ペルティエ素子

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ペルティエ素子

ペルティエ素子(ペルティエそし、: Peltier device)とは、電子部品のひとつで、熱電素子の一種である。各種の冷却装置に使用されている。サーモ・モジュールペルチエ素子ペルチェ素子と表記することもある。

名前の由来は、その原理を発見した物理学者ジャン=シャルル・ペルティエにちなんだもの。

原理[編集]

ペルティエ素子の構造例。上下の放熱板の間に、金属電極とp型およびn型半導体がπの字型に交互に連結されている。

2種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へが移動するというペルティエ効果を利用した板状の半導体素子。直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面に発熱が起こる。電流の極性を逆転させるとその関係が反転する。また温度制御が可能なばかりでなく、温度差を与えることで電圧を生じさせることもでき、これをゼーベック効果という。

吸熱量Qcは次式で表される[1]

ここで、πc = (αpn)Tcはペルティエ係数、αp, αnゼーベック係数Tcは素子の低温側温度、Rは抵抗、Iは電流、Kは熱コンダクタンス、ΔTは高温側と低温側の温度差である。

ペルティエ素子の性能は最大吸熱量Qmax、最大電流Amax、最大電圧Vmaxで表される。印加電圧が大きくなると発熱量が増えて冷却効率が悪くなるため、最大電圧の50-60%が最適電圧といわれる。

材料としてはp型およびn型のビスマステルル系半導体などが用いられる[1]

複数重ねることで熱の移動量を増やせる。

応用[編集]

コンピュータCPU冷却、車などに乗せる小型冷温庫、医療用冷却装置などに使用されている。通常使われる素子の占有面積は0.1-100 mm2、吸熱量は0.5-1000 W程度である[1]

利点[編集]

家庭用の電気冷蔵庫エアコンに使用される逆カルノーサイクルを使う冷却方法と比較して、以下の特長がある[1]

  • 装置の体積が小さく装置の小型化が容易
  • 騒音・振動を発生しない
  • 電流の制御により吸熱をコントロールでき、高精度・高応答性の温度制御に適している(半導体レーザーの精密温度調など)
  • 極性を変えることで加熱にも使用可能

欠点[編集]

  • ヒートポンプ等と比較して冷却効率は劣る[1]
  • 移動させる熱以上に素子自体の放熱量が大きいため、冷却メカニズムとしては電力効率が悪い[要出典]
  • 吸熱側で吸収した熱と消費電力分の熱が放熱側で発熱するため、他の熱交換機を使用し放熱する必要がある[1]
  • 熱交換とは異なり熱移動であるため、排熱側の十分な冷却を行わないまま負荷をかけ続けると、吸熱側の冷却効率が落ちるばかりでなく素子自体が破損・焼損することがある[要出典]
  • はんだ付けなどで組み立てられている場合、加熱・冷却を繰り返す際に破損するおそれがある[1]

製造メーカー[編集]

  • KELK(日本)
  • アイシン精機(日本)
  • 岡野電線(日本)
  • クレオサーモ(ロシア)
  • ジーマックス=旧フジタカ(日本)
  • ノルド(フォローテック(日本)子会社)(ロシア)
  • フェローテック(日本)
  • マーロー(アメリカ)
  • メルコア(アメリカ)
  • ヤマハ(日本)
  • オーム電機(日本)
  • 京セラ(日本)

脚注[編集]

[脚注の使い方]
  1. ^ a b c d e f g 日本機械学会編 『伝熱工学資料』(5版) 丸善、2009年、258-259頁。ISBN 978-4-88898-184-2 

関連項目[編集]

外部リンク[編集]