ペルチェ(サーモモジュール)とは、熱電(TE)クーラーとも呼ばれる。ペルチェ素子に流す電流方向をクイック変換(ペルチェドライバー)させることで、温度制御対照物の温度制御管理を高精度( ±1/100℃)且つ、スピーディーに加熱、排熱制御を可能とする半導体を用いたPN接合デバイスの事を言う。簡単に理解しやすく言い変え得るとレンジ(加熱)と冷蔵庫(吸熱)機能を併せ持ったデバイスであるため、驚くほど短時間に設定した目的温度を非常に高精度に制御可能な特徴を備えて居ます。
サーモモジュールTEシリーズ６種の図をクリック下されば、選択されたシリーズ内の容量、面積、形状の異なる数々のデバイスをご覧戴けます。更に、適合する容量、面積、形状を見出せましたら、適合品名番号をクリック下さる事で、更なる詳細仕様を得る事が出来ます。尚、詳細仕様の使用方法は、下記のペルチェ素子選択要素をお読みください。
今日のペルチェ(TEＣ)で最もよく使用される熱電半導体材料は、明確な「N」および「P」特性を持つ個々のブロックまたは要素を提供するために適切にドープされたビスマステルライドの合金を接合した製品です。熱電材料は、ほとんどの場合、溶融物からの方向性結晶化または粉末冶金のいずれかによって製造されます。各製造方法には特有の利点がありますが、方向性のある材料が最も一般的です。テルル化ビスマス（Bi2Te3）、特定の状況で使用できるテルル化鉛（PbTe）、シリコンゲルマニウム（SiGe）、ビスマス-アンチモン（Bi-Sb）合金など、他の熱電材料があります。図（2.1）は、ある温度範囲におけるさまざまな材料の相対的な性能または性能指数を示しています。このグラフから、ほとんどの冷却アプリケーションに最適な温度範囲内でテルル化ビスマスの性能がピークに達することがわかります。
ビスマステルライド材料：結晶性ビスマステルライド材料には、くつかの特性があります。結晶構造から、Bi2Te3は本質的に異方性です。これにより、材料の電気抵抗率は、垂直方向よりも結晶成長軸（C軸）に平行に約4倍大きくなります。熱伝導率は、垂直方向よりもC軸に対して約2倍の大きさが有ります。抵抗率の異方性挙動は熱伝導率の異方性挙動よりも大きいため、最大の性能または性能指数は平行方向で発生します。この異方性により、結晶成長軸が各要素の長さまたは高さに平行で、セラミック基板に垂直になるように、熱電素子を冷却モジュールに組み込みます。テルル化ビスマスには、材料の結晶構造にも関連する特性が1つあります。Bi2Te3結晶は、類似した原子の六角形の層で構成されています。
ビスマスとテルリウムの層は強い共有結合で結合されていますが、弱いファンデルワールス結合は隣接する[Te¹]層をリンクしています。その結果、結晶性テルル化ビスマスはこれらの[Te¹] [Te¹]層に沿って容易にleave開し、その挙動はマイカシートの挙動と非常に似ています。幸いなことに、cleavage開面は一般にC軸に平行に走り、熱電冷却モジュールに組み込まれた場合、材料は非常に強力です。
テルル化ビスマス材料は、溶融物からの方向性結晶化によって製造される場合、通常はインゴットまたはブールの形で製造され、さまざまな厚さのウェーハにスライスされます。ウェハの表面が適切に準備された後、ウェハは熱電冷却モジュールに組み立てられるブロックにダイシングされます。通常、要素またはダイスと呼ばれるテルル化ビスマス材料のブロックも、粉末冶金プロセスによって製造されます。
熱電冷却モジュール：実際の熱電冷却器は、電気的に直列に接続され、熱的に並列に接続された2つ以上の半導体材料の要素で構成されています。これらの熱電素子とその電気的相互接続は、通常、2つのセラミック基板の間に取り付けられます。基板は、構造全体を機械的に一緒に保持し、個々の要素を互いにおよび外部の取り付け面から電気的に絶縁するのに役立ちます。さまざまなコンポーネント部品をモジュールに統合した後、サイズが約2.5〜50 mm（0.1〜2.0インチ）平方、2.5〜5 mm（0.1〜0.2インチ）の熱電モジュールを構築できます。
熱電冷却器では、N型とP型の両方のテルル化ビスマス熱電材料が使用されます。この配置により、電流が各NおよびPエレメントを介して上下の基板間を交互に往復しながら、熱がクーラーを一方向に移動します。N型材料は、過剰な電子（完全な分子格子構造を完成するのに必要な数よりも多くの電子）を持つようにドープされ、P型材料は、電子不足（必要な電子よりも少ない電子）を持つようにドープされます完全な格子構造を完成させるため）。N材料の余分な電子とP材料の電子の不足から生じる「ホール」は、熱電材料を介して熱エネルギーを移動させるキャリアです。図（2。2）電流を流した結果として熱が移動する典型的な熱電クーラーを示します（I）。ほとんどの熱電冷却モジュールは、同じ数のN型とP型の要素で製造されており、1つのNとPの要素のペアが熱電「結合」を形成します。図（2.2）に示すモジュールは、NとPの要素の2つのペアと「2カップルモジュール」と呼ばれます。
熱流束（熱電モジュールを介して能動的にポンピングされる熱）は、印加されたDC電流の大きさに比例します。入力電流をゼロから最大まで変化させることにより、熱の流れと温度を調整および制御できます。
ここでは、スタンダードで幅広く利用されてます汎用ペルチェの、さまざまな一般的なサイズとヒートポンプ容量を持つモジュール単体での吸熱/加熱機能から、広範囲の冷却および精密温度制御アプリケーションを実現致します。汎用熱電モジュールは、生物医学、実験室、科学機器、消費者製品、産業機器で使用されています。標準基板は、±0.025mmの公差でラップされます。
9502/065/012M 1.2 8.9 70.0 5.8 12.1 11.2 12.1 11.2 2.65
9502/031/012M 1.2 4.3 70.0 2.8 8.0 8.0 8.0 8.02.14
9502/029/012M 1.2 4.0 70.0 2.6 6.1 9.9 6.1 9.9 2.14
9502/023/012M 1.2 3.2 70.0 2.0 6.1 8.2 6.1 8.22.14
9502/018/012M 1.2 2.5 70.0 1.6 6.1 7.2 6.1 6.22.14
9500/018/012M 1.2 2.5 70.0 1.6 6.1 7.6 6.1 6.12.59
9502/017/012M 1.2 2.3 70.0 1.5 6.1 6.1 6.1 6.12.65
9500/007/012M 1.2 1.0 70.0 0.6 4.0 4.0 4.0 4.02.39
9502/065/018M 1.8 8.9 70.0 8.7 12.1 11.2 12.1 11.22.34
9503/035/018M 1.8 4.8 70.0 4.7 6.1 12.2 6.1 11.21.64
9503/031/018M 1.8 4.3 70.0 4.1 8.0 8.0 8.0 8.01.64
9502/031/018M 1.8 4.3 70.0 4.1 8.0 8.0 8.0 8.01.83
9502/029/018M 1.8 4.0 70.0 3.9 6.1 10.2 6.1 10.21.83
9502/023/018M 1.8 3.2 70.0 3.1 6.1 8.2 6.1 8.21.83
9503/018/018M 1.8 2.5 70.0 2.4 6.1 7.2 6.1 6.21.64
9500/018/018M 1.8 2.5 70.0 2.4 6.1 7.6 6.1 6.12.34
9502/017/018M 1.8 2.3 70.0 2.3 6.1 6.1 6.1 6.12.34
9500/007/018M 1.8 1.0 70.0 0.9 4.0 4.0 4.0 4.02.09
9503/035/020M 2.0 4.8 70.0 5.2 6.1 12.2 6.1 12.21.64
9503/029/020M 2.0 4.0 70.0 4.3 6.1 10.2 6.1 10.21.64
9503/023/020M 2.0 3.2 70.0 3.4 6.1 8.2 6.1 8.21.64
9503/018/020M 2.0 2.5 70.0 2.6 6.1 7.2 6.1 6.21.64
9503/035/025M 2.5 4.8 70.0 6.5 6.1 12.2 6.1 12.21.64
9501/128/030B 3.0 17.6 72.0 29.0 29.7 34.0 29.7 29.7 3.94
9501/127/030B 3.0 17.5 72.0 29.0 29.7 29.7 29.7 29.7 3.94
9501/071/030B 3.0 9.8 72.0 16.0 22.4 22.4 22.4 22.4 3.18
9501/031/030B 3.0 4.3 72.0 7.0 15.1 15.1 15.1 15.1 3.18 9501/023/030B 3.0 3.2 72.0 5.2 7.4 22.4 7.4 22.4 3.18
9501/017/030B 3.0 2.3 72.0 3.8 11.5 11.5 11.5 11.5 3.18
20013/017/030B 3.0 2.4 83.0 3.8 11.5 11.5 11.5 11.52.90
20013/023/030B 3.0 3.3 83.0 5.1 7.4 22.4 7.4 22.42.90
9501/128/040B 4.0 17.5 72.0 38.0 29.7 34.0 29.7 29.7 3.94
9500/128/040B 4.0 17.5 72.0 38.0 39.7 42.8 39.7 39.7 4.16
9501/127/040B 4.0 17.5 72.0 38.0 29.7 29.7 29.7 29.7 3.94
9500/127/040B 4.0 17.5 72.0 38.0 39.7 39.7 39.7 39.7 4.16
9501/071/040B 4.0 9.8 72.0 21.0 22.4 22.4 22.4 22.4 3.18
9500/071/040B 4.0 9.8 72.0 21.0 29.8 29.8 29.8 29.84.16
9501/063/040B 4.0 8.7 72.0 18.0 20.1 39.7 20.1 39.7 4.16
9500/035/040B 4.0 4.8 72.0 10.0 15.1 29.8 15.1 29.8 4.16
9501/031/040B 4.0 4.3 72.0 9.3 15.1 15.1 15.1 15.13.18
9500/031/040B 4.0 4.3 72.0 9.3 20.0 20.0 20.0 20.04.16
9501/023/040B 4.0 3.2 72.0 6.9 7.4 22.4 7.4 22.43.18
9501/017/040B 4.0 2.3 72.0 5.1 11.5 11.5 11.5 11.5 3.18
9500/017/040B 4.0 2.3 72.0 5.1 11.5 11.5 11.5 11.54.16
20005/017/040B 4.0 2.4 83.0 5.1 15.1 15.1 15.1 15.13.10
20013/031/040B 4.0 4.4 83.0 9.2 15.1 15.1 15.1 15.12.90
20005/035/040B 4.0 5.0 83.0 10.0 15.1 29.8 15.1 29.83.95
20015/063/040B 4.0 9.0 83.0 19.0 39.7 20.1 39.7 20.13.95
20013/071/040B 4.0 10.1 83.0 21.0 22.4 22.4 22.4 22.42.90
72005/071/040B 4.0 10.1 83.0 21.0 29.8 29.8 29.8 29.84.00
9500/035/060B 6.0 4.8 72.0 16.0 15.1 29.8 15.1 29.84.16
9500/031/060B 6.0 4.3 72.0 14.0 20.0 20.0 20.0 20.04.16
9500/017/060B 6.0 2.3 72.0 7.6 15.1 15.1 15.1 15.1 4.16
9500/071/060B 6.0 9.8 72.0 32.0 29.8 29.8 29.8 29.84.16
9500/127/060B 6.0 17.5 72.0 57.0 39.7 39.7 39.7 39.74.16 9501/127/060B 6.0 17.5 72.0 57.0 29.7 29.7 29.7 29.7 3.61
9500/128/060B 6.0 17.6 72.0 57.0 39.7 42.8 39.7 39.7 4.16
72001/127/060B 6.0 18.1 83.0 57.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.50
72001/071/060B 6.0 10.1 83.0 32.0 29.8 29.8 29.8 29.8 3.50
72011/127/060B 6.0 18.1 83.0 57.0 29.7 29.7 29.7 29.7 3.50
720C1/127/060B 6.0 18.1 83.0 57.0 34.5 34.5 34.5 34.5 3.50
72001/127/060B 6.0 18.1 83.0 57.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.50
72031/133/070B 7.0 18.9 83.0 69.0 29.0 40.0 29.0 40.0 3.40
9500/017/085B 8.5 2.3 72.0 11.0 15.1 15.1 15.1 15.13.94
9500/031/085B 8.5 4.3 72.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 3.94
9500/035/085B 8.5 4.8 72.0 22.0 15.1 29.8 15.1 29.8 3.94
9500/063/085B 8.5 8.7 72.0 40.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.94
9500/071/085B 8.5 9.8 72.0 45.0 29.8 29.8 29.8 29.8 3.94
9500/127/085B 8.5 17.5 72.0 80.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.94
9500/128/085B 8.5 17.6 72.0 80.0 39.7 42.8 39.7 39.7 3.94
72001/127/085B 8.5 18.1 83.0 80.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.50
20003/031/085B 8.5 4.4 83.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 3.75
72001/071/085B 8.5 10.1 83.0 45.0 29.8 29.8 29.8 29.8 3.50
72001/172/085B 8.5 18.1 83.0 80.0 39.7 39.7 39.7 39.7 3.50
9500/031/090B 9.0 4.3 72.0 22.0 29.8 29.8 29.8 29.84.60
9500/071/090B 9.0 9.8 72.0 47.0 29.8 29.8 29.8 29.83.94
9500/097/090B 9.0 13.3 72.0 65.0 29.8 29.8 29.8 29.83.55
72001/097/090B 9.0 13.8 83.0 65.0 29.8 29.8 29.8 29.8 3.40
9501/063/100B 10.0 8.7 72.0 47.0 20.1 39.7 20.1 39.73.64
9500/127/100B 10.0 17.5 72.0 95.0 39.7 39.7 39.7 39.73.64
72011/063/100B10.0 9.0 83.0 42.0 20.1 39.7 20.1 39.73.50
72001/127/100B10.0 18.1 83.0 95.0 39.7 39.7 39.7 39.73.50
72001/127/110B11.0 18.1 83.0 104.0 39.7 39.7 39.7 39.73.50
9504/071/120B 12.0 9.8 72.0 63.0 40.1 40.1 40.1 40.14.65
9504/017/150B 15.0 2.3 72.0 19.0 22.0 22.0 22.0 22.04.65
9500/031/150B 15.0 4.3 72.0 35.0 29.8 29.8 29.8 29.84.60
9504/071/150B 15.0 9.8 72.0 79.0 40.1 40.1 40.1 40.14.65
72011/129/150B15.0 18.3 83.0 144.0 79.5 34.5 79.5 34.53.50
72041/071/150B15.0 10.1 83.0 79.0 40.1 40.1 40.1 40.13.50
72008/131/150B15.0 18.6 83.0 146.0 30.0 60.0 30.0 60.03.30
9504/031/240B 24.0 4.3 72.0 55.0 39.7 39.7 39.7 39.74.62
9506/031/400B 40.0 4.3 72.0 92.0 55.0 55.0 55.0 55.04.85
上記に紹介しました様に現在一般的に活用されています、代表的なペルチェの型番、形状の大きさ、駆動条件である電気的なスペック及び温度制御可能な温度差ΔＴを示しました事から、温度制御範囲は、-５０℃～２００℃（250℃可能性有り）の温度帯域が可能となります。以下ペルチェ素子選択に当り必要となる要件を列挙致します。
- ターゲット物質をどの温度に維持する必要があるか。
- ターゲット物質を1項の条件に当てはめるに必要な、熱量の計算を行う必要が有ります。
- 熱応答時間を考慮し、ターゲット物質の温度設定時間を算定しておく。
- システムを配置する周囲温度を考慮し、システム動作中の周囲温度変化を考慮想定する。
- ターゲット物質の発熱、伝導、対流、放射等の結果としてのオブジェクトへの内部、外部からの熱加熱、熱漏れを考慮する。
- ペルチェモジュールとヒートシンクに使用できるスペース容量を判断。
- システムを配置する電力供給環境を調べる。
- ターゲット物質の温度を制御精度。
- 動作中のヒートシンクの温度算定。
- 各アプリケーションには、重要度のレベルが異なる可能性が高い独自の要件セットがあることは明らかです。変更できない重要な要件に基づいて、設計者の仕事は、効率的で信頼性の高い冷却システムを最終的に形成する互換性のあるコンポーネントと動作パラメーターを選択することです。
TEモジュール性能グラフの使用：熱電設計活動を開始する前に、基本的なモジュール性能特性を理解する必要があります。パフォーマンスデータはグラフィカルに表示され、特定のヒートシンクのベース温度を基準にしています。ほとんどのパフォーマンスグラフは、+ 50°Cのヒートシンク温度（Th）で標準化されており、結果のデータは、わずかな誤差で約40°Cから60°Cの範囲で使用できます。リクエストに応じて、-80°C〜+ 200°Cの範囲内の任意の温度を基準としたモジュール性能グラフを提供できます。
これらの性能曲線の使用を実証するために、簡単な例を示します。15ワットの熱を放散する小さな電子「ブラックボックス」があるとします。電子ユニットが適切に機能するためには、温度が20°Cを超えてはなりません。室内の周囲温度は20°Cレベルをはるかに上回ることが多いため、熱電冷却器を使用してユニットの温度を下げる必要があります。この例の目的のために、最悪の条件下で温度を50°Cに維持できると述べる以外に、ヒートシンクを無視します（実際にはこれを実行できません）。必要な冷却を提供するために、71ペア、6アンペアのモジュールの使用を調査します。
Qc対IPig9.1に示すこのグラフは、モジュールのヒートポンプ能力（Qc）と温度差（DT）を入力電流（I）の関数として関連付けています。この例では、TEモジュールの確立された動作パラメータには、Th = 50°C、Tc = 20°C、およびQc = 15ワットが含まれます。必要なDT = Th-Tc = 30°C。
最初に、単一の71ペア、6アンペアのモジュールで、アプリケーションの要件を満たすために十分な熱を除去できるかどうかを判断する必要があります。DT = 30ラインを見つけ、最大Qc値がポイントAで発生し、入力電流が6アンペアであることを確認します。点Aから左のy軸まで線を延長すると、モジュールはTcを20°Cに維持しながら約18ワットをポンピングできることがわかります。このQcは必要以上にわずかに高いため、15ワットのQcに対応する位置（ポイントB）に到達するまでDT = 30の線をたどります。点Bは、熱要件を満たす動作点です。点Bからx軸まで下方向に線を延長すると、適切な入力電流は4.0アンペアであることがわかります。
Pig9.1
71Cl/6.0Aのモジュールの入力電流の関数としての温度差に関連するヒートポンプ能力
Vin対IPig9.2に示すこのグラフは、モジュールの入力電圧（Vin）と温度差（DT）を入力電流（I）の関数として関連付けています。この例では、TEモジュールのパラメーターには、Th = 50°C、DT = 30°C、およびI = 4.0アンペアが含まれます。DT = 30ラインを見つけ、4.0アンペアの交差点でポイントCをマークします。ポイントCから左のy軸までラインを延長すると、必要なモジュール入力電圧（Vin）が約6.7ボルトであることがわかります。
Pig9.2
71Cl/6.0Aのモジュールの入力電流の関数としての温度差に関連する入力電圧
COP対IPig9.3に示すこのグラフは、モジュールの性能係数（COP）と温度差（DT）を入力電流（I）の関数として関連付けています。この例では、TEモジュールのパラメーターには、Th = 50°C、DT = 30°C、およびI = 4.0アンペアが含まれます。
DT = 30ラインを見つけ、4.0アンペアの交差点でポイントDをマークします。ポイントDから左のy軸までラインを延長すると、モジュールのパフォーマンス係数は約0.58であることがわかります。
Pig9.3
71Cl/6.0Aのモジュールの入力電流の関数としての温度差に関連する性能係数
Pig9.4に示すタイプのVin対Thの追加グラフは、モジュールの入力側電圧（Vin）と入力電流（I）をモジュールの高温側温度（Th）の関数として示しています。ゼーベック効果により、IおよびThの特定の値での入力電圧は、DT = Oのときに最低になり、DTが最大点にあるときに最高になります。その結果、Vinの平均値を提供するために、通常、Vin対ThのグラフがDT = 30条件に対して表示されます。
Pig9.4
71Cl/6.0Aのホットサイド温度の関数としての入力電流に関連する入力電圧
典型的な設計プロセスを説明するために、レーザーダイオードの温度安定化を含むTEクーラーアプリケーションの例を示します。ダイオードは、関連する電子機器とともに、DIP Kovarハウジングに取り付けられ、25°Cの温度に維持される必要があります。ハウジングをシステム回路基板に取り付けた状態で、テストにより、ハウジングの熱抵抗が6°C /ワットであることがわかりました。レーザー電子機器は合計0.5ワットを消費し、設計の最大周囲温度は35°Cです。
適切な温度を維持するために十分な冷却能力を持つだけでなく、ハウジングによって課される寸法要件を満たすTE冷却モジュールを選択する必要があります。18Cpl/1.2AのTEクーラーが最初に選択されたのは、互換性のある寸法を備えており、適切な性能特性を備えているためです。このモジュールのパフォーマンスグラフを使用して、数学計算を行うための関連パラメーターを導き出します。設計プロセスを開始するには、まずヒートシンクを評価し、最悪の場合のモジュールの高温側温度（Th）を推定する必要があります。ig選択したTEクーラーの最大入力電力（ピン）は、PigA（9.5）のポイントAで決定できます。
- 最大モジュールの入力電力（ピン）= 1.2アンペアx 2.4ボルト= 2.9ワット
- 最大ハウジングへの入熱= 2.9ワット+ 0.5ワット= 3.4ワット
- ハウジングの温度上昇= 3.4ワットx 6°C /ワット= 20.4°C
- 最大ハウジング温度（T、）= 35°C周囲温度+ 20.4°C上昇= 55.4°C 55.4°Cの高温側温度（Th）は利用可能な錫= 50°Cの性能グラフにかなり近いため、これらのグラフは非常に小さな誤差で熱性能を決定するために使用されます。
Pig9.5
18Cpl/1.2AのモジュールのVin対Iグラフ
最悪のTh値を確立したので、モジュールのパフォーマンスを評価することができます。
モジュール温度差（DT）= Th – Tc = 55.4 – 25 = 30°C
Pig9.6
18Cpl/1.2AのモジュールのQc対Iグラフ
Pig9.6から、DT = 30の最大ヒートポンプ率（Qc）はポイントBで発生し、約0.9ワットであることがわかります。0.5ワットのQcしか必要ないため、ポイントCとしてマークされた0.5ワットのラインと交差するまでDT = 30ラインをたどることができます。ラインをポイントCからx軸まで下向きに延長すると、約0.55アンペアの入力電流（I）は、必要な冷却性能を提供します。図（9.5）のVin対Iのグラフに戻ると、ポイントDとしてマークされた0.55アンペアの電流には、約1.2ボルトの電圧（Vin）が必要です。必要な入力電力は、最初の計算に使用した値よりもかなり低いため、分析を繰り返す必要があります。新しい電力と温度の値は次のとおりです。
- 最大モジュールの入力電力（ピン）= 0.55アンペアx 1.2ボルト= 0.66ワット
- 最大ハウジングへの入熱= 0.66ワット+ 0.50ワット= 1.16ワット
- ハウジングの温度上昇= 1.16ワットx 6 C /ワット= 7°C
- 最大ハウジング温度（Th）=周囲温度35°C +上昇温度7°C = 42°C
モジュール温度差（DT）= Th-Tc = 42°C-25°C = 17°C
Thに別の新しい値があるため、安定した状態が得られるまで上記の手順を繰り返し続ける必要があることがわかります。通常、計算は、連続する計算からのTh値の差が非常に小さくなるまで（通常、精度を上げるために0.1 C未満になるまで）繰り返されることに注意してください。ここで繰り返し計算を行う理由はありませんが、選択した18カップTEモジュールがこのアプリケーションで非常にうまく機能すると結論付けることができます。この分析は、熱電冷却アプリケーションにおけるヒートシンクの重要性を明確に示しています。
複数のモジュールの使用：比較的大きな熱電冷却アプリケーションでは、必要な熱除去率を得るために、いくつかの個別のモジュールを使用する必要があります。このようなアプリケーションでは、TEモジュールは通常、熱的に並列に取り付けられ、電気的に直列に接続されます。電気的な直並列接続構成も、特定の場合に有利に使用され得る。電力レベルが上がるとヒートシンクの性能がますます重要になるため、選択したヒートシンクがアプリケーションに適していることを確認してください。
