電タバ関連つらつらと・・・

電子タバコとか、VAPEとか言われているアイツについて、適当に書いていく、そんなBlogです。

MOD抵抗値から見る、危険なビルド

こんにちは。

さて今回は。
「MODの抵抗値」に着目して。
危険なビルドが、どのへんにあるのか。
考察していきたいと思います。

まず、MODの抵抗値が、なぜ危険な成分となりうるのか?。
それはひとえに、「電子タバコのコイルの抵抗が低いから」、また、「デバイスとしてコンパクトだから」です。

通常の弱電な電気設計では導通扱いとしてしまいげな、1Ω以下の領域を、通常の強電な電気設計では絶対やらかさない、細い領域に対して求めているからです。

ってオイラも、実際にMODの抵抗値測るまでは、「電池の内部抵抗のほうが、MODの抵抗値より高い」と思っていたのですが。
どうやら、そうでもないみたいなので。

注意喚起の意味も兼ねて、考察していきたいと思います。

まずそもそも、MODの抵抗値が高いと、どういうことが起きるか?。

これは単純です、MODが発熱します。

電池からの接続を見ると、「MODの抵抗値」と、「コイルの抵抗値」が、直列につながっている状態と同じこと。
直列なので、電圧は変わりますが、電流は変わりません。

極端な計算例だと:
 ・MODの抵抗値が1Ω、コイルの抵抗値が10Ωだとして。
 ・直列なので、電池側からは「10+1」、つまり11Ωだと見える。
 ・11Ωで、電池電圧が4.2Vだとすると、オームの法則、「電流=電圧÷抵抗」から
 ・「約0.38A」流れる 
 ・この際、コイルにも、MODにも、0.38A流れている
 ・それぞれに掛かる電圧は異なる、オームの法則、「電圧=電流×抵抗」から
 ・コイル:3.8V、 MOD:0.38V掛かる
 ・消費電力は「電力=電圧×電流」なので
 ・コイル:約1.4W、MOD:約0.14Wとなる
 ・どっちも発熱以外のお仕事をしないので、そのまま「発熱」になる

てな感じで、計算できます。

まあ、狭い領域で電力=発熱をかますと、どんなことになるのは、皆様よーくご存じだと思います。
まあ、、、電子タバコのアトマコイルで起きてる現象、そのままですね。

さて。

MODが発熱すると、何が起こるか。
まずもちろん、電池が熱せられます。

リチウムイオン電池は、通常雰囲気温度60度までの状態で使用せよ、と言われています。
電池が熱せられると、、、。
h03
緑の線がリチウムイオン電池の中の分子分布、赤い線が要求エネルギーの線です。
温度が高いほど、緑の線より上に赤い線がいって、反応に参加する分子が増える、みたいです。
つまり、激しく反応するのですね。

激しく反応するとどうなるか。
まあ爆発します。
h02
これはリチウムイオン電池の加熱試験。
試験なのでゆっくり温度上げていますが、200度を超えたあたりで温度上昇が指数関数的になり、 比例してガス温度など上がり、発煙、発火している様子が見て取れます。
また、オレンジの線は電池の電圧、150度近辺から不安定になり、180度近辺で急激に何かやらかされていることも確認できます。
あくまでもこの実験ベースではありますが、「150度超えちゃホントにダメ」てのが分かるかと。

さてでは、MODの抵抗値。
前回計測結果は、以下の通り。
Image3
実際、「MODの発熱」は、電池も込みで考えるのが正解な気もするので。
ちゃんとメンテしている状態で、「MODの抵抗値20ミリオーム」+「電池の内部抵抗30ミリオーム」、つまり50ミリオームくらいを最低の抵抗値と考えるのが良さそうです。

あ、ちなみに、1Ωは1000ミリオーム、メートルとミリメートルの関係と一緒です。

この値を基に、コイルの抵抗値と、MOD/コイルの発熱を、プロットしてみました。

MOD抵抗値が50ミリオーム~90ミリオームの場合:

MODの発熱量:
g1sm
コイルの発熱量
g1sc


MOD抵抗値が、0.1Ω~0.3Ωの場合
MODの発熱量
g1lm

コイルの発熱量
g1lc

前回の記事でも書きましたが、MODの発熱量が10W以下になるのを暫定的に「安全」と定義するのであれば。
0.1Ωを切る、優秀なMODの場合で0.3Ω以下のコイルを、0.1Ωを上回る、抵抗値の高いMODの場合、0.5Ω以下のコイルを使うのは、MOD側が10W以上発熱するため、「危険」だと定義できます。

「でもそれじゃ30~40Wまでしか楽しめない」、その通りです。
もっと高い電力で楽しみたいときは。
スタックすればいいのではないかと。

8.4V時のグラフは、こんな感じです。
MODの発熱
12lm

コイルの発熱
g2lm
2スタックMODで、おおむね1Ωビルドをしてやれば、MODの抵抗成分にもよりますが、おおむね50~60W領域は楽しめそうです。

あ、もちろんメカニカルMODの場合であって、電圧を変換することができる、テクニカルMODの場合は、分けて考える必要があります。
ですが、テクニカルMODでも、「MODの抵抗値」は、引っ掛かってきます。

例えば、1セル対応で効率85%、終止電圧3VなテクニカルMOD基板を使用する場合。
MODの「電池側」にかかる抵抗負荷は、以下な感じです。
tec


これは「メカニカルMODでこの抵抗値のコイルを繋げている」のと同じ状況だと定義できます。
歴史的に、「30W」が一時期テクニカルMODの最大値だった理由が、なんとなく見えてきます。
30W時で、大体0.3Ωなのですね。

さてでは。

MODの、組み込み具合と、抵抗値の変化について。

前回計測したMODのうち、Vanillaの銅とステンレスを使って、MODの締め込み具合の差を見てみましょう。

前回計測値は、こんな感じ。
Image3

まず、Vanillaの銅のテレスコ部分を伸ばし、アトマ側に隙間を作ってみました。
DSC03231

ピンは変更してあるため、銀素材です。
83_yurumi3

この状態だと、抵抗値はこんな感じ。
DSC03230

締め込みきった状態に対して、43ミリオーム、抵抗成分が増えました。

次にVanillaステンレスで。
スイッチ部分に、わずかな隙間ができるように組んでみました。
DSC03236
スイッチを押すとしっかり端子が電池に接触しますが、「隙間は維持」されている状態です。

この状態での計測値は、以下の通り。
DSC03235
70ミリオームも差分が出ました。

結構やらかしがちな、「メカニカルMODで隙間を作る」こと、絶対NGぽいです。
理由は、電流が通過するとこに対して、スレッド面での接触ではなく、むしろ端面での接触が、抵抗低下に対して支配的であることかなと。
端面の接触があまりない、Rambleの抵抗値が比較的高いのも、これで説明が可能かなと。

最後に、MODの構造による影響。
接点部分の抵抗成分は、点より線、線より面のほうが低くなります。

例えば、ピアノ線ばねでのこんな電池保持構造、MODに使われているの、ときたま見かけますが。
 h04
0.2オーム以上の抵抗を持ってたりするようです。
大変危険なので、この構造のMODは、高い電力を掛けない、もしくは低い抵抗値でビルドしないことをお勧めします。

また、イモネジで導通を取るタイプのMODもあります。
h05
イモネジ構造自体は、アトマ側のポジティブピンにも使われていたりしますが。
電池接触部分の「平面度」を、かなりシビアにご確認ください。
鋳造しっぱなし、切りっぱなしのイモネジは、平面がとれていなく、接触面積がせまーい!、なんてことがあります。

電池保持構造としては、最低でも「線」。
DSC03237

 できれば「面」での接触が確保されていることが肝要だと思います。
DSC03238


また、上記のメカニカルMODでの実験から、「スレッド部分は接触抵抗が高い」ことが伺えます。
なので、スレッド部分のみで電流経路を構築しているMODは、比較的危ないでしょう。
大人しい抵抗値や電力で楽しむことをお勧めします。
ハイブリッドのアダプターとか、チューブ式の電池保持構造を持つテクニカルMODとかね。
vh

特に素材劣化時、「電流通過の一部だけ発熱する」ことがあるようです。
h01
これが電池と熱的に接触している部分で起きたら、、、電池が熱せられて、危ない事態になること、容易に想像が可能です。
くれぐれも、ご安全に!。

以上です。

 *すみません書き散らかっておりますが、なんか熱あってぼーっとしているのです・・・。

参考文献:
 ・第9回 リチウムイオン電池の反応速度と活性化エネルギー
  http://www.daiwa-can.co.jp/energy/info/column_09.html
 ・リチウムイオン電池の安全性評価試験における発生事象について
  https://www.ntsel.go.jp/forum/2012files/pt_21.pdf
 ・ねじ締めによる導体接続部の発熱に関する研究(第 1報)

メカニカルMODの、抵抗値の測定

こんにちは。

さて今回は。
自作オームメーターを使った、メカニカルMODの抵抗値を。
測定していきたいと思います。

こんな感じで。
42_vcu2

さてでは。

用意したのは、以下な感じです。
01_total

左から:
 ・Ramble
  ツートーン 標準構成 #1377
  *2014年12月購入 nexmokeさん
 ・ SMOK Fury-S
  無地チューブに交換済 18650チューブ
  *2014年10月購入 nexmokeさん
 ・UD OAK LEAF
  *2014年11月購入 promistさん
 ・クリスMOD
  IRLB3034PBF、Nch PMOS FET MOD
 ・ Vanilla ステンレス18650
  アップグレードキット:シルバーピン2種、マグネットスイッチ適用済
  *2015年1月購入 promistさん
 ・ Vanilla カッパーグレイズ18650
  アップグレードキット:シルバーピン2種、マグネットスイッチ適用済
  *2014年11月購入 skyline vaporさん
 ・ Vanilla ブラスグレイズ18650
  アップグレードキット:シルバーピン2種、マグネットスイッチ適用済
  *2014年12月購入 promistさん

・・・まあ、オイラ手持ちのメカMODを集めてみましたよ。
購入時期が古いのはまあ、、、Vanillaで満足してたのと、その後はテクニカルなMODをすっかり愛用してるから、です。
そして今回は、同じ電池を使いまわすので、18650シングル限定な感じで、ね。

測定器材は、自作オームメーター、絶縁4線交流式のバッテリー内部抵抗計で測定する代物です。
02_measure

「バッテリー内部抵抗測定モード」で、測定間隔は「LOW」、キャリブレーション非適用で測定することに。

電池は、SONY US18650VTC4を使いました、それなりに中古品です。
03_bat2

一杯まで充電して、ね。
00_bat

測定JIGは、チャーミーさんのイベントの時に買った、LEONさんが出してた爆煙系アトマイザー(名称不明)の、ベース部分を使用しました。
06_atm

裏側は、こんな感じです。
07_atm2

電池、アトマイザー、及び被測定MODは、測定前に端子等をコンパウンドで磨き、エタノールで掃除しました。
08_souji
まあ手持ちがプラ用しか無かったのですが、サビくらいはばっちり落ちるみたいです。

計測手法は、、、。
・電池の内部抵抗を、測定
・電池をMODに入れ、内部抵抗を測定
・電池の内部抵抗を引くと、MODとアトマの抵抗値が判明!
てな流れでやっていきます。

まあ、古いMODとは言え。
・構造の違いによる抵抗値の差分
・材質の違いによる抵抗値の差分
が見えてくるのではないかな?と。

あ、オームメーターの測定手法ですが。
・絶縁、交流4線式による測定
・内蔵シャント抵抗の精度は10mオーム
・1KHz交流による測定
のため、直流を使う実際の電子タバコとは、インピーダンスの測りどころが異なる可能性があります。
但し、インピーダンスなので、一般的には、コンデンサ成分が交流で低下し、コイル成分が交流で上昇します。
メカニカルMODは「コイル成分」あまり無さそうなので、値が低く出ることは無いと予想します。

ではまず、バッテリー内部抵抗から。
04_bat3

約27ミリオームです。
05_bat4

それぞれのMODの、測定を、がーとやっていきましょう。

・Ramble、約158ミリオーム
10_ra1

11_ra2

12_ra3

・OAK LEAF、約57ミリオーム
21_oak1

22_aok2

23_oak3

・Fury-S、約256ミリオーム
31_fury1
 
32_fury2
 
33_fury3

・クリスMOD、約90ミリオーム
71_cr1

72_cr2

73_cr3

・Vanilla カッパーグレイズ、約46ミリオーム
41_vcu1

42_vcu2

43_vcu3

・Vanilla ブラスグレイズ、約48ミリオーム
51_vbr1

52_vbr2

53_vbr3

・Vanilla ステンレス、約63ミリオーム
61_vst1

62_vst2

63_vst3

まとめて、且つバッテリー内部抵抗を引くと、こんな感じです。
Image3

さて、考察してみましょうか。
まず、構造の違いから。
飛び抜けて抵抗値が高い、RambleとFURY-Sは。
・Ramble
 ・テレスコピック、チューブが3ピース構造
 ・スイッチ部複雑、そしてスイッチ部は今回掃除してない
・FURY-S
 ・ ヒューズ内蔵
 ・バッテリーにマグネット入りヒューズユニットをつける構造
てな感じです。
OAK LEAFもテレスコピックではないですが、チューブは2ピース構造。
それでも抵抗値が低いことから、例えばスレッドのピッチや嵌合面積の違いなどが、あるのかも知れません。

次に、素材の違い。
各Vanillaはそれぞれ素材が違います。
銅と黄銅は、ほぼ抵抗値変わらず、一歩下がってステンレスはちょっと抵抗成分を持つようです。

最後に、FET。
FET搭載MODとして、クリスMODを測ってみましたが、ちゃんとしたメカに対して導通性では一歩劣るようです。
クリスMODは市販されておりませんが、MOD内に摺動部分は無く、全てハンダでの接続です。

さて。
MODやアトマの抵抗成分が、「電子タバコの使い方」に対して、どのような影響を及ぼすのか。
それは、「コイルと直列に抵抗成分が入っている」ことになります。
直列なので、コイルと、流れる電流は変わりませんが。
掛かる電圧の違いにより、そこで「消費される電力」は、違いを見せます。

例えばRambleを例にとって、計算してみましょう。
Rambleは131ミリオーム、つまり0.131オームの抵抗値がありました。
これを4.2Vのバッテリーで、パフしてみることを想定してみましょう。

まず、1オームのコイルを使った場合。
合成抵抗は「1+0.131」なので、1.131オームの抵抗成分が全体としてはあります。
なので流れる電流は「約3.71A」です。
まあオームの法則、ですね。
それぞれに3.71A掛かるので。
コイルには「3.71V」、Rambleには「0.49V」 掛かります。
それぞれの発熱量は、コイル「約13.8W」、Rambleは「約1.8W」となります。
・・・Rambleに1オームのコイルつけると、Rambleとアトマ自体で、1.8W発熱するのです。
もちろんコイルと違い、MODはデカいので、熱は分散しますが、まあ小さい値ではないです。

では抵抗値の低いビルドだとどうなるのか?。
0.5オームのコイルを使うと・・・。
合成抵抗:0.631オーム
電流:約6.66A
コイル電圧:約3.33V
Ramble電圧:約0.87V
となるので、、、。
コイル電力:約22.2W
Ramble電力: 約5.80W
0.5オームビルドの場合、Ramble部だけで、約5.8Wも発熱します。
ちょっとした豆電球の発熱に相当します。
このへんが、「Ramble、低い抵抗値で使うと暖かくなる」正体かと。

では本当に危ない運用例。
Rambleに0.1オームのコイル使うと・・・。
合成抵抗:0.231オーム
電流:約18.18A
コイル電圧:約1.82V
Ramble電圧:約2.38V
となるので、、、。
コイル電力:約33.1W
Ramble電力: 約43.3W
となり、コイルよりRambleのほうが発熱してしまいます。
もうこれは本当に危ないです!。

では素材の違いによる差分は?。
Vanillaの銅・黄銅と、ステンレスで、様子を見てみましょう。

Vanilla銅が19ミリオーム、Vanilla黄銅が21ミリオーム、Vanillaステンレスが36ミリオームです。

極端な値も含めて、計算すると、こんな感じになります。

Vanilla銅:
vcu

Vanilla黄銅:
vbu

Vanillaステンレス:
vst

・・・0.1オーム運用時、銅・黄銅とステンレスでは、MOD電力が10W程度違います。
結構大きい値だと個人的には思います。

さて、計測結果から、「コイルの抵抗値の違いにより、MODが発熱する量が変わる」ことが分かりました。
グラフにしてみましょう。

・抵抗値の低いMODの場合
 ex)シンプルな構造のメカニカルMOD
H_02

・抵抗値の高いMODの場合
 ex)複雑な構造のメカニカルMOD
H_03
 *グラフが途中でクロスしているのは、コイルの抵抗値よりMODの抵抗値の方が高い為です。

例えばですが。
同じく顔に近づけて使う電気製品として、「電気シェーバー」がありますが。
探してみましたが、フィリップスのコイツが。
h_00


最大消費電力、9Wみたいです。
H_01
まあ、それにちょっとオマケして、「MODの発熱量は10Wが限界」だと定義すると。

・MOD抵抗値が0.03オーム以下のMODで、コイル抵抗値が0.2オームを切れる感じ
・MOD抵抗値が0.01オームのMODでも、コイル抵抗値は0.1オームを切れない
・MOD抵抗値が0.1オームのMODの場合、コイル抵抗値は0.3オーム程度

であることが分かります。

まあ、ざっくりした計算ですが、こんな感じかなと。

複雑な構造のMOD前提、もしくは包括していると思われる、JapanVapeTVのYuuさんの投稿にも。
Image2

 「+0.2オームで使いましょう、自殺する気?」と書かれていますが。
実は論拠は、この辺にあるのかも知れません。

まあ、ご安全に、使っていって下さいな!。

以上です。 

オームメーターを作ってみよう その2 機能編

こんにちは。

さて今回は。
部材到着から1週間。
だいぶオームメーターのソフトが仕上がってきたので。
JIG作って。
機能テストも兼ねて、機能紹介をしていきたいと思います。

現状、こんなんです。
DSC03102

ご注意!
 これは、一般的なオームメーターではなく、「4線交流絶縁測定方式」なオームメーターです。
 なので、絶縁確保しつつ、バッテリーの電圧とは別に抵抗値を測れますが。
 一般的なオームメーターやテスターでは、出来ません。
 最悪、バッテリーショート→事故コースになります!。
 くれぐれも、ご注意下さい!。


 まあ、起動するとこんな感じ。
DSC03103

現状スプラッシュスクリーン付けてますが、既にフラッシュメモリの92%とか使っているので、今後どうなるか予断を許しません・・・。

EUT、測定機器は、こんな感じに接続します。
DSC03104

電流と電圧を別々に測る、「4線測定式」なので、線が4本です。
まあ、やりざまは、Wikipediaとか見てくださいな。

 参考URL:四端子測定法 - Wikipedia

起動後、デフォルトだと、抵抗値表示モードになります。
DSC03105

左上のバッテリーメーターは、電源電圧(リチウムイオン1セル想定)。
右上はキャリブレーション/MOD抵抗の設定値。
中央が抵抗値。
下は、設定されたMOD電圧に従い、電力、電流、及び設定電圧を出しています。

上下ボタンで切り替えることにより、表示を入れ替えられます。

電力表示。
DSC03106

電流表示。
DSC03107

決定ボタンを押すと、セットアップメニューに入ります。
DSC03108

上下で選択、決定ボタンで項目設定って感じ、設定用ボタンは3つです。
DSC03109

例えば、MOD VOLTAGEに入ると・・・。
DSC03110

使うMODの電圧を設定できます。

で、戻ると。
DSC03111

計算値が変わりますよ、と。

で、測定値には、オフセットをつけることができます。

メニュー「CALIBLATION」から。
DSC03112

「MANUAL SETUP」で。
DSC03113

+/-を振ることができます。
DSC03114

勘違い防止の為、主な画面にはオフセットの設定値を、右上に出しています。
DSC03115

で、例えばMODを電池の代わりに銅線でショートさせて、「それ自体の抵抗値」を測りつつ、値を引きたいときは。

自動設定できます。
DSC03116

現在の抵抗値を、ゼロ点と設定できます。
DSC03117

 *サブミリ領域は、安定しません。

単位の切り替えも可能です。
DSC03118

まあ、ミリボルト表示。
DSC03119

使っている抵抗計、本来は1秒に1回のリクエスト、なのですが。
無効な値を無視する実装入れてあるので、保証外ではありますが、測定間隔を下げ、高速化することも出来ます。
DSC03120

で、こいつは本来、バッテリーの内部抵抗計です。
なので、バッテリーも測れます。

準備!。
DSC03121

程よく使い込んだ、VTC4を。
DSC03122

「INTREG」画面にすると、抵抗値と、測定電圧が表示されます。
DSC03124

内部抵抗高めだな・・・。

もちろん単位も切り替えられますが、まあ、これはミリオームのほうがいいかな?。
DSC03125

さて。
バッテリー込みで抵抗値測れるので。
「MODの抵抗値」を測ることも出来ます。

適当なアトマに、4本線ぶっさして、準備!。
DSC03126

手元にあったメカニカルMOD、「Rumble」を測ってみましょうか。
DSC03127

だいぶ放置してたので、端子が汚れきってます。
DSC03128

接続!。
DSC03129

測定用の電流は、装置側から与えられる為、この状態でMODをパフしても、電池から電流は流れません。

で、測定結果。
DSC03131

0.6オーム弱・・・。
・・・厳しいっす。
いかにもダメそうな感じ。

端子掃除してみましょう。
DSC03132

再測定!。
DSC03133

約0.18オームですか。
Rumbleが「爆煙に向いていない」の、なんとなく分かります。

実際どれくらい向いてないのか、確認することも出来ます。

「MOD REGISTANCE」に、MODの抵抗値を設定してあげると・・・。
DSC03134

表示モード「MODFEVER」で。
DSC03135

今測ってる抵抗値でパフしたとき、MODや電池がどれくらい温まるか、出してくれます。
0.6オームでRumbleをパフると、5W、MODが発熱しますよ、と。

まあ、こんな感じです。
で、実は弱点が・・・。
システムは全て5Vで動いているのですが、リチウムイオン電池の電圧は4V弱くらい。
昇圧してます。
が、リチウムイオン電池の電圧を、計測系に掛ける「パフ機能」をつけると。
FET実装だと、電流が逆流してしまいます。
・・・リレーかなあ・・・。
・・・いらないかなあ・・・・・・・。
ちょっとだいぶ悩んでたり。

まあこんな感じで。
楽しげなオームメーターが、できつつあります。
のんびりやらかしていきますよー。

以上です。 
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