JP2002341948A - 温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ペルチェ素子の加熱作用と冷却作用の２つの
作用を使って温度制御するときの問題点である加熱と冷
却が交互に繰り返されることによるペルチェ素子の信頼
性と耐久性の劣化を防ぎながら高精度に温度制御する方
法を提供する。 【解決手段】 制御演算部４は制御の開始時に目標温度
と温度計測部５が測定した被制御部２の温度と被制御部
２の周囲温度から仮の目標温度が必要かどうかを判断
し、必要ならば目標温度に到達させる前に、仮の目標温
度に到達させることにより加熱と冷却を繰り返すことな
く目標温度を維持することができるのでペルチェ素子の
信頼性と耐久性の劣化を防げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ素子の加
熱作用と冷却作用を使った温度制御方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のペルチェ素子の加熱作用と冷却作
用を使った温度制御方法においては、目標温度と被制御
部の温度の温度差から加熱か冷却かを決定し、目標温度
に対して被制御部の温度が低いときは加熱作用を使い、
逆に高いときは冷却作用を使って被制御部の温度が目標
温度になるようにペルチェ素子に流れる電流の方向と量
を制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のペルチェ素子の
加熱作用と冷却作用を使った温度制御方法においては、
目標温度と被制御部の温度差によってペルチェ素子の加
熱作用または冷却作用のどちらを使うか決定し温度制御
するので、被制御部の温度が目標温度になるまでは問題
はないが、目標温度に到達した後は被制御部の温度と加
熱作用または冷却作用との間に時間遅れがあるために、
被制御部の温度が目標温度を通り過ぎることが頻繁に起
きる。

【０００４】このように被制御部の温度が目標温度を中
心にして上下を繰り返すような温度範囲にあるとき、従
来の温度制御方法ではペルチェ素子の加熱作用と冷却作
用を交互に繰り返すことになり、ペルチェ素子の信頼性
と耐久性を著しく劣化させるという問題点があった。

【０００５】また、加熱作用と冷却作用を交互に繰り返
さないようにするために加熱作用または冷却作用のどち
らか一方の作用だけで制御しようとしても、被制御部の
温度と被制御部の周囲温度と目標温度の関係により目標
温度を維持できずに被制御部の周囲温度になってしまう
場合が発生するという問題点があった。

【０００６】また、目標温度付近にある一定の温度範囲
を設定し、被制御部の温度がその温度範囲に入っている
ときは温度制御を停止して加熱作用と冷却作用を交互に
繰り返さないようにするという方法は、温度制御の不感
帯（制御しない温度範囲）を設けることになり温度制御
の精度を悪化させるという問題点があった。

【０００７】この発明は、上記問題点を解決し、ペルチ
ェ素子の加熱作用と冷却作用の２つの作用を使ってペル
チェ素子の信頼性と耐久性を劣化させることなく高精度
に温度制御することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、被制御部の温度及び被制御部の周囲温
度を測定する手段とペルチェ素子の加熱作用と冷却作用
を切り替える手段と駆動電流の電流量を調整する手段を
設ける。

【０００９】最初に、この温度測定手段で測定した被制
御部の温度と被制御部の周囲温度と目標温度から仮の目
標温度を決定し、この仮の目標温度と被制御部の温度か
ら加熱作用を使うか冷却作用を使うかを決定し、ペルチ
ェ素子をこのとき決定した作用になるように駆動して被
制御部の温度が仮の目標温度になるまで温度制御する。

【００１０】次に、被制御部の温度が仮の目標温度へ到
達した後、目標温度と温度測定手段で測定した被制御部
の温度から最終的な作用として加熱作用を使うか冷却作
用を使うかを再度決定し、ペルチェ素子をこのとき決定
した作用になるように駆動して被制御部の温度が目標温
度になるまで温度制御する。

【００１１】このようにして被制御部の温度が目標温度
へ到達した後は、目標温度を超えたときはペルチェ素子
の駆動をやめ、目標温度を維持できなくなったときはペ
ルチェ素子に必要な駆動電流を供給するという制御を繰
り返し行うことにより目標温度を維持する。

【００１２】この方法によれば最終的に目標温度への温
度制御をしているときにはペルチェ素子の加熱作用と冷
却作用を交互に繰り返すことなく、最終的に決定した過
熱作用または冷却作用のどちらかひとつの作用のみで温
度制御することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の温度制御方法では、ペル
チェ素子の加熱作用と冷却作用の両方の機能を使用する
が、被制御部の温度と目標温度と被制御部の周囲温度が
どのような関係にあっても最終的に目標温度に向かって
温度制御するときは加熱作用かまたは冷却作用のどちら
か一方の機能だけを使って温度制御することができる。

【００１４】すなわち、最終的に目標温度に向かって温
度制御しているときに被制御部の温度が目標温度を超え
たときはペルチェ素子に流れる電流の方向を変えるので
はなく、被制御部の周囲温度により加熱または冷却され
て目標温度になるまでペルチェ素子の駆動を停止し、目
標温度が維持できなくなったらペルチェ素子の駆動を開
始するという制御を繰り返すことで温度制御を行う。

【００１５】このことは、最終的に目標温度に向かって
温度制御するときには周囲温度を加熱または冷却の熱源
として利用するということを意味し、ペルチェ素子の加
熱作用と冷却作用の頻繁な切り替えがなくなるのでペル
チェ素子の信頼性と耐久性を劣化させることなく温度を
制御することができる。

【００１６】またこの温度制御方法によれば、ペルチェ
素子の加熱作用と冷却作用の頻繁な切り替えを避けるた
めの前記温度制御の不感帯を必要としないので高精度に
温度を制御することができる。

【００１７】本発明の温度制御方法を実現するためには
温度として被制御部の温度と被制御部の周囲温度と予め
設定した目標温度の他に仮の目標温度を使用する。この
仮の目標温度は、温度制御を開始する前の被制御部の温
度と目標温度と被制御部の周囲温度とにより決定され
る。

【００１８】目標温度が被制御部の温度より高くかつ被
制御部の周囲温度より低い状態の場合は最終的に冷却作
用を使って温度制御するために、目標温度への温度制御
の前に加熱作用を使って目標温度より少し高い温度たと
えば1℃位高い温度を仮の目標温度としてこの仮の目標
温度への温度制御を行う。被制御部の温度が仮の目標温
度へ到達した後は冷却作用を使って目標温度への温度制
御を行い被制御部の温度が目標温度へ到達した後は冷却
作用をオン・オフすることにより目標温度を維持する。

【００１９】目標温度が被制御部の温度より低くかつ被
制御部の周囲温度より高い状態の場合は最終的に加熱作
用を使って温度制御するために、目標温度への温度制御
の前に冷却作用を使って目標温度より少し低い温度たと
えば1℃位低い温度を仮の目標温度としてこの仮の目標
温度への温度制御を行う。被制御部の温度が仮の目標温
度へ到達した後は加熱作用を使って目標温度への温度制
御を行い被制御部の温度が目標温度へ到達した後は過熱
作用をオン・オフすることにより目標温度を維持する。

【００２０】仮の目標温度は目標温度と被制御部の周囲
温度の間にあれば何度でも良いが、制御時間を短縮する
ために温度測定精度や加熱作用と冷却作用の制御精度に
合わせてなるべく目標温度に近い温度が良い。

【００２１】被制御部の周囲温度は温度を制御している
最中にもペルチェ素子の発熱や外部環境の変化により変
動するので常に測定しておき、目標温度との上下関係が
変化したときはこの新しい温度条件に対応するために温
度制御を始めからやり直す必要がある。

【００２２】ペルチェ素子の加熱作用と冷却作用の切り
替えは、制御演算部が被制御部の温度と目標温度と被制
御部の周囲温度から決定し、ペルチェ素子の駆動電流の
方向を逆転させるようにペルチェ素子駆動部を制御す
る。

【００２３】加熱作用または冷却作用の強弱は、制御演
算部がPID方式により必要な駆動電流量を計算し、適正
な電流が流れるようにペルチェ素子駆動部を制御する。

【００２４】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１は本発明による温度制御方法の機能ブロック図であ
る。

【００２５】本発明の温度制御方法は、加熱と冷却を行
うペルチェ素子１とペルチェ素子１の被制御部２に接し
ている面を加熱作用にするかまたは冷却作用にするかに
合わせて駆動電流の方向を切り替えることのできるペル
チェ素子駆動部３と被制御部２の温度と被制御部２の周
囲温度を測定する温度計測部５と温度の情報を処理しペ
ルチェ素子１の駆動電流の方向と量を決定する制御演算
部４で構成する。

【００２６】制御演算部４は制御の開始時に目標温度と
温度計測部５が測定した被制御部２の温度と被制御部２
の周囲温度から仮の目標温度が必要かどうかを判断す
る。

【００２７】その結果、目標温度が被制御部２の温度よ
り高くかつ周囲温度より低いときは以下のように、仮目
標温度を設定して温度制御する。この時の温度変化のグ
ラフを図２（ａ）に示す。

【００２８】制御演算部４は，最終的に目標温度をペル
チェ素子１の冷却作用だけで制御できるように仮の目標
温度を目標温度より１℃高く設定して、ペルチェ素子１
の被制御部２に接している面が加熱作用になるようにペ
ルチェ素子駆動部３を制御してペルチェ素子１を駆動す
る。

【００２９】制御演算部４は被制御部２の温度が仮の目
標温度に到達したらペルチェ素子１の被制御部２に接し
ている面が冷却作用になるようにペルチェ素子駆動部３
を制御してペルチェ素子１を駆動し、目標温度に到達し
たらペルチェ素子駆動部３を制御しペルチェ素子１の冷
却作用をオン・オフして目標温度を維持するように温度
制御する。

【００３０】目標温度が被制御部２の温度より低くかつ
周囲温度より高いときは、以下のように仮目標温度を設
定して温度制御する。この時の温度変化のグラフを図２
（ｂ）に示す。

【００３１】制御演算部４は，最終的に目標温度をペル
チェ素子１の加熱作用だけで制御できるように仮の目標
温度を目標温度より１℃低く設定して、ペルチェ素子１
の被制御部２に接している面が冷却作用になるようにペ
ルチェ素子駆動部３を制御してペルチェ素子１を駆動す
る。

【００３２】制御演算部４は被制御部２の温度が仮の目
標温度に到達したらペルチェ素子１の被制御部２に接し
ている面が加熱作用になるようにペルチェ素子駆動部３
を制御してペルチェ素子１を駆動し、目標温度に到達し
たらペルチェ素子駆動部３を制御してペルチェ素子１の
加熱作用をオン・オフして目標温度を維持するように温
度制御する。

【００３３】制御演算部４は目標温度が上記以外の場合
は仮の目標温度は必要がないので以下のようにして温度
制御する。この時の温度変化のグラフを図３（ａ）、
（ｂ）に示す。

【００３４】ペルチェ素子１の被制御部２に接している
面が、目標温度が被制御部２の温度より低いときは加熱
作用、高いときは冷却作用になるようにペルチェ素子駆
動部３を制御してペルチェ素子１を駆動する。

【００３５】制御演算部４は上記いずれの場合も、目標
温度に到達した後は、加熱作用と冷却作用を切り替える
ことなく、被制御部２の温度が目標温度を超えたときは
ペルチェ素子駆動部３を制御してペルチェ素子の駆動を
停止し、目標温度に足りないときはペルチェ素子駆動部
３を制御してペルチェ素子１を駆動することにより温度
制御を行う。

【００３６】制御演算部４は、温度制御中は常に温度測
定部が測定する被制御部２の温度と目標温度または仮の
目標温度との温度差からPID方式を用いてペルチェ素子
を駆動するのに必要な電流量を計算してペルチェ素子駆
動部３を制御する。

【００３７】制御演算部４は、被制御部２の周囲温度を
常に監視して、目標温度との上下関係が変化したときは
現在の温度制御の条件を再設定し温度制御をやり直す。

【００３８】制御演算部４は、冷却により温度制御を行
っているときは常にファンを駆動してペルチェ素子の加
熱面を冷却する。また加熱により温度制御を行っている
ときは被制御部２の温度が目標温度より１℃以上高い温
度のときファンを駆動してペルチェ素子の加熱面を冷却
する。

【００３９】温度計測部５は常に被制御部２の温度と被
制御部２の周囲温度を測定する。

【００４０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４１】被制御部の温度と目標温度と被制御部の周
囲温度がどのような関係にあっても、これらの温度情報
から必要と判断したときには目標温度へ到達させる前に
先に仮の目標温度に到達させることにより、最終的な目
標温度への温度制御のときに加熱作用と冷却作用を交互
に繰り返すことがなくなり、ペルチェ素子の信頼性と耐
久性を劣化させることなく温度制御ができる。

【００４２】また、加熱と冷却の繰り返しを避けるため
に一定の温度範囲に入ったら温度制御を停止させるとい
うような制御精度を悪化させる温度制御の不感帯を必要
としないので高精度な温度制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る温度制御方法の機能ブロック図で
ある。

【図２】仮の目標温度が必要な場合の被制御部の温度変
化を示すグラフである。(a)は目標温度が周囲温度より
低い場合のグラフである。(b)は目標温度が周囲温度よ
り高い場合のグラフである。

【図３】仮の目標温度を必要としない場合の被制御部の
温度変化を示すグラフである。(a)は目標温度が周囲温
度より低い場合のグラフである。(b)は目標温度が周囲
温度より高い場合のグラフである。

【符号の説明】

１ ペルチェ素子 ２ 被制御部 ３ ペルチェ素子駆動部 ４ 制御演算部 ５ 温度測定部 ６ 周囲温度センサー ７ 被制御部温度センサー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペルチェ素子の加熱作用と冷却作用を使
   って被制御部の温度が予め設定した目標温度となるよう
   にする温度制御方法であって、前記目標温度が被制御部
   の温度と被制御部の周囲温度（温度制御しないでいると
   自然に到達する温度）の間にあるという状態のとき、前
   記目標温度に向かって温度制御する前に、前記目標温度
   と前記周囲温度の間に設定した仮の目標温度に向かって
   温度制御し、前記仮の目標温度に到達した後、前記目標
   温度に向かって温度制御することを特徴とする温度制御
   方法。
2. 【請求項２】 ペルチェ素子と被制御部の温度及び被制
   御部の周囲温度を測定する手段とペルチェ素子を駆動す
   る手段と前記温度の測定手段から得られる温度情報から
   ペルチェ素子に流す駆動電流の方向と電流量を決定する
   制御演算部を備え、請求項１に記載した温度制御方法に
   より被制御部の温度が前記目標温度を維持するように制
   御する温度制御装置において、温度を制御しているとき
   に前記周囲温度と前記目標温度との上下関係を常に監視
   し、その関係が変化したときは請求項１に記載した温度
   制御方法を自動的に再実行させることを特徴とする温度
   制御装置。