TEC選定
冷却負荷の計算とペルチェモジュールの選定方法
選定の出発点は、除去すべき熱量、TEC両セラミック面の実温度、許容プルダウン時間です。入力電力は冷却能力ではなく、Qcmaxは負荷時のQcではなく、ΔTmaxも有効な熱を汲み上げながら維持できる温度差ではありません。装置条件を、TEC、コールドプレート、放熱、制御、電源が整合する検証可能な動作点へ変換します。
1. 定格値ではなく装置条件から始める
同じTECでもヒートシンク、接触、風量、断熱、電流によって性能が変わります。負荷から環境までの熱経路を先に定義します。
測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
電気入力と、実際に冷却境界を通過する熱は分けて収支を取ります。光出力、機械仕事、流体輸送、別フレームへの伝導は境界外へエネルギーを逃がすため、損失を測定するか、冷却板に入る割合を運転モードごとに明示します。
2. 冷却負荷とは
冷却側が温度と時間の要求を満たすために除去する全熱量です。定常負荷とプルダウン負荷を分離します。
熱境界を定義する
Qcに含めるのは実際にコールドプレートへ流れる熱です。部品の入力電力すべてが冷却側へ入るとは限りません。
| 種類 | 意味 | 根拠 |
|---|---|---|
| 能動負荷 | 冷却境界内の通電部品の損失 | 損失測定またはエネルギー収支 |
| 受動負荷 | 周囲から流入する熱 | 伝導・対流・放射・空気交換 |
| 過渡負荷 | 物体を降温するために除く蓄熱 | 質量・比熱・温度差・時間 |
3. 熱源を洗い出す
熱源、動作モード、流入経路を記録します。
- 電子部品、レーザー、光学部品、モーター、ドライバー。
- 冷却領域内のセンサー、制御基板、ヒーター。
- 筐体、ねじ、金属支持部、配線、断熱部。
- プレート、配管、継手、ポンプ、タンク。
- 循環液、開閉、試料交換、充填、始動。
- 計算値は設計入力であり、最終性能は完成装置で検証します。
4. 能動熱負荷
電気入力の多くは熱になりますが、光出力、機械仕事、別フレームへの伝導は境界外へ出ます。実測損失を優先し、冷却側へ入る割合を明記します。
測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
5. 受動熱負荷
熱は伝導、対流、放射、空気交換で侵入し、ねじや配管は熱橋になります。次式は初期推定であり、複雑構造には詳細解析が必要です。
計算値は設計入力であり、最終性能は完成装置で検証します。
工学的な関係式
Q = U × A × ΔT- U：定義した構造の総括熱伝達係数。
- A：有効伝熱面積。
- ΔT：その構造両側の温度差であり、TEC両面温度差とは限らない。
6. 過渡冷却負荷
物体の顕熱を許容時間内に除去します。結果は平均プルダウン要求であり、定常熱負荷とは別です。
この前提は、最終実装の周囲条件、取付姿勢、実運転サイクルで確認する必要があります。
工学的な関係式
Q = m × Cp × ΔT / t簡略化した計算例
簡略化した計算例：2 kg、Cp = 900 J/(kg·K)、10 K、300 sでは、熱漏れを除く平均負荷は60 Wです。Arkmex製品の保証値ではありません。
- m：質量。
- Cp：比熱。
- ΔT：物体の温度変化。
- t：目標時間。
7. 必要な冷却側温度
対象物、プレート表面、TEC冷却面は接触熱抵抗と熱拡散により同温とは限りません。
温度予算
対象、プレート、Tc、Th、ヒートシンク温度上昇、吸気または冷媒入口の測定位置を定義します。
実際の制御対象を定義する
センサー位置によって安定化される温度が決まるため、負荷、冷却板、TECセラミック間の温度勾配と遅れを評価します。
8. TECが受ける実際の温度差
TECのΔTは両セラミック面の差です。周囲温度－対象温度では、放熱側温度上昇と界面損失を見落とします。
工学的な関係式
ΔT = Th − Tc- Tcは運転中の冷面温度です。
- ThはQhによって上昇した運転中の熱面温度です。
- TcとThは同じ運転状態で評価します。
9. Qcmaxが実冷却能力ではない理由
Qcmaxは通常ΔT ≈ 0、ΔTmaxはQc ≈ 0で評価されます。実運転では両方が存在するため、実際のTh、電流、ΔTに対応する特性曲線または検証済み計算を用います。
この前提は、最終実装の周囲条件、取付姿勢、実運転サイクルで確認する必要があります。
10. TEC動作点を選ぶ
Qc、ΔT、電流、電圧、Pin、COP、Th、放熱能力を同時に比較し、常時Imax/Vmaxを前提にしません。
動作点は想定Thに対応する性能資料から求め、QcmaxとΔTmaxを結んで推定しません。電流がPinを決め、PinがQhを増やし、放熱系がThを決め、そのThが利用可能Qcを再び変えるため反復計算が必要です。モジュール数、電流分担、実装面積、制御余裕も同時に確認します。
- 1定常Qcと過渡負荷を分ける。
- 2Tcを定めThを推定する。
- 3ΔTを計算する。
- 4適切なデータからQc・電流・電圧・Pinを読む。
- 5PinがQhとThを変えるため放熱系を反復計算する。
- 6完成装置で検証する。
- 7この前提は、最終実装の周囲条件、取付姿勢、実運転サイクルで確認する必要があります。
- 8測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
11. ホットサイド熱負荷
ヒートシンクは汲み上げた熱と電気入力を放出します。Qcだけで選ぶとThが上昇し、利用可能な冷却能力が低下します。
工学的な関係式
Qh = Qc + Pin簡略化した計算例
簡略化した工学例：Qc = 100 W、Pin = 85 Wの場合、熱面はファン、ポンプ、周辺回路損失を加える前に約Qh = 185 Wを排熱する必要があります。製品性能の保証値ではありません。
12. 設計余裕
測定誤差、環境、製造公差、粉じん、フィルター、経年、電源、姿勢、始動負荷を個別に扱います。共通の固定割合はなく、過大選定もPin、Qh、制御難度を増やします。
この前提は、最終実装の周囲条件、取付姿勢、実運転サイクルで確認する必要があります。
13. 簡略化した選定例
電子発熱80 Wと構造・周囲から20 Wで定常Qc = 100 W。Tc = 15°C、Th = 40°CならΔT = 25°Cです。Qcmax = 100 WのTECを直接選ばず、この動作点のQcとPinを確認し、Qhで放熱系を再計算します。
測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
工学的な関係式
Qc = 80 W + 20 W = 100 W; ΔT = 40°C − 15°C = 25°C簡略化した計算例
簡略化した計算例であり、製品性能の保証ではありません。
14. よくある選定ミス
入力Wを冷却Wとみなす、Qcmax/ΔTmaxだけで選ぶ、誤ったΔTを使う、Thや始動負荷を無視する、過大TECを選ぶ、Qcだけで放熱を選ぶ、オープンベンチだけで試験することです。
- 入力Wを冷却Wとみなす.
- Qcmax/ΔTmaxだけで選ぶ.
- 誤ったΔTを使う.
- Thや始動負荷を無視する.
- 過大TECを選ぶ.
- Qcだけで放熱を選ぶ.
- オープンベンチだけで試験することです。
- 測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
15. お客様情報チェックリスト
冷却対象、定常/始動負荷、目標、環境、湿度、降温時間、安定性、質量、寸法、空間、電源、空冷/液冷、周期、姿勢、予定数量を提供してください。
- 冷却対象.
- 定常/始動負荷.
- 降温時間.
- 安定性.
- 空冷/液冷.
- 予定数量を提供してください。
- この前提は、最終実装の周囲条件、取付姿勢、実運転サイクルで確認する必要があります。
- 測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
- 計算値は設計入力であり、最終性能は完成装置で検証します。
- 完成装置、限界周囲条件、代表運転サイクルで最終検証する。
16. まとめ
負荷、Tc、Th、ΔT、電流、COP、Qhをプレート、放熱、電源、制御と結びます。ArkmexはOEM動作点を評価でき、最終性能は完成装置で確認します。
測定位置、熱境界、誤差、運転状態を記録し、同じ条件で再現できるようにします。
最終評価には接触界面、締付圧、断熱、排気再循環、冷媒流量、電源、制御を含めます。開放ベンチ試験だけでは不十分で、筐体、取付姿勢、粉じん、フィルター、始動負荷、プロセス負荷、最高周囲温度を再現した完成装置試験が必要です。
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