冷却用途に最適なペルチェモジュール

ペルチェ効果の適用により、より優れた冷却能力を実現

ペルチェモジュールは、熱電冷却器（TEC）または熱電モジュール（TEM）とも呼ばれ、可動部分を持たない固体状態のデバイスで、通電時に熱を伝達し、広範囲の温度で動作することができます。このデバイスは、1834年にフランスの物理学者ジャン・ペルチェによって発見されたペルチェ効果に理論的に基づいています。
 
ペルチェモジュールは、正および負にドープされた半導体材料のペレットを、二つの電気的に絶縁された熱伝導性セラミックプレートの間に配置した構造で構成されています。各セラミックプレートの内面には金属材料の導電パターンがめっきされ、半導体ペレットがその上にハンダ付けされています。このモジュール構成により、すべての半導体ペレットが電気的には直列に、機械的には平行に接続されることを可能にしています。直列の電気接続により望ましい熱効果が得られ、機械的な平行接続を介して、一方のセラミックプレート（冷たい側）で熱が吸収され、もう一方のセラミックプレート（熱い側）で熱が放出されます。

一般的なペルチェモジュールにおける故障の一般的な原因

ペルチェモジュールにおける最も一般的な故障は、半導体ペレットまたは関連するはんだ接合部の機械的破損であり、これは最初はペレットまたははんだ接合部を完全に伝播せず、デバイスの直列抵抗の上昇によって検出される可能性があります。ペルチェモジュールの抵抗の上昇は、全体的な"効率"の低下を招く可能性がありますが、半導体ペレットまたははんだ接合部に完全に伝播する破損は、完全な故障を引き起こす可能性があります。   ペルチェモジュールの典型的な用途では、冷却対象物がモジュールの冷却プレートに置かれ、ヒートシンクが熱面に設置されます。ヒートシンクと冷却対象物がセラミックプレートに密着している場合、冷却対象物やヒートシンクを支える他の機械構造が存在しないと、機械的故障が発生しやすくなります。ペルチェデバイスのみで対象物やヒートシンクを支えると、モジュールに対する大きな剪断または張力負荷がかかる可能性があります。ペルチェモジュールは、ヒートシンクと冷却プレートの間の高い張力または剪断力に耐えることができず、過度な力が加わった場合に破損する可能性があります。   ほとんどの用途では、ヒートシンクは冷却対象物と一緒にクランプされ、その間にペルチェモジュールが配置されます。この機械構成は、ペルチェモジュールがクランプからの大きな圧縮力を支えることが可能であり、それが冷却対象物とヒートシンクの間の剪断または張力ストレスを吸収できるという事実によって可能になります。   ペルチェモジュールが大きな圧縮荷重に耐える能力があるにもかかわらず、ヒートシンクと冷却対象物はペルチェモジュールを挟んで均等にクランプする必要があります。さもなければ、セラミックプレート間のトルクおよび圧縮力が機械的故障を引き起こす可能性があります。ペルチェモジュールに圧縮クランプ力を生成する機械的拘束は慎重に、かつ均等に適用して、ペルチェモジュールにかかるトルクストレスを最小限に抑え、損傷の可能性を最小限に抑える必要があります。   さらに、ペルチェモジュールを構成するセラミックプレートおよび半導体ペレットは、熱膨張係数 (CTE) に関連しています。セラミックと半導体のCTEの不一致は、機械的ストレスを引き起こす可能性があります。モジュールが加熱または冷却される場合、それは半導体ペレットやはんだ接合部の破損を引き起こす可能性があります。ペルチェモジュールの絶対的な温度変化に加え、デバイス上の熱勾配とその温度の急激な変化率もCTEの結果として機械的ストレスを引き起こす可能性があります。極端な温度での動作、大きな温度勾配、高速な温度変化率は、機械的ストレスを増加させ、デバイスの故障を招く可能性があります。   また、ペルチェモジュール内の半導体ペレット、はんだ接合部、金属化された導電経路が外部の汚染を受ける可能性があり、故障につながることがあります。汚染への曝露を最小限に抑える一般的な解決策は、モジュールのセラミックプレート間にシーラントビーズを適用することです。シリコンゴムは材料の機械的な柔軟性から一般的なシーラントとなりますが、過酷な動作環境では蒸気バリアとして効果がない場合があります。エポキシ樹脂は蒸気濃度が高い場合の周辺シーラントとして使用できますが、エポキシ樹脂は一般的にシリコンゴムのような機械的な柔軟性はありません。

arcTEC™構造を採用したペルチェモジュールはさらに優れた性能を発揮します

前述の通り、Peltierモジュールのはんだ接合および半導体ペレットは機械的ストレスにより亀裂が生じる可能性があります。Same SkyはarcTEC™構造を備えたPeltierモジュールを開発しました。この独自の構造により熱疲労に耐えることが可能となり、モジュールの性能、信頼性、サイクル寿命が向上します。   まず、Same Skyが提供するarcTEC™構造を備えたPeltierモジュールでは、モジュールの冷却側のはんだ接合が導電性樹脂に置き換えられています。この樹脂は、はんだより機械的に柔軟であり、Peltierモジュールの繰り返される熱サイクル中の熱膨張と収縮を可能にし、従来のPeltierモジュール構造ではんだ接合に生じるストレスや破損を最小限に抑えるのに役立ちます。これにより、より優れた熱接続、卓越した機械的結合、そして長期間にわたって性能が顕著に劣化しないことが実現します。   arcTEC構造内の残りのはんだ接合は、一般的な低温ビスマスはんだ (BiSn, 138°C) の代わりに高温アンチモンはんだ (SbSn, 235°C) で作られています。アンチモンはんだはビスマスはんだよりも機械的ストレスに対する耐性が高く、優れた熱疲労耐性と優れたせん断強度によってPeltierモジュールの信頼性向上に寄与します。Same SkyのPeltierモジュールには、防湿性に優れたシリコンゴム層があり、機械的柔軟性も備えています。また、エポキシ樹脂などの他の防湿層はリクエストに応じて提供可能です。   arcTEC構造の熱伝導性樹脂とSbSnはんだ接合の複合効果により、Peltierモジュールの信頼性と耐用寿命に大きな影響を与えます。Peltierモジュールの寿命と接合の品質には直接的な相関があり、故障の主な原因は、モジュール内部の接合の熱疲労による抵抗の増加です。この影響は、繰り返される熱サイクル時に生じる内部ストレスによってさらに複雑化します。30,000回以上の熱サイクルにおいて、arcTEC構造を持つPeltierモジュールの抵抗変化はわずかであり、優れた性能を発揮します。   卓越した信頼性とモジュール寿命に加えて、arcTEC構造を備えたPeltierモジュールは、強化された熱性能を提供します。Peltierモジュールで使用されている高品質シリコンインゴット製の統合P/Nエレメントは、市場で流通している他の熱電モジュールで使用されているエレメントの2.7倍のサイズです。大きなエレメントは高速かつ均一な冷却を可能にするため、熱性能に大きな影響を与えることがあります。arcTEC構造を使用して製造されたユニットの赤外線検査では、セラミック基板表面に均一な温度分布が示されています。   これに対して、従来型ユニットは複数の温度変化を示しており、冷却性能の低下や寿命の短縮のリスクが高まることが示唆されています。これらの温度変化は、劣悪なP/Nエレメント品質、小さなエレメントサイズ、またはモジュール内部のはんだ品質の低さに起因する可能性があります。より大きなP/Nエレメントを備えたモジュールの使用により、性能の低下を伴わずに高速冷却が実現します。フィールドテストでは、arcTEC構造を持つモジュールが競合モジュールと比較して冷却時間を50%以上改善していることが示されています。この顕著な差は、P/Nエレメントのサイズと品質、およびarcTEC構造の高い信頼性によるものです。熱サイクル数の増加および従来型モジュールの抵抗変化によってその差はさらに広がります。

多様化されたペルチェモジュールシリーズは、さまざまなアプリケーションのニーズに対応します

Same Skyの高性能ペルチェモジュールシリーズには、コンパクトで軽量な形状を持つ単一段ペルチェモジュールが含まれており、可動部品のない固体構造を備えています。精密な温度制御と応答性により、高い信頼性を持つ冷却ソリューションへと進化させることができます。さらに、追加の多段ペルチェモジュールは、二つのモジュールを積み重ねて熱ポンプ能力を増大させ、105°Cまでの高温差を実現しながら、単一段ペルチェ冷却器の固体構造の利点を維持します。加えて、ペルチェ冷却ユニットの優れた耐水性と熱応力吸収構造により、より良い熱吸収、性能向上、そして締め付けネジを必要としない簡単な取り付けを実現します。   Same Skyは、高性能ペルチェモジュールシリーズを3.4 mmから70 mmのサイズ、1.95 mmまでの低プロファイル、ΔTmaxが最大95°C (Th=50°C)、定格電流が0.7 Aから20 A、温度差が70°Cから105°Cまでの範囲で提供します。これらのペルチェモジュールの信頼性の高い固体構造、精密な温度制御、静音性の特長により、強制空冷がオプションではない医療用および産業用アプリケーションや設計に最適です。

結論

Same Sky のペルチェモジュールは、熱疲労の影響を軽減し、P/N 要素を最適化することに重点を置いており、従来構造の熱電クーラーよりもはるかに優れた性能を発揮します。これらの向上は arcTEC 構造に実装され、最も過酷な用途で求められる性能と信頼性を総合的に提供することから、これらのペルチェモジュールは高密度、高出力の医療および産業用途において理想的な選択肢となります。