ペルチェ素子の仕組みと確認・接続方法

ペルチェ素子の動作原理は、 ペルチェ効果についてこれは、直流電流が 2 つの異なる導体の接合部を通過するときに、エネルギーが 1 つの遷移導体から別の遷移導体に伝達され、同時に接合部で熱が放出または吸収されるという事実に基づいています。

このプロセス中に放出または吸収される熱の量は、電流、その流れる時間、および特定の対のはんだ付けワイヤのペルチェ係数特性に比例します。ペルチェ係数は、ペアの熱電係数に現時点での接合部の絶対温度を乗じたものに等しくなります。

ペルチェ効果は最も表現力豊かなので、 半導体で、この特性は、人気があり手頃な価格の半導体ペルチェ素子に使用されています。ペルチェ素子の片面では熱が吸収され、もう片面では熱が放出されます。次に、この現象について詳しく見ていきます。

ペルチェの直接的な物理的効果は 1834 年に発見されました。フランスの物理学者ジャン・ペルティエによって発見され、その4年後、ロシアの物理学者エミリウス・レンツによってこの現象の本質が研究され、ビスマスとアンチモンの棒が密着している場合、水が接触点から滴下し、その後貫通することを示した。特定の方向の直流接合部で、最初の流れの方向で水が氷に変わり、その後、流れの方向が反対に変わると、この氷はすぐに溶けます。

レンツ氏は実験で、接合部を流れる電流の方向に応じてペルチェ熱が吸収または放出されることを明確に実証しました。

以下は、3 つの一般的な金属ペアのペルチェ係数の表です。ちなみに、ペルチェ効果の逆の効果をゼーベック効果といいます（閉回路の接合部を加熱したり冷却したりする際に、 電気).

では、なぜペルチェ効果が起こるのでしょうか？その理由は、2 つの物質の接触点には接触電位差があり、それらの間に接触電界が発生するためです。

電流が接点を通って流れている場合、この磁場は電流の流れを助けるか、電流の流れを妨げます。したがって、電流が接触磁場力ベクトルに逆らう場合、印加された EMF 源が仕事をする必要があり、その源のエネルギーが接触点で放出され、これにより発熱が発生します。

ソース電流が接触フィールドに沿って方向付けられる場合、いわば、この内部電場によって追加的にサポートされ、フィールドは電荷を移動させるための追加の作業を行います。このエネルギーは物質から奪われ、実際に接合部が冷却されます。

では、ペルチェ素子には半導体ペアが使われていることが分かりましたが、半導体ではどのようなプロセスが使われているのでしょうか？

それは簡単で、これらの半導体は伝導帯の電子のエネルギー準位が異なります。電子がこれらの材料の接合を通過すると、電子はエネルギーを獲得して、別の半導体ペアのより高いエネルギーの伝導帯に移動できるようになります。

電子がこのエネルギーを吸収すると半導体接点は冷却され、逆方向に電流が流れると通常のジュール熱に加えて半導体接点が発熱します。ペルチェセルで半導体の代わりに純粋な金属が使用された場合、熱効果は非常に小さいため、オーミック加熱がそれを大幅に超えるでしょう。

TEC1-12706 などの真のペルチェ コンバータでは、テルル化ビスマスと固溶体シリコンとゲルマニウムからなるいくつかの直方体が 2 つのセラミック基板の間に取り付けられ、直列回路にはんだ付けされています。これらの n 型半導体と p 型半導体のペアは、セラミック基板と接触する導電性ジャンパーによって接続されています。

小さな半導体直方体の各ペアは、ペルチェ コンバータの一方の側では n 型半導体から p 型半導体に、もう一方の側では p 型半導体から n 型半導体に電流を流すための接点を形成します。コンバーター。

これらすべての直列接続された直方体に電流が流れると、一方ではすべての接点が冷却されるだけであり、もう一方ではすべての接点が加熱されるだけになります。役割。

この原理に従って、ペルチェ素子、またはペルチェ熱電変換器が機能し、製品の片面から熱が奪われて反対側に伝達され、製品の両面に温度差が生じます。要素。

ファン付きヒートシンクを使用してペルチェ素子の加熱側をさらに冷却することも可能であり、その場合、低温側の温度はさらに低くなります。広く普及しているペルチェ セルでは、温度差が約 69 °C に達する場合があります。

ペルチェ素子の状態をチェックするには、フィンガータイプのバッテリーで十分です。セルの赤い線は電源のプラス端子に接続され、黒い線はマイナス端子に接続されています。要素が正しく動作している場合、片側が加熱され、もう一方の側が冷却されます。あなたの指。従来のペルチェ素子の抵抗は数オーム程度です。