ネッククーラー・首掛け扇風機が夏の人気アイテムになり、冷蔵庫にも使われている電気冷却装置の「ペルチェ素子」が活躍しています。
歴史も古く、金属と半導体の組み合わせによる構造でできているところが、興味深いです。
今回は、その元になる「ペルチェ素子」について調べてみました。
夏に外で作業されている作業員が着ているベストにも、ペルチェ素子は使われていて、涼しさを届けて重宝されています。
ネッククーラーについては、こちらのTikTok動画がわかりやすいと思います。
引用：TikTok ネッククーラー
ペルチェ素子とは？
ペルチェ素子は、ジャン・シャルル・アサール・ペルチェというフランスの物理学者によって、1821年に発明された熱電素子で構成された電気冷却装置であり、今流行りのネッククーラーは、利用する時に首に巻いて、冷却効果を得ることができる便利なグッズです。
ペルチェ素子は、電気を流すことで一方の面が熱くなり、もう片方が冷たくなる熱電効果を利用しています。これは金属と半導体の組み合わせによって、電気による熱交換が行われる仕組みです。
ネッククーラーの歴史には、元祖ペルチェ式ネッククーラーの7年間の進化があります。
初めてペルチェ素子を利用した、ネッククーラーが開発されてからの7年間で、様々な改良と革新が加えられ、より効率的な冷却装置として進化してきました。
その結果、我々は快適な冷却体験を手にすることができるのです。
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ペルチェ素子はどういう構造？
ペルチェ素子の構造は、2種類の金属を直列接続して電流を流してみると、接合部分で熱の移動が起こるという現象が起こり、わかってきました。
しかし今は、もっと効率的にこのペルチェ効果を利用するので、2枚の金属板の間にP型とN型の半導体を挟んで、π型構造とすることが一般的になっています。
この構造は、P型とN型半導体のエネルギー準位が、金属と異なるために起こります。
例えばN型半導体は、金属よりもエネルギー準位が高いので、金属からN型半導体に電子が移動する際には、エネルギーが吸収されて金属の温度が下がってきます。
逆にN型半導体から、金属に電子が移動すると、少ないエネルギーが必要となるので、電子はエネルギーを放出して、金属の温度が上がるのです。
一方、P型半導体は、金属よりもエネルギー準位が低いので、逆の現象が起こります。
これは、金属からP型半導体への電子の移動の時、放熱して、P型半導体から金属への電子の移動は吸熱します。
このように、各半導体がペルチェ効果を増やしていく働きをするので、半導体を挟むことで、より効率的に吸熱・放熱が行われるのです。
π型構造は、効率やコストを考慮して選択され、ほとんどのペルチェ素子がこの構造を採用しています。
ペルチェ素子の良い点
小さくて軽量なので扱いやすい
ペルチェ素子は、金属と半導体を組み合わせるだけで作ることができるので、小型で軽量の製品を、割と簡単に製造できる特長があります。
また、直流電流を流すだけで動くので、特別な電源設備も不要で、利便性が高く評価されています。
さらに、コンプレッサーや他の熱交換システムと比べてみて、運転する時の騒音や振動が発生しない点も良い点です。
手軽に加熱や冷却をする場合には、ペルチェ素子が理想的な選択と言えます。
安全性が高くて寿命が長い
ペルチェ素子は、金属と半導体の電気的特性を利用するので、化学物質を使用する必要がないのです。
エアコンのような有害ガスの漏洩の心配がなく、安全性が高くて環境への悪影響がなく、機械的な動作が不要なので、摩耗や破損が少なくて、長寿命な特長があります。
放熱と吸熱を簡単に切り替えられる
ペルチェ効果は、可逆的な反応があり、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の反転だけで、加熱と冷却の両方の用途に使用できるのです。
必要に応じて、加熱と冷却を切り替えることができ、ペルチェ素子が便利に活用されます。
ペルチェ素子の悪い点
大きなシステムには向かない
ペルチェ素子は、ヒートポンプ式の熱交換システム（エアコンなど）と比べて、大きなシステムには向いていません。
ヒートポンプ式では、冷媒を圧縮・膨張させることで、周囲の熱を集めて移動させるので、規模が大きくなると効率が向上します。
一方、ペルチェ素子は電力で熱を移動させるので、規模が大きくなると消費電力も大きくなってしまいます。
冷蔵庫などの小さな空間では、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・冷却を行う場合は、ヒートポンプ式が適していると言えるでしょう。
放熱の管理が大変になる
ペルチェ素子を冷却用途で使用する時は、放熱管理が困難なことがあり、ペルチェ素子の排熱側には、冷却分の熱と電流を流した分の熱が発生するので、十分な放熱が必要になってきますが、大きな課題として残っています。
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ばかりではなく、ペルチェ素子自体が損傷する恐れもあるので、放熱管理には十分注意が必要です。
冷却グッズの長期保管
冷却グッズを長期間保管する際には、以下の点に留意してください。
- 保管前には、必ずしっかりと乾燥させておいてください。
- 長期間保管する場合は、定期的に電源を入れて動作確認を行うことが大切です。
- 長期間の保管中は、電源を入れたままにしないように注意してください。
- 電池を使用している場合は、電池を取り出して保管してください。
冷却ベストはペルチェが抜群！ペルチェ素子の歴史と構造、良い点・悪い点を探ろう！まとめ
ネッククーラー・首掛け扇風機が夏の人気アイテムになり、冷蔵庫にも使われている電気冷却装置の「ペルチェ素子」が活躍していますので、商品も参考にしてみてくださいね！
またネッククーラーにも種類がたくさんあるんで、こちらもご覧になってみてくださいね！
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