ペルチェ素子の長寿命化対策。ペットのクーラー『ペットの冷房器』に使用しているペルチェ素子の長寿命設計と技術説明

ペルチェ素子の長寿命化。
ペットのクーラー『ペットの冷房器』に使用しているペルチェ素子の長寿命設計と技術説明のページです。

【ペルチェ素子の寿命を短くする主な5つの要因】を解明して、解決しました。


目次

  1. 【寿命を短くする主な要因1】⇒【過熱で劣化する】その対策

  2. 【寿命を短くする主な要因2】⇒【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】その対策

  3. 【寿命を短くする主な要因3】⇒【内部結露で劣化する】その対策

  4. 【寿命を短くする主な要因4】⇒【水分で腐食する】その対策

  5. 【寿命を短くする主な要因5】⇒【衝撃で破損しやすい】その対策

 ペルチェ素子を用いた機器の寿命が短いというNET情報が見られます。
このことは、機器の設計に起因する場合もあるかと推測しますが、
タテ・ヨコ4センチ、厚さ4ミリ程度の極めて小さいペルチェ素子が、小型冷蔵庫のコンプレッサー(熱交換機)と同等またはそれ以上の冷却能力を持つほどに高性能のペルチェ素子そのものにも、寿命を短くするいくつかの要因があります。

 長寿命よりも、高性能が追求・優先されたディバイスならではの原因もあります。

要因の究明と長寿命化対策

原因を究明して、すべてを完璧に、対策を講じることができました。

§1.【寿命を短くする主な要因1】⇒【過熱で劣化する】その対策

 ペルチェ素子は半導体(熱電素子)が100個以上平面に並んだ電子部品ですので、過熱は劣化の最大の原因になります。
 高温による使用条件が、例えば最大使用温度150℃などのように明確に定められています。
この温度を越えれば破損してしまいますし、この温度に近い温度で運転を続ければ、高い冷却力は得られても、ペルチェ素子の寿命が短くなります。
先のスクーターのエンジンの例えのように、余裕の設計をするか、高出力か、設計次第で寿命が決まるのはエンジンもペルチェ素子も同じです。

 過熱の原因は放熱器の能力不足です。
設計をするときに、放熱装置を必要以上に大きくすれば、モーターやファンの騒音が出るし電力も無駄になるので、バランスを考えて設計するのが普通です。
 しかし、ヒートシンクにほこりが溜まれば、放熱能力が落ちます。通風が悪くなったり、設置場所が放熱に適さなかったりすれば、放熱力が落ちます。ひとたび過熱が起きるとペルチェ素子は破損または劣化します。
放熱力が十分であれば、過熱しないのは当然です。

ペルチェ素子の過熱対策

 この『ペットの冷房器』は、48ワット以上の運転能力を持った大出力のペルチェ素子を搭載しています。
 これを最大8ワット(小型モデルは4ワット)で正常に運転します。ペルチェ素子のパワーの17パーセントを使用する余裕の設計です。
 放熱量が大幅に減少するのは言うまでもありません。
その上に、新設計のマルチ放熱筒を搭載して、ペルチェ素子の放熱面の温度が90℃を越えない範囲で運転しています。この新設計の放熱筒はモーターもファンも使用しませんので、故障で放熱力が落ちる心配はありません。(放熱筒の人やペットが触れる部分は安全な温度まで下げています)
この『ペットの冷房器』の過熱対策は、

①ペルチェ素子の17パーセントだけのパワーを使用して、発熱そのものを抑えている。

②新設計の放熱筒で、90℃以上の過熱が起きない。

という、長寿命の安心設計です。(特許出願済み)



§2.【寿命を短くする主な要因2】⇒【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】その対策

 単純な冷房器の温度調節機能は、温度が低くなったら運転を止めて、温度が高くなったら運転を始めるという、ON/OFF方式が一般的です。
 この方式をペルチェ素子に採用すると、ペルチェ素子に熱衝撃が生じて、劣化を速めることになります。
ペルチェ素子は、冷却側の温度はマイナスになりもう一方は高温になっています。これのON/OFFを繰り返すと、ペルチェ素子とその周辺に熱衝撃が起きます。OFFになる度に、熱が冷却側にペルチェ素子を通って一気に逆流する現象です。高温と低温を不規則に繰り返すことによる劣化は想像の通りです。ペルチェ素子のデータに、ON/OFFの繰り返し回数が3000回などと表示されているのは、このことです。

【電源のON/OFFの繰り返しで劣化する】ことの対策

 この『ペットの冷房器』は、シーズン中連続通電をします。夏を迎える前に電源を入れて、夏が終わったら電源を外します。
ペルチェ素子には、その間5ボルトが流れ続けますので、熱衝撃は夏の終わりに1回だけです。
暖房に使用するときも同じです。冬の初めに電源を入れて、春になったら電源を外します。熱衝撃はこの時に1回起きるだけです。何千分の1回しかダメージは起きない仕組みです。しかも、ペルチェ素子の温度差が小さいので熱衝撃のショックも小さくて済みます。



§3.【寿命を短くする主な要因3】⇒【内部結露で劣化する】その対策

 ペルチェ素子の中に並んでいる熱電素子は、わずか3ミリほどの高さですが、一方がマイナスの温度になりもう一方が高熱になる構造です。マイナスになる部分には結露が起こります。結露は半導体だけでなく冷却側の回路にも起こります。結露は寿命を縮める原因になります。

【内部結露で劣化する】ことの対策

 まず、『ペットの冷房器』の≪熱交換ユニット≫のペルチェ素子はマイナス領域で使用しませんので強い結露は発生しません。しかし、ペルチェ素子の熱電半導体の冷却側は、外気よりも20℃程度は低くなりますので、結露が起きる可能性があります。
そこで、結露の原因になる水分を含んだ空気を2重構造で遮断しています。
①1つは、結露防止対策済みのペルチェ素子を採用。
②もう一つは、ペルチェ素子そのものを≪熱交換ユニット≫の中に密封した構造。
以上の対策を取っています。



§4.【寿命を短くする主な要因4】⇒【水分で腐食する】その対策

『ペットの冷房器』ですから、ペットの尿や食べ物や水などがペルチェ素子に侵入すれば、ペルチェ素子を腐食・劣化させてしまいます。

【水分で腐食する】ことの対策

『ペットの冷房器』は、冷却プレートを防水にしています。プレートは水洗いも可能で、結露防止の密封構造ですので、ペルチェ素子に外部から水分が及ぶことはありません。



§5.【寿命を短くする主な要因5】⇒【衝撃で破損しやすい】その対策

ペルチェ素子は、外側が薄いセラミックでできています。衝撃応力にとても弱い構造です。

【衝撃で破損しやすい】ことの対策

『ペットの冷房器』には、ペットが体当たりをするなど思わぬ衝撃を想定して、外部からの衝撃からペルチェ素子を守る、衝撃吸収構造を採用しています。落下等にも耐える構造です。



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