大容量ペルチェの勧め　　　　 −−−−−−−　　　大容量ペルチェを効率よく使う　　　−−−−−−−−

既にペルチェを使用されている方を対象としています。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ペルチェは、上手く使えば冷却の手段として有効ですが、熱源にもなりますから、充分な冷却や安全装置との併用をお勧めします。 また、大容量ペルチェは現在手配中であり、使用したデータは、ペルチェメーカーの資料（データシートやモジュール選定ソフト等）であり、 実験に基づくものではありません。

大容量ペルチェの入手方法
１．価格	標準	Ｍｏｄｕｌｅ 価格 標準仕様 最大吸熱量 寸法 リード線長 ＤＲＩＦＴ−０．８ ６４００円／個 172W 40×40×3.2(mm) 150mm ＤＲＩＦＴ−１．０５ ５７００円／個 131W 40×40×3.3(mm ＤＲＩＦＴ−１．１５ ５０００円／個 120W 40×40×3.4(mm
	option	高さ調整（ラップ加工）・・・・２００円／個 同時に注文したものに限り、厚さを揃えることが可能です。 標準仕様の±０．３ｍｍの範囲内で厚さのバラツキを０．０３ｍｍの範囲に加工してくれます。
	送料	９枚以下は、送料８００円
２．注文方法	八坂貿易（株）にＦＡＸで直接注文して下さい。 ＦＡＸ０３−３２８１−７４７１
３．納期	２ヶ月程度　（ただし、在庫が無い場合）
クライオサーモ社とは、 同社のHPによれば、１９９２年創業。 元々は、軍事用及び宇宙用のペルチェを１９６２年から作っていたようだ。 ソ連邦の崩壊により、民営化し、それまで蓄積した技術を基に、軍需から民需に転換したものと思われる。
２００１．０１．０７追加　↓
入荷状態　（ＤＲＩＦＴ−０．８） スポンジで保護されており、 干渉による破損防止対策がされている。 　今回は特別にお願いして脚線長200mmで 　加工して頂いた。
側面は、防水シールされており、 脚線根元は、絶縁の熱収縮チューブで加工 　防水シールは八坂貿易さんにお願いして、 　可能であれば実施するとのことであった。 　必ず処理されているとは限らないので、 　注文される方は事前に確認下さい。
高さ調整（ラップ加工）品の厚さのバラツキ実績　（ＤＲＩＦＴ−０．８　2001.01.06入手品） 　　　　　 a　(mm)　 b (mm)　 c (mm)　 d (mm)　 e　(mm)　 　　平均(mm)　　 　max-min (mm)　　　 　　　　備　　　考　　　　 １ 3.277 3.277 3.276 3.277 3.277 3.277 0.001 ａ、b、ｃ、ｄ は四隅の厚さ　　ｅ は中央部の厚さ　　 注意!! クライオサーモ社の仕様書では、厚さ±0.03mm 平行度±0.025mmであるので、必ずしもこのように 精度の揃ったものが入手出来るとは限らない。 ２ 3.285 3.283 3.283 3.290 3.287 3.286 0.007 ３ 3.276 3.279 3.279 3.279 3.279 3.278 0.003 ４ 3.278 3.281 3.276 3.274 3.276 3.277 0.007 ５ 3.292 3.292 3.294 3.298 3.294 3.294 0.006 ６ 3.278 3.276 3.275 3.279 3.278 3.277 0.004

現状品で満足できるか？ 　　　　 秋葉原辺りで入手できる大容量ペルチェで最も容量の大きいもので、Qcmax80W、Vmax17.5V、Imax8.5A、最大温度差(以下dTmax)72℃ ペルチェを使いこなしている方なら常識だが.... Qcmax80WでdTmax72℃といえば余裕の冷却性能と思われがちだが、ここで言うQcmaxとは、Imaxの電流を流した時の吸熱側と放熱側の温度差が0℃の時の値。 また、dTmax72℃というのは、吸熱量が0Wの時に得られる吸熱側と放熱側の温度差。 しかも、この値は放熱側の温度(以下Th)が50℃の時の値ときている。 大容量の強制空冷や、水冷、ガス冷等で放熱側の温度を下げている場合には、 能力は、　 Th= 25℃でQcmax72W、dTmax65℃ Th=　0℃でQcmax63W、dTmax55℃ Th=-30℃でQcmax50W、dTmax44℃ Th=-50℃でQcmax41W、dTmax36℃ それでも、まだまだ能力に余裕があるように思われがちだが、 例えば、 Th=0℃では、dTmax55℃だが、dT=40℃を得ようとすると、maxの8.5A流しても、得られるのは僅かQc=18Wだ。 （データシートから求めた、この時の電力は、13.5V×8.5A=115W　COP=0.156） 私の出した結論 最大吸熱８０Ｗのペルチェであっても、低温で使うにはあまりに非力だ。

	次は効率のお話し
	冷凍機の性能は成績係数(COP：coefficent of performance)で表される。 Th=50℃及び0℃時の、それぞれ△T=0℃、20℃、40℃時の吸熱量と印加エネルギの関係により、COP=Qc／V*Iを求めた。 ペルチェの能力一杯に使うと極端に成績係数か下がることがわかる。 ２次冷却等でThを低く抑え、２次冷能力に限界がある場合には、特に重要だ。
	私の出した結論 ペルチェは、Qcmaxの50%以下で使え。 　　　Th= 25℃・・・Qc < 36W 　　　Th=　0℃・・・Qc < 32W 　　　Th=-30℃・・Qc < 25W 　　　Th=-50℃・・Qc < 20W
	複数枚使用時の効率低下 　　　　　 Qcmaxに余裕を持たせて使うとなると、並列使用しかない。 水冷では2〜3枚、ガス冷だと3枚は常識だ。 ここで問題となるのは、ペルチェの厚さ 水枕、eva、バッファー板の当たり面の平面度を上げても、ペルチェの厚さが揃っていなければ話にならない。 私の記憶では、一般市販品は±0.2mmの公差で制作されている。 ２枚並列で厚さが0.2mm違うペルチェを使用したケースを考えてみよう。 ただし、界面に於ける熱伝達は考慮しない。 また、ペルチェとevaとの隙間を埋めるサーマルグリースの熱伝導を 1W/mKとする。 （一般市販品、銅粉入りのサーマルグリースには2.6W/mKのものもあるようだ） 1W/mKとは、断面積1m^2×厚さ1mのサーマルグリース塊の両端間を1Wの熱が通過する時に、発生する温度差が1℃ということであり、ペルチェの大きさを4cm角とすれば、面積は1m^2の1/625、隙間は0.2mmであるので、1mの1/5000である。 よって、 １×5000/625=8(W/℃) 仮にペルチェ１枚の吸熱量が16W、排熱量が80Wとすると、吸熱側にサーマルグリースで埋められた隙間があると2℃、また、排熱側の場合は10℃の温度差が発生する事になる。
	図Ａ 　ペルチェ２枚並列で右側密着、 左側隙間0.2mmがサーマルグリースで埋められている場合、右側は隙間の影響無し。 左側では上記温度差が発生する。 図Ｂ 　左右のペルチェにそれぞれ0〜0.2mmの隙間がサーマルグリースで埋められているので、平均厚さはそれぞれ0.1mm。 よって、それぞれ上記の半分の温度差が発生することになる。 図Ｃ 実際には吸熱側、排熱側のどちらかに隙間が偏ることは無いので、左右それぞれのペルチェに吸熱側と排熱側のそれぞれに平均厚さ0.05mmのサーマルグリース層が存在する事になる。 よって、左右それぞれのペルチェで 吸熱側に0.5℃、排熱側に2.5℃の温度差が発生する。
	なお、厚さの揃ったペルチェを入手でき、厚さの違いが0.02mm程度であれば、005℃と0.25℃で、殆ど問題にはならない。
	また、図中の矢印に注意して欲しい。 ペルチェは上下から締め付け固定されるが、厚さが揃っていないと、締付力を局部的に受けることになる。 内部の素子は非常に脆弱で、締め付けによって素子が砕かれる可能性は大きい。 素子は直列に回路を形成しているため、一カ所でも壊れると全体が機能しなくなる。 まだ更に問題がある。 サーマルグリースで隙間を埋めたとしても、サーマルグリースの厚さが場所によって違えば、素子それぞれの温度条件が異なることになる。 素子は直列に回路を形成しているので、流れる電流はどの素子も同じだが、それぞれにかかる電圧は違ってくるはずだ。 それがどの程度影響するか、専門家ではないので良く解らないが、偏った負荷がかかれば、当然寿命や冷却能力に影響する。 脇道に、それたついでに、更に締め付けの話を続けよう。 ペルチェは、全面が均等に圧力がかかるよう締め付けるのが基本 ただし、密着すれば必要以上に締め付ける必要は無い。 参考までに米国フェローテック社のサイトにある資料では、締め付け面圧は1.8〜5.3kgf/cm^2だから、4cm角のペルチェだと、29〜85kgf 同社のトルク計算式では、 私の場合、８本で３枚だから、１本あたりの締め付けトルクは、1.8〜5.3kgf/cm^2×16cm^2×3枚／8本×0.2×0.3cm=0.65〜1.9kgｆ-cm。 その他、基本的な注意事項や方法等、同社の資料は大変有益だから、是非一度御覧になることを希望する。 http://www.ferrotec-america.com 水枕やeva、バッファー板が完全な剛体ならば、ボルト２本でも十分に用が足りるが、サーマルグリースを押し潰して、密着を確保する必要がある。 そのため、私の場合、３枚並列で８本のボルトを使用している。 しかも、水枕やeva、バッファー板の厚さは10mm以上であるにも関わらずである。 剛性の無い水枕やevaとペラペラのバッファー板を使用し、ペルチェを間に挟んで２本のボルトで締め付けたすると、密着させようと締めれば締めるほど撓んで中央部に隙間が生じ、伝熱が悪くなるばかりか、ペルチェの両端も痛めることになる。 私の出した結論 ペルチェを並列で使用する時は、厚みの揃ったものを使用する。 難しい場合には、銅箔やグラファイトシート等をスペーサとして利用する。 （更に微調整したいなら、１０ミクロンとか２０ミクロンのアルミホイルを利用するのも良い。） １枚で２枚分の容量のものがあるなら、素直にそれを使うべきだ。
	ペルチェの締め付け 　　　　 電気用小ネジの黄銅と、ステンレス(18-8)を比べてみよう。 熱伝導率はそれそれ106W/mK、15W/mK、M3を使用したとして、断面積は約5mm^2、ボルトの長さ＝10mmとし、ボルト両端の温度差を30℃として、流れる熱量を計算してみる。 面積は1m^2の1/400000、ボルトの長さ＝10mmであるので、1mの1/100である。 よって、それぞれ、 106×（100/40000)=0.0265(W/℃) 15×(100/40000)=0.00375(W/℃) 温度差は30℃であるので、30倍すると、 ボルト１本あたり、黄銅：0.795W、ステンレス：0.1125Wとなる。 この差を大きいと考えるか、無視できると考えるかは、各人の判断にお任せするが、 折角苦労して冷やすのだから、熱の逆流があってはならない。
	私の場合、更にバッファ側に厚さ2mmテフロン製ワッシャを併用している。 テフロンの熱伝導率は、0.25W/mK、断面積20mm^2　だから、同様の計算で、0.0025W/℃ ステンレスボルトとの併用で、 0.0015(W/℃)だから、30℃の温度差であれば、eva→ボルト→ワッシャ→バッファーという熱の逆流は、１カ所あたり、0.045W つまり、私の場合、８本のボルトを使用するが、計算上の熱ロスは全て合わせても0.5W以下に収めていることになる。
	私の出した結論 ボルト一本にも気を遣え。 断熱ワッシャは思った以上に効果がある。
	バッファー板の伝熱ロス 　　　　　 複数枚のペルチェを並列で使用すると、発熱源（CPU）とペルチェの距離は離れてくる。 ここで登場するのが、バッファー板なるもの。 ところが、ここでも温度差が発生する。 単純に、厚さ5mmの銅板で断面積200mm^2(幅40mm×厚さ5mm)の銅板に、距離20mmで20Wの熱を流した時の温度差を求めてみる。 銅の熱伝導率は403W/mK 断面積は1m^2の1/5000、距離は20mmであるので、1mの1/50である。 よって、403×50／5000=4.03W/℃ 20W／4.03W/℃=約5℃・・・・これは、無視できない程大きい。 冷却性能のみならず、素子それぞれにかかる負荷の差が大きいと寿命にも影響する。 私の出した結論 並列使用時のバッファー板は、ある程度厚さが必要。 くどいようだが、 １枚で２枚分の容量のものがあるなら、素直にそれを使うべきだ。
	余談だが、 セラミック板を使っていない高効率のペルチェなるものが話題になった。 セラミック板は、アルミナが使われており、理科年表によれば、熱伝導率＝21W/mKである。 セラミック板の影響がどの程度か、4cm角のアルミナ板で単純に試算してみる。 面積は1m^2の1/625、厚さは約1mmであるので、1mの1/1000である。 よって、21×(1000/625)=33.6W/℃ ペルチェの吸熱量が16W、排熱量が80Wとすると、吸熱側で0.48℃、 排熱側で2.38℃で、合計約2.9℃の温度差が出る事になる。 セラミックを使わないと、本当に優れているのだろうか？ セラミックの代わりに、絶縁コートにプラスチックフィルムを使ったとして、 計算してみることにする。 仮に厚さ0.05mmの熱伝導率0.5W/mKのプラスチックフィルムを使用したとする。 (0.05mmは、ほぼコピー用紙の半分の厚さ、0.5W/mKは適当に入れてみた値) 4cm角とすれば、面積は1m^2の1/625、厚さは0.05mmであるので、1mの1/20000である。 よって、0.5×(20000/625）=16W/℃ ペルチェの吸熱量が16W、排熱量が80Wとすると、吸熱側で1℃、 排熱側で5℃で、計6℃の温度差が発生する。 ちなみに、ポリエステルフィルム、テフロン0.25W/mK、ポリエチレン0.3W/mKだから、もし、テフロンフィルムを使っているなら、温度差は12℃にもなる。 実際に使った訳ではないので何とも言えないが、 どう考えても、セラミック板が劣っているとは言いにくい。 また、資料は今年２月頃に、ネット販売している会社とは別の代理店から入手したものだが、 他社のペルチェとCOP比較がなされ、資料ではCOP=0.423に対し、比較された他社のものはCOP=0.372と0.322であり、 確かに高い値となっている。 ところが、添付されたデータをよく見ると、5A流したときの最大吸熱57Wに対して、相手は50W及び49W。 それぞれ、TH=35℃、TL=0℃、電流を5A流した時のCOP比較であり、容量差を差し引いても優劣が逆転するとは 思えないが、もし、千石やフェローテックのQcmax=80W品と比較していたなら、逆転する可能性は大きい。 Qcmaxの異なるペルチェで、COPがどうなるか、クライオサーモ社のペルチェで比較してみよう。 何れも4cm角、127素子のStandard Single Stage TEMのデータは次の通り。 TB-127-1,4-1,5　Imax=6.1A　Qcmax=60W　Umax=15.9V　dTmax=70K(℃) TB-127-1,4-1,2　Imax=7.6A　Qcmax=75W　Umax=15.9V　dTmax=70K(℃) TB-127-1,4-1,15 Imax=7.9A　Qcmax=76W　Umax=15.7V　dTmax=69K(℃) TB-127-1,4-1,05 Imax=8.6A　Qcmax=84W　Umax=15.7V　dTmax=69K(℃) なお、300K(+27℃)のデータだから、TB-127-1,4-1,2TB-127-1,4-1,15あたりが、いわゆるQcmax=80W品に相当するはずだ。 また、High Effective Single Stage TEM　4cm角　127素子のデータもついでにひろってみた。 TBシリーズに対して、こちらは高性能品だ。 FROST-71 Imax=6.1A　Qcmax=61W　Umax=16.1V　dTmax=71K(℃) FROST-74 Imax=6.3A　Qcmax=65W　Umax=16.7V　dTmax=74K(℃) ICE-71 Imax=8.0A　Qcmax=80W　Umax=16.1V　dTmax=71K(℃) DRIFT-1,05 Imax=8.6A　Qcmax=131W Umax=24.6V　dTmax=69K(℃) DRIFT-0,8 Imax=11.3A Qcmax=172W Umax=24.6V　dTmax=69K(℃) 次に、クライオサーモ社のモジュール選定ソフトで、TH=35℃、TL=0℃、電流を5A流した時のCOPを求める。 TB-127-1,4-1,5　I=5.0A　Qc=29W　U=12.0V　COP=0.4800 TB-127-1,4-1,2　I=5.0A　Qc=29W　U=9.8V　 COP=0.5907 TB-127-1,4-1,15 I=5.0A　Qc=28W　U=9.5V　 COP=0.5971 TB-127-1,4-1,05 I=5.1A　Qc=28W　U=9.0V　 COP=0.6145 FROST-71 I=4.9A　Qc=29W　U=11.6V　COP=0.5149 FROST-74 I=5.0A　Qc=32W　U=11.9V COP=0.5442 ICE-71 I=5.0A　Qc=30W　U=9.6V　 COP=0.6249 DRIFT-1,05 I=5.0A　Qc=44W　U=14.9V　COP=0.5910 DRIFT-0,8 I=5.0A　Qc=37W　U=11.2V　COP=0.6573 電流一定の条件では、容量の大きいペルチェの方が成績係数が良い傾向が確認される。 大容量の方が効率が良いと考えてほぼ間違いないだろう。
	参考迄に吸熱量一定で、TH=35℃、TL=0℃のCOPを計算した結果を右に示す。 大容量ペルチェは広範囲をカバーでき、特にDRIFT-0,8は24V仕様のペルチェだが、 何と、12V付近で使用するのが最も適しているではないか。
	私の出した結論 効率を求めるなら、大容量のペルチェを使え。
	CPUの発熱量 データシートを元に、gamaさんの式でCPU発熱量を計算してみて、びっくり!! 破線は、純空冷のO/C電圧を基に算出 更にO/Cするとなると、 Celeron及びP3で、50W以上、Duronで60W以上、T.bird(Athlon) に至っては、80W以上、P4で70W以上の発熱を覚悟が必要となることが判明。 更に、極限まで冷やすとなると、M/B他からの吸熱も考えなくてはならない。
	これだけの熱量を処理するには、 大容量ペルチェしかあるまい。

最後に、大容量ペルチェを実際に使用した場合、どの程度の能力差が出るか、クライオサーモ社のモジュール選定ソフトを使って、どこまで冷やせるか計算してみた。 冷風機改造の２次冷却装置の冷却能力は、KENDONさんが公開しておられる水温データを基に、水温０℃→300W、-5℃→250W、-6℃→220W、-8℃→200Wと算出した。 ウィンドエアコン改造の２次冷却装置の冷却能力は、CORONA CW-16*改造品のデータである。 この装置については、９９９さんの展覧会に出展してあるので、興味があれば御覧頂きたい。 　　　　 大容量ペルチェは、DRIFT-0,8 Qcmax=80W相当品として、TB-127-1,4-1,15 TB-127-1,4-1,15の仕様は、　　 Tｈ=300K（27℃）でImax=7.9A　Qcmax=76W　Umax=15.7V　dTmax=69K(℃) Tｈ=323K（50℃）では、Imax=8.4A　Qcmax=88W　Umax=16.9V　dTmax=78K(℃) 空気 (℃) シンク能力 (℃/W) ペルチェ 電圧 (V) 吸熱量に対する ＴＬ（℃)　／Ｔｈ（℃）　　　　 型式 数 ２０Ｗ ３０Ｗ ４０Ｗ ５０Ｗ ６０Ｗ ７０Ｗ ８０Ｗ ９０Ｗ １００Ｗ 強制空冷ヒートシンク ２０ 0.15 − − − 23.0 24.5 26.0 27.5 29.0 30.5 32.0 33.5 35.0 DRIFT-0,8 １ 12.0 -11.0 -6.0 0.5 5.0 9.5 15.0 20.0 24.5 30.0 32.0 34.0 37.0 38.0 39.0 41.0 43.0 45.0 46.0 TB-127-1,4-1,15 １ 12.0 -15.0 -5.0 5.0 14.5 24.0 33.5 43.0 34.0 36.0 38.0 40.0 42.0 44.0 46.0 　　　注1）ペルチェ電源は12.0Vで試算、DRIFT-0,8の場合、10〜15Vの可変電源を使用すれば更に冷える。 　　　注2）強制空冷ヒートシンクの能力は、アルファ１０ｃｍ角の値である。 　　　注3)サーマルグリース及びバッファ板等の伝熱ロスは加味していない。 　　　注4)計算上の値であり、実際とは異なるかもしれない。 Qcmax=80W品の場合、70W以上の熱負荷に対しては、使用しない方がよく冷える。 ペルチェを併用すると、排熱が80W程度増加するので、ケース内の冷却に注意を払うこと。 また、ヒートパイプを使用したシンクの場合、温度上昇による内圧増加及びウイックのドライアウト等により障害を起こす可能性の有無について、事前にその仕様を確認すること。 水温 (℃) 冷却能力 (W) ペルチェ 吸熱量に対するＴＬ（℃)　／ペルチェ印加エネルギ 型式 数 ４０W ５０Ｗ ６０Ｗ ７０Ｗ ８０Ｗ ９０Ｗ １００Ｗ 冷風機 ０ ３００ DRIFT-0,8 ２ −４７ −４４ −４２ −３９ −３６ −３３ −３１ 16.7V,7.7Ａ 16.1V,7.4A 16.1V,7.5A 15.4V,7.3A 14.9V,7.1A 14.3V,6.9A 14.3V,7.0A −５ ２５０ ２ −４８ −４５ −４２ −４０ −３７ −３４ −３０ 14.9V,6.8A 14.4V,6.6A 13.9V,6.5A 13.9V,6.6A 13.3V,6.4A 12.9V,6.3A 12.0V,5.9A −８ ２００ ２ −４７ −４４ −４１ −３８ −３４ −３１ −２７ 13.2V,6.0A 12.7V,5.8A 12.2V,5.7A 11.8V,5.6A 11.0V,5.3A 10.6V,5.2A 9.9V,5.0A ０ ３００ TB-127-1,4-1,15 ２ 　　　 　　　 　　 −２７ −２２ −１８ −１３ 　　 　　 　　　 13.1V,7.6A 12.4V,7.3A 12.8V,7.7A 11.9V,7.4A −５ ２５０ ２ −４３ −３９ −３４ −２９ −２５ −２０ −１４ 12.2V,6.7A 12.8V,7.2A 12.2V,7.0A 11.8V,6.8A 12.1V,7.2A 11.6V,7.0A 10.6V,6.6A −６ ２２０ ２ −４４ −３９ −３４ −２８ −２２ −１８ −１３ 12.6V6.9A 12.1V6.8A 11.7V6.7A 10.7V6.2A 10.0V5.9A 10.1V6.2A 9.8V6.2A −８ ２００ ２ −４５ −４０ −３６ −２９ −２４ −１８ −１２ 12.2V,6.7A 11.8V,6.6A 10.8V,6.1A 10.5V,6.1A 10.2V,6.1A 9.5V,5.8A 8.8V,5.6A −６ ２２０ DRIFT-0,8 １ −４６ −４１ −３７ −３１ −２７ −２２ −１６ 19.6V,9.8A 18.3V,9.2A 18.3V,9.4A 16.4V,8.6A 16.3V,8.7A 15.6V,8.5A 14.3V,8.0A 　　　注1）計算結果は理論値であり、実際には、２次冷却装置及び、水冷ヘッド、循環ポンプの性能等の影響を受ける 　　　注2)サーマルグリース及びバッファ板、水冷ヘッドの熱抵抗等の伝熱ロスは加味していない

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