JP2016115691A

JP2016115691A - 熱電素子駆動装置

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Publication number: JP2016115691A
Application number: JP2014250504A
Authority: JP
Inventors: 佐野　勇司; Yuji Sano; 勇司佐野
Original assignee: Toyo University
Current assignee: Toyo University
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: JP6583905B2

Abstract

【課題】熱電素子の駆動電流の実効値を抑制して熱電素子自体の発熱を低減できる熱電素子駆動装置。【解決手段】直流電源Ｖｃｃと、直流電源の一端に一端が接続された熱電素子ＰＬと、直流電源の一端に一端が接続されたコイルＬと、熱電素子の両端に接続されたコンデンサＣと、コイルの他端に一端が接続され熱電素子の他端に他端が接続された還流ダイオードＤと、コイルの他端と還流ダイオードＤの一端に一端が接続され、直流電源の他端に他端が接続され、熱電素子を駆動する駆動素子ＳＷとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属やＰ型とＮ型の半導体を接合して構成される熱電素子駆動装置に関する。

熱電素子に電流を流した時に生じる熱伝送・発熱吸熱現象であるペルチェ効果やトムソン効果を利用して、部品などを静かに冷却又は温熱、又は冷却及び温熱の両方を行うことができる温度制御装置が用いられている。

熱電素子を用いた温度制御装置は、構造も簡単で局所的に冷却と温熱とが行えるので、乗用車の狭い室内で使用される小型冷却温熱庫や、パーソナルコンピュータ等のＣＰＵ（中央処理装置）や天体望遠鏡用撮像素子などの電子部品や、手術中の局所部位の冷却に用いられている。

さらに、冷媒を循環させる冷蔵庫や恒温槽に対して、動作時に熱電素子自体から音が発生しないため、静穏性が重視される高級ホテルの室内冷却温熱庫にも用いられている。また、熱電素子は、環境汚染物質の排出も抑えられるため、地球環境に優しい素子として注目されている。

ペルチェ効果においては、熱電素子に流す電流の平均値に比例した熱の伝送が得られる。これらの装置における熱電素子は、通常、駆動回路部分の発熱を抑えると共に正確に制御可能なＰＷＭ（パルス幅変調）やＰＤＭ（パルス密度変調）などにより制御されたパルス電流により駆動されている。

通常、熱電素子にはアンペアオーダの大きな電流を流す必要があるので、駆動回路部分の発熱を抑えるべくパルス電流により駆動されている。

なお、従来の技術として、例えば、特許文献１〜３に記載された技術が知られている。

特開平１１−０３７６００号公報特開平５−２１６５４５号公報特開２０１２−０８９５７６号公報

しかしながら、熱電素子で発生するジュール熱は駆動電流の実効値の２乗に比例するので、同じ平均電流を流した場合には、パルスのデューティサイクル（ＯＮ時間比）に反比例して増大する。従って、従来のパルス駆動時においては、自己発熱により冷却効果が抑制されていた。また、温熱効果の制御精度も抑制されていた。

本発明の課題は、熱電素子の駆動電流の実効値を抑制して熱電素子自体の発熱を低減することができる熱電素子駆動装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、直流電源と、前記直流電源の一端に一端が接続された熱電素子と、前記直流電源の一端に一端が接続されたコイルと、前記熱電素子の両端に接続されたコンデンサと、前記コイルの他端に一端が接続され前記熱電素子の他端に他端が接続された還流ダイオードと、前記コイルの他端と前記還流ダイオードの一端に一端が接続され、前記直流電源の他端に他端が接続され、前記熱電素子を駆動する駆動素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱電素子の駆動電流の実効値を抑制して熱電素子自体の発熱を低減することができる。

本発明の実施例１に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。本発明の実施例１に係る熱電素子駆動装置の各部の電流波形を示す動作説明図である。本発明の実施例１に係る熱電素子駆動装置の変形例の回路構成図である。本発明の実施例２に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。本発明の実施例３に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。本発明の実施例４に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。本発明の実施例５に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態の熱電素子駆動装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。図１において、直流電源Ｖｃｃの正極にはコイルＬの一端とペルチェ素子ＰＬの一端とコンデンサＣの一端とが接続されている。ペルチェ素子ＰＬの両端にはコンデンサＣが接続されている。

ペルチェ素子ＰＬは、熱電素子であり、この熱電素子は、異種金属やＰ型とＮ型の半導体を接合して構成され、電流に応じて熱量を移送するペルチェ効果と熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果を生じる。上記の接合部を熱伝導性の良好なセラミックスなどを介して冷却・温熱対象物に密着せさることによって熱移送効率を高めている。

コイルＬの他端にはスイッチＳＷの一端が接続され、電子的に制御可能なスイッチＳＷの他端及び直流電源Ｖｃｃの負極は接地されている。また、コイルＬの他端には例えば高速動作可能なショットキーバリアダイオードや高速ダイオードからなる還流ダイオードＤのアノードが接続され、還流ダイオードＤのカソードにはペルチェ素子ＰＬの他端が接続されている。

スイッチＳＷは、ペルチェ素子ＰＬを駆動するＭＯＳＦＥＴ或いはＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタなどの電子スイッチ素子からなる駆動素子を構成し、ＰＷＭ信号などのパルス制御信号により所定の周期でオン／オフすることによりペルチェ素子ＰＬを駆動する。図において、スイッチＳＷの他端と直流電源Ｖｃｃの負極は接地されているが、動作上は必ずしも接地する必要がないことは言うまでもない。また、直流電源Ｖｃｃと還流ダイオードＤの極性を共に反転して良いことも言うまでもない。

次に、このように構成された実施例１に係る熱電素子駆動装置の動作を図２に示す各部の電流波形を参照しながら説明する。図２において、ＩLはコイルＬに流れる電流、ＩswはスイッチＳＷに流れる電流、Ｉpはペルチェ素子ＰＬに流れる電流、ＩcはコンデンサＣに流れる電流を示している。

まず、時刻ｔ０において、ＰＷＭ信号によりスイッチＳＷをオンすると、直流電源ＶｃｃからコイルＬに電流ＩLが流れるとともに還流ダイオードＤは逆バイアスとなって遮断され、コンデンサＣからの放電電流Ｉcがペルチェ素子ＰＬに流れる。そして、時刻ｔ０〜ｔ１において、電流ＩLは増加し、コンデンサＣは電流Ｉcにより放電していく。この時、コンデンサＣの容量を十分に大きくしておけば、コンデンサＣの電圧変化を抑えることができ、ペルチェ素子ＰＬに流れる電流をほぼ一定値に維持した直流電流にすることができる。

次に、時刻ｔ１において、ＰＷＭ信号によりスイッチＳＷをオフすると、コイルＬの電磁エネルギーが放出されてコンデンサＣが充電されることによって、ペルチェ素子ＰＬに流れている直流電流Ｉｐの減少が抑えられてほぼ一定値に維持される。また、コイルＬからの電流ＩLは主にコンデンサＣに流れるので、ペルチェ素子ＰＬには略一定の直流電流Ｉｐを流すことができる。

即ち、ペルチェ素子ＰＬにコンデンサＣを並列に接続したり、直列にコイルＬを接続することによって、ペルチェ素子ＰＬの駆動電流の直流成分のみを残して交流成分を低減することによって実効値を抑制して熱電素子自体の発熱を低減することができる。また、ペルチェ素子ＰＬにコンデンサＣを並列に接続することによって、従来の簡単な制御回路を用いてスイッチＳＷをパルス信号によって制御してペルチェ素子ＰＬの平均電流を正確に調節することができる。

また、スイッチＳＷの他端及び直流電源Ｖｃｃの負極は接地されているので、安定にスイッチＳＷをパルス制御することができる。さらに、直流電源Ｖｃｃとペルチェ素子ＰＬ、還流ダイオードＤ、スイッチＳＷを構成する駆動素子の極性を反転した場合においても、直流電源Ｖｃｃの正極も交流的には安定な接地点と見なすことができるので、同様な安定性が得られることは言及するまでもない。

図３は、本発明の実施例１に係る熱電素子駆動装置の変形例の回路構成図である。図３に示す変形例に係る熱電素子駆動装置は、図１に示す熱電素子駆動装置の直流電源Ｖｃｃに代えて、交流電源ＶａｃとダイオードＤ１〜Ｄ４からなる全波整流回路とを用いたことを特徴とする。全波整流回路は整流回路であれば半波整流回路等に置き換え可能であることは言うまでもない。

ダイオードＤ１のアノードは交流電源Ｖａｃの一端とダイオードＤ４のカソードに接続され、ダイオードＤ１のカソードはダイオードＤ３のカソードとコイルＬの一端に接続されている。ダイオードＤ２のアノードはスイッチＳＷの一端とダイオードＤ４のアノードに接続されている。ダイオードＤ２のカソードは交流電源Ｖａｃの他端とダイオードＤ３のアノードに接続されている。

このように構成された熱電素子駆動装置によれば、交流電源Ｖａｃの交流電圧をダイオードＤ１〜Ｄ４により全波整流して整流電圧をコイルＬとスイッチＳＷとの直列回路に供給する。コイルＬ、ペルチェ素子ＰＬ、コンデンサＣ、還流ダイオードＤの動作は、図２に示すそれらの動作と同様である。

本実施例においては、交流電源Ｖａｃの交流電圧が０Ｖ付近まで下がったタイミングにおいても、コンデンサＣの充電電圧からの影響を受けることなくコイルＬに交流電源Ｖａｃの整流電圧を加えて整流電圧振幅に追従した入力電流とペルチェ素子駆動電流を発生させることができるので、回路の力率を大幅に向上することができる。また、従来の直流安定化電源回路を介して交流電源を使用する熱電素子駆動装置においては、交流電源電流が一般に平滑コンデンサの充電タイミング時のみに集中して流れていた。しかし、本実施例においては常に電源電圧にほぼ比例した波形によって流すことができるので、入力電流の高調波成分を大きく低減して熱電素子駆動装置から発生する高周波ノイズも大幅に抑制することができる。さらに直流安定化電源回路を用いずに交流電源から直接に熱電素子を駆動することができるので、電力効率が高く小形で安価な熱電素子駆動装置が提供できる。

図４は、本発明の実施例２に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。図４において、直流電源Ｖｃｃの正極にはペルチェ素子ＰＬの一端とコンデンサＣの一端と還流ダイオードＤのカソードとが接続されている。ペルチェ素子ＰＬの両端にはコンデンサＣが接続されている。

ペルチェ素子ＰＬの他端にはコイルＬの一端が接続され、コイルＬの他端には還流ダイオードＤのアノードとスイッチＳＷの一端とが接続されている。スイッチＳＷの他端及び直流電源Ｖｃｃの負極は、接地されている。

このように構成された実施例２に係る熱電素子駆動装置によれば、ＰＷＭ信号によりスイッチＳＷがオンすると、直流電源Ｖｃｃから直列に接続されたペルチェ素子ＰＬを介してコイルＬに電流が流れるとともに、コンデンサＣにも電流が流れる。

次に、ＰＷＭ信号によりスイッチＳＷがオフすると、並列接続されたコンデンサＣに変動する電流成分はバイパスされてコンデンサＣからは直流電圧が供給されるので、ペルチェ素子ＰＬには一定値の直流電流が流れる。また、この時、コイルＬからは還流ダイオードＤを介してコンデンサＣとペルチェ素子ＰＬの並列回路に電流が流れて電磁エネルギーが放出されている。

ここで、素子自体に時間的に連続値を示す電流を流す特性をあるコイルＬがペルチェ素子ＰＬに常に直列接続されている。従って、コンデンサＣにはペルチェ素子ＰＬへの印加電圧を平坦化して一定の直流電流を流す作用があるものの、コンデンサＣを削除してペルチェ素子ＰＬに並列接続しなくてもコイルＬのインダクタンス値を大きく設定することによって、ペルチェ素子ＰＬにほぼ一定の直流電流を流すことができる。

ペルチェ素子ＰＬに直列にコイルＬを接続することで、精度よく平均値が制御されたパルス駆動電流をペルチェ素子ＰＬに流すことができ、ペルチェ素子ＰＬ及びスイッチＳＷの消費電力を低減することができる。

本実施例による熱電素子駆動装置においては、対象物の冷却と温熱との両方を行うことができる。図５は、本発明の実施例３に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。図５に示す実施例３に係る熱電素子駆動装置は、図４に示す実施例２に係る熱電素子駆動装置に対して、さらに、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４を設け、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にはペルチェ素子ＰＬにコイルＬを直列接続していないことを特徴とする。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４が手動スイッチによって構成されていても、電子制御可能なスイッチで構成されていても構わない。

第１スイッチＳＷ１は、コンデンサＣに直列に接続され、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合にはオンし、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にはオフする。図４に示した実施例と同様にコンデンサＣは削除することもできる。

第２スイッチＳＷ２は、コイルＬに並列に接続され、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合にオフし、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にオンする。

第３スイッチＳＷ３及び第４スイッチＳＷ４は、本発明の切替部に対応しており、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合に流す電流方向に対して、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合に流す電流方向を反転するスイッチである。

第３スイッチＳＷ３は、共通端子ａ１、冷却切替端子ｂ１、温熱切替端子ｃ１を有し、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合には、冷却切替端子ｂ１に切り替えられ、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合には、温熱切替端子ｃ１に切り替えられる。

共通端子ａ１は、ペルチェ素子ＰＬの一端に接続され、冷却切替端子ｂ１は、直流電源Ｖｃｃの正極及び第１スイッチＳＷ１の一端に接続されている。温熱切替端子ｃ１は、スイッチＳＷの一端とコイルＬの他端とに接続されている。

第４スイッチＳＷ４は、共通端子ａ２、冷却切替端子ｂ２、温熱切替端子ｃ２を有し、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合には、冷却切替端子ｂ２に切り替えられ、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合には、温熱切替端子ｃ２に切り替えられる。

共通端子ａ２は、ペルチェ素子ＰＬの他端に接続され、冷却切替端子ｂ２は、コイルＬの一端と第２スイッチＳＷ２の一端とコンデンサＣの一端に接続されている。温熱切替端子ｃ２は、直流電源Ｖｃｃの正極に接続されている。

このように構成された実施例３に係る熱電素子駆動装置の動作を図５を参照しながら説明する。スイッチＳＷは電子的にオン・オフ制御されている。

まず、ペルチェ素子ＰＬを対象物の冷却に用いる場合には、第１スイッチＳＷ１をオンし、第２スイッチＳＷ２をオフし、第３スイッチＳＷ３を冷却切替端子ｂ１に切り替え、第４スイッチＳＷ４を冷却切替端子ｂ２に切り替える。スイッチＳＷがオンの時にはコイルＬがペルチェ素子ＰＬに直列接続されている。

すると、ペルチェ素子ＰＬに並列にコンデンサＣが接続され、このとき、第３スイッチＳＷ３、ペルチェ素子ＰＬ、第４スイッチＳＷ４を介してコイルＬから電流がペルチェ素子ＰＬに流れ冷却動作が継続するとともに、コンデンサＣにも電流が流れる。即ち、対象物を冷却する場合には、ペルチェ素子ＰＬの駆動電流を平坦化して実効値を抑制して素子自体の消費電力を低減し、冷却効果を向上させることができる。第１スイッチＳＷ１を介してコンデンサＣをペルチェ素子ＰＬに並列接続することで駆動電流の平坦性は向上できるが、コイルＬのインダクタンス値を十分に大きくすることで上記の通りコンデンサＣは削除することもできる。

次に、ペルチェ素子ＰＬを対象物の温熱に用いる場合には、第１スイッチＳＷ１をオフしてコンデンサＣを非接続とし、第２スイッチＳＷ２をオンしてコイルＬの両端を短絡してコイルＬに電流が流れないようにする。また、第３スイッチＳＷ３を温熱切替端子ｃ１に切り替え、第４スイッチＳＷ４を温熱切替端子ｃ２に切り替える。

すると、ペルチェ素子ＰＬからコンデンサＣが切り離される。このとき、直流電源Ｖｃｃから第４スイッチＳＷ４、ペルチェ素子ＰＬ、第３スイッチＳＷ３を介してスイッチＳＷに電流が流れてペルチェ素子ＰＬが温熱動作をする。即ち、対象物を温熱する場合には、ペルチェ素子ＰＬの駆動電流の凹凸を大きくして実効値を増加させ素子自体の発熱を低減せず増やすことで温熱効率を向上することができる。

図６は、本発明の実施例４に係る熱電素子駆動装置の回路構成図である。図６に示す実施例４に係る熱電素子駆動装置は、図５に示す実施例３に係る熱電素子駆動装置に対して、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を削除したことを特徴とする。

このように構成された実施例４に係る熱電素子駆動装置の動作を図６を参照しながら説明する。

まず、ペルチェ素子ＰＬを対象物の冷却に用いる場合には、第３スイッチＳＷ３を冷却切替端子ｂ１に切り替え、第４スイッチＳＷ４を冷却切替端子ｂ２に切り替える。

すると、ペルチェ素子ＰＬに直列にコイルＬが接続される。このとき、直流電源Ｖｃｃから第３スイッチＳＷ３、ペルチェ素子ＰＬ、第４スイッチＳＷ４を介してコイルＬから平坦化された駆動電流が流れてペルチェ素子ＰＬが冷却動作する。即ち、対象物を冷却する場合には、ペルチェ素子ＰＬの駆動電流を平坦化して実効値を抑制して素子自体の消費電力を低減し、冷却効果を向上させることができる。

次に、ペルチェ素子ＰＬを対象物の温熱に用いる場合には、第３スイッチＳＷ３を温熱切替端子ｃ１に切り替え、第４スイッチＳＷ４を温熱切替端子ｃ２に切り替える。

すると、ペルチェ素子ＰＬからコイルＬが切り離される。このとき、直流電源Ｖｃｃから第４スイッチＳＷ４、ペルチェ素子ＰＬ、第３スイッチＳＷ３を介してスイッチＳＷによりパルス制御された駆動電流が流れてペルチェ素子ＰＬが温熱動作する。即ち、対象物を温熱する場合には、ペルチェ素子ＰＬの駆動電流の凹凸を大きくして実効値を増加させ素子自体の発熱を増やすことで効率を向上することができる。

なお、本発明は、上述した実施例１乃至４に係る熱電素子駆動装置に限定されるものではない。図５に示す実施例３に係る熱電素子駆動装置、図６に示す実施例４に係る熱電素子駆動装置においては、図４に示す実施例２に係る熱電素子駆動装置に対して、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を設けることにより、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合にコイルＬを直列接続し、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にコイルＬの影響を排除していた。図６に示す実施例においては、図５に示した実施例に対してスイッチ数を削減することにより、より低コストに実現されている。

例えば、図１に示す実施例１に係る熱電素子駆動装置に対して、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に相当するスイッチを設けることにより、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合にペルチェ素子ＰＬにコンデンサＣを並列接続しペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にペルチェ素子ＰＬからコンデンサＣを切り離しても良い。具体的な実施例を図７に示す。

また、図４に示した実施例においても、ペルチェ素子ＰＬを冷却に用いる場合にコイルＬを接続し、ペルチェ素子ＰＬを温熱に用いる場合にコイルＬを短絡して、還流ダイオードＤとコンデンサＣを削除しても良い。

本発明の実施例においては、直流電源Ｖｃｃとペルチェ素子ＰＬ、還流ダイオードＤ、スイッチＳＷを構成する駆動素子の極性を反転した場合においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明は、温度制御装置等に利用することができる。

ＰＬ熱電素子
Ｖｃｃ直流電源
Ｃコンデンサ
Ｌコイル
ＳＷスイッチ
ＳＷ１第１スイッチ
ＳＷ２第２スイッチ
ＳＷ３第３スイッチ
ＳＷ４第４スイッチ
Ｄ還流ダイオード
Ｄ１〜Ｄ４ダイオード
Ｖａｃ交流電源

Claims

直流電源と、
前記直流電源の一端に一端が接続された熱電素子と、
前記直流電源の一端に一端が接続されたコイルと、
前記熱電素子の両端に接続されたコンデンサと、
前記コイルの他端に一端が接続され前記熱電素子の他端に他端が接続された還流ダイオードと、
前記コイルの他端と前記還流ダイオードの一端に一端が接続され、前記直流電源の他端に他端が接続され、前記熱電素子を駆動する駆動素子と、
を備えることを特徴とする熱電素子駆動装置。
前記直流電源は、交流電源と、
前記交流電源の交流電圧を整流し且つ前記熱電変換の一端に整流出力端子の一端が接続された整流回路と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の熱電素子駆動装置。
直流電源と、
前記直流電源の一端に一端が接続された熱電素子と、
前記熱電素子の他端に一端が接続されたコイルと、
前記コイルの他端に一端が接続され前記熱電素子の一端に他端が接続された還流ダイオードと、
前記コイルの他端と前記還流ダイオードの一端に一端が接続され、前記直流電源の他端に他端が接続され、前記熱電素子を駆動する駆動素子と、
を備えることを特徴とする熱電素子駆動装置。
前記熱電素子の両端に接続されたコンデンサを備えることを特徴とする請求項３記載の熱電素子駆動装置。
前記直流電源の他端及び前記駆動素子の他端は、交流的に接地されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の熱電素子駆動装置。
前記コイルに並列に接続され、前記熱電素子を冷却に用いる場合にオフし前記熱電素子を温熱に用いる場合にオンする第１スイッチを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の熱電素子駆動装置。
前記熱電素子と前記コンデンサとの間に設けられ、前記熱電素子を冷却に用いる場合に前記コンデンサを前記熱電素子に並列に接続し、前記熱電素子を温熱に用いる場合に前記コンデンサを前記熱電素子から電気的に切り離す切替部を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４、請求項５のいずれか１項記載の熱電素子駆動装置。
前記コイルに並列に接続され、前記熱電素子を冷却に用いる場合にオフし前記熱電素子を温熱に用いる場合にオンする第１スイッチと、
前記コンデンサに直列に接続され、前記熱電素子を冷却に用いる場合にオンし前記熱電素子を温熱に用いる場合にオフする第２スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項７記載の熱電素子駆動装置。