JP2017069242A - 熱電変換装置および恒温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚みの増加を回避しつつ、試薬や試料等を収容した容器が載置されるプレートの温度を均一化することが可能な熱電変換装置およびそれを用いた恒温装置を提供する。
【解決手段】熱電変換装置３０は、熱電変換器３３と、熱電変換器３３によって温度が制御されるプレート３１と、熱電変換器３３とプレート３１との間に配置された熱拡散板３２と、を備える。熱拡散板３２は、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域に、上下に貫通する複数の孔３２１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換装置およびそれを用いた恒温装置に関する。

従来、試薬や試料等を収容、保管するために恒温装置が用いられている。恒温装置においては、内部環境を一定温度に保つために、熱電変換器が用いられる。熱電変換器は、ゼーベック効果、ペルチェ効果またはトムソン効果などの熱電効果を利用した多数の熱電変換素子を組み合わせて構成され得る。

以下の特許文献１には、熱電変換素子（ペルチェ素子）を用いたオートサンプラが開示されている。ここでは、熱電変換素子により冷却される冷却板に断熱材を埋め込むことにより、サンプルラック底面の温度ムラが抑制されている。

特開２００５−１７２６３９号公報

一般に、恒温装置では、試薬や試料等を収容した容器がプレートに設置され、プレートの温度が一定となるように温度制御が行われる。この場合、プレートは、全ての容器に対して一様に温度管理が可能となるように、なるべく全領域において温度が均一化されることが望ましい。この目的のために特許文献１の構成では、冷却板に断熱材を埋め込む構成が採られている。

しかしながら、特許文献１の構成では、冷却板に断熱材を埋め込むといった煩雑な作業が必要となる。また、冷却板は、断熱材を埋め込むことが可能な厚みを確保する必要があるため、自ずと厚みが大きくなり、その結果、恒温装置も大型化するとの問題が生じる。

かかる課題に鑑み、本発明は、厚みの増加を回避しつつ、試薬や試料等を収容した容器が載置されるプレートの温度を均一化することが可能な熱電変換装置およびそれを用いた恒温装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、熱電変換装置に関する。本態様に係る熱電変換装置は、熱電変換器と、前記熱電変換器によって温度が制御されるプレートと、前記熱電変換器と前記プレートとの間に配置された熱拡散板と、を備える。ここで、前記熱拡散板は、少なくとも前記熱電変換器の配置位置に対応する領域に、上下に貫通する複数の孔が形成されている。

本態様に係る熱電変換装置によれば、孔により熱電変換器からプレートへ熱が伝わりにくくなる。この孔を熱電変換器の配置位置に対応する領域に配置することにより、熱電変換器の熱が熱電変換器の直上のプレートの領域に伝わることが抑制され、熱電変換器からの熱が熱拡散板によりプレートの周囲へと広がり易くなる。よって、プレートの温度を効果的に均一化することができる。

また、熱拡散板に上下に貫通する複数の孔を形成するのみであるため、拡散板の構成を簡素なものとすることができ、また、別途、断熱材を埋め込むといった作業も不要である。さらに、熱拡散板は、上下に貫通する孔が形成されるのみであるため、厚みを小さく設定することができる。

このように、本態様に係る熱電変換装置によれば、厚みの増加を回避しつつ、プレートの温度を均一化することができる。

本発明の第２の態様は、恒温装置に関する。本態様に係る恒温装置は、第１の態様に係る熱電変換装置を備え、温度を一定に保つための対象物が熱電変換装置の前記プレートに設置されるように構成される。

本態様に係る恒温装置によれば、第１の態様と同様の効果が奏され得る。また、上記のように熱電変換装置の薄型化が可能であるため、これに伴い、恒温装置の小型化が可能である。さらに、熱電変換装置により、プレートの温度が均一化されるため、設置位置に拘わらず対象物の温度を均一に保つことができる。

以上のとおり、本発明によれば、厚みの増加を回避しつつ、試薬や試料等を収容した容器が載置されるプレートの温度を均一化することが可能な熱電変換装置およびそれを用いた恒温装置を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）は、実施の形態に係る恒温装置の構成を模式的に示す斜視図、図１（ｂ）は、実施の形態に係る熱電変換器の構成を示す断面図である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る熱電変換器の構成を模式的に示す分解斜視図、図２（ｂ）は、実施の形態に係る熱電変換器の構成を示す斜視図である。 図３（ａ）は、実施の形態に係る熱拡散板の構成を模式的に示す平面図、図３（ｂ）は、実施の形態に係る熱拡散板の他の構成例を模式的に示す平面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係る熱拡散板の作用を模式的に示す平面図および断面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、変更例に係る熱拡散板の構成を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｘ軸正方向、Ｙ軸正方向およびＺ軸正方向が、それぞれ、恒温装置１の右方向、手前方向および上方向である。

図１（ａ）は、恒温装置１の構成を示す斜視図である。

図１（ａ）に示すように、恒温装置１は、筐体１０と、吸引機構２０と、熱電変換装置３０と、を備える。

筐体１０は、直方体の箱形状を有する。筐体１０は、開口１１により前面が開放されている。なお、実際には、開口１１を閉塞するための扉（図示せず）が、筐体１０に開閉可能に支持されている。扉を閉じることにより、筐体１０の内部１２が閉じた空間となる。

筐体１０の内部１２には、試薬や試料等を吸引するための吸引機構２０が配置されている。吸引機構２０は、吸引管２１を備え、吸引管２１を介して、プレート３１に設置された試薬や試料等を吸引する。吸引された試薬や試料等は、流路を介して、測定部（図示せず）へと移送される。吸引機構２０は、吸引管２１を前後左右に移動させるための構成と、吸引管２１を上下に移動させるための構成を備えている。なお、恒温装置１が、単に、試薬や試料等を保管するためのものである場合は、吸引機構２０が省略される。

図１（ｂ）は、熱電変換装置３０の構成を模式的に示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す熱電変換装置３０を、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で切断したものである。

図１（ｂ）に示すように、熱電変換装置３０は、プレート３１と、熱拡散板３２と、熱電変換器３３と、フィン３４と、ベース部材３５と、を備える。

プレート３１は、所定の厚みを有する板状の部材からなっている。平面視におけるプレート３１の形状は、略長方形または略正方形である。平面視におけるプレート３１の形状が、円形等の他の形状であってもよい。プレート３１は、熱伝導性が高い材料からなっている。プレート３１は、たとえば、アルミニウムから形成される。

熱拡散板３２は、所定の厚みを有する板状の部材からなっている。熱拡散板３２の厚みは、プレート３１の厚みよりも数段小さい。たとえば、プレート３１の厚みは４〜５ｍｍ程度、熱拡散板３２の厚みは１ｍｍ程度である。

平面視における熱拡散板３２の形状は、プレート３１と同様の形状である。平面視において、熱拡散板３２は、プレート３１よりも前後左右の寸法がやや小さい。熱拡散板３２は、熱伝導性が高い材料からなっている。熱拡散板３２は、たとえば、銅から形成される。

熱拡散板３２に熱伝導率は、プレート３１の熱伝導率よりも高い方が好ましい。このようにそれぞれの熱伝導率を設定することにより、熱電変換器３３から熱拡散板３２へと伝導した熱は、プレート３１へと伝導されるよりも、熱拡散板３２の内部を広がって伝導され易くなる。その結果、熱電変換器３３から熱拡散板３２へと伝導した熱は、熱拡散板３２の中央から周辺へと円滑に拡散する。

なお、本実施の形態では、熱拡散板３２の熱電変換器３３の配置位置に対応する領域に、上下に貫通する多数の孔３２１が形成されている。孔３２１は、熱電変換器３３からの熱が、熱電変換器３３直上のプレート３１の領域に伝導するのを抑制して、プレート３１の温度を均一化するためのものである。孔３２１の配置方法については、追って、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

熱電変換器３３は、印加された電力を熱に変換する熱電変換素子を備える。熱電変換器３３は、プレート３１が所定の温度に維持されるよう、回路部（図示せず）により制御される。熱電変換器３３は、プレート３１を室温よりも高める他、プレート３１を室温より低下させるように制御されてもよい。熱電変換器３３の構成は、追って、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

フィン３４は、ベース部材３５の熱電変換器３３と反対側の面に対して熱交換を行うための熱交換手段である。フィン３４による熱交換により、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面が、効果的に室温に近付けられる。平面視において、フィン３４は、熱電変換器３３よりも大きくなっている。熱交換手段として、フィン３４に気流を供給するためのファンをさらに配置してもよい。この場合、ファンは、フィン３４の下面に直接設置されてもよい。また、空気の他、水等の液体を循環させることにより、ベース部材３５の熱電変換器３３と反対側の面に対する熱交換がなされてもよい。

ベース部材３５は、プレート３１と、熱拡散板３２と、熱電変換器３３と、フィン３４とを、筐体１０の内部１２に設置するための支持部材である。ベース部材３５は、薄板状の部材を折り曲げた形状を有する。ベース部材３５の上面に、熱電変換器３３、熱拡散板３２およびプレート３１が順番に重ねられて設置される。また、ベース部材３５の下面に、フィン３４が設置される。プレート３１、熱拡散板３２および熱電変換器３３は、たとえば、ネジ留めまたは接着により、ベース部材３５に固定される。この他、プレート３１、熱拡散板３２および熱電変換器３３の接合面に熱結合剤（グリース）を介在させ、この熱結合剤の粘着性により、これら部材を固定してもよい。フィン３４は、たとえば、ネジ留めによりベース部材３５に固定される。

プレート３１、熱拡散板３２および熱電変換器３３は、平面視における中心が互いに一致するように、ベース部材３５上面の略中央に設置される。フィン３４は、熱電変換器３３の直下位置に設置される。ベース部材３５は、熱伝導率が高く、且つ、剛性が高い材料、たとえば、金属材料から構成することが好ましい。このように、ベース部材３５を熱伝導率が高い材料から構成することにより、熱電変換器３３の下面側の熱交換面積を増やすことができ、熱電変換器３３の下面に対する熱交換を効率的に行うことができる。

図１（ａ）に戻り、熱電変換装置３０は、ベース部材３５の端部が筐体１０の内側面に固定されることにより、筐体１０の内部１２に設置される。この状態で、プレート３１の上面が、所定の隙間を開けて、吸引管２１に向き合う。試薬や試料等を収容した対象物は、プレート３１の上面に設置される。対象物は、直接プレート３１に載置されてもよく、あるいは、トレイやラック、その他の部材に装着された状態でプレート３１に設置されてもよい。

図２（ａ）は、熱電変換器３３の構成を模式的に示す分解斜視図、図２（ｂ）は、熱電変換器３３の組立完了状態の構成を示す斜視図である。

図２（ａ）に示すように、熱電変換器３３は、第１の基板３３１と、第２の基板３３２と、熱電変換素子３３３と、を備える。

第１の基板３３１および第２の基板３３２は、平面視において略正方形の形状を有し、熱伝導率が高い金属材料からなっている。図２（ａ）に示すように第２の基板３３２の上面に熱電変換素子３３３が配置された状態で、熱電変換素子３３３の上面に第１の基板３３１が重ねられる。熱電変換素子３３３は、一定のピッチでＸ軸方向およびＹ軸方向に並べられる。本実施の形態では、Ｘ軸方向の配置ピッチと、Ｙ軸方向の配置ピッチが同じである。熱電変換素子３３３は、印加された電力を熱に変換する素子であって、たとえば、ペルチェ素子からなっている。

なお、第１の基板３３１の下面と第２の基板３３２の上面には、それぞれ、熱電変換素子３３３の上側の電極と下側の電極とに接合される接続電極（図示せず）が形成されている。これらの接続電極を介して、熱電変換素子３３３に電圧が印加される。第１の基板３３１に形成された接続電極と、第２の基板３３２に形成された接続電極は、図２（ｂ）のように組み立てられた熱電変換器３３に対して図示しない端子から電圧が印加されると、全ての熱電変換素子３３３に一律に電圧が印加されるように設定されている。

組立の際には、第２の基板３３２の上面の接続電極に半田が塗布された状態で、図２（ａ）のように、熱電変換素子３３３が配置される。さらに、第１の基板３３１の下面の接続電極に半田が塗布された状態で、図２（ｂ）のように、第１の基板３３１が熱電変換素子３３３の上面に重ねられる。この状態で、半田を溶着させるためのリフロー処理が行われる。これにより各接続電極が熱電変換素子３３３に接合され、第１の基板３３１および第２の基板３３２が固定される。こうして、図２（ｂ）に示す熱電変換器３３が構成される。

なお、熱電変換器３３の内部に配置される熱電変換素子３３３の数や、形状、配置間隔は、図２（ａ）の例に限られるものではない。通常、配置される熱電変換素子３３３の数は、図２（ａ）に示す数よりも、さらに多く設定される。

ところで、本実施の形態では、上記のように、熱拡散板３２に多数の孔３２１が形成されている。これらの孔３２１は、熱電変換器３３により生じた熱が、熱電変換器３３直上のプレート３１の領域に伝導するのを抑制して、プレート３１の温度を均一化するためのものである。

仮に、熱拡散板３２に孔３２１が形成されていない場合、熱電変換器３３により生じた熱が、熱拡散板３２を介して、直上のプレート３１の領域へと伝導し、この領域の温度が、周辺の領域に比べて高くなり易い。この場合、プレート３１には温度ムラが生じ、このため、プレート３１に設置された対象物を一様に温度管理することが難しくなる。

これに対し、熱拡散板３２に孔３２１を形成すると、孔３２１が形成された領域には、熱伝導率が顕著に低い空気が介在する。このため、孔３２１が形成された領域では、熱電変換器３３からの熱がプレート３１へと伝導されにくくなる。したがって、熱拡散板３２の熱電変換器３３の配置位置に対応する領域に孔３２１を形成することにより、熱電変換器３３により生じた熱が熱電変換器３３直上のプレート３１の領域に伝導することを抑制でき、熱電変換器３３からの熱を周囲に効率的に拡散させることができる。これにより、プレート３１の温度を均一化することができる。

なお、この場合、孔３２１は、熱電変換器３３の温度分布を考慮して配置することが好ましい。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように多数の熱電変換素子３３３が集積されて熱電変換器３３が構成される場合、熱電変換器３３の温度分布は、Ｘ−Ｙ平面の中心位置の温度が周辺の温度に比べて高くなる。したがって、熱拡散板３２は、熱電変換器３３において温度が高い領域ほど、孔３２１の面積の占有率を高めて、熱が直上のプレート３１の領域に伝わりにくくすることが好ましい。これにより、より効果的に、熱を拡散させることができ、プレート３１の温度を均一化させることができる。

以下では、このような考え方に基づき孔３２１の配置が調整された熱拡散板３２の構成例について説明する。

＜構成例１＞
図３（ａ）は、熱拡散板３２の構成（構成例１）を模式的に示す平面図である。なお、図３（ａ）には、プレート３１の輪郭が一点鎖線で示され、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域が破線で示されている。

構成例１では、熱電変換器３３の温度が、中心付近において最も高く、中心からの距離に応じて低下するとの想定に基づいて、孔３２１の配置パターンが設定されている。この想定によれば、熱電変換器３３の中心に対して一定の距離にある位置、すなわち、同心円の位置では温度が略同じであり、同心円の径が大きくなるに伴い、温度が低下することになる。

この想定に基づき、構成例１では、図３（ａ）に示すように、孔３２１が、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心に対して同心円状に配置されている。

加えて、構成例１では、熱拡散板３２において熱が効率的に拡散するように、孔３２１の配置が調整されている。すなわち、内周側から１つ目と３つ目の同心円に配置された孔３２１は、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行な線Ｌ１、Ｌ２と、これら線Ｌ１、Ｌ２に対して４５°傾いた線Ｌ３、Ｌ４とに沿って並ぶように配置されている。また、内周側から２つ目の同心円に配置された孔３２１は、線Ｌ１〜Ｌ４のうち隣り合う線の中間位置に配置されている。

このように孔３２１を配置することにより、孔３２１の密度は、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心付近の方が、この領域の周辺付近よりも高くなる。また、中心からの距離が同じである同心円の位置には、その位置の温度に応じた数（密度）の孔３２１が配置される。これにより、熱電変換器３３からの熱が直上のプレート３１の領域に伝導することを効果的に抑制できる。

さらに、構成例１では、熱電変換器３３では中心付近の温度が最も高いことを考慮して、線Ｌ１〜Ｌ４が交差する中心位置にも、孔３２１が配置されている。図３（ａ）に示すように、線Ｌ１〜Ｌ４が交差する中心位置の孔３２１は、その他の孔３２１よりも大きくなっている。中心位置以外の孔３２１の大きさは、全て同じである。このように、中心位置の孔３２１を大きく設定することにより、特に温度が高い中心付近の熱が直上のプレート３１の領域に伝導することを効果的に抑制できる。

また、構成例１では、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の外側にも、プレート３１への熱伝導を抑制するために、４つの孔３２１が配置されている。なお、プレート３１における温度の均一化のために、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の外側に、さらに多くの孔３２１を配置してもよい。

なお、図３（ａ）に示すように、構成例１では、孔３２１が配置される同心円の数が３つであったが、同心円の数は３つに限られない。たとえば、同心円の間隔をより細かく設定して熱電変換器３３の配置位置に対応する領域に４つ以上の同心円を設定してもよい。この場合、各同心円における孔３２１の配置は、図３（ａ）の場合と同様、内周側から奇数番目の同心円では、線Ｌ１〜Ｌ４の何れかに孔３２１を配置し、内周側から偶数番目の同心円では、線Ｌ１〜Ｌ４のうち隣り合う線の中間位置に孔３２１を配置するように設定すればよい。孔３２１の形状は、円形に限らず、楕円や四角形等、他の形状であってもよい。また、構成例１では、同心円の間隔は必ずしも一定でなくてもよい。

＜構成例２＞
図３（ｂ）は、熱拡散板３２の他の構成（構成例２）を模式的に示す平面図である。なお、図３（ｂ）には、プレート３１の輪郭が一点鎖線で示され、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域が破線で示されている。

図２（ａ）のように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のピッチが一定となるように、熱電変換素子３３３が集積される場合、それぞれの熱電変換素子３３３は、熱電変換器３３の中心を囲み、且つ、その中心が熱電変換器３３の中心に一致する正方形の辺に沿って並ぶことになる。したがって、このような熱電変換素子３３３のレイアウトを考慮すると、熱電変換器３３の中心にその中心が一致する正方形の位置に孔３２１を配置して、プレート３１に対する熱の伝導を抑制することが効果的であると想定され得る。

構成例２では、このような想定に基づいて、孔３２１の配置パターンが設定されている。すなわち、構成例２では、図３（ｂ）に示すように、熱電変換器３３の中心にその中心が一致する正方形の位置に孔３２１が配置され、且つ、正方形の大きさが大きくなるほど孔３２１が小さく設定されている。

図３（ｂ）において、線Ｈ１、Ｖ１は、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心で交差する。また、線Ｈ１〜Ｈ４のピッチは一定であり、線Ｖ１〜Ｖ４のピッチは一定である。また、線Ｈ１〜Ｈ４のピッチと、線Ｖ１〜Ｖ４のピッチは同一である。よって、２つの線Ｈ２と２つの線Ｖ２によって正方形が形成され、２つの線Ｈ３と２つの線Ｖ３によって正方形が形成され、２つの線Ｈ４と２つの線Ｖ４によって正方形が形成される。各正方形の中心は、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心に一致する。

図３（ｂ）に示すように、構成例２では、線Ｈ１〜Ｈ４と線Ｖ１〜Ｖ４とが交差する位置に孔３２１が配置されている。一つの正方形に配置される孔３２１の大きさは同じである。また、正方形が大きくなるほど、孔３２１の大きさが小さく設定されている。熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心位置、すなわち、線Ｈ１と線Ｖ１とが交差する位置には、最も大きな孔３２１が配置されている。

図３（ｂ）に示すように孔３２１を配置することにより、熱電変換器３３からの熱を熱拡散板３２によって、均一に拡散させることができる。すなわち、温度が略同じであると想定される正方形の位置に、その温度に対応する大きさの孔３２１を配置することにより、各正方形の位置における熱電変換器３３からプレート３１への熱の伝導を効果的に制御できる。これにより、プレート３１の温度を適正に均一化することができる。

なお、図３（ｂ）に示すように、構成例２では、孔３２１が配置される正方形の数が３つであったが、正方形の数は３つに限られない。たとえば、正方形の間隔をより細かく設定して４つ以上の正方形を設定してもよい。この場合、各正方形における孔３２１の配置は、図３（ｂ）の場合と同様、Ｘ軸に平行な線とＹ軸に平行な線とが交差する位置に孔３２１を配置するように設定すればよい。この場合も、図３（ａ）の構成例１と同様、孔３２１の形状は、円形に限らず、楕円や四角形等、他の形状であってもよい。

また、図３（ｂ）に示すように、構成例２では、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の内側に２つの正方形が設定され、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の外側に１つの正方形が設定されたが、当該領域の内側と外側にそれぞれ設定される正方形の数は、これに限られるものではない。また、正方形のピッチは、必ずしも一定でなくてもよい。

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図３（ａ）に示す構成例１の熱拡散板３２の作用を模式的に示す平面図および断面図である。図４（ａ）、（ｂ）において、破線矢印は、熱の伝導を模式的に示している。また、図４（ｂ）中の一点鎖線Ｏは、熱電変換器３３の中心を示している。

図４（ｂ）に示すように、熱電変換器３３が駆動されて第１の基板３３１の温度が上昇すると、熱が第１の基板３３１から熱拡散板３２へと伝導する。こうして、伝導した熱は、プレート３１へと伝導し、また、熱拡散板３２内を伝導する。このとき、上記のようにプレート３１に比べて熱拡散板３２の熱伝導率が高く設定されているため、第１の基板３３１から熱拡散板３２へと伝導した熱は、プレート３１よりも熱拡散板３２内部を伝導し易い。よって、熱電変換器３３からの熱は、周辺部へと円滑に伝導する。

また、構成例１では、図３（ａ）に示すように、内周側から１つ目と３つ目の同心円に配置された孔３２１は、線Ｌ１〜Ｌ４の何れかに沿って並ぶように配置され、内周側から２つ目の同心円に配置された孔３２１は、線Ｌ１〜Ｌ４のうち隣り合う線の中間位置に配置されている。このため、図４（ａ）に示すように、熱拡散板３２の内部を伝搬する熱は、隣り合う孔３２１との間を通って、中心から周辺部に向かって満遍なく伝搬して行く。よって、熱電変換器３３によって生じた熱は、熱拡散板３２により一様に拡散される。これにより、プレート３１の温度が、略均一に維持される。

なお、図３（ｂ）に示す構成例２の熱拡散板３２においても、構成例１と同様の作用が発揮される。すなわち、熱拡散板３２の内部を伝搬する熱は、隣り合う孔３２１との間を通って、中心から周辺部に向かって満遍なく伝搬して行く。よって、熱電変換器３３によって生じた熱は、熱拡散板３２により一様に拡散される。これにより、プレート３１の温度が、略均一に維持される。

＜実施形態の効果＞
以上、本実施の形態によれば、以下の効果が奏される。

図１（ｂ）に示すように、熱拡散板３２の熱電変換器３３の配置位置に対応する領域に孔３２１が配置されている。このため、熱電変換器３３の熱が熱電変換器３３の直上のプレート３１の領域に伝わることが抑制され、熱電変換器３３からの熱が熱拡散板３２によりプレート３１の周囲へと広がり易くなる。よって、プレート３１の温度を効果的に均一化することができる。

また、熱拡散板３２に上下に貫通する複数の孔３２１を形成する構成であるため、熱拡散板３２の構成を簡素なものとすることができ、また、別途、断熱材を埋め込むといった作業も不要である。さらに、熱拡散板３２は、上下に貫通する孔３２１が形成される構成であるため、厚みを顕著に小さく設定することができる。

このように、本実施の形態に係る熱電変換装置３０によれば、厚みの増加を回避しつつ、プレート３１の温度を均一化することができる。

また、熱電変換装置３０の薄型化に伴い、恒温装置１の小型化が可能である。さらに、熱電変換装置３０により、プレート３１の温度が均一化されるため、設置位置に拘わらず対象物の温度を均一に保つことができる。

また、図３（ａ）に示すように孔３２１を同心円状に配置することにより、上述のように、熱電変換器３３からの熱を熱拡散板３２によって効果的に拡散させることができる。

また、図２（ａ）に示すように、熱電変換素子３３３が、Ｘ軸方向とＹ軸方向に一定のピッチで並ぶように配置される場合には、図３（ｂ）に示すように孔３２１を正方形に沿って配置することにより、上述のように、熱電変換器３３からの熱を熱拡散板３２によって効果的に拡散させることができる。

なお、図２（ａ）の構成では、熱電変換素子３３３がＸ軸方向とＹ軸方向に同じピッチで並ぶように配置されたため、図３（ｂ）の構成では、孔３２１が正方形に沿って配置されたが、図２（ａ）の構成において、熱電変換素子３３３の配置ピッチが、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なるように変更された場合、熱電変換素子３３３は、熱電変換器３３の中心にその中心が一致する長方形の辺に沿って配置される。よって、この場合、図３（ｂ）の構成は、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域の中心にその中心が一致する長方形に沿って孔３２１が配置されるように変更される。

また、図３（ａ）の構成例では、熱電変換器３３に対応する領域の中心付近の密度が、当該領域の周辺付近の密度よりも高くなるように、孔３２１が配置されている。また、図３（ａ）、（ｂ）の構成例では、熱電変換器３３に対応する領域の中心付近の孔３２１の大きさが、当該領域の周辺付近の孔３２１の大きさよりも大きくなっている。これにより、上記のように、温度が高い熱電変換器３３の中心付近において、熱がプレート３１へと伝導することを効果的に抑制できる。よって、プレート３１の温度をより効果的に均一化することができる。

また、本実施の形態では、熱拡散板３２の熱伝導率が、プレート３１の熱伝導率よりも高くなっている。このため、熱電変換器３３からの熱は、プレート３１よりも熱拡散板３２の内部を伝導し易くなる。よって、熱拡散板３２によって、熱をより効果的に拡散させることができる。

また、図１（ｂ）に示すように、熱電変換器３３の熱拡散板３２と反対側の面が、熱電変換器３３を支持する熱伝導性のベース部材３５に接合されている。これにより、熱電変換器３３の下面側の熱交換面積を増やすことができ、熱電変換器３３の下面に対する熱交換を効率的に行うことができる。よって、熱電変換器３３の特性を高く維持することができる。

また、図１（ｂ）に示すように、熱電変換装置３０は、ベース部材３５の熱電変換器３３と反対側の面にフィン３４をさらに備えている。これにより、熱電変換器３３の下面に対する熱交換をさらに効率的に行うことができる。

＜変更例＞
上記実施の形態では、熱電変換装置３０が１つの熱電変換器３３を備える構成であったが、熱電変換装置３０に２つ以上の熱電変換器３３が配置されてもよい。

たとえば、図５（ａ）に示すように、２つの熱電変換器３３に１つの熱拡散板３２が重ねられ、さらに、この熱拡散板３２に１つのプレート３１が重ねられてもよい。あるいは、図５（ｂ）に示すように、４つの熱電変換器３３に１つの熱拡散板３２が重ねられ、さらに、この熱拡散板３２に１つのプレート３１が重ねられてもよい。図５（ａ）、（ｂ）の構成においても、熱拡散板３２には、熱電変換器３３の配置位置に対応する領域ごとに、たとえば、図３（ａ）、（ｂ）に示す配置パターンで孔３２１が配置される。これにより、熱電変換器３３からの熱を効果的に拡散させることができ、プレート３１の温度を均一化することができる。

また、上記実施の形態では、熱電変換素子３３３は四角柱の形状であったが、必ずしも四角柱で無くても良く、円柱や六角柱等、他の形状であっても良い。熱電変換素子３３３が円柱や六角柱等である場合は、熱電変換器３３において、熱電変換素子３３３が同心円状に配置されてもよい。

また、熱拡散板３２における孔３２１の配置パターンは、図３（ａ）、（ｂ）の配置パターンに限られるものではなく、プレート３１の中心付近の温度上昇を抑制する観点から、種々の変更が可能である。たとえば、図３（ａ）の構成例１における思想と図３（ｂ）の構成例２における思想の両方を加味して、孔３２１を、同心円と正方形の間の形状に沿って配置してもよい。孔３２１の大きさや密度の設定も、適宜、調整され得る。

また、上記実施の形態では、プレート３１の温度を室温より高める制御がなされる場合を想定して説明を行ったが、既に述べた如く、恒温装置１において、プレート３１の温度を室温より低下させる制御がなされてもよい。この場合、熱電変換器３３の各熱電変換素子３３３には、プレート３１の温度を高める場合と逆極性の電圧が、上下の電極に印加される。

なお、上記実施の形態のようにプレート３１の温度を室温より高める制御がなされる場合、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面は、室温より低くなる。この場合、フィン３４およびベース部材３５は、外気から熱を奪って、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面の温度を室温に近付けるよう作用する。これに対し、プレート３１の温度を室温より低下させる制御がなされる場合、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面は、室温より高くなる。この場合、フィン３４およびベース部材３５は、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面から熱を放射させることにより、熱電変換器３３のプレート３１と反対側の面の温度を室温に近付けるよう作用する。

プレート３１の温度を室温より低下させる制御がなされる場合、熱拡散板３２の孔３２１は、プレート３１の熱電変換器３３の直上位置が過度に低温になることを抑制するよう作用する。すなわち、孔３２１が形成された領域には、熱伝導率が顕著に低い空気が介在するため、孔３２１の領域では、プレート３１から熱電変換器３３に対して熱が移動しにくくなる。これにより、プレート３１による温度ムラを効果的に抑制することができる。

プレート３１の温度を室温より低下させる制御がなされる場合も、孔３２１の配置パターンは、熱電変換器３３の温度分布に応じて、図３（ａ）、（ｂ）と同様の手法により設定され得る。すなわち、熱電変換器３３の中心の温度が最も低く、中心から離れるに従って温度が高くなる場合は、図３（ａ）の配置パターンが効果的であり、また、熱電変換素子３３３のレイアウトを考慮すると、図３（ｂ）の配置パターンが効果的である。

なお、プレート３１は、室温に対して、所定の温度差（たとえば、±１５°程度）となるように制御される。プレート３１の温度は、恒温装置１に収容される対象物の種類により適宜調整される。また、基準となる温度は室温に限られるものではなく、室温とは異なる温度に対して所定の温度差となるようにプレート３１の温度が制御されてもよい。この場合、熱交換手段として、たとえば、水等の液体を用いた水冷式の熱交換手段が用いられる。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 恒温装置
３０ … 熱電変換装置
３１ … プレート
３２ … 熱拡散板
３３ … 熱電変換器
３４ … フィン（熱交換手段）
３５ … ベース部材
３２１ … 孔

Claims (9)

1. 熱電変換器と、
   前記熱電変換器によって温度が制御されるプレートと、
   前記熱電変換器と前記プレートとの間に配置された熱拡散板と、を備え、
   前記熱拡散板は、少なくとも前記熱電変換器の配置位置に対応する領域に、上下に貫通する複数の孔が形成されている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
2. 請求項１に記載の熱電変換装置において、
   前記孔は、前記領域の中心に対して同心円状に配置されている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
3. 請求項１に記載の熱電変換装置において、
   前記孔は、前記領域の中心にその中心が一致する四角形の位置に配置されている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記孔は、前記領域の中心付近の密度が、前記領域の周辺付近の密度よりも高くなっている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記領域の中心付近の前記孔の大きさが、前記領域の周辺付近の前記孔の大きさよりも大きくなっている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記熱拡散板の熱伝導率が、前記プレートの熱伝導率よりも高くなっている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記熱電変換器の前記熱拡散板と反対側の面が、前記熱電変換器を支持する熱伝導性のベース部材に接合されている、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記ベース部材の前記熱電変換器と反対側の面に、熱交換手段をさらに備える、
   ことを特徴とする熱電変換装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の熱電変換装置を備え、
   温度を一定に保つための対象物が前記プレートに設置される、
   ことを特徴とする恒温装置。

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