熱電冷却

熱電冷却は、ペルチェ効果を利用して、 2 種類の異なる材料の接合部に熱流を発生させます。ペルチェ冷却器、ヒーター、または熱電ヒートポンプは、電流の方向に応じて電気エネルギーを消費し、デバイスの片側から他の側へ熱を移動させるソリッドステートアクティブヒートポンプです。このような機器は、ペルチェデバイス、ペルチェヒートポンプ、ソリッドステート冷蔵庫、または熱電冷却器( TEC )とも呼ばれ、熱電電池と呼ばれることもあります。加熱にも冷却にも使用できますが、^{[1]実際には、より単純なデバイス (}ジュール熱を使用) でより効率的に加熱できるため、主な用途は冷却です。加熱または冷却を行う温度コントローラーとしても使用できます。

この技術は、蒸気圧縮冷凍に比べると冷凍にはあまり応用されていません。蒸気圧縮冷凍機と比較したペルチェ冷却器の主な利点は、可動部品や循環液がないこと、寿命が非常に長いこと、漏れがないこと、サイズが小さいこと、形状が柔軟であることです。主な欠点は、一定の冷却能力に対してコストが高いことと、電力効率が悪いことです (性能係数(COP) が低い)。多くの研究者や企業が、安価で効率的なペルチェ冷却器の開発に取り組んでいます (熱電材料を参照)。

ペルチェクーラーは、熱電発電機としても使用できます。クーラーとして動作する場合、デバイス全体に電圧がかかり、その結果、両側に温度差が生じます。発電機として動作する場合、デバイスの片側がもう片側よりも高い温度に加熱され、その結果、両側に電圧差が生じます (ゼーベック効果)。ただし、設計とパッケージングの要件が異なるため、適切に設計されたペルチェクーラーは平凡な熱電発電機になり、その逆も同様です。

熱電冷却器はペルチェ効果（熱電効果を構成する3つの現象の1つ）によって動作します。^[2]熱電モジュールは、導体、脚、基板の3つのコンポーネントで構成されており、これらのモジュールの多くは電気的に直列に接続されていますが、熱的には並列に接続されています。^[2] DC電流がデバイスを流れると、片側からもう一方の側へ熱が伝わり、片側は冷たくなり、もう片側は熱くなります。

「高温」側はヒートシンクに取り付けられているため、周囲温度に保たれ、低温側は室温より低くなります。特殊な用途では、複数のクーラーをカスケード接続または段階的に接続して温度を下げることができますが、全体的な効率 (COP) は大幅に低下します。あらゆる冷却サイクルの最大 COP は、最終的には、希望温度 (低温側) と周囲温度 (高温側) (ヒートシンクの温度) の差によって制限されます。温度差 (デルタ) が大きいほど、理論上の最大 COP は低くなります。

異なる電子密度を持つ必要があるため、 n 型とp 型の2 つの独自の半導体が使用されます。交互に配置された p 型と n 型の半導体ピラーは、熱的には互いに平行、電気的には直列に配置され、次に両側で熱伝導プレート (通常はセラミック) と結合されるため、別の絶縁体が不要になります。2 つの半導体の自由端に電圧が印加されると、半導体の接合部を横切って DC 電流が流れ、温度差が生じます。冷却プレート側が熱を吸収し、半導体によってデバイスの反対側に熱が輸送されます。

ユニット全体の冷却能力は、すべての柱の合計断面積に比例します。柱は、多くの場合、必要な電流を実用的なレベルまで下げるために電気的に直列に接続されています。柱の長さは、側面間の熱抵抗が大きい長い柱と、電気効率が大きい短い柱のバランスで決まります。短い柱は、熱伝導によって熱い側から冷たい側へ熱が漏れやすくなります。温度差が大きい場合、長い柱は、別々の徐々に大きなモジュールを積み重ねるよりもはるかに効率が悪くなります。各層は、上の層によって移動された熱と層の廃熱の両方を除去する必要があるため、モジュールは大きくなります。

熱電材料に対する要件: ^[4]

• 室温で動作するためバンドギャップが狭い半導体。
• 高い電気伝導性（廃熱源となる電気抵抗を低減するため）
• 熱伝導率が低い（そのため、熱は熱い側から冷たい側に戻らない）；これは通常、重い元素につながる
• 大きな単位セル、複雑な構造。
• 高度に異方性または高度に対称性がある。
• 複雑な構成。

高効率TECシステムに適した材料は、低い熱伝導率と高い電気伝導率を兼ね備えていなければなりません。異なる材料の組み合わせによる複合効果は、システムの効率の尺度であるZTと呼ばれる性能指数を使用して比較されるのが一般的です。ZTの式は以下の通りです。ここで、はゼーベック係数、は電気伝導率、は熱伝導率です。^[5]${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \kappa }$

$${\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }$$

熱伝導率と電気伝導率の関係は通常は正の相関関係にあるため、TEC用途に適した材料はほとんどありません。熱輸送の減少と電気伝導率の向上は、材料科学研究の活発な分野です。半導体として使用される一般的な熱電材料には、テルル化ビスマス、テルル化鉛、シリコンゲルマニウム、およびアンチモン化ビスマス合金があります。これらのうち、テルル化ビスマスが最も一般的に使用されています。熱電冷却用の新しい高性能材料の研究が活発に行われています。^[6]

数十年にわたり、ビスマス、テルル、およびそれらの化合物などの狭バンドギャップ半導体が熱電対の材料として使用されてきました。

熱電冷却器の大半は冷却側にIDが印刷されています。^[7]これらのユニバーサルIDは、隣の図に示すように、サイズ、段数、カップル数、およびアンペアでの電流定格を示しています。^[8]

たとえば、一般的な熱電素子 TEC1-12706 は、40 mm のサイズと 3～4 mm の高さの正方形で、数ドルで購入できます。6 A の電流で約 60 W を動かすか、60 °C の温度差を生成できます。電気抵抗は約 1～2 オームです。

TEC のさらなる研究を促す要因としては、炭素排出量の低減や製造の容易さなど、数多くあります。しかし、いくつかの課題も生じています。

TEC システムの大きな利点は、可動部品がないことです。機械的な摩耗がなく、機械的な振動やストレスによる疲労や破損による故障が減るため、システムの寿命が延び、メンテナンスの必要性が減ります。現在の技術では、平均故障間隔 (MTBF) は常温で 100,000 時間を超えます。^[9]熱電素子の状態は、AC 抵抗 (ACR) の変化で測定できます。摩耗すると、ACR が増加します。^[要出典]

TEC システムが電流制御されているという事実は、別の一連の利点につながります。熱の流れは印加された DC 電流に正比例するため、電流の方向と量を正確に制御することで熱を加えたり除去したりできます。抵抗加熱法やガスを伴う冷却法を使用する方法とは対照的に、TEC では熱の流れ (制御対象のシステムに入る熱と出る熱の両方) を同等に制御できます。この正確な双方向の熱流制御により、制御対象システムの温度は 1 度未満の精度で制御でき、実験室環境ではミリケルビン (mK) の精度に達することがよくあります。^[10]

TEC デバイスは、従来のデバイスよりも形状の柔軟性に優れています。従来の冷蔵庫よりも狭いスペースや厳しい条件の環境でも使用できます。形状をカスタマイズできるため、非常に狭い領域に正確な冷却を施すことができます。これらの要因により、コストや絶対的なエネルギー効率が主な懸念事項ではない、厳しい要件が求められる科学およびエンジニアリング アプリケーションでは、TEC デバイスが一般的な選択肢となっています。

TECのもう一つの利点は、その動作に冷媒を使用しないことです。段階的に廃止される前は、クロロフルオロカーボン（CFC）などの初期の冷媒がオゾン層の破壊に大きく寄与していました。今日使用されている多くの冷媒も、地球温暖化係数^[11]などの重大な環境影響を及ぼしたり、その他の安全上のリスクを伴ったりします。^[12]

TECシステムには、いくつかの顕著な欠点があります。第一に、従来の蒸気圧縮システムと比較してエネルギー効率が限られていることと、単位面積あたりに生成できる総熱流束（熱流量）に制約があることです。^[10] このトピックについては、以下のパフォーマンスのセクションでさらに詳しく説明します。

ペルチェ（熱電）の性能は、周囲温度、高温側と低温側の熱交換器（ヒートシンク）の性能、熱負荷、ペルチェモジュール（サーモパイル）の形状、およびペルチェの電気的パラメータの関数です。^[7]

移動できる熱量は電流と時間に比例します。

${\displaystyle Q=PIt}$ここで、Pはペルチェ係数、Iは電流、tは時間です。ペルチェ係数は温度と冷却器の材質によって異なります。1 アンペアあたり 10 ワットの大きさが一般的ですが、これは次の 2 つの現象によって相殺されます。

• オームの法則によれば、ペルチェモジュールは廃熱を自ら生成し、

${\displaystyle Q_{waste}=RI^{2}t}$ここで、R は抵抗です。

• 熱はモジュール自体の内部の熱伝導によって高温側から低温側へ移動し、温度差が大きくなるにつれてその効果は強くなります。

その結果、温度差が大きくなるにつれて、効果的に移動される熱が減少し、モジュールの効率が低下します。廃熱と逆方向に移動する熱が移動した熱を上回ると温度差が生じ、モジュールは冷たい側をさらに冷却するのではなく、加熱し始めます。単段熱電冷却器は、通常、熱い側と冷たい側の間で最大70℃の温度差を生み出します。^[13]

パフォーマンスに関するもう 1 つの問題は、その利点の 1 つである「小型であること」から直接生じます。これは、次のことを意味します。

• 熱い側と冷たい側が互いに非常に近い（数ミリメートル離れている）ため、熱が冷たい側に戻りやすくなり、熱い側と冷たい側を互いに絶縁することが難しくなります。
• 一般的な40 mm × 40 mmのパネルは60 W以上、つまり4 W/cm ²以上の熱を発生し、熱を逃がすために強力なラジエーターが必要となる。

冷凍用途では、熱電接合の効率は従来の方法（蒸気圧縮冷凍）に比べて約4分の1です。理想的なカルノーサイクル 冷凍機の効率は約10～15％（COP 1.0～1.5）で、従来の圧縮サイクルシステム（圧縮/膨張を使用する逆ランキンシステム）では40～60％です。 ^[14]この効率の低さから、熱電冷却は一般に、固体であること（可動部品がない）、メンテナンスの手間が少ないこと、サイズがコンパクトであること、および方向の影響を受けないことが純粋な効率を上回る環境でのみ使用されます。

従来の方法よりは効率は低くなりますが、以下の条件を満たせば十分な効率が得られます。

• 温度差をできるだけ小さく保ち、
• 移動した熱と廃熱の比率（高温側と低温側で温度が同じ場合）が となるため、電流は低く抑えられます。${\displaystyle {\frac {Q}{Q_{waste}}}={\frac {P}{RI}}}$

ただし、電流が低いということは移動する熱量も少ないことを意味するため、実用上は性能係数は低くなります。

熱電冷却器は、ミリワットから数千ワットの範囲の熱除去を必要とする用途に使用されます。飲料用クーラーのような小型の用途から、潜水艦や鉄道車両のような大型の用途まで、さまざまな用途に使用できます。

ペルチェ素子は、消費者向け製品によく使用されています。例えば、キャンプ用品、ポータブルクーラー、電子部品の冷却、マットレスパッド睡眠システム、小型機器に使用されています。また、除湿器で空気から水分を抽出するためにも使用できます。キャンプ/車用（12V）電気クーラーは通常、周囲温度より最大20℃（36℉）低い温度まで温度を下げることができます。これは、太陽の下で車が45℃に達した場合、25℃です。温度調節ジャケットはペルチェ素子を使用し始めています。^{[15] [16]}

熱電冷却器は、コンピュータ部品を冷却して温度を設計限度内に維持したり、オーバークロック時に安定した動作を維持したりするために使用できます。ヒートシンクまたはウォーターブロックを備えたペルチェ冷却器は、チップを周囲温度よりはるかに低い温度に冷却できます。^[17]第10世代以降の一部のIntel Core CPUは、熱電冷却と液体熱交換器を組み合わせて、標準的な液体冷却で通常可能なよりもはるかに優れた冷却性能を実現するIntel Cryoテクノロジーを使用できます。局所的な環境条件は、結露によるショートを防ぐために電子的に監視されます。^[18]

熱電冷却器は工業製造の多くの分野で使用されており、これらの工業製品が市場に投入される前に何千サイクルもの実行テストに直面するため、徹底した性能分析が必要です。用途には、レーザー機器、熱電空調機または冷却器、産業用電子機器および通信、^[19]自動車、小型冷蔵庫またはインキュベーター、軍用キャビネット、ITエンクロージャなどがあります。

レーザーまたはコンポーネントの波長が温度に大きく依存する光ファイバーアプリケーションでは、ペルチェ クーラーがフィードバック ループ内のサーミスタとともに使用され、一定の温度が維持され、デバイスの波長が安定します。

戦場での軍事使用を目的とした電子機器の中には、熱電冷却式のものがある。^[要出典]

ペルチェ素子は科学機器に使用されています。これは、変性、プライマーのアニーリング、および酵素合成サイクルのために反応混合物を急速に加熱および冷却する必要がある一般的な分子生物学技術であるポリメラーゼ連鎖反応 ( PCR ) による DNA 合成に使用されるサーマル サイクラーの一般的なコンポーネントです。

フィードバック回路を備えたペルチェ素子を使用すると、必要な温度を ±0.01 °C 以内に保つ非常に安定した温度コントローラを実装できます。このような安定性は、環境温度の変化によるレーザー波長のドリフトを回避するために、精密なレーザー アプリケーションで使用できます。

この効果は衛星や宇宙船で利用されており、直射日光によって機体の片側で生じる温度差を減らすために、熱を冷たい日陰の側で放散させ、そこから熱放射として宇宙に放散します。^[20] 1961年以来、一部の無人宇宙船（火星探査車キュリオシティを含む）は、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する放射性同位体熱電発電機（RTG）を利用しています。この装置は、高エネルギー放射性物質の崩壊によって燃料を得るため、数十年も使用できます。

ペルチェ素子は、電離放射線を可視化する霧箱の製造にも使用されます。電流を流すだけで、ドライアイスや可動部品を使わずに蒸気を-26℃以下に冷却できるため、霧箱の製造と使用が簡単になります。

天体望遠鏡、分光計、または非常に高性能なデジタルカメラのCCDなどの光子検出器は、多くの場合、多段の^[21]カスケード冷却構成で配置されたペルチェ素子によって冷却されます。これにより、熱ノイズによるダークカウントが削減されます。ダークカウントは、ピクセルが光子ではなく熱変動によって発生した電子を記録したときに発生します。暗い場所で撮影されたデジタル写真では、これらはスペックル（または「ピクセルノイズ」）として発生します。^[要出典]

これらは、エネルギー分散型分光計でセンサー結晶を冷却するためにも 使用され、大型の液体窒素デュワー瓶の必要性を排除します。

1955年頃、RCA研究所はペルチェ効果を利用して冷蔵庫と空調設備を備えた小さな部屋を作った。^{[22] [23]} これらは研究のデモンストレーションであり、製品化には至らなかった。エアコンは、CEOのデイビッド・サーノフが研究者に挑戦状をたたきつけるために頼んだ「誕生日プレゼント」の一つだった。主任研究者の一人はニルス・E・リンデンブラッドだった。

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