前言

热电冷却器(Thermoelectric cooler, TEC) 是一种重要的微型制冷系统组成器件，其代表了利用电力泵送热量的最直接方式，具有可靠性高、封装集成灵活、重量轻、静音和环保等特点，因此热电冷却器在微电子系统、激光二极管、通信、医疗设备和精密仪器等领域得到广泛应用。在热电制冷系统设计和开发过程中，需要建立有效的方法来确定和优化TEC性能。目前最常用的方法是迭代法[1]，这种方法通过TEC的几何尺寸和热电特征参数（塞贝克系数、导热系数等）计算其冷却性能，但是上述参数随着TEC的制造工艺和材料的不同而变化，并且作为制造商的专有信息，设计人员大多无法获取，因此用迭代法确定或优化制冷性能无疑是很繁琐的。

图1 TEC结构（左）和实物图（右）

实验部分

1.样品准备

2.实验条件

实验仪器：仰仪科技BIC-400A等温量热仪；工作模式：功率补偿等温量热模式；标准匀热块：6061铝合金，120mm*80mm*10mm*2块；加热片参数：PI加热膜，120mm*80mm*0.3mm*2张，15.30Ω；环境温度：恒温25℃。

3.测试过程

图2 等温量热仪结构与制样装样过程

表1 实验设置参数表

实验结果

图3 TEC25℃恒流1A条件下输入&输出功率-时间曲线

图4 TEC功率和效率随工作电流变化曲线

TEC的热电效应主要由Joule热、Fourier热、Thomson热等组成[2]，空调与制冷行业经常使用COP(coefficient of performance)性能系数来表示TEC的使用效率，该参数为制冷功率(或制热功率)与输入功率之间的比值。

25℃恒流1A条件下TEC输入和输出功率-时间曲线如图4所示，TEC在恒温恒流工况下，输入功率较为稳定，输出功率(制热功率及制冷功率)在短暂的波动后也趋于稳定。

对比TEC 在25℃恒温，1A、1.5A、2.0A、2.5A下的测试结果，TEC功率和效率随工作电流的变化如图4所示。

随着工作电流的增大，TEC的制冷功率和制热功率都随之增大，但制冷效率和制热效率都随之减小，其主要原因是随着电流增大，在Thomson热增大的同时，Joule热也随之增大。

因此在TEC制冷系统中，一定范围内，可以通过增加工作电流的方式来实现增大制冷功率，但是与此同时要增加热面的散热;

但在满足制冷需求的基础上，为提高能源利用率，TEC系统工作的电流不宜过大。另一方面，不同工作电流下TEC的制冷效率都比制热效率低，主要受Joule热效应的影响。

图5 TEC功率和效率随工作温度变化曲线

结论与展望

利用BIC-400A等温量热仪便捷、准确地分析了TEC在不同工作电流或不同工作温度下，制冷/制热功率和效率变化，帮助TEC系统的选型设计。

相关结果帮助大众更清晰地了解TEC的工作原理，辅助TEC系统的设计选型和工作条件的优化。

并且，用同样的方法有望计算半导体器件的Peltier系数和Seebeck系数等半导体本征参数。

[1] Zhang H Y, Mui Y C, Tarin M. Analysis of thermoelectric cooler performance for high power electronic packages[J]. Applied thermal engineering, 2010, 30(6-7): 561-568.

[2] 陈树权,王剑,杨振等.Peltier系数的稳态法和瞬态法测量[J].物理学报,2023,72(06):343-355.