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おもしろ科学実験室(工学のふしぎな世界)

ペルティエ素子を使った冷却装置

2024年1月19日
大分大学 理工学部
電気エネルギー・電子工学プログラム
佐藤 輝被(さとう てるかず)

はじめに

ペルティエ素子は電力を消費して熱を移動させる熱電素子です。
家庭用の電気冷蔵庫やエアコンとくらべると

  • 小型である
  • 騒音、振動がない
  • 高精度、高速応答の制御ができる

などの特徴をもっており、
今回は、簡単にその冷却性能について調べてみます。

準備するもの

  • ペルティエ素子
    大手通販メーカーから購入しました。
  • 安定化電源
    乾電池や充電式ニッケル水素電池でも可
  • 放熱器
    アルミ板
  • 温度計
    テスターで熱電対を用いた温度計付きのものがよい

ペルティエ素子

ペルティエ素子
  • ペルティエ素子は、半導体でできており、電流を流すことで、熱が移動します。
  • 暖かくなる方をホット側、冷える方をクール側と呼ぶことにします。
  • 電流を流すことによってジュール熱が発生します。
  • ホット側に放熱器をつけて放熱することで、クール側を低温に保つことができます。

実験1

・ペルティエ素子に電圧をかける前の温度を測定します。

図1 電源を入れる前
図1 電源を入れる前
・電圧をかける前の温度は21℃でした。

実験2

・ペルティエ素子に1.5Vを印加して、温度を測定します。

図2 1.5Vの電圧をかけて5分後
図2 1.5Vの電圧をかけて5分後
・1.5Vの電圧をかけると13℃に下がりました。変化分は8℃です。

実験3

・ペルティエ素子に3Vを印加して、温度を測定します。

図3 3Vの電圧をかけて5分後
図3 3Vの電圧をかけて5分後
・3Vの電圧をかけると9℃に下がりました。変化分は12℃です。

考察

  • 乾電池程度の電圧でも10℃くらいは下がるのが確認できました。
  • もっと低い温度にするには、
     放熱を強力にする
     断熱をしっかりする
     電流を定格まで流す。
    とよいでしょう。

番外編

・ちょっと工夫して、氷点下まで下がるような装置を作ってみました。

Arduinoを使った制御装置 回路図

Arduinoを使った制御装置 回路図

Arduinoを使った制御装置 制作例

Arduinoを使った制御装置 制作例

【操作方法】
<装置を動作させるとき>

(1)主スイッチをONにします。パイロットランプ④が点灯していればOKです。
(2)マイコン基盤の赤のLEDがついていないときは,制御回路用スイッチ①をオンします。
(3)温度設定用ボリューム②を回して温度設定をします。

<装置を停止する時>
(1)主電源をオフにします。

Arduinoを使った制御装置 実験の様子

Arduinoを使った制御装置 実験の様子
  • CPU冷却用の放熱器を使っています。強制空冷です。
  • この実験では-17℃まで下がっています。
  • 電流が4A以上流れており、けっこうな電力消費となります。

Arduinoを使った制御装置 実験結果

・水、ウイスキー、ビールを冷やしてみました。(50cc程度)

Arduinoを使った制御装置 実験結果

まとめ

ペルティエ素子を使って冷却してみました。
工夫すれば0℃以下にも冷却できることがわかりました。

  • ※このページに含まれる情報は、掲載時点のものになります。

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