(57)【要約】【課題】熱電変換素子の熱電変換効率の低下を抑制すること。【解決手段】温度調節装置１０は、電源１１を備えている。電源１１は、電源１１には、ＰＴＣヒータ１２が電気的に直列接続されている。ＰＴＣヒータ１２には、熱電変換素子１３が電気的に直列接続されている。熱電変換素子１３は、電源１１から供給される電流の極性に応じて吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面１３ａ及び第２面１３ｂを有している。温度調節装置１０は、流路１８に気体状の熱媒体を供給する送風機１６を備えている。熱電変換素子１３とＰＴＣヒータ１２は、流路１８において、熱媒体の流通方向の上流側から順に、熱電変換素子１３、ＰＴＣヒータ１２の順に配設されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から供給される電流の極性に応じて吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子と前記第１面と接続される第１電極と前記第２面と接続される第２電極とを有する熱電変換装置と、ＰＴＣヒータと、を備え、熱媒体が、前記熱電変換素子の第１面及び前記ＰＴＣヒータと熱交換されて被温調体に供給され、前記被温調体を加熱するときには、前記熱電変換素子の第１面が放熱を行うように前記電源から前記第１電極及び前記第２電極に電流が供給されるとともに、前記ＰＴＣヒータにも電流が供給される温度調節装置であって、
前記熱電変換装置と前記ＰＴＣヒータは、前記熱媒体の流通方向の上流側から順に熱電変換装置、ＰＴＣヒータの順に配設されていることを特徴とする温度調節装置。
【請求項２】
前記電源と前記熱電変換装置と前記ＰＴＣヒータとは電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の温度調節装置。
【請求項３】
前記電源と前記ＰＴＣヒータとを接続する第１の接続経路と、前記ＰＴＣヒータと前記熱電変換装置の第１電極とを接続する第２の接続経路と、前記熱電変換装置の第２電極と前記電源とを接続する第３の接続経路と、前記電源と前記熱電変換装置の第１電極とを前記ＰＴＣヒータを介さずに接続する第４の接続経路と、を有し、
前記第１の接続経路と前記第２の接続経路と前記第３の接続経路とにより第１の閉回路を形成するか、前記第４の接続経路と前記第３の接続経路とにより第２の閉回路を形成するかを選択するスイッチが設けられ、
前記被温調体を冷却するときには、前記第２の閉回路が形成されるように前記スイッチが切り替えられるとともに、前記熱電変換素子の第１面が吸熱を行うように前記電源から前記第１電極及び前記第２電極に電流が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被温調体の温度調節を行う温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被温調体の温度調節を行う温度調節装置としては、例えば、特許文献１に記載の発熱機構が知られている。
特許文献１に記載の発熱機構は、発熱手段を有している。発熱手段としては、カーボンヒータ、セラミックスヒータ、ペルチェ素子などが用いられる。発熱手段は、二次電池（被温調体）に設けられ、二次電池の低温時などには、カーボンヒータ、セラミックスヒータ、ペルチェ素子が二次電池を加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８７８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ペルチェ素子に加えて、カーボンヒータやセラミックスヒータを利用して二次電池の加熱を行う場合、他のヒータの熱によってペルチェ素子の第１面と第２面の温度差が大きくなるおそれがある。ペルチェ素子の第１面と第２面の温度差が大きくなると、ペルチェ素子の熱電変換効率が低下し、二次電池を効率よく温度調節できないおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換素子の熱電変換効率の低下を抑制することができる温度調節装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電源から供給される電流の極性に応じて吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子と前記第１面と接続される第１電極と前記第２面と接続される第２電極とを有する熱電変換装置と、ＰＴＣヒータと、を備え、熱媒体が、前記熱電変換素子の第１面及び前記ＰＴＣヒータと熱交換されて被温調体に供給され、前記被温調体を加熱するときには、前記熱電変換素子の第１面が放熱を行うように前記電源から前記第１電極及び前記第２電極に電流が供給されるとともに、前記ＰＴＣヒータにも電流が供給される温度調節装置であって、前記熱電変換装置と前記ＰＴＣヒータは、前記熱媒体の流通方向の上流側から順に熱電変換装置、ＰＴＣヒータの順に配設されていることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、被温調体を加熱するときには、熱電変換素子の第１面及びＰＴＣヒータと熱交換された熱媒体によって被温調体が加熱される。このとき、熱媒体は、熱電変換素子の第１面と熱交換された後にＰＴＣヒータと熱交換される。熱媒体がＰＴＣヒータと熱交換された後に熱電変換素子の第１面と熱交換されて被温調体を加熱する場合には、ＰＴＣヒータによって加熱された熱媒体と第１面が熱交換されて、第１面の温度が上昇する。第１面の温度が上昇すると、熱電変換素子の第１面と第２面の温度差が大きくなり、熱電変換効率が低下してしまう。本発明のように、熱媒体を、熱電変換素子の第１面と熱交換された後にＰＴＣヒータと熱交換されるように流すことで、ＰＴＣヒータと熱交換された熱媒体が第１面と熱交換されにくく、熱電変換素子の第１面と第２面の温度差が大きくなることが抑制される。したがって、熱電変換素子の熱電変換効率の低下を抑制することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の温度調節装置であって、前記電源と前記熱電変換装置と前記ＰＴＣヒータとは電気的に直列接続されていることを要旨とする。
これによれば、ＰＴＣヒータの温度が上昇し、閾値以上になると、ＰＴＣヒータの抵抗値は急激に上昇する。ＰＴＣヒータの抵抗値が上昇すると、ＰＴＣヒータ及び熱電変換素子に流れる電流が小さくなり、ＰＴＣヒータの出力及び熱電変換素子の出力が低下する。したがって、ＰＴＣヒータの温度が閾値に達すると、抵抗値が大きくなることで、熱電変換素子の出力を自動で低下させることができる。このため、熱電変換素子の出力を制御するための制御装置が不要になり、製造コストの削減が図られる。なお、上記した閾値は、ＰＴＣヒータの温度特性によって定まる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の温度調節装置であって、前記電源と前記ＰＴＣヒータとを接続する第１の接続経路と、前記ＰＴＣヒータと前記熱電変換装置の第１電極とを接続する第２の接続経路と、前記熱電変換装置の第２電極と前記電源とを接続する第３の接続経路と、前記電源と前記熱電変換装置の第１電極とを前記ＰＴＣヒータを介さずに接続する第４の接続経路と、を有し、前記第１の接続経路と前記第２の接続経路と前記第３の接続経路とにより第１の閉回路を形成するか、前記第４の接続経路と前記第３の接続経路とにより第２の閉回路を形成するかを選択するスイッチが設けられ、前記被温調体を冷却するときには、前記第２の閉回路が形成されるように前記スイッチが切り替えられるとともに、前記熱電変換素子の第１面が吸熱を行うように前記電源から前記第１電極及び前記第２電極に電流が供給されることを要旨とする。
【００１０】
これによれば、被温調体を冷却するには、第４の接続経路によってＰＴＣヒータを介さずに第１電極と電源が接続されるため、ＰＴＣヒータに電流が供給されない。熱電変換素子の第１面は吸熱を行うため、熱電変換素子の第１面と熱交換されて冷却された熱媒体が被温調体に供給される。そして、この熱媒体によって被温調体が冷却される。したがって、被温調体の冷却と加熱の両方を行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱電変換素子の熱電変換効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態における温度調節装置を概略的に示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を具体化した一実施形態について図１にしたがって説明する。
図１に示すように、温度調節装置１０は、電源１１を備えている。電源１１は、例えば、電池である。電源１１には、第１の接続経路Ｒ１を介してＰＴＣヒータ１２が電気的に直列接続されている。ＰＴＣヒータ１２には、熱電変換装置３０が電気的に直列接続されている。熱電変換装置３０は、電源１１から供給される電流の極性に応じて吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面１３ａ及び第２面１３ｂを有する複数の熱電変換素子（ペルチェ素子）１３を備えている。熱電変換素子１３の第１面１３ａには、絶縁基板３３に設けられた第１電極３１が接続されている。熱電変換素子１３の第２面１３ｂには、絶縁基板３４に設けられた第２電極３２が接続されている。複数の熱電変換素子１３は、第１電極３１と第２電極３２によって電気的に直列接続されている。熱電変換装置３０の第１電極３１は、第２の接続経路Ｒ２を介してＰＴＣヒータ１２と電気的に直列接続されている。電源１１と、ＰＴＣヒータ１２と、熱電変換装置３０とは、電気的に直列接続されている。また、熱電変換装置３０の第２電極３２は、第３の接続経路Ｒ３を介して電源１１と電気的に直列接続されている。
【００１４】
熱電変換装置３０とＰＴＣヒータ１２の間には、第４の接続経路Ｒ４が設けられている。第４の接続経路Ｒ４は、ＰＴＣヒータ１２を介さずに電源１１と熱電変換素子１３を電気的に直列接続する経路である。本実施形態では、第４の接続経路Ｒ４は、熱電変換装置３０とＰＴＣヒータ１２の間に設けられることで、第２の接続経路Ｒ２に接続されている。すなわち、第４の接続経路Ｒ４は、第２の接続経路Ｒ２の一部を兼用している。
【００１５】
電源１１と第１の接続経路Ｒ１及び第４の接続経路Ｒ４との間には、電源１１と第１の接続経路Ｒ１及び第４の接続経路Ｒ４との接続の切り替えを行うスイッチＳが設けられている。スイッチＳは、第１の接続経路Ｒ１と電源１１を接続するか、第４の接続経路Ｒ４と電源１１を接続するかを切り替える。そして、スイッチＳによって第１の接続経路Ｒ１と電源１１が接続されると、第１の接続経路Ｒ１、第２の接続経路Ｒ２及び第３の接続経路Ｒ３が電源１１と電気的に接続されて、第１の接続経路Ｒ１と第２の接続経路Ｒ２と第３の接続経路Ｒ３とにより第１の閉回路が形成される。また、スイッチＳによって第４の接続経路Ｒ４と電源１１が電気的に接続されると、第４の接続経路Ｒ４及び第３の接続経路Ｒ３が電源１１と電気的に接続されて、第４の接続経路Ｒ４と第３の接続経路Ｒ３とにより第２の閉回路が形成される。すなわち、スイッチＳは、第１の閉回路を形成するか第２の閉回路を形成するかを選択している。なお、前述したように本実施形態では、第４の接続経路Ｒ４は第１電極３１とＰＴＣヒータ１２の間に接続され、第２の接続経路Ｒ２の一部が第４の接続経路Ｒ４として兼用されている。
【００１６】
温度調節装置１０は、流路１８に気体状の熱媒体を供給する送風機１６を備えている。流路１８は、流路１８を流れる熱媒体が、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３の第１面１３ａと熱交換可能に設けられている。流路１８は、例えば、ダクトなどの内部に形成されている。流路１８は、熱媒体を流入させる流入口１８ａ及び熱媒体を流出させる流出口１８ｂを備えている。流路１８の下流（流出口１８ｂ側）には、被温調体１７が設けられている。被温調体１７は、例えば、電気自動車に搭載されて、モータを駆動するための電力源となる二次電池や、モータなどの電子部品である。
【００１７】
流入口１８ａは、流路１８を流れる熱媒体の流通方向において、熱電変換素子１３よりも上流に位置し、熱電変換素子１３は、ＰＴＣヒータ１２よりも上流に位置し、ＰＴＣヒータは流出口１８ｂよりも上流に位置するように流路１８が設けられている。すなわち、熱電変換素子１３とＰＴＣヒータ１２は、流路１８において、熱媒体の流通方向の上流側から順に、熱電変換素子１３、ＰＴＣヒータ１２の順に配設されている。流入口１８ａから流路１８に流入した熱媒体は、熱電変換素子１３の第１面１３ａと熱交換された後に、ＰＴＣヒータ１２と熱交換されて流出口１８ｂから流出して被温調体１７に供給される。
【００１８】
スイッチＳ、ＰＴＣヒータ１２及び送風機１６には、制御装置２０が接続されている。そして、制御装置２０はこれらの部材を制御する。
次に、本実施形態の温度調節装置１０の作用について説明する。
【００１９】
被温調体１７を加熱するときには、制御装置２０が、スイッチＳを第１の接続経路Ｒ１と電源１１とを接続するように、すなわち、第１の閉回路が形成されるように切り替える（図中二点鎖線で示す）。また、制御装置２０は、送風機１６を駆動させる。電源１１からは熱電変換素子１３の第１面１３ａが放熱を行うように熱電変換素子１３（第１電極３１及び第２電極３２）に電流が供給される。第１の接続経路Ｒ１と電源１１が接続されると、熱電変換素子１３の第１面１３ａは放熱を行う。また、ＰＴＣヒータ１２は発熱する。送風機１６は、流路１８に熱媒体を供給する。流路１８を流れる熱媒体は、熱電変換素子１３の第１面１３ａ→ＰＴＣヒータ１２の順に熱交換される。そして、熱電変換素子１３の第１面１３ａ及びＰＴＣヒータ１２と熱交換されて加熱された熱媒体が被温調体１７に供給されることで、被温調体１７が加熱される。
【００２０】
ＰＴＣヒータ１２の温度が上昇し、閾値に達すると、抵抗値が急激に上昇する。そして、抵抗値が大きくなると、熱電変換素子１３及びＰＴＣヒータ１２に流れる電流は小さくなる。熱電変換素子１３及びＰＴＣヒータ１２に流れる電流が小さくなることで、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３の出力が低下する。そして、ＰＴＣヒータ１２の出力が低下すると、ＰＴＣヒータ１２の温度は徐々に低下していき、ＰＴＣヒータ１２の温度が低下していくと、抵抗値は小さくなっていく。抵抗値が小さくなると、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３に流れる電流が大きくなり、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３の出力は上昇する。結果的に、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３の出力は、一定になるように制御される。
【００２１】
上記した閾値は、ＰＴＣヒータ１２の温度特性によって定まる。したがって、被温調体１７の温度を適切な温度に加熱することができる閾値（温度特性）のＰＴＣヒータ１２を選定することで被温調体１７を適切な温度に加熱することが可能となる。例えば、被温調体１７を適切な温度に加熱したい場合に、ＰＴＣヒータ１２の温度が何度の場合に、被温調体１７の温度を適切な温度に加熱することができるかを考慮して閾値を定める。そして、その閾値（温度）を超えると抵抗値が急激に上昇するＰＴＣヒータ１２を選定すればよい。なお、被温調体１７の温度は、温度センサなどによって監視されており、被温調体１７の温度が適切な温度に達すると、制御装置２０は、ＰＴＣヒータ１２への電流の供給を停止する。
【００２２】
被温調体１７を冷却するときには、制御装置２０が、スイッチＳを第４の接続経路Ｒ４と電源１１とを接続するように、すなわち、第２の閉回路が形成されるように切り替える（図中実線で示す）。また、図示しない切替部材（例えば、スイッチなど）によって、熱電変換素子１３（第１電極３１及び第２電極３２）に供給される電流の極性（電流の向き）が、熱電変換素子１３の第１面１３ａが放熱を行う場合とは異なる極性に切り替えられる。これにより、熱電変換素子１３（第１電極３１及び第２電極３２）には、第１面１３ａが吸熱を行うように電流が供給される。
【００２３】
熱電変換素子１３（第１電極３１及び第２電極３２）に電流が供給されると、熱電変換素子１３の第１面１３ａは吸熱を行う。なお、ＰＴＣヒータ１２には電流が供給されず、ＰＴＣヒータ１２は停止している。送風機１６が供給する熱媒体は、熱電変換素子１３の第１面１３ａ及びＰＴＣヒータ１２と熱交換されて被温調体１７に供給される。このとき、ＰＴＣヒータ１２は、発熱していないため、熱媒体はＰＴＣヒータ１２によって加熱されない。そして、熱電変換素子１３の第１面１３ａと熱交換されて冷却された熱媒体が被温調体１７に供給されることで、被温調体１７が冷却される。
【００２４】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱電変換素子１３とＰＴＣヒータ１２は、流路１８において、熱媒体の流通方向の上流側から順に、熱電変換素子１３、ＰＴＣヒータ１２の順に配設されている。このため、被温調体１７を加熱するときに、ＰＴＣヒータ１２と熱交換されて加熱された熱媒体が熱電変換素子１３の第１面１３ａに供給されにくくなる。このため、熱電変換素子１３の第１面１３ａがＰＴＣヒータ１２と熱交換されて加熱された熱媒体によって過剰に過熱されることが防止され、熱電変換素子１３の第１面１３ａと第２面１３ｂの温度差が大きくなることが抑制されて、熱電変換素子１３の熱電変換効率が低下することを抑制することができる。
【００２５】
（２）熱電変換素子１３とＰＴＣヒータ１２を電気的に直列接続しているため、ＰＴＣヒータ１２の温度上昇に伴い、ＰＴＣヒータ１２の抵抗値が大きくなると、熱電変換素子１３に流れる電流が小さくなる。このため、ＰＴＣヒータ１２の温度が上昇すると、熱電変換素子１３に流れる電流を自動で小さくすることができ、ＰＴＣヒータ１２及び熱電変換素子１３の出力を低下させることができる。このため、熱電変換素子１３の出力を制御するための制御装置が不要になり、製造コストの低減が図られる。
【００２６】
（３）被温調体１７の冷却を行うときには、第４の接続経路Ｒ４と電源１１を接続することで、第２の閉回路を形成する。第２の閉回路が形成されると、熱電変換素子１３（第１電極３１及び第２電極３２）には電流が供給される一方で、ＰＴＣヒータ１２に電流が供給されない。このため、被温調体１７の冷却を行うときに、熱媒体が加熱されることがない。したがって、被温調体１７の冷却と加熱の両方を行うことができる。
【００２７】
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態において、液状の熱媒体を用いてもよい。この場合、送風機１６に換えてポンプが用いられる。
【００２８】
○  実施形態において、被温調体１７の加熱しか行わない場合には、第４の接続経路Ｒ４を設けなくてもよい。
○  実施形態において、流入口１８ａに熱媒体を供給することができれば、送風機１６の配設位置はどこであってもよい。例えば、流入口１８ａの位置を送風機１６の位置に合わせて変更してもよいし、流入口１８ａに更にダクトなどを接続して、このダクトに送風機１６から熱媒体が供給されるようにしてもよい。
【００２９】
○  実施形態において、流路１８を設けなくてもよい。この場合、送風機１６から被温調体１７に至るまでの空間を流れる熱媒体の流通方向の上流側から順に、熱電変換装置３０とＰＴＣヒータ１２が配設される。そして、熱電変換素子１３の第１面１３ａ及びＰＴＣヒータ１２は、この空間を流れる熱媒体と熱交換されるように設けられる。
【００３０】
○  実施形態において、第４の接続経路Ｒ４は、第２電極３２とＰＴＣヒータ１２の間、すなわち、第２の接続経路Ｒ２に接続されて、第２の接続経路Ｒ２の一部を兼用したが、これに限られない。例えば、第４の接続経路Ｒ４を熱電変換装置３０の第２電極３２に直接接続してもよい。この場合、第４の接続経路Ｒ４は、熱電変換装置３０とＰＴＣヒータ１２の間に設けられず、第２の接続経路Ｒ２の一部を兼用する必要がない。
【００３１】
○  実施形態において、ＰＴＣヒータ１２と熱電変換素子１３は並列接続されていてもよい。また、ＰＴＣヒータ１２と熱電変換素子１３のそれぞれに個別に接続される電源を用いて、ＰＴＣヒータ１２と熱電変換素子１３を個別に制御してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
Ｒ１…第１の接続経路、Ｒ２…第２の接続経路、Ｒ３…第３の接続経路、Ｒ４…第４の接続経路、Ｓ…スイッチ、１０…温度調節装置、１１…電源、１２…ＰＴＣヒータ、１３…熱電変換素子、１３ａ…第１面、１３ｂ…第２面、１６…送風機、１７…被温調体、１８…流路、３０…熱電変換装置、３１…第１電極、３２…第２電極。
【図１】
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