。從 S2 及 S3 的曲線可知同一 LED 樣品但不同耗電量時，耗電量高者降溫效果越好；而再 次比較 S1 與 S2 顯示不同 LED 樣品在相同耗電量之下，封裝結構也會影響熱電 致冷器的降溫效果。
比較整體的降溫效果，圖 5-11 與圖 5-10 相比，S4 並未大幅領先其他 LED 樣品，僅比最好的 S2 在 1.4W 時略高，由此可知熱電致冷器對於 S4 與 S2 的降 溫效果是相近的，而造成圖 5-10 中 S4 優於其他三者的原因可從圖 5-12 來分析。
圖 5-12 為 LED 溫度與照度提升比較圖，照度百分比是以 LED 在未使用熱 電致冷器時的照度為基準，而不同 LED 間的 LED 溫度因為測溫點的不同不能互 相比較。在此圖中主要是觀察 LED 溫度與照度提升曲線的斜率，由圖中可知 S4 對於溫度的敏感度高於其他三者，因此造成雖然熱電致冷器在相同耗電百分比 下，S4 的降溫效果與其他 LED 相似，但是照度百分比的提升卻大的多。由此可 得知熱電致冷器對 LED 效率的影響，除了封裝結構影響散熱與熱電致冷器的效 能外，LED 本身對溫度的敏感度也是一重要變因。
表 5-4 S1 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
LED 耗電量：1.19W
圖 5-4 S1 熱電致冷器耗電量與照度提升關係圖
表 5-5（a） S2 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
表 5-5（b） S2 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
LED 電流：0.3A LED 耗電量：1.09W 熱電致冷
器狀態
室溫
（℃）
LED 溫度
（℃）
LED 溫度下 降（℃）
LED 照度
（LUX）
熱電致冷器耗 電量（W）
斷路 21.1 70.8 0.0 722 0.00 21.0 67.1 3.7 732 0.00 20.9 60.2 10.6 754 0.13 20.9 56.5 14.3 766 0.29 21.0 53.8 17.0 774 0.48 通路
21.2 50.0 20.8 784 0.83
熱電致冷器狀態 LED 照度提升百分比（%） 熱電致冷器相對耗電百分比（%）
斷路 0.00 0.00
1.39 0.00 4.43 12.94 6.09 28.53 7.20 47.06 通路
8.59 80.88
表 5-5（c） S2 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
表 5-5（d） S2 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
LED 電流：0.4A LED 耗電量：1.4W 熱電致冷
器狀態
室溫
（℃）
LED 溫度
（℃）
LED 溫度下 降（℃）
LED 照度
（LUX）
熱電致冷器耗 電量（W）
斷路 20.9 91.1 0.0 842 0.00 20.9 86.2 4.9 860 0.00 20.7 77.4 13.7 890 0.14 20.6 74.1 17.0 904 0.31 20.9 70.4 20.7 916 0.53 通路
20.7 66.8 24.3 927 0.84
熱電致冷器狀態 LED 照度提升百分比（%） 熱電致冷器相對耗電百分比（%）
斷路 0.00 0.00
2.14 0.00 5.70 10.29 7.36 22.07 8.79 37.71 通路
10.10 59.64
0 30 60 90 120 150 180
0 30 60 90 120 150 180 熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
LED耗電量0.66W LED耗電量1.02W
LED耗電量1.19W LED耗電量1.4W
圖 5-5 S2 熱電致冷器耗電量與照度提升關係圖
表 5-6（a） S3 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
表 5-6（b） S3 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
表 5-7 S4 熱電致冷器耗電量與 LED 照度實驗結果
0 5 10 15 20 25
0 5 10 15 20 25
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
LED耗電量35.4W LED耗電量42W
圖 5-6 S3 熱電致冷器耗電量與照度提升關係圖
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
LED 耗電量：18.48W
圖 5-7 S4 熱電致冷器耗電量與照度提升關係圖
0 30 60 90 120 150 180
0 30 60 90 120 150 180 系統相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
系統相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
使用熱電致冷器-LED耗電量0.66W 使用熱電致冷器-LED耗電量1.02W
使用熱電致冷器-LED耗電量1.19W 使用熱電致冷器-LED耗電量1.4W
無熱電致冷器
圖 5-8 S2 系統相對耗電量與照度提升比較圖
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
系統相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
使用熱電致冷器 無熱電致冷器
圖 5-9 S4 系統相對耗電量與照度提升比較圖
0 30 60 90 120 150 180
0 30 60 90 120 150 180 熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED照度提升百分比(%)
S1-LED耗電量1.19W S2-LED耗電量0.66W S2-LED耗電量1.02W S2-LED耗電量1.19W
S2-LED耗電量1.4W S3-LED耗電量35.4W
S3-LED耗電量42W S4-LED耗電量18.48W
圖 5-10 熱電致冷器耗電量與照度提升對照圖
0 30 60 90 120 150 180
0 30 60 90 120 150 180 熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED溫度下降(℃)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30
熱電致冷器相對耗電百分比(%)
LED溫度下降(℃)
S1-LED耗電量1.19W S2-LED耗電量0.66W S2-LED耗電量1.02W S2-LED耗電量1.19W
S2-LED耗電量1.4W S3-LED耗電量35.4W
S3-LED耗電量42W S4-LED耗電量18.48W
圖 5-11 熱電致冷器耗電量與 LED 溫度下降對照圖
0 2 4 6 8 10 12 14
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
LED溫度(℃)
LED照度提升百分比(%)
S1-LED耗電量1.19W S2-LED耗電量0.66W S2-LED耗電量1.02W S2-LED耗電量1.19W
S2-LED耗電量1.4W S3-LED耗電量35.4W
S3-LED耗電量42W S4-LED耗電量18.48W
圖 5-12 LED 溫度與照度提升對照圖
六、 結論
本文研究熱電致冷器之實用性，以散熱器配合熱電致冷器及一發熱源在自然 對流下熱電致冷器之冷卻效果，並以實驗與數值模擬的結果相互比對。另外以熱 電致冷器應用於 LED 之散熱系統，以不同耗電量與型式之 LED 配合熱電致冷器 以提高 LED 之亮度，最後歸納結果如下：
1. 以熱電致冷器冷卻一發熱源時，熱端散熱器之散熱能力對於熱電致冷器的效 率影響極大。
2. 要使發熱源冷卻至越低溫，熱電致冷器之耗電量越高，因此在使用熱電致冷 器時需在耗電量與溫度上取得平衡點。
3. 熱電致冷器應用於 LED 有實質的好處，一方面可以 LED 之熱量發電，另一 方面可降低 LED 之溫度提高 LED 之照度及使用壽命。
4. LED 之封裝型式不同，熱電致冷器之冷卻效率亦不同，而 LED 之耗電量越 高，熱電致冷器之冷卻效果越好。
5. 不同 LED 對於溫度的敏感度不同，因此對於溫度下降時 LED 所提高的照度 百分比亦不同。
參考文獻
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[10] B.J. Huang, System dynamic model and temperature control of a thermoelectric
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