JP4601532B2 - サーモモジュール用制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いたサーモモジュールを通電制御するサーモモジュール用制御装置に関する。

従来、ペルチェ素子を用いたサーモモジュールを通電制御することにより温調制御を行うようにしたサーモモジュール用制御装置としては、特開昭５９−７１５１９号公報で開示される制御装置（温度制御装置）が知られている。

同公報で開示されるペルチェ素子を利用した温度制御装置（制御装置）は、サーモモジュールを構成するペルチェ素子による熱の吸収または発生の作用により被制御体温度を制御する装置において、ペルチェ素子の一端に一対の双方向性制御整流素子を並列接続し、当該整流素子をゼロクロススイッチング制御する制御回路を当該整流素子のゲートに接続することにより、ペルチェ素子に流す電流量および電流方向を制御するようにしたものである。
特開昭５９−７１５１９号

しかし、上述した従来のサーモモジュール用制御装置（温度制御装置）は、次のような問題点があった。

第一に、トライアック等を用いた電源部自体を直接制御したり或いは低雑音化を図る観点からゼロクロススイッチング制御を行う必要があるなど、制御の煩雑化及び動作の不安定化を招きやすいとともに、耐久性及び信頼性の面からも難がある。

第二に、整流回路及び平滑回路を含む電源部自体を制御するため、制御装置全体を専用装置として構成する必要があるなど、回路構成の複雑化及び部品点数の増加によるコストアップを招きやすい。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したサーモモジュール用制御装置の提供を目的とするものである。

本発明は、ペルチェ素子Ｃ…を用いたサーモモジュール３０を通電制御するサーモモジュール用制御装置１を構成するに際して、交流入力部２ｉ，２ｉ及び直流出力部２ｐ，２ｎを有する直流電源部２と、直流出力部２ｐ，２ｎとサーモモジュール３０間に接続することにより当該サーモモジュール３０に対する直流出力部２ｐ，２ｎからの極性を切換えるリレースイッチ３と、交流入力部２ｉ…に流れる入力電流Ｉｉを制御するＳＳＲ（ソリッドステートリレー）４と、少なくとも極性を切換える際にＳＳＲ４を所定のオフ時間ｔｉにわたってオフ制御し、このオフ制御の開始後、所定の遅延時間ｔｄが経過したタイミングによりリレースイッチ３を切換制御するリレースイッチ制御機能を備える制御部５を備えることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、サーモモジュール３０は、通過する液体Ｌ又は気体Ｇを加熱又は冷却する熱交換器３１ａ，３１ｂに付設することができる。したがって、制御部５には、温度センサ７により検出した液体Ｌ又は気体Ｇの温度（検出温度Ｔｄ）と予め設定した目標温度Ｔｓに基づいて、ＳＳＲ４をパルス幅制御するとともにリレースイッチ３を切換制御する温度制御機能を設けることができる。

このような構成を有する本発明に係るサーモモジュール用制御装置によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 電源部自体は、交流入力部２ｉ，２ｉ及び直流出力部２ｐ，２ｎを有する単純構成の直流電源部２で足りるとともに、直流電源部２を含まない前段或いは後段で電流制御及び極性切換制御を行うため、制御の簡易化、更には動作の安定化を図れるとともに、耐久性向上及び信頼性向上に寄与できる。

（２） 整流回路及び平滑回路を含む直流電源部２は、汎用的な構成で足りるため、回路構成の単純化及び部品点数の削減によりコストダウンを図ることができる。また、直流電源ユニット等の別途の市販ユニットを組込むことができるなど、装置全体の性能向上や安定性向上に寄与できるとともに、設計自由度を高めることができる。

（３） 制御部５には、極性を切換える際にＳＳＲ４を所定のオフ時間ｔｉにわたってオフ制御し、このオフ時間ｔｉの間にリレースイッチ３を切換制御するリレースイッチ制御機能を設けたため、リレースイッチ３は開閉容量の最大値が低い部品で足り、更なる低コスト化及び小型化に寄与できるとともに、リレースイッチ３の耐久性向上（長寿命化）にも寄与できる。

（４） リレースイッチ制御機能により、ＳＳＲ４に対するオフ制御の開始後、所定の遅延時間ｔｄが経過したタイミングによりリレースイッチ３を切換制御するようにしたため、直流電源部２における平滑回路の影響を排除できる。即ち、ＳＳＲ４をオフにしても直流電源部２における平滑回路の影響によりリレースイッチ３に付加される電圧は徐々に低下するが、この電圧が十分に低下してからリレースイッチ３を切換制御できる。

（５） 好適な態様により、サーモモジュール３０を、通過する液体Ｌ又は気体Ｇを加熱又は冷却する熱交換器３１ａ，３１ｂに付設すれば、液体温調装置や圧縮空気温調装置に用いて好適なサーモモジュール用制御装置１を構成できる。

（６） 好適な態様により、制御部５に、温度センサ７により検出した液体Ｌ又は気体Ｇの温度（検出温度Ｔｄ）と予め設定した目標温度Ｔｓに基づいて、ＳＳＲ４をパルス幅制御するとともにリレースイッチ３を切換制御する温度制御機能を設ければ、液体温調装置や圧縮空気温調装置において的確で安定した温調制御を行うことができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係るサーモモジュール用制御装置１の構成について、図１〜図３を参照して説明する。

制御装置１の全体構成を図１に示す。制御装置１は、大別して、直流電源部２、リレースイッチ３、ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）４及び制御部５を備える。制御装置１からはＡＣ１００Ｖ用の電源プラグ１１が導出する。また、制御装置１の出力部Ｐａ，Ｐｂには、サーモモジュール３０を接続して使用する。なお、サーモモジュール３０は、複数（例えば、１２個）のペルチェ素子Ｃ…を順次直列接続して構成したものである。

直流電源部２は、四つのダイオードをブリッジ接続したブリッジ整流回路１３を有するとともに、このブリッジ整流回路１３の出力側に接続したコンデンサ１４及び抵抗１５からなる平滑回路１６を有する。そして、ブリッジ整流回路１３の入力側は、直流電源部２の交流入力部２ｉ，２ｉとなり、一方の交流入力部２ｉは、直接ＡＣ１００Ｖ用の電源プラグ１１に接続するとともに、他方の交流入力部２ｉは、ＳＳＲ４を介して電源プラグ１１に接続する。このＳＳＲ４は、交流入力部２ｉ，２ｉに流れる入力電流Ｉｉを制御（パルス幅制御）する。

また、平滑回路１６の出力側は、直流電源部２の直流出力部２ｐ，２ｎとなり、この直流出力部２ｐ，２ｎとサーモモジュール３０間には、リレースイッチ３におけるスイッチ部３ｓ，３ｓを接続する。なお、３ｃ，３ｃは、各スイッチ部３ｓ，３ｓの切換を行う励磁コイルである。リレースイッチ３は、サーモモジュール３０に対する直流出力部２ｐ，２ｎからの極性を切換える機能を有する。この場合、リレースイッチ３には、二回路二接点の二つのリレースイッチ部品を使用し、図１に示すように結線することができる。なお、四回路二接点の一つのリレースイッチ部品を使用してもよい。

これにより、励磁コイル３ｃ，３ｃに対する励磁を解除したときは、リレースイッチ３の可動接点は、図１の状態となり、直流出力部２ｐが出力部Ｐｂに、直流出力部２ｎが出力部Ｐａにそれぞれ接続されるとともに、励磁コイル３ｃ，３ｃを励磁したときは、リレースイッチ３の可動接点は、他方の固定接点にそれぞれ切換わり、直流出力部２ｐが出力部Ｐａに、直流出力部２ｎが出力部Ｐｂにそれぞれ接続される。即ち、サーモモジュール３０に対する直流出力部２ｐ，２ｎからの極性が反転するように切換えられる。

一方、制御部５は、各種制御処理及び演算処理等を行い、制御装置１における全体の制御を司る制御部本体５ｍを備え、この制御部本体５ｍには、電源プラグ１１からＡＣ１００Ｖ電源が供給される。したがって、制御部本体５ｍは、直流低電圧を得る別途の電源部が内蔵されている。また、制御部本体５ｍの出力ポートには、ＳＳＲ４及びリレースイッチ３の励磁コイル３ｃ，３ｃを接続する。これにより、ＳＳＲ４及びリレースイッチ３は、制御部本体５ｍ（制御部５）からの制御信号により制御される。さらに、７はサーモモジュール３０により加熱又は冷却される後述する気体Ｇ又は液体Ｌの温度を検出する温度センサであり、制御部本体５ｍの入力ポートに接続する。したがって、制御部５には、少なくとも制御部本体５ｍと温度センサ７が含まれる。

図２には、制御部本体５ｍの、より具体化したブロック系統図を示す。制御部本体５ｍは、温度センサ７から得る検出信号を増幅する増幅部２１、ＰＩＤ定数（Ｐ定数，Ｉ定数，Ｄ定数）を設定するＰＩＤ設定部２２、ＰＩＤ演算を行うＰＩＤ演算部２３、各種出力条件を設定する条件設定部２４、ＳＳＲ４及びリレースイッチ３に制御信号を供給する出力制御部２５を備える。この場合、増幅部２１の出力及びＰＩＤ設定部２２のＰＩＤ定数は、ＰＩＤ演算部２３に付与されるとともに、ＰＩＤ演算部２３の出力は、出力制御部２５に付与される。また、出力制御部２５における各種出力条件は、条件設定部２４により設定される。

これにより、温度センサ７の検出信号は制御部本体５ｍに付与されることにより検出温度Ｔｄに変換され、予め設定した目標温度Ｔｓとの偏差Ｅが求められるとともに、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓに一致するように、ＳＳＲ４によるパルス幅制御及びリレースイッチ３による極性切換制御が行われる。即ち、温度に対する基本的なフィードバック制御が行われるとともに、ＰＩＤ制御が行われ、目標温度Ｔｓに検出温度Ｔｄが短時間で達したり適切なタイミングによりリレースイッチ３が切換えられるなど、高精度の制御が可能になる。

このように、制御部５には、少なくとも、温度センサ７により検出した温度（検出温度Ｔｄ）と予め設定した目標温度Ｔｓに基づいてＳＳＲ４をパルス幅制御するとともにリレースイッチ３を切換制御する温度制御機能と、後に詳述するリレースイッチ制御機能、即ち、直流出力部２ｐ，２ｎからの極性を切換える際にＳＳＲ４を所定のオフ時間ｔｉにわたってオフ制御し、このオフ時間ｔｉの間にリレースイッチ３を切換制御するリレースイッチ制御機能を備えている。

他方、本実施形態に係る制御装置１は、基本的に、ペルチェ素子Ｃ…を用いたサーモモジュール３０を通電制御する機能を有するため、例えば、図３に示すような液体温調装置Ｍａに接続して使用する。図３は、温調した液体Ｌを被温調部３２に循環させる機能を備える。液体温調装置Ｍａは、熱交換器３１ａを備え、この熱交換器３１ａにサーモモジュール３０を付設する。熱交換器３１ａには、液体（冷却水等）Ｌが通過し、この通過時にサーモモジュール３０により冷却又は加熱、即ち、熱交換される。なお、３３はサーモモジュール３０の放熱面に付設した放熱部を示し、この放熱部は空冷式又は水冷式により冷却（又は加熱）される。また、前述したように、サーモモジュール３０は、制御装置１における出力部Ｐａ，Ｐｂに接続する。さらに、液体Ｌの温度を検出する温度センサ７を熱交換器３１ａに付設するとともに、必要によりサーモモジュール３０に付設し、この温度センサ７を制御部本体５ｍの入力ポートに接続する。その他、液体温調装置Ｍａは、液体Ｌを収容する液タンク３４、この液タンク３４の液体Ｌを熱交換器３１ａに供給する送液ポンプ３５等を備えている。

次に、本実施形態に係るサーモモジュール用制御装置１及び同制御装置１を用いた液体温調装置Ｍａの動作について、図１〜図４を参照して説明する。

まず、図３に示す液体温調装置Ｍａでは、運転開始により、送液ポンプ３５が作動し、液タンク３４内の液体Ｌは、送液ポンプ３５を介して熱交換器３１ａに供給され、熱交換器３１ａにおいて熱交換される。そして、熱交換された液体Ｌは、供給配管Ｘｉを介して被温調部３２に供給されるとともに、被温調部３２で使用され、熱交換された液体Ｌは、戻り配管Ｘｏを介して液タンク３４に戻される。

また、熱交換器３１ａでは液体Ｌの温度が温度センサ７により検出され、検出された温度（検出温度Ｔｄ）は、制御装置１における制御部本体５ｍ（制御部５）に付与される。制御部５では、温度制御機能により、検出温度Ｔｄと予め設定した目標温度Ｔｓに基づいて、ＳＳＲ４がパルス幅制御されるとともにリレースイッチ３が切換制御される。この場合、制御部本体５ｍでは、目標温度Ｔｓと検出温度Ｔｄの偏差Ｅが求められ、この偏差Ｅに基づき生成された制御信号がＳＳＲ４に付与されることにより、入力電流Ｉｉに対するパルス幅制御が行われる。即ち、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓに一致するように、温度に対する基本的なフィードバック制御が行われる。パルス幅制御では、偏差Ｅが大きくなることによりスイッチングされたパルス信号（パルス電流）のパルス幅が広くなりサーモモジュール３０に対する給電量が増加するとともに、偏差Ｅが小さくなることによりパルス幅が狭くなりサーモモジュール３０に対する給電量が低下する。そして、この際、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓに短時間で到達できるようにするなど、高精度の温調制御実現のためのＰＩＤ制御が行われる。

図４は、具体的な制御状態を示している。同図（ａ）に示すように、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓよりも高いときは、冷却モードとなり、リレースイッチ３は、同図（ｂ）に示すように、オフ状態、即ち、励磁コイル３ｃ，３ｃの励磁が解除された状態にある。冷却モードでは、サーモモジュール３０（熱交換器３１ａ）により液体Ｌに対する冷却が行われるとともに、冷却の強弱は、上述したように、ＳＳＲ４により制御される（同図（ｃ）参照）。他方、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓよりも低いときは、加熱モードとなり、リレースイッチ３は、オン状態、即ち、励磁コイル３ｃ，３ｃが励磁される状態となる。加熱モードでは、サーモモジュール３０（熱交換器３１ａ）により液体Ｌに対する加熱が行われるとともに、加熱の強弱は、ＳＳＲ４により制御される。

一方、今、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓよりも高い状態から目標温度Ｔｓよりも低い状態になった場合を想定する。この場合、制御部５には、リレースイッチ制御機能を備えるため、図４に示すように、高い状態から低い状態に変わった時点ｔｃｄで、リレースイッチ制御機能による制御が行われる。即ち、時点ｔｃｄが生じたなら、ＳＳＲ４を所定のオフ時間ｔｉにわたってオフ制御し、このオフ時間ｔｉの間にリレースイッチ３を切換制御する。このオフ時間ｔｉ（例えば、４秒程度）は、予め設定されている。具体的には、ｔｃｄ時点が生じた後、予め設定した遅延時間ｔｄ（例えば、３秒程度）が経過したなら、このタイミングによりリレースイッチ３を切換制御し、直流出力部２ｐ，２ｎからの極性を反対側に切換える。これにより、ＳＳＲ４がオフ制御された状態でリレースイッチ３の切換制御が行われるため、リレースイッチ３は開閉容量の最大値が低い部品で足り、更なる低コスト化及び小型化に寄与できるとともに、リレースイッチ３の耐久性向上（長寿命化）にも寄与できる利点がある。

なお、遅延時間ｔｄを設定する理由は、次のとおりである。ｔｃｄ時点でＳＳＲ４をオフ制御しても、直流電源部２には平滑回路１６を備えるため、図４（ｄ）に示すように、直流電源部２の出力電圧Ｖｏは徐々に低下する（同図中、符号Ｖｏｓ参照）。この場合、ｔｃｄ時点から所定時間（例示では１秒程度）経過することにより、ほぼオフレベルＶｏｄに達するため、このオフレベルＶｏｄに達したタイミングによりリレースイッチ３を切換制御するようにした。これにより、出力電圧Ｖｏが十分に低下してからリレースイッチ３を切換制御できるため、直流電源部２における平滑回路１６の影響を排除できる利点がある。この際、適切なタイミングによりリレースイッチ３が切換えられるようにするなど、高精度の温調制御実現のためのＰＩＤ制御が行われる。

他方、検出温度Ｔｄが目標温度Ｔｓよりも低い状態から目標温度Ｔｓよりも高い状態になった場合も同様である。この場合、図４に示すように、低い状態から高い状態に変わった時点ｔｃｕで、リレースイッチ制御機能による制御が行われる。即ち、時点ｔｃｕが生じたなら、ＳＳＲ４を所定のオフ時間ｔｉにわたってオフ制御し、このオフ時間ｔｉの間にリレースイッチ３を切換制御する。具体的には、ｔｃｕ時点が生じた後、予め設定した遅延時間ｔｄ（例えば、３秒程度）が経過したなら、このタイミングによりリレースイッチ３を切換制御し、直流出力部２ｐ，２ｎからの極性を反対側に切換える。

このように、本実施形態に係るサーモモジュール用制御装置１によれば、電源部自体は、交流入力部２ｉ，２ｉ及び直流出力部２ｐ，２ｎを有する単純構成の直流電源部２で足りるとともに、直流電源部２を含まない前段或いは後段で電流制御及び極性切換制御を行うため、制御の簡易化、更には動作の安定化を図れるとともに、耐久性向上及び信頼性向上に寄与することができる。また、整流回路及び平滑回路を含む直流電源部２は、汎用的な構成で足りるため、回路構成の単純化及び部品点数の削減によりコストダウンを図ることができる。

次に、本発明に係る変更実施形態について、図６を参照して説明する。

図６は、サーモモジュール用制御装置１を、圧縮空気温調装置Ｍｂに利用した場合の変更実施形態を示す。圧縮空気温調装置Ｍｂは、温調した気体Ｇを被温調部３７に供給するものである。この圧縮空気温調装置Ｍｂは、熱交換器３１ｂを備え、この熱交換器３１ｂにサーモモジュール３０を付設する。熱交換器３１ｂには、気体（空気等）Ｇが通過し、この通過時にサーモモジュール３０により冷却又は加熱される。即ち、圧縮空気温調装置Ｍｂでは、外気となる気体Ｇが、エアコンプレッサ３９，ドライヤ（空気乾燥器）４０，フィルタ（塵芥フィルタ）４１を介して熱交換器３１ｂに供給される。熱交換器３１ｂでは、気体Ｇに対する熱交換が行われ、熱交換された気体Ｇは、供給配管Ｘｉを介して被温調部３７に供給される。そして、被温調部３２において使用され、熱交換された気体Ｇは、外気として外部に放出される。なお、その他、図６において、図３と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にした。

このように、サーモモジュール用制御装置１は、圧縮空気温調装置Ｍｂや前述した液体温調装置Ｍａに用いて好適であり、圧縮空気温調装置Ｍｂや液体温調装置Ｍａにおいて的確で安定した温調制御を行うことができる。

なお、図５には、本発明に関連する参考例を示す。図５は、一般に市販されている直流電源ユニットやＡＣ／ＤＣコンバータユニット等の市販ユニット２ｇを直流電源部２として利用するとともに、ＳＳＲ４の接続個所を直流電源部２の出力側（二次側）に変更したサーモモジュール用制御装置１を示す。なお、他の構成は、図１に示した制御装置１と同じである。このため、図５において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にした。前述したように、本発明に係る制御装置１は、直流電源部２を含まない前段で電流制御及び極性切換制御が可能となるため、直流電源部２には、市販ユニット２ｇを利用することができる。これにより、装置全体の性能向上や安定性向上に寄与できるとともに、設計自由度を高めることができる利点がある。

一方、ＳＳＲ４の接続個所の変更は、直流電源部２の直流出力部２ｐ，２ｎに流れる出力電流Ｉｏを制御するとともに、ＳＳＲ４として直流タイプを使用できることを意味する。なお、直流タイプの場合、現時点では大容量となる汎用品が実用化されておらず、コスト面で不利になる。したがって、ＳＳＲ４は、図１のように、直流電源部２の入力側（一次側）に接続する交流タイプの方がコスト面で有利である。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、リレースイッチ３及びＳＳＲ４は、それぞれ同様の機能を有する他の部品に置換可能である。なお、サーモモジュール用制御装置１を利用する対象として、液体温調装置Ｍａと圧縮空気温調装置Ｍｂを例示したが、他の同種の装置にも同様に利用できる。また、サーモモジュール３０は、通過する液体Ｌ又は気体Ｇを加熱又は冷却する熱交換器３１ａ，３１ｂに付設する場合を例示したが、熱交換器３１ａ，３１ｂ以外の他の対象物を加熱又は冷却する用途にも同様に利用できる。

本発明の最良の実施形態に係るサーモモジュール用制御装置の電気回路構成図、 同制御装置における制御部本体のブロック系統図、 同制御装置を用いた液体温調装置のブロック構成図、 同制御装置の各部における信号波形のタイムチャート、 本発明に関連する参考例に係る制御装置の一部を示す電気回路構成図、 本発明に係る制御装置を圧縮空気温調装置に利用した変更実施形態のブロック構成図、

符号の説明

１：サーモモジュール用制御装置，２：直流電源部，２ｉ：交流入力部，２ｉ：交流入力部，２ｐ：直流出力部，２ｎ：直流出力部，３：リレースイッチ，４：ＳＳＲ（ソリッドステートリレー），５：制御部，７：温度センサ，３０：サーモモジュール，３１ａ：熱交換器，３１ｂ：熱交換器，Ｉｉ：入力電流，Ｃ…：ペルチェ素子，Ｇ：気体，Ｌ：液体，Ｔｄ：検出温度，Ｔｓ：目標温度，ｔｉ：オフ時間，ｔｄ：遅延時間

Claims (3)

1. ペルチェ素子を用いたサーモモジュールを通電制御するサーモモジュール用制御装置において、交流入力部及び直流出力部を有する直流電源部と、前記直流出力部と前記サーモモジュール間に接続することにより当該サーモモジュールに対する前記直流出力部からの極性を切換えるリレースイッチと、前記交流入力部に流れる入力電流を制御するＳＳＲ（ソリッドステートリレー）と、少なくとも前記極性を切換える際に前記ＳＳＲを所定のオフ時間にわたってオフ制御し、かつこのオフ制御の開始後、所定の遅延時間が経過したタイミングにより前記リレースイッチを切換制御するリレースイッチ制御機能を備える制御部を備えることを特徴とするサーモモジュール用制御装置。
2. 前記サーモモジュールは、通過する液体又は気体を加熱又は冷却する熱交換器に付設することを特徴とする請求項１記載のサーモモジュール用制御装置。
3. 前記制御部は、温度センサにより検出した前記液体又は前記気体の温度（検出温度）と予め設定した目標温度に基づいて、前記ＳＳＲをパルス幅制御するとともに前記リレースイッチを切換制御する温度制御機能を備えることを特徴とする請求項２記載のサーモモジュール用制御装置。

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