今回の記事は、ペルチェ素子としても知られるサーモエレクトリックモジュール（TEM）に関するシリーズの一部です。シリーズのこれまでの記事では、これらのコンポーネントの基本的な機能と、サーモエレクトリック冷却システムの一部として使用される場合のTEMの挙動をモデル化し予測する技術について説明しました。今回は、TEMの動作に関連する多くの電気的考察と、熱システムの一部としての設置に関する機械的考察を取り上げます。
電気駆動に関する考察
定電流駆動と定電圧駆動
TEMの特性評価は、一般的に定電流ベースで行われます。ある指定された量の電流が試験対象のデバイスに流され、その結果、デバイス端子間に現れる電圧と、ある指定されたホットサイド温度での熱特性曲線が得られます。定電圧出力の電源が広く利用できるようになったあるいは使いやすくなったので、定電圧源から熱電デバイスを駆動することが可能かどうかを尋ねる人も多いでしょう。
この質問に対する簡単な答えは「はい」です。電気的に言えば、TEMは、印加電圧と電流とはおおむね線形の関係があり、大まかには抵抗器のように動作します。両者の関係はデバイスの温度差によって変化しますが、定電流電源やその他の安定化技術が必要なダイオードのような非直線性は示しません。
ただし、さらに詳しく見てみると、2つのアプローチでは多少異なる動作が生じることがわかります。CP85438の電圧対温度のプロットを見ると、定電流入力の場合、ΔTの増加に伴ってデバイスの両端の電圧が増加することがわかります。したがって、ΔTが増加すると、デバイスに印加される電力も増加します。たとえば、ΔTがゼロの場合の5.1A入力の場合、入力電力は約48Wで、ΔTが55°Cの場合は約60Wまで増加します。比較すると、デバイスに固定の12Vを印加すると、74Wの電力入力に対してΔTゼロで約6.2Aの電流が流れ、ΔT=55°Cでは同じ60W、12Vの動作点まで減少します。
システムが55°CのΔTで熱的に均衡する場合、12Vの定電圧電源を使用する場合と5.1Aの定電流電源を使用する場合の定常状態での差は本質的にゼロで、どちらの方法でも動作点は同じになります。しかし、ΔTがゼロに近い場合（例えばシステムが最初に始動したときなど）には、定電圧のケースの方がTEMに大きな電力を印加することになるため、定常状態の動作点が同じになるように選択された定電流電源よりも、定電圧のケースの方がより早く定常状態に達する可能性が高いです。同様に、定電圧方式で電力が供給されるシステムは、ヒートシンクに埃が蓄積するなど、より高いΔTに向かわせるようなシステムの変化に対応して、TEMに印加される電力が減少する傾向があります。その結果、定電流で駆動されるものよりもオーバーヒートしにくい自己制限的な動作になります。
一言で言えば、TEMは定電圧電源でも定電流電源でも、どちらでも駆動できますが、結果として得られるシステムの動作は若干異なります。この差異は、定電流源または定電圧源を選択し、接続し、どのようなパフォーマンス結果であっても許容する場合に最も重要になり、電源とTEMの動作曲線の交点に基づいて動作点を決定します。代わりに、ある種の制御システムを使用してTEMへの電気入力を調整する場合、制御システムが動作点を決定する主要な要素として機能し、TEMと電源特性によって制御システムが機能できる範囲が単純に決定されます。
図1：CP85438の動作曲線。約55°CのΔTでは、12Vの定電圧入力と5.1Aの定電流ドライブは本質的に同等です。
制御スキーム
一定温度の維持が必要なアプリケーションでは、通常、サーモスタットまたは線形制御方式が使用されます。最初のケースでは、温度を所望の設定値の限られた範囲内に維持するために、デバイスへの定電流入力または定電圧入力が「オン/オフ」方式で適用されます。2つ目では、システムの熱負荷に応じて発生する冷却効果を一致させるために、電気入力がゼロから最大値の間の連続可変範囲にわたって調整されます。
サーモスタット制御には、実装が比較的簡単で安価であるという利点がありますが、信頼性の理由から好ましくありません。 この制御方式のオン/オフ サイクル特性により、熱電デバイスは大幅な温度変動を繰り返し、その結果として生じるアセンブリ内の熱膨張と熱収縮により、熱電デバイスに機械的応力や疲労が生じ、早期故障につながる可能性があります。
線形制御技術は、可変電源が必要なため実装コストが高くなる傾向がありますが、TEMにかかる熱機械的ストレスの程度が低いため、信頼性の理由から好まれます。実装もより複雑です。発振や不安定性なしに目標温度を維持できるフィードバックおよび制御メカニズムを設計するには、熱システムの慎重な設計とモデリングが必要です。特に、TEMへの電気入力が増加して最終的な冷却効果が低下する可能性があるため、制御システム設計の取り組みが複雑になる可能性があります。
使用される制御技術に関係なく、ファンの故障、気流の障害、またはその他の予期せぬ影響によって、冷却に使用される TEM が過熱し、故障や他の機器への損傷を引き起こす可能性があります。TEMは一般的にはんだベースの技術で組み立てられているため、デバイスの片側（または両方）が、デバイスを組み立てるために使用されたはんだが溶けるポイントに達すると、デバイスがオープンまたはショート回路で故障したり、単にバラバラになったりする可能性があります。このため、TEMのホットサイド温度をモニタし、安全な限界値を超えた場合に電力を切断する規定は、安全で信頼性の高いサーモエレクトリックシステムの必要な構成要素です。
図2：線形制御技術とサーモスタット制御技術の図解
電源波形
有効振幅が変化するDC電源を得るには多くのアプローチが存在しますが、その多くは、極性が変わらないにもかかわらず、生成される出力が大きく時間変化する可能性があるので、「DC」というよりも「ユニポーラ」と表現した方が適切かもしれません。長い時間スパンで見ると、上記のようなサーモスタット制御方式がその一例となります。より短い時間スケールでは、さまざまなスキームに、1秒あたり数サイクルから数百万サイクルの周波数で大きなACリップル成分を含む波形が含まれる場合があります。
TEM構造物および付属機器の熱質量は、通常、駆動波形のリップルがサイクル毎秒領域またはそれ以上の周波数を持つ場合、大きな温度変化が生じない程度の大きさです。その結果、高周波リップルは、サーモスタット（オン/オフ）制御のような熱機械的ストレス問題を引き起こしません。サーモスタット（オン/オフ）制御は、通常、数十秒またはそれ以上の時間スケールで動作しますが、その動作はシステムの実質的な温度変化の検出に依存します。
ただし、このようなリップル内容はシステム効率に悪影響を及ぼします。TEM によってもたらされるヒートポンプ効果は一般にデバイスを流れる電流に比例しますが、デバイスに加えられる入力電力は電流の2乗に比例します。大雑把な概算では、電流を2倍にして動作時間を半分にすると、デバイスの低温側を通る移動熱量は同じになりますが、同様の最終結果を得るために、ヒートポンプによる単位移動熱量に対して、2倍の電力を消費します。実際には、この近似は考慮されていない要素がいくつかあるため正確には当てはまりませんが、高レベルのリップルを含む駆動波形の使用が推奨されない理由については洞察が得られます。
図3：TEMに同等の時間平均電力入力を提供するいくつかの駆動電圧波形と、それらの相対的な優位性
CP85438を使用し、ホットサイド温度を50°C、ΔTを40°Cと仮定した場合、一定の3.4Aで動作させるか、50%のデューティサイクルで6.8Aで動作させるか（同じ平均駆動電流を得る）の差は非常に大きいことが分かります。後者の場合、平均移動熱量Qがわずかに高くなることが予測されますが、直接PWM制御を使用した場合、エネルギー消費効率（低温側移動熱量（W）/1ワットあたりの平均入力電力）は約0.51から0.36に低下します。この場合、PWM波形を直流相当に変換する簡単な電気フィルタを使用することで、電気効率を約40%向上させることが期待できます。
この影響の重要性は、動作条件、実際の電源波形、その他の要因によって変わります。 一般に、最良の結果を得るには、TEMに供給される電源波形のリップル レベルを 10%以下に維持することが推奨されます。少ないほど良いため、電源を直接オン/オフするだけの（フィルタなしの）PWM制御は推奨されません。同様に、フィルタリングのない整流波形は推奨されませんが、主電源供給変圧器の出力にブリッジ整流器を接続するだけの利便性により、そのような整流波形は推奨されたり、よく目にすることがあります。
直列に構成されたモジュールの性能は、各ステージでの非効率性が複合的に作用するため、印加される駆動波形のリップルに対してより敏感であることに留意すべきです。このような場合、リップルを1%以下に制限することが望ましいです。
図4：ΔT=40°C、Th=50°C、駆動電流3.4Aおよび6.8AにおけるCP85438の動作点
メカニカルアプリケーションに関する考察
TEMの機械的特性
冷却用途に使われる典型的なサーモエレクトリックモジュール（TEM）は、酸化アルミニウムベースのセラミックの薄いシートに挟まれたテルル化ビスマスベースの半導体ペレットで構成されています。ペレットは、セラミックプレートに接合された金属ブリッジストリップに、はんだ接合によって電気的に相互接続されています。半導体材料もセラミック材料もかなり脆いため、TEMは厚さ方向の圧縮には非常に強いですが、せん断力や曲げ力には容易に損傷します。引張荷重についてはある程度許容されますが、それはモジュール全体を保持するより、かえってTEMが解体され、外部伝熱面から剥がれるように作用します。このような引張力に屈するのは、システムの損傷や劣化を意味するため、好ましく有りません。
図5：TEMには圧縮機械力（左）を維持することが望ましいです。曲げ（中央）やせん断（右）の負荷は、損傷や故障につながりやすいです。
取付方法
サーモエレクトリックデバイスを周囲の環境と物理的にインターフェースする手段は、熱性能とアセンブリの機械的耐久性に大きな影響を与えます。接着剤による接着、機械的なクランプ、はんだ付けは、一般的に使用される3つの方法であり、さまざまな利点と欠点があります。
接着剤による接着
接着結合された熱電デバイスは、基本的に、接着剤の薄層を使用して所定の位置に接着されます。接着剤は通常、熱伝導率を向上させるために変性されたエポキシです。この固定方法は永続的なものであり、メンテナンス、修理、または再作業のために分解することはできません。また、剛性が高く、熱電デバイスとそれが取り付けているヒートシンク/スプレッダなどの間の自由なずれを許容できません。その結果、材料の膨張率の違いや、システムが温まったり冷たくなったりする温度差によって、それらの間で機械的応力が発生します。このような応力の大きさはデバイスのサイズに応じて増加するため、接着による接合はより小型の熱電デバイスに適しています。接着剤と半田付けの両方の用途では、一辺が約20mm（0.8インチ）以下のデバイスの使用が提案されています。他の方法と比較して、この取り付け方法の熱伝導率は小さく、使用する接着剤の性質に応じて時間の経過とともにさまざまな程度に変化する可能性があります。このため、熱的および機械的応力に対する耐性を特に特徴とした接着剤が、汎用の接着剤よりも推奨されます。ほとんどの接着剤は、硬化プロセス中、およびその後に強い真空にさらされた場合にも、ある程度の量の蒸気を放出します。これにより、接着力が弱くなったり、真空領域に不要な物質が放出されたりする可能性があります。最後に、接着結合自体はアセンブリ全体の構成部材としての熱電デバイスに依存しており、衝撃や振動から生じる機械的負荷をサポートする必要があります。ほとんどの熱電デバイスは比較的脆いため、このような物理的損傷によって損傷が生じる可能性は重大であり、TEMによってサポートされるシステムコンポーネントの質量が増加するにつれて、その程度は増大します。
図6：ヒートシンクの代表的な材料であるアルミニウムは、TEMの伝熱面が一般的に作られる酸化アルミニウムのおよそ3倍の速度で膨張します。接着剤やはんだ付けなどによって形成される2つの間の強固な結合により、2つのアセンブリの温度が上昇すると、一連の反対の機械的力が生じます（右）。アセンブリの低温側にも剛結合が存在する場合、一連の力の相互作用が生じます。
はんだ付け
金属化された外面で製造された熱電デバイスは、はんだ付け接続を使用して固定できます。この組み立て方法はその特性において接着剤接合に似ており、小型デバイスに最適な堅固な接合を作り出します。ただし、生成された接合は熱伝導率が向上する傾向があり、ガス放出がないため真空環境での使用に適しています。また、はんだの再溶融ができるため、制限付きですが再加工/修理が可能です。ただし、この組み立て方法を使用する場合は、慎重な温度管理とはんだ材料の選択が必要です。これは、デバイスの内部要素も通常はんだ付けプロセスを使用して組み立てられており、組み立て中の過度の温度によって損傷する可能性があるためです。
図7：はんだ付けに適した金属化表面を備えたTEM（右）と、金属化表面を備えていない TEM（左）
クランピング
ホット側とコールド側のサーマルリザーバ間でサーモエレクトリックデバイスを圧縮するために、外部ファスナーまたはバネの張力を使用することは、大型デバイスのための一般的で推奨される取り付け方法です。一般的に、サーマルグリースまたは同様の熱伝導補助剤とともに使用され、システム要素間に剛結合がないため、熱膨張による機械的ストレスが緩和されます。ファスナーによって与えられる外部圧力は、アセンブリ内のTEMに加えられる機械的な力を圧縮的な性質に保つのに役立ち、大型の熱電デバイスによって発生する熱負荷に対処するのに必要な比較的巨大なヒートシンクとスプレッダの使用を可能にします。接着剤による接着と同様に、クランプされたアプリケーションで使用される熱インターフェース材料は、真空下でアウトガスを発生する傾向があり、アプリケーションによっては問題となります。永久的な機械的結合が生じないため、機械的に固定されたアセンブリは、修理、メンテナンス、または再加工のために比較的簡単に分解することができます。
TEMアセンブリで使用されるメカニカルファスナーは熱漏洩経路となり、低い界面熱抵抗を維持するために必要なクランプ力を加え、幅広い温度変化にさらされるため、その選択と適用はある程度重要です。推奨される実践方法は次のとおりです。
- ステンレス製ファスナーの使用
- 実現可能な最小ファスナー径の使用
- 熱絶縁ショルダーワッシャを使用し、ファスナーと被締結物の間に熱絶縁を作る
- ベルビルタイプのスプリングワッシャを使用し、熱膨張と熱収縮によりアセンブリの寸法が変化してもクランプ力を維持する
図8：機械的に固定された熱電アセンブリ用の推奨される固定システムの断面図。ファイバショルダーワッシャを使用してファスナーとコールド/ホットプレートの間に熱遮断を作成することで熱漏れを軽減し、スプリングタイプのワッシャーを使用すると、熱膨張の影響による寸法変化に関係なくクランプ力を維持できます。
ファスナーの位置も考慮しています。触ると硬いですが、ヒートシンクは柔軟性があり、クランプ圧力がかかると驚くほど曲がることがあります。使用するヒートシンク上の縦方向のフィンと平行な軸に沿って留め具を配置すると、フィン構造が構造の剛性に寄与することができますが、フィンに垂直な線に沿って留め具を配置すると、より大きな屈曲が発生する可能性があります
TEMアセンブリの推奨クランプ圧力は150～300PSI（1～2N/mm2）の範囲です。一辺が40mmの正方形のTEMの場合、この範囲の上限は、18-8ステンレス鋼で作られた典型的な#4-40の機械ネジ（2本）の引張強さに匹敵する力になります。組み立ての際にはねじり力も加わり、被締結部材は通常比較的柔らかいアルミニウムで作られているため、このサイズのTEMを使用する際には、ファスナー選択の合理的な出発点として#6またはM4ファスナーのペアが推奨されます。ファスナーと被締結面の間に断熱性を確保するために絶縁ファイバワッシャを使用すると、そのような絶縁体を使用せずに直径の小さいファスナーを使用する場合と比較して、直径の大きいファスナーが引き起こす熱漏れの増加を補うことができます。
図9：ヒートシンク上のフィンを使用した、ファスナー穴の直線（左）および横方向（中央）の配置の図。 右は、クランプ圧力下でヒートシンクがどのように曲がってTEM表面との接触不良を引き起こす可能性があるかを誇張して示した図です。
特にネジ式ファスナーを使用する場合は、機械的にクランプされたTEMアセンブリの組み立て時に、圧力が均等にかかるように注意する必要があります。ファスナーを不均等な方法で締め付けると、一方の端ではTEMを損傷させるような非常に大きな力が発生し、同時に他方の端では界面の熱抵抗を最小にするのに十分な圧力がかかりません。この問題は、複数のTEMを並列構成で使用する場合に大きくなります。
図10：ネジ込み式ファスナーを不均等な方法で締め付けると、TEMの表面全体にかかる圧力が不均等になったり、大きなてこの力が生じて装置が損傷したりする可能性があります。
環境シーリング
周囲温度よりも低い温度が発生すると、大気中の湿気が凝縮されて液体化します。 このような結露の侵入が発生すると、熱電デバイスの内部構造が腐食する可能性が高く、アプリケーションの寿命を長くするには湿気管理が必要になります。多くの熱電デバイスは、デバイスレベルでこの問題に直接対処するために、セラミックエンドプレート間に RTVゴムまたはエポキシシールを適用した状態で入手できます。 RTVは、約-60～200°Cの比較的広い温度範囲で使用可能であると考えられており、比較的安価ですが、完全に不浸透性ではなく、使用条件によっては時間が経つと許容できないレベルの湿気が侵入する可能性があります。 対照的に、エポキシシールは-40～130°Cのやや狭い温度範囲で使用可能であると考えられており、コスト的にやや高く、弾力性に劣るものの、より信頼性の高い長期シール剤とみなされています。
便利な反面、このようなデバイス上のシールは、かなり大きな熱リーク経路を構成する可能性があります。システム内で利用可能な最大の温度差に渡って配置され、一般的に厚さは数ミリしかないため、比較的断熱性の高いシール材を使ってもかなりの熱漏れが発生します。シール材による性能低下は10%程度と報告されていますが、実際の結果はさまざまで、システムの動作点がΔTの増加に向かうにつれて厳しくなります。
環境シールの必要性によって発生する性能上のペナルティは、シールポイントをTEM自体から、TEMが貼り付けられる伝熱面へと移動させることによって低減できる可能性があります。このことは、TEMを伝熱面に組み付ける際、または組み付けた後にシールすることを意味し、その結果、製造と修理、再加工の問題も考慮する必要があります。
図11：密閉型（左）と非密閉型TEMSの比較
TEMの複数使用
直列構成
用途によっては、より高いΔTを実現するために複数のTEMを直列に配置するか、伝達できる熱エネルギーの量を増やすために並列に配置することが望ましい場合があります。
実際問題として、直列に構成されたTEMの用途はかなり限られています。TEMはもともと比較的非効率的なヒートポンプであり、その非効率性は、TEMが順次配置されている場合にさらに悪化します。各ステージは、アセンブリの低温側から伝達されるすべての熱エネルギーだけでなく、チェーン内の前ステージに適用されるすべての電気入力エネルギーもポンピングしなければなりません。直列構成を正当化するのに十分なほどステージごとのΔT値が高い場合、TEMは一般に性能係数が1を大幅に下回ります。別の言い方をすれば、1ワットの熱エネルギーをデバイスのコールド側を通してポンピングするには、1ワット以上の電気入力が必要になります。TEM全体で高いΔTを開発することは、熱リーク抵抗全体で高いΔTを開発することを意味します。つまり、高い電気代で得られる低温側の熱伝導の多くは、より有用な可能性のあることを行うのではなく、リークを補うために使用されなければなりません。また、比較的大量の電気エネルギーがシステムに投入されるため、直列接続されたTEMアセンブリのホット側は一般に、それを放散するために周囲温度より大幅に上昇する必要があります。
例えば、NL4040-04BCを考えてみましょう。この4段TEMモジュールは、乾燥窒素雰囲気中でおよそ31ワットの電気入力を与えた場合、最大移動熱量Qが3.0W、ΔTが136°C、ホットサイド温度が50°Cと表示されています。動作曲線の端点のほぼ中間に位置する点は、およそ1.5Wと72°CのΔTで動作します。高温側が空になっている部屋の環境を23°C（約73°F）とすると、TEMのホット側を50°Cに保つためには、0.83°C/Wの熱抵抗を持つホット側ヒートシンクが必要になります。TEMのコールド側は約-22°Cになり、そのような条件下でTEMが動かせる1.5Wの熱漏れを抑えるために、大気に対する絶縁熱抵抗が30°C/W必要になります。ざっと見積もって、発泡ポリウレタン断熱材でできた縁に沿った50mm（2インチ）の5面立方体のシェルは、その量の断熱材を提供するために、およそ1センチメートルまたは0.4インチの厚さが必要です。
大雑把に見積もって、この直列構成のTEMは、小さなコーヒーカップほどの大きさの領域を家庭用冷凍庫に匹敵する温度まで冷蔵するのに使用される可能性があり、そのために使用される電力は約30ワットです。一般的な家庭用冷凍庫が、同じような平均電力で、1立方メートルに近い大きさの領域を同じような温度に保つことが日常的に行われていることを考えると、このような大きさのものを冷却するのはあまり魅力的な話ではありません。この種のデバイスが注目に値する有用性を持つのは、半導体ベースのセンサなど、非常に小さな物体を局所的に制御可能な冷却を行う場合です。このようなセンサのノイズは一般的に温度に比例するため、ノイズ低減のために冷却されたセンサが望まれる特定の特殊用途では、このような多段TEMを使用することで、よりかさばったり不便な冷却方法を必要とせずにセンサを低温に保つことができるでしょう。
直列構成TEMアレイが適切な設計選択である限られた状況においては、工場で構成されたデバイスの使用が強く推奨されます。最適な結果を得るために、各ステージの動作パラメータを選択することは些細なことではなく、直列構成アレイとして特別に設計・製造されたデバイスは、一般に、シングルステージ用に設計された個別のデバイスから組み立てられたものよりも優れた結果をもたらします。
図12: AN4040-04BCマルチステージ TEM（左）の画像と、自然対流熱抵抗が約 0.9W/°Cのヒートシンク （511-3M）および発泡断熱エンクロージャ上の同じモデルの画像。このようなアセンブリは、筐体の内部領域を家庭用冷凍庫と同様の温度に維持することが期待できますが、そのために消費するエネルギーはそのような機器と同様です。
並列構成
複数のTEMを並列に配置し、高温側リザーバと低温側リザーバを共有することで、TEMの熱伝導容量を拡張することができます。物体が温度によって膨張または収縮する絶対距離はその大きさに比例するため、製造可能なTEMの最大サイズには現実的な限界があります。その結果、1つの装置で送れる熱の最大量にも現実的な限界があります。TEMを使用してこの限界を超える熱伝達能力が必要な場合は、複数の装置を並列に使用することが選択肢となります。
その際、多くの実用的な考慮事項が適用されます。第一に、このようなアセンブリは一般にクランピング技術を使用して組み立てられますが、これは非剛性結合によってコンポーネントの温度が変化しても熱機械応力を緩和できるからです。第二に、2つの公称平坦面間に複数のTEMをマウントしようとする場合、すべてのデバイスにわたって均一なクランプ圧を達成するには、ある程度の注意が必要です。ヒートシンク、スペーサーブロックなどの嵌合部品上の不均一なTEM厚さや非平坦な表面は、関係する寸法が小さすぎて容易に見えない場合でも、インターフェースの熱抵抗の大幅な増加や期待外れの結果を容易に引き起こします。関連する公差（TEM厚さおよび平行度、ヒートシンク取り付け面の平坦度）を0.001インチ（0.025mm）以内に維持することが、最良の結果を得るために一般的に推奨され、TEMを並列に使用する場合は0.0005インチ（0.0125mm）が推奨されます。
アレイの各外縁に1つずつ配置するのに加えて、各平行に構成されたTEMの間にファスナーを配置することが推奨され、各ファスナーは隣接するTEMの中心から同じ距離であることが好ましいです。これは、ヒートシンクのたわみから生じる印加圧力の不規則性を避けるのに役立ちます。均等なクランプ圧を得るため、また組み立て中の不注意によるTEMの損傷を避けるために、ファスナーを対称的なパターンで少しずつ締めることを推奨します。TEMアレイの最も中央のファスナーから始めて、最終ファスナートルクの控えめな割合（おそらく20%）をかけます。アレイの他のファスナーも同じ値までトルクをかけ、交互に対称的に外側に移動します。すべてのファスナーがこの方法で張力を与えられたら、各ファスナーにさらにトルクを加えるパターンを繰り返します。
図13：TEMの厚さが均一でないと、組み立て時にTEMの取り付け面全体に不均一な圧力がかかり、デバイスの損傷やシステムの性能が最適でなくなる可能性があります。