ペルチェ素子を乾電池で弱駆動すると何日もつのか

質問

計算すれば判るのでしょうけれど、
実測と理論値は違うかと思いますので、併せてお聞きします。

ペルチェ素子１枚で15cmx3の断熱の箱を乾電池で外気より5℃から10℃
冷やしたいと考えています。要するに若干の保冷を考えています。

さて、ペルチェ素子は市販で30Ａ位の物まで売っていますが、
コントローラーを作るのは少し面倒なので、無しで行きたいです。

４日から１週間の保冷を目指しています。

乾電池は単1が約100g、単3が約25gです。あまり重くしたくありません。
どうでしょう？できそうですか？電子回路には詳しくありません。
結局抵抗をかまさないと駄目ですか？(なるべく抵抗は望みません)

理想形は重さ200gまで。アルカリ電池を想定しています。

＊放熱に関しては全てこの際考えておりません。
＊最初の急冷(=初期冷蔵)に関しては想定外です。初期冷蔵はしてあるものとするのか、もしくは24時間かかって-5℃に冷え始めても構いません。

回答No.7

mtaka2 · ベストアンサー

回答6の者です。
> 単３が２本で３Vですとどの位機能
について追記。

電池2本直列の場合、
8Aタイプ: 1.5Ω→1本あたり0.75Ω→単3で50分ぐらい。消費電力6.0W～2.2W→吸熱量3.5W～1.3W
6Aタイプ: 2.0Ω→1本あたり1.0Ω→単3で1.5時間ぐらい。消費電力4.5W～1.6W→吸熱量2.6W～0.94W
5Aタイプ: 2.4Ω→1本あたり1.2Ω→単3で2時間ぐらい。消費電力3.8W～1.4W→吸熱量2.2W～0.78W

ただし、上記は内部抵抗を無視しての計算ですから、単3でのこれだけ低抵抗での駆動だと、内部抵抗の分ペルチェに供給される電力は少なくなり、実際の吸熱量は上記よりもっと少なくなります。

ついでに、30Aタイプのペルチェを使った場合について。
さきほどのコメントでは抵抗が小さすぎて電池の負荷曲線に載ってないため挙げなかったのですが、

http://www.exp.org/egg_battery/egg_battery.html
こちらのページによると、単1を1本で、0.165Ωの抵抗で、
90分間、2W～5Wを維持できています。

30Aタイプのペルチェは抵抗0.27Ωとなっていますから、これを電池2本直列で駆動すれば、1本あたり0.135Ωで、上記実験とほぼ同じ状況になります。
ですから、単1を2本直列で、30Aタイプのペルチェを駆動すれば、
一時間程度、10W～4Wの電力供給を維持できることになり、その時の吸熱量は5.8W～2.3Wになります。

補足

ほぉ・・・実は30Ａは持っています。
これは使い方が違ってきそうですね。温度感知モジュール等があれば
短時間での即戦力になりますね。5W-2Wの吸熱と言いますと10グラムの水を
約1℃-0.5℃下げる働きですよね、1秒当たり。
さっき近所で単１のＥＶＯＬＴＡ×４本が880円で、今は家にある
パナソニックの普通の新型のアルカリ単１(4本750円位？)で試してみました。

２個直列で保冷には効果ある？位には冷たいです。あと排熱は、
銅のヒートシンクとか重くて全く使えないので、これだけ冷えると今度は
排熱が厳しいですね。問題は多いかと思いますが、乾電池の電源としてはよく把握できました。

っていうかリンクのゆで卵の実験のページがなんか面白いんですけど^^;

ペルチェ素子は軽量の要求に対し、とても向いているかと思います。
同じく秋月に感温リードスイッチというのがありました。但し10℃です。
(簡易冷蔵庫用？)30℃-40℃の物があれば即実用できそうですね。乾電池でも保冷・弱冷ができると良いかと思います^^;　５Ａの物はもしかして弱すぎて保冷には向かないかもしれませんが、先ほどのゆで卵の実験の通り、発泡スチロールでの保温・保冷は侮れないですね。

色々有難うございました。視野が広がり大変ロマンが広がりました。
あとはもうちょっと実験してみます。

回答No.6

mtaka2

制御無しで電池直結でペルチェを駆動するとなると、
「定抵抗放電」でどれだけ電池が持つのか、という話になります。

大雑把な計算ですが、
秋月電子で取り扱っているペルチェ素子を見ると、
http://akizukidenshi.com/catalog/c/cpeltier/
8Aタイプ: 1.5Ω
6Aタイプ: 2.0Ω
5Aタイプ: 2.4Ω
となっています。また、吸熱能力はおおよそ消費電力の57%ぐらいのようです。
これを、電池1つで駆動した場合、
パナソニックのアルカリ乾電池の放電特性
http://www.google.co.jp/url?sa=t&ct=res&cd=2&url=http%3A%2F%2Findustrial.panasonic.com%2Fwww-data%2Fpdf%2FAAC4000%2FAAC4000PJ1.pdf&ei=FQH-RrboJKKwsgKrqvwa&usg=AFQjCNFJ-AgSyRPH1Ufeltw2MGs_zUjZ7A&sig2=BfeiRKN9Yml__mqugZegEA
(5ページ目の「定抵抗連続放電」参照)によれば、

1.5Ω: 単1で30時間・単3で3時間ぐらい。消費電力約1.5W～0.54W→吸熱量約0.87W～0.31W
2.0Ω: 単1で40時間・単3で5時間ぐらい。消費電力約1.1W～0.40W→吸熱量約0.65W～0.23W
2.4Ω: 単1で70時間・単3で7時間ぐらい。消費電力約0.94W～0.34W→吸熱量約0.54W～0.20W

となります。重さ200gということで、単一電池を2本並列にすると
(このくらいの低抵抗・大電流消費だと、電池の容量のばらつきはそれほど問題にならないと思います。)

8Aタイプ 1.5Ω→電池1個あたり3.0Ωの負荷→約85時間
6Aタイプ 2.0Ω→電池1個あたり4.0Ωの負荷→約130時間
5Aタイプ 2.4Ω→電池1個あたり4.8Ωの負荷→約170時間

の動作が可能になります。6Aタイプなら4日、5Aタイプなら1週間は動かせそうです。
(2本並列で2倍以上に時間が伸びているのは、低抵抗大電流放電だと、電池の内部抵抗によるロスが大きいためです。)

この場合、ペルチェによる熱移動能力はわずか0.5W程度ですから、
あとは「断熱の箱」の断熱具合がどれほどなのか次第です。

(実用上、かなり無謀だと思いますが)外気との温度差5度～10度の状況で、箱の中への熱の流入が0.5W以下に抑えられるなら、
このペルチェで保冷が可能、ということになります。

それ以上は、電池のエネルギー密度とペルチェの吸熱効率的にはどうやっても実現不可能です。

お礼

信じられないです！素晴らしいお答え、本当に頭が下がるどころではないです。
大雑把な計算とされていますが、私から見ると非常に指針となる考え方で、
後生の勉強になりました。これほど科学が楽しいと思える説明に感謝です！

断熱箱は二重の発砲スチロールです。厚さは合計５・６センチあります。
ただ事情でもうちょっと断熱能力を落とすつもりですが、やってみます。
今は電池を外側に付け、ペルチェの設置そして排熱や内側の熱伝導を考えなければなりません。(排熱は銅箔を面で使おうかなと思いますが。。)

肝心なのは外気との温度差が問題なのでしょう。
緊急時(外気温度が35℃以上)のみ温度センサーを組み合わせて直列で2個使うとなると
もっと外気温を差を付けれますかね？温度センサーの部品は軽いと
思いますが、これを単純に回路に組み合わせる事は賢い方法なのでしょうか？？

ともかく、霧が晴れたな気分です。よく考えてすぐにでも購入しようと思います。大変有難うございました！

回答No.5

sinisorsa

別の観点からコメントします。
乾電池を並列接続して、電流容量を増やそうという意図が伺えますが、
これは問題です。乾電池の各個体のばらつきから、電圧が異なります。単純に並列接続しますと、電池間の電圧をショートすることになります。したがって、外部に電流を流さなくても、自己消費され、電池が
高温になることがあります。（体験済み）
並列部分に逆流防止にダイオードを挟めばよいでしょう。
小学校時代に電池の直列・並列接続を勉強しますが、２個程度なので、
また、時間も短いので問題が起きなかったのですが、これが誤解を生む
理由だと思います。
くれぐれも、電池をそのまま並列接続しないようにしましょう。
プロが作った製品の中にもありました。電池の寿命が短いので、
並列接続を疑い、試しに電池を１個だけにしましたら、寿命が
伸びました。笑えない話です。

お礼

大変に勉強になります！
思わぬ所で勉強させて頂きました。感謝です!

回答No.4

equinox2

まず、ペルチェ素子は十分に放熱しないと冷却できません。
昔、ペルチェ素子(T150-40-127S)　17.5V　4A 38W（最大値）を
CPU用の放熱フィンのみつけて使用して実験しましたが、
一旦冷えるものの放熱不足で10分程度で元の温度になりました。

放熱フィンにファンを付けて矯正空冷して、ようやく室温－15度程度で
安定しました。
＃熱負荷はなしで、断熱せず裸で置いた状態

上記の状態で6V 1A（6W）程度でしたので、単一４本で５～１０時間
程度は持つかもしれません。

私は、ICチップ1個の大きさのCCDを直接冷やすために実験しましたが、
ご希望のサイズの断熱箱がこの程度で冷えるかは判りません。

お礼

有難うございます。
良く判りました。
私も秋月の30Aを２個購入しカーバッテリー等で実験している程度の者です。
排熱に関して私もファンを使用したり、銅線・銅板を加工したりしてます。

今回は排熱問題は置いておいて乾電池によってどの程度持つのかが疑問でした。USBのコップ冷却機能を考えると、5Vで機能していますよね。。

今は温度センサで、外気の温度が高い緊急時のみ作動するように
したらいいのではないかと考えています。そうであれば乾電池でも
良いかなと。急所で１・２時間作動すれば合格なんです。ですが電子回路に
あまり詳しくないので、色々考えています^^;

初期冷却を考えないとしますと、単３が２本で３Vですとどの位機能する
んでしょうね。。。よく考えてみます。

大変参考になりました。感謝です。

回答No.3

amanda97

単一アルカリ乾電池１万２０００個用意すれば１週間持ちますよ

回答No.2

hana-hana3

単一を使っても数時間と持たないでしょう。

回答No.1

nemoax006

知りあいのペルチェは450ｗほど消費します