ペルチェ冷却ユニットとは
ペルチェ冷却ユニットとは、ペルチェ素子を用いて、製品に冷却機能を与えるための装置をまとめたユニットです。
ペルチェ効果とは、異なる2つの金属の間において、直流電流が流れる際に生じる発熱や冷却現象を指します。1834年にこの現象を発見したフランスの物理学者 ジャン・シャルル・アタナゼ・ペルチェにちなんで命名されました。
ペルチェ冷却ユニットの使用用途
ペルチェ冷却ユニットは、ペルチェ効果を利用した冷却装置で使われています。具体的には、自動車に搭載された保冷・保温ボックス、ホテルの客室などに設置される小型の保冷庫、医療用冷蔵庫、パソコンのCPUの冷却ユニットなどです。
一般的な冷蔵庫は、冷媒とコンプレッサを使った気化熱の原理によって冷却効果を得ています。ペルチェ冷却ユニットは、気化熱を使った装置よりも冷却能力は劣りますが駆動部分がないため、高い静音性があり、振動も発生しません。
霜の付着がなく、装置全体をコンパクトに仕上げることができます。そのため、ペルチェ冷却ユニットは、以上のようなメリットを活かせる製品に用いられています。
ペルチェ冷却ユニットの原理
ペルチェ冷却ユニットは、ペルチェ効果を使った冷却装置です。ペルチェ効果の基本原理は、異なる2つの金属の間に直流電流を流すと、2つの金属の接合部分において、吸熱現象と発熱現象が生じるというものです。また、電流の向きを変えると、吸熱と発熱の現象も逆に起こるようになります。
この効果を起こすものがペルチェ素子で、ペルチェ素子に電流を流す装置までまとめたものが、ペルチェ冷却ユニットになります。現在のペルチェ素子は2つの金属ではなく、n型半導体、金属、p型半導体を、セラミックなどの2枚の基板で挟み込む構造によって、吸熱面と発熱面ができるような仕組みになっています。
n型半導体は純粋なシリコンの結晶に不純物を混ぜて電子が余ったもの、p型半導体は逆に不純物によって電子が不足した正孔と呼ばれる穴を生じさせたものです。電子が余っていたり不足していることによって、電圧が付加された際に自由電子が移動し、電流が流れます。
また、ペルチェ素子は冷却する一方で、発熱する面もあります。この発熱面にはヒートシンクやファンなどを使い、熱を放出される必要があります。
ペルチェ冷却ユニットの選び方
ペルチェ冷却ユニットは、装置が求める冷却効果が得られるように、適切な冷却能力を持つユニットを選定する必要があります。ペルチェ冷却ユニットのカタログには、冷却能力や最大温度差というデータが記載されています。冷却能力とは、室温と冷却装置内の温度差が等しい時に冷却できる熱量です。
単位はワット (W) で記されています。設計する冷却室の表面積、壁で断熱材になる材質の熱伝導率、断熱材の厚みと、使用環境と冷却室との温度差から、冷却室内に侵入する熱量が算出できます。ペルチェ冷却ユニットの冷却能力は、この冷却室内に侵入する熱量を上回っているものを選ぶ必要があります。
最大温度差は熱負荷が無い状態で、室温に対して冷却室内で生じさせることができる最大の温度差です。装置の使用環境の温度と冷却室内との温度差よりも大きな最大温度差を持つ冷却ユニットを選ぶ必要があります。ペルチェ冷却ユニットは、冷却能力と最大温度差のデータから選定しますが、冷却能力は使用環境によって大きく変化する点に注意しましょう。
ペルチェ冷却ユニットのその他情報
ペルチェ冷却ユニットのメリット
ペルチェ効果は、冷媒とコンプレッサーを用いた冷却装置に対して、以下の5つのメリットがあります。
- 静音性が高い
- 振動が発生しない
- 霜の付着がない
- 装置がコンパクトにまとまる
- フロンガスを使っていないので、環境にやさしい
参考文献
http://mcm-www.jwu.ac.jp/~physm/buturi18/perutye/WPE.htm