保温保冷装置之设计及研制

1、保溫保冷裝置之設計及研製組員：李佳錦、曹美足、王俊涵、黃千祐、李競祐 德霖技術學院機械工程系在職專班二技097A指導老師：王岱淇 老師摘要 本計畫以實際設計製作與實驗量測數值探討各項參數之輸入選用，對系統效能之影響，藉以規劃出具備實用性能之保溫保冷裝置；其核心乃是憑藉熱電元件-致冷晶片之特性經由電器化而具體呈現。 致冷晶片是由具有熱電能量轉換特性的材料,目前是由碲化鉍等材料做成的半導體. 二極體組成, 兩面為陶瓷基板。當兩面溫度發生差異時會產生電壓差. 相反的. 若施以直流電流. 則兩面會發生溫差.一面發熱, 另一面發冷。其設備體積小，無機械轉動，溫度容易控制等優勢，近年來因其半導體製造技術的

2、快迅發展和各種優質半導體材料的不斷被研究問世, 受到科學家的注目與青睞，被視為未來國防航太醫療等特殊領域之應用的新契機。 本裝置之內側結構設計以致冷晶片為中心，載以一適當尺寸的散熱片模組傳遞溫度，並輔以一組散熱風扇施以中高低三段轉速調節對流，為系統保護之基本設備。而其輸出側則同時使用一金屬平面為其基座，作為溫度轉移輸出的平台，系統邊界上以鎖附螺絲固定的方式緊密建構出完整系統架構，當系統工作時，利用施加特定的輸入電流與輸入電壓，使致冷晶片兩側產出最大溫度傳遞，得到預期之效能。依據實驗結果探討影響系統輸出之結果，與有關致冷晶片特性之規格與參數，系統的電流大小，平板材料，風扇效能，使用容器材料（陶磁

3、及金屬）及其容量等因素。本專題研究首已對此類致冷晶片之參數進行分析與篩選，並採用可行性較佳之組合進行實驗試作，藉此瞭解在不同參數配置下，相同的致冷晶片之電氣特性與系統輸出；最後更配合電路板設計應用可以多段式獲得系統輸出結果之調整，在實際應用上可作為同類產品之比較與驗證，並可據以得到出較佳之設計組合形態，藉此瞭解其系統輸出之溫度差分佈情況，以利建構一完整分析，希望本專題研究提供一相當有用之工程設計或改善建議，以利製作相關溫控產品之參考，並有助於未來科技生活與生活電器提供一可靠之熱電應用技術。一、前言在我們生活中，夏天喝冰冷飲的時候，常常因為沒有在短時間內喝完，待飲品靜置一段時間就變回常溫，而當冬

4、天想喝熱飲，也是放沒多久就易變冷，目前市面上有販售保冷效果的產品大多體積大、攜帶不易，因此針對此部份而構想設計出實用行性大，攜帶方便同時兼具保溫、保冷功效的杯墊。本裝置設計所應用之熱電致冷晶片於19世紀初與溫差發電晶片(Thermoelectric Power generating Module)，首次被科學家發現，建立其的理論基礎。西元1821年德國科學家Thomas Johann Seebeck (1770-1831)發佈塞貝克效應(Seeback Effect)此效應為日後研發溫差發電晶片的基礎。1834年，法國錶匠Jean Charles Athanase Peltier也發佈了珀爾帖

5、效應(Peltier Effect)此效應為日後研發致冷晶片的基礎。溫差電是研究溫差和電之間關係的科學，溫差電現象發現後將近一個世紀，並未得到實際應用，原因是金屬的溫差電效應非常微弱。至二十世紀30年代，蘇聯物理學家約飛提出採用半導體材料作爲溫差電換能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，爲溫差電技術的實際應用奠定理論與技術基礎。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。它是由許多N型和P型半導體顆粒互相排列而成，而N/P之間以導體相連接，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片兩側夾層。50年代初期，利用PbTe和Sb2Te3材料分別作N、P 臂的單級溫差電致冷器

6、的最大溫差約40 ，以後人們發現Bi2Te3及其固熔體合金是最有希望的溫差電致冷材料。70年代以後，由於陶瓷工藝、半導體材料製備方法、切割工藝及焊接技術等的進步使溫差電致冷得到飛速發展。迄今爲止，已實用化的性能最佳的溫差電致冷材料爲Bi2Te3Sb2Te3Sb2Se3贋三元合金，最大優值達3.5103/，用這種材料製作的單級致冷元件的最大溫差可達到70 以上。目前熱電材料主要應用於熱電致冷器與熱電發電機，由露營用的手提冷卻器、汽車內的車用冰箱、電腦的CPU散熱器、廢熱回收系統到太空科技的半導體發電晶片都可以看到其應用的蹤跡。二、研究目的本專題研究主要目的是瞭解致冷晶片應用於設計時，其相關參數對

7、其系統輸出及實用性能之影響，因此在研究第一部分設計了可調旋鈕作為電流調整開關，可分為三段，其中，首段電流為7安培，中間段為安培，末段為5安培，可比較電流輸入之影響效應，第二部分選用二組不同材料之容器，其包含不銹鋼杯，鋁杯，可比較容器材質傳導溫度差異的影響效應，第三部份對容量進行調整，分別以，三項參數進行實驗，可以比較因容量變異對系統輸出效能的影響，綜合以上各項結果，從而瞭解不同性能特性所需之結構設計參數，藉以構成一套完整而有系統之設計參考。在溫度量測上，本專題研究是利用雙模組溫度表，其量測範圍可至，其中實驗之電流由電錶重覆確認，同時以輸出之液體溫度與時間作為實驗量測值之比較與驗證，並藉由其實驗

8、結果分佈製成溫升曲線圖，以建構一完整分析，希望藉此研究能提供一相當有用之設計建議，以利其未來製作相關產品之參考。三、文獻探討雖然致冷晶片優點眾多，但目前利用熱電材料製成的裝置其效率 (<5%) 仍遠比傳統冰箱或發電機小。所以若能大幅提升這些熱電材料的效率，將對廣泛用於露營的手提式致冷器，太空應用和半導體晶片冷卻等產生相當重要的影響。家庭與工業上的冷卻將因熱電裝置無運動的零件是全新的，堅固的，安靜的，可靠的，且不必使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物。可靠且安靜。電熱材料需要有高導電性以避免電阻所引起電功率之損失。同時亦需具有低熱傳導係數以使冷然兩端的溫差不致因熱傳導而改變。材料的熱電效率可

9、定義一熱電優值 (Thermoelectric figure of merit) ZT 來評估:ZT = S2T/其中S 為熱電勢 (thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T 為絕對溫度， 為電導率(electrical conductivity)， 為熱傳導係數(thermal conductivity)。為了有一較高之熱電優值，ZT，一材料必需有高的熱電勢(S)，高的電導與低的熱導。要增加普通材料之ZT 相當困難，因為當導電度增時熱導也跟著增加。 正因為如此，在過去25 年裡，ZT 的提高的進展非常有限。目前電熱材料的選擇可依其運作溫度分

10、為三類，其ZT 隨溫度的變化,其中:一 碲化鉍 (Bismuth telluride) 及其合金: 這是時下被廣為使用於熱電致冷器的材料，低溫其最佳運作溫度(< 450 )。二 碲化鉛 (Lead telluride) 及其合金: 這是時下被廣為使用於熱電產生器的材料，其最佳運作溫度大約為1000 。三 矽鍺合金 (silicon germanium): 此材料亦常應用於熱電產生器，其最佳運作溫度大約為1300 。事實上，碲化鉍 (Bi2Te3) 一直是具有最高之ZT，如Bi2Te3 在室溫下之ZT 0.52，而銻doped 之Bi2Te3 - Bi0。5Sb1。5Te3 的ZT 則為1

11、.0 。碲化鉍固溶液如同碲化鉍和硒化鉍都是層狀化合物，他們皆含由共價鍵結的五原子網狀結構 (Te-Bi-Te-Bi-Te 或 Se-Bi-Se-Bi-Se)層，而層與層之間的鍵結僅是微弱的凡德瓦爾力 (Van der Waals)。碲化鉍和硒化鉍乃固態熱電致冷器所用之主要物質，若能其熱電優質提高數倍以上，則固態熱電致冷器可以與傳統的冰箱競爭。MIT 之Hicks 和Dresselhaus 提出若能在Bi2Te3 層狀物質的層中放入絕緣層，ZT 可以增加為三倍。這些熱電材料的改進，將對廣泛用於露營的手提式冷卻器，太空應用和半導體晶片冷卻等產生相當重要的影響。家庭與工業上的冷卻將是全新的，堅固的，

12、安靜的，可靠的，且不必使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物。由於相關研究尚在起步階段，理論與實務皆有很大的研究空間。四、研究方法本實務專題在散熱片之結構設計上，以Heat Sink增加表面積與散熱係數用於製作可能熱端之散熱保護裝置，並加裝風扇期能提高致冷晶片之效能，致冷晶片是採用國內天地能源溫控行之TEC1-127.10型號，晶片外型採用正方形設計（尺寸均為40´´ mm），兩面最大溫差為67，上端面皆以一金屬輸出溫度平台，兩者之間並有塗佈適量之散熱膏密實貼緊接觸，下端面則配置一散熱模組，輔以散熱風扇，形成防止晶片燒壞裝置，並藉由電路系統控制啟動晶片，進行實驗。其中電路設計包

13、含變壓系統，致冷晶片電路系統，穩壓系統，風扇控制系統，以及溫控系統。容器材質包含鋼、鋁、陶瓷。容量選定為100 、150、 200 CC。溫度量測器為DH-3004工作範圍為-2001372。 1.溫度測量計採CPU設計，可靠性高，最高最低溫度紀錄，清晰易讀，自動關機，低電顯示。(DH-3004工作範圍為-2001372)，請參看表(1)。表(1) 摘錄自 DIYhome 橋鑫五金工具網2.電路設計 12V電源供應器電路圖如圖(1)所示，基本電路原理為變壓器T1將110伏特降壓到12伏特交流電，經過橋氏整流器D1到D4變為直流電壓，電解電容作為調整濾波用途，IC的內部線路將輸入電壓調整為12V

14、的輸出電壓。整機系統: 請參看圖(1)，其中又包含有(a)變壓系統-如圖(2)，(b)輸出系統-如圖(3)，(c)溫控系統-如圖(4)。變壓系統溫控系統電路系統電流控制鈕圖(1) 整機系統圖(2) 變壓電路圖(3) 輸出電壓電路系統圖(4) 溫控系統 整個系統設計圖, 如圖(5) 。圖(5)系統設計圖3.晶片SPEC: TEC1-127.104.系統堆疊圖:5.實驗內容 (A)空機晶片之實驗溫差性能 (B)容器材質-溫升對照 (C)容量-溫升對照 (D)電流大小之溫差影響本專題主要進行步驟如下所述：1相關技術文獻及專利資料蒐集及研讀。2致冷晶片效能與尺寸的選定及採購。3致冷晶片、散熱片與散熱風

15、扇、金屬輸出平台組合之疊層結構的設計及製造。4容器材質之選定與採購。5致冷晶片實際輸出溫度之量測。6容器容量與溫度差之分析。7成果分析及報告撰寫。五結果與討論(A).晶片功能實驗-輸出結果:(A-1)(A-2)(A-3)圖(6)-晶片功能測試結果 由圖(6)可知，當本系統在無液體負載，單純就晶片效能而言，本系統已接近晶片載明之標準工作輸出效能。(於五分鐘內使溫降20)(B).容器材質差異之實驗溫差結果: 如表(2)表(2) 容器材質-溫升對照表 由實驗結果表(2)可知, 容器材質的特性,將影響溫度的傳遞與保持, 因此我們可由下表(3)知道, 必須選擇較高熱傳導係數之材料, 才能提升效能。其中因

16、鋁材料熱傳導係數高又易於取得，故建議使用。表(3) 材料之熱傳導係數(C).容量差異之實驗溫差結果: 如圖(4)表(4) 容量-溫升對照表圖(7)由表(4)與圖(7)結果可知，當液體容量大於200 CC以上，本系統溫升速度略有下降，因此當使用於較大容量時，建議將時間加長，以獲取較佳溫度。(D).電流差異影響:(D-1)(D-2)圖(8)圖(8) 為相同容器材質與相同液體容量在不同電流7A、6A、5A之下，其結果之差異；電流愈高愈接近晶片工作電流標準，其溫升或溫降速度將愈大，但當電流超過其標準範圍其速度將趨於下降。由以上的實驗結果得知,當使用本系統作為直接加溫或降溫之效益在容量100cc時，可於五六分鐘內將飲品溫度向上提升至4550(平均曲線)，即一般便利商店販賣熱飲之溫度；亦可於五六分鐘內將飲品溫度向下降至1820(平均曲線) ，即一般便利商店販賣冷飲之溫度。同時電流較大時，裝置效能愈快速達到預定溫度，而容器材質不同時，傳熱性能愈佳也可使裝置