イチケンでは最近 LEDで太陽発電 → ウィムズハースト20万ボルト起電 → ペルチェ素子発電 など、電子部品を用いた発電方法について色々と取り上げてきました。
今回はそういった変則的な部品の使用方法ではなく初心に帰ってペルチェ素子に電流を流すことでどこまで低温を作り出せるのかについて実験をしてみたいと思います。目標は-60℃です。ちなみに記事後半で-90℃達成してます
なお、本ブログ記事の内容については既にYouTubeで動画も公開しています。是非こちらもご覧いただけると嬉しいです。
ペルチェ素子についておさらい
以前イチケンではペルチェ素子を用いて発電する装置を製作したことがあります。この時の発電効率はざっくり0.6％程度とかなり残念な結果になってしまいました。
そちらのブログ記事もありますのでぜひご覧ください。
環境からエネルギーを取り出してIoTやエッジコンピューティングに使用するという分野ではペルチェ素子を発電に使う場合もあるようですが、ペルチェ素子はやはり電流を流して温度差を作り出すことに能力を発揮できます。まずはペルチェ素子についておさらいしていきます。
構造について
ペルチェ素子はその名の通りペルチェ効果を利用したデバイスで、電流を流すと片方の面が発熱し、もう一方の面が冷えるという面白い特性を持ったデバイスです。
構造としてはP型半導体とN型半導体が金属で繋がれるような形となっています。
ペルチェ効果というのは「2種類の異なる金属に電流を流すと、一方の熱が一方に移動する」という現象です。ですのでペルチェ素子では発熱と冷却が行われているというよりも、片方の面からもう一方の面へ熱が移動しているというのがより正確な表現です。
使用上の注意点
ただペルチェ素子を使用する上で注意しなければいけない点があります。それは「ペルチェ素子自体の発熱」です。
ペルチェ素子を動作させるためには電流を流します。要するにペルチェ素子では電力を消費≒流した電力分の自己発熱が起こるということです。
この電力を\(P\)としたときに、この\(P\)はペルチェ素子に印加する電圧 \(P\) と電流の定数 \(I\) で、\(P=VI\)となります。
ペルチェ素子についての基礎や放熱しながら使用することについては前回の記事 と動画で詳しく解説をしていますので、まだ目を通していないよという方が居ましたらぜひこちらの内容も合わせてご覧いただけますと幸いです。
今回の実験セットについて
今回の実験ではペルチェ素子を用いて少しでも低温な状態を作り出すことが目的です。このため、ペルチェ素子をいくつか重ねて多段構成にするというアプローチを取ることにします。
サイズの違うペルチェ素子を用意して、下段にいくにつれ面積の大きいものを使用するようにします。ピラミッドのような形の一番上部、面積の小さい箇所が一番温度の下がる場所になる構成です。
多段構成にする理由とは
ペルチェ素子1枚ではなく複数枚を重ねて使用する理由について、これはもちろんよく冷やすためです。
ペルチェ素子は温度差を作り出すデバイスです。仮に最下段の発熱面を放熱が順調で室温程度に維持できたとすると、冷却面は流す電流に応じて温度が下がり（冷え）ます。とはいえ無限に温度を低下させるためには無限の電流と無限の放熱が必要です。
現実ではそんな事はできないので冷却にゲタを履かせるような構成を考えます。
下段のペルチェ素子の冷却面に重ねるように中段のペルチェ素子を設置し、そこにも電流を流すようにします。そうすると中段の放熱面は室温よりも低い状態ですので、中段の冷却面は先程の下段の冷却面よりも更に温度が低下することになります。上段も同じです。
これがペルチェ素子を多段構成することの理由と目的です。
実際に冷却しなければいけない熱について
ただしこの複数段重ねた構成を作ることによって、なおさら重要になってくるのが「発熱面の冷却」です。
最上部の冷却のためにペルチェ素子が移動させる熱を \(Q1\) として、それぞれのペルチェ素子の仕事量について考えてみます。
先程も述べたように動作中のペルチェ素子には投入した電力 \(P\) 分の自己発熱が起こります。上段のペルチェ素子の発熱面にかかる熱は冷却面の熱 \(Q1\) と自己の消費電力 \(P1\) の合計で、これを \(Q2\) とします。
中段のペルチェ素子では上段から受け渡された \(Q2\) に中段の消費電力 \(P2\) が加わり \(Q3\) が、下段のペルチェ素子では \(Q3\) に加えて \(P3\) が発熱面に入ります。
このとき下段の発熱面にかかる熱を \(Q4\) とすると、その内訳は
$$\begin{eqnarray}Q4 &=& Q3 + P3\\&=& Q2 + P2 + P3\\ &=& Q1 + P1 + P2 + P3\end{eqnarray}$$
といった感じで、とんでもない量の熱を放熱しなくてはいけないことがわかります。
今回の実験の放熱には、イチケンの事務所にある巨大ヒートシンクを使用します。内部が導風できるようになっていて、産業用のパワー半導体の冷却などに使用されるようなものです。
データシートを読め
ちなみにペルチェ素子のデータシートにはどの程度の電力を入力するとどの程度熱が移動するのかのスペックが掲載されています。これらを用いるとペルチェ素子の冷却面をどの程度の温度まで下げられるかの理論計算が可能となります。
ただし、あくまでこれは電力バランスのみを考慮した理論計算のため、実験を行うと想定されていない熱の出入りや放熱の程度の問題などが影響してきます。安全マージンや実験の見通しを立てる参考程度にするのが良いでしょう。
とりあえず実験してみる
さて、実際に実験を行うセッティングを組み立てていきます。
ヒートシンクにペルチェ素子を置く際には熱伝導グリスを使用します。グリスについては今回2種類を選定して実験を行いました。
一つは比較的安価な「YG6260」でチューブに入った大容量のもの、一応パワー半導体に使用する専用品です。シリンジに入ったものは「TC3-1G」で、先程のYG6260が熱伝導0.84W/(m・k)であったのに対してこちらは8.5W/(m・k)と、10倍程度の差があります。
予備実験を行った所、わずかな差ではありましたがTC3-1Gの方が温度が下がる傾向がありましたので、今回は高い方の熱伝導グリスを使用します。
補遺
ちなみに今回選定したこの2種類のグリスはどちらも最低使用温度が-40℃と、今回の実験の温度域に少し足りません。
また、熱伝導率のみを重視するのであれば液体金属でできた熱伝導グリスなども選択肢に上がるものの、こちらも氷点下の温度環境化においては凍ってしまう（凝固点を下回る）可能性があったため選定から外しています。
電流を流してみる
というわけで早速それぞれのペルチェ素子に電流を流してみます。まずは各素子の定格電流の2割程度の電流で実験しています。
特にファンなどで能動的な冷却はしていない状態で、上段のペルチェ素子の冷却面はだいたい-30℃まで到達しています。思ったよりも簡単に氷点下の温度が実現できるようです。
ちなみにブログ記事では冷却されていく様子をやや割愛している面がありますので、もっと実験の様子を詳しく見たいという方はぜひ動画の方も確認してみてください。
なお、重ねた状態のペルチェ素子の様子を詳しく見てみるとこのような感じで、それぞれのペルチェ素子にはどうやら温度差が生まれているようです。
すべての熱を受け止めている一番下のアルミヒートシンクはほぼ室温の状態で、そこに熱が移動している下段ペルチェ素子の温度がやや低い状態。そして下段よりも中段と上段のペルチェ素子の関係についてもやはり温度差が発生しているよう状態です。
下段のペルチェ素子の冷却面の温度が一番高く、中段の冷却面の温度はそれより低い。そして上段ペルチェ素子の冷却面温度が一番低くなるというような状態です。
実験装置に改良を加える
温度の測定方法を変更
実は先程のサーモグラフィーの映像ですと-30℃までしか測定することができません。2割程度の電流の状態ですでにその温度を下回っているようでしたので別の温度測定方法を用意する必要があります。
というわけでより低い温度を測定するために熱電対を使用することにしました。測定器はDMM6500を使用しており、-200℃まで測定することができます。
一番冷える上段ペルチェ素子の冷却面に熱電対をおいて、そこに水滴を垂らします。水滴は低すぎる温度の影響ですぐに熱電対を巻き込んだまま氷となり、ちょうどいいぐあいに冷却面に固定することもできます。なかなか便利です。
先程の実験と同じ状況のまま熱電対を使用してみると温度は-55℃まで低下していることが分かりました。指で長時間触れ続けると確実に凍傷になるレベルの温度です。
ファンも回します
また、ここまではヒートシンクに送風はしていなかったのですが、熱の移動が激しくなると放熱が追いつかなくなりますので、そこそこ強力なACファンをつけて強制空冷も併用していきます。
ミネベアの115Vファンで、16Wほど消費するそこそこのグレードのファンです。特に制御する必要も無いため、商用電源のコンセントにぶっ刺すだけで回るのは意外と使い勝手が良い感じです。
ペルチェ素子周囲の断熱について
また、最高の冷却を目指すためにもう一つ工夫をします。それがペルチェ素子の断熱です。
ここまでヒートシンクの上にペルチェ素子をおいた状態で実験してきたわけですが、じつはこの状態ではペルチェ素子の周辺で起きる空気の対流、また室温よりも低くなる面に余計な熱を与えてしまうなどの理由から、本来下がるはずの温度まで温度を下げることができません。
このためペルチェ素子周辺の空気の影響を減らすため、周辺空気を無くすなり断熱をする必要があります。とはいえ実験装置をまるごと真空状態に置くことはかなりハードルが高いので、今回は熱伝導率が低くかつ加工のしやすいスタイロフォームでペルチェ素子を覆うこととしました。
今回用意したスタイロフォームの熱伝導率は0.036W/m・K以下なので、コストや入手性のわりに結構よい性能をしています。発泡ウレタンスプレーや発泡スチロールなどの選択肢も検討はしたのですが、最終的にこのような形に収まりました。
スタイロフォームの加工にあたっては、極力ペルチェ素子の空間の空気を減らしつつ、しかしペルチェ素子には触れないような形状にしました。というのも先ほど説明したスタイロフォームの熱伝導率（0.036W/m・K）は、空気（大気）の熱伝導率（0.024W/m・K）よりも高いため、スタイロフォームを媒介に余計な熱の移動が発生することを避けるためです。
強化した実験セットで再実験
というわけで
- 熱電対で極冷の測定に対応
- デカヒートシンク＋強力ACファン
- スタイロフォーム断熱
と、温度を下げるための改造をモリモリにした状態で再度冷却実験を行っていきます。
断熱した状態のまま電流を流してみると温度の低下についてもかなり改善が見られました。先ほどと同じ適当な決め打ちの電流しか流していない状態で-60℃まで低下しています。
なによりも温度の低下スピードが断熱をする前と後ではかなり変化がありましたので、諸々の放熱対策に加え、ペルチェ素子周りの空間を断熱/遮熱してやるといったような処置は極冷を目指すうえではかなり効果があるようです。
最低温度を目指す
ここまでペルチェ素子で最高（最低の温度）の冷却を行うために実験装置を製作してきました。ここからはペルチェ素子の温度が一番低くなるような電流のバランスを探ることになります。
電流の組み合わせについて
今回の実験ではペルチェ素子を3つ重ねて使用しています。ということは調整できる電流というのも3つある状態です。
序盤に解説したようにそれぞれのペルチェ素子間では冷却面から移動した熱と自己発熱をあわせた分の受け渡しをしています。このためどのペルチェ素子をどの程度動作させると全体として一番効率よく冷却が行えるのかについてはかなりシビアに調整を行う必要があります。
ちなみに使用したペルチェ素子のデータシートに記載されている特性データを用いることで、ある程度の理論計算自体は可能です。しかし今回製作した実験セットもしかり現実では余計な熱の出入りというものが多いため、あくまで参考程度にしかなりません。
で、全ての電流の組み合わせバランスを総当りで実験して一番効率よく冷却できる電流バランスを3つのペルチェ素子分探るのですが、有効な範囲、ある程度の解像度で抽出してもだいたい150通りくらいの予備実験が必要になります。今回は結局人力でこれを行いました。
数日レベルで時間をかけて予備実験をするとだいたいこのような結果を得ることができます。熱の実験というのは一度パラメータを設定したとしても温度変化が落ち着くまでに時間がかかり、データを取得するのにいちいち時間がかかります。
基本的にはある程度の傾向をつかめる範囲でのみ実験を行い、また、最終的には若干定格電流を超える電流を流すようなことで最低温度を実現することができました。
実際にやってみる
というわけで上段の冷却面の温度が一番低くなる電流の組み合わせで実験を行っていきます。使用するペルチェ素子の個体差にもよるものの、だいたい
- 上段 5W（約1A）
- 中段 24W（約3A）
- 下段 100W（約7A）
といった形です。
上段を除く中段と下段の2段で動作させている-54℃から実験をスタートさせて、どの程度温度が下がるかを見ていきます。
上段のペルチェ素子に電流を流して測定している冷却面の温度をどんどんと下げていきます。だいたい50秒ほど経過した時点で温度は平衡して約-74℃となりました。これが今回のセットアップでの最低温度です。
今回実験している環境はだいたい室温が26℃程度の状態です。もっと周囲の気温が低い環境で実験を行うことでここからさらに数度ほど下げることは出来るかとは思います。空冷を使用していますので。
とはいえ熱に関してはイチケンも初心者の状態です。そんな状態でもあるていど頑張ることでマイナス70℃を達成する事ができたので、かなり良い結果になったと言えるのではないでしょうか。
低温実験に使用してみる
さて、まずまずの消費電力と引き換えに-70℃を事務所内で作り出せるようになりましたので、色々と低温を用いた実験を行ってみたいと思います。
今回は主に電子部品を低温状態においた際の動作の変化について見ていきたいと思います。
抵抗
まずはこちらの1kΩの金属被膜抵抗を-70℃の氷漬けにしていきたいと思います。抵抗は温度係数を持つ部品で温度が変化するとそれに比例ないしは反比例する形で抵抗値が変わる部品です。
実験開始前の常温の状態では定格1kΩに対して991Ωでした。温度と同じくDMM6500を使用して4端子法で抵抗値の変化を見ています。
というわけで抵抗を冷却してみました。抵抗値は下の991Ωから変化して1008Ω(1.008kΩ）になりました。だいたい17Ωほど元の抵抗値から上がっていますので、こちらの抵抗については負の温度係数（温度が下がると抵抗値が上昇する）をもっているようです。
電解コンデンサ
電解コンデンサについても冷却して、静電容量に変化があるかどうかを見ていきます。
電解コンデンサは内部に電解液が入っています。この電解液が凍ってしまうと通常は静電容量が著しく低下するような動きを見せるのですが、今回製作した実験装置でそういった温度まで冷却することが出来るのか実験してみたいと思います。
冷却前の室温状態での静電容量は53uFです。ケミコンのLXZシリーズから50V47uFのものを使用しています。
温度を下げきるとこのような感じで静電容量が低下しています。電解コンデンサのサイズがペルチェ素子の冷却面に比べてやや大きいので下げきるまで時間なかかりましたが、問題なく-70℃以下にすることができました。
静電容量の変化としては48uFという結果で、開始前から1割程度の減少にとどまりました。-79℃のドライアイスなどでぐっと冷却するともっと如実に静電容量が低下するのですが、そういった温度域まではやや足りないようです。
ただし静電容量の低下に加えて実際に電源に組み込んで使用したときの動作波形を見てみると、冷却前と後で明確な差が生まれていることが分かりました。
常温時の電解コンデンサでは起きていなかった、波形の立ち上がりとたち下がり時の不穏な波形が見受けられます。デジタルマルチメータで静電容量を見る限りではわからないものの、内部ではかなりのレベルで変化が起きているようです。
今回のまとめ
というわけで今回はペルチェ素子を複数枚重ねて使用することで冷却面をどこまで低温にすることが出来るのかについて実験をしてきました。
成果としては3段に重ねた状態でデカヒートシンクでの強制空冷、さらに周囲からの断熱をすることで最大（最低）で-74℃まで温度を下げる事ができることが分かりました。低温実験の設備が作れてしまうというのはなかなか良いかと思います。
ただし電子部品の冷却実験を行いながら改めて感じたのですが、ピラミッド型に重ねたペルチェ素子の冷却面ではそこまで大きな部品を冷却することができません。抵抗や小型のコンデンサなど、指先サイズの部品がいいところです。
ちなみに今回の実験をするにあたって、複数段で構成されたペルチェ素子モジュールをリファレンスモデルとして購入しています。あらかじめ3段スタックされた状態で製品化されているもので、これ1つで約3万円と、かなり高額な部品です。
イチケンが自作した3段モジュールは部品代を合計してもだいたい1万3000円程度です（ヒートシンクなどは含まない）
多段スタックの既製品の性能
1つ3万円する既製品モジュール、高いだけあってなかなかの性能を有しています。先ほど苦労して実現した－70℃程度まで簡単に温度低下します
既製品と自作した3段モジュールでは実はそこそこ違いがあります。主に
- 構造
- 消費電力
に明確な差があり、既製品では効率などの面で大きなアドバンテージがあります。
構造について、自作品では既存のペルチェ素子をそのまま重ねて使用していました。要するに
セラミック→半導体→セラミック→熱伝導グリス→セラミック…
という接続です。これに対して既製品の3段スタックモジュールでは
セラミック→半導体→セラミック→半導体→…
というようにセラミック基板が余計に挟まることがなく、また熱伝導グリスに頼った接着などはされていません。このため既製品では熱の受け渡しを行う上での熱抵抗がイチケン特製モジュールに比べてかなり低くなっています。
また、格段の寸法や熱設計についても最適化が行われているかと思いますので、より低電力で効率よく低温まで冷やすことが出来るわけです。
既製品モジュールも使って追加実験（マイナス90℃達成！）
ここからは追加実験です。撮影の際に思いつきで「イチケン特製冷却システム」と既製品のモジュールを組み合わせたら最低温度はどこまで到達するのか実験してみました。
これがなかなかの結果を叩き出しまして、なんと最低温度は-92℃という結果になりました。正直想定外のスコアです。
効率よく熱の移動が出来る既製品モジュールの発熱面に対してより低い温度を用意できる時点で更に低温を目指すことが出来るのは察していましたが、なかなかすごい結果ができました。ドライアイスの生成温度は余裕で下回っています。
おそらくYouTubeにアップされているペルチェ素子を用いた極冷のなかでも-92℃以上（以下）を達成している動画はないかと思いますので、YouTube新記録（イチケン調べ）といったところでしょうか。
ただしあくまで何も冷やしていない状態での最低温度が－90℃です。前述の通り部品をこの温度まで冷却できるかというと正直あやしい部分がありますので、実用性については考えないほうが良いでしょう。
おわり
というわけで今回はペルチェ素子でどこまで低温の状態を作り出せるのかという企画でした。
熱の取り扱いについてはイチケン含め素人の状態での実験でしたが、結果として自力で-70℃超、既製品との組み合わせでというYouTube前人未到（イチケン調べ）の記録を作ることができました。
YouTubeではブログ記事で割愛している徐々に温度が下がっていく様子なども細かく見ることができますので、まだ動画を見ていないよという方がいらっしゃいましたらぜひ合わせてご覧いただけますと幸いです。
それでは今回も最後までお付き合いいただきありがとうございました。
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