ペルチェ冷却式高性能霧箱キット製作マニュアル
2019/07/18 改訂 SD 型仕様
大阪府立大学 研究推進機構 放射線研究センター
准教授 秋吉優史 （ akiyoshi@riast.osakafu-u.ac.jp ）1. はじめにペルチェ冷却式高性能霧箱キットをお買い上げ頂きありがとうございます。
本マニュアルはお買い上げ頂いた製作キットを作成するための基礎的な事項を説明しています
が、各ユーザーの様々な使用形態に合わせて仕様変更することを妨げる物ではありません。キットはあくまでもパーツ単位での販売であり、完成したユニットの性能を保証するものではありませんので、ご了承願います。

2. 準備する物
キットを製作するには、最低限ハンダごて、ニッパー、ストリッパーなどの配線用の工具、熱伝導グリスを塗るためのヘラ等が必要で、出来れば HOZAN P-706 等の圧着工具、ホットグルーガン（ダイソーで 200 円で購入可能）、ゴム又はニトリル手袋などがあると良いでしょう。

3. キット内容
まずキットの内容を確認して下さい（図 1）

図 1: キットに含まれているパーツ

○キットには、以下の内容のパーツが、2 台分梱包されています。
・ペルチェ素子
一番の心臓部であるペルチェ素子ですが、40mm 角の素子を 2 枚使用しています。一枚はTEC1-12708 で、販売されている状態のまま梱包されています。もう一枚は TEC1-12705 ですが、黒いポリスチレン製のベースユニットに UV レジンによりマウントされ、素子表面は 2 液混合のウレタン塗料により塗装されています（図 2）。ペルチェ素子は多数の P 型半導体と N 型半導体を電流の向きが逆になるように多数並べた素子です（図 3）。ハンダにより接合されているため、ハンダが融解する温度に過熱されると素子が機能しなくなります。また、空気中で使用すると必ず結露が起こりますが、セラミックパッケージの隙間はシリコンゴムで防水がされています。

図 2: TEC1-12708 ペルチェ素子と、ベースユニットにマウントした TEC1-12705 ペルチ
ェ素子。

図 2: 多数の P 型半導体と N 型半導体の対を並べた実際のペルチェ素子の内部・CPU クーラー
Snowman m-X2 はヒートパイプを用いたサイドフロー型の CPU クーラーで、CPU ヘッド、ヒートシンク、9cm ファンがコンパクトにまとめられており、今回使用するペルチェ素子の冷却に必要十分な性能を有しています。シリコーングリス、リテンションパーツも付属しており、これらをそのまま活用することが出来ます。残念ながらファンガードは付いていませんので、必要に応じて 9cm ファン用のファンガードを取り付けて使用して下さい（ファンをヒートシンクに固定するバネを別途穴を開けて固定するなどの工夫が必要です）。なお、リテンションパーツは販売されている状態そのままでは使用出来ないため、こちらで超音波カッターを用いて加工を行った物を添付しています。
・観察用チャンバー
観察用のチャンバーとして、ダイソーのコレクションケース（ミニ）を使用しています。アクリルはアルコールに徐々に侵されてひび割れなどが入ってしまいますが、このコレクションケースは台座もフタもポリスチレン製ですので、その心配はありません。キットでは既に台座にペルチェ素子をマウントした状態で販売していますので、透明なチャンバーのみが台座とは別に添付されています。

・LED ライト電飾用に市販されている 12V タイプの SMD 5730 3-LED モジュールを、各チャンバー3 個ずつ取り付けます。抵抗などもモジュールに組み込まれており、そのまま 12V 電源に繋ぐだけで使用することが出来ます。
・スポンジテープ、高電圧印加用メッシュ
スポンジテープは、アルコールを染みこませるために使用します。消耗品であるため定期的にユーザーで交換して頂く必要があります。隙間テープなどとしてホームセンターなどで売られている物で構いませんが、ダイソーの製品はアルコールですぐに糊が溶けてしまうようです。
また雑イオン除去のための高電圧印加用に、ステンレスメッシュに接続ケーブルを付けた電極と、保護シートを 2 枚ずつ添付しています。
・電源コネクタ
ATX 電源のペリフェラル電源コネクタ大 4 ピンなどと言われているコネクタに嵌合するコネク
タは、コマーシャルメイテンロックキャップ ピンハウジング 1-480426-0 及びコンタクトピン
60618-1 という名称・型番のものです（図 4）。ペルチェ素子と CPU ファンの接続、及び LED、高圧ユニットへの接続ケーブルの給電側は、このコネクタを使用します。
LED 照明と高電圧ユニットへの給電はそれぞれコネクタを付けて抜き差しできるようにした方が柔軟に運用できるため、LED 照明用には、Molex の電線対電線用コネクタ 2.5mm ピッチ 中継用 プラグハウジング 5240-021 + ターミナル 5241TL と、2.5mm ピッチ Mini-Latch ハウ
ジング 51191-0200 + ターミナル 50802-8100 の組み合わせを用います（図 5）。高電圧ユニッ
トの接続コネクタは、CCFL（冷陰極管）インバータパッケージにケーブル付きで 1 セットに 1つ同梱されています。もちろん、直接ハンダ付してしまっても、端子台を用いても、安全に給電可能であれば好きな方法を用いて頂いて構いません。

図 4 コマーシャルメイテンロックキャ

図 5: Molex の電線対電線用コネクタ

ップピンハウジング 1-480426-0（左のプラグハウジング 5240-021 +ターミナル2 つとも）及びコンタクトピン 60618-1

5241TL（左）と、Mini-Latch ハウジング（右の 4 本のピン）51191-0200 +ターミナル 50802-8100（右）○高電圧印加ユニットは、キット 1 セットに付き 1 台が含まれており、1 台で 2 台の本体ユニットに給電します。
・高電圧印加ユニット
コッククロフト・ウォルトン回路を用いた高電圧発生装置を作成するため、冷陰極管（CCFL）用のインバータ回路（図 6）を使用します。この回路を使用することで、1kV 程度の交流の高電圧を得ることが出来ます。これを 2 段のコッククロフト・ウォルトン回路に入れることで、直流の最大 2kV 程度の高電圧を得ます。
コッククロフト・ウォルトン回路作成の際に、回路の各素子には入力電圧の二倍の電圧がかかるため高耐圧の物を使用する必要がある点に注意して下さい。コンデンサは 耐圧 3kV、ダイオードは耐圧 2kV の製品を使用しています。基板も、高電圧に耐える比較的ランド間隔の広い製品を使用しています。基板と CCFL インバータを収めるタッパーも同梱していますので必要に応じて使用して下さい。
出力はワニ口クリップ付きのケーブルで行えるよう、ワニ口クリップ赤・黒各 2 つずつとやや太めの赤黒線が 2 本同梱されています。電極部に誤って触れて感電しないように、絶縁用のシリコンチューブを 2 本添付しています（黒いクリップは GND 側なので絶縁する必要はありません）。

図 6: CCFL（冷陰極管）インバータと、同梱されている接続ケーブル。

4. 作成方法
4.1 CPU クーラーへのペルチェ素子、ベースユニットの取り付けCPU クーラーのヘッドに一段目のペルチェ素子と二段目のペルチェ素子をマウントしてあるベースユニットを取り付けます。
「Snowman m-X2」CPU クーラーは、ヒートシンクとファンが組み上がった状態で梱包されています（図 7）。リテンションパーツはベースユニットに合わせて加工済です。（図 8）。SD 型からは、細かいリテンションパーツの調整が不要となり、簡単に均一なテンションをかけることが出来ます。

図 7: Snowman m-X2 CPU クーラーのパッケ

図 8: ベースユニットに合わせてカットージ内容。アンカーピンは一組予備で、5 組入されたリテンションパーツ。溝を一本残っている。注射器に入った熱伝導グリスも同梱して縦にカットした後に、矢印の部分をされている。

斜めにカットしています。

まず、透明で先端が二つに割れているアンカーピンを、円形のリテンションパーツの四隅にセットします。溝が切られているため、簡単にセット可能ですので、上下の向きに注意してセットして下さい（図 9）。次に、このリテンションパーツをベースユニットに装着します。縦方向と横方向の向きがあるので注意して下さい（図 10。向きが間違っていても大きな問題にはなりません）。
ケーブルを挟み込まないように注意して下さい。ベースユニットにはチャンバーを載せるための段差が存在します（図 11）。干渉しないようにリテンションパーツを加工していますが、万一干渉して透明のピンの楔状の顎の部分が出ない場合（正常な状態が図 12）、カッターやヤスリなどでリテンションパーツの先端（図 8 の矢印の部分）をカットし直して、干渉しないようにして下さい。問題がなければ黒いピンを押し込んで、固定します（図 13,14）。
続いて、この時点でファンの電源線の処理を行います。CPU ファンに繋がる 3 本の線のうち、黄色の線は不要なためカットします。また他の 12V 給電が必要な線と束ねて配線するために、CPU ファンからのコネクタ（図 15）は切断してしまい、赤と黒の線だけにします。（図 16）。

凸凹

真 っ直ぐ

図 9: 透明なアンカーピンをセットしたリテンションパーツ。4 本ともセットする。

図 10: ベースユニットの背面にリテンションパーツを装着する。爪周辺の真っ直ぐな辺をケーブルと平行にする。

図 11: ベースユニットの段差にリテンシ

図 12: 正常にアンカーピンの頭がベースユニョンパーツが干渉していないか注意する。

ットの上面に出てきている状態。顎の部分まで出ていればよい。

図 13: 黒いピンを完全に押し込んだ状態

図 14: 黒いピンが押し込まれてベースユニットをリテンションパーツに固定した状態

図 15: 処理前の 3 本のケーブルの付いた

図 16: 根本から黄色い線を切り落とした電源コネクタ。コネクタと黄色い線は切り状態。

落とし、赤黒線だけにする。
続いて、熱伝導グリスを塗り込みます。CPU ヘッドには保護シートが貼られていますので、忘れずに除去して下さい。まず CPU クーラーのヘッド部分（図 15）、続いてその上に乗せる一段目のペルチェ素子下側に塗ります。TEC1-12708 という印字がある冷却面を上側にします。グリスを均一に伸ばすために、適当なプラスチック板を加工するなどしてヘラを作成すると良いでしょう。丁寧に、均一に薄く塗り伸ばして下さい。素子はセラミックスで覆われており、表面に微細な気孔があるため、気孔に詰め込むつもりでしっかりと塗り込みます（図 16）。ヘッド側と素子側両面に塗り伸ばしたら素子をヘッドの上に載せて、上から押して密着させます（図 17）。その上にケースの台座にマウントした二段目のペルチェ素子を載せます。一段目同様に上側、下側両面にグリスを塗り伸ばしてから（図 18）ベースユニットを載せて下さい。ケーブルはファンが付いている背面側となるようにします（一段目と直行させて、根本の部分で干渉しないようにします）。載せた後に上から押さえて下さい。少し左右に回して塗り広げてみても良いでしょう。
グリスが馴染んだら、バネ状の固定金具でベースユニットをフックして固定します。ファン側から見て左側の金具からフックして下さい（図 19）。この際にベースユニットを上から押さえていないと傾いてしまい、素子の角が破損する場合があります。押さえながら右側のハンドルの付いた金具を押し上げてフックし（図 20）、ベースユニットをクーラー本体に固定します。

図 15: 塗布するグリスの量の目安

図 16:

ペルチェ素子表面に均一にグリスを塗布した様子

図 17: 1 段目の素子を載せたところ。型番

図 18: 1 段目の素子上面と、ベースユニッ印字面を上にし、CPU ファンの電源ケーブ

トにマウントされた 2 段目の素子下面にグルと同じ向きに電源線を出す。

リスを塗布した様子

図 19: ファン側から見て左側の、ハンドルが付いていない方の金具を先にフックする。

図 20: ベースユニットを押さえながら、ファン側から見て右側の、ハンドルが付いている方の金具を押し上げてフックしてベースユニットをファン本体に固定する

ベースユニットをバネで固定した後で、上下の素子がずれていないかどうか確認します。ずれている場合は、マイナスドライバーなどで押し込んで二枚が重なるようにして下さい。この際、こじる様な力を加えるとセラミックスが割れることがあるため注意して下さい。

4.2 本体ユニットの配線処理
上下のペルチェ素子及び CPU ファン、LED、高電圧印加ユニットへの給電は、全て 1 つのコ
マーシャルメイテンロックコネクタを使って行います。上段のペルチェ素子のみ 5V を給電し、それ以外の下段のペルチェ素子、CPU ファン、LED、高電圧印加ユニットへは全て 12V を給電します（図 21）。上段のペルチェ素子はベースユニットにマウントされており、既にコンタクトピンが圧着されています。12V を給電する電源線をコンタクトピン 60618-1 で圧着する際は、HOZAN P-706 等の圧着工具の使用が望ましいですが（それでも Molex 純正工具などよりははるかに安価）、ラジオペンチなどで代用しても良いでしょう。コンタクトピンを良く見て頂き、背が低く幅の広いフィンで芯線を、背が高く幅の狭いフィンで被覆部をグリップして抜けないようにする必要があります（図 22,23）。なお、この電源線は、絶対にハンダ付けしないで下さい。動作中は電流により発熱しますので、溶けたハンダがショートして発火する恐れがあります。大きな電流を流す端子は必ず物理的な圧着端子を使用します。
LED 用 の 給 電 ケー ブ ルに は 、 Molex Mini-Latch ハ ウ ジ ング 51191-0200 +タ ー ミ ナル
50802-8100 を各自取り付けて頂く必要があります。ターミナル 50802-8100 は非常に小さいですが、コマーシャルメイテンロックピンと同様に芯線をつかむフィンと被覆線をつかむフィンがあり、それぞれ別途かしめる様にして下さい（図 24）。Mini-Latch ハウジング 51191-0200 にター
ミナルを入れる際には、背中が凹状になった側を、レール状のガイドに入れると、ハウジングのバネ状の部品により抜けなくなります（図 25 右）。また、小さな△の切り欠きマークがある方が、+12V を給電する赤い線の側となります（図 25 左）。
高電圧印加ユニットへの給電ケーブルは、専用のコネクタが既に取り付けられているので（図27）、そのまま他のケーブルと一緒にコンタクトピンに圧着して下さい。なお、高電圧印加ユニッ
トは本体 2 台につき 1 台という構成になっています。給電ケーブルもキットに 1 本のみの付属です。高電圧印加ユニットへの給電ケーブルを備えている本体をマスターモジュール、付いていない方をスレーブモジュールと呼びます。
最終的にコマーシャルメイテンロックコネクタ ソケットハウジングにコンタクトピンを挿入する際は、図 21 を良く見て確実に結線を行って下さい。素子にかける電圧を逆にしたり、上段に12V をかけたりすると全く冷えないどころか最悪素子が破損しますので、くれぐれも気をつけるようにして、ごく短時間電源を入れ、素子表面が熱くならないことを確認して下さい。
正常に冷却できること（-40℃以下）を確認したら、チャンバーの密閉度向上のために、アンカーを押し込んだ穴をホットグルーで埋めます（図 28）。業務用の物は接着力が強すぎるため、ホームセンターやダイソーなどで購入できる物を使用します。接着剤などを使用するとメンテナンスが出来なくなるため使用しないで下さい。ホットグルーはアルコールに侵されず、メンテナンスの際はラジオペンチなどで取り除くことが可能です。この部分が密閉されていないと、外気から雑イオンが流入し、著しく観察が困難になります。

被覆部

芯線+5V

GND+12V

図 21: コマーシャルメイテンロックコネ
クタのピンアサイン。台形状になっている方がピンが出る側。一度ピンを入れると返しが付いているため抜けなくなる。

図 22: コンタクトピン 60618-1 での電源線の圧着。背が低く幅の広いフィンで芯線を、背が高く幅の狭いフィンで被覆部をグリップして抜けないようにする。

被覆部

芯線用

図 23: 圧着の完了したコンタクトピン。
12V

図 24: Molex の電線対電線用コネクタ

側は 4 本の線を束ねて圧着する必要がある。

Mini-Latch ハ ウ ジ ン グ 用 タ ー ミ ナ ル

被覆線側はあまり強く圧着すると線が切れ50802-8100。図 21 同様、芯線をつかむフィる場合があるため注意する。

ンと被覆線をつかむフィンがある。

図 25: Molex の 電 線 対 電 線 用 コ ネ ク タ
Mini-Latch ハウジング 51191-0200。左の図の

図 26: Molex の電線対電線用コネクタ

矢印で示したガイドに凹になった背中側を沿わMini-Latch ハウジングに結線したターせる。また、+12V の赤い線を、右の図の矢印でミナルを挿入しているところ。

示す小さな切り欠きが有る方に入れる。

図 27: 高電圧印加ユニット用の専用コネクタ

図 28: ホットグルーガンを用いて四隅の穴付き給電ケーブルの隙間を埋めた状態。ガンの先端をぐるぐる回しながら、引き上げたときに出てくる糸状のグルーをまだ融けているグルーに巻き付けると、きれいに仕上がる。

4.3 チャンバーの製作
SMD 5730 3-LED モジュールをホットグルーガンなどで固定して、どこか一端から出ている配線を ATX 電源の 12V 出力に繋げるようにします。製品版では裏側に配線が行くように工夫しています（図 33）が、ケーブルが太く端子を入れる部分がかなりきつくなりますので制作時に工夫する必要があります。全ての LED モジュールは内部で平列に結線されており、3 つ直列（に見えるように）使っても図 33 のように結線しても同じです。コネクタには、Molex の電線対電線用コネクタプラグハウジング 5240-021、ターミナル 5241TL を使用します（図 30, 31）。非常にコネクタが小さいので難しいですが、内容はコマーシャルメイテンロックコネクタなどと同じです。
LED モジュールから出ているケーブルの、白い線が GND, 色の付いた線が+12V 側です。図 32に合わせて、向きを間違わないようにして下さい。
LED モジュールが固定できたらスポンジテープを透明カバー内側に貼付けます。上端に近いところがよいですが、高さについては余り厳密ではありません。十分な量のアルコールを保持できるのであれば、隙間無く貼る必要もありませんので、気楽に貼りましょう。観察面側にスポンジが来ないようにすると視界が広くなります。
次に、高電圧印加のための電極となるステンレスメッシュをチャンバーの天板に OHP シートを使って貼付けます。チャンバー天板周辺に両面テープで OHP シートを貼付けて、メッシュを挟み込むようにします。端子は観察する際に裏側となる、電源取り出し側に出します（図 34）。
気密性を要求される訳ではないので、OHP シートで電極を絶縁できていればそれで構いません。

被覆部

芯線

図 29: ホットグルーガンで LED モジュールを固定する。ベースユニットに載せた際にホットグルーが干渉しないよう、5mm 程度底辺より上に取り付ける。効率よく素子を照らすよう

図 30: Molex の電線対電線用コネクタ ターミ
ナル 5241TL。コマーシャルメイテンロック
コンタクトピンと同様に、芯線をつかむ部分と、被覆部をつかむ部分がある。に、やや下向きに取り付けるとなお良い。

GND+12V

図 32: LED モジュールに取り付けた
図 31: Molex コ ネ ク タ プ ラ グ ハ ウ ジ ン グ

Molex 5240-021 コネクタプラグハウ

5240-021。矢印で示したガイドにターミナルジング。白い線の方が GND なので注のバネ状の返しを沿わせて挿入すると、小さく意。+12V 側がオレンジの線となって「カチッ」と言う音がして、抜けなくなる。

いる製品もある。

図 33: ホットグルーガンで LED モジュール

図 34: チャンバー上部への高圧電極の貼を固定し、コネクタ取り付けし、スポンジテ付け。添付の OHP シートを、適当な両ープを貼付けた状態のチャンバー。

面テープで貼付ける。

4.5 高電圧印加ユニットと接続ケーブルの作成
コッククロフト・ウォルトン回路を用いた高電圧印加ユニットを作成します。コッククロフト・ウォルトン回路の昇圧には、1kV 程度の交流の高電圧を出力する冷陰極管（CCFL）用のインバータ回路を使用します。これを 1 段のコッククロフト・ウォルトン回路（図 35）に入れることで、直流の最大 2kV 程度の高電圧を得ます。使用する 1 系統のコネクタを切断し、被覆を剥いて基盤に配線しますが、インバータから出る交流出力には極性はありませんので、どちらを GND 側に結線しても構いません。またモジュールによってはもう一組高圧出力がありますが無視して下さい。出力には極性がありませんので、CCFL インバータ本体に入る、12V の赤黒の線のうち黒い線を切断して分岐させ、GND を取ります（図 36,37）。線が短いので配分に注意して下さい。
コンデンサ、ダイオードの取り付けは図 38 を参考にして下さい。裏から見た配線に、素子の位置が分かるようにしてあります。隣の配線とハンダの間が近付きすぎないように注意して下さい。
高電圧がかかっているため、空中放電します。基盤のランドを飛び石伝いに放電することがあるため、ハンダ付け終了後にタッチペンなどの塗料で全体をコーティングして絶縁して下さい。
コッククロフト回路からの出力はワニ口クリップを付けたケーブルで行います。適当な木片などにクリップを挟んで赤/黒の被覆を取り、配線をハンダ付けして下さい。一枚の基板から 2 本の出力を取りますので、配線が外れないようにしっかりと固定して下さい（図 37）。赤い高圧側のワニ口クリップ先端は、安全のため添付のシリコンチューブで絶縁して下さい。黒い方は GNDに接続されていますので、絶縁する必要はありません。

赤クリップ

+2V〜

黒クリップ

V
図 35: コッククロフト・ウォルトン回路

図 37: 製品版の回路レイアウト（裏）図 36: 全体の配線

図 38: ケーブル取り付け、ハンダ付け前の基盤裏側。黄色い丸でコンデンサを、矢印でダイオードを示す。

図 39: 完成した本体ユニットの背面側（マスターモジュール）。
（キットにはファンガードは含まれていません）

図 40: 本体、チャンバー、高電圧印加ユニットを結線した様子。使用法について詳しくはユーザーズマニュアルを参照。