(57)【要約】【課題】温度制御時における消費電力の低減と温度制御性の向上を図る。【解決手段】ペルチェモジュールの一対の電源端子間に直流電源を接離してそのモジュールに対して通電又は電源開放を行い、そのモジュールの冷熱動作面と伝熱可能に設けられた制御対象の温度を制御するペルチェモジュール温度制御方法において、温度制御期間中にペルチェモジュールの一対の電源端子間を短絡する期間Ｔ５を適時付加する。曲線ロに示すように、温度制御期間中の通電期間Ｔ２、Ｔ４を短縮し、かつ、目標値ＳＶからのずれを少なくした。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェモジュールの一対の電源端子間に直流電源を接離して該モジュールに対して通電又は電源開放を行い、該モジュールの所定の冷熱動作面と伝熱可能に設けられた制御対象の温度を制御する方法において、
温度制御期間中に前記一対の電源端子間を短絡する期間を適時付加することを特徴とするペルチェモジュール温度制御方法。
【請求項２】
ペルチェモジュールの一対の電源端子間に直流電源を接離する電源回路を制御回路によって制御することにより、前記ペルチェモジュールに対して通電又は電源開放を行い、該モジュールの所定の冷熱動作面と伝熱可能に設けられた制御対象の温度を制御する装置において、
前記電源回路は前記一対の電源端子間の短絡も可能に構成され、この電源回路を制御して前記一対の電源端子間を適時短絡するように前記制御回路が構成されることを特徴とするペルチェモジュール温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の制御対象の温度をぺルチェモジュールを用いて制御するペルチェモジュール温度制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ペルチェモジュールは、Ｐ型及びＮ型のペルチェ素子を電気的には直列に、熱的には並列に接続してなる熱電冷却ユニットである。このペルチェモジュールは、小型、軽量で温度応答性もよく、また、通電方向を変えることにより上、下電極における加熱、冷却動作が切換え可能であることから、近年、温度制御を行う分野で応用されてきている。
【０００３】
このようなぺルチェモジュールを用いた従来の温度制御方法を以下に述べる。図７は従来方法が適用された装置を、温度制御開始前の状態にて示す。
この図において、ペルチェモジュール１は、Ｐ型及びＮ型のペルチェ素子（半導体）１１，１２、上部電極１３及び下部電極１４を備えてなり、その一対の電源端子１５，１６間に後述する直流電源が接続され通電されることにより、通電方向に応じて上部電極１３が加熱又は冷却され、下部電極１４が冷却又は加熱される。
温度制御対象は、上部電極１３の表面に載置固定された、それ自体発熱する発熱筐体２である。
【０００４】
電源回路３は、直流電源４及びスイッチ回路５からなり、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間に対して、直流電源４を、所定の極性若しくはこれとは逆の極性にて接続、又は開放可能に構成されている。スイッチ５１及び連動スイッチ５２は上記スイッチ回路５を構成するものである。
制御回路６は、制御開始スイッチ６１がＯＮ操作されることにより、発熱筐体２に取り付けられた温度センサ６２の計測値（温度実測値）ＰＶに基づき電源回路３（スイッチ回路５）を次のように制御する。
なお発熱筐体２は、制御開始時には設定温度（目標値）ＳＶ、上限値ＳＶ＋、下限値ＳＶ−のいずれにも達していないものとする。またペルチェモジュール１は、矢印Ｉ方向に通電されたときに上部電極１３が加熱動作（下部電極１４が冷却動作）し、これとは逆の矢印Ｉ′方向に通電されたときには上部電極１３が冷却動作（下部電極１４が加熱動作）するものとする。
【０００５】
すなわち制御回路６は、温度実測値ＰＶが下限値ＳＶ−未満のときには、連動スイッチ５２のａ接点を閉じる（ｂ接点を開く）と共にスイッチ５１を閉じ、ペルチェモジュール１に対して矢印Ｉ方向に通電して上部電極１３を加熱動作（通電加熱）させる。また、温度実測値ＰＶが上限値ＳＶ＋ないし下限値ＳＶ−の範囲内にあるときには、スイッチ５１を開き、直流電源４をペルチェモジュール１の電源端子１５，１６間から開放、つまり加熱も冷却もしない放置状態とする。更に、温度実測値ＰＶが上限値ＳＶ＋を超えたときには、連動スイッチ５２のｂ接点を閉じる（ａ接点を開く）と共にスイッチ５１を閉じ、ペルチェモジュール１に対して矢印Ｉ′方向に通電して上部電極１３を冷却動作（通電冷却）させる。
この結果、発熱筐体２は、図８中の曲線イに示すような温度プロファイルを示した。図８中、Ｔ１は制御前の期間、Ｔ２は通電加熱期間、Ｔ３は放置期間、Ｔ４は通電冷却期間である。
なお、出願時において、該当する先行技術文献は見当たらない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、放置状態（放置期間Ｔ３）を除けば、常に電流（電気エネルギ）を必要とする通電加熱・通電冷却を行うものであり、このような通電によるぺルチェ効果を利用するだけの加熱・冷却による制御方法では、温度制御時における消費電力が大きいという問題点があった。
また従来技術では、ぺルチェモジュールという同一物体について、相反した加熱、冷却動作を通電方向を変えることにより反転させているため、放置状態を間においたとしても反転時における熱移動に損失が多く発生する。このため、温度制御性（制御精度）が低下し、従来からあるＰＩＤ制御を用いても温度制御性が改善されないという問題点もあった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、温度制御時における消費電力の低減と温度制御性の向上を図ったペルチェモジュール温度制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ペルチェモジュールの一対の電源端子間に直流電源を接離して該モジュールに対して通電又は電源開放を行い、該モジュールの所定の冷熱動作面と伝熱可能に設けられた制御対象の温度を制御する方法において、温度制御期間中に前記一対の電源端子間を短絡する期間を適時付加することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、ペルチェモジュールの一対の電源端子間に直流電源を接離する電源回路を制御回路によって制御することにより、前記ペルチェモジュールに対して通電又は電源開放を行い、該モジュールの所定の冷熱動作面と伝熱可能に設けられた制御対象の温度を制御する装置において、前記電源回路は前記一対の電源端子間の短絡も可能に構成され、この電源回路を制御して前記一対の電源端子間を適時短絡するように前記制御回路が構成されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の型態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、本明細書で参照される各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明によるペルチェモジュール温度制御方法が適用された装置（本発明装置）の一例を示す全体構成図で、温度制御開始前の状態を示す。
この図において、ペルチェモジュール１は、Ｐ型及びＮ型のペルチェ素子（半導体）１１，１２を電気的には直列に、熱的には並列に接続してなる。ペルチェモジュール１の上部電極１３はペルチェ素子１１，１２に共通接続され、下部電極１４はペルチェ素子１１，１２に各別に接続されている。各電極１３，１４は導電性の板状体、例えば銅板からなり、その表面は冷熱動作面をなす。
すなわち、ペルチェモジュール１は、その一対の電源端子１５，１６間に後述する直流電源が接続され通電されることにより、通電方向に応じて上部電極１３が加熱又は冷却され、下部電極１４が冷却又は加熱される。
温度制御対象は、ここでは上部電極１３の表面側に、上部電極１３と伝熱可能に配設、具体的には上部電極１３の表面に載置固定された、それ自体発熱する発熱筐体２である。
【００１１】
電源回路３は、直流電源４及びスイッチ回路５からなり、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間に対して、直流電源４を、所定の極性若しくはこれとは逆の極性にて接続、又は開放可能で、かつ上記一対の電源端子１５，１６間を短絡可能に構成されている。連動スイッチ５２，５４及びスイッチ５３は上記スイッチ回路５を構成するものである。
制御回路６は、制御開始スイッチ６１がＯＮ操作されることにより、温度制御対象である発熱筐体２の所望箇所に取り付けられた温度センサ６２の計測値（温度実測値）ＰＶと内部に格納されたプログラム等に基づき電源回路３（スイッチ回路５）を次のように制御する。
なお発熱筐体２は、制御開始時には設定温度（目標値）ＳＶ、この設定温度ＳＶより幾分高い所定の温度（上限値）ＳＶ＋、同じく幾分低い所定の温度（下限値）ＳＶ−のいずれにも達していないものとする。またペルチェモジュール１は、ここでは電源端子１５に直流電源４の正極が、同端子１６に同電源４の負極が接続されたときに、つまり、矢印Ｉ方向に通電されたときに、上部電極１３が加熱動作（下部電極１４が冷却動作）し、これとは逆に接続（通電）されたときには上部電極１３が冷却動作（下部電極１４が加熱動作）するものとする。
【００１２】
すなわち制御回路６は、温度実測値ＰＶが下限値ＳＶ−未満のときは、連動スイッチ５２，５４のａ接点を閉じ（ｂ接点を開き）、スイッチ５３は開いたままとし、ペルチェモジュール１に対して矢印Ｉ方向に通電して上部電極１３を加熱動作（通電加熱）させる。また制御回路６は、温度実測値ＰＶが目標値ＳＶないし下限値ＳＶ−の範囲内にあるときには、連動スイッチ５４のａ接点を開き（ｂ接点を閉じ）、直流電源４をペルチェモジュール１の電源端子１５，１６間から開放、つまり加熱も冷却もしない放置状態とする。更に制御回路６は、温度実測値ＰＶが上限値ＳＶ＋ないし目標値ＳＶの範囲内にあるときには、連動スイッチ５４のｂ接点を閉じる（ａ接点を開く）と共にスイッチ５３を閉じ、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間を短絡させた自己冷却状態とする。更にまた制御回路６は、温度実測値ＰＶが上限値ＳＶ＋を超えたときには、連動スイッチ５２のｂ接点を閉じる（ａ接点を開く）と共に連動スイッチ５４のａ接点を閉じ（ｂ接点を開き）、ペルチェモジュール１に対して矢印Ｉ′方向に通電して上部電極１３を冷却動作（通電冷却）させる。
この結果、温度制御対象である発熱筐体２は、図２中の曲線ロに示すような温度プロファイルを示した。図２中、Ｔ１は制御前の期間、Ｔ２は通電加熱期間、Ｔ３は放置期間、Ｔ４は通電冷却期間、Ｔ５は自己冷却期間である。
【００１３】
本発明による曲線ロは、従来技術による曲線イと比較してみると、目標値ＳＶからのずれ、上限値ＳＶ＋ないし下限値ＳＶ−の範囲内から外れる期間共に、曲線イよりも少なく、温度制御性（制御精度）が向上したことが分かる。
また本発明によると、通電期間（通電加熱期間Ｔ２、通電冷却期間Ｔ４）が短縮し、通電しない期間（放置期間Ｔ３、自己冷却期間Ｔ５）が延びた。したがって、温度制御における消費電力を大幅に削減、例えば従来技術におけると同様の条件での温度制御と比べて最大８０％削減できた。
したがって、本発明方法及び装置を自動車用燃料電池における水素吸蔵、放出時に必要な加熱・冷却器や、触媒コンバータの加熱・冷却器の温度制御に適用して大なる効果がある。
【００１４】
ここで、上記自己冷却（下部電極１４については自己加熱）について、図３及び図４を参照して説明する。
ペルチェモジュール１（ぺルチェ素子１１，１２）は、両端間に温度差がある時、つまり起電力発生時（図３中、期間Ｔ１１参照）、その両端間を図４（ａ）中のスイッチＳＷ１を図４（ｂ）に示すように閉じて短絡すると、自身の起電力ｅによる電流Ｉｒが内部に流れ、高温側の熱を電子と正孔が吸熱して低温側へ運搬し放熱する。その結果、高温側の温度が下がって低温側の温度が上がり、ペルチェモジュール１（ぺルチェ素子１１，１２）両端間の温度差が減少する（図３中、期間Ｔ１２における回路電流Ｉｒ、発生電圧ｅ及び温度の各波形参照）。この現象をゼーベック効果と呼ぶが、本発明は、これを通電によらない冷却、つまり自己冷却として温度制御対象（上部電極１３）の冷却に利用したものである。
図１に示す例では、この自己冷却を、図２に示すように、温度実測値ＰＶが上限値ＳＶ＋ないし目標値ＳＶの範囲内にあるときに、図１に示す連動スイッチ５４のｂ接点を閉じる（ａ接点を開く）と共にスイッチ５３を閉じ、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間を短絡させることにより行っている。
【００１５】
図５は、本発明によるペルチェモジュール温度制御方法が適用された装置（本発明装置）の他の例を示す全体構成図で、温度制御開始前の状態を示す。
この例では、通電冷却を行うことなく、温度制御時の消費電力の低減と温度制御性の向上を図ったものであり、次のように構成されている。
【００１６】
すなわち電源回路３は、直流電源４及びスイッチ回路５からなり、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間に対して、直流電源４を、所定の極性、ここでは正極が電源端子１５に、負極が同端子１６に接続、又は開放可能で、かつ上記一対の電源端子１５，１６間を短絡可能に構成されている。スイッチ５５及び連動スイッチ５６は上記スイッチ回路５を構成するものである。
制御回路６は、制御開始スイッチ６１がＯＮ操作されることにより、発熱筐体２に取り付けられた温度センサ６２の計測値（温度実測値）ＰＶ等に基づきスイッチ回路５を次のように制御する。
なお発熱筐体２の制御開始時における温度や、ペルチェモジュール１への直流電源４の接続極性（通電方向）に対する上部電極１３（下部電極１４）の冷熱動作は図１の例と同様である。
【００１７】
すなわち制御回路６は、温度実測値ＰＶが下限値ＳＶ−未満のときには、連動スイッチ５６のａ接点を閉じる（ｂ接点を開く）と共にスイッチ５５を閉じ、ペルチェモジュール１に対して矢印Ｉ方向に通電して上部電極１３を加熱動作（通電加熱）させる。また、温度実測値ＰＶが目標値ＳＶないし下限値ＳＶ−の範囲内にあるときには、スイッチ５５を開き、直流電源４をペルチェモジュール１の電源端子１５，１６間から開放、つまり加熱も冷却もしない放置状態とする。更に、温度実測値ＰＶが目標値ＳＶを超えたときには、連動スイッチ５６のｂ接点を閉じる（ａ接点を開く）と共にスイッチ５５を閉じ、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間を短絡させた自己冷却状態とする。
この結果、発熱筐体２は、図６中の曲線ハ示すような温度プロファイルを示した。図６中、Ｔ１は制御前の期間、Ｔ２は通電加熱期間、Ｔ３は放置期間、Ｔ５は自己冷却期間である。なおこの例では、上限値ＳＶ＋（図２，図８参照）は制御条件とされていなため、図示を省略した。
【００１８】
この例による曲線ハは、従来技術による曲線イと比較してみると、目標値ＳＶからのずれが曲線イよりも少なく、温度制御性（制御精度）が向上したことが分かる。
またこの例によると、通電期間（通電加熱期間Ｔ２のみ）が大幅に短縮し、通電しない期間（放置期間Ｔ３、自己冷却期間Ｔ５）が大幅に延びた。したがって、温度制御における消費電力を大幅に削減、例えば従来技術におけると同様の条件での温度制御と比べて最大９５％削減できた。
【００１９】
なお上述実施形態では、温度制御対象を低温状態から高温状態へ制御する場合について述べたが、本発明は高温状態から低温状態へ制御する温度制御対象にも適用できることはいうまでもない。この場合は、温度制御対象を下部電極１４と伝熱可能に設けるか、通電時における通電方向を上述実施形態とは逆方向にすればよい。温度制御対象も発熱筐体２のみに限らない。
また、図１及び図５間で直流電源４の内部構成が異なるが、ペルチェモジュール１の一対の電源端子１５，１６間に対して、直流電源４が各例で述べたような極性、手順で、接続、開放され、あるいは一対の電源端子１５，１６間を短絡可能に、電源回路３が構成されていれば、いずれの構成であっても、あるいはそれ以外の構成であってもよい。本発明を車載用とする場合には、直流電源４は１個のバッテリで構成され、それに極性反転スイッチ回路を付加して必要な極性が得られるように構成されることが好ましい。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、温度制御時における消費電力を低減し、かつ温度制御性を向上したペルチェモジュール温度制御方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法が適用された装置の一例を示す全体構成図である。
【図２】図１に示す装置による温度制御対象の温度プロファイルを示す図である。
【図３】同上装置における自己冷却動作を説明するグラフである。
【図４】同じく自己冷却動作の説明図である。
【図５】本発明方法が適用された装置の他の例を示す全体構成図である。
【図６】図５に示す装置による温度制御対象の温度プロファイルを示す図である。
【図７】従来装置の全体構成図である。
【図８】従来装置による温度制御対象の温度プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１  ペルチェモジュール
２  発熱筐体（温度制御対象）
３  電源回路
６  制御回路
１５，１６  ペルチェモジュールの一対の電源端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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