JP3087813B2 - 温度制御装置及び方法 - Google Patents
温度制御装置及び方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ペルチェ素子に極性
反転の通電により物体の温度を制御する方法、特に被温
度制御物体を短時間に急速加熱または冷却する被温度制
御物体の温度制御装置に関し、詳しくは、被温度制御物
体を瞬時に加熱・冷却する際、高熱流束を生じさせる非
定常熱伝導を利用したコンパクトな温度制御装置に関す
る。
反転の通電により物体の温度を制御する方法、特に被温
度制御物体を短時間に急速加熱または冷却する被温度制
御物体の温度制御装置に関し、詳しくは、被温度制御物
体を瞬時に加熱・冷却する際、高熱流束を生じさせる非
定常熱伝導を利用したコンパクトな温度制御装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、物体の温度を制御する方法とし
て、ペルチェ効果を利用した電子冷熱素子を用いて電子
加熱や電子冷却する可動部を持たない加熱冷却装置が知
られている。例えば、ペルチェ素子のサーモモジュール
冷却装置は、通常、熱伝導や熱流束の定常状態の冷却性
能に基づいて設計されていた（特開昭６１−８２４５０
号、特開昭６１−１７２３５８号、特開昭６３−６８６
４号、特開平１−１４３３４７号および特開平４−１６
２５５１号公報参照）。サーモモジュールは、熱伝導度
が低くて電気導電度が高いと良好な性能を期待される
が、これら物理上相反する特性を満足するものはなく、
実用化されているサーモモジュールは、定常時の冷却性
能は芳しくないものである。それ故に、性能向上のため
にはサーモモジュールを多段に積み重ねると共に素子自
身が熱を発生するので空冷・水冷などの適当な冷却手段
を用いて冷却能力を高めていた。しかし、多段化では順
次大容量の素子を積み重ねる必要から効率の低下となる
のみならず、定常熱伝導時の熱制御も難しくなり、急速
冷却ができる温度制御ができなかった。
て、ペルチェ効果を利用した電子冷熱素子を用いて電子
加熱や電子冷却する可動部を持たない加熱冷却装置が知
られている。例えば、ペルチェ素子のサーモモジュール
冷却装置は、通常、熱伝導や熱流束の定常状態の冷却性
能に基づいて設計されていた（特開昭６１−８２４５０
号、特開昭６１−１７２３５８号、特開昭６３−６８６
４号、特開平１−１４３３４７号および特開平４−１６
２５５１号公報参照）。サーモモジュールは、熱伝導度
が低くて電気導電度が高いと良好な性能を期待される
が、これら物理上相反する特性を満足するものはなく、
実用化されているサーモモジュールは、定常時の冷却性
能は芳しくないものである。それ故に、性能向上のため
にはサーモモジュールを多段に積み重ねると共に素子自
身が熱を発生するので空冷・水冷などの適当な冷却手段
を用いて冷却能力を高めていた。しかし、多段化では順
次大容量の素子を積み重ねる必要から効率の低下となる
のみならず、定常熱伝導時の熱制御も難しくなり、急速
冷却ができる温度制御ができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の冷却
装置は、サーモモジュールを薄くしてコンパクト化する
と素子内の熱伝導成分が増大して冷却性能が阻害され、
定常熱伝導時の設計上では小型化が難しく、急激で動的
な熱負荷変動に対応できなかった。そして、こうした問
題を解決するに適した物体の温度制御方法または温度制
御装置の提供が望まれていた。従って、本発明は上記欠
陥を解消するために提案されたものであり、新規かつ改
良された温度制御装置およびその方法の提供を目的とす
る。すなわち、非定常時に急速加熱もしくは急速冷却を
可能としかつ小型でコンパクトな電子冷熱可能な温度制
御装置であり、急激な動的熱負荷変動にも即時対応しう
る温度制御方法の提供を目的とする。
装置は、サーモモジュールを薄くしてコンパクト化する
と素子内の熱伝導成分が増大して冷却性能が阻害され、
定常熱伝導時の設計上では小型化が難しく、急激で動的
な熱負荷変動に対応できなかった。そして、こうした問
題を解決するに適した物体の温度制御方法または温度制
御装置の提供が望まれていた。従って、本発明は上記欠
陥を解消するために提案されたものであり、新規かつ改
良された温度制御装置およびその方法の提供を目的とす
る。すなわち、非定常時に急速加熱もしくは急速冷却を
可能としかつ小型でコンパクトな電子冷熱可能な温度制
御装置であり、急激な動的熱負荷変動にも即時対応しう
る温度制御方法の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、定常時
に所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷却（ま
たは急速加熱）する温度制御装置であって、被温度制御
物体が配置される一方の面を有する第１のペルチェ素子
と、前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置
されたヒートシンク部材と、前記ヒートシンク部材を前
記被温度制御物体の定常時の温度に比較して低温（また
は高温）の所定温度に保持する第２のペルチェ素子から
なるサーモモジュールとを具備し、定常時に前記第１の
ペルチェ素子の一方向に通電して前記被温度制御物体を
前記所定温度に維持し、急速冷却（または急速加熱）に
際して極性反転する通電を行なうことにより、定常時に
所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷却（また
は急速加熱）することを特徴とする温度制御装置が開示
される。 上記第１のペルチェ素子の一方向に通電して極
性反転する通電を行なう電気制御回路には、上記第１の
ペルチェ素子や被温度制御物体の温度を測定する温度セ
ンサを一方の面に配置してもよい。この温度センサの検
知信号は必要に応じて通電状態を可変させる信号とする
ことができる。また、被温度制御物体を予め定められた
温度プロファイルに制御する信号をコンピュータにより
演算設定し、それにより所望する電子冷熱を実現するこ
ともできる。換言すると、ペルチェ素子に対して電気制
御回路から極性を反転して通電する際に、非定常熱伝導
の大きな熱流束をヒートシンク部材に生じさせ、被温度
制御物体に短時間に急激な冷却または加熱を生じさせる
ことを特徴とする温度制御装置を提供する。
に所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷却（ま
たは急速加熱）する温度制御装置であって、被温度制御
物体が配置される一方の面を有する第１のペルチェ素子
と、前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置
されたヒートシンク部材と、前記ヒートシンク部材を前
記被温度制御物体の定常時の温度に比較して低温（また
は高温）の所定温度に保持する第２のペルチェ素子から
なるサーモモジュールとを具備し、定常時に前記第１の
ペルチェ素子の一方向に通電して前記被温度制御物体を
前記所定温度に維持し、急速冷却（または急速加熱）に
際して極性反転する通電を行なうことにより、定常時に
所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷却（また
は急速加熱）することを特徴とする温度制御装置が開示
される。 上記第１のペルチェ素子の一方向に通電して極
性反転する通電を行なう電気制御回路には、上記第１の
ペルチェ素子や被温度制御物体の温度を測定する温度セ
ンサを一方の面に配置してもよい。この温度センサの検
知信号は必要に応じて通電状態を可変させる信号とする
ことができる。また、被温度制御物体を予め定められた
温度プロファイルに制御する信号をコンピュータにより
演算設定し、それにより所望する電子冷熱を実現するこ
ともできる。換言すると、ペルチェ素子に対して電気制
御回路から極性を反転して通電する際に、非定常熱伝導
の大きな熱流束をヒートシンク部材に生じさせ、被温度
制御物体に短時間に急激な冷却または加熱を生じさせる
ことを特徴とする温度制御装置を提供する。
【０００５】本発明の別の観点において、被温度制御物
体が配置される一方の面を有する第１のペルチェ素子
と、前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置
されたヒートシンク部材と、前記ヒートシンク部材を前
記被温度制御物体の定常時の温度に比較して低温（また
は高温）の所定温度に保持する第２のペルチェ素子から
なるサーモモジュールとを具備し、前記第１のペルチェ
素子の一方向に通電して前記被温度制御物体を定常時の
温度に維持し、急速冷却（または急速加熱）に際しては
極性を反転させて通電することにより、定常時に所定温
度に維持された被温度制御物体を急速冷却（または急速
加熱）することを特徴とする温度制御方法が開示され
る。この場合にヒートシンク部材は銅、アルミニウム、
ダイアモンド等の熱伝導率が大きい物質であり、第１の
ペルチェ素子と熱的に接触配置する反対側に第２のペル
チェ素子からなるサーモモジュールを熱的に結合配置
し、このサーモモジュールによりヒートシンク部材を周
囲より異なる温度であっても所定の温度に保つ。また、
ヒートシンク部材は一方の面がペルチェ素子の非定常時
の加熱面であれば他方の面がサーモモジュールの冷却面
となるように配置され、第１のペルチェ素子の電子冷熱
効果を有効に利用して大きな熱流束を発生させて急速冷
熱を発生させる。さらに、サーモモジュールの別の面に
は必要に応じて放熱・吸熱部材が配置され、冷却モード
であれば放熱機能を発揮させる。
体が配置される一方の面を有する第１のペルチェ素子
と、前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置
されたヒートシンク部材と、前記ヒートシンク部材を前
記被温度制御物体の定常時の温度に比較して低温（また
は高温）の所定温度に保持する第２のペルチェ素子から
なるサーモモジュールとを具備し、前記第１のペルチェ
素子の一方向に通電して前記被温度制御物体を定常時の
温度に維持し、急速冷却（または急速加熱）に際しては
極性を反転させて通電することにより、定常時に所定温
度に維持された被温度制御物体を急速冷却（または急速
加熱）することを特徴とする温度制御方法が開示され
る。この場合にヒートシンク部材は銅、アルミニウム、
ダイアモンド等の熱伝導率が大きい物質であり、第１の
ペルチェ素子と熱的に接触配置する反対側に第２のペル
チェ素子からなるサーモモジュールを熱的に結合配置
し、このサーモモジュールによりヒートシンク部材を周
囲より異なる温度であっても所定の温度に保つ。また、
ヒートシンク部材は一方の面がペルチェ素子の非定常時
の加熱面であれば他方の面がサーモモジュールの冷却面
となるように配置され、第１のペルチェ素子の電子冷熱
効果を有効に利用して大きな熱流束を発生させて急速冷
熱を発生させる。さらに、サーモモジュールの別の面に
は必要に応じて放熱・吸熱部材が配置され、冷却モード
であれば放熱機能を発揮させる。
【０００６】
【作用】上述する温度制御装置では、ヒートシンク部材
の熱拡散・熱伝導が利用されて大きな熱流束を生じ、短
時間の急激な冷熱作用を生じさせる。例えば、被温度制
御物体を急速冷却する場合、被温度制御物体が配置され
る一方の面を第１のペルチェ素子の非定常時の冷却面
に、ヒートシンク部材が熱的接触配置された他方の面を
加熱面にする。そして定常時にはヒートシンク部材は第
２のペルチェ素子からなるサーモモジュールにより被温
度制御物体の定常時の温度に比較して低温の所定温度に
保持されているが、それにもかかわらず第１のペルチェ
素子に被温度制御物体側を加熱面とする向きに通電して
所定の定常時の温度に保持しておき、急速冷却に際して
は通電を加熱モードから冷却モードに極性反転して切り
替えてやれば急速な冷却が出来る。これにより冷却開始
後の数ミリ秒から数十秒の短時間内にヒートシンク部材
に大きな熱流束を生じ、非定常熱伝導による熱拡散を発
生する。この非定常熱伝導は定常状態の熱伝導の数十倍
であることが見い出され、瞬時の冷却性能を数十倍に高
めて発揮する。それ故に、本発明はペルチェ素子を利用
の電子冷熱による温度制御装置として、短時間に高出力
動作して温度変化する半導体デバイス例えば高出力型半
導体デバイス、パルスレーダ波発振出力素子、間歇的に
駆動される高出力半導体レーザ等短時間に高熱負荷を受
ける物体や落下中の短時間の微重力または無重力下で反
応させる結晶成長セルの種結晶の温度制御に適用して有
効に機能する。
の熱拡散・熱伝導が利用されて大きな熱流束を生じ、短
時間の急激な冷熱作用を生じさせる。例えば、被温度制
御物体を急速冷却する場合、被温度制御物体が配置され
る一方の面を第１のペルチェ素子の非定常時の冷却面
に、ヒートシンク部材が熱的接触配置された他方の面を
加熱面にする。そして定常時にはヒートシンク部材は第
２のペルチェ素子からなるサーモモジュールにより被温
度制御物体の定常時の温度に比較して低温の所定温度に
保持されているが、それにもかかわらず第１のペルチェ
素子に被温度制御物体側を加熱面とする向きに通電して
所定の定常時の温度に保持しておき、急速冷却に際して
は通電を加熱モードから冷却モードに極性反転して切り
替えてやれば急速な冷却が出来る。これにより冷却開始
後の数ミリ秒から数十秒の短時間内にヒートシンク部材
に大きな熱流束を生じ、非定常熱伝導による熱拡散を発
生する。この非定常熱伝導は定常状態の熱伝導の数十倍
であることが見い出され、瞬時の冷却性能を数十倍に高
めて発揮する。それ故に、本発明はペルチェ素子を利用
の電子冷熱による温度制御装置として、短時間に高出力
動作して温度変化する半導体デバイス例えば高出力型半
導体デバイス、パルスレーダ波発振出力素子、間歇的に
駆動される高出力半導体レーザ等短時間に高熱負荷を受
ける物体や落下中の短時間の微重力または無重力下で反
応させる結晶成長セルの種結晶の温度制御に適用して有
効に機能する。
【０００７】一方、非定常熱伝導の短時間に処理する被
温度制御物体は予め定常状態に温度制御するべく所定の
温度プロファイルにしたがって操作される。例えば、被
温度制御物体を予め高温に保持した後に急速冷却する場
合、定常熱伝導状態に被温度制御物体を第１のペルチェ
素子で加熱し、その後極性反転して大電流を供給するこ
とで短時間の急速冷却を実現する。従って、ペルチェ素
子とヒートシンク部材の非定常熱伝導を利用した急速電
子冷熱によりコンパクトで精度が高く、任意で動的な温
度制御方法が実現される。なお、非定常熱伝導は定常状
態の動作プロセス時に対して用いる非定常状態を意味
し、定常熱伝導が時間的に温度の変化しない場合の熱伝
導をいうのに対し、変化する場合を非定常熱伝導と呼
び、一般のフィンは拡大伝熱面を形成して効果的に熱伝
達する定常熱伝導の例である。
温度制御物体は予め定常状態に温度制御するべく所定の
温度プロファイルにしたがって操作される。例えば、被
温度制御物体を予め高温に保持した後に急速冷却する場
合、定常熱伝導状態に被温度制御物体を第１のペルチェ
素子で加熱し、その後極性反転して大電流を供給するこ
とで短時間の急速冷却を実現する。従って、ペルチェ素
子とヒートシンク部材の非定常熱伝導を利用した急速電
子冷熱によりコンパクトで精度が高く、任意で動的な温
度制御方法が実現される。なお、非定常熱伝導は定常状
態の動作プロセス時に対して用いる非定常状態を意味
し、定常熱伝導が時間的に温度の変化しない場合の熱伝
導をいうのに対し、変化する場合を非定常熱伝導と呼
び、一般のフィンは拡大伝熱面を形成して効果的に熱伝
達する定常熱伝導の例である。
【０００８】図は本発明に係る電子デバイスの温度制御
装置を示し、複数個の高出力半導体レーザのアレイを被
温度制御物体とした温度制御の方法を開示する。この温
度制御装置は第１のペルチェ素子１と、その他方の電極
面４ｂに熱的に接触させるようシリカ被膜５を介在して
熱的に接触配置した平板状銅材のヒートシンク部材６と
を含み、加えて、第２のペルチェ素子からなるサーモモ
ジュール７が平板状で厚みのあるヒートシンク部材６の
裏面側に熱的に接触させるようにシリカ被膜８を介して
配置される。このサーモモジュール７は、ヒートシンク
部材６を定常時に周囲温度と異なる温度、例えば、定常
熱伝導時に周囲温度より低温状態の−１０℃から０℃に
保持するものであり、そのために、このサーモモジュー
ル７には放熱フィン９が装着される。複数個の半導体レ
ーザ３は、第１のペルチェ素子１の一方の電極面４ａに
シリカ被膜２を介在して熱的結合状態で配置されて高出
力半導体レーザアレイを形成している。
装置を示し、複数個の高出力半導体レーザのアレイを被
温度制御物体とした温度制御の方法を開示する。この温
度制御装置は第１のペルチェ素子１と、その他方の電極
面４ｂに熱的に接触させるようシリカ被膜５を介在して
熱的に接触配置した平板状銅材のヒートシンク部材６と
を含み、加えて、第２のペルチェ素子からなるサーモモ
ジュール７が平板状で厚みのあるヒートシンク部材６の
裏面側に熱的に接触させるようにシリカ被膜８を介して
配置される。このサーモモジュール７は、ヒートシンク
部材６を定常時に周囲温度と異なる温度、例えば、定常
熱伝導時に周囲温度より低温状態の−１０℃から０℃に
保持するものであり、そのために、このサーモモジュー
ル７には放熱フィン９が装着される。複数個の半導体レ
ーザ３は、第１のペルチェ素子１の一方の電極面４ａに
シリカ被膜２を介在して熱的結合状態で配置されて高出
力半導体レーザアレイを形成している。
【０００９】上述の温度制御装置は電子冷熱作用をする
第１のペルチェ素子１と熱伝導・熱拡散率の大きいヒー
トシンク部材６とを外部雰囲気から熱的に遮断するよう
断熱材１０により囲繞される。被温度制御物体の半導体
レーザ３の取付面には温度検知のために温度センサ１１
が個々に装備され、第１のペルチェ素子１を駆動するた
めに電気制御回路１２が設けられる。温度センサ１１か
らの配線は個々に電気制御回路に接続され、第２のペル
チェ素子も電気制御回路１２から通電駆動される。な
お、シリカ被膜は電気的絶縁性に優れ、かつ熱伝導良好
な物質であり、所望する電気的・熱的特性を有する物質
であればよい。また、ヒートシンク部材は銅の他に使用
環境に応じてアルミニウムやダイアモンド等の熱伝導率
の大きな物質を使用し、熱的特性を配慮して材料が選択
される。
第１のペルチェ素子１と熱伝導・熱拡散率の大きいヒー
トシンク部材６とを外部雰囲気から熱的に遮断するよう
断熱材１０により囲繞される。被温度制御物体の半導体
レーザ３の取付面には温度検知のために温度センサ１１
が個々に装備され、第１のペルチェ素子１を駆動するた
めに電気制御回路１２が設けられる。温度センサ１１か
らの配線は個々に電気制御回路に接続され、第２のペル
チェ素子も電気制御回路１２から通電駆動される。な
お、シリカ被膜は電気的絶縁性に優れ、かつ熱伝導良好
な物質であり、所望する電気的・熱的特性を有する物質
であればよい。また、ヒートシンク部材は銅の他に使用
環境に応じてアルミニウムやダイアモンド等の熱伝導率
の大きな物質を使用し、熱的特性を配慮して材料が選択
される。
【００１０】次に、この温度制御装置による動作を説明
する。被温度制御物体である高出力半導体レーザ３は間
歇的に駆動されて急速加熱するが、これを安定駆動する
ために急速冷却で対応しなければならず、本発明の温度
制御装置が適用される。また、駆動しない場合は最適効
率の動作を行うために結露による不具合を避けるよう所
定温度に維持することが望まれ第１のペルチェ素子１を
適度に加熱している。従って、本発明の温度制御装置で
は、定常状態に被温度制御物体のレーザ３を加熱するよ
うに第１のペルチェ素子１を加熱モードで動作させる。
電気制御回路１２からの通電制御はレーザ３の稼働状態
に応じて行なうほか、温度センサ１１の検知温度により
行なってもよい。極性反転を含む通電制御は、ペルチェ
素子１に対しその被温度制御物体の配置面を加熱してレ
ーザ３を所定の温度に維持する状態から動作開始で温度
上昇するレーザ３を急速冷却する状態に変える。温度セ
ンサ１１はこの制御物体の配置面の温度を検知する。必
要により、この信号で電気制御回路１２の通電制御がで
きる。電気制御回路１２の極性反転と通電強化による冷
却モードは瞬間的で数ミリ秒から数十秒以内の短時間で
あるが、第１のペルチェ素子１からヒートシンク部材６
に向けて大きな熱流束が発生する。この発生熱はヒート
シンク部材６の非定常熱伝導特性により速やかに熱拡散
し、極めて効率的に吸収され、急速冷却が達成される。
この冷却性能は定常状態に比べて数十倍に達し、レーザ
３を効率的動作温度に維持して動作させる。
する。被温度制御物体である高出力半導体レーザ３は間
歇的に駆動されて急速加熱するが、これを安定駆動する
ために急速冷却で対応しなければならず、本発明の温度
制御装置が適用される。また、駆動しない場合は最適効
率の動作を行うために結露による不具合を避けるよう所
定温度に維持することが望まれ第１のペルチェ素子１を
適度に加熱している。従って、本発明の温度制御装置で
は、定常状態に被温度制御物体のレーザ３を加熱するよ
うに第１のペルチェ素子１を加熱モードで動作させる。
電気制御回路１２からの通電制御はレーザ３の稼働状態
に応じて行なうほか、温度センサ１１の検知温度により
行なってもよい。極性反転を含む通電制御は、ペルチェ
素子１に対しその被温度制御物体の配置面を加熱してレ
ーザ３を所定の温度に維持する状態から動作開始で温度
上昇するレーザ３を急速冷却する状態に変える。温度セ
ンサ１１はこの制御物体の配置面の温度を検知する。必
要により、この信号で電気制御回路１２の通電制御がで
きる。電気制御回路１２の極性反転と通電強化による冷
却モードは瞬間的で数ミリ秒から数十秒以内の短時間で
あるが、第１のペルチェ素子１からヒートシンク部材６
に向けて大きな熱流束が発生する。この発生熱はヒート
シンク部材６の非定常熱伝導特性により速やかに熱拡散
し、極めて効率的に吸収され、急速冷却が達成される。
この冷却性能は定常状態に比べて数十倍に達し、レーザ
３を効率的動作温度に維持して動作させる。
【００１１】一方、ヒートシンク部材６は、第２のペル
チェ素子からなるサーモモジュール７の働きにより適切
な低い温度に保持され、ペルチェ素子１に急激な変化で
生じた熱を伝達し拡散して鎮めさせる。その結果、第１
のペルチェ素子１の冷却面側に熱的に接触配置された半
導体レーザ３の温度制御が極めて迅速かつ正確に実行さ
れ、タイムラグなしに安定動作が実現される。加えて、
温度制御装置は全体を断熱材１０により外部から熱的に
遮断され、第１のペルチェ素子１、ヒートシンク部材６
およびサーモモジュール７等の構成部品の熱損失増加や
結露の発生を阻止し信頼性を高めている。なお、電子の
運動は熱エネルギーの移動に比べて格段に高速であり、
電子冷熱するペルチェ素子に対する電気的制御は、メモ
リ回路やコンピュータ制御を含めて行うことで、より知
能的能動的に温度調節機能を達成する。
チェ素子からなるサーモモジュール７の働きにより適切
な低い温度に保持され、ペルチェ素子１に急激な変化で
生じた熱を伝達し拡散して鎮めさせる。その結果、第１
のペルチェ素子１の冷却面側に熱的に接触配置された半
導体レーザ３の温度制御が極めて迅速かつ正確に実行さ
れ、タイムラグなしに安定動作が実現される。加えて、
温度制御装置は全体を断熱材１０により外部から熱的に
遮断され、第１のペルチェ素子１、ヒートシンク部材６
およびサーモモジュール７等の構成部品の熱損失増加や
結露の発生を阻止し信頼性を高めている。なお、電子の
運動は熱エネルギーの移動に比べて格段に高速であり、
電子冷熱するペルチェ素子に対する電気的制御は、メモ
リ回路やコンピュータ制御を含めて行うことで、より知
能的能動的に温度調節機能を達成する。
【００１２】上述の実施例は、ヒートシンク部材が比較
的厚みのある平板銅材で構成したが、円錐または角錐台
形部材で構成し、被温度制御物体のある第１のペルチェ
素子側を小面積側、第２のペルチェ素子からなるサーモ
モジュール側を大面積側にして熱拡散や熱伝達効率を高
めることが好ましい。実験によれば、これらの面積比率
は、小面積側を１とするとき、大面積側を２〜９の範囲
で選定するのが好ましく、９を越えると装置自体を大き
くするので好ましくない。特に、電子冷熱素子を用いる
ことによる構成の簡素化と小型でコンパクトな温度制御
装置とするには、この比率を２〜４の範囲に選定するの
が望ましい。また、このような温度制御装置は、高出力
半導体レーザアレイのほかに短時間に処理する結晶成長
セルでの適用も可能であり、特に落下中の無重力下での
結晶成長を観察するための実験装置に効果的である。こ
の場合には、予め設定された温度プロファイルに従って
正確に温度制御可能となり、コンパクトで小型の実験装
置となる。
的厚みのある平板銅材で構成したが、円錐または角錐台
形部材で構成し、被温度制御物体のある第１のペルチェ
素子側を小面積側、第２のペルチェ素子からなるサーモ
モジュール側を大面積側にして熱拡散や熱伝達効率を高
めることが好ましい。実験によれば、これらの面積比率
は、小面積側を１とするとき、大面積側を２〜９の範囲
で選定するのが好ましく、９を越えると装置自体を大き
くするので好ましくない。特に、電子冷熱素子を用いる
ことによる構成の簡素化と小型でコンパクトな温度制御
装置とするには、この比率を２〜４の範囲に選定するの
が望ましい。また、このような温度制御装置は、高出力
半導体レーザアレイのほかに短時間に処理する結晶成長
セルでの適用も可能であり、特に落下中の無重力下での
結晶成長を観察するための実験装置に効果的である。こ
の場合には、予め設定された温度プロファイルに従って
正確に温度制御可能となり、コンパクトで小型の実験装
置となる。
【００１３】
【発明の効果】上述した実施例に示すように、本発明の
温度制御装置はペルチェ素子と熱流束の大きなヒートシ
ンク部材とを組合せ、極性反転による通電制御をして非
定常熱伝導時の熱拡散を利用したので短時間の急速冷熱
を実現する。特に電子冷熱作用が可動部分を持たないた
め振動や故障のない温度制御装置として、精密な実験や
製造設備に適用され、工業的利用面での価値が大きい。
加えて、定常状態の冷熱作用に比べて十数倍の冷却能力
を発揮できるので短時間で瞬時の温度制御に役立ち、プ
ログラム化された温度プロアイル制御方法に実用され
る。
温度制御装置はペルチェ素子と熱流束の大きなヒートシ
ンク部材とを組合せ、極性反転による通電制御をして非
定常熱伝導時の熱拡散を利用したので短時間の急速冷熱
を実現する。特に電子冷熱作用が可動部分を持たないた
め振動や故障のない温度制御装置として、精密な実験や
製造設備に適用され、工業的利用面での価値が大きい。
加えて、定常状態の冷熱作用に比べて十数倍の冷却能力
を発揮できるので短時間で瞬時の温度制御に役立ち、プ
ログラム化された温度プロアイル制御方法に実用され
る。
【図１】 本発明の温度制御装置の実施例を示す主要部
分の断面図
分の断面図
１ ペルチェ素子 ３ 半導体レーザ（被温度制御物体） ６ ヒートシンク部材 ７ サーモモジュール １１ 温度センサ １２ 電気制御回路
フロントページの続き 合議体 審判長 酒井 正己 審判官 雨宮 弘治 審判官 中澤 登 (56)参考文献 特開 昭61−253842（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−214072（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−137658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−72148（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 定常時に所定温度に維持された被温度制
御物体を急速冷却（または急速加熱）する温度制御装置
であって、 被温度制御物体が配置される一方の面を有する第１のペ
ルチェ素子と、 前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置され
たヒートシンク部材と、 前記ヒートシンク部材を前記被温度制御物体の定常時の
温度に比較して低温（または高温）の所定温度に保持す
る第２のペルチェ素子からなるサーモモジュールとを具
備し、 定常時に前記第１のペルチェ素子の一方向に通電して前
記被温度制御物体を前記所定温度に維持し、急速冷却
（または急速加熱）に際して極性反転する通電を行なう
ことにより、 定常時に所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷
却（または急速加熱）する ことを特徴とする温度制御装
置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の温度制御装置におい
て、 定常時に前記第１のペルチェ素子の一方向に通電して前
記被温度制御物体を前記所定温度に維持し、急速冷却
（または急速加熱）に際して極性反転する通電を行なう
電気制御回路を具備し、 前記電気制御回路は前記第１のペルチェ素子の一方の面
に配置した温度センサを含み、この検知信号に応じて通
電制御し、被温度制御物体に短時間に急激な冷却（また
は加熱）を生じさせることを特徴とする温度制御装置。 - 【請求項３】 被温度制御物体が配置される一方の面を
有する第１のペルチェ素子と、 前記第１のペルチェ素子の他方の面に熱的接触配置され
たヒートシンク部材と、 前記ヒートシンク部材を前記被温度制御物体の定常時の
温度に比較して低温（または高温）の所定温度に保持す
る第２のペルチェ素子からなるサーモモジュールとを具
備し、 前記第１のペルチェ素子の一方向に通電して前記被温度
制御物体を定常時の温 度に維持し、急速冷却（または急
速加熱）に際しては極性を反転させて通電することによ
り、 定常時に所定温度に維持された被温度制御物体を急速冷
却（または急速加熱）することを特徴とする温度制御方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06327399A JP3087813B2 (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 温度制御装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06327399A JP3087813B2 (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 温度制御装置及び方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08186205A JPH08186205A (ja) | 1996-07-16 |
| JP3087813B2 true JP3087813B2 (ja) | 2000-09-11 |
Family
ID=18198723
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06327399A Expired - Fee Related JP3087813B2 (ja) | 1994-12-28 | 1994-12-28 | 温度制御装置及び方法 |
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| JP (1) | JP3087813B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007198718A (ja) * | 2005-12-27 | 2007-08-09 | Toppan Printing Co Ltd | 温度制御方法 |
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| KR20000019706A (ko) * | 1998-09-15 | 2000-04-15 | 윤종용 | 열전 냉각기를 갖는 반도체 소자 모듈과 그의 방열 시스템 |
| US6639360B2 (en) * | 2001-01-31 | 2003-10-28 | Gentex Corporation | High power radiation emitter device and heat dissipating package for electronic components |
| US7075112B2 (en) | 2001-01-31 | 2006-07-11 | Gentex Corporation | High power radiation emitter device and heat dissipating package for electronic components |
| KR20030068633A (ko) * | 2002-02-15 | 2003-08-25 | 이엠씨테크(주) | 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치 |
| JP4418772B2 (ja) | 2005-04-28 | 2010-02-24 | 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 | 温度制御装置 |
| JP2007201285A (ja) * | 2006-01-27 | 2007-08-09 | Sony Corp | 光源装置 |
| JP4967781B2 (ja) * | 2007-04-20 | 2012-07-04 | 凸版印刷株式会社 | 温度制御装置および温度制御方法 |
-
1994
- 1994-12-28 JP JP06327399A patent/JP3087813B2/ja not_active Expired - Fee Related
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