JP2004221409A - ペルチェモジュール装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で安価な省電流動作のペルチェモジュール装置を提供する。
【解決手段】ペルチェモジュール１は、第１と第２の基板６，７の間に複数の熱電変換素子５を配置して形成し、電極を介してこれらの熱電変換素子５を接続して接続回路８を形成する。接続回路８に電流を流すことにより第１の基板６を吸熱側部材と成す。このペルチェモジュールは、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流がペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように内部抵抗を設定する。ペルチェモジュール１の熱電変換素子５の接続回路８に省電流制御素子３を介設し、吸熱側部材（第１の基板６）の温度が回路開設定温度以下のときに熱電変換素子５の接続回路８を開とし、回路閉設定温度以上となったら接続回路８を閉として復帰させる。
【選択図】 図１
【解決手段】ペルチェモジュール１は、第１と第２の基板６，７の間に複数の熱電変換素子５を配置して形成し、電極を介してこれらの熱電変換素子５を接続して接続回路８を形成する。接続回路８に電流を流すことにより第１の基板６を吸熱側部材と成す。このペルチェモジュールは、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流がペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように内部抵抗を設定する。ペルチェモジュール１の熱電変換素子５の接続回路８に省電流制御素子３を介設し、吸熱側部材（第１の基板６）の温度が回路開設定温度以下のときに熱電変換素子５の接続回路８を開とし、回路閉設定温度以上となったら接続回路８を閉として復帰させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＤＶＤ、パーソナルコンピュータや、サーバー、高性能電子計算機等の電子機器におけるＬＤ，ＣＰＵ、ＣＣＤなどの発熱を伴う電子部品に取り付けて、主に電子機器或いは電子部品の冷却を行うために用いられるペルチェモジュール装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
ペルチェモジュールは、光通信分野等の様々な分野に用いられている。例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ペルチェモジュール１は、互いに間隔を介して上下に配置された第１の基板６と第２の基板７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。
【０００３】
基板６，７は、電気絶縁性を有する板状の電気絶縁性部材であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６，７には、それぞれ、その片面側（対向面側）に複数の導通用の電極２が互いに間隔を介して配列形成されている。第１の基板６と第２の基板７は、電極２の位置を互いにずらした状態で電極形成面１６，１７を対向させて配置されている。
【０００４】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続され、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。なお、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【０００５】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとが交互に１対以上（ここでは複数対）配置されている。このように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００６】
Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。
【０００７】
ペルチェモジュール１は、リード線２８から電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００８】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方側が吸熱側と成して他方側が放熱側と成す。例えば熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方側である第１の基板６側の端部が冷却せしめられると、第１の基板６を介し、基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。つまり、ペルチェモジュール１は、一般に、ＩＣ等の電子部品の発熱体を冷却するために用いられ、熱電変換素子５の接続回路に電流を流すことにより、発熱体側に設けられる第１の基板６を吸熱側基板と成す。
【０００９】
図８には、従来のペルチェモジュール１を用いて発熱体９を冷却する冷却システムの例を示す。図８に示すように、従来は、サーミスタ３０で発熱体９の温度を検出し、この検出温度をモニタしながら、この検出温度と設定温度との差をコントローラ３１により計算し、必要な電流を流すようにしていた。なお、このシステムにおいて、ＤＣ電源３２からは、コントローラ３１を介してペルチェモジュール１に電圧が印加される（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２０１２０４
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示すようなシステムにおいて、ペルチェモジュール１で消費されない電力はコントローラ３１内の抵抗により熱となって消費されるため、無駄にエネルギーが使われることになるといった問題があった。つまり、この方式では精度よく温度をある範囲で制御することが出来る特徴はあるものの、エネルギー的には無駄が大きかった。
【００１２】
また、コントローラ３１は、例えば１つの値段が数万円程度で高価であるために、システム構築コストが高くなり、さらに、大型の装置であるために、システムを形成するためのスペースを広く必要とするといった問題もあった。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、冷却のための温度制御を行ない、かつそれを極めてエネルギー効率良く実現できる小型で安価なペルチェモジュール装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、交互に１対以上配置されたＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子と、これらの熱電変換素子を接続する電極とを有して熱電変換素子の接続回路が形成され、該熱電変換素子の接続回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が吸熱側と成して他端側が放熱側と成すペルチェモジュールを有し、該ペルチェモジュールの吸熱側には絶縁性を有する板状または膜状の吸熱側部材が設けられ、前記熱電変換素子の接続回路には省電流制御素子が介設されており、該省電流制御素子は前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度に基づいて、該温度が回路開設定温度以下のときに熱電変換素子の接続回路を開とする回路開機能と、熱電変換素子の接続回路を開とした後に前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、前記熱電変換素子の接続回路を閉とすることにより熱電変換素子の接続回路に再び電流が流れるようにする回路復帰機能とを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１５】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記省電流制御素子はペルチェモジュールの吸熱側部材またはその近傍に設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１６】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールは、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュールに必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流がペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように内部抵抗を設定した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１７】
さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数の省電流制御素子を有し、これら複数の省電流制御素子と熱電変換素子の接続回路との接続を切り換えるスイッチを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１８】
さらに、第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、前記省電流制御素子はバイメタルまたは形状記憶合金を有して形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２０】
図１には、本発明に係るペルチェモジュール装置の第１実施形態例が模式的に示されている。同図に示すように、本実施形態例の装置はペルチェモジュール１を有し、このペルチェモジュール１には四角柱状の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が複数設けられている。１つの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の大きさは０．７ｍｍ×０．７ｍｍ×１．３ｍｍであり、高さが１．３ｍｍである。
【００２１】
これらの熱電変換素子５ａ，５ｂは、紙面に垂直な方向にも交互に複数配置されている。本実施形態例では、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂを５５対組み合わせ、電極２（図１には図示せず）を介して、図１（ａ）の破線で示す熱電変換素子５の接続回路８を形成している。なお、本実施形態例において、図１（ａ）に示すＡ点が、図１には図示されていない基板奥行き方向に配設された複数の電極２と熱電変換素子５を介し、図７（ｂ）に示したように、基板の奥側に図１に示すリード線２８と間隔を介して平行に設けられたリード線（図示せず）に電気的に接続されている。
【００２２】
本実施形態例の第１の特徴は、図１（ａ）に示すように、ペルチェモジュール１の第１の基板６に、熱電変換素子５の接続回路８に介設された省電流制御素子３を設けたことである。ここで、第１の基板６は、板状の吸熱側部材であり、例えばペルチェモジュール１によって吸熱する発熱体に接触して設けられる。
【００２３】
該省電流制御素子３は、第１の基板６の温度に基づき、第１の基板６の温度が回路開設定温度以下になったときに、図１（ｂ）に示すように、熱電変換素子５の接続回路８を開とする回路開機能を有し、また、熱電変換素子５の接続回路８を開とした後に第１の基板６の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、図１（ｃ）に示すように元の態様に戻り、熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする回路復帰機能を有する。
【００２４】
本実施形態例において、省電流制御素子３はバイメタルにより形成されており、上記回路開設定温度は２０℃、回路閉設定温度は４０℃としている。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、省電流制御素子３の一端側を第１の基板６の一端側の固定部４に固定してあり、この固定部４には熱電変換素子５の接続回路８が接続されている。また、省電流制御素子３の他端側は、常時（普段）、第２の基板７の接触部１０に接触させて設けられており、この接触部１０には熱電変換素子５の接続回路８のリード線側が接続されている。省電流制御素子３は上記態様で、熱電変換素子５の接続回路８に接続され、接続回路８は閉状態と成している。
【００２６】
また、上記の如く、本実施形態例では、上記回路開設定温度は２０℃としており、本実施形態例で適用しているバイメタルの省電流制御素子３は、その温度が２０℃以下の時には図１（ｂ）に示すように変形するので、第１の基板６が２０℃以下になると、省電流制御素子３は変形によって他端側が接触部１０から外れ、熱電変換素子５の接続回路を開とする。その後、第１の基板６の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときには、図１（ｃ）に示すように元の態様に戻り、熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする。
【００２７】
本実施形態例の第２の特徴は、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に、ペルチェモジュール１の吸熱側部材（第１の基板６）の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流が流れるように、内部抵抗を設定していることである。なお、以下、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値をＩｍａｘと言う。
【００２８】
上記ペルチェモジュール駆動の定電圧は、パソコンやＬＤの駆動電圧と共通の電源を使用するのが一般的であり、本実施形態例では、５Ｖである。そこで、本実施形態例で適用しているペルチェモジュール１は、５Ｖの定電圧印加時に、Ｉｍａｘ（２．３３Ｖ）の６０％の設定値である１．４Ａの電流が流れるように内部抵抗を設定しており、その値はおおよそ３．３Ωである。
【００２９】
なお、図３には、ペルチェモジュール１の電流―電圧特性が、図４には、ペルチェモジュール１の電流（ペルチェモジュール１への投入電流）と吸熱側部材の吸熱量との関係がそれぞれ示されている。図４に示すように、本実施形態例で適用しているペルチェモジュール１は、上記設定値（１．４Ｖ）の電流を流すことにより、５Ｗの吸熱量を得ることができる。
【００３０】
本実施形態例は以上のように構成されており、図１（ａ）に示すように、熱電変換素子５の接続回路８を閉とした状態で、例えば図２に示すように、ペルチェモジュール１の吸熱側部材である第１の基板６側に、冷却対象物である発熱体９を設けて熱的に接続すると、ペルチェモジュール１が発熱体９を冷却開始する。
【００３１】
なお、発熱体９は例えばＣＰＵであり、図２において、発熱体９は実装基板２１上に実装され、サーマルグリース２０を介してペルチェモジュール１に熱的に接続されている。また、図２は、ペルチェモジュール１の放熱側基板となる第２の基板７側にヒートシンク１１を設けて放熱効率を向上させた例を示している。
【００３２】
ここで、ペルチェモジュール１の冷却対象である発熱体９の発熱量は３Ｗであり、上記のように、本実施形態例のペルチェモジュール装置に設けられているペルチェモジュール１の吸熱量は５Ｗであるので、本実施形態例の装置は発熱体９の吸熱（冷却）を十分に行うことができる。
【００３３】
また、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘ（ここでは２．３３Ｖ）近傍以上（Ｉｍａｘの８０％を超える値）としたり、Ｉｍａｘの２０％未満の小さい値とすると、例えば図５に示すように、ペルチェモジュール１の成績係数（投入電流に対する吸熱量の比）が小さくなり、エネルギー効率が悪くなる。つまり、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流を、Ｉｍａｘの８０％を超える値とすると、成績係数がほぼ０．５を下回り、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの２０％未満の小さい値とすると、急激な吸熱量減少が生じて設定した冷却性能が安定的に得られない。
【００３４】
それに対し、本実施形態例では、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの６０％の１．４Ｖとしており、このときの成績係数は約０．７であるので、比較的エネルギー効率の良好な領域でペルチェモジュール１を作動することができる。
【００３５】
なお、本発明者が、上記および図５に示したような、ペルチェモジュール駆動時の電流（Ｉｍａｘに対する割合）と成績係数との関係を、仕様が異なる様々なペルチェモジュール１について求めた結果、同様の結果が得られ、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの２０％〜８０％の範囲内で設定した電流とすることにより、成績係数をほぼ０．５以上として、比較的エネルギー効率の良好な領域でペルチェモジュール１を作動することができる。
【００３６】
そして、本実施形態例においては、第１の基板６の温度が２０℃以下になると、図１（ｂ）に示すように、省電流制御素子３が熱電変換素子５の接続回路８を開として（バイメタルが変形して接続回路８が開き）、ペルチェモジュール１に流れる電流は遮断される。
【００３７】
また、ペルチェモジュール１による冷却が行われずに、再び発熱体９の温度が上昇し、第１の基板６の温度が４０℃以上になったときには、図１（ｃ）に示すように、省電流制御素子３が熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする。そうすると、ペルチェモジュール１による発熱体９の冷却が再開され、発熱体９が設定温度（ここでは６０℃）以上となるのを防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態例において、上記省電流制御素子３による熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作は、第１の基板６の温度に基づいて行われるものであり、この温度は熱電変換素子５の極近傍の温度であるため、熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を精度良く行うことができる。
【００３９】
また、本実施形態例では、上記のように、省電流制御素子３によって熱電変換素子５の接続回路８の開閉が行われることから、ペルチェモジュール１に無駄な電流が流れることが抑制され、かつ、発熱体９の温度を設定温度以下に保つことができる。
【００４０】
なお、ペルチェモジュール１の冷却能力が被冷却体の発熱量を上回るように回路閉時の電流を設定するが、実際の使用環境では周囲温度の上下があるため、この電流値は余裕を持って設定されることになる。したがって、回路閉のときペルチェモジュール１の冷却作用により、次第に、ペルチェモジュール１の低温側基板の温度と被冷却体の温度は下がる。本実施形態例では、この時冷却に要するエネルギーは殆どすべてペルチェモジュール１で消費され、それは被冷却体の温度を下げることに使われることになる。
【００４１】
実際に、本実施形態例のペルチェモジュール装置によって発熱体９の冷却を行ったところ、上記動作により、発熱体９の温度を常に５０℃以下に保つことができ、かつ、本装置に投入された電流の大部分を発熱体９の冷却作用に用いることができ、省電力化が実現できた。
【００４２】
また、本実施形態例の装置は、ペルチェモジュール１にバイメタルの省電流制御素子３を接続しただけの非常に簡単な構成であり、従来のコントローラ３１を設ける構成に必要な温度センサも不要である。しかも、上記省電流制御素子３を形成するバイメタルは非常に安価で小型の素子であるため、本実施形態例は、従来例のようなコントローラ３１を設けるシステム構成に比べて遙かに小型で安価なペルチェモジュール装置を実現できる。
【００４３】
図６には、本発明に係るペルチェモジュール装置の第２実施形態例が模式的に示されている。第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、図６（ａ）には、第２実施形態例の側面図が、図６（ｂ）には、第２実施形態例の装置の平面図が第２の基板７と電極２を省略して示されている。
【００４４】
第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、省電流制御素子３を第１の基板６の基板面上に配置固定したことである。省電流制御素子３は、バイメタルを有しており、このバイメタルが回路開設定温度や回路閉設定温度に対応する変形動作することにより、熱電変換素子５の接続回路８の開閉を行う。
【００４５】
第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の動作により同様の効果を奏することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第１、第２実施形態例では、回路開設定温度を２０℃とし、回路閉設定温度を４０℃としたが、回路開設定温度や回路閉設定温度は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、回路開設定温度を回路閉設定温度より小さく設定すればよい。
【００４７】
一般的には回路閉の温度は電子部品の作動上限温度を超えないように設定し、また回路開の温度はそれより小さくすることになる。なお、回路開設定温度をあまり低くすることは、結露の問題が生ずる場合があり好ましくない、また、回路開設定温度が回路閉設定温度に近い場合には、回路の開閉が頻繁に行なわれることになるため、回路開設定温度と回路閉設定温度は、バイメタルなど制御素子の長期信頼性との兼ね合いで設定するべきである。
【００４８】
また、上記各実施形態例では、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時にＩｍａｘの６０％の電流が流れるように、ペルチェモジュール１の内部抵抗を設定したが、内部抵抗は、Ｉｍａｘの２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流が、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように設定すればよい。
【００４９】
さらに、上記各実施形態例では、省電流制御素子３は、ペルチェモジュール１の吸熱側部材である第１の基板６の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行ったが、省電流制御素子３は、被冷却体の温度に基づいて、あるいは、被冷却体と吸熱側部材の中間の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行うようにしてもよい。
【００５０】
さらに、本発明に適用されるペルチェモジュール１の大きさやその詳細構成は特に限定されるものでなく適宜設定されるものでいる。例えば、図９には、薄膜型のペルチェモジュール１に省電流制御素子３を接続して本発明のペルチェモジュール装置を形成した例が示されている。図９（ａ）は、この装置の平面図、図９（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【００５１】
この例において、ペルチェモジュール１は、１対のＰ型の熱電変換素子５（５ａ）とＮ型の熱電変換素子５（５ｂ）を並設し、その両端側に設けた電極２（２ａ，２ｂ）を介して熱電変換素子５ａと５ｂを接続し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の接続回路８を形成する。省電流制御素子３は例えば絶縁性を有する吸熱側膜２６上に設けられ、導線２７を介して接続回路８に接続されている。
【００５２】
このように、図９に示す例においても、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の接続回路８には省電流制御素子３が介設され、接続回路８に電流を流すと、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側（電極２ａ側）が吸熱側と成し、他端側（電極２ｂ側）は放熱側と成す。このペルチェモジュール１の吸熱側の吸熱側膜２６は、絶縁性を有する膜状の吸熱側部材である。吸熱側膜２６は例えばＡｌ２Ｏ３により形成され、この吸熱側膜２６を介して被冷却体（例えば発熱体９）が設けられている。
【００５３】
この例において、省電流制御素子３は例えば吸熱側膜２６の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行い、それにより、各実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
さらに、図１０に示すように、回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数（ここでは２つ）の省電流制御素子３（３ａ，３ｂ）を有し、これら複数の省電流制御素子３（３ａ，３ｂ）と熱電変換素子５の接続回路８との接続を切り換えるスイッチ１５を有する構成としてもよい。なお、図１０の（ａ）において、スイッチ１５は接続回路８と第１の省電流制御素子３ａとを接続している状態を示しており、図の鎖線に示す態様とすることにより、スイッチ１５が接続回路８と第２の省電流制御素子３ｂとを接続することになる。
【００５５】
図１０に示す例において、第１の省電流制御素子３ａは、回路開設定温度が４０℃、回路閉設定温度が５０℃であるバイメタルにより形成し、第２の省電流制御素子３ｂは、回路開設定温度が３０℃、回路閉設定温度が４０℃であるバイメタルにより形成している。これらはペルチェモジュール１の冷却側であるセラミック製の第１の基板６上に実装されており、前記スイッチ１５も基板６上に設けられている。
【００５６】
このように、スイッチ１５により複数の省電流制御素子３と熱電変換素子５の接続回路８との接続を切り換える構成のペルチェモジュール装置は、夏場と冬場で仕様環境温度に応じてペルチェモジュール装置の冷却の設定を変えたい場合や、被冷却体の冷却条件を必要に応じて切り換えたいときなどに有効に適用される。なお、省電流制御素子３を３つ以上設けてスイッチ１５により切り換える構成も本発明に適用できる。
【００５７】
さらに、上記各実施形態例では、省電流制御素子３はバイメタルを有して構成されていたが、省電流制御素子３はバイメタルの代わりに形状記憶合金とばね等の弾性部材を有して構成してもよい。この場合、回路開設定温度で形状記憶合金が変形して熱電変換素子５の接続回路８を開とし、回路閉設定温度でばね等の弾性部材の弾性復元力によって熱電変換素子５の接続回路８を閉とするように構成する。
【００５８】
さらに、本発明は、上記各実施形態例と同様に、ペルチェモジュール１の絶縁性を有する板状または膜状の吸熱側部材またはその近傍に省電流制御素子３を設ける等して、熱電変換素子５の接続回路８に省電流制御素子３を介設して形成されるものであり、省電流制御素子３を吸熱側部材の近傍に設ける場合は、高熱伝導性部材を介して省電流制御素子３を吸熱側部材に熱的に接続する。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、ペルチェモジュールに省電流制御素子を設け、ペルチェモジュールの吸熱側部材または被冷却体あるいはその中間の温度が回路開設定温度以下の時には省電流制御素子によって熱電変換素子の接続回路の開動作を行い、省電流制御素子が熱電変換素子の接続回路を開とした後に吸熱側部材または被冷却体あるいはその中間の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、熱電変換素子の接続回路を閉とすることにより熱電変換素子の接続回路に再び電流が流れるようにしたものであるから、ペルチェモジュールに無駄な電流が流れることを抑制でき、効率的に冷却対象を冷却してその温度を設定温度以下に保つことができる。
【００６０】
また、本発明の装置は、ペルチェモジュールにバイメタル等の省電流制御素子を接続しただけの非常に簡単な構成であるために、従来例のようなコントローラを設けてペルチェモジュールの熱電変換素子回路のオン・オフを行う冷却システムに比べて遙かに小型で安価なペルチェモジュール装置を実現できる。
【００６１】
また、本発明において、省電流制御素子をペルチェモジュールの吸熱側部材またはその近傍に設けた構成によれば、上記効果を奏するペルチェモジュール装置を容易に実現できる。
【００６２】
さらに、本発明において、ペルチェモジュールの定電圧での駆動時に流れる電流を設定電流となるように内部抵抗を設定した構成によれば、効率良く冷却対象物の冷却を行うことができる。
【００６３】
さらに、本発明において、回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数の省電流制御素子を有し、これら複数の省電流制御素子と熱電変換素子の接続回路との接続を切り換えるスイッチを有する構成によれば、使用される環境温度に合わせ、温度制御範囲を適切に変更することができるので、被冷却素子の温度を設定温度より低く保つという課題に対し、実際の環境温度に合わせて、複数の省電流制御素子と熱電変換素子との接続を切り換えることができ、より的確に、ペルチェモジュールの省電流化を図れる。
【００６４】
さらに、バイメタルや形状記憶合金は非常に安価で小型の素子であるため、バイメタルまたは形状記憶合金を有する省電流制御素子を設ける構成の本発明は、装置の小型化と低価格化をより一層確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るペルチェモジュール装置の第１実施形態例の要部構成とその動作を模式的に示す説明図である。
【図２】上記第１実施形態例による発熱体の冷却適用例を示す説明図である。
【図３】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの電流―電圧特性を示すグラフである。
【図４】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの投入電流と吸熱量との関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの投入電流と成績係数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係るペルチェモジュール装置の第２実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図７】ペルチェモジュールの構成例を示す説明図である。
【図８】従来のペルチェモジュールを用いた冷却システムを示す説明図である。
【図９】本発明に係るペルチェモジュール装置の他の実施形態例を模式的に示す平面説明図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明に係るペルチェモジュール装置の、さらに他の実施形態例を模式的に示す平面説明図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ ペルチェモジュール
２ 電極
３ 省電流制御素子
４ 固定部
５，５ａ，５ｂ 熱電変換素子
６ 第１の基板
７ 第２の基板
８ 接続回路
９ 発熱体
１１ ヒートシンク
２６ 吸熱側膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＤＶＤ、パーソナルコンピュータや、サーバー、高性能電子計算機等の電子機器におけるＬＤ，ＣＰＵ、ＣＣＤなどの発熱を伴う電子部品に取り付けて、主に電子機器或いは電子部品の冷却を行うために用いられるペルチェモジュール装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
ペルチェモジュールは、光通信分野等の様々な分野に用いられている。例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ペルチェモジュール１は、互いに間隔を介して上下に配置された第１の基板６と第２の基板７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。
【０００３】
基板６，７は、電気絶縁性を有する板状の電気絶縁性部材であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６，７には、それぞれ、その片面側（対向面側）に複数の導通用の電極２が互いに間隔を介して配列形成されている。第１の基板６と第２の基板７は、電極２の位置を互いにずらした状態で電極形成面１６，１７を対向させて配置されている。
【０００４】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続され、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。なお、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【０００５】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとが交互に１対以上（ここでは複数対）配置されている。このように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００６】
Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。
【０００７】
ペルチェモジュール１は、リード線２８から電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００８】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方側が吸熱側と成して他方側が放熱側と成す。例えば熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方側である第１の基板６側の端部が冷却せしめられると、第１の基板６を介し、基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。つまり、ペルチェモジュール１は、一般に、ＩＣ等の電子部品の発熱体を冷却するために用いられ、熱電変換素子５の接続回路に電流を流すことにより、発熱体側に設けられる第１の基板６を吸熱側基板と成す。
【０００９】
図８には、従来のペルチェモジュール１を用いて発熱体９を冷却する冷却システムの例を示す。図８に示すように、従来は、サーミスタ３０で発熱体９の温度を検出し、この検出温度をモニタしながら、この検出温度と設定温度との差をコントローラ３１により計算し、必要な電流を流すようにしていた。なお、このシステムにおいて、ＤＣ電源３２からは、コントローラ３１を介してペルチェモジュール１に電圧が印加される（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２０１２０４
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示すようなシステムにおいて、ペルチェモジュール１で消費されない電力はコントローラ３１内の抵抗により熱となって消費されるため、無駄にエネルギーが使われることになるといった問題があった。つまり、この方式では精度よく温度をある範囲で制御することが出来る特徴はあるものの、エネルギー的には無駄が大きかった。
【００１２】
また、コントローラ３１は、例えば１つの値段が数万円程度で高価であるために、システム構築コストが高くなり、さらに、大型の装置であるために、システムを形成するためのスペースを広く必要とするといった問題もあった。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、冷却のための温度制御を行ない、かつそれを極めてエネルギー効率良く実現できる小型で安価なペルチェモジュール装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、交互に１対以上配置されたＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子と、これらの熱電変換素子を接続する電極とを有して熱電変換素子の接続回路が形成され、該熱電変換素子の接続回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が吸熱側と成して他端側が放熱側と成すペルチェモジュールを有し、該ペルチェモジュールの吸熱側には絶縁性を有する板状または膜状の吸熱側部材が設けられ、前記熱電変換素子の接続回路には省電流制御素子が介設されており、該省電流制御素子は前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度に基づいて、該温度が回路開設定温度以下のときに熱電変換素子の接続回路を開とする回路開機能と、熱電変換素子の接続回路を開とした後に前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、前記熱電変換素子の接続回路を閉とすることにより熱電変換素子の接続回路に再び電流が流れるようにする回路復帰機能とを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１５】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記省電流制御素子はペルチェモジュールの吸熱側部材またはその近傍に設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１６】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記ペルチェモジュールは、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュールに必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流がペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように内部抵抗を設定した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１７】
さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数の省電流制御素子を有し、これら複数の省電流制御素子と熱電変換素子の接続回路との接続を切り換えるスイッチを有する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１８】
さらに、第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、前記省電流制御素子はバイメタルまたは形状記憶合金を有して形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２０】
図１には、本発明に係るペルチェモジュール装置の第１実施形態例が模式的に示されている。同図に示すように、本実施形態例の装置はペルチェモジュール１を有し、このペルチェモジュール１には四角柱状の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が複数設けられている。１つの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の大きさは０．７ｍｍ×０．７ｍｍ×１．３ｍｍであり、高さが１．３ｍｍである。
【００２１】
これらの熱電変換素子５ａ，５ｂは、紙面に垂直な方向にも交互に複数配置されている。本実施形態例では、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂを５５対組み合わせ、電極２（図１には図示せず）を介して、図１（ａ）の破線で示す熱電変換素子５の接続回路８を形成している。なお、本実施形態例において、図１（ａ）に示すＡ点が、図１には図示されていない基板奥行き方向に配設された複数の電極２と熱電変換素子５を介し、図７（ｂ）に示したように、基板の奥側に図１に示すリード線２８と間隔を介して平行に設けられたリード線（図示せず）に電気的に接続されている。
【００２２】
本実施形態例の第１の特徴は、図１（ａ）に示すように、ペルチェモジュール１の第１の基板６に、熱電変換素子５の接続回路８に介設された省電流制御素子３を設けたことである。ここで、第１の基板６は、板状の吸熱側部材であり、例えばペルチェモジュール１によって吸熱する発熱体に接触して設けられる。
【００２３】
該省電流制御素子３は、第１の基板６の温度に基づき、第１の基板６の温度が回路開設定温度以下になったときに、図１（ｂ）に示すように、熱電変換素子５の接続回路８を開とする回路開機能を有し、また、熱電変換素子５の接続回路８を開とした後に第１の基板６の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、図１（ｃ）に示すように元の態様に戻り、熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする回路復帰機能を有する。
【００２４】
本実施形態例において、省電流制御素子３はバイメタルにより形成されており、上記回路開設定温度は２０℃、回路閉設定温度は４０℃としている。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、省電流制御素子３の一端側を第１の基板６の一端側の固定部４に固定してあり、この固定部４には熱電変換素子５の接続回路８が接続されている。また、省電流制御素子３の他端側は、常時（普段）、第２の基板７の接触部１０に接触させて設けられており、この接触部１０には熱電変換素子５の接続回路８のリード線側が接続されている。省電流制御素子３は上記態様で、熱電変換素子５の接続回路８に接続され、接続回路８は閉状態と成している。
【００２６】
また、上記の如く、本実施形態例では、上記回路開設定温度は２０℃としており、本実施形態例で適用しているバイメタルの省電流制御素子３は、その温度が２０℃以下の時には図１（ｂ）に示すように変形するので、第１の基板６が２０℃以下になると、省電流制御素子３は変形によって他端側が接触部１０から外れ、熱電変換素子５の接続回路を開とする。その後、第１の基板６の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときには、図１（ｃ）に示すように元の態様に戻り、熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする。
【００２７】
本実施形態例の第２の特徴は、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に、ペルチェモジュール１の吸熱側部材（第１の基板６）の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流が流れるように、内部抵抗を設定していることである。なお、以下、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュール１に必要な電流値をＩｍａｘと言う。
【００２８】
上記ペルチェモジュール駆動の定電圧は、パソコンやＬＤの駆動電圧と共通の電源を使用するのが一般的であり、本実施形態例では、５Ｖである。そこで、本実施形態例で適用しているペルチェモジュール１は、５Ｖの定電圧印加時に、Ｉｍａｘ（２．３３Ｖ）の６０％の設定値である１．４Ａの電流が流れるように内部抵抗を設定しており、その値はおおよそ３．３Ωである。
【００２９】
なお、図３には、ペルチェモジュール１の電流―電圧特性が、図４には、ペルチェモジュール１の電流（ペルチェモジュール１への投入電流）と吸熱側部材の吸熱量との関係がそれぞれ示されている。図４に示すように、本実施形態例で適用しているペルチェモジュール１は、上記設定値（１．４Ｖ）の電流を流すことにより、５Ｗの吸熱量を得ることができる。
【００３０】
本実施形態例は以上のように構成されており、図１（ａ）に示すように、熱電変換素子５の接続回路８を閉とした状態で、例えば図２に示すように、ペルチェモジュール１の吸熱側部材である第１の基板６側に、冷却対象物である発熱体９を設けて熱的に接続すると、ペルチェモジュール１が発熱体９を冷却開始する。
【００３１】
なお、発熱体９は例えばＣＰＵであり、図２において、発熱体９は実装基板２１上に実装され、サーマルグリース２０を介してペルチェモジュール１に熱的に接続されている。また、図２は、ペルチェモジュール１の放熱側基板となる第２の基板７側にヒートシンク１１を設けて放熱効率を向上させた例を示している。
【００３２】
ここで、ペルチェモジュール１の冷却対象である発熱体９の発熱量は３Ｗであり、上記のように、本実施形態例のペルチェモジュール装置に設けられているペルチェモジュール１の吸熱量は５Ｗであるので、本実施形態例の装置は発熱体９の吸熱（冷却）を十分に行うことができる。
【００３３】
また、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘ（ここでは２．３３Ｖ）近傍以上（Ｉｍａｘの８０％を超える値）としたり、Ｉｍａｘの２０％未満の小さい値とすると、例えば図５に示すように、ペルチェモジュール１の成績係数（投入電流に対する吸熱量の比）が小さくなり、エネルギー効率が悪くなる。つまり、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流を、Ｉｍａｘの８０％を超える値とすると、成績係数がほぼ０．５を下回り、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの２０％未満の小さい値とすると、急激な吸熱量減少が生じて設定した冷却性能が安定的に得られない。
【００３４】
それに対し、本実施形態例では、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの６０％の１．４Ｖとしており、このときの成績係数は約０．７であるので、比較的エネルギー効率の良好な領域でペルチェモジュール１を作動することができる。
【００３５】
なお、本発明者が、上記および図５に示したような、ペルチェモジュール駆動時の電流（Ｉｍａｘに対する割合）と成績係数との関係を、仕様が異なる様々なペルチェモジュール１について求めた結果、同様の結果が得られ、ペルチェモジュール駆動時に流れる電流をＩｍａｘの２０％〜８０％の範囲内で設定した電流とすることにより、成績係数をほぼ０．５以上として、比較的エネルギー効率の良好な領域でペルチェモジュール１を作動することができる。
【００３６】
そして、本実施形態例においては、第１の基板６の温度が２０℃以下になると、図１（ｂ）に示すように、省電流制御素子３が熱電変換素子５の接続回路８を開として（バイメタルが変形して接続回路８が開き）、ペルチェモジュール１に流れる電流は遮断される。
【００３７】
また、ペルチェモジュール１による冷却が行われずに、再び発熱体９の温度が上昇し、第１の基板６の温度が４０℃以上になったときには、図１（ｃ）に示すように、省電流制御素子３が熱電変換素子５の接続回路８を閉とすることにより、熱電変換素子５の接続回路８に再び電流が流れるようにする。そうすると、ペルチェモジュール１による発熱体９の冷却が再開され、発熱体９が設定温度（ここでは６０℃）以上となるのを防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態例において、上記省電流制御素子３による熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作は、第１の基板６の温度に基づいて行われるものであり、この温度は熱電変換素子５の極近傍の温度であるため、熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を精度良く行うことができる。
【００３９】
また、本実施形態例では、上記のように、省電流制御素子３によって熱電変換素子５の接続回路８の開閉が行われることから、ペルチェモジュール１に無駄な電流が流れることが抑制され、かつ、発熱体９の温度を設定温度以下に保つことができる。
【００４０】
なお、ペルチェモジュール１の冷却能力が被冷却体の発熱量を上回るように回路閉時の電流を設定するが、実際の使用環境では周囲温度の上下があるため、この電流値は余裕を持って設定されることになる。したがって、回路閉のときペルチェモジュール１の冷却作用により、次第に、ペルチェモジュール１の低温側基板の温度と被冷却体の温度は下がる。本実施形態例では、この時冷却に要するエネルギーは殆どすべてペルチェモジュール１で消費され、それは被冷却体の温度を下げることに使われることになる。
【００４１】
実際に、本実施形態例のペルチェモジュール装置によって発熱体９の冷却を行ったところ、上記動作により、発熱体９の温度を常に５０℃以下に保つことができ、かつ、本装置に投入された電流の大部分を発熱体９の冷却作用に用いることができ、省電力化が実現できた。
【００４２】
また、本実施形態例の装置は、ペルチェモジュール１にバイメタルの省電流制御素子３を接続しただけの非常に簡単な構成であり、従来のコントローラ３１を設ける構成に必要な温度センサも不要である。しかも、上記省電流制御素子３を形成するバイメタルは非常に安価で小型の素子であるため、本実施形態例は、従来例のようなコントローラ３１を設けるシステム構成に比べて遙かに小型で安価なペルチェモジュール装置を実現できる。
【００４３】
図６には、本発明に係るペルチェモジュール装置の第２実施形態例が模式的に示されている。第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、図６（ａ）には、第２実施形態例の側面図が、図６（ｂ）には、第２実施形態例の装置の平面図が第２の基板７と電極２を省略して示されている。
【００４４】
第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、省電流制御素子３を第１の基板６の基板面上に配置固定したことである。省電流制御素子３は、バイメタルを有しており、このバイメタルが回路開設定温度や回路閉設定温度に対応する変形動作することにより、熱電変換素子５の接続回路８の開閉を行う。
【００４５】
第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の動作により同様の効果を奏することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第１、第２実施形態例では、回路開設定温度を２０℃とし、回路閉設定温度を４０℃としたが、回路開設定温度や回路閉設定温度は特に限定されるものでなく適宜設定されるものであり、回路開設定温度を回路閉設定温度より小さく設定すればよい。
【００４７】
一般的には回路閉の温度は電子部品の作動上限温度を超えないように設定し、また回路開の温度はそれより小さくすることになる。なお、回路開設定温度をあまり低くすることは、結露の問題が生ずる場合があり好ましくない、また、回路開設定温度が回路閉設定温度に近い場合には、回路の開閉が頻繁に行なわれることになるため、回路開設定温度と回路閉設定温度は、バイメタルなど制御素子の長期信頼性との兼ね合いで設定するべきである。
【００４８】
また、上記各実施形態例では、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時にＩｍａｘの６０％の電流が流れるように、ペルチェモジュール１の内部抵抗を設定したが、内部抵抗は、Ｉｍａｘの２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流が、ペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように設定すればよい。
【００４９】
さらに、上記各実施形態例では、省電流制御素子３は、ペルチェモジュール１の吸熱側部材である第１の基板６の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行ったが、省電流制御素子３は、被冷却体の温度に基づいて、あるいは、被冷却体と吸熱側部材の中間の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行うようにしてもよい。
【００５０】
さらに、本発明に適用されるペルチェモジュール１の大きさやその詳細構成は特に限定されるものでなく適宜設定されるものでいる。例えば、図９には、薄膜型のペルチェモジュール１に省電流制御素子３を接続して本発明のペルチェモジュール装置を形成した例が示されている。図９（ａ）は、この装置の平面図、図９（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【００５１】
この例において、ペルチェモジュール１は、１対のＰ型の熱電変換素子５（５ａ）とＮ型の熱電変換素子５（５ｂ）を並設し、その両端側に設けた電極２（２ａ，２ｂ）を介して熱電変換素子５ａと５ｂを接続し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の接続回路８を形成する。省電流制御素子３は例えば絶縁性を有する吸熱側膜２６上に設けられ、導線２７を介して接続回路８に接続されている。
【００５２】
このように、図９に示す例においても、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の接続回路８には省電流制御素子３が介設され、接続回路８に電流を流すと、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側（電極２ａ側）が吸熱側と成し、他端側（電極２ｂ側）は放熱側と成す。このペルチェモジュール１の吸熱側の吸熱側膜２６は、絶縁性を有する膜状の吸熱側部材である。吸熱側膜２６は例えばＡｌ２Ｏ３により形成され、この吸熱側膜２６を介して被冷却体（例えば発熱体９）が設けられている。
【００５３】
この例において、省電流制御素子３は例えば吸熱側膜２６の温度に基づいて熱電変換素子５の接続回路８の開閉動作を行い、それにより、各実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
さらに、図１０に示すように、回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数（ここでは２つ）の省電流制御素子３（３ａ，３ｂ）を有し、これら複数の省電流制御素子３（３ａ，３ｂ）と熱電変換素子５の接続回路８との接続を切り換えるスイッチ１５を有する構成としてもよい。なお、図１０の（ａ）において、スイッチ１５は接続回路８と第１の省電流制御素子３ａとを接続している状態を示しており、図の鎖線に示す態様とすることにより、スイッチ１５が接続回路８と第２の省電流制御素子３ｂとを接続することになる。
【００５５】
図１０に示す例において、第１の省電流制御素子３ａは、回路開設定温度が４０℃、回路閉設定温度が５０℃であるバイメタルにより形成し、第２の省電流制御素子３ｂは、回路開設定温度が３０℃、回路閉設定温度が４０℃であるバイメタルにより形成している。これらはペルチェモジュール１の冷却側であるセラミック製の第１の基板６上に実装されており、前記スイッチ１５も基板６上に設けられている。
【００５６】
このように、スイッチ１５により複数の省電流制御素子３と熱電変換素子５の接続回路８との接続を切り換える構成のペルチェモジュール装置は、夏場と冬場で仕様環境温度に応じてペルチェモジュール装置の冷却の設定を変えたい場合や、被冷却体の冷却条件を必要に応じて切り換えたいときなどに有効に適用される。なお、省電流制御素子３を３つ以上設けてスイッチ１５により切り換える構成も本発明に適用できる。
【００５７】
さらに、上記各実施形態例では、省電流制御素子３はバイメタルを有して構成されていたが、省電流制御素子３はバイメタルの代わりに形状記憶合金とばね等の弾性部材を有して構成してもよい。この場合、回路開設定温度で形状記憶合金が変形して熱電変換素子５の接続回路８を開とし、回路閉設定温度でばね等の弾性部材の弾性復元力によって熱電変換素子５の接続回路８を閉とするように構成する。
【００５８】
さらに、本発明は、上記各実施形態例と同様に、ペルチェモジュール１の絶縁性を有する板状または膜状の吸熱側部材またはその近傍に省電流制御素子３を設ける等して、熱電変換素子５の接続回路８に省電流制御素子３を介設して形成されるものであり、省電流制御素子３を吸熱側部材の近傍に設ける場合は、高熱伝導性部材を介して省電流制御素子３を吸熱側部材に熱的に接続する。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、ペルチェモジュールに省電流制御素子を設け、ペルチェモジュールの吸熱側部材または被冷却体あるいはその中間の温度が回路開設定温度以下の時には省電流制御素子によって熱電変換素子の接続回路の開動作を行い、省電流制御素子が熱電変換素子の接続回路を開とした後に吸熱側部材または被冷却体あるいはその中間の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、熱電変換素子の接続回路を閉とすることにより熱電変換素子の接続回路に再び電流が流れるようにしたものであるから、ペルチェモジュールに無駄な電流が流れることを抑制でき、効率的に冷却対象を冷却してその温度を設定温度以下に保つことができる。
【００６０】
また、本発明の装置は、ペルチェモジュールにバイメタル等の省電流制御素子を接続しただけの非常に簡単な構成であるために、従来例のようなコントローラを設けてペルチェモジュールの熱電変換素子回路のオン・オフを行う冷却システムに比べて遙かに小型で安価なペルチェモジュール装置を実現できる。
【００６１】
また、本発明において、省電流制御素子をペルチェモジュールの吸熱側部材またはその近傍に設けた構成によれば、上記効果を奏するペルチェモジュール装置を容易に実現できる。
【００６２】
さらに、本発明において、ペルチェモジュールの定電圧での駆動時に流れる電流を設定電流となるように内部抵抗を設定した構成によれば、効率良く冷却対象物の冷却を行うことができる。
【００６３】
さらに、本発明において、回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数の省電流制御素子を有し、これら複数の省電流制御素子と熱電変換素子の接続回路との接続を切り換えるスイッチを有する構成によれば、使用される環境温度に合わせ、温度制御範囲を適切に変更することができるので、被冷却素子の温度を設定温度より低く保つという課題に対し、実際の環境温度に合わせて、複数の省電流制御素子と熱電変換素子との接続を切り換えることができ、より的確に、ペルチェモジュールの省電流化を図れる。
【００６４】
さらに、バイメタルや形状記憶合金は非常に安価で小型の素子であるため、バイメタルまたは形状記憶合金を有する省電流制御素子を設ける構成の本発明は、装置の小型化と低価格化をより一層確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るペルチェモジュール装置の第１実施形態例の要部構成とその動作を模式的に示す説明図である。
【図２】上記第１実施形態例による発熱体の冷却適用例を示す説明図である。
【図３】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの電流―電圧特性を示すグラフである。
【図４】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの投入電流と吸熱量との関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態例に適用したペルチェモジュールの投入電流と成績係数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係るペルチェモジュール装置の第２実施形態例の要部構成を模式的に示す説明図である。
【図７】ペルチェモジュールの構成例を示す説明図である。
【図８】従来のペルチェモジュールを用いた冷却システムを示す説明図である。
【図９】本発明に係るペルチェモジュール装置の他の実施形態例を模式的に示す平面説明図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。
【図１０】本発明に係るペルチェモジュール装置の、さらに他の実施形態例を模式的に示す平面説明図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ ペルチェモジュール
２ 電極
３ 省電流制御素子
４ 固定部
５，５ａ，５ｂ 熱電変換素子
６ 第１の基板
７ 第２の基板
８ 接続回路
９ 発熱体
１１ ヒートシンク
２６ 吸熱側膜
Claims (5)
- 交互に１対以上配置されたＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子と、これらの熱電変換素子を接続する電極とを有して熱電変換素子の接続回路が形成され、該熱電変換素子の接続回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が吸熱側と成して他端側が放熱側と成すペルチェモジュールを有し、該ペルチェモジュールの吸熱側には絶縁性を有する板状または膜状の吸熱側部材が設けられ、前記熱電変換素子の接続回路には省電流制御素子が介設されており、該省電流制御素子は前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度に基づいて、該温度が回路開設定温度以下のときに熱電変換素子の接続回路を開とする回路開機能と、熱電変換素子の接続回路を開とした後に前記吸熱側部材または被冷却体あるいは両者の中間の温度が回路開設定温度より大きい回路閉設定温度以上になったときに、前記熱電変換素子の接続回路を閉とすることにより熱電変換素子の接続回路に再び電流が流れるようにする回路復帰機能とを有することを特徴とするペルチェモジュール装置。
- 省電流制御素子はペルチェモジュールの吸熱側部材またはその近傍に設けられていることを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール装置。
- ペルチェモジュールは、吸熱側部材の最大吸熱量を得るためにペルチェモジュールに必要な電流値の２０〜８０％の範囲内で設定した設定値の電流がペルチェモジュール駆動の定電圧印加時に流れるように内部抵抗を設定したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のペルチェモジュール装置。
- 回路開設定温度と回路閉設定温度の少なくとも一方が互いに異なる複数の省電流制御素子を有し、これら複数の省電流制御素子と熱電変換素子の接続回路との接続を切り換えるスイッチを有することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のペルチェモジュール装置。
- 省電流制御素子はバイメタルまたは形状記憶合金を有して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載のペルチェモジュール装置。
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