TEC科普小课堂丨 半导体制冷器两侧热阻如何显著影响制冷性能？
欢迎来到TEC科普小课堂！本期小将详细介绍说明半导体制冷器两侧热阻对半导体制冷性能的影响。如果你对文章内容有所疑问，或者想要了解更多的TEC知识，欢迎在评论区留言~
01 什么是热阻？
简单来说，热阻是物体对热量传递的阻碍程度。对于半导体制冷器而言，其两侧热阻主要来源于与之接触的导热材料、界面间的接触热阻以及外部的散热环境等。
▲ 制冷单元简图
上图是制冷单元的结构简图：整个单元由半导体制冷器、两侧导热材料、散热器和风扇组成。对于使用者来说，重点需要关注制冷单元两侧的温度及制冷量。其中制冷单元两侧温度受导热材料的导热性能影响，当导热材料的热阻较大时，会阻碍热量的传递。因此，热阻对半导体制冷系统的关键参数有着不可忽视的影响。
02 热阻对重点参数的影响
以标准件TEC-12706为例：
1.热阻对冷热端温度（Tc/Th）及温差（DT）的影响：如图，将制冷量（Qc=10W）、制冷单元两侧温度(Th’=50℃，Tc’=20)设为固定值时，可见半导体制冷器作为 “障碍”在导热材料内部形成了温度梯度。增大热阻，热侧温度升高，冷侧温度下降，温度梯度增大，半导体制冷器的两侧温差也会增大。
▲ 半导体制冷器两侧温度及温差随热阻变化曲线图
2.热阻对制冷量（Qc）的影响：如图，将输入电流（I=3A），制冷单元两侧温度(Th’=50℃，Tc’=20)设为固定值时，增大热阻，电功耗上升，制冷量下降。可见在一个半导体制冷系统中，增大热阻，会使温差增大，进而导致制冷量的下降。相反，减小热阻可以提高热量传递效率，迅速移除冷端热量，从而增加制冷量。
▲ 制冷量及功耗随热阻变化曲线图
3.热阻对制冷效率（COP）的影响：制冷效率（制冷量与输入功率的比值）是衡量半导体制冷器性能的重要指标。如图将制冷量（Qc=10W）、制冷单元两侧温度(Th’=50℃，Tc’=20)设为固定值时，随着热阻增加，电功耗随之上升，COP随之下降。可见在一个半导体制冷系统中，如果两侧热阻增加，温度梯度会增大，为了保持制冷单元冷侧温度不变，并达到同样的制冷效果，需要增大输入功率，那么COP就会随之下降。
▲ 制冷效率随热阻变化曲线图
03 冷/热端热阻仿真实验
当我们在组装半导体制冷器时，为了将其固定在目标平面并保证热量最大化的导通，会采用涂抹导热硅脂、锡膏焊接或贴装导热垫片等方式。不同导热材料的热阻和它的厚度、导热系数和横截面积都息息相关。下面来进行一组仿真实验：测试在冷侧/热侧添加热阻对半导体制冷性能的影响程度。
以标准件TEC-12706为例：
本次仿真实验设定输入电流3A，冷侧热负荷为10W，导热垫片厚度0.3mm，导热系数为5W/（m•k）,热侧温度为50℃（如贴装导热垫片则为外表面环境侧温度），半导体制冷器尺寸为39.7*39.7mm。由于导热垫片自身存在热阻，故可分为四个仿真组： ①无热阻；②冷侧加热阻；③热侧加热阻；④双侧加热阻。请滑动图片查看四种不同状态下的仿真结果。
由实验结果可知：双侧无热阻状态能保证热量顺畅导通。在冷侧添加热阻，冷侧温度略有上升，但幅度较小；在热侧添加热阻，冷侧温度有明显上升，说明热阻已经影响到了热量传递；在双侧都添加热阻后，冷侧温度达到最高。综上可知：当半导体制冷器热侧存在热阻时，对热量的传递影响最大。
04 降低热阻-优化TEC性能
至此我们验证了TEC两侧热阻（尤其热侧）的波动会影响TEC的性能稳定性。因此维持热阻的稳定性非常重要，重点需要做到以下几点：
1.优化导热材料：选用高导热性的材料，如铝、铜等，降低热阻。
2.改善界面接触工艺：通过表面处理、增加接触压力等方法，减少界面间的接触热阻。
3.强化外部散热设计：采用高效的散热器、风扇等，提高散热效率，降低热阻。
通过本节课我们认识到：在设计半导体制冷器时，除了合理选择符合需求的TEC型号，有效降低两侧热阻也是提升制冷性能的关键。只有综合考虑这些因素，才能实现高效、稳定的制冷效果。
