ペルチェ素子2段でマイナス温度を実現! 効率的に冷やす方法とは?

先日、ダストクーラーの修理をしました。しかし実際に運用してみると、あまり冷えないことに気がつきました。100円均一で、温度計(目安計で正確ではありません)をゲットしてきて測ってみると23度くらいです。(室温28度)

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考えられる原因としては、以下が挙げられます。

・ペルチェ素子の冷える面に対して、アルミブロックの設置面積が足りない
・冷える面と、温まる面の防壁がない(熱が逃げる)
・温まる面にヒートシンクがついていて、間接的にケースの外側にファンがついている
→ 熱が効率的に冷えない → 冷える面もそれに準じ、さほど冷えない

つまり、改造したので構造的な部分の欠点、熱交換の部分の欠点などが考えられそうです。

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ちなみに、冷蔵庫は10度くらい、冷凍庫は−10度〜18度くらいのようでした。

生ゴミ保管庫としては、0度くらいを保ってくれると嬉しいのですが、もう少し改善できない実験してみることに。

まず、構造的な部分は次回考えるとして、今回はペルチェ素子を2段3段と重ねたらどうなるか実験してみました。まず、電源をJunkBoxから調達です。

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1Uサーバ用の250W電源です。中は少し改造してありますが、12Vと5Vが取り出せるようになっています。この電源なら60Wのペルチェ素子を3、4段重ねて駆動させられます。

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実験用の設備は、ファン付きのヒートシンクにペルチェ素子を付けて、表面温度を計測します。ファンは5Vに接続してあり、ほぼ音はならない回転数です。12Vにファンを接続すると爆音でファンが回ります。

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ペルチェ素子が1枚(12V)のときは、おおよそ9度でした。ファンは5Vに接続してあります。

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では、2枚に重ねてみるとどうなるでしょうか? ペルチェ素子が2枚(12V)のときは一旦、1度付近まで下がりましたが、2、3分すると温度が上昇し、結局下の写真のように8度〜9度付近で安定しました。

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ペルチェ素子が3枚(12V)(3段)のとき、写真を撮り忘れましたが、今度は逆に温度が上がっていく現象になりました。一瞬、何が起きたのかパニックになりました。そうそうに電源を切ったので写真がなくてすみません・・・・うーむ(笑)
冷静になって考えてみると、12V定格で3枚を密着させて動作させたときの熱を吸収できなったのでしょう。

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今度は1枚に戻して、ファンを12Vに接続して実験。すると、0度付近で安定しました。でもファンが煩さすぎて運用する気にはなれません。しかし、発生する熱をうまく逃すことができれば、冷える面も下がるということはわかりました。熱を逃がせないと前回3段の時のように、ペルチェ素子自体が発熱してくることもわかりました。

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最後に、2枚接続し、下段は12V、上段は5Vに接続、ファンは5Vで回します。すると、マイナス4度まで一旦下がりました! 5分以上、稼働させ安定するポイントは−1度くらいでした。

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つまり今回の実験では、一番効率がいいのは、2枚の組み合わせです。CPUヒートシンク(ファン付き)側に接続するペルチェ素子は12Vで定格駆動させ、上段は5Vで運用。これが今の所、最適のようです。

3段でも、電圧を調整して熱量をうまく逃すことができれば同じように効率的に冷えると思いますが、2段でマイナスまで行ってくれれば今回は良しとします。ブログを書いているとペルチェ素子が結露して凍結していました! 記念に、-1℃ とドライバーで書いてみましたよ!

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次回は構造的な部分にメスを入れてみたいと思います。なんとか、使えるダストボックスにしないとですね!

 

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