冷蔵庫やCPU冷却で耳にするペルチェ素子とは?簡単に紹介します。

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素材

最近、
また暑くなりましたね。

本当に、

暑いですよね。

 

作業しやすいように
暑さ対策をしようと
思っているんですよ。

いいですね。

工場扇とか

スポットクーラーとか

ですか?

関連記事
 

一人一人に渡したいので

「ネックファンにしようかな?」
と思っています。

なるほど。

でも、色んな種類があって

迷っています。

あー、確かに色々
種類ありますもんね。

そうなんです。

しかも最近では、

『ペルチェ冷却装置搭載』
とか良く分からない
ものもあります。

あー、確かに
最近増えた気がしますね。

そうなんです。

そもそも
『ペルチェ冷却』自体

良く分からないですし。

なるほど。

『ペルチェ冷却』とは

『ペルチェ効果』を利用した
冷却方法のことです。

写真を見た感じだと、
冷却プレートが付いてる
ネックファンという理解で
大丈夫ですか?

厳密には違いますが、

現状ではそれで

大丈夫です。

ただ、
『ペルチェ冷却装置』が
数十分で自動OFFする
ネックファンが多いので
よく確認して下さい。

えっ!
そうなんですか。

確認してみます。

という、やりとりがありました。

テーマ

今回は、『ペルチェ素子』
について簡単にわかりやすく
紹介していきたいと思います。

 
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ペルチェ効果とは?

そもそも、

『ペルチェ効果』って

なんですか?

私の分かる範囲での

説明になりますが

大丈夫ですか?

よろしくお願いします。

まず、『ペルチェ効果』
ですが、JIS規格で

3-5-13 ペルチェ効果
異種の導体(又は半導体)の
接点に電流を通すとき、接点で
ジュール熱以外に熱の発生
又は吸収が起こる現象。
引用:JIS C 5600-電子技術基本用語

と定義されています。

どういうことですか?

簡単に説明すると、

Point

2種類の異種金属や半導体の接触面に
直流電流を流すと、接触面に冷却面と
発熱面が発生する現象のことです。

 

第一話「ゼーベックとペルチェは、どちらが有名?」
参考: 熱電おもしろ話-株式会社KELK

なるほど。

2種類の導体に電流を
流すと冷却面と発熱面に

分かれるんですね。

でも、なんで
『ペルチェ』なんですか?

『ペルチェ』の由来は、

Point

フランスの物理学者
ジャン・シャルル・ペルチェに
よって発見された現象だからです。

 

『ペルチェ』は発見者の
名前なんですね。

ちなみに、

Point

直流電流の方向を変えると、
冷却面と発熱面が反転します。

 

へー。
すごいですね。

何と何の金属を使うと
効率が高いんですか?

 

実は、

Point

現在実用化されている効率の良い
『ペルチェ素子』は、金属ではなく

  • p型半導体
  • n型半導体
  • 金属電極

の3種類で作られています。

 

素子ってなんですか?

電気回路に使う部品だと
思ってもらえば
十分だと思います。

金属の代わりに半導体を
使っているんですね。

『ペルチェ素子』は、他にも
『サーモモジュール』
『ペルチェモジュール』
などとも呼ばれています。

色んな呼び名が

あるんですね。

ところで、p型や
n型とはどういう
意味なんですか?

p型半導体のpは、

Point

positive(ポジティブ)で
n型半導体のnは、negative
(ネガティブ)の頭文字です。

 

へー。

そうなんですね。

ペルチェ効果とは?
  • 2種類の異種金属や半導体に
    直流電流を流すと、冷却面と
    発熱面が発生する現象のこと。

  • フランスの物理学者
    ジャン・シャルル・ペルチェに
    よって発見された現象。

  • 直流電流の方向を変えると、
    冷却面と発熱面が反転する。

  • 実用化されている効率の良い
    『ペルチェ素子』は、
    p型半導体とn型半導体・
    金属電極の3種類で作られている。

  • p型半導体のpは、positive
    n型半導体のnは、negative
    の頭文字。
 

ペルチェ素子と原理

では、『ペルチェ素子』の
p型半導体やn型半導体に
ついて詳しく教えて下さい。

『ペルチェ素子』に使う

Point

p型半導体は、シリコン単結晶の
半導体に、ホウ酸やインジウム
といった不純物を添加したものです。

 
 

ホウ酸のような
不純物を添加すると
どうなるんですか?

シリコンの単結晶に

Point

ホウ酸を添加すると一ヵ所電子が
入っていない『ホール』と呼ばれる
空席ができます。

 

p型半導体
参考:第1章 半導体の基礎-
   東芝デバイス&ストレージ株式会社

はぁ・・・。

次はn型半導体ですが、

Point

これもシリコン単結晶にリンや
ヒ素・アンチモンといった
不純物を添加したものです。

 

n型半導体
参考:第1章 半導体の基礎-
   東芝デバイス&ストレージ株式会社

リンのような
不純物を添加すると
どうなるんですか?

シリコンの単結晶に

Point

リンを添加するとリンが持っている
電子の内の1個が余ってしまい、
自由電子ができます。

 

自由電子って確か、

物質の中を
自由に動き回れる
電子のことですよね。

そうです。

そして、

Point

電圧をかけると、この自由電子が
+極に引き寄せられ、移動することで
電流が流れます。

 

なるほど。

なぜ電流が流れると
冷却面と発熱面が

できるんですか?

まず、

Point

『ペルチェ素子』に電流を流すと、
n型半導体の下側から上側の電極を
通り、p型半導体の下側に流れます。

 

ふむふむ。

そして、

Point

電流が流れると、自由電子は
エネルギーとともに、
電流の逆方向へ移動します。

 

ふむふむ。

そして、
この自由電子が

Point

n型半導体の上側から下側へ
移動すると、上側のエネルギーが
不足するので温度が下がり、
反対に下側は、温度を放出するので
温度が上がります。

 

p型半導体は、

どうなんですか?

p型半導体は、
『ホール』が同様の
働きをします。

なるほど。

だから、電流を流すと
冷却面と発熱面に
分かれるんですね。

ペルチェ素子と原理
  • 『ペルチェ素子』に使う
    p型半導体は、シリコン単結晶に、
    ホウ酸やインジウムといった
    不純物を添加したもの。

  • ホウ酸を添加すると一ヵ所
    電子が入ってない『ホール』
    と呼ばれる空席ができる。

  • n型半導体は、シリコン単結晶に、
    リンやヒ素・アンチモンといった
    不純物を添加したもの。

  • リンを添加すると電子が1個
    余ってしまい、自由電子ができる。

  • 電圧をかけると、自由電子が
    +極に引き寄せられ、移動する
    ことで電流が流れる。

  • 『ペルチェ素子』に電流を流すと
    n型半導体の下側から上側の電極を
    通り、p型半導体の下側に流れる。

  • 電流が流れると、
    自由電子はエネルギーとともに
    電流の逆方向へ移動する。

  • 電子がn型半導体の上側から下側へ
    移動すると、上側のエネルギーが
    不足するので温度が下がり、下側は
    温度を放出するので温度が上がる。

 

ペルチェ素子の特徴と注意点

『ペルチェ素子』の
特徴について
教えて下さい。

一般的に、

Point

『ペルチェ素子』の特徴は、

  • 温室効果ガスが発生しない
  • 構造が簡単
  • 小型軽量
  • 振動騒音がない
  • 冷却と加熱の両方ができる
  • 温度調整が簡単

などがあります。

 
 

どんな用途で使用されて

いるんですか?

色々ありますが、

Point

ホテルや病院の冷蔵庫・レジャー用の
クーラーボックスやCPUの冷却とか
半導体分野では、精密温度調整装置・
除湿器や赤外線センサーの冷却など
様々な分野で使用されています。

 

主に冷却に使用されて
いるんですね。

『ペルチェ素子』って
どれくらいまで
冷却できるんですか?

実は『ペルチェ素子』は、
注意が必要で

Point

冷却面と発熱面の温度差は一定で、
熱エネルギーを移動するだけなんです。

 

どういうことですか?

簡単に説明すると

Point

冷却面と発熱面の温度差が20℃MAXの
『ペルチェ素子』の場合だと、冷却面を
20℃にすると発熱面は40℃になります。

 

ということは、
冷却面を0℃にしたい場合、
発熱面を20℃にする
必要があるんですね。

そのとおりです。

発熱面を室温より
低い温度にするのは

簡単じゃないですね。

なので、

Point

『ペルチェ素子』の発熱面を
ファンやヒートシンク・チラーなどを
使って冷却してあげないと、
きちんと冷却することができません。

 

なるほど。

また、

Point

『ペルチェ素子』は、かける電圧や
電流を単純に大きくすれば
冷たくなるものではありません。

 

決められた温度差以上に

することは無理なんですね。

しかも、

Point

電圧・電流の値を大きくしすぎると、
発熱量が放熱量を上回ってしまい、
冷却面の温度が、逆に上昇して
しまいます。

 

単純に、
電流値を大きくすれば、
冷たくなるわけでは
ないんですね。

そうなんです。

ネックファンについている
ペルチェ素子の放熱方法も
調べてみます。

ペルチェ素子の特徴と注意点
  • 『ペルチェ素子』は、
    温室効果ガスが発生しない・
    構造が簡単・小型軽量・
    振動騒音がない・
    冷却と加熱の両方ができる・
    温度調整が簡単などの特徴がある。

  • ホテルや病院の冷蔵庫やCPU冷却
    とか精密温度調整装置・除湿器や
    赤外線センサーの冷却など
    様々な分野で使用されている。

  • 『ペルチェ素子』の冷却面と
    発熱面の温度差は一定で、
    熱エネルギーが移動するだけ。

  • 『ペルチェ素子』の発熱面を
    ファンやヒートシンク・
    チラーなどで冷却しないと、
    きちんと冷却できない。

  • 電圧・電流の値を大きく
    しすぎると、発熱量が放熱量を
    上回ってしまい、冷却面の
    温度が、逆に上昇してしまう。

 

ペルチェ冷却とコンプレッサ冷却の違い

先ほども話に出たように、

最近『ペルチェ冷却方式』の
冷蔵庫とか増えましたよね。

確かに多くなった

気がしますね。

一般的な冷蔵庫とは

何が違うんですか?

まず、

Point

一般家庭で使用されている冷蔵庫は、
エネルギー効率が高く、
冷却スピードが早い
『コンプレッサー冷却方式』
が主流なんです。

 

ということは、
『ペルチェ冷却方式』
の方が、冷却能力は

低いということですね。

そうなんです。

Point

『コンプレッサー冷却方式』に比べ、
『ペルチェ冷却方式』は冷却能力が
低いので、冷蔵庫のドアを一度
開けてしまうと、再び冷やすのに
相当なエネルギーが必要になります。

 

ということは、

必然的に小型の冷蔵庫

しかないということですね。

その通りで、今は
容量が70Lまでしか
ありません。

大きいと電気代が
かかりすぎるので

容量が70Lまでの小型
冷蔵庫が多いんですね。

しかも、

Point

庫内温度が5℃までしか下げられず、
冷凍庫もありません。

 

冷凍庫ないんですか!

しかも、5℃って

野菜室ぐらいの
温度じゃないですか!

そうなんです。

ただ、

Point

『ペルチェ冷却方式』の冷蔵庫は、
運転音が静かなので、ホテルや
旅館の客室などで保冷庫として
多く使われています。

 

確かに、ホテルの

冷蔵庫は、キンキンに

冷えない気がします。

でも、
『ペルチェ冷却方式』の

冷蔵庫は静かだから
ホテルや旅館の寝室で
使われているんですね。。

そうなんです。

でも中には

Point

使用している排熱ファンの
種類によって、うるさく感じる
冷蔵庫もあるようなので
注意して下さい。

 

排熱ファンの音の
大きさまでは
気が付きませんでした。

他にも、

Point

『ペルチェ素子』の品質によって
冷却能力が変わるので、
よく確認してから購入することを
お勧めします。

 

分かりました。

ペルチェ冷却とコンプレッサ冷却の違い
  • 一般家庭で使用されている
    冷蔵庫は、冷却スピードが早い
    『コンプレッサー冷却方式』
    が主流。

  • 『ペルチェ冷却方式』の方が
    冷却能力が低いので、冷蔵庫の
    ドアを一度開けてしまうと、
    再び冷やすのに相当な
    エネルギーが必要。

  • 『ペルチェ冷却方式』
    の冷蔵庫は、庫内温度が5℃まで
    しか下げられず、冷凍庫もない。

  • 『ペルチェ冷却方式』の冷蔵庫は、
    運転音が静かなのでホテルや
    旅館の客室などで保冷庫として
    多く使われている。

  • 使用されている排熱ファンの
    種類によって、うるさく感じる
    冷蔵庫があるので注意が必要。

  • 『ペルチェ素子』の品質によって
    冷却能力が変わるので、
    よく確認してから使用する。

 

まとめ

『ペルチェ素子』は、『ペルチェ効果』を
利用した半導体素子です。

冷却能力は、まだまだ
『コンプレッサー冷却能力』
に及ばないですが、
特定フロンや代替フロンなど温室効果ガスの
発生や人体への有害性が無いことから
冷却及び発電向けの研究が活発化しており、
今後の展開が注目の電子部品です。