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男のロマン? ペルチェ素子クーラーを試す

 きたるべき夏の猛暑に備え、ペルチェ素子クーラーユニットを買ってみました。



 のですが。
 この日記を書いている現在、購入したユニットは入荷見込なしとなっているので、同様の製品を貼っておきます。


 ペルチェ素子は板状の電子部品で、電気を通すと片面の熱を片面に移動する性質があります。
 つまり、オモテ面は冷たくなり、ウラ面は熱くなります。
 この性質を利用すると、ヒートポンプ(冷蔵庫やエアコンに入っています)のような大掛かりな設備を使わずに、ものを冷やすことができます。
 また、両面に温度差を与える(片面のみ冷やす、あるいは熱する)ことにより、発電することもできるという、ワクワク感の詰まったパーツです。
 詳細はWikipediaをどうぞ。

 では、現物を見てみましょう。

20150506-21362432.jpg
 写真の左が排熱側、右が冷却側です。
 中央のスポンジの部分にペルチェ素子が入っています。

20150506-21352029.jpg
 冷却側のファンです。
 4cm角のヒートシンクに、同じ寸法の12V・0.1Aのファンが付いています。

20150506-21354830.jpg
 排熱側のファンです。
 12cm×9.5cm角の特殊な形のヒートシンクに、12V・0.18Aの9cmファンが付いています。
 ちょっと分解してみます。

20150506-22190846.jpg
 フィンガーガードを外します。

20150506-22315847.jpg
 ファンを外すと、ヒートシンクにネジのためのスペースが設けられているのが確認できます。

20150506-22330248.jpg
 冷却側のヒートシンクを外すと、ペルチェ素子が現れました。
 ヒートシンクとペルチェ素子は熱伝導グリスによって密着しており、ペルチェ素子の冷気を効率よくヒートシンクに伝えるようにされています。

 ペルチェ素子の周囲は、スポンジ状の素材で覆われており、冷却側と排熱側のヒートシンクの熱が互いに行き来しないよう工夫されています。
 写真左側に切り欠きがありますが、何のためにあるのかはよくわかりません(ここからペルチェ素子の導線を出すつもりだったのかもしれません)。

 熱伝導グリスを剥がしてしまったので、手持ちのCPU用熱伝導グリスを塗ってからネジを締め直しました。

 実は、ペルチェ素子自体は単体でも購入できます。
 今回のユニットに使われていたペルチェ素子の型番はTEC1-12706で、最大15.4V・6Aで使用できるようです。


(10枚セットとか売ってますが・・・そんなにあったら何でもできそうな気も)

 最初は、ペルチェ素子を単体で購入し、手元に余っているCPU用ヒートシンクと合わせればいいや程度に考えていたのですが、金属製のCPU用ヒートシンクに穴を開けるような道具は持ち合わせていないので、今回のユニットを購入して正解でした。


 さて、このユニットを動かすためには電源が必要となるのですが、ここで注意が必要です。

 ペルチェ素子は、物によりますが、かなりの電力を消費します。
 今回のユニットには、12V・6Aが必要とされています。
 Amazonでこの製品を探すと「よく一緒に購入されている商品」として、12V・1AのACアダプタを買うよう薦めてくることがありますが、電力がまったく足りない計算になります。
 電源を購入する際には、12V・6Aクラスの電源供給が可能であることを確認しましょう。


 出力に余裕が欲しい場合は、カー用品(たいてい12V)を家庭で使う際に利用するACコンバーターも検討したほうがいいかもしれません。

 なお、我が家では、たまたま余っていた自作パソコン用の電源を利用しました。

20150514-202710159.jpg
 12Vで18Aまで供給してくれるので、余裕がありそうです。
 自作パソコン用の電源を利用する場合、ケーブルの一部をショートさせれば単体でもスイッチを入れることができますが、次のようなユニットを使えば、安全にスイッチを入れることができます。


 では、ペルチェ素子の性能を調べるために、通電させてみましょう。

20150506-22012835.jpg
 初期状態です。
 黒いデジタル温度計が室温を(水槽用の温度計ですが、室温を表示するモードにしています)、白いデジタル温度計が冷却側のヒートシンクの温度を示しています。
 1℃近く差がありますが、そこは気にしない方向で。

 ここでスイッチをオンにします。

20150506-22031436.jpg
 数秒でヒートシンクの温度が11.7℃まで下がりました。

20150506-22033637.jpg
 温度はさらに下がり続け・・・。

20150506-22042838.jpg
 5.1℃前後で安定しました。
 室温が1.5℃上昇したのは排熱のせいだと思われますので、

最初の室温23.8℃ - 5.1℃=室温マイナス18.7℃

 の冷却能力があるものと思われます。
 つまり、室温が20℃なら1.3℃まで、室温が30℃なら11.3℃まで下げる能力があるといえそうです。

 このまま運転を続けていると・・・。

20150506-22093640.jpg
 冷却側のヒートシンクに結露が発生しました。
 試しに排熱側のヒートシンクの温度を測ってみると、46.8℃まで上昇していました。

20150507-21001449.jpg
 冷却側のヒートシンクには、冷気を周囲に発散させるために小型ファンが付いているのですが、このファンを外すとどこまで冷えるのか、試してみました。

20150507-21011652.jpg
 あっという間に先ほどの5℃まで下がり、まだまだ下がり続けます。

20150507-21014855.jpg
 1℃を切り、まだ下がります。

20150507-21015656.jpg
 零下は目前です。

20150507-21020057.jpg
 なんとここで、温度計が零下に対応していないことが判明しました。
 そのまま放置すると・・・。

20150513-2103207.jpg
 が付き始めました。
 さらに放置すると・・・。

20150513-21451214.jpg
 カチンコチンになってしまいました。

 このユニットで、実際に冷蔵庫を作ったらどうなるのか、試してみました。

20150521-212956148.jpg
 ガワに使ったのは、百均で売られている保冷箱です。

20150521-214744149.jpg
 段ボール板の真ん中に冷却側のヒートシンクが入る程度の穴を開け、保冷箱の上に載せて完成です。
 スタート時の温度は室温の22.5℃。
 ここからどこまで下がるでしょうか。

20150521-225408150.jpg
 しばらく経つと、8.3℃前後で安定しました。
 室温マイナス14.2℃まで下がった計算になります。

 試しに、このまま朝まで(8時間程度)放置してみると・・・。

20150522-072628152.jpg
 5.8℃まで下がりましたが、明け方で室温が19.0℃まで下がっていた(室温側の温度計は別の場所に置いていたものを撮影)ので、冷却能力は室温マイナス13.2℃という計算になります。

 このように、ペルチェ素子はかなりの冷却能力を持っています。
 冷温庫水槽用クーラーに使われている他、かつてはパソコンの冷却に利用することがブームになりました。
 しかし、実際には次のようながあり、使いこなすのはかなり難しいようです。

・パソコンの冷却に使った結果、冷えすぎて結露が発生し、水分でパソコンが壊れてしまった
 世間でペルチェ素子によるパソコン冷却がブームになる前の1995年頃に、ペルチェ素子を室温以下に冷やさないよう制御して使っているという話を聞いたことがありますが、かなり先駆的な話だったようです。

・大量の電力を与えても実はあまり冷えない
 原理的にはオモテ面の熱をウラ面に移動させるものですが、ペルチェ素子自体も電力を消費して発熱するため、

オモテ面を冷やした熱+素子自体の発熱=ウラ面の発熱

 となり、ウラ面に熱がこもり過ぎてオモテ面が冷えなくなってしまうようです。

・ペルチェ素子にこもった熱をうまく逃がすには、特殊な環境と技術が必要
 ヒートパイプや水冷式のユニットを自作して熱を逃がすことは可能ですが、金属加工の知識と技術、工具が必要となり、素人には敷居が高すぎます。

 今回購入したユニットは単体での完成度が高いので、特殊な技術がなくても、多少の工夫で生き物の夏対策などにチャレンジできそうです。


 余談ですが、USBの電力を利用して飲み物を冷やす機器が販売されていますが、評価はかんばしくないようです。



 ペルチェ素子には様々な電圧に対応したものがありますが、電力をバカ食いするペルチェ素子に対して、USBの電力は5V・0.2Aしかないので、効果の程はお察しということなのでしょう・・・。

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