JP2007178043A - 熱流制御システムおよびペルチェモジュール動作特性推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー利用効率を高め、廃熱を低減してヒートアイランド現象を予防する。
【解決手段】熱伝導ブロック１の表面から複数方向に複数のヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、複数のヒートパイプ３Ａ〜３Ｃを熱的に接合させ、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃを独立に制御し、熱伝導ブロック１を介して温度制御対象６Ａから温度制御対象６Ｂ、蓄熱部５から温度制御対象６Ａ，６Ｂ、温度制御対象６Ａ，６Ｂから蓄熱部５へと熱を流す方向を変える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプやヒートパイプなどを用いた熱流制御システムおよびペルチェモジュール動作特性推定方法に関する。

従来、発熱体を冷却する方法としては、冷媒を発熱体に接触させて循環させたり、ファンを回して空冷したり、コンプレッサー方式で冷却する方法が一般的である。これらの方法は、熱流制御が難しい、熱回収効率が悪い、また、騒音が発生する等のデメリットがある。また、局部の冷却や急速冷却を必要とするときに使えないケースがある。

コンプレッサーに関しては、最近では、脱フロンガスなどエコロジー志向の高まりを受け、これを使わない電子式冷却の方式が普及し始めている。この電子式冷却には、ペルチェ効果を利用した固体冷却素子であるペルチェモジュール（素子）が用いられている。ペルチェ効果とは、性質の異なる２つの金属や半導体を接続した電気回路をつくりこれに電流を流すと、２つの接点間で、一方が吸熱、他方が発熱という温度差が生じる現象である。

従って、このペルチェモジュールは、第１に、ソリッドステート・タイプなので小型化が可能である。第２に、直流電流を流すだけで可動部分がないため取り扱いが簡単な上、騒音、振動がない。第３に、±０．１℃の精度で高精度の温度コントロールが可能。第４に、信頼性が高く密封部品としてノーメンテナンスで使用できる、などの特徴を有する。また、電源極性の切り替えで加熱、冷却の両作用が可能であるため、熱流を制御する素子としてＣＰＵの冷却やワンボックス切り替えタイプの温冷蔵庫などに使用されたりしている（例えば、特許文献１参照）。

ペルチェモジュールの温度コントロール領域を拡大する方式としては、カスケードタイプのペルチェモジュールがある。これは、熱電変換素子をピラミッド状に複数層積み重ねることにより、上段（小面積）側で吸熱した熱量を下段（大面積）側へ放熱するもので、吸熱面積によって吸熱量をコントロールし、隣接する積層素子間の吸発熱収支をバランスさせている（例えば、非特許文献１参照）。
特許第３３４３２８６号公報 坂田 亮、外３５名、「熱電変換工学 −基礎と応用−」、リアライズ社、平成１３年３月３０日、ｐ．２９−３３、１４１−１４３

都市部では、ビルや家庭の冷房による廃熱のため、夏場にヒートアイランド現象が発生するという問題が生じている。そこで、これらの低温排熱を有効に蓄熱、輸送することで省エネを実現したり、ヒートアイランド現象を回避したりする技術が求められている。また、ＣＯ_２などの温室効果ガスやオゾン層を破壊するガスを放出する機器の使用は認められなくなってきている。

また、各種電子機器については、ＣＰＵやパワエレ素子の発熱に伴う性能低下問題も大きく、これらの状況から、局部急冷や熱輸送のニーズが大きくなることが予想される。

本発明はこのような実情を考慮してなされたもので、エネルギー利用効率が高く、ヒートアイランド現象を予防する熱流制御システムおよびペルチェモジュール動作特性推定方法を提供することを目的とする。

本発明の熱流制御システムは、熱を蓄える蓄熱手段と、この蓄熱手段および複数の温度制御対象内にそれぞれ設けられた複数の熱交換器と、それぞれの前記熱交換器に熱的に接合され、電力の供給を受けて熱を輸送する複数のヒートポンプと、それぞれの前記ヒートポンプの間に熱的に接合されて配置され、熱を輸送する複数のヒートパイプとを備える複数の熱輸送手段と、複数の前記熱輸送手段に熱的に接合され、それぞれの前記熱輸送手段および前記蓄熱手段間で熱を伝導する熱伝導手段と、それぞれの前記ヒートポンプへの電力供給量を制御して熱輸送量を前記ヒートポンプごとに制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のペルチェモジュール動作特性推定方法は、ペルチェモジュールのモジュール間温度と吸熱量の特性曲線の回帰近似とこの回帰近似線の係数の回帰近似から、モジュール電流とモジュール間温度差を変数としたモジュール吸熱量もしくはモジュール消費電力の計算式を導出することを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプの熱輸送量をヒートポンプごとに独立に制御するので、ヒートポンプを使った熱流制御システムでコントロール可能な温度範囲を拡大し、エネルギー利用効率を高めることができる。また、廃熱を低減してヒートアイランド現象を予防することができる。

本発明の骨子は、効率よく熱を輸送し、外部に熱を排出せず、温暖化ガスを排出も使用もしない低コストシステムで、高効率な温熱冷熱供給および蓄熱を実現する熱流制御システムを提供することである。

以下、前述した考え方に基づく本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態にしたがった熱流制御システムの装置概要図である。図１に示すように、本実施形態にしたがった熱流制御装置は、熱伝導ブロック１と、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃと、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃと、熱交換器４Ａ〜４Ｃと、蓄熱部５と、温度制御対象６Ａ，６Ｂと、温度計７Ａ〜７Ｏとを備える。熱伝導ブロック１の異なる面にヒートポンプ２Ａ〜２Ｃが熱的に接合され、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃがヒートポンプ２Ａ〜２Ｃにそれぞれ熱的に接合される。ヒートパイプ３Ａは温度制御対象６Ａに設けられた熱交換器４Ａに熱的に接合され、ヒートパイプ３Ｂは温度制御対象６Ｂに設けられた熱交換器４Ｂに熱的に接合される。ヒートパイプ３は蓄熱部５に設けられた熱交換器４Ｃに熱的に接合される。

この際、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃ、熱交換器４Ａ〜４Ｃ、蓄熱部５、温度制御対象６Ａ，６Ｂ、温度計７Ａ〜７Ｏは、それぞれ互いに放熱シリコングリースやシリコンゲルやカーボンなどからなる高熱伝導性の材料、および、アルミや銅やニッケルなどの熱伝導性の良い材料からなる熱伝導ブロック１を介して接続される。

熱の輸送流路となるヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃ、熱伝導ブロック１は断熱材８で被覆され、外部と断熱される。これにより外部への熱ロスを極力小さくする。

熱伝導ブロック１とヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃとヒートパイプ３Ａ〜３Ｃ、ヒートパイプ３Ａ，３Ｂと温度制御対象６Ａ，６Ｂ、温度制御対象６Ａ，６Ｂ内の熱交換器４Ａ，４Ｂとヒートパイプ３Ａ，３Ｂなどの接続は、高熱伝導性材料を介しての圧着、ねじ止めなど、吸発熱対象の形状に適した方法、熱伝導を高く維持できる方法をケースバイケースで採用する。断熱材８は、グラスウール、ロックウール、木質繊維断熱材、古紙再生系断熱材、硬質ウレタンボード、真空スチール管などで構成される。

各温度制御対象６Ａ，６Ｂに伸びたヒートパイプ３Ａ，３Ｂとそれらに接続したヒートポンプ２Ａ〜２Ｃは無駄なく温度制御対象６Ａ，６Ｂへ冷熱を供給（吸熱）して温度制御対象６Ａ，６Ｂを冷却したり、無駄なく温熱を供給（発熱）して温度制御対象６Ａ，６Ｂを暖めたりするために、熱の流れの方向を揃える。そして、互いの熱収支に矛盾が生じないように熱流量を調節する。例えば、図１の温度制御対象６Ｂを冷房したい場合には、温度制御対象６Ｂから中央の熱伝導ブロック１へ温熱を輸送するようにヒートポンプ２Ｂを動作させる。

熱伝導ブロック１に輸送された熱は、蓄熱部５に輸送され、蓄熱部５は、温度制御対象からの吸発熱分を蓄熱する。温度制御対象６Ａ，６Ｂを冷房すれば蓄熱部５には温熱が蓄熱され、温度制御対象６Ａ，６Ｂを暖房すれば蓄熱部５に冷熱が蓄熱される仕組みである。

このようにすることで、熱伝導ブロック１の表面から複数方向に複数のヒートポンプ２Ａ〜２Ｃと複数のヒートパイプ３Ａ〜３Ｃを熱的に接合させておいて、熱伝導ブロック１を介して温度制御対象６Ａから温度制御対象６Ｂ、蓄熱部５から温度制御対象６Ａ，６Ｂ、温度制御対象６Ａ，６Ｂから蓄熱部５へと熱を流す方向を自由に変えることができるようになるとともに、温熱も冷熱も排出せず熱を効率よく使用することができるようになる。

ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃとしては、ペルチェモジュールを使用することができる。ペルチェモジュールを使用することにより、ヒートポンプ部の小型化が可能になる。また、直流電流を流すだけで可動部分がないため、その取り扱いにおいて、騒音や振動をなくすことができる。さらに、±０．１℃の精度で高精度の温度コントロールや高信頼性の密封部品としてのノーメンテナンス使用が可能となる。電源極性の切り替えで加熱、冷却の両作用が可能であるため、熱流弁として制御しやすい。

ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃは、蛇行細管型ヒートパイプもしくは自励振動式ヒートパイプを使用することで、熱流制御システムの性能を向上させることができる。具体的には、適用姿勢による大幅な熱輸送能力の変化がないため、適用機器の設計自由度が大きい。

また、重力の影響を受けにくいため、９Ｇの加速環境や無重力環境でも作動する。さらに、潜熱と顕熱の混合輸送により、従来のヒートパイプを凌駕した熱輸送能力を有し、細管の蛇行数を増減することで受放熱量を加減できるため、小容量から大容量に至る広範囲な適用領域が得られる。

また、ウイック等内部構造のない細管をコンテナとして使用するため、自由に屈曲することができ、また、それにより性能が大幅に低下することがない。その他、水以外の冷媒を適用可能なため、氷点下の温度でも作動する、平板な金属を蛇行細管のコンテナとして使用できるため面実装が可能である、アルミ、銅、ステンレス鋼、チタンなど、多様なコンテナを選ぶことができる、というメリットもある。
熱交換器４Ａは、どのようなものを使用しても構わないが、温度制御対象６Ａが室である場合には、放熱フィン４Ａａとファン４Ａｂとで構成されるものが構造的に単純であり、コスト的にも安く製作することができる。熱交換器４Ｂ，４Ｃも同様の構成である。

蓄熱部５は、宇宙用途や特別な高温、極低温などを対象とする以外は、高価な蓄熱材ではなく水を入れた水槽５ａを使用することで十分な蓄熱が可能である。ただし、温度制御対象の規模によって、水や氷の量はコントロールする必要がある。また、水槽５ａは断熱材５ｂで覆い、外部への熱ロスがないように十分注意しなければならない。また、蓄熱部５は、水槽５ａの水の交換を行うための入水弁５ｃおよび出水弁５ｄを備える。

温度制御対象６Ａ，６Ｂは、断熱壁６Ａａ，６Ｂａで覆われた保温性の良い室である。

図２は、本発明の実施形態にしたがった熱流制御システムのシステム構成図である。図２に示すように、本実施形態にしたがった熱流制御システムは、図１に示す熱流制御装置と、温度コントローラ２１と、制御部２４と、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃとを備える。

温度コントローラ２１は、データロガー２２と、ＰＣ２３とを備え、ＰＣ２３は、ＡＤ／ＤＡ変換部２３ａと、デジタルＩＯ部２３ｂとを備える。制御部２４は、極性切換リレー回路２４ａと、速度調節回路２４ｂと、駆動用電源２４ｃと、中継端子台２４ｄと、スイッチ２６Ａ〜２６Ｃと、速度調整用ボリューム２７Ａ〜２７Ｃと、ノイズフィルタ２８と、ヒューズ２９と、緊急遮断用スイッチ３０とを備える。

図２に示すように、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃは、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃとの接合部分に温度ヒューズ９Ａ〜９Ｃを備え、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの温度がヒートパイプ３Ａ〜３Ｃの使用温度限界を超えないようにヒートポンプ性能にリミッターを備える。

温度ヒューズ９Ａ〜９Ｃは、熱輸送媒体やヒートパイプ３Ａ〜３Ｃの種類に合わせて、指定の温度の物を選択し、各ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃに取り付けることで、安全装置の役割を果たす。例えば、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃの作動液がブタンで高温動作限界が１４０℃の場合、１００℃の温度ヒューズ９Ａ〜９Ｃをヒートパイプ３Ａ〜３Ｃとヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの接合部に密着させておけば、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの表面温度が１２０℃程度になったときに温度ヒューズ９Ａ〜９Ｃが切れてヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの電源が遮断され、強制的に高温部の温度がそれ以上に上がらない仕組みにする。

また、ヒートポンプがペルチェモジュールの場合、温度コントローラ２１は、図５、図６に示すようなペルチェモジュールの吸発熱特性を予め計算式の形で記憶し、ペルチェモジュール両面の温度を定期的に観測してペルチェモジュールへの入力電力とモジュール両面の温度差から吸発熱量を算出する。そして、温度制御対象の現状温度と熱容量から所望の吸発熱量をＰＩＤ（比例積分微分）制御する機能が設けられる。

具体的に説明すると、それぞれのヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの電極は、電源線を介して、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃと接続される。直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃは、ＡＣコンセントからの交流電圧を整流して直流電圧に変換する。そして直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃは、信号線を介して温度コントローラ２１と接続され、温度コントローラ２１の外部入力で出力を制御される。

熱流制御装置の各部に設けられた、熱電対などからなる温度計７Ａ〜７Ｏは、温度コントロールのために信号線を介してコントローラ２１と接続される。直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃは、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃに電力を供給する。直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃとヒートポンプ２Ａ〜２Ｃの間には極性切換リレー回路２４ａが挿入されており、温度制御対象を暖房するか冷房するか、温度制御対象に対して吸熱作用を与えるか発熱作用を与えるかによって、極性を切替えられるようになっている。

温度コントローラ２１は、温度計７Ａ〜７Ｏの出力をモニタリングしながら直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃの出力を最適に調整してヒートポンプ２Ａ〜２Ｃに電力を供給する。これにより、ヒートポンプごとに、個別の最適な電力を入力することができる。温度コントローラ２１は、温度計７Ａ〜７Ｏが測定した温度状態を監視し、監視する温度状態に基づいて、ＰＩＤ制御などにより熱バランスを計算して、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃからヒートポンプ２Ａ〜２Ｃへの電力供給量をコントロールする。

データロガー２１は、温度計７Ａ〜７Ｏの計測値を収集し、ＬＡＮ通信等により計測値をＰＣ２３に送る。ＰＣ２３は、データロガー２１からの計測値に基づいて、ＰＩＤ制御によりヒートポンプ２Ａ〜２Ｃに供給する電力を制御する。ＰＣ２３には、所定の制御アルゴリズムソフトウエアが組み込まれている。ＡＤ／ＤＡ変換部２３ａは、制御量として電流値を直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃに供給し、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃの電圧値をモニタリングする。デジタルＩＯ部２３ｂは、極性切換リレー回路２４ａ、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃを制御するための制御信号を出力する。

駆動用電源２４ｃは、ファン４Ａｂ，４Ｂｂ、蓄熱部５に備えられた攪拌器５ｅを駆動させるための電源で、ノイズフィルタ２８と、ヒューズ２９と、緊急遮断用スイッチ３０とが備えられている。スイッチ２６Ａ〜２６Ｃは、ファン４Ａｂ，４Ｂｂ、攪拌器５ｅのＯＮ／ＯＦＦを切り換えるためのものである。速度調整用ボリューム２７Ａ〜２７Ｃは、ファン４Ａｂ，４Ｂｂ、攪拌器５ｅの回転速度を調整できるようになっている。

本実施形態の熱流制御システムは、温度制御対象６Ａ，６Ｂと蓄熱部５との間に熱流弁としてのヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ（ペルチェモジュール）を設け、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃを制御することで、熱量を温度制御対象６Ａ，６Ｂと蓄熱部５との間で双方向に輸送する。温度制御対象６Ａ，６Ｂの温度を効率よく、任意の温度に保つ試験を行うことを目的とする。なお、制御方式は温度制御対象６Ａ，６Ｂの温度に対する各ヒートポンプ（ペルチェモジュール）への入力電流を操作量としたＰＩＤ制御である。以下、本実施形態の熱流制御システムの動作を説明する。

まず、温度制御対象６Ａの温度Ｔ_１を温度計７Ａで計測する。そして、ファン４Ａｂは温度制御対象６Ａ内の空気を対流させて室内の温度を均一にする。温度計７Ｂは熱交換器４Ａの温度を計測する。温度計７Ｃはヒートパイプ３Ａと熱交換器４Ａの接合部のヒートパイプ３Ａの温度を計測する。温度計７Ｄ，７Ｅはヒートポンプ２Ａの両面の温度をそれぞれ計測する。温度計７Ｆ，７Ｇはヒートポンプ２Ｃの両面の温度をそれぞれ計測する。温度計７Ｋ，７Ｌはヒートポンプ２Ｂの両面の温度をそれぞれ計測する。そして、温度コントローラ２１は各温度計の出力をモニタリングする。熱伝導ブロック１を熱流弁としてのヒートポンプ２Ａ〜２Ｃで囲むことにより、一種の熱スイッチ（熱流方向切り替え機）が構成されている。

例えば、温度制御対象６Ａを冷やして温度制御対象６Ｂを温めたい場合には、温度コントローラ２１は、ヒートポンプ２Ａとヒートポンプ２Ｂにそれぞれ入力電力（消費電力）Ｐ_１，Ｐ_２を与えて、それぞれ左から右の方向に熱を輸送するように電流を流し、スイッチングする。ヒートポンプ（ペルチェモジュール）の吸熱量は、モジュール間温度と入力電流の関数であるので、熱的に直列に結合されているペルチェモジュール間ではそれぞれの吸熱量と消費電力と放熱量の関係に矛盾が無いように熱設計をする必要がある。

ここで、具体的なヒートポンプ（ペルチェモジュール）への入力コントロール方法について説明する。

本実施形態の熱流制御システムでは、制御対象である温度Ｔ_１（Ｔ_２）に対して、Ｉ_１（Ｉ_２）を主操作量としたＰＩＤ制御を行う。ただし、下記の条件式により求めた値Ｉ_Ｃを副操作量として、温度制御対象側、蓄熱部側両方のヒートポンプ（ペルチェモジュール）を同時に制御する。
以下、副操作量Ｉ_Ｃの算出方法について説明する。それぞれの熱輸送方向に応じて、以下の条件式が成り立つＩ_Ｃを求める。

熱輸送方向がＴ_１→Ｔ_Ｃの場合、
Ｑ_Ｃ≧Ｑ_１＋Ｐ_１ （数式１）
熱輸送方向がＴ_２→Ｔ_Ｃの場合、
Ｑ_Ｃ≧Ｑ_２＋Ｐ_２ （数式２）
熱輸送方向がＴ_１→Ｔ_２の場合、
Ｑ_２≧Ｑ_１＋Ｐ_１ （数式３）
熱輸送方向がＴ_１←Ｔ_Ｃの場合、
Ｑ_Ｃ≦Ｑ_１＋Ｐ_１ （数式４）
熱輸送方向がＴ_２←Ｔ_Ｃの場合、
Ｑ_Ｃ≦Ｑ_２＋Ｐ_２ （数式５）
熱輸送方向がＴ_１←Ｔ_２の場合、
Ｑ_２≦Ｑ_１＋Ｐ_１ （数式６）
ただし、Ｑ_ｎおよびＰ_ｎは次式より求める。

Ｑ_ｎ＝−０．８ΔＴｎ＋（Ｃ_１・Ｉ_ｎ ^４＋Ｃ_２・Ｉ_ｎ ^３＋Ｃ_３・Ｉ_ｎ ^２+Ｃ_４・Ｉ_ｎ） （数式７）
Ｐ_ｎ＝２．７９２４Ｉ_ｎ ^２−０．９６６５Ｉ_ｎ （数式８）
ここで、ｎ＝１，ｃ，２、ΔＴ_１＝（温度計７Ｄの計測値）−（温度計７Ｅの計測値）、 ΔＴ_Ｃ＝（温度計７Ｇの計測値）−（温度計７Ｆの計測値）、ΔＴ_２＝（温度計７Ｋの計測値）−（温度計７Ｌの計測値）、Ｃ_１＝−０．０９６８，Ｃ_２＝１．３３２９，Ｃ_３＝−６．９９６４，Ｃ_４＝２４．７０４（初期値）である。

また、次式より、実際の入力電力Ｐ_１，Ｐ_Ｃ，Ｐ_２をチェックする。

Ｐ_ｎ＝Ｉ_ｎ×Ｖ_ｎ （数式９）
また、上記において、Ｔ_１，Ｔ_２は温度制御対象６Ａ，６Ｂの温度、Ｔ_Ｃは蓄熱部５の温度、Ｉ_１，Ｉ_２はヒートポンプ２Ａ，２Ｂへの入力電流[Ａ]（主操作量）、Ｉ_Ｃはヒートポンプ２Ｃへの入力電流[Ａ]（副操作量）、Ｑ_１，Ｑ_２はヒートポンプ２Ａ，２Ｂの吸熱量[Ｗ]（算出値）、Ｑ_Ｃはヒートポンプ２Ｃの吸熱量[Ｗ]（算出値）、Ｐ_１，Ｐ_２はヒートポンプ２Ａ，２Ｂへの入力電力[Ｗ]（算出値）、Ｐ_Ｃはヒートポンプ２Ｃへの入力電力[Ｗ]（算出値）である。

上記のＱ_ｎおよびＰ_ｎを求める（数式７），（数式８）の係数は、ヒートポンプとして使用するペルチェモジュールの特性によって異なり、図３に示すような特性からの回帰近似により、決定することが可能である。図３はペルチェモジュールの特性を示す図である。図３に示すペルチェモジュールのモジュール間温度と吸熱量の特性曲線の回帰近似とこの回帰近似線の係数の回帰近似から、モジュール電流とモジュール間温度差を変数とした（数式７），（数式８）を導出する。

以上のように本実施形態にしたがった熱流制御システムは、熱伝導ブロック１の表面から複数方向に複数のヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、複数のヒートパイプ３Ａ〜３Ｃを熱的に接合させ、ヒートポンプ２Ａ〜２Ｃを独立に制御するので、熱伝導ブロック１を介して温度制御対象６Ａから温度制御対象６Ｂ、蓄熱部５から温度制御対象６Ａ，６Ｂ、温度制御対象６Ａ，６Ｂから蓄熱部５へと熱を流す方向を自由に変えることができ、温熱も冷熱も排出せず熱を効率よく使用することができるようになる。具体的には、例えば夏の日に冷房を利かせて居間で読書をした後、冷房の利いていない寝室に移動する場合など、寝室を新たに冷房すると居間の冷気が無駄になるので、本発明の熱流制御システムを用いて居間の冷熱を寝室に移動することで、省エネ冷房を実現することができる。また、吸熱した熱は通常のエアコンであれば室外機で排熱されてしまうが、本発明の熱流制御システムでは、蓄熱部５に蓄熱されるため、温水などを作る熱に利用でき省エネとヒートアイランド予防の両方の効果がある。

例えば、入力電力（消費電力）１０Ｗで２０Ｗの冷房を行うエアコンがある場合には、冷房能力の成績係数ＣＯＰは、２０Ｗ／１０Ｗ＝２．０とカウントされる。本発明の熱流制御システムでは、ペルチェモジュールを使ったヒートポンプにより温熱と冷熱の両方の熱を同時に利用するため、つまり吸熱した熱を捨てずに給湯に使ったりするため、１０Ｗの消費電力で２０Ｗの冷房と３０Ｗ（消費電力による発熱＋吸熱量の放熱分）の給湯（暖房）を行うことになる。この場合、成績係数ＣＯＰは、（２０Ｗ＋３０Ｗ）／１０Ｗ＝５．０となり、高いエネルギー利用効率を実現できる。

さらに、温度コントローラ２１による制御により、複数のヒートポンプの中の一台だけを動かして、高温側から冷温側への熱の逆流入を防いだり、設定可能な温度の精度を高めることができる。この熱流制御では、温度コントローラ２１が温度計７Ａ〜７Ｏによる温度のモニタリング結果に基づいてＰＩＤ演算を行うことにより、ヒートポンプの電力を調整して安定な温度制御と温度誤差の最小化を実現する。

また、熱の輸送流路となるヒートポンプ２Ａ〜２Ｃ、ヒートパイプ３Ａ〜３Ｃ、熱伝導ブロック１や蓄熱部５、温度制御対象６Ａ，６Ｂの断熱に最適な材質や構造（真空断熱層や高性能断熱材）を備えて外部との断熱性を良くするので、熱ロスを抑えて、ヒートポンプへの入力電力量を節減することができる。

ここで、本実施形態の変形例を図４に示す。図４は、本発明の実施形態の変形例にしたがった熱流制御システムの装置概要図である。図４に示す熱流制御装置は、図１に示す熱流制御装置の構造に対して、ヒートパイプの接合延長やヒートポンプ数の追加を行って、規模を拡張して熱流制御する場合の例である。

図４に示すように、本実施形態の変形例にしたがった熱流制御装置は、熱伝導ブロック４１と、ヒートポンプ４２Ａ〜４２Ｇと、ヒートパイプ４３Ａ〜４３Ｊと、熱交換器４４Ａ〜４４Ｃと、蓄熱部４５と、温度制御対象４６Ａ，４６Ｂと、温度計４７Ａ〜４７Ｚ，４８Ａ〜４８Ｆとを備える。

熱伝導ブロック１の異なる面にヒートポンプ４２Ｃ，４２Ｄ，４２Ｇが熱的に接合される。温度制御対象４６Ａに設けられた熱交換器４４Ａに熱的に接合されたヒートポンプ４２Ａとヒートポンプ４２Ｃとの間にはヒートポンプ４２Ｂが配置されており、ヒートポンプ４２Ａとヒートポンプ４２Ｂとの間にはヒートパイプ４３Ａ，４３Ｂが配置され、ヒートポンプ４２Ｂとヒートポンプ４２Ｃとの間にはヒートパイプ４３Ｃ，４３Ｄが配置される。

温度制御対象４６Ｂに設けられた熱交換器４４Ｂに熱的に接合されたヒートポンプ４２Ｆとヒートポンプ４２Ｄとの間にはヒートポンプ４２Ｅが配置されており、ヒートポンプ４２Ｄとヒートポンプ４２Ｅとの間にはヒートパイプ４３Ｅ，４３Ｆが配置され、ヒートポンプ４２Ｅとヒートポンプ４２Ｆとの間にはヒートパイプ４３Ｇ，４３Ｈが配置される。ヒートパイプ４３Ｉ，４３Ｊは、ヒートポンプ４２Ｇと、蓄熱部４５に設けられた熱交換器４４Ｃとの間に配置される。

ヒートポンプ４２Ａ〜４２Ｇとしては、ペルチェモジュールを使用することができ、ヒートパイプ４３Ａ〜４３Ｊは、蛇行細管型ヒートパイプもしくは自励振動式ヒートパイプを使用することができる。

熱の輸送流路となるヒートポンプ４２Ａ〜４２Ｇ、ヒートパイプ４３Ａ〜４３Ｊ、熱伝導ブロック４１は断熱材５８で被覆され、外部と断熱される。

温度制御対象４６Ａ，４６Ｂは、断熱壁４６Ａａ，４６Ｂａで覆われた保温性の良い室である。熱交換器４４Ａは、放熱フィン４４Ａａとファン４４Ａｂとで構成される。熱交換器４４Ｂ，４４Ｃも同様の構成である。

蓄熱部４５は、水槽４５ａと、水槽４５ａを覆う断熱材４５ｂと、水槽４５ａの水の交換を行うための入水弁４５ｃおよび出水弁４５ｄを備える。

図４に示す熱流制御装置を用いて熱流制御システムを構成する場合、図２に示す熱流制御システムと同様に、温度コントローラ２１と、制御部２４と、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｃとを備えた構成とする。ただし、増加したヒートパイプのための電源として、直流安定化電源２５Ｄを追加する。

本実施形態の変形例においても、温度コントローラ２１は、温度計４７Ａ〜４７Ｚ，４８Ａ〜４８Ｆの出力をモニタリングしながら直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｄの出力を最適に調整してヒートポンプ４２Ａ〜４２Ｇに電力を供給する。これにより、ヒートポンプごとに、個別の最適な電力を入力することができる。温度コントローラ２１は、温度計温度計４７Ａ〜４７Ｚ，４８Ａ〜４８Ｆが測定した温度状態を監視し、監視する温度状態に基づいて、ＰＩＤ制御などにより熱バランスを計算して、直流安定化電源２５Ａ〜２５Ｄからヒートポンプ４２Ａ〜４２Ｇへの電力供給量をコントロールする。

本実施形態の変形例にしたがった熱流制御システムは、ヒートポンプを複数積層させた多層構造により、吸発熱体の吸熱側と発熱側で制御可能な温度範囲を拡大させる利点を有した上で、吸発熱体の省電力化や温度コントロールの容易さ、吸発熱量の増大などを可能にする。

例えば、図５、図６に示す特性を持つペルチェモジュールで、１枚のペルチェモジュールでΔＴ＝７０℃の温室と冷室（例えば、冷側−５℃、温側６５℃）を実現しようとすると、消費電力に６Ａ×１６Ｖ＝９６Ｗが必要で、そのときの吸熱能力は高々３Ｗ程度であるが、図４に示すように複数枚のモジュールを多層化した形で使用すると、モジュールの枚数が増える分だけイニシャルコストも上がるが、モジュール一枚あたりのΔＴ分担が小さくてすむため、ペルチェ効果の効率の高い入出力領域でモジュールを動作させることができるようになり、トータルの消費電力を抑えることができるようになる。

例えば、一番右側のモジュール（ヒートポンプ４２Ｆ）がモジュール両面の温度差ΔＴ＝１０℃を分担するとして１Ａ×２．５Ｖ＝２．５Ｗの消費電力で１０Ｗの吸熱能を持つ。２枚目のモジュール（ヒートパイプ間に挟まれたヒートポンプ４２Ｅ）がΔＴ＝２５℃を分担するとして２Ａ×５．５Ｖ＝１１Ｗの消費電力で１３Ｗの吸熱能を持つ。３枚目のモジュール（熱伝導ブロック４１に接するヒートポンプ４２Ｄ）がΔＴ＝３５℃を分担するとして５Ａ×１２．５Ｖ＝６２．５Ｗの消費電力で２７Ｗの吸熱能を持つ。

したがって、３枚のモジュールを使うことにより、７６Ｗの入力でΔＴ＝７０℃と吸熱能力１０Ｗが達成されており、２者の比較をすると、後者のほうが２０Ｗ消費電力を低減し、かつ、吸熱能力を３Ｗから１０Ｗへと引き上げている点において、性能が優れていると言える。

また、異なる特性のモジュールを用いることで、ΔＴの温度分配や動作温度、入力電力などを調節して、より低コストで低消費電力な熱流制御システムを実現できる可能性もある。温度コントローラ２１に多入力フィードバック制御プログラムを搭載することで、精度の良い温度コントロールを実現することもできる。

なお、温度制御対象、ヒートポンプ、ヒートパイプ等の数量は上記実施形態に限定されず、温度制御対象の追加、ヒートパイプの接合延長、ヒートポンプ数の追加などにより規模を拡張することができる。また、ヒートポンプの大きさ、容量、ヒートパイプの長さ、形状、熱交換器の面積やファンの大きさ等は自由に組み合わせることができ、設計の自由度が大きくなる。

本発明の実施形態にしたがった熱流制御システムの装置概要図である。 本発明の実施形態にしたがった熱流制御システムのシステム構成図である。 ペルチェモジュールの吸熱温度特性の一例を示す図である。 本発明の実施形態の変形例にしたがった熱流制御システムの装置概要図である。 ペルチェモジュールの吸熱温度特性の一例を示す図である。 図５に示した特性をもつペルチェモジュールと同じペルチェモジュールの駆動電圧に対する吸熱面と発熱面の温度差の特性の一例を示す図である。

符号の説明

１，４１ 熱伝導ブロック
２Ａ〜２Ｃ，４２Ａ〜４２Ｇ ヒートポンプ
３Ａ〜３Ｃ，４３Ａ〜４３Ｊ ヒートパイプ
４Ａ〜４Ｃ，４４Ａ〜４４Ｃ 熱交換器
５，４５ 蓄熱部
６Ａ，６Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ 温度制御対象
７Ａ〜７Ｏ，４７Ａ〜４７Ｚ，４８Ａ〜４８Ｆ 温度計
２１ 温度コントローラ
２４ 制御部
２５Ａ〜２５Ｄ 直流安定化電源

Claims (12)

1. 熱を蓄える蓄熱手段と、
   この蓄熱手段および複数の温度制御対象内にそれぞれ設けられた複数の熱交換器と、
   それぞれの前記熱交換器に熱的に接合され、電力の供給を受けて熱を輸送する複数のヒートポンプと、それぞれの前記ヒートポンプの間に熱的に接合されて配置され、熱を輸送する複数のヒートパイプとを備える複数の熱輸送手段と、
   複数の前記熱輸送手段に熱的に接合され、それぞれの前記熱輸送手段および前記蓄熱手段間で熱を伝導する熱伝導手段と、
   それぞれの前記ヒートポンプへの電力供給量を制御して熱輸送量を前記ヒートポンプごとに制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする熱流制御システム。
2. 熱を蓄える蓄熱手段と、
   この蓄熱手段および複数の温度制御対象内にそれぞれ設けられた複数の熱交換器と、
   それぞれの前記熱交換器に熱伝導性材料を介して熱的に接合され、電力の供給を受けて熱を輸送する複数のヒートポンプと、それぞれの前記ヒートポンプの間に熱伝導性材料を介して熱的に接合されて配置され、熱を輸送する複数のヒートパイプとを備える複数の熱輸送手段と、
   複数の前記熱輸送部に熱伝導性材料を介して熱的に接合され、それぞれの前記熱輸送手段および前記蓄熱手段間で熱を伝導する熱伝導手段と、
   それぞれの前記ヒートポンプへの電力供給量を制御して熱輸送量を前記ヒートポンプごとに制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする熱流制御システム。
3. 熱を蓄える蓄熱手段と、
   この蓄熱手段および複数の温度制御対象内にそれぞれ設けられた複数の熱交換器と、
   それぞれの前記熱交換器に接合され、熱を輸送する複数のヒートパイプと、
   それぞれの前記ヒートパイプに接合され、電力の供給を受けて熱を輸送する複数のヒートポンプと、
   それぞれの前記ヒートポンプに接合され、各ヒートポンプ間で熱を伝導する熱伝導手段と、
   それぞれの前記ヒートポンプへの電力供給量を制御して熱輸送量を前記ヒートポンプごとに制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする熱流制御システム。
4. 前記ヒートポンプは、ペルチェモジュールであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱流制御システム。
5. 前記制御手段は、
   前記ペルチェモジュールの吸発熱特性を記憶する手段と、
   それぞれの前記ペルチェモジュールの両面の温度を定期的に観測して前記ペルチェモジュールへの入力電力と前記ペルチェモジュールの両面の温度差から吸発熱量を算出し、前記温度制御対象の現状温度と熱容量から吸発熱量をＰＩＤ制御する手段と
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の熱流制御システム。
6. 前記ヒートパイプは、蛇行細管型ヒートパイプもしくは自励振動式ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の熱流制御システム。
7. 前記熱交換器は、
   前記温度制御対象内に熱を放出する放熱フィンと、
   前記温度制御対象内の空気を対流させるファンと
   を備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の熱流制御システム。
8. 前記蓄熱手段は、断熱材で覆われた水槽であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の熱流制御システム。
9. 前記温度制御対象は、断熱壁構造を有する室であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の熱流制御システム。
10. 前記ヒートポンプ、前記ヒートパイプ、前記熱伝導手段のすべてを被覆する断熱手段を備えることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の熱流制御システム。
11. 前記ヒートポンプと前記ヒートパイプとの接合部分に設けられ、前記ヒートポンプの表面温度がヒートパイプの使用限界温度に達したとき、前記ヒートポンプへの電力供給を遮断する複数の温度ヒューズを備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の熱流制御システム。
12. ペルチェモジュールのモジュール間温度と吸熱量の特性曲線の回帰近似とこの回帰近似線の係数の回帰近似から、モジュール電流とモジュール間温度差を変数としたモジュール吸熱量もしくはモジュール消費電力の計算式を導出することを特徴とするペルチェモジュール動作特性推定方法。
    
    
    
    

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