JP5545942B2 - 熱電対一体型ペルチェモジュール - Google Patents

Description

本発明は、金属の内部に熱電対が格納された熱電対一体型ペルチェモジュールに関する。

ペルチェ素子を用いた加熱器または冷却器として、たとえば、対向させて配置した第１の半導体プレート及び第２の半導体プレートと、前記第１の半導体プレートにおける一端側の内面と前記第２の半導体プレートにおける一端側の内面とを接続する接合部と、前記第１の半導体プレートにおける他端側の外面と前記第２の半導体プレートにおける他端側の外面にそれぞれ配置した電極とを備え、前記接合部に、突出させた針部を設けたペルチェモジュールが知られている（特許文献１参照）。

このようなペルチェモジュールを用いて対象物を加熱または冷却させる場合、対象物を所望の温度にするために正確な温度を把握する必要がある。したがって、特許文献１に記載のペルチェモジュールを用いて対象物を加熱または冷却をする場合には、図５のＡに示すように、対象物９から所定の距離を有する金属２上に熱電対３を固定させて対象物９の温度を把握すること必要となる。

特開２００８−１４１１６１号公報

ところが、対象物９から離れたところに熱電対３を固定させる場合、金属２は対象物９に接触した部位から僅かに熱の移動が生じるため、接触部位８と測定部位において温度差が生じて正確な温度を測定することができない不都合がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、対象物の温度を正確に測定することができる熱電対一体型ペルチェモジュールを提供することを主たる目的とする。

本発明の熱電対一体型ペルチェモジュールは、微小な先端を有する金属と、前記金属の外周面に対向させて配置したＰ型およびＮ型の半導体とからなるペルチェ素子と、前記金属の温度を検出する熱電対とを備え、前記金属にその先端近傍にかけて挿入孔を形成し、この挿入孔に前記熱電対を挿入して前記挿入孔の先端に前記熱電対を固定し、前記金属は銅と同等かまたはそれ以上の導電性及び熱伝導性を有することを特徴としている。

金属にその先端近傍にかけて挿入孔を形成し、この挿入孔に熱電対を挿入して挿入孔の先端に前記熱電対を固定したことにより、対象物と直接接触している箇所の温度を正確に測定することが可能となる。

さらに、前記熱電対は、前記挿入孔の挿入孔先端部と１点で固定されることが望ましい。

また、前記熱電対は、前記金属に接続する部分を除いて絶縁体で被覆されていることが望ましい。

以上本発明によれば、金属に設けられた挿入孔を該金属の先端近傍まで形成し、熱電対をその挿入孔に挿入して、挿入孔の先端に固定するようにしたので、対象物の温度を正確に測定することが可能となり、対象物の温度を正確に知ることが可能となるので、対象物を所望の温度に正確に加熱または冷却をすることが可能となる。

図１は、本熱電対一体型ペルチェモジュールの構成を表した構成図である。 図２は、本熱電対一体型ペルチェモジュールの加熱・冷却実験における構成を表した構成図である。 図３は、冷却実験における金属の温度変化を示したグラフである。 図４は、加熱実験における金属の温度変化を示したグラフである。 図５は、ペルチェモジュールの構成を表した構成図であり、（Ａ）は、外部熱電対を接触部から離れた箇所に接続したペルチェモジュールの構成図である。（Ｂ）は、シース熱電対を用いた熱電対一体型ペルチェモジュールの構成図である。（Ｃ）は、金属の挿入孔に熱電対が挿入された熱電対一体型ペルチェモジュールの構成図である。 図６は、シース熱電対の断面図を示した図であり、（Ａ）は、接地型のシース熱電対の断面図を示し、（Ｂ）は、絶縁型のシース熱電対の断面図を示し、（Ｃ）は、露出型のシース熱電対の断面図を示したものである。

以下、本発明の熱電対一体型ペルチェモジュールについて図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の熱電対一体型ペルチェモジュール１は、微小な先端２ａを有する金属２にＰ型半導体４およびＮ型半導体５が該金属体を挟持するように対向して配置されている。

金属２は、導電体の金属で熱伝導性が高いものが好ましく、たとえば、銅を用いることができる。また、金属２の先端の形状は、メス、針、のように交換可能にしてもよい。

金属２には先端２ａ近傍にかけて形成された挿入孔２ｂが設けられており、挿入孔２ｂには挿入孔先端部２ｃと一点で固定するように熱電対３が挿入されている。

具体的には、図５のＢに示すように、シース管を金属２として熱電対３が金属２の先端に固定されるシース熱電対を用いて実施することができる。
すなわち、シース熱電対は、図６（Ａ）に示す熱電対３がシース管に溶接された接地型、または図６（Ｂ）に示す熱電対３の素線をシース管と絶縁し、接地点をつくる絶縁型、もしくは図６（Ｃ）に示す、熱電対の素線をシース管から露出し、熱接点をつくる露出型が一般的に用いられるが、対象物との接触点の温度を正確に測定し、また腐食性雰囲気などに対応するため、接地点型を採用することが好ましい。

また、図５のＣに示すように、現存しているシース管の最小外径（０．１５ｍｍ程度）よりも外径を小さくした外径０．０１ｍｍの金属２に、挿入孔２ｂを設けて熱電対３を挿入してもよい。
すなわち、図５のＣにおける金属２の外径は、シース管のそれよりも小さい大きさなので、生体などの複雑かつ局所的な部位においても正確な温度を把握することが可能となる。

また、熱電対３は、金属２に接続する部分を除いて各々が接触しないようにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体６で覆われている。

Ｐ型半導体４は、たとえば、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３を用いることができ、Ｎ型半導体５は、Ｂｉ２Ｔｅ３を用いることができる。

（温度の測定）
以上のように構成された熱電対一体型ペルチェモジュール１について、加熱および冷却時における先端２ａおよび挿入孔先端部２ｃの温度を測定した。

加熱および冷却の実験は、図２に示すように、金属２の先端２ａに外部熱電対７を接続し、Ｐ型半導体４、Ｎ型半導体５間に電流を流して冷却又は加熱の場合の先端温度時間依存性の測定を行った。図３及び図４は結果を示す。なお、図３及び図４中に示した●は、熱電対３（内部熱電対）により測定された温度を示し、□は、外部熱電対７により測定された温度を示す。

（冷却実験について）
図３に示すように、外部熱電対７と熱電対３の温度差はほとんど生じず、冷却開始時の温度１５℃から約３０秒で０℃まで下降し、約４０秒後には−２℃を示し、その後８０秒後までほぼ一定の値を示した。

（加熱実験について）
図４に示すように、外部熱電対７と熱電対３の温度差はほとんど生じず最大でも１℃以内であった。外部熱電対７は、加熱開始時の温度２０℃から約４０秒で３６℃まで上昇し、約６０秒後には３７℃を示し、その後８０秒後までほぼ一定の値を示した。一方、熱電対３は、加熱開始時の温度２０℃から約４０秒で３５℃まで上昇し、約５０秒後には３６℃を示し、その後８０秒後までほぼ一定の値を示した。

以上のように、金属２の挿入孔先端部２ｃに熱電対３を接続させることで、対象物の温度を正確に測定することが可能となる。

１ 熱電対一体型ペルチェモジュール
２ 金属
２ａ 先端
２ｂ 挿入孔
２ｃ 挿入孔先端部
３ 熱電対
４ Ｐ型半導体
５ Ｎ型半導体
６ 絶縁体

Claims (3)

1. 微小な先端を有する金属と、前記金属の外周面に対向させて配置したＰ型およびＮ型の半導体とからなるペルチェ素子と、前記金属の温度を検出する熱電対とを備え、
   前記金属にその先端近傍にかけて挿入孔を形成し、この挿入孔に前記熱電対を挿入して前記挿入孔の先端に前記熱電対を固定し、
   前記金属は銅と同等かまたはそれ以上の導電性及び熱伝導性を有することを特徴とする熱電対一体型ペルチェモジュール。
2. 前記熱電対は、前記挿入孔の挿入孔先端部と１点で固定されることを特徴とする請求項１に記載の熱電対一体型ペルチェモジュール。
3. 前記熱電対は、前記金属に接続する部分を除いて絶縁体で被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電対一体型ペルチェモジュール。