(57)【要約】  【課題】熱電変換デバイスを利用した冷却装置において、非常に低い冷却面の温度を実現する。  【解決手段】伝熱面１２ａと伝熱面１２ｂを持ち、直流電流を流すと伝熱面１２ａ，１２ｂのいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイス１２と、伝熱面１２ａと熱的に接続された伝熱板１３と、伝熱面１２ｂと熱的に接続された蓄冷器１４とからなり、一方の伝熱面１２ａを放熱面としてまた他方の伝熱面１２ｂを吸熱面として働かせることで蓄冷器１４を冷却した後、熱電変換デバイス１２に供給する直流電流の極性を反転させることで一方の伝熱面１２ａを吸熱面としてまた他方の伝熱面１２ｂを放熱面として働かせることにより、蓄冷器１４に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できる。【選択図】図１
2005180796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する二つの伝熱面を持ち、直流電流を流すと二つの前記伝熱面のいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイスと、一方の前記伝熱面と熱的に接続された伝熱板と、他方の前記伝熱面と熱的に接続された蓄冷器とからなる冷却装置。
【請求項２】
前記蓄冷器の温度を検出する温度検出手段を備えた請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記蓄冷器が基板と基板上に設けられた複数のフィンと内部に蓄冷材を封入した蓄冷容器とからなり、前記フィン間に前記蓄冷容器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記熱電変換デバイスと前記伝熱板及び前記蓄冷器を内包する枠体を設け、前記枠体から前記伝熱板の一部のみ露出したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記枠体の少なくとも蓄冷器側の一部に断熱材を用いたことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記断熱材の少なくとも一部に内部を減圧または真空にした高性能断熱材を用いたことを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
【請求項７】
相対向する二つの伝熱面を持ち、直流電流を流すと二つの前記伝熱面のいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイスと、一方の前記伝熱面と熱的に接続された伝熱板と、他方の前記伝熱面と熱的に接続された蓄冷器とからなる冷却装置の制御方法であって、
一方の前記伝熱面を放熱面としてまた他方の前記伝熱面を吸熱面として働かせることで前記蓄冷器を冷却した後、前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させることで一方の前記伝熱面を吸熱面としてまた他方の前記伝熱面を放熱面として働かせることを特徴とする冷却装置の制御方法。
【請求項８】
一方の前記伝熱面を放熱面としてまた他方の前記伝熱面を吸熱面として働かせた後、前記蓄冷器の温度が一定の温度まで降下したことを検知するまでは前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させないことを特徴とする請求項７記載の冷却装置の制御方法。
【請求項９】
前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させた後、前記蓄冷器の温度が一定の温度まで上昇したことを検知すれば前記熱電変換デバイスに供給する直流電流を停止することを特徴とする請求項７または８に記載の冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ効果や熱電子のトンネル効果などによって機能する熱電変換デバイスを利用した冷却装置とその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ペルチェ効果によって機能する熱電変換デバイスを利用した冷却装置が小型冷蔵庫や理化学機器などで使用されている。
【０００３】
従来の冷却装置としては、熱電変換デバイスと放熱器を組み合わせたもの（例えば、特許文献１参照）がある。
【０００４】
以下、図面を参照しながら上記従来の冷却装置とその制御方法について説明する。
【０００５】
図４は従来の冷却装置の断面図である。図４に示すように、従来の冷却装置は、吸熱面２ａと放熱面２ｂを持っ熱電モジュール２と、放熱面２ｂと基板３ａが接続され、基板３ａと基板３ａ上の複数のフィン３ｂを備えた放熱器３と、吸熱面２ａと接続された冷却ブロック４と、冷却ブロック４と接続された冷却板５と、熱電モジュール２と冷却ブロック４を内包し放熱器３と冷却板５を固定する枠体６とから構成されている。
【０００６】
また図４では、冷却板５を除いて２組のユニット１ａ，１ｂが構成され、冷却板５がユニット１ａとユニット１ｂとを連結する構成となっている。
【０００７】
以上のように構成された従来の冷却装置について、以下その動作と制御方法を説明する。
【０００８】
まず、熱電モジュール２に直流電流を流すことで、吸熱面２ａから放熱面２ｂへのヒートポンプ作用が起こり、吸熱面２ａが冷却され放熱面２ｂが加熱される。そして吸熱面２ａが冷却されることで、冷却ブロック４を通じて冷却板５が冷却され、冷却板５と接する被冷却体が冷却される。放熱面２ｂは放熱器３を通じてフィン３ｂの隙間を流れる気流へ熱を放出する。
【０００９】
また図５に示すように、この冷却装置は、通常、熱電モジュール２に流す直流電流をオンオフまたは可変することで、冷却板５もしくは冷却板５と接続される被冷却体の温度を所定の設定範囲内に制御する。
【特許文献１】特開平１０−１２５９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上記従来の構成は、気流と放熱面２ｂとの間に、また冷却板５と吸熱面２ａとの間にそれぞれ熱抵抗が存在するため、気流と冷却板５との温度差は熱電モジュール２の吸熱面２ａと放熱面２ｂの間の温度差に比べて随分と小さくなる。
【００１１】
例えば吸熱面２ａと放熱面２ｂの間の最大温度差が６５Ｋ程度の標準的な熱電モジュール２を使用した場合、気流の温度を３０℃とすると、冷却板５の温度は一２０℃程度が限界である。つまり冷却板５の温度を十分に低くできないという欠点があった。
【００１２】
本発明は従来の課題を解決するもので、極端に低い冷却面の温度を実現できる冷却装置とその制御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】
【００１３】
この目的を達成するために本発明の冷却装置は、熱電変換デバイスの一方の面に伝熱板を、他方の面に蓄冷器を、それぞれ熱的に接続したのである。
【００１４】
これにより、熱電変換デバイスによって生じる冷熱を蓄冷器に蓄え、蓄冷器に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できることとなる。
【００１５】
また、本発明の冷却装置の制御方法は、熱電変換デバイスの一方の面に伝熱板を、他方の面に蓄冷器を、それぞれ熱的に接続した冷却装置において、一方の前記伝熱面を放熱面としてまた他方の前記伝熱面を吸熱面として働かせることで前記蓄冷器を冷却した後、前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させることで一方の前記伝熱面を吸熱面としてまた他方の前記伝熱面を放熱面として働かせるのである。
【００１６】
これにより、熱電変換デバイスによって生じる冷熱を蓄冷器に蓄え、蓄冷器に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できることとなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱電変換デバイスによって生じる冷熱を蓄冷器に蓄え、蓄冷器に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の請求項１に記載の冷却装置の発明は、相対向する二つの伝熱面を持ち、直流電流を流すと二つの前記伝熱面のいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイスと、一方の前記伝熱面と熱的に接続された伝熱板と、他方の前記伝熱面と熱的に接続された蓄冷器とからなるものであり、熱電変換デバイスによって生じる冷熱を蓄冷器に蓄え、蓄冷器に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できる。
【００１９】
また、請求項２に記載の冷却装置の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、前記蓄冷器の温度を検出する温度検出手段を備えたものであり、蓄冷器の蓄冷状態を知ることができる。
【００２０】
また、請求項３に記載の冷却装置の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記蓄冷器が基板と基板上に設けられた複数のフィンと内部に蓄冷材を封入した蓄冷容器とからなり、前記フィン間に前記蓄冷容器を設けたものであり、蓄冷材とフィンとの接触を防ぎ、フィシの腐蝕を防止するとともに蓄冷材の交換を容易にすることができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の冷却装置の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記熱電変換デバイスと前記伝熱板及び前記蓄冷器を内包する枠体を設け、前記枠体から前記伝熱板の一部のみ露出したものであり、伝熱板以外での結露や熱侵入を防ぐことができる。
【００２２】
また、請求項５に記載の冷却装置の発明は、請求項４に記載の発明における前記枠体の少なくとも蓄冷器側の一部に断熱材を用いたものであり、枠体から蓄冷器への熱侵入を抑え、蓄冷する冷却量を高めることができる。
【００２３】
また、請求項６に記載の冷却装置の発明は、請求項５に記載の発明における前記断熱材の少なくとも一部に内部を減圧または真空にした高性能断熱材を用いたものであり、枠体から蓄冷器への熱侵入を極端に抑え、蓄冷する冷却量を極端に高めることができる。
【００２４】
また、請求項７に記載の冷却装置の制御方法の発明は、相対向する二つの伝熱面を持ち、直流電流を流すと二つの前記伝熱面のいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイスと、一方の前記伝熱面と熱的に接続された伝熱板と、他方の前記伝熱面と熱的に接続された蓄冷器とからなる冷却装置の制御方法であって、一方の前記伝熱面を放熱面としてまた他方の前記伝熱面を吸熱面として働かせることで前記蓄冷器を冷却した後、前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させることで一方の前記伝熱面を吸熱面としてまた他方の前記伝熱面を放熱面として働かせるものであり、熱電変換デバイスによって生じる冷熱を蓄冷器に蓄え、蓄冷器に蓄えた冷熱を利用して、極端に低い冷却面の温度を実現できる。
【００２５】
また、請求項８に記載の冷却装置の制御方法の発明は、請求項７に記載の発明において、一方の前記伝熱面を放熱面としてまた他方の前記伝熱面を吸熱面として働かせた後、前記蓄冷器の温度が一定の温度まで降下したことを検知するまでは前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させないものであり、冷熱が蓄冷器に十分に蓄えられた状態で伝熱板の冷却を開始することができ、伝熱板の冷却能力を最大限に高めることができる。
【００２６】
また、請求項９に記載の冷却装置の制御方法の発明は、請求項７または８に記載の発明において、前記熱電変換デバイスに供給する直流電流の極性を反転させた後、前記蓄冷器の温度が一定の温度まで上昇したことを検知すれば前記熱電変換デバイスに供給する直流電流を停止するものであり、伝熱板が温度上昇する前に運転を停止することができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図書を用いて説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による冷却装置の断面図である。図１に示すように、実施の形態１による冷却装置では、伝熱面１２ａと伝熱面１２ｂとを対向して持つ熱電変換デバイス１２と、伝熱面１２ａと接続された伝熱板１３と、伝熱面１２ｂと接続された蓄冷器１４と、熱電変換デバイス１２と伝熱板１３を内包する枠体１５ａと、蓄冷器１４を内包する枠体１５ｂとから構成される。
【００２９】
伝熱板１３は伝熱面１２ａと接する面１３ａと反対側の面１３ｂが枠体１５ａから露出し、露出した周囲で伝熱板１３と枠体１５ａの隙間にはオーリング２３が設けられている。
【００３０】
また蓄冷器１４は、伝熱面１２ｂと接する基板１６と、基板１６の伝熱面１２ｂと接する面１６ａと反対側の面１６ｂ上に設けられた複数のフィン１７と、フィン１７の相互間に設けられ、内部に蓄冷材１８を封入した蓄冷容器１９と、基板１６の内部に埋め込まれ、蓄冷器１４の代表温度を検出する温度検出手段２０とから構成され、基板１６の面１６ａと枠体１５ａが接する面にはオーリング２４が設けられている。
【００３１】
さらに枠体１５ｂの一部には、断熱材２１と、内部を真空にした高性能断熱材２２が設けられている。
【００３２】
以上のように構成された冷却装置について、図２を用いて、以下その動作と制御方法を説明する。
【００３３】
まず、熱電変換デバイス１２に直流電流を流すことで、伝熱面１２ｂから伝熱面１２ａへのヒートポンプ作用を生じ、伝熱面１２ｂが冷却され伝熱面１２ａが加熱される。そして伝熱面１２ｂが冷却されることで、基板１６やフィン１７を通じて蓄冷材１８が冷却される。
【００３４】
図２の例では、蓄冷器１４は蓄冷材１８の融点に相当する０℃付近まで急激に温度降下した後、０℃付近で凝固し、凝固完了後、再び温度降下する。蓄冷器１４の温度は温度検出手段２０によって検出される。
【００３５】
蓄冷器１４が冷却開始検知温度まで降下する間が蓄冷時間であり、この間は、伝熱面１２ａが加熱されるため、図２に示すように伝熱板１３の温度は上昇し、伝熱板１３を通じて熱を外部へ放出する。
【００３６】
次に蓄冷器１４の温度が冷却開始検知温度まで降下した段階で、熱電変換デバイス１２に供給される直流電流は正逆反転され、伝熱面１２ａが冷却され伝熱面１２ｂが加熱される。ここで伝熱面１２ｂは基板１６やフィン１７を通じて十分に蓄冷された蓄冷材１８によって冷却される。
【００３７】
そのため伝熱面１２ａは蓄冷器１４の温度よりもさらに冷却されることとなり、伝熱面１２ａと接続された伝熱板１３は、図２に示すように非常に低い温度を実現することができる。
【００３８】
例えば最大温度差が６５Ｋ程度の標準的な熱電変換デバイス１２を使用した場合、環境温度を３０℃とすると、一５０℃程度の伝熱板１３の温度をを実現することができる。
【００３９】
また蓄冷器１４は伝熱面１２ｂの発熱によってやがて融解し、蓄冷器１４の温度は蓄冷材１８の融点よりも上昇する。
【００４０】
そして蓄冷器１４の温度が冷却終了検知温度に達した段階で熱電変換デバイス１２への直流電流の供給は停止され、冷却時間は終了する。
【００４１】
以上のように本実施の形態の冷却装置は、伝熱面１２ａと伝熱面１２ｂを持ち、直流電流を流すと伝熱面１２ａまたは１２ｂのいずれか一方が吸熱面として働き他方が放熱面として働く熱電変換デバイス１２と、伝熱面１２ａと熱的に接続された伝熱板１３と、伝熱面１２ｂと熱的に接続された蓄冷器１４とからなり、熱電変換デバイス１２によって生じる冷熱を蓄冷器１４に蓄えることができる。
【００４２】
また伝熱面１２ａを放熱面としてまた伝熱面１２ｂを吸熱面として働かせることで蓄冷器１４を冷却した後、熱電変換デバイス１２に供給する直流電流の極性を反転させることで伝熱面１２ａを吸熱面としてまた伝熱面１２ｂを放熱面として働かせることにより、非常に低温の伝熱板１３を実現できる。
【００４３】
また蓄冷器１４の温度を検出する温度検出手段２０を備えることで、蓄冷器１４の蓄冷状態を知ることができる。
【００４４】
また蓄冷器１４の温度が一定の温度まで降下したことを検知して熱電変換デバイス１２に供給する直流電流の極性を反転させることにより、冷熱が蓄冷器１４に十分に蓄えられた状態で伝熱板１３の冷却を開始することができ、伝熱板１３の冷却能力を最大限に高めることができる。
【００４５】
また蓄冷器１４の温度が一定の温度まで上昇したことを検知して熱電変換デバイス１２に供給する直流電流を停止することにより、伝熱板１３が温度上昇する前に運転を停止することができる。
【００４６】
また蓄冷器１４が基板１６と基板１６上に設けられた複数のフィン１７と内部に蓄冷材１８を封入した蓄冷容器１９とからなり、フィン１７間に蓄冷容器１９を設けることにより、蓄冷材１８とフィン１７との接触を防ぎ、フィン１７の腐蝕を防止するとともに蓄冷材１８の交換を容易にすることができる。
【００４７】
また熱電変換デバイス１２と伝熱板１３及び蓄冷器１４を内包する枠体１５ａ，１５ｂを設け、熱電変換デバイス１２と伝熱板１３を内包する枠体１５ａから伝熱板１３の一部のみ露出することで、伝熱板１３以外での結露や熱侵入を防ぐことができる。
【００４８】
また少なくとも蓄冷器１４側の枠体１５ｂの一部に断熱材２１を用いることで、枠体１５ｂから蓄冷器１４への熱侵入を抑え、蓄冷する冷却量を高めることができる。
【００４９】
また断熱材２１の少なくとも一部に内部を減圧または真空にした高性能断熱材２２を用いることで、枠体１５から蓄冷器１４への熱侵入を極端に抑え、蓄冷する冷却量を極端に高めることができる。
【００５０】
なお本実施の形態１の蓄冷器１４は、フィン１７間に蓄冷材１８を封入した蓄冷容器１９を設けた構造としたが、図３に示すように、フィン１７を蓄冷材１８に直接挿入する構造としても良い。この場合には、フィン１７と蓄冷材１８との熱交換効率を高め、蓄冷時間を短くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の冷却装置は、非常に低い冷却面温度を実現することができるので、熱電変換デバイスを利用した冷却装置において、非常に低い冷却温度が必要な用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による冷却装置の実施の形態１の断面図
【図２】同実施の形態の制御方法を示す概略図
【図３】本発明による冷却装置の他の実施の形態を示す断面図
【図４】従来の冷却装置の断面図
【図５】従来の冷却装置の制御方法を示す概略図
【符号の説明】
【００５３】
１２  熱電変換デバイス
１２ａ，１２ｂ  伝熱面
１３  伝熱板
１４  蓄冷器
１５ａ，１５ｂ  枠体
１６  基板
１７  フィン
１８  蓄冷材
１９  蓄冷容器
２０  温度検出手段
２１  断熱材
２２  高性能断熱材
【図１】
2005180796.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005180796.tif 000006
【図５】
2005180796.tif 000007