熱電ヒートポンプ

熱電ヒートポンプは、熱電効果、特にペルチェ効果を利用して、材料に電流を流すことで加熱または冷却します。ペルチェ冷却器、加熱器、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、加熱はより単純なデバイス (ジュール加熱を使用) で実現できるため、主な用途は冷却です。

熱電温度制御は、電流を流すことで物質を加熱または冷却します。[ 2 ]典型的なペルチェセルは、片側で熱を吸収し、反対側で熱を発生します。[ 2 ]このため、ペルチェセルは温度制御に使用できます。[ 2 ]ただし、他のオプションに比べて効率が低く、コストが高いため、この効果を大規模な空調（住宅や商業ビル）に使用することはまれです。[ 2 ]

熱電冷却

この技術は、蒸気圧縮式冷凍機に比べて冷凍への応用がはるかに少ないです。ペルチェ冷却器は、蒸気圧縮式冷凍機に比べて、可動部品や循環液がないため、非常に長寿命で、液漏れがなく、小型で、形状も柔軟です。主な欠点は、一定の冷却能力に対してコストが高く、電力効率が低い（成績係数（COP）が低い）ことです。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。

動作原理

ペルチェ素子の概略図。熱電対は熱的には並列、電気的には直列に接続されています。
ペルチェ素子のサーマルカメラからのビデオ

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）を利用して動作します。[ 3 ]熱電モジュールは、導体、脚、基板の3つの部品で構成されています。これらのモジュールの多くは、電気的には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。[ 3 ]直流電流がデバイスを流れると、片側から反対側へ熱が移動し、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接続され、温度上昇を抑えます。一方、低温側は周囲温度よりも低くなります。特殊な用途では、複数の冷却器をカスケード接続または多段接続することで温度を下げることができますが、その場合、総合効率（COP）は大幅に低下します。あらゆる冷凍サイクルの最大COPは、最終的には高温側と低温側の温度差によって制限されます。温度差が大きいほど、理論上の最大COPは低くなります。どちらの温度も、デバイスへの熱伝達率とデバイスからの熱流出率、およびデバイス内部で発生する熱移動に依存します。

典型的なペルチェセルベースのヒートポンプは、熱電発電機と太陽光発電空冷パネルを組み合わせることで使用できます。[ 4 ] 空気プラントを備えたシステムを検討することで、片側で加熱し、反対側で冷却することが可能になります。[ 5 ]構成を変更することで、冬と夏の両方の順応が可能になります。[ 6 ]これらの要素は、太陽熱エネルギーと太陽光発電と組み合わせると、ゼロエネルギービルに効果的な要素になると期待されています[ 7 ]特に建物の壁に放射ヒートポンプを作成する場合に重要です。[ 8 ]

この順応方法は、太陽光発電（PV）発電機と組み合わせることで、夏季の冷房時に理想的な効率を保証します。空気循環はPVモジュールの冷却にも利用できます。

最も重要なエンジニアリング要件は、熱交換を最適化し、流体力学的損失を最小限に抑えるため のヒートシンク[ 9 ]の正確な設計です。

工事

デザイン

異なる電子密度を持つ必要があるため、 n型とp型の2種類の半導体が使用されます。p型とn型の半導体ピラーは交互に配置され、熱的には互いに平行、電気的には直列に配置され、両側に熱伝導プレート（通常はセラミック）が接合されているため、別途絶縁体を使用する必要はありません。2つの半導体の自由端に電圧を印加すると、半導体の接合部に直流電流が流れ、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ます。柱の長さは、長い柱と短い柱のバランスで決まります。長い柱は、側面間の熱抵抗が大きく、到達温度は低くなりますが、抵抗加熱が多くなります。短い柱は、電気効率は高くなりますが、熱伝導によって高温側から低温側へ多くの熱が漏れます。温度差が大きい場合、長い柱は、徐々に大きくなる個別の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。モジュールは、各層が上の層によって移動された熱と、その層の廃熱の両方を除去する必要があるため、大きくなります。

材料

様々な材料およびビスマス合金のZT値[ 10 ]

熱電材料に対する要件: [ 11 ]

  • 室温で動作するためバンドギャップが狭い半導体です。
  • 高い電気伝導性（廃熱源となる電気抵抗を低減します）
  • 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
  • 大きな単位格子、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る必要があります。異なる材料の組み合わせによる効果は、システムの効率を測る指標であるZTと呼ばれる性能指数を用い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。[ 12 ]α{\displaystyle \alpha}σ{\displaystyle \sigma }κ{\displaystyle \kappa }

ZT＝（α2σT）/κ{\displaystyle \mathbb {Z} \mathrm {T} =(\alpha ^{2}\sigma \mathrm {T} )/\kappa }

熱伝導率と電気伝導率は通常正の相関関係にあるため、TEC用途に適した材料は限られています。電気伝導率の向上に伴う熱輸送の低減は、材料科学研究の活発な分野です。半導体として用いら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、アンチモン化ビスマス合金などがあります。これらの中で、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。[ 13 ]

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い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。

識別と特徴

ペルチェ素子はすべて、ユニバーサル識別仕様に準拠しています。

ほとんどの熱電冷却器には、冷却側にIDが印刷されています。[ 14 ]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、および電流定格（アンペア）を示しています。[ 15 ]

例えば、一般的な熱電素子TEC1-12706は、40mm角、高さ3～4mmの正方形で、数ドルで購入できます。6Aの電流で約60Wの電力を移動させたり、60℃の温度差を生成したりできます。電気抵抗は約1～2オームです。

強みと弱み

TECのさらなる研究を促す要因は数多くあり、例えば炭素排出量の削減や製造の容易さなどが挙げられます。しかしながら、いくつかの課題も生じています。

利点

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、機械的振動や応力による疲労や破損による故障の発生率が低いため、システムの寿命が延び、メンテナンスの必要性が軽減されます。現在の技術では、平均故障間隔（MTBF）は常温で10万時間を超えることが示されています。[ 16 ]熱電素子の状態は、交流抵抗（ACR）の変化によって測定できます。摩耗が進むにつれて、ACRは増加します。[ 17 ]

TECシステムが電流制御型であるという事実は、他にも多くの利点をもたらします。熱の流れは印加された直流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することができます。抵抗加熱やガス冷却といったガスを用いた方法とは異なり、TECでは熱の流れ（制御対象システムへの流入と流出の両方）を均等に制御できます。この精密な双方向熱流制御により、制御対象システムの温度は1度未満の精度で制御可能であり、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。[ 18 ]

TECデバイスは、従来のデバイスに比べて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過酷な環境でも使用できます。形状を自由に調整できるため、非常に狭い領域にも精密な冷却が可能です。これらの特性から、コストや絶対的なエネルギー効率がそれほど重要ではない、厳しい要件が求められる科学技術アプリケーションにおいて、TECデバイスは広く採用されています。

TECのもう一つの利点は、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[ 19 ]やその他の安全リスクを伴うなど、環境に大きな影響を与えています。[ 20 ]

デメリット

TECシステムには、いくつかの顕著な欠点があります。まず第一に、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、そして単位面積あたりに発生できる温度差と総熱流束（熱流）の両方に制約があることです。[ 18 ] このトピックについては、以下の性能セクションでさらに詳しく説明します。実際には、低コストの熱電モジュールの平均動作寿命は10年未満です。これは通常、モジュールのエラストマー製外周シールを通してガスが拡散したり、シール接合ラインがプレートで破損したりすることが原因です。

パフォーマンス

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。 [ 14 ]

移動できる熱量は電流と時間に比例します。

質問＝P私t{\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依存します。1アンペアあたり10ワット程度が一般的ですが、これは以下の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、
質問わ1つのste＝R私2t{\displaystyle Q_{waste}=RI^{2}t}ここで、R は抵抗です。

その結果、温度差が大きくなるにつれて、有効に移動される熱量が減少し、モジュールの効率が低下します。廃熱と戻り熱が移動した熱量を上回ったときに温度差が生じ、モジュールは冷却面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、高温側と低温側の間で最大70℃の温度差を生み出します。[ 21 ]

パフォーマンスに関するもう一つの問題は、小型であることの利点の一つが直接的に影響している。つまり、次のような問題だ。

  • 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遮断することが難しくなります。
  • 一般的な40 mm × 40 mmのものは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放熱器が必要となる。

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。[ 22 ]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、サイズがコンパクト、方向の影響を受けないといった点が純粋な効率よりも重視され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、以下の条件を満たす限り、効率は十分に高くなります。

  • 温度差をできるだけ小さくし、
  • 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。質問質問わ1つのste＝PR私{\displaystyle {\frac {Q}{Q_{廃棄物}}}={\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。

用途

熱電冷却器は、ミリワットから数千ワットまで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、幅広い用途に対応可能です。

消費財

USB電源の飲料クーラー

ペルチェ素子は消費者製品に広く利用されています。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、小型機器などに使用されています。また、除湿器の空気中の水分除去にも使用できます。キャンプ用/車載用（12V）電気クーラーは、通常、周囲温度より最大20℃（36℉）低い温度まで下げることができます。これは、太陽の光で車内が45℃に達した場合、25℃に相当します。温度調節機能付きジャケットにもペルチェ素子が使用され始めています。[ 23 ] [ 24 ]

熱電冷却器は、コンピュータコンポーネント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もはるかに低い温度まで冷却できます。[ 25 ]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は通常不可能な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電子的に監視され、結露によるショートを防止します。[ 26 ]

順応

熱電ヒートポンプは、局所的な不快な状況を取り除くための局所的な順応にも容易に使用できます。 [ 27 ]たとえば、熱電天井は現在、高度な研究段階にあります[ 28 ]ファンガーによると、屋内の快適条件を向上させることを目的としており、 [ 29 ]大きなガラス面がある場合などに現れることがあります。また、太陽光発電システムと組み合わせると、小規模な建物の順応にも使用できます。[ 30 ] [ 31 ]

これらのシステムは、非常に高いCOP値[ 32 ]と、システムの正確なエクセルギー最適化による高い性能により、新しいゼロエミッションパッシブビルディングの方向性において重要な意味を持っています。 [ 33 ]

産業レベルでは熱電順応装置が実際に開発中である[ 34 ]

産業

熱電冷却器は多くの工業製造分野で使用されており、市場に投入されるまでに数千サイクルの動作試験を受けるため、徹底的な性能分析が必要です。用途としては、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機器、[ 35 ]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筐体などが挙げられます。

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 ループ内でサーミスタとともに使用され、一定の温度が維持されて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、熱電冷却方式を採用しているものもあります。

科学と画像

ペルチェ素子は科学機器に使用されています。サーマルサイクラーの一般的な部品であり、ポリメラーゼ連鎖反応（ PCR ）によるDNA合成に使用されます。PCRは一般的な分子生物学技術であり、変性、プライマーのアニーリング、酵素合成サイクルのために反応混合物を急速に加熱・冷却する必要があります。

ペルチェ素子はフィードバック回路と組み合わせることで、目標温度を±0.01℃以内に保つ非常に安定した温度コントローラを実現できます。この安定性は、精密レーザーアプリケーションにおいて、環境温度の変化によるレーザー波長のドリフトを防ぐのに役立ちます。

この効果は、衛星や宇宙船において、直射日光によって機体の片側で生じる温度差を軽減するために利用されています。熱は、冷えた陰になった側で放散され、そこから熱放射として宇宙空間に放散されます。[ 36 ] 1961年以降、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供給されるため、数十年にわたって使用できます。

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用いられます。電流を流すだけで、ドライアイスや可動部品を必要とせず、蒸気を-26℃以下に冷却できるため、霧箱の製造と使用が容易です。

天体望遠鏡、分光計、あるいは超高性能デジタルカメラに搭載されているCCDなどの光子検出器は、多くの場合、多段式[ 37 ]の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減少します。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検出した場合に発生します。暗い場所で撮影されたデジタル写真では、これがスペックル（または「ピクセルノイズ」）として現れます。

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。

熱力学的パラメータ

効率は次の関係によって決定されます。

η＝TC−THTC{\displaystyle \eta ={\frac {T_{C}-T_{H}}{T_{C}}}}

ここで、 は冷却面の温度、は加熱面の温度です。 TC{\displaystyle T_{C}}TH{\displaystyle T_{H}}

熱電素子（図1）をヒートポンプとして特定用途に定義する主なエネルギー現象と理由は、これらの素子が実現することを可能にするエネルギー流束にあります。[ 38 ] [ 39 ]

  • 伝導力：質問˙L{\displaystyle {\dot {Q}}_{L}}質問˙L＝LdS（TH−TC）{\displaystyle {\dot {Q}}_{L}={\frac {L}{d}}S(T_{H}-T_{C})}
  • 冷側の熱流束：質問˙C{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}}質問˙C＝α私TC−私2R2−けdあΔT{\displaystyle {\dot {Q}}_{C}=\alpha IT_{C}-{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • 高温側の熱流束：質問˙H{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}}質問˙H＝α私TC+私2R2−けdあΔT{\displaystyle {\dot {Q}}_{H}=\alpha IT_{C}+{\frac {I^{2}R}{2}}-{\frac {k}{d}}A\Delta T}
  • 電力:E˙EL{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}}E˙EL＝α私TC+私2R{\displaystyle {\dot {E}}_{EL}=\alpha IT_{C}+I^{2}R}

ここで、次の用語が使用されています：、電​​流、αゼーベック係数、R電気抵抗、A表面積、dセル厚さ、k熱伝導率。 ΔT＝TH−TC{\displaystyle \Delta T=T_{H}-T_{C}}私{\displaystyle I}

システムの効率は次のとおりです。

  1. 冷却効率:ηC＝質問C˙E˙EL{\displaystyle \eta _{C}={\frac {\dot {Q_{C}}}{{\dot {E}}_{EL}}}}
  2. 暖房効率:ηH＝質問H˙E˙EL{\displaystyle \eta_{H}={\frac{\dot{Q_{H}}}{{\dot{E}}_{EL}}}}

COPはCannistraro法に従って計算することができる。[ 40 ]

実験的

1955年頃、RCA研究所はペルチェ効果を利用した冷蔵庫と空調設備を備えた小部屋を建設した。[ 41 ] [ 42 ]これらは研究デモンストレーションであり、製品化には至らなかった。この空調設備は、CEOのデイビッド・サーノフが研究者たちに刺激を与えるために 頼んだ「誕生日プレゼント」の一つだった。主導的な研究者の一人はニルス・E・リンデンブラッドであった。

参照

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  42. ^ 「Electronics For Tomorrow」 . Popular Electronics . 1955年4月. 2024年9月25日閲覧。
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