JP4706149B2

JP4706149B2 - 温度分布制御電子冷却装置

Info

Publication number: JP4706149B2
Application number: JP2001254134A
Authority: JP
Inventors: 明生浮田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003068955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度分布制御電子冷却装置に係り、特に、電子部品、特に光デバイスや半導体レーザの温度制御をする際、領域毎に個別に目標温度を違えて制御する温度分布制御電子冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、精密な温度コントロールの必要な、半導体レーザなどの温度コントロールにおいて、ペルチェ素子を用いた電子冷却がしばしば行われている。その事例としては、例えば特開平６−８９９５５号公報に記載が有る。これらの事例では、温度センサ1個に対して、電流制御回路は１対１で対応して設置されている。一方温度コントロールを行う対象物が、大面積の場合には、ひとつのペルチェモジュールでは、十分な温度制御有効範囲が得られないので、複数のペルチェモジュールを使用する場合がある。たとえば、特開２０００−１８００７１号公報には、複数のペルチェモジュールを利用する熱処理装置が開示されている。ここで、ペルチェモジュールとは、図２に示すように、複数のペルチェ素子エレメントをユニット化したものとして言及している。すなはち、ｐ型、ｎ型のエレメント（図中記号１３）が交互に配列され、各端子が電極１１を介して電気的に直列に接続されている。図では簡略化のため、エレメント１３は１列に配置されているが、実際は２次元的にマトリクス状に配列されており、エレメントの個数の多いものも有る。機械的な強度を確保するため、上下をセラミクスの板１２ａ，１２ｂで挟んだものが市販されている。また、上下をセラミクスで挟む代わりに、中間に樹脂板を設けたものも市販されている。これらのペルチェモジュールは、一般的には、モジュール毎に、それぞれ直流電流を導入して駆動されるが、特に複数のペルチェモジュールを使用する特開２０００−１８００７１号公報の例では、ペルチェモジュール個々のばらつきや、取りつけ状態の違いを補正するため補正回路を介して電源回路に並列に接続することが開示されている。一方大面積の温度均一化という目的とは異なるが、ペルチェ素子に補正回路を付加して、電流制御部の台数を削減する事例として、特開平１１−３２６０６３号公報がある。本事例では、ペルチェモジュールを多段に積み重ねて温度制御する際に、上下の段のペルチェモジュールの特性が違うことを補償するため、容量が小さい側のペルチェモジュールに補正回路として、バイパス回路を設け、大電流が流れるのを回避し、全体の特性を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特開平６−８９９５５号公報に開示された従来の方法では、温度センサに対して、ペルチェモジュールの電流コントローラを１対１対応で準備する。この場合には、電流コントローラが複数必要になるが、電流コントローラは、しばしばアナログ増幅器で構成されるので、機器自体が大型化して大きな場所を占有すると共に、電流消費が増大しするという問題点が有る。
【０００４】
一方、特開２０００−１８００７１号公報や、特開平１１−３２６０６３号公報に記載の方法では、電流コントローラの個数は１台にすることができるが、領域別に目標温度を設定する方式については開示されておらず、個別に温度設定をすることができない。
【０００５】
したがって本発明の目的は、面内で領域を設定し、領域毎に違う目標温度を設定して制御する有効な温度分布制御電子冷却装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の温度分布制御電子冷却装置は、複数のペルチェ素子を直列に接続して構成したペルチェモジュール２個以上と、前記ペルチェモジュール毎に設置された温度を計測する温度センサと、前記温度センサのうち一つの出力に基づいて、前記ペルチェモジュール全てに電流を供給する電流制御部と、前記ペルチェモジュールのうちいくつかに設置されたバイパス回路を含んで構成され、前記バイパス回路の電流は、それが並列接続された部分のペルチェモジュールに対応する温度センサの出力によって制御されることにより、結果的に対応するペルチェモジュールの電流を制御し、システム全体としては、電流制御部１台で多点の温度制御ができることを特徴としている。
【０００７】
ここで、前記バイパス回路の駆動電源として外部に電源を設けず、バイパスするペルチェ素子両端の電圧で動作をすることができる。また、前記バイパス回路は、前記温度センサと調整用抵抗と第１及び第２の抵抗によるブリッジ回路、前記ブリッジ回路に接続されたコンパレータ、前記コンパレータに接続された積分回路および前記積分回路に接続された出力側の電界効果トランジスタとを具備して構成されていることができる。さらに、２個以上の前記ペルチェモジュールが同一品種であり、前記ペルチェモジュール全てに電流制御に関係する前記温度センサの目標温度よりも、前記バイパス回路の電流制御に関係する前記温度センサの目標温度を室温に近くすることが好ましい。あるいは、異なった種類のペルチェモジュールを組み合わせることにより目標温度の制限を緩和することができる。また、前記温度センサが取り付けられて温度制御される被温度制御物は電子部品自体であることができる。あるいは、前記温度センサが取り付けられて温度制御される被温度制御物は電子部品を搭載するステージであることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の一例を示す温度分布制御電子冷却装置の構成図である。図１において、被温度制御物２ａ、２ｂのそれぞれにペルチェモジュール（断面）１ａ、１ｂが当接し、また被温度制御物２ａ、２ｂのそれぞれに温度センサ３ａ、３ｂが当接している。
【０００９】
ペルチェモジュール１ａ，１ｂの構成は、たとえば図２で示されたものに該当する。図２のペルチェモジュールは、一般に市販されている構造を示しており、それはペルチェエレメント１３が縦横マトリクス状に並べられて、電極１１が一筆書きになるように各エレメント上下面に設置され、上下をセラミクス板１２ａ，１２ｂで挟んだ構造を成している。
【００１０】
図１にもどって、センサ３ａは温度センサであり、Ｖｃｃ（＋電源電圧）およびＶｓｓ（−電源電圧あるいは接地電位）が入力する電流コントローラ４に接続されている。温度センサは、白金抵抗体やサーミスタなどの感温素子を用いる。電流コントローラ４は、例えばＰＩＤコントローラと電流アンプにより構成され、フードバック制御により、センサ３ａの温度が目標に合致するように、ペルチェモジュールに電流を供給する。ＰＩＤコントローラや電流アンプは市販品があるため、ここでは詳細には述べない。
【００１１】
なお、ペルチェモジュール１ａ，１ｂは直列に接続されているので、電流コントローラ４の出力は、２個のペルチェモジュール１ａ，１ｂに供給される。
【００１２】
バイパス回路５はペルチェモジュール１ｂに並列に接続されており、電流コントローラ４から供給された電流のうち、一部を流すことによって、結果的にペルチェモジュール１ｂに流れる電流をコントロールする。バイパス回路５には、温度センサ３ｂが接続されており、被温度制御物の２ｂ側の温度を検知する。放熱部６は例えば放熱フィンとそれに風を吹き付けるファンで構成され、ペルチェモジュールを経由して、被温度制御物から伝達された熱を排熱する。
【００１３】
被温度制御物２ａ，２ｂは温度コントロールされるべき電子部品それ自身かあるいは、電子部品を取りつけるステージである。電子部品を取りつけるステージである場合は、伝熱特性を高めるため、熱伝達率の高い金属の板に温度センサ３ａ，３ｂを埋めこんで用いる。この際、温度センサ３ａ，３ｂの目標温度が２〜３℃以上大きく違う場合は、金属板を一体とせず、２部品に分割して隙間を設ける。
【００１４】
次にバイパス回路５の構成について説明する。図３はバイパス回路の一実施例を示す図である。図の回路で、サーミスタ２２は、感温素子２２で、図１におけるセンサ３ｂに該当する。サーミスタ２２と、抵抗値を調整することができる調整用抵抗（トリマ抵抗）２４と、抵抗値が固定な固定抵抗２３，２５とによりブリッジ回路を構成しており、（固定抵抗２３の抵抗値）×（調整抵抗値２４の抵抗値）＝（固定抵抗２５の抵抗値）×（サーミスタ２２の抵抗値）の条件が成り立つとき、コンパレータ２１の２つの入力の入力電圧差は０となる。この状態を、サーミスタ２２が目標温度に合致した状態とする。サーミスタの抵抗値は、一般的に温度が高い程抵抗値が低くなるので、温度が目標温度より高くなると、コンパレータ２１の入力電圧は＋端子が正になる。従って、オペアンプ２８とコンデンサ２７と固定抵抗２６を具備して構成された積分回路の入力は正になるので、次第に積分回路の出力は、０に近づいて行く。オペアンプ２８の＋端子である積分回路の＋端子は、定電圧ダイオード３１などにより、一定電圧に保持される。
【００１５】
積分回路の出力が０に近づくと、出力側の＋ノードと−ノードとの間に調整用抵抗（トリマ抵抗）３０と直列接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ２９の、ゲート電圧が０に近づくので、バイパス電流が減少する。結果的に、ペルチェ１ｂに流れる電流は増加するので、ペルチェモジュール１ｂの吸熱作用が強まって、温度センサ３ｂの温度は低下する方向に働く。
【００１６】
温度が目標温度より低くなると、バイパス回路の電流は増加する方向に働くので、ペルチェモジュール１ｂに流れる電流は減少し、温度センサ３ｂの温度は上昇する方向に働く。従って、バイパス回路の働きによって、電流コントローラ４の出力が変動しても、目標温度３ｂをコントロールすることができる。なお、定常的にバイパス回路に電流が流れている状態にしないと、制御性能がとれないため、目標温度の設定には制限が発生する。
【００１７】
ペルチェモジュール１ａと１ｂとして同一品種を用いた場合は、センサ３ｂの目標温度は、センサ３ａの目標温度に比べてより室温に近い温度にしなければならない。たとえばセンサ３ａの温度が０℃とすると、センサ３ｂの目標温度は、０℃より高い温度から室温の間となる。目標温度の制限を緩和したい場合は、異なった種類のペルチェモジュールを組み合わせる。
【００１８】
なお、図３では省略しているが、電源投入／遮断時の突入電流を保護する保護回路や、コンパレータ、積分回路を動作させるための、電源の配線が存在する。なお回路の調整を容易にするため、コンパレータ／積分回路においては、オフセット補正ができるだけ簡素にできるオペアンプを選定する。また、異常発振が発生しないように、ループゲインを適正化するための抵抗等を必要に応じて回路に挿入する。
【００１９】
さらに、バイパス回路をより簡略化したい場合は、コンパレータ／積分回路に使用するオペアンプとして、単電源のものを使用し、そのオペアンプの電源をバイパス回路の出力端子から取る。
【００２０】
すなわち、ペルチェモジュール１ｂに定常的に電流が流れる状況では、端子間に電圧が発生するので、その電圧でバイパス回路自身を駆動する。この場合の制限は、単電源オペアンプの動作可能電源電圧より大きい電圧が、定常的にペルチェモジュール１ｂの端子に発生するような、動作状態になる目標温度で使用するということであり、おおむね３Ｖ程度以上必要である。なおブリッジ回路の性質により、バイパス回路の出力端子の電圧が少々変動しても、コンパレータの入力における電圧の極性が、温度の目標からの高低を反映しなくなることはない。
【００２１】
次に図４のフローチャートにより、図１のバイパス回路の特性を調整する手順を説明する。ステップ１０１ではペルチェモジュール１ａ側の温度調節器と電流コントローラを起動させて、被温度調整物２ａ側が温度調節された状態にする。ステップ１０２では、バイパス回路のブリッジ部分の調整抵抗２４の抵抗値を最小にした状態で、バイパス回路をペルチェモジュール１ｂに接続する。なおスイッチは特に図示していない。また、バイパス回路のゲインを決定する可変抵抗３０や、図示していない回路発振防止、ゲイン制限回路は、全てゲインを絞った状態にしておく。
【００２２】
ステップ１０３では、抵抗２４の抵抗値を少し上げて安定するのを待つ。ステップ１０４では、温度センサ３ｂの温度を測定し、目標温度に達しているか判定する。温度センサ３ｂ自身から、並列に線を引き出して、温度表示器で温度を表示させることもできるが、稼働状態の回路と異なってしまうので、別の温度測定手段で測定するのが望ましい。温度センサ３ｂが目標温度に到達したら、ステップ１０５に移る。ここでは、被温度測定物２ａ側に、実稼働状態で想定される外乱を設定し、２ｂ側の温度が安定を保持できるか観測する。２ａ側の外乱を補償するために、電流が変動するが、それに伴って、２ｂ側も温度変動してしまう場合は、ゲインを高くして行く。ゲインを高くしすぎると、振動が起こるので、振動が起こらない範囲で調整を終了する。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の温度分布制御電子冷却装置によると、個別のペルチェモジュール毎に目標温度を設定する際、電流コントローラは１台で、他は簡易なバイパス回路を使用するので、システムの小型、軽量化が図れ、システムの価格を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の温度分布制御電子冷却装置の構成図である。
【図２】図１に含まれるペルチェモジュールの一例である。
【図３】図１に含まれるバイパス回路の一実施例である。
【図４】図１のシステムの目標温度を設定する手順を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂペルチェモジュール
２ａ，２ｂ被温度制御物
３ａ，３ｂ温度センサ
４電流コントローラ
５バイパス回路
６放熱部
１１電極
１２ａ，１２ｂセラミック板
１３ペルチェ素子エレメント
２１コンパレータ
２２感温素子
２３，２５，２６固定抵抗
２４、３０調整用抵抗（トリマ抵抗）
２７コンデンサ
２８オペアンプ
２９パワーＭＯＳＦＥＴ

Claims

電子部品の温度分布をコントロールする電子冷却装置において、複数のペルチェ素子を直列に接続して構成したペルチェモジュール２個以上と、前記ペルチェモジュール毎に設置された温度を計測する温度センサと、前記温度センサのうち一つの出力に基づいて、前記ペルチェモジュール全てに電流を供給する電流制御部と、前記ペルチェモジュールのうちいくつかに設置されたバイパス回路を含んで構成され、前記バイパス回路の電流は、並列接続された部分のペルチェモジュールに対応する温度センサの出力によって制御されることにより対応するペルチェモジュールの電流を制御し、システム全体としては、電流制御部１台で多点の温度制御ができ、
前記バイパス回路は、前記温度センサと調整用抵抗と第１及び第２の抵抗によるブリッジ回路、前記ブリッジ回路に接続されたコンパレータ、前記コンパレータに接続された積分回路および前記積分回路に接続された出力側の電界効果トランジスタとを具備して構成されている温度分布制御電子冷却装置。
前記バイパス回路の駆動電源として外部に電源を設けず、バイパスするペルチェ素子両端の電圧で動作することを特徴とする請求項１に記載の温度分布制御電子冷却装置。
２個以上の前記ペルチェモジュールが同一品種であり、前記ペルチェモジュール全てに電流制御に関係する前記温度センサの目標温度よりも、前記バイパス回路の電流制御に関係する前記温度センサの目標温度を室温に近くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度分布制御電子冷却装置。
異なった種類のペルチェモジュールを組み合わせることにより目標温度の制限を緩和したことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度分布制御電子冷却装置。
前記温度センサが取り付けられて温度制御される被温度制御物は電子部品自体であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度分布制御電子冷却装置。
前記温度センサが取り付けられて温度制御される被温度制御物は電子部品を搭載するステージであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温度分布制御電子冷却装置。