車載冷凍庫で簡易低温環境試験

 作ったものを投入してスイッチを入れると、温度に関連する不具合が観察できる不思議な箱を作ってみた。

 一品物の装置の動作確認をするとき、極端な温度環境下の挙動を調べておくことで防げるトラブルは結構多い。それは半田の品質だったり、受動部品の定数だったり、ハードウェア設定に起因するソフトウェアの挙動だったりする。とある案件で、外部から提供されたファームウェアがバージョンによって全く違う温度挙動を示したのにはだいぶ苦しめられた。

急冷スプレーでも確認はできるけど、再現性のある試験には使いにくい。

 本格的なサイクル試験は環境試験装置の出番なので、以下の確認だけを目的とする。

 コールドスタート試験、不良個体のスクリーニング。

 温度センサの動作確認。

 クロック回りの回路の定数調整

 低温におけるプロセッサの内蔵OSC周波数などの観察

 DIY的な手法でいろいろ検討した結果、低価格でマイナス10度以下の環境を作ることに絞ると車載冷凍庫というカテゴリが残った。

 ペルチェ方式は冷却効率が悪いため除外した。

車載冷凍庫の選定

 現在入手できる低価格な車載冷凍庫のスペックはおおむねマイナス20度までの冷却能力、1℃刻みの操作パネルという共通点がある。コンプレッサー式なので小型とはいえA3対応の大型プリンタ程度の場所を占有する。加温機能が付くと値段が数倍になるので、熱サイクルが必要ならなんらかの熱源を後から設置することにする。

 なおこの手の製品、Bluetooth対応とは書いてないけれど、海外で調べるとアプリ対応を謳っており、その名残りでBLEビーコンが検出できることがある。念のためBluetoothモジュールは基板から除去しておいた。

 小さめの圧力鍋なら余裕で入るので、簡易熱真空試験装置にも転用できそう。

 動作音はとても静かだが、冷却中はコンプレッサの振動があるため、設置場所によってはゴム足などをつけて防振したほうが良い。
 12V系ということもあり、普通にオフグリッド生活で重宝しそう。 最近マキタから、似たような冷却能力でバッテリ駆動もできるパーフェクト製品が出てきた。

USB配線を引き込む

まず軽く試運転するために、USBポートを庫内に引き込んだ。 延長ケーブルの中間は銅箔テープとし、蓋が閉まるようにした。 この冷凍庫は周囲の壁に冷却パイプがぐるぐる巻いてあり、壁面に触れているものは庫内温度よりも冷やされることになる。 結露対策として、銅箔テープの上からカプトンテープを張り付ける。 

                             


試運転
 とりあえず制御回路には手を加えず、試験を行ってみた。
庫内には乾燥剤（電子乾燥式）とUSBハブ、各種試験機器を設置する。 被検体はオンボードに気圧/温度センサを搭載したマイコン基板。

除湿のため一晩おき、朝から冷却を開始した。昼に最低温度設定に到達したあと、冷却を止めて自然に温度が上昇するまで放置する。

 冷却が働き始めた後のランプレートは1℃/分程度だった。半日程度かけて段階的に温度を下げていったのが下のグラフとなる。温度制御は指定温度前後±2~3℃の変動がみられた。 運転を停止するとだいたい6時間で室温の8割まで戻る。

 被検体は庫内に接しているわけではないため、特に最低温度では設定温度より冷えにくくなる。

冷却し続けるには

 温度制御にはサーミスタが使われているが、サーミスタがつながるXHコネクタを基板から取り外し、代わりに10kΩの抵抗を取り付けると温度表示は-10度で固定される。
 これで-10度以下に温度設定をしておけば、運転を開始すると無限に稼働し続けるようになる。

 途中から連続運転すると、冷却面にて-30℃を確認した。（緑のグラフが冷却面、赤は冷蔵庫底部中央）

 

-30℃の時に運転をやめたときの冷却面の温度上昇率は、4℃/分と急峻だった。 蓋のシール部にケーブルを通しているため、蓋の閉まり具合も甘くなっているし、冷却部に銅箔テープで外部との熱入力接点を作ってしまっている。熱流入を押さえられれば、もう少し温度を下げられるかもしれない。

 あとは、試験体を効率よく冷やすため、冷却部から金属板を這わせて熱伝導させたり、断熱材をはめ込み、庫内の容積を減らしたりして、より冷えやすい環境を作るとよさそうだ。