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ペルチェ素子とは？原理やメリット・デメリットを徹底解説！

2024.07.25更新

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この記事を書いた人

長谷川

FREE AID編集部機電系専門ライター Div.
アナログ回路設計・営業を経験した後ライター＆ディレクターとして独立。
電気電子・ITジャンルを得意とし、正確で分かりやすい情報の発信を行っています。

ペルチェ素子の特徴や原理、使い方について詳しく知りたいですか？この記事では、ペルチェ素子とは何か、その特徴や動作原理、そしてさまざまな種類の用途について説明します。基本的な内容からわかりやすく解説しているので、ぜひ参考にしてください。

この記事の目次

ペルチェ素子とは？

引用：日本ミック株式会社

ペルチェ素子は、熱電変換素子とも呼ばれ、電気を使って熱を一方から他方へ伝える素子です。フランスの物理学者、ジャン=シャルル・ペルチェが発明した「ペルチェ効果」を用いることから名付けられました。

通常の熱の流れに逆らって強制的に熱を移動させられるため、冷蔵庫や電子機器の冷却装置など、小型の加熱・冷却システムに幅広く活用されています。

ペルチェ素子の原理

引用：小松製作所

ペルチェ効果は元々、2種類の金属を直列接続して電流を流すと、金属の接合部分で熱の移動が生じることから発見された現象です。しかし現在は、このペルチェ効果をより効率的に活用するため、2枚の金属板の間にP型、N型半導体を挟みこみ、π型の構造としたものが一般的になっています。

このような構造となっているのは、P型、N型半導体それぞれのエネルギー準位が金属と異なるからです。例えば、N型半導体は金属よりもエネルギー準位が高いため、金属からN型半導体に電子が移動する際は、エネルギーを吸収して金属の温度を下げます。また、N型半導体から金属に電子が移動する際は、必要なエネルギーが少ないので電子がエネルギーを放出し、金属の温度が上がるのです。

一方、P型半導体は金属よりエネルギー準位が低いので、N型半導体と逆の現象が起きます。つまり金属からP型半導体に電子が移動すると放熱、P型半導体から金属に電子が移動すると吸熱を行います。

このように、各半導体でペルチェ効果を増幅するよう働くので、半導体を入れると、より効率的に吸熱・放熱を行えます。ちなみに、π型構造となっているのは、効率やコスト面を考慮した結果、最も効率が良いためであり、ほとんどのペルチェ素子はこの構造を採用しています。

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ペルチェ素子のメリット

続いて、他の加熱・冷却方式と比べた際の、ペルチェ素子のメリットについて解説します。

小型・軽量で使いやすい

ペルチェ素子は金属と半導体を組み合わせるだけで作れるため、小型・軽量の製品が作りやすいのが特徴です。また、直流電流を流すだけで動作し、特別な電源設備も必要ないので手軽さにも定評があります。

さらに、コンプレッサーなどを使った熱交換システムと比べると、運転時の騒音や振動などが発生しないのもメリットです。手軽に加熱・冷却を行いたい場合にはペルチェ素子が最適だといえるでしょう。

安全性が高く長寿命

ペルチェ素子は金属と半導体の電気的特性を活用しているため、化学物質などを使う必要がありません。エアコンのように有害なガスが漏洩する心配もないので、安全性が高く環境への悪影響もないのがメリットです。また、機械的な動作を行わず摩耗や破損が生じないことから、寿命が非常に長いという特徴もあります。

放熱・吸熱を切り替えられる

ペルチェ効果は可逆的な反応で、電流を逆に流すと熱の移動も逆方向になります。そのため、ペルチェ素子は電流を反転させるだけで、加熱と冷却の両方の用途に使用できます。状況に応じて加熱・冷却を切り替えたい場合なら、ペルチェ素子を使うのが便利です。

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ペルチェ素子のデメリット

簡単で使いやすいメリットを持つペルチェ素子ですが、その分デメリットも多くあります。ここからは、ペルチェ素子の主なデメリットを紹介します。

大規模なシステムには向かない

エアコンのようなヒートポンプ式の熱交換システムでは、冷媒を圧縮・膨張させることで周囲の熱を集め、移動させるため、大規模になるほど効率が良くなる特徴を持っています。一方、ペルチェ素子は電力で熱を移動させるので、規模が大きくなるほど消費電力も大きくなってしまいます。

冷蔵庫のように小さな空間であればペルチェ素子の方が効率的ですが、一定以上の規模で加熱・冷却を行いたい場合は、ヒートポンプ式を使った方が良いでしょう。

放熱管理が大変

ペルチェ素子を冷却用途で用いる場合、排熱側の放熱管理が大変なのも欠点です。排熱側には冷却分の熱と、電流を流した分の熱が発生するため、ある程度の冷却性能を持たせると、排熱が非常に大きくなります。

放熱が不十分で熱がたまってしまうと、冷却効率が低下するだけでなく、ペルチェ素子自体が破損する可能性もあるので注意しましょう。

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ペルチェ素子の用途

最後に、ペルチェ素子がどのような所で使われているか紹介しましょう。まず、最も身近で使われているのは冷蔵庫です。家庭用の冷蔵庫はもちろん、ウォーターサーバーやワインセラーなど、小型の冷蔵システムにはほとんどペルチェ素子が使われています。

また産業用では、電子デバイスの温度管理に数多くのペルチェ素子が使われています。特にICなどの電子部品や監視カメラ、計測用の光学デバイスなどの冷却に用いられることが多く、熱暴走の抑制や検出ノイズの低減に大きな役割を果たしています。

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まとめ

今回は、ペルチェ素子の原理や特徴、用途などを紹介しました。ペルチェ素子は、金属と半導体を組み合わせ、電気を流すことで熱交換を行う素子のことです。構造が簡単で使いやすい反面、ヒートポンプ式などと比べると電力効率は低いので、小型の冷却システムで主に採用されています。

放熱設計がちゃんとしていないと冷却効率が下がり破損の原因にもなるので、実際に使用を検討している場合は、ファンを取り付けるなどの配慮を忘れないようにしましょう。

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