JP4376033B2

JP4376033B2 - ペルチェ素子用電源装置

Info

Publication number: JP4376033B2
Application number: JP2003371987A
Authority: JP
Inventors: 一郎藤松
Original assignee: Nitto Kogyo Corp
Current assignee: Nitto Kogyo Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005137152A

Description

本発明は、ペルチェ素子用電源装置に関し、特に配電盤、制御盤等のキャビネット内部の熱を外部に放散するために使用される盤用冷却装置に組み込まれたペルチェ素子用の電源として最適な、ペルチェ素子用電源装置に関するものである。

配電盤、制御盤及び通信機器等のキャビネット内部の熱を密閉した状態で外部に放散するためにペルチェ素子を組み込んだ冷却装置が使用されており、ペルチェ素子を作動させるために大容量の直流電源装置が使用されている。ペルチェ素子を組み込んだ冷却装置では、キャビネット内の温度に応じて冷却能力を変化させることにより、消費電力を低減することが求められている。一般に冷却能力の低減はペルチェ素子に供給する電圧を下げることで行われており、出力電圧を切り換え可能とした直流電源装置が使用されている。

そうした直流電源装置としては、例えば特許文献１に示される、交流入力側の変圧器とコンデンサインプット形整流回路とＤＣ−ＤＣコンバータとから構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータのフィードバック回路に接続されたツェナーダイオードをオン、オフすることにより出力電圧を変えるようにしたものが提案されており、また、特許文献１に従来技術として示されているような交流入力側の変圧器をタップ付きとしたものが知られている。これらはいずれもペルチェ素子が定格冷却能力で作動する際に要する電力を供給できる能力を有し、出力電圧を低減することができるようにしたものであり、交流入力側の変圧器はその定格電力を供給可能な容量のものとする必要があった。

そのため入力変圧器が大形で重くなって小形軽量化できず、また、高コストになるという問題があった。さらに、大容量の直流電源装置の場合、単相入力では電源に対してアンバランス負荷となるだけでなく電源から流入する高調波電流が大きいという問題があり、三相入力とするのが好ましいのであるが、三相入力とすると入力変圧器も三相用としなければならず、入力変圧器を特殊な大形のものにしなければならないという問題があった。

これに対し、スイッチング方式と呼ばれる直流電源装置を使用することも検討されている。このスイッチング方式の直流電源装置は大形で重い商用周波の変圧器に替えて小形で軽量の高周波変圧器を使用することにより小形軽量化されたものであり、一種の機能部品として市場に流通している。ところが、市場に流通しているものには大容量のものがなく、出力電圧の切り換えができないため、複数の直流電源装置を組み合わせて使用する必要があり、高コストになるうえ高周波ノイズが発生するという問題があった。
特開平１１−３７６００号公報

本発明は上記の問題点を解決し、大形で特殊な変圧器を使用する必要がなく、小形軽量、低コストで高調波の発生が少ないペルチェ素子用電源装置を提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明は、ダイオードブリッジと２個の変圧器とリレーとから構成され、ダイオードブリッジにより三相交流を整流してペルチェ素子に直流を供給する、出力電圧を切り換え可能としたペルチェ素子用電源装置であって、三相交流入力の１線をダイオードブリッジの交流入力側の１線と接続するとともに三相交流入力の当該１線と他の２線との間にそれぞれ変圧器の一次巻線を接続し、ダイオードブリッジの交流入力側の他の２線を直接三相交流入力の他の２線と接続するか、変圧器の二次巻線を直列にして三相交流入力の他の２線と接続するかをリレーの接点の切り換えにより選択可能なものとし、変圧器の二次巻線は逆極性としたことを特徴とするものである。

また、同一の課題を解決するためになされた請求項２の発明は、ダイオードブリッジと２個の単巻変圧器とリレーとから構成され、ダイオードブリッジにより三相交流を整流してペルチェ素子に直流を供給する、出力電圧を切り換え可能としたペルチェ素子用電源装置であって、三相交流入力の１線をダイオードブリッジの交流入力側の１線と接続するとともに三相交流入力の当該１線と他の２線との間にそれぞれ単巻変圧器の巻線を接続し、ダイオードブリッジの交流入力側の他の２線を直接三相交流入力の他の２線と接続するか、単巻変圧器の直列巻線を直列にして三相交流入力の他の２線と接続するかをリレーの接点の切り換えにより選択可能なものとしたことを特徴とするものである。

請求項１の発明では、出力電圧低減時にダイオードブリッジの交流入力側の２線に変圧器の二次巻線をそれぞれ直列に挿入し、該変圧器の逆極性の二次電圧を加算してダイオードブリッジへの入力電圧を低減させている。したがって、変圧器の二次電圧は定格時と低減時の直流電圧の差分に相当する電圧とすればよく、二次電流は低減時の電流であるので、変圧器はペルチェ素子の定格時の電力に比べて極めて小容量で小形のものとすることができる。しかも、変圧器は単相変圧器であるので、一般的な打ち抜き鉄心を使用することができ、安価に製造できる利点がある。また、三相ブリッジ整流回路で整流されるので、直流側のリップルが少ないので特に平滑回路を設けなくてもペルチェ素子の発熱を招くことがなく、三相交流電源から見ればバランス負荷で高調波の発生が少ない利点がある。

請求項２の発明では、出力電圧低減時にダイオードブリッジの交流入力側の２線に単巻変圧器の直列巻線を直列にして接続しているので、変圧器はペルチェ素子の定格時の電力に比べて極めて小容量で小形のものとすることができる。変圧器が単相変圧器であること、三相ブリッジ整流回路で整流されることは請求項１の発明と同様であり、同様の利点を有するものである。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は第１の実施の形態を示す結線図であって、三相ブリッジ整流回路を構成するダイオードブリッジ１の交流入力側の１線は電源入力端子２に接続してあり、該ダイオードブリッジ１の交流入力側の他の２線はそれぞれリレー３の常開接点４、５を通してそれぞれ電源入力端子６、７に接続してある。８、９は変圧器であって、該変圧器８、９の一次巻線１０、１１の巻き始めは電源入力端子２に接続してあり、巻き終わりはそれぞれ電源入力端子６、７に接続してある。前記変圧器８、９の二次巻線１２、１３は一次巻線１０、１１と逆方向に巻回してあり、二次電圧は定格時の直流出力電圧と低減時の直流出力電圧の差分に相当する電圧としてある。

二次巻線１２、１３の巻き始めはそれぞれ一次巻線１０、１１の巻き終わりに接続してあり、巻き終わりはそれぞれリレー３の常閉接点１４、１５を通してリレー３の常開接点４、５に接続されたダイオードブリッジ１の交流入力側に接続してある。１６は冷却対象であるキャビネット内に設置される温度センサであって、該温度センサ１６はヒステリシスを持つものとしてあり、温度が設定値より一定値以上高くなると作動し、温度が設定値より低くなると復帰するものである。この設定値はその温度以下となったときに冷却能力を低減する温度であり、温度センサ１６はリレー３のコイルに接続して温度センサ１６の作動によりリレー３を動作させるようにしてある。１７はペルチェ素子であり、１８は電源入力端子６、２、７に接続される三相交流電源を示すものである。

前記構成のペルチェ素子用電源装置において、温度センサ１６が作動している状態で三相交流電源１８から電源入力端子６、２、７に電源を供給すると、リレー３が動作しているので電源入力端子６、７はリレー３の常開接点４、５を通してダイオードブリッジ１の交流入力側に接続され、ダイオードブリッジ１の交流入力側は直接三相交流電源１８に接続されることになる。ダイオードブリッジ１は三相交流電源１８から供給される交流電力を整流し、ペルチェ素子１７に直流電力を供給する。このときの出力電圧が定格電圧であり、ペルチェ素子１７は定格冷却能力で作動することになる。

ペルチェ素子に供給される直流電源のリップルが大きいと、ペルチェ素子自身が発熱し、冷却能力が損なわれるという問題がある。そのため、従来の単相交流を電源とする電源装置ではリップルを低減させるためにコンデンサインプット形整流回路を使用する等の対策をしており、高調波を発生させるという問題を生じていた。本発明のペルチェ素子用電源装置では三相ブリッジ整流回路で整流されるので、直流側のリップルが少なく、ペルチェ素子自身が発熱することが少ない。また、三相交流電源１８から見ればバランス負荷であり、高調波の発生が少ない利点がある。

盤内の温度が低下して設定値より低くなると温度センサ１６が復帰するのでリレー３が復帰し、常開接点４、５が開、常閉接点１４、１５が閉となる。これにより電源入力端子６及び７とダイオードブリッジ１の交流入力側との間に変圧器８、９の二次巻線１２、１３が直列に挿入されることになり、変圧器８、９は直列変圧器として働いてダイオードブリッジ１には三相交流電源１８の線間電圧に二次巻線１２、１３の電圧が加わった電圧が加わることになる。ところが、二次巻線１２、１３は一次巻線１０、１１と逆方向に巻回されているので二次巻線１２、１３の電圧は逆極性となり、ダイオードブリッジ１には絶対値において三相交流電源１８の電圧から二次巻線１２、１３の電圧を減じた電圧が線間電圧として加わることになる。

これによりダイオードブリッジ１により整流されてペルチェ素子１７に供給される直流電圧も低くなり、ペルチェ素子１７の冷却能力が低下することになる。盤内機器の発熱量が、低下したペルチェ素子１７の冷却能力以内であれば盤内の温度が上昇することはなく、ペルチェ素子１７は冷却能力が低減された状態で運転を継続することになるが、盤内機器の発熱量が大きければ盤内の温度が上昇することになる。盤内の温度が上昇して設定値より一定値以上高くなると、温度センサ１６が作動してリレー３が動作し、常開接点４、５が閉、常閉接点１４、１５が開となって、ダイオードブリッジ１の交流入力側は直接三相交流電源１８に接続され、定格電圧をペルチェ素子１７に供給することになる。温度センサ１６はヒステリシスを持つものとしてあるので、設定値付近でチャタリングを生ずることがない。

低減時の冷却能力は定格時の７０％前後に定められることが多いが、低減時の冷却能力を定格の７０％前後とするにはペルチェ素子に供給する電力を定格の７０％前後にすればよい。電力を低下させるためには電圧を低下させるのであるが、電圧を低下させれば電流も比例して減少するので、ペルチェ素子に供給する電圧としては定格時の８５％程度にすればよいことになる。したがって、定格時にダイオードブリッジ１の交流入力側に加えられる電圧を２００Ｖとすれば、低減時にはその８５％である１７０Ｖとすることになり、二次巻線１２、１３の電圧はその差分の３０Ｖすなわち定格の１５％でよいことになる。また、二次巻線１２、１３に流れる電流は定格時の８５％程度となるので、変圧器８、９の容量は定格の約１３％でよく、極めて小容量で小形のものとすることができる。

図２は第２の実施の形態を示す結線図であって、第１の実施の形態のものとは変圧器の構成のみを異にするものであり、変圧器以外には同一符号が付してある。第２の実施の形態のもので使用する変圧器１９、２０は単巻変圧器であって、直列巻線２１、２２と分路巻線２３、２４が巻回され、直列巻線２１、２２の電圧は定格時の直流出力電圧と低減時の直流出力電圧の差分に相当する電圧としてある。分路巻線２３、２４の巻き始めは電源入力端子２に接続し、分路巻線２３、２４の巻き終わりはそれぞれ直列巻線２１、２２の巻き始めと接続するとともにリレー３の常閉接点１４、１５を通してリレー３の常開接点４、５に接続されたダイオードブリッジ１の交流入力側に接続してあり、直列巻線２１、２２の巻き終わりはそれぞれ電源入力端子６、７に接続してある。

前記構成のペルチェ素子用電源装置において、温度センサ１６が作動している状態で三相交流電源１８から供給される交流電力がダイオードブリッジ１により直接整流されることは第１の実施の形態のものと同じである。盤内の温度が低下して温度センサ１６が復帰するとリレー３が復帰し、常開接点４、５が開、常閉接点１４、１５が閉となる。これによりダイオードブリッジ１の交流入力側は直列巻線２１、２２の巻き始め及び電源入力端子２に接続されることになり、三相交流電源１８の電圧から直列巻線２１、２２の電圧を減じた電圧が線間電圧として加わることになる。

これによりペルチェ素子１７に供給される直流電圧も低くなり、ペルチェ素子１７の冷却能力が低下すること、盤内機器の発熱量とペルチェ素子１７の冷却能力の関係で盤内温度の上昇がなければそのまま運転が継続され、盤内温度の上昇により温度センサ１６が作動すればリレー３が動作して常開接点４、５が閉、常閉接点１４、１５が開となり、ダイオードブリッジ１の交流入力側は直接三相交流電源１８に接続されてペルチェ素子１７に定格電圧が供給されることは第１の実施の形態のものと同様である。この変圧器１９、２０は単巻変圧器であるので、自己容量は直列巻線２１、２２の電圧を二次電圧とする一般的な複巻変圧器と同じであり、また、電流も低減されるので極めて小容量で小形のものとすることができる。

第１の実施の形態を示す結線図である。第２の実施の形態を示す結線図である。

符号の説明

１ダイオードブリッジ
２電源入力端子
３リレー
４、５常開接点
６、７電源入力端子
８、９変圧器
１０、１１一次巻線
１２、１３二次巻線
１４、１５常閉接点
１６温度センサ
１７ペルチェ素子
１８三相交流電源
１９、２０変圧器
２１、２２直列巻線
２３、２４分路巻線

Claims

ダイオードブリッジと２個の変圧器とリレーとから構成され、ダイオードブリッジにより三相交流を整流してペルチェ素子に直流を供給する、出力電圧を切り換え可能としたペルチェ素子用電源装置であって、三相交流入力の１線をダイオードブリッジの交流入力側の１線と接続するとともに三相交流入力の当該１線と他の２線との間にそれぞれ変圧器の一次巻線を接続し、ダイオードブリッジの交流入力側の他の２線を直接三相交流入力の他の２線と接続するか、変圧器の二次巻線を直列にして三相交流入力の他の２線と接続するかをリレーの接点の切り換えにより選択可能なものとし、変圧器の二次巻線は逆極性としたことを特徴とするペルチェ素子用電源装置。
ダイオードブリッジと２個の単巻変圧器とリレーとから構成され、ダイオードブリッジにより三相交流を整流してペルチェ素子に直流を供給する、出力電圧を切り換え可能としたペルチェ素子用電源装置であって、三相交流入力の１線をダイオードブリッジの交流入力側の１線と接続するとともに三相交流入力の当該１線と他の２線との間にそれぞれ単巻変圧器の巻線を接続し、ダイオードブリッジの交流入力側の他の２線を直接三相交流入力の他の２線と接続するか、単巻変圧器の直列巻線を直列にして三相交流入力の他の２線と接続するかをリレーの接点の切り換えにより選択可能なものとしたことを特徴とするペルチェ素子用電源装置。