3-1 設計原理
本設計主要是藉由致冷晶片可加熱與致冷的特性，將兩片致冷晶片以堆疊 方式，將大致冷晶片放置於小致冷晶片上方，有效完全吸收小致冷晶片的熱能之 外，同時大致冷晶片搭配常溫水冷設備，有效散熱大致冷晶片熱源，以堆疊方式 致冷，致冷溫度可達零下負30°C，而加熱溫度則是控制在125°C以下，必免致冷 晶片燒毀。此外，設計出可控制溫度變化，提供適當瓦數給予致冷晶片，同時還 可以設定溫度、偵測溫度，還可連結電腦，設定多組不同時間與溫度的控制器 (Controller)。
控制器硬體訊號迴路如圖3-1所示，首先控制器開啟電源(Power)之前，溫度 頭(Thermal head)須先接上控制器，使溫度控制器(RB100)感應溫度，一旦發生無 法感應溫度，控制器會立即關閉電源，蜂鳴器會發出警訊。
控制器可自動控制、手動控制、電腦控制，首先介紹自動控制部份，此溫 度控制器可設4組不同時間與溫度，溫度控制器會依照預設之溫度，一方面偵測 銅轉接器(Copper adapter)的表面溫度，提供適當的電壓給予致冷晶片；手動部份 是強制加熱或冷卻、利用溫度感應提供，將致冷晶片效能發揮至極限，通常手動 是用來確認TEC是否有運作；電腦控制部份，則是與自動控制部份相同，藉由軟 體可以設定30組不同時間與溫度，同時記錄資料(data)，並即時顯示溫度頭溫度回 饋曲線圖。
13
Type TES1-031.50 TEC1-127.10T200 TEC1-127.30
Dimension (mm) 15 (L)× 15(W) ×
Computer OFF
Thermal switch
≥65°C
No temperature
圖3-1 控制器硬體訊號迴路設計。
OFF POWER Thermal switch
<65°C
Buzzer
Buzzer
Control
控制部份會依照溫控器，或電腦程式上的預設溫度，傳送適當的電壓與電流給 予致冷晶片，若發生溫度過高，或偵測不到溫度時，則會立即自動斷電，同時 在溫度頭的水冷頭(Heat-sink)上，裝置溫度開關(Thermal switch)，當水冷無做 循環動作，水冷頭溫度達65°C 以上，則會立即自動斷電，避免設備損毀；手 動部份則是強制加熱或冷卻，將致冷晶片的加熱與冷卻效能發揮至極限，一般 手動控制主要是確認致冷晶片是否有正常運作，建議作強制冷卻確認即可。
(3).水冷機：提供冷卻液給 Heat-sink，藉由水冷排有效降低水溫。
(4).軟體：紀錄 Thermal head 表面溫度 data，自動繪製曲線圖，還可設定 30 組不 同的時間與溫度。
3-3 自動溫控設備製程
自動溫控設備主要分為溫度頭、控制器、水冷機，主要硬體介紹如下：
(a) 溫度頭：
1. 致冷晶片：
提供冷、熱主要來源，如圖3-2 所示。
P&N Type
Pad
15
2. 銅轉接器與溫度感應器(Copper adapter & Thermal couple)：
傳導致冷晶片冷、熱源之平台，材質選用無氧銅，具有極高之電熱傳導性、
加工性、延展性、高純度，在高溫時不會產生氫脆化作用，表面鍍金避免氧化兼 具美觀；溫度感應器為感應溫度，如圖3-3所示。
3. 水冷頭(LIQUID HEAT EXCHANGER)：
散熱致冷晶片之熱面，如圖3-4所示。
銅轉接座 溫度感應器
圖3-3 銅轉接座與溫度感應器。
圖3-4 水冷頭。
(水冷蓋)HEAT EXCHANGE COVER
水冷頭
4. 溫度開關(IP405B-65,廣華電子,中國)：
水冷保護裝置，當水冷頭溫度達65°C 以上，便會關閉，如圖 3-5 所示。
溫度頭完成圖如下：
圖3-5 溫度開關。
溫度開關
致冷晶片
水冷頭
銅轉接座
17
(b).控制器
1. 電源供應器(Power supply, S50-12, 明緯,中國)：
此次選用致冷晶片電壓為15.4V，電流分別為10A、30A，最大致冷力分別 為88.9W、261.9W，一般輸入電壓約80%，避免電壓不穩定造成致冷晶片損毀，
所以12V即可驅動致冷晶片；因電源供應器需提供兩組電壓電流，為了避免電流 分散，故選用40A之電流。
2. 固態繼電器 SSR(KG-1025D/KG1040D,廣華電子,台灣)：
由於致冷晶片可正負電交錯之特性，可由致冷轉至熱，而固態繼電器即為 正逆轉裝置，如圖3-7所示。
3.溫度控制器(RB100,台裕,日本)：
由液晶面板設定預設溫度，同時顯示銅平台表面溫度，如圖3-8所示。
Power supply SSR
圖3-8 溫度控制器。
圖3-7 Power supply & SSR。
4.Relay(952-4C-12D,廣華電子,台灣)：
溫度開關與Relay串聯在同一條12V電源線上，只要Heat-sink溫度達65°以 上，溫度開關就會立即會關閉電源，此時Relay裡面的電磁鐵也會跟著跳離，切斷 控制器電源，如圖3-9所示。
控制器完成圖如下：
圖3-9 Relay。
3-10 控制器完成圖。
SSR Power Supply
Relay
RB100
19
提供Heat-sink 水冷來源，有效降低水溫，如圖 3-11 所示。
圖3-11 Chiller
沉水馬達 不鏽鋼水箱 水冷排
散熱風扇
第四章 結果與討論
4-1 實驗設備
本次實驗所使用的相關器材與設備簡述如下：
(1).加熱塊( Heater )
由電源供應器(Power supply)提供不同瓦數負載，產生熱源(圖4-1)。
(2).資料收集器(MX100, YOKOGAWA,日本) 連結電腦紀錄實驗資料 (圖4-2)，作進一步分析。
圖4-1 加熱塊與熱電偶。
Thermal couple
21
(3). 水冷機 (Chiller , 20B, 天統科學儀器,台灣)
控制水冷水流量與水冷溫度，水冷機是使用冷煤將水溫變低(圖4-3)。
(4). 單電壓式電源供應器 (WY-03C,維亞,中國) 提供電源給空冷散熱風扇(圖4-4)。
圖4-3 水冷機。
圖4-4 電源供應器。
(5). 微調式電源供應器(SPS-1820 18V/20A / SPS-2415 24V/15A , INSTEK,台 灣)：
提供電源給加熱塊與致冷晶片(圖4-5)。
(6). 氣冷式散熱系統
氣冷散熱系統乃是由風扇與散熱(UF3F3-500,建準,台灣) +散熱鰭排( Heat-sink )協 助小面積TE15致冷晶片散熱(圖4-6-a)。風扇(KD2405PHS2,建準,台灣)+散熱鰭排 協助大面積TE40或TEC50致冷晶片散熱(圖4--b)。
圖4-5 電源供應器
Fan
23
(b)
(7). 水冷頭(Thermal Head,穎崴,台灣) 協助致冷晶片散熱(圖4-7)。
圖4-6 散熱系統(風扇+ 散熱鰭排)。
圖4-7 水冷頭。
Fan
Heat-Sink
(8). 夾具(SLT夾具,穎崴,台灣) 固定Heat-sink、TEC(圖4-8)。
(9). 紅外線熱像儀(Ti10, Fluke,美國)
藉由紅外線溫度感應，檢視溫度分布(圖4-10)。
圖4-8 夾具。
Heater 夾具
25
(11). 微型試劑套組(03-230 Warsaw , PZ HTL S.A. , 波蘭) 吸取微量液體(圖4-10)。
圖4-10 微型試劑套組。
4-2 實驗結果分析
27
當致冷晶片冷面溫度低於零度以下，則會產生結霜現象，如圖4-13 所示。
隨後各別取TEC40 與 TEC50 致冷晶片，重覆上述水冷步驟各別記錄溫度變化。
致冷晶片TEC15、TEC40、TEC50 冷面無給予負載，散熱方式為氣冷、水冷(25°
C、15°C、10°C、5°C)，下圖 4-14~圖 4-15 為冷熱效率。
圖4-12 水冷實驗。
圖4-13 致冷晶片結霜。
水冷頭(Heat-sink)
(b) (a)
119.8°
110.7°
107.7°
104.6°
95°
5.6°
-3.9°
-9.3°
-12.4°
-14.1°
(b)
29
風扇在常溫下運作，溫度可低於水冷25°C，且 TEC15 致冷晶片最大致冷 瓦數僅10.9w，所以散熱表現比水冷常溫(25°C)好。
20°
-19.3°
-25.7°
-28.9°
-31.6°
57°
-25.2°
-30.7°
-33.2°
-35.6°
(b)
圖4-15 致冷晶片(a)TEC40 致冷效率;(b)TEC50 致冷效率。
(a)
氣冷、水冷(25°C、15°C、10°C、5°C)之實驗分析比較：採用氣冷散熱方 式在TEC40與TEC50致冷晶片上，由於致冷晶片TEC40= 88.9w與TEC50= 261.9w 兩款瓦數較大，氣冷無法有效散熱，造成熱面溫度過高，使熱面之熱源傳導至冷 面，容易達到熱平衡狀態，使致冷晶片無法發揮致冷效能。
由上述得知TEC40與TEC50此兩款瓦數較大，致冷晶片致冷時，氣冷無法 有效散熱，若再將致冷晶片改為加熱做功，風扇將會被大瓦數所產生的高溫燒 毀，就算搭載水冷設備也無法及時將負荷大瓦數加熱所產生的熱源，過大的熱源 可瞬間燒毀致冷晶片，所以在此，對於致冷晶片TEC40與TEC50則不做加熱實驗，
而設計自動溫控設備的加熱溫度也設定125°C以下的安全範圍內。
水冷散熱中可發現，若有效將致冷晶片熱面溫度散熱，不但不會發生熱平 衡現象，且致冷晶片可以發揮更低溫之效能。
4-2-3 熱負載與致冷效應
致冷晶片加負載(如圖4-16)，實驗操作方式同氣冷與水冷操作方式，但不變 化水流量，此時使用微調式電源供應器，分別提供3種瓦數之熱源給予加熱塊，
做為致冷晶片負載，時間設定5分鐘，分析致冷晶片之效能。
Heater TEC
31
91.1°
68°
39.7°
圖4-17 加熱塊不同熱源(3w、6w、9w)之致熱效率。
3.7°
-2.9°
-5.2°
-7°
17.7°
(a)
(b)
26°
21.8°
20.2°
19.7°
45.6°
15.3°
8.8°
6.5°
4.2°
31.4°
33
-23.3°
-24.9°
-28.6°
-18.1°
-20.9°
-23.3°
-27°
-16.4°
(a)
(b)
圖4-19 致冷晶片(TEC 40x40)對不同負載之致冷效率。(a)3W；(b)6W；(c)9W。
-14.2°
-16.9°
-21.4°
-24.4°
-21.6°
-27.4°
-31.4°
(c)
35
致冷晶片加負載之實驗分析比較：負載瓦數越大，產生熱能溫度越高，以 TEC15致冷晶片來說，最大致冷瓦數為10.9W，當瓦數提高至9W時，負載瓦數已 快與最大致冷瓦數相同，此時會造成熱平衡現象，無法達到散熱效果；反之，若
(a)
(b)
-19.1°
-24.2°
-28.2°
-30.8°
圖4-20 致冷晶片(TEC 50x50)對不同負載之致冷效率。(a)3W；(b)6W；(c)9W。
-15.4°
-20.7°
-24°
-27.7°
(c)
致冷瓦數高過於負載瓦數，即可有效散熱，所以選擇致冷晶片過程中，須先了解 負載溫度，再選用適當致冷瓦數之致冷晶片，才可有效達到散熱效果。
4-2-4 流量控制與致冷效應 (3). 變更水流量：
各別取TEC15、TEC40、TEC50致冷晶片，同水冷操作方式，分別控制出 水口球閥角度，變更水流量，水冷機每分鐘水流量請參閱表4-1，將球閥分為全開 (90°)、半開(60°)、微開(30°)之3種開啟方式，如圖4-21所示，共3組不同水流量實 驗，時間設定5分鐘，各別紀錄致冷晶片之溫度變化。
閘閥開啟角度 每分鐘水流量 水流經過 Heat-sink 每分鐘水流量 全開 90° 3150ml 1875ml 半開 60° 2825ml 1350ml 微開 30° 175ml 160ml
30°
表4-1 Chiller 水流量
出水口球閥
ON
OFF
37
致冷晶片TEC15、TEC40、TEC50，散熱方式為水冷(25°C) 控制水流量之散熱，
下圖4-22 為致冷晶片致冷效率。
(b) (a)
-10.7°
-11.9°
-12°
圖4-31 致冷晶片 40x40 控制水流量之致冷效率
-19.3°
-20°
-8.2°
(b)
控制水流量之實驗分析比較：水流速度並非越快越好，而是要搭配水冷頭 的渠道、寬度與水容量，由上述實驗中，水流量散熱最佳流速，是將閘閥開致60
°，即可發揮良好的散熱，當閘閥開致90°使流量增強通過渠道時，便發生水有迴 流阻礙，而無法發揮更好的散熱效果，倘若閘閥僅開30°，則是發生水流量過少，
無法有效將熱源帶走，所以也無法達到良好散熱之設定；一個良好的水冷頭設 計，須先考量散熱面積與散熱溫度，並搭配流速，才可設計出優良的渠道，進而 達到良好的散熱能力。
4-2-5 不同型態堆疊與致冷效應
致冷晶片堆疊方式如圖4-23，實驗操作方式同水冷操作方式，但不變化水
圖4-22 不同型態致冷晶片對同控制水流量之致冷效率。(a)TEC15；(b)TEC40；(c)TEC50。
-25.2°
-25.6°
-19.7°
(c)
39
致冷晶片TEC 15 雙堆疊、TEC15 與 TEC40 雙堆疊、TEC15 與 TEC50 雙堆 疊、TEC 40 與 TEC 50 雙堆疊、TEC 15 與 TEC 40 與 TEC 50 三堆疊+水冷(25°C)，
下圖4-24~圖 4-28 為致冷晶片致冷效率。
圖4-24 致冷晶片 TEC 15 雙堆疊之致冷效率。
4.9°
圖4-23 致冷晶片堆疊方式。
-18.8°
-20.5°
-23°
-25.1°
圖4-25 致冷晶片 TEC 15、TEC 40 雙堆疊之致冷效率。
-20.5°
-22.7°
41
圖4-27 致冷晶片 TEC 40、TEC 50 雙堆疊之致冷效率。
圖4-28 致冷晶片 TEC 15、TEC 40、TEC 50 三堆疊之致冷效率。
-21.6°
-31.6°
-33.8°
-35°
-28.6°
-22°
-26°
-23.1°
致冷晶片堆疊之實驗分析比較：致冷晶片瓦數越大，熱面溫度則會越高，
是成正比的現象，以致冷晶片TEC 15為例，當相同大小的致冷晶片堆疊，由於上 層發出最大致冷瓦數為10.9W，下層卻發出相同10.9W的熱源，此種狀況下冷端 與熱端能量即相互抵消，迅速達到熱平衡，而無法有效達到散熱效果。
致冷晶片TEC 15與TEC 40堆疊、TEC 15與TEC 50堆疊、TEC 15與TEC 40 與TEC 50堆疊，TEC 15致冷晶片冷面最低溫度分別為25.1°C、25.9°C、26°C，此 現象是由於TEC 15致冷晶片冷面已達極限，縱使熱面再給予更低溫的散熱，冷面 溫度不會再往下降，仍維持25~26°C。
TEC 40致冷晶片搭配常溫水冷，冷面溫度達-25.2°C，而TEC 50致冷晶片搭 配常溫水冷，冷面溫度達-19.3°C，但若將兩者堆疊+常溫水冷，於5分鐘內，冷面
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4-3-2 Thermal Head+ PDMS 之 PCR 溫度循環測試結果分析
精準的溫控設備可運用在細胞培養上，將PDMS細胞培養皿放置於Thermal
精準的溫控設備可運用在細胞培養上，將PDMS細胞培養皿放置於Thermal