致冷晶片在冷熱風扇之應用 - 模組 - 國立虎尾科技大學

國立虎尾科技大學光電與材料科技研究所碩 士 論 文致冷晶片在冷熱風扇之應用Application of Electrical Fan using Thermoelectric Cooling Module 研 究 生：胡原麟指導教授 謝振榆中 華 民 國 103 年 1 月致冷晶片在冷熱風扇之應用研 究 生：胡原麟 Student：Yuan Lin Hu指導教授：謝振榆 Advisor：Jen-Yu Shieh國立虎尾科技大學光電與材料科技研究所碩士論文A Thesis Submitted to Department of Graduate Institute of Electro-Optical and Materials ScienceCollege of EngineeringNational Formosa Universityin partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of ScienceinGraduate Institute of Electro-Optical and Materials ScienceJanuary, 2014Huwei, Yunlin, Taiwan, Republic of China中 華 民 國 103 年 1 月1致冷晶片在冷熱風扇之應用學生：胡原麟 指導教授：謝振榆國立虎尾科技大學光電與材料科技研究所摘要本文以致冷晶片致冷，致熱，的功能為主要研究目標，並加以應用在日常生活中。從而利用此原理，設計製造出冷熱風扇原型，以期達到日常生活中所提倡 的 結 能 减 碳 ，攜 帶 便 利 ，與 使 用 安 全 的 目 的 ，來 改善日常生活中，人體因需要改變區域環境溫度，達到舒適感受的需求。由試驗得知，本裝置採用 TEC-12706-125，在裝置輸入 12V5A 的電源時可以使 TEC 晶片發揮適當效能，且不會影響使用壽命。另外得知防火棉在使用感測模組測試後，在隔熱效果上最佳。同時也可以在小區域的範圍內達到有效的升降溫效能。此成果可以應用在相關的結能减碳的需求。2Application of Electrical Fan using Thermoelectric Cooling ModuleStudent：Yuan Lin Hu Advisors：Jen-Yu S hiehDepartment of Graduate Institute of Electro-Optical and Materials ScienceNational Formosa UniversityAbstractResearch and application in human life to making cool and hart functions for TE-COOLER in this thesis. Follow the functions, making cooling module and achieve advocates knot can reduce air pollution, carry convenience, and use of safe.The experimental results of this study indicated that in put the power by 12V5A in cooler module ,TEC 12706-125 can proper performance and not affect life cycle with fire resistance cotton as sensor module. Cooler module also can have good functional in smaller setting area.3致謝首先誠摯的感謝指導教授謝振榆博士，指導與提攜在製冷晶片的相關技術。另外亦感謝在課堂中，不時細心教授我們專業知識的專業教授，與所有在本實驗中提供協助的人。4目錄摘要 .1Abstract .2致謝 .3目錄 .4表目錄 .7圖目錄 .7第一章 序論 91-1 前言 101-2 研究背景與動機 101-3 文獻回顧 10第二章 原理介紹 .142-1 製冷晶片 介紹 .142-1-1 原理 .142-1-2 昔貝克效應(Seebeck effect) .162-1-3 皮爾特效應(Peltier effect) .172-1-4 湯姆森效應(Thomson effect) .172-1-5 TE 系列晶片簡介 .18第三章 量測儀器與裝置架構 .193-1 量測儀器 193-1-1 紅外線測溫槍 .193-2 裝置系統架構 .2053-2-1 變攜式冷熱風扇的設計基本架構 203-2-2 便攜式冷熱風扇的實際組成架構與材料應用 22(1) 架構材料說明.22(2) 風扇介紹.233-3 系統裝置動作操作方式說明 .253-4 裝置參考數據介紹 .273-4-1 隔熱材的試驗數據273-4-2 TEC 12706 升降溫產品運用數據. 27第四章 結果與分析.284-1 隔熱材料隔熱性能驗證284-1-1 測試方法284-1-2 測試物質.294-1-3 隔熱材的測試結果.294-2 熱流分析.304-2-1 裝置熱流分析 3D 圖304-2-2 實際模擬314-2-3 風扇裝置啟動.324-2-4 裝置散熱流場狀態.344-3 風扇裝置測試.354-3-1 風扇(9cm+7cm)採用中間進風兩側吹風方式.354-3-2 風扇(9cm+7cm)採用兩側進風中間吹風式3664-4 實驗分析總結4-4-1 在裝置試驗結果分析 374-4-2 裝置組裝的選擇.374-4-3 實際使用.37第五章 結論與未來展望.405-1 結論.405-2 未來展望 40參考文獻. 41附錄一. 43英文大綱 .44簡歷 .517表目錄表 1-1 移動式冷暖氣 (專利編號 M276964)與便攜式冷熱風扇的比較11表 1-2 結合冷暖風扇(專利編號 TW 378981)與便攜式冷熱風扇的比較.11表 2-1 TE 系列晶片標準標號介紹.18表 2-2 現行常用 TE-COOLER 市場價格.18表 3-1 9CM 風扇性能表.23表 3-2 7CM 風扇性能表24表 3-3 TE-COOLER 實際溫度升降曲線圖表.27表 4-1 裝置測試1.35表 4-2 裝置測試2.368圖目錄圖 2-1 TEC 12706 致冷晶片實體圖.15圖 2-2 晶片本體.15圖 2-3 晶片內部示意圖15圖 2-4 Seebeck effect16圖 2-5 Peltier effect17圖 2-6 Thomoson effect.17圖 3-1 紅外線測溫槍.19圖 3-2 變攜式冷熱風扇基本設計圖.20圖 3-3 變攜式冷熱風扇冷風輸出效能圖.21圖 3-4 變攜式冷熱風扇熱風輸出效能圖.21圖 3-5 純銅散熱片.22圖 3-6 散熱風扇.22圖 3-7 304不鏽鋼229圖 3-8 9CM風扇圖23圖 3-9 9CM P-Q曲線圖24圖 3-10 實際變攜式冷熱風扇成品 3D 零件組成圖25圖 3-11 實際裝置成品圖26圖 3-12 實際變攜式冷熱風扇成品電路圖26圖 3-13 隔熱材料效果示意圖27圖 4-1 隔熱材測試示意圖28圖 4-2 防火棉.29圖 4-3 高密度泡棉.29圖 4-4 隔熱材料測試曲線圖29圖 4-5 熱流分析裝置 3D 圖30圖 4-6 熱流分析圖 1.31圖 4-7 熱流分析圖 2.31圖 4-8 熱流分析圖 3.32圖 4-9 熱流分析圖 4.33圖 4-10 熱流分析圖 534圖 4-11 測試示意圖135圖 4-12 測試示意圖23610圖 4-13 實 際 使 用 數 據 曲 線 圖 .38圖 4-14 試驗用Adapter 圖38圖 4-15 12V5A與 12V6A 輸 入 電 源 對 裝 置 的 影 響 差 異 圖 39第一章 序論1-1 前言本文以致冷晶片致冷，致熱，的功能為主要研究目標，並加以應用在日常生活中。從而利用此原理，設計製造出冷熱風扇原型，以期達到日常生活中所提倡 的 結 能 减 碳 ，攜 帶 便 利 ，與 使 用 安 全 的 目 的 ，來 改善日常生活中，人體因需要改變區域環境溫度，達到舒適感受的需求。由試驗得知，本裝置採用 TEC-12706-125，在裝置輸入 12V5A 的電源時可以使 TEC 晶片發揮適當效能，且不會影響使用壽命。另外得知防火棉在使用感測模組測試後，在隔熱效果上最佳。同時也可以在小區域的範圍內達到有效的升降溫效能。此成果可以應用在相關的結能减碳的需求。111-2 研究背景與動機傳統的區域降溫方法，無外乎安裝空調，或是使用大風量的風扇來做處理。空調在封閉或是半封閉環境下，可以有效的將區域溫度降溫。但當一個人使用，或是在全開放的空間中，除了耗費電源外，亦無法達到預期效果，設備購置成本也很高。所以當接觸到致冷晶片這產品時，得知可以通過電流的傳導，使兩面的溫度產生差異，就開始著手研究這項產品，發現此種物品體積小，輕巧，可應用在許多物品上面，因此開始深入的研究。1-3 文獻回顧訪間產品與本論文產品的比較(本論文產品暫定為便攜式冷熱風扇)坊間有各種類型的運用製冷晶片的冷熱風扇，其包括:(1)本國專利移動式冷暖氣 專利編號 M2769641其係加入冷熱晶片的致冷熱，與導管傳冷熱的運用，使得致冷致熱效果提高，此裝置可以更佳有效的將 TE-COOLER 應用，使其效益更加完善。該結構雖然具有良好的致冷熱功能，惟其採用超導管等價格較高的組件，以致商品組成複雜成本較高，因而缺乏商業競爭力。其優缺點比較如表 1-1 所示。優缺點比較 敘述說明12優點1.應用冷熱晶片2.冷熱輸出效能佳3能源消耗量低缺點1.零件價格過高2.機構組成較複雜,維修不便3.體積較大,無法隨身攜帶表 1-1 移動式冷暖氣 (專利編號 M276964)與便攜式冷熱風扇的比較(2)本國專利冷暖風扇 專利編號 M3789812該裝置其加入了 2 塊傳導罩，並利用一般風扇做為傳送冷/熱的工具。該裝置有加入了一般風扇與晶片之應用，使其功能更加強大，但要讓風扇吹出來的風能夠有效的感覺溫差，該致冷晶片的效能必須強大，自然成本就會高。其優缺點比較如表 1-2 所示。優缺點比較 敘述說明優點 1.將一般風扇與製冷晶片結合應用2.能源消耗量低缺點 1.價格過高.體積大2.不易安裝使用表 1-2 結合冷暖風扇 (專利編號 M 378981)與便攜式冷熱風扇的比較熱電致冷晶片(Thermoelectric Cooling Module)，及溫差發電晶片(Thermoelectric Power generating Module)，的理論基礎早在 19 世紀13初，即被科學家發現。西元 1821 年(約 180 年前)，德國科學家 Thomas Johann Seebeck (1770-1831)，發佈昔貝克效應 (Seeback Effect)，此效應為日後研發溫差發電晶片的基礎，隨後(1834)，法國 Jean Charles Athanase Peltier，也發佈了皮爾特效應(Peltier Effect)，此效應為日後研發致冷晶片的基礎。但是當時並無今日發展神速的半導體工業，科學家無法利用以上兩個效應來研發創造新的產品，一直到二十世紀時，蘇聯科學院半導體研究，所開始對期展開大量研究，在 1954 年發表成果，表明碲化铋化合物固溶體有相當良好的致冷效果，此為最早的熱電半導體材料，至今還是晶片中主要成分之一。直到 1960 年，,靠著半導體工業的配合，致冷晶片與發電晶片才問世。現今，日本和德國，都已開發出一款手錶，利用人體體溫，和外界環境溫度的差異，而產生電力來驅動。其中奧妙，在於利用冷熱晶片，利用兩端接觸不同溫度在內部迴路形成電流。另外，運用 TEC 原理，所設計出的冰箱，不需壓縮機，沒有噪音，也不會排放污染，極適合外出旅行。相同理論，日本久保田公司，利用工廠所發出的廢熱和冷卻水之間的溫差來發電，目前也正在成熟階段，值得期待。本論文將加以研究皮爾特效應與TEC 致冷晶片在相關產品上的應用與影響。14第二章 致冷晶片的原理2-1. Thermoelectric Cooler 的介紹 Thermoelectric Cooler，簡稱 TE-Cooler(如圖 2-1 為 TEC 12706)，所對應的名稱有很多，如熱電致冷模組(Thermoelectric Cooling Module)，熱電致冷晶片(Thermoelectric Cooling Chip)，致冷晶片，熱電致冷器(Thermoelectric Cooler)，皮爾特致冷器(Peltier Cooler), 皮爾特單體(Peltier Cell)，也有人稱它為熱泵(Heat Pump)。即是可以將熱能以及電能，作為相互轉換的熱電材料。此轉換稱之為可逆過程，此15過程又可分成，昔貝克效應(Seebeck effect 1821)，皮爾特效應(Peltier effect 1823)，及湯姆孫效應(Thomson effect 1851)，等三種。2-1-1 原理致冷晶片，是由N型半導體和P型半導體串連所組成的電偶對，在此電路中通電，或者造成兩者之間溫度差異，即會發生能量轉移效果。電流如果由N型半導體流向P型半導體時，接頭吸收熱能，即成為冷面，相反地，若是電流由P型半導體流向N型半導體時，接頭釋放熱能，成為熱面。而冷面與熱面的溫度大小，則是由電流大小來做決定。(圖2-2為致冷晶片的基本架構，紅色為N型半導體，藍色為P型半導體。圖2-3為致冷晶片的主要運作說明與內部示意圖)。熱電材料中包含有三個主要的效應，主要的電效應可分為三種：昔貝克效應(Seebeck effect)，皮爾特效應(Peltier Effect)，和湯姆森效應(Thomson effect)。圖 2-1 TEC 12706 致冷晶片實體圖16圖 2-2 晶片本體圖 2-3 晶片內部示意圖2-1-2 昔貝克效應(Seebeck effect 1821) 3 西元1823年，昔貝克發現在銅及鉍兩種不同金屬相接合成的線路上，當兩接點之間的溫度不同時，會產生電位差而出現電流，引發磁場改變，使指南針偏轉，這就是昔貝克效應 。此效應，就是熱能與電能之間的一種固態能量轉換方式21-24。如下圖 2-4 為昔貝克效應示意圖17圖 2-4 Seebeck effect 由昔貝克效應產生的電壓可以表示成：(2-1)SA和 SB是金屬 A 和 B 的昔貝克係數， T1和 T2是兩塊金屬結合處的溫度，昔貝克係數取決於溫度和材料的分子結構，如果昔貝克係數在實驗的溫度範圍內接近常數，以上方程式可以近似成：(2-2)2-1-3 皮爾特效應 (Peltier effect 1823) 41823 年，法國科學家皮爾特發現，當電流通過兩種不同的金屬導線時，在接合處會因電流所流的方向不同而產生放熱或者吸熱現象，,此現象即為皮爾特效應。18圖 2-5 Peltier effect 2-1-4 湯姆森效應 (Thomson effect 1851) 51851 年，William Thomson 發現，當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆森熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差，這一現象叫湯姆森效應。圖 2-6 Thomson effect 2-1-5 TE 系列晶片介紹(本文試驗所採用的晶片)致冷晶片型號編排的方式，各家製造商都各有不同，以下是中國大陸官方所發佈的型號編排準則，也是最常見的方式。19表 2-1 TE 系列晶片標準標號介紹TE 系列晶片11-20，在 1960 年靠著半導體工業的配合之下問市，但由於價格昂貴所以不普及，早期運用大多在軍市發展上，在 2000 年大陸開始生產，價錢才開始下降，並大量運用在民生用品上，目前市場上的價格約略如下表所示:表 2-2 現行常用 TE-COOLER 市場價格第三章量測儀器與裝置架構3-1. 量測儀器3-1-1 紅外線測溫槍 紅外線溫度計 infrared thermometer，測量溫度是使用從目標物上所20散發出的黑體輻射能量(通常是紅外線)，他們有時被稱為紅外線雷射溫度計。而雷射通常被用於幫助紅外線溫度計(或非接觸溫度計)從遠方測量溫度時，瞄準被測體上標的物所在位置的概略範圍。透過標的物上或物體上的溫度所發射出來的紅外能量，取得相當數量，可以經由紅外線溫度計快速地把溫度換算出來。基本設計原理包括，透過鏡片上聚焦的紅外能量探測器，經補償的周圍溫度變異，轉換能量成一個電子信號，以溫度單位被顯示出來。這種配置可從遠方，不需接觸被測物體來測量溫度。同樣地，紅外溫度計是多用於下述的情況來測量溫度，如不可能使用熱電偶 thermocouples 的地方，或其他探針類型感溫器 sensor 所無法接觸的場所，或是由於各種原因而無法準確量測溫度的數據。本次實驗則是採用標準版，溫度範圍 -32-320。圖3-1 紅外線測溫槍3-2 裝置系統架構3-2-1 變攜式冷熱風扇的設計基本架構(專利編號M466977)21圖3-2 變攜式冷熱風扇基本設計圖利用兩片銅的散熱片將TE-Cooler夾起，並且加入導熱膏加強傳遞溫度，中間加入隔熱材料防止兩邊的溫度傳遞，藉由風扇的吹送，將風經過H/S，利用冷熱晶片使需求端經由開關進行冷熱切換，則經過H/S的風會將H/S 所產生的冷(熱)傳導效能擴大，並發揮出來。其基本效能如下圖所示:22圖3-3 變攜式冷熱