(57)【要約】【課題】運用中における冷却効率を高め、エネルギー消費を低減する。【解決手段】冷却対象１１の発熱面に複数のペルチェ１３ｉを並べて配置し、各ペルチェの動作電流を制御して吸熱量を調整する。制御装置１５では、冷却に用いる周囲空気温度、冷却対象の発熱量の情報を取得し、ペルチェの最大効率曲線が示される温度差別のペルチェ特性曲線を保持し、入力されるペルチェ吸熱側温度、及び取得される情報に基づいて条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、ペルチェの最大効率曲線に沿うように、動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う。この構成により、ペルチェの最大効率曲線が示される条件別ペルチェ特性曲線を用意し、冷却対象の発熱量、冷却に用いる周囲空気温度に応じて、条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、ペルチェの最大効率曲線に沿った動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う。【選択図】      図１
2014052127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象の発熱面に複数のペルチェを並べて配置し、各ペルチェの動作電流を制御して吸熱量を調整するペルチェ冷却装置において、
冷却に用いる周囲空気温度、前記冷却対象の発熱量の情報を取得する情報取得手段と、
前記ペルチェの最大効率曲線が示される温度差別のペルチェ特性曲線を保持する保持手段と、
外部から入力される前記ペルチェの吸熱側温度、及び前記取得手段で取得される情報に基づいて条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、前記ペルチェの最大効率曲線に沿うように、動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う制御手段と
を具備するペルチェ冷却装置。
【請求項２】
前記ペルチェ特性曲線は、前記動作電流に対する吸熱量の温度差別特性曲線と、動作電流に対する冷却効率（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）の温度差別特性曲線を備える請求項１記載のペルチェ冷却装置。
【請求項３】
冷却対象の発熱面に複数のペルチェを並べて配置し、各ペルチェの動作電流を制御して吸熱量を調整するペルチェ冷却方法において、
冷却に用いる周囲空気温度、前記冷却対象の発熱量の情報を取得し、
前記ペルチェの最大効率曲線が示される温度差別のペルチェ特性曲線を保持し、
外部から入力される前記ペルチェの吸熱側温度、及び前記取得される情報に基づいて条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、前記ペルチェの最大効率曲線に沿うように、動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行うペルチェ冷却方法。
【請求項４】
前記ペルチェ特性曲線は、前記動作電流に対する吸熱量の温度差別特性曲線と、動作電流に対する冷却効率（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）の温度差別特性曲線を備える請求項３記載のペルチェ冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率なペルチェ冷却を実現するためのペルチェ冷却装置とその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の冷却には、ペルチェがよく利用される。但し、ペルチェは一般に冷却効率（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）が低いことが課題である。これは、ペルチェ冷却装置が、通常、最も厳しい条件で成立するよう設計されるため、それ以外の条件においては、最高の効率で駆動する動作点から外れるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３０３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上述べたように、従来のペルチェ冷却装置では、最も厳しい条件に合わせて設計しているため、通常運用時に冷却効率の高い駆動がなされていなかった。
【０００５】
本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、運用中における冷却効率を高め、エネルギー消費を低減することのできるペルチェ冷却装置及びその冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係るペルチェ冷却装置は、冷却対象の発熱面に複数のペルチェを並べて配置し、各ペルチェの動作電流を制御して吸熱量を調整する装置であって、冷却に用いる周囲空気温度、前記冷却対象の発熱量の情報を取得する情報取得手段と、前記ペルチェの最大効率曲線が示される温度差別のペルチェ特性曲線を保持する保持手段と、外部から入力される前記ペルチェの吸熱側温度、及び前記取得手段で取得される情報に基づいて条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、前記ペルチェの最大効率曲線に沿うように、動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う制御手段とを具備する態様とする。
【０００７】
この態様によれば、ペルチェの最大効率曲線が示される条件別ペルチェ特性曲線を用意し、冷却対象の発熱量、冷却に用いる周囲空気温度に応じて、条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、前記ペルチェの最大効率曲線に沿った動作電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るペルチェ冷却装置の構成とその処理内容を示す図。
【図２】図１に示すペルチェ冷却装置の処理の流れを示すフローチャート。
【図３】上記実施形態の具体的な事例を示す図。
【図４】図３に示す事例において、上記実施形態の方法を従来方法と比較して説明するための図。
【図５】実施例１として、実施形態のペルチェ冷却装置と比較するための従来方法による処理内容を示す図。
【図６】実施例１として、実施形態のペルチェ冷却装置の処理内容を示す図。
【図７】実施例２として、実施形態のペルチェ冷却装置と比較するための従来方法による処理内容を示す図。
【図８】実施例２として、実施形態のペルチェ冷却装置の処理内容を示す図。
【図９】実施例３として、実施形態のペルチェ冷却装置の動作曲線のテーブル化を示す図。
【図１０】実施例４として、実施形態のペルチェ冷却装置の吸熱量の調整方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本実施形態に係るペルチェ冷却装置を説明する。
【００１０】
（実施形態）
図１（ａ）は実施形態に係るペルチェ冷却装置の構成を示すブロック図、同図（ｂ）は上記ペルチェ冷却装置に用いられるペルチェの例として、一枚２０Ｗ吸熱とし、２０枚（吸熱量合計２０×２０＝４００Ｗ、ΔＴ３０℃）を一様配置とした場合を示している。同図（ｃ）は動作電流Ｉに対する吸熱量Ｑｃの温度差別特性曲線の一例、同図（ｄ）は動作電流Ｉに対するＣＯＰの温度差別特性曲線の一例であり、それぞれ図中点線は最大効率の曲線を示している。
【００１１】
図１（ａ）に示すペルチェ冷却装置は、冷却対象の電子機器１１と内部に冷却風を流すヒートシンク１２との間に、ｉ（ｉは２以上の自然数、図１ではｉ＝２０）枚のペルチェ１３ｉを並べて配置し、制御装置１５によって選択的に指示されたペルチェ１３ｉに電源１４から動作電流を供給するようになされている。また、ヒートシンク１２の冷却風入口には、測温抵抗体などの温度計による温度計測器１８が設けられ、この温度計測器１８で得られた周囲空気温度Ｔａｉｒは制御装置１５に通知される。制御装置１５は、冷却対象の電子機器１１に対して所望される冷却温度として外部から入力されるペルチェ吸熱側温度Ｔｃ、温度計測器１８によって計測された周囲空気温度Ｔａｉｒ、及び電子機器１１の発熱量Ｑｔに基づいて駆動すべきペルチェ１３ｉを選択し、最大効率が得られる動作電流を計算し、その動作電流が選択されたペルチェ１３ｉに供給されるように制御する。具体的には、予め条件別に既知のペルチェ特性曲線を用意し、冷却対象である電子機器１１の発熱量Ｑｔ、冷却に用いる周囲空気温度Ｔａｉｒに応じて、条件に合致したペルチェ特性曲線を参照して、最大効率となるペルチェの駆動電流を設定し、使用するペルチェの数を変化させて、冷却対象の温度制御を行う。
【００１２】
図２は、上記制御装置１５で処理される制御内容を示すフローチャートである。図２において、まず初期設定として、冷却対象の電子機器１１に対して所望される冷却温度であるペルチェ吸熱側温度Ｔｃを設定する（ステップＳ１）。続いて、ペルチェ１３ｉの表裏面の温度差ΔＴを決定する（ステップＳ２）。尚、初期（１回目）の温度差ΔＴは仮の温度差として予め設定しておく。続いて、ＣＯＰ（ペルチェの動作効率＝吸熱量／消費電力）が最大となる動作電流を、ペルチェ特性曲線から決定する（ステップＳ３）。尚、初期（１回目）のペルチェ１３ｉの高温側の温度によって決まる特性曲線は予め設定しておく。
【００１３】
次に、ステップＳ２で決定された温度差ΔＴとステップＳ３で決定された動作電流から、ペルチェ特性曲線に基づいてペルチェ１枚あたりの吸熱量（Ｑｃ）を決定する（ステップＳ４）。一方、電子機器１１から発熱量Ｑｔを取得し（ステップＳ５）、ステップＳ３，Ｓ４で得られた動作電流及びペルチェ１枚当りの吸熱量Ｑｃと電子機器１１の発熱量Ｑｔとの関係から、ペルチェ枚数と給電するペルチェのレイアウトを決定する（ステップＳ６）。ここで、ヒートシンク１２に備えた温度計測器１８の計測結果から冷却風入口の周囲空気温度Ｔａｉｒを取得し（ステップＳ７）、吸熱量Ｑｃと発熱量Ｑｔ、周囲空気温度Ｔａｉｒ、及びヒートシンク性能からペルチェ放熱側温度Ｔｈを算出する（ステップＳ８）。続いて、ステップＳ２で決定されたペルチェ１３ｉの上下面温度差ΔＴとステップＳ８で算出されたペルチェ高温側温度Ｔｈとの関係から、冷却可能温度Ｔｃ′を決定する（ステップＳ９）。続いて、所望の冷却温度Ｔｃに対する冷却可能温度Ｔｃ′の温度差を計算し（ステップＳ１０）、冷却可能温度Ｔｃ′が所望される冷却温度であるペルチェ吸熱側温度Ｔｃに達していない場合（温度差が正の場合）には、ΔＴを減算し（ステップＳ１１）、冷却可能温度Ｔｃ′が所望される冷却温度であるペルチェ吸熱側温度Ｔｃより高い場合（温度差が負の場合）にはΔＴを増加する（ステップＳ１２）。
【００１４】
このようにして、ステップＳ２の温度差ΔＴを新たに設定し、以降、再計算を行う。続くステップＳ３で用いる特性曲線は、ステップＳ８で求めた放熱側温度Ｔｈに対応する曲線を用いる。所望の冷却温度と算出された冷却可能温度との差が所定の範囲内に収まるまで、ステップＳ２〜Ｓ１０のループ処理を繰り返し行う。さらに、冷却対象である電子機器１１の発熱量や周囲空気温度の変化に対応するため、所定の周期でループ処理を繰り返し実行することで、最適な値でペルチェ１３ｉを駆動することが可能となる。
【００１５】
以下、具体例をあげて説明する。
【００１６】
今、図３（ａ）に示す温度差と吸熱量との関係において、（１）の２５℃、３００Ｗを基準とし、同図（ｂ）に示すように最大枚数２７枚（ｉ＝２７）のペルチェ１３ｉを設置した状態において、図３（ａ）中（２）〜（５）に示すような位置に遷移させる場合を考える。この場合の事例について、図４（ａ）にＣＯＰが最大になるように、ペルチェ枚数を変化させる場合の例を示し、図４（ｂ）にペルチェ枚数を固定した場合の従来方法による場合の例を示す。両者を比較して明らかなように、消費電力が低減されており、ペルチェ枚数の調整を含む高効率な計測が実現されていることがわかる。
【００１７】
（実施例１）
図１（ａ）〜（ｄ）に示した設定（吸熱量４００Ｗ、ΔＴ＝３０℃を最大能力とする）を基準としたとき、吸熱量が２００Ｗ（ΔＴ＝３０℃）となった場合、従来の手法としては、全ペルチェをオン状態のままとし、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、一枚１０Ｗの吸熱となるように動作電流を減らすことになる。この場合、図５（ｃ），（ｄ）に示すように動作点はΔＴ＝３０℃の特性曲線上を動くため、最大効率の曲線から外れてしまい、その分、消費電力が増大してしまうことになる。
【００１８】
これに対し、吸熱量が２００Ｗ（ΔＴ＝３０℃）となった場合、本実施形態に係る実施例１としては、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、ペルチェに対する動作電流は変えず、使用するペルチェ枚数を１／２にする。このようにすれば、個々のペルチェが最大能力で使用できるため、動作電流で調整する場合より全体の消費電力を低減させることができる。尚、オフさせるペルチェは極力一様になるように散らせる。あるいは、発熱の少ない部分を優先的にオフさせるようにしてもよい。
【００１９】
（実施例２）
実施例２は、実施例１の状態（吸熱量が２００Ｗ，ΔＴ＝３０℃）から、さらにΔＴ＝２０℃となった場合の制御処理例である。従来の手法としては、全ペルチェをオン状態のままとし、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、一枚１０Ｗの吸熱となるように動作電流を減らすことになる。この場合、図７（ｃ），（ｄ）に示すように、動作点はΔＴ＝３０℃の特性曲線からΔＴ＝２０℃の特性曲線に移動するため、最大効率の曲線から外れてしまい、その分、消費電力が増大してしまうことになる。
【００２０】
これに対し、ΔＴ＝２０℃となった場合、実施例２における本実施形態に構成では、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、最大効率の曲線に沿うように動作電流を調整すると共に、オンするペルチェ枚数を調整する。ここでは一枚１８Ｗの吸熱となるように動作電流を設定し、１１枚オンすることでほぼ２００Ｗの吸熱を満足させている。このようにすれば、やはり個々のペルチェが最大能力で使用できるため、その分、消費電力を低減することができる。
【００２１】
（実施例３）
ところで、ペルチェは放熱面の温度に応じて動作曲線が異なる。そこで、図９（ａ），（ｂ）に示すように、動作電流Ｉに対する吸熱量Ｑｃの温度差別特性曲線、動作電流Ｉに対するＣＯＰの温度差別特性曲線を放熱面温度別に、想定される使用環境に応じたテーブルを予め作成しておき、放熱面の温度検出時に参照する最適な動作曲線を即時に選択できるようにしておくとよい。
【００２２】
（実施例４）
また、ペルチェの吸熱量の調整方法としては、前述のように、１枚のペルチェを最大能力が発揮される動作電流で動作させ、その使用枚数を調整することで消費電力を高められる。この手法をさらに発展させ、実施例４では、図１０に示すように、個々のペルチェを多数のペルチェ素子を配列してモジュール化し、各素子を個別にオンオフ制御できるようにしておく。例えば、吸熱量が半分になった場合、今までは半分のペルチェを選択して調整することができなかったが、本実施例の構成によれば、ペルチェ素子単位で調整することが可能であり、ここでは全体の半分だけモジュールをオンすることで、必要な吸熱量を確保することができる。この場合、個々のペルチェ素子は最大能力で使用されるため、その分、消費電力を低減することができる。また、部分的に吸熱されない箇所ができないように、均一化された温度調整が可能となる。
【００２３】
尚、本実施例において、ペルチェの分割は、モジュール単位でも良いが、モジュール内部のＰＮペアの単位で分割するようにしてもよい。
【００２４】
また、上記実施形態はそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせでもよい。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１１…電子機器、１２…ヒートシンク、１３ｉ…ペルチェ、１４…電源、１５…制御装置、１８…温度計測器。
【図１】
2014052127.tif 000003
【図２】
2014052127.tif 000004
【図３】
2014052127.tif 000005
【図４】
2014052127.tif 000006
【図５】
2014052127.tif 000007
【図６】
2014052127.tif 000008
【図７】
2014052127.tif 000009
【図８】
2014052127.tif 000010
【図９】
2014052127.tif 000011
【図１０】
2014052127.tif 000012