JP5756236B2 - 電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置に関する。
現在、電子部品などの機器やある空間の温度を制御するため、熱を輸送するヒートポンプが広く利用されている。ヒートポンプを実現するための手段としては、冷媒を利用する圧縮式の冷凍サイクル、ペルチェ効果を利用したもの、或いは磁気熱量効果を利用したものが広く利用されている。
しかし、空調機で良く用いられている冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するための圧縮機が必要なため、構造が複雑であり小型化が容易ではない。一方、ペルチェ効果を利用したものは、ペルチェ素子が機械的な可動部を持たないため、小型化に適している。しかし、熱輸送量は素子に流す電流値に依存するため、ジュール熱が問題となり、冷却時の効率を高めることが容易ではない。また、磁気熱量効果を利用した冷凍機では、強力な磁場を発生させるための装置の小型化が容易ではないという課題がある。
これら従来のヒートポンプに対し、小型化が可能で、制御の容易な電場によって温度変化が得られる電気熱量効果を利用したヒートポンプへの応用が期待される。電気熱量効果とは、焦電体に電場を印加すると発熱し、電場を除去すると吸熱する現象である。しかし、電気熱量効果は、電気熱量効果を有する素子自体が発熱及び吸熱を繰り返すため、電場の変化が完了した際に素子の温度は元に戻ってしまう。そのため、電気熱量効果を有する素子単体ではヒートポンプとして利用できない。
このため、電気熱量効果の発熱と吸熱を分離する構造が検討されてきた。例えば、特許文献1(特開2011−176082号公報)のものでは、電気熱量効果を有する素子を基板中に配置し、該素子が冷却を必要とする時間に合わせて吸熱反応を起こすことで前記基板に搭載された電子部品の冷却を実現するようにしている。
また、特許文献2(特表2001−508637号公報)のものでは、電気熱量効果を有する素子と圧電材料を組み合わせることで機械的に発熱と吸熱を分離している。
上記特許文献1に記載されているものでは、前記基板内に電気熱量効果を有する素子を配置するようにしているので、該素子は吸熱、発熱のサイクルを分離することができない。このため、特許文献1に記載のものでは、基板に搭載された電子部品から連続的に吸熱を行うことができず、吸熱後の発熱が基板温度を上昇させてしまうという課題がある。
また、上記特許文献2に記載されているものでは、圧電素子を用い、熱源に対して機械的に可動させて発熱と吸熱を分離するようにしているため、熱源と電気熱量効果を有する素子との接触熱抵抗が大きくなり、熱輸送の効率を高めることは困難である。更に、機械的に可動させるための駆動部があるために、信頼性が低下するという課題もある。
本発明の目的は、電気熱量効果の発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるようにして、効率が良く且つ信頼性の高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置を得ることにある。
上記目的を達成するために本発明は、電気熱量効果を利用して熱を輸送する電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、電気熱量効果を有する部材と、この電気熱量効果を有する部材に電場を印加するための電極とを備える電気熱量効果素子と、受熱部、接続部、放熱部を備える中空容器と、該中空容器の内部に封入された作動液及び該作動液の蒸気により構成されるヒートパイプとを備え、このヒートパイプの前記接続部は前記受熱部よりも熱伝導率の低い部材で構成され、前記電気熱量効果素子を、前記ヒートパイプの前記受熱部に接続して構成されていることを特徴とする。
本発明の他の特徴は、上記のヒートポンプ装置を複数台と、断熱容器とを備え、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの少なくとも1台のヒートポンプ装置の放熱部を前記断熱容器に設置し、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの他の少なくとも1台のヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を前記断熱容器に設置し、前記断熱容器内に設置された前記放熱部からの放熱と、前記断熱容器内に設置された前記電気熱量効果素子への吸熱により、前記断熱容器内の温度を制御するように構成されている電気熱量効果を利用した温度制御装置にある。
本発明によれば、電気熱量効果の発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるようにして、効率が良く且つ信頼性も高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置を得ることができる。
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。
本発明の実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置は、電気熱量効果を有する素子(以下、電気熱量効果素子ともいう)と、熱伝導の異方性の高いヒートパイプとを組み合わせたものである。即ち、電気熱量効果により前記電気熱量効果素子に生じる発熱と吸熱を、前記熱伝導の異方性を有するヒートパイプを利用して分離し、これによって可動部を設けることなく、熱輸送を実現するものである。この本実施例の基本構成と動作を以下説明する。
前記電気熱量効果素子は、電場の印加によって温度が上昇し、電場の除去によって温度が下降する電気熱量効果を有する部材(以下、電気熱量効果部材ともいう)と、この電気熱量効果部材に対し、該電気熱量効果部材を挟むように固設された二つの対向する電極を備える。ここで、前記電気熱量効果部材と前記電極は1組でなくとも良く、電気熱量効果部材と電極を2組以上積層させて構成するようにしても良い。
前記ヒートパイプは、受熱部、接続部、放熱部から成る容器で形成され、その容器の内部には作動媒体、即ち作動液及び作動液の蒸気が封入されている。前記接続部は、前記受熱部と前記放熱部を接続する中空管状に構成されていると共に、前記受熱部及び放熱部よりも熱伝導率が低い材料で構成されている。これにより、受熱部と放熱部は熱的に分離される。また、前記電気熱量効果素子は、前記ヒートパイプの受熱部に絶縁部材を介して固定される。
前記電気熱量効果素子に固設された電極に電場を印加すると、この電気熱量効果素子は発熱し、その温度が上昇する。この発生した熱は、前記絶縁部材を介して前記受熱部に伝達され、前記ヒートパイプ内の作動液の温度を上昇させる。そして、その動作液が沸騰することで、作動液の蒸気が中空の前記接続部を通過して前記放熱部へと到達し、この放熱部で前記作動液の蒸気は、周囲環境(周囲の空気や冷却水など)と熱交換することで液に戻り、前記接続部を通過して受熱部へと還流される。このように、前記電気熱量効果素子の発熱は、前記ヒートパイプを介して放熱部から周囲環境に放熱されるため、電気熱量効果素子の温度は、前記周囲環境の温度に応じた温度となる。
次に、前記電気熱量効果素子に印加している電場を除去すると、前記電気熱量効果素子は吸熱するため、該電気熱量効果素子の温度は下降する。このとき、前記電気熱量効果素子と前記絶縁部材を介して熱的に接続されている前記ヒートパイプの受熱部及び前記作動液の温度も下がるが、前記接続部は熱伝導率の低い材料で構成されているため、前記放熱部から前記受熱部側への熱侵入は抑制される。従って、前記電気熱量効果素子の温度は周囲環境温度より低くなるので、この電気熱量効果素子は周囲から吸熱する。
そして、上述した電気熱量効果素子への電場の印加及び除去を繰り返すことにより、前記電気熱量効果素子で継続的に吸熱して、この吸熱した熱を前記ヒートパイプを介して、該ヒートパイプの放熱部から継続的に放熱させることができるから、ヒートポンプ装置として作動させることができる。
このように構成することにより、電気熱量効果素子での発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるから、効率が良く且つ信頼性も高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置を得ることができる。
次に、上述した本実施例1における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の具体例を、図1〜図4により説明する。
図1は本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例1を示す正面図、図2は図1の縦断面図である。これらの図に示す例は、電気熱量効果素子を利用して冷却装置を構成する例である。
図1は本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例1を示す正面図、図2は図1の縦断面図である。これらの図に示す例は、電気熱量効果素子を利用して冷却装置を構成する例である。
これらの図において、1は電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置で、このヒートポンプ装置1は、ヒートパイプ2及び電気熱量効果を有する素子(電気熱量効果素子)3により大略構成されている。前記ヒートパイプ2は、受熱部21、接続部22及び放熱部23を備えており、図2に示すように、中空の構造となっている。そして、該ヒートパイプ2の内部には作動媒体として、作動液24と該作動液24の蒸気が封入されている。また、本実施例では、前記ヒートパイプ2の接続部22は前記受熱部21及び放熱部23よりも熱伝導率の低い材料で構成されている。なお、前記接続部22は、少なくとも前記受熱部21よりも熱伝導率が低ければ良く、前記放熱部23とは同等以上の熱伝導率であっても構わない。
前記電気熱量効果素子3は、電気熱量効果を有する部材(電気熱量効果部材)31と、この電気熱量効果部材31を挟むように該部材31に固設された2つの対向する電極32を備えている。この電気熱量効果素子3は前記ヒートパイプ2の受熱部21に絶縁部材33を介して固定されている。
次に、電気熱量効果素子3における電場の印加及び除去と、発熱及び吸熱との関係について説明する。電気熱量効果とは、電気熱量効果部材31に電場を印加、除去することで、電気熱量効果部材31の内部にエントロピー変化が生じ、それに伴って発熱や吸熱が生じるため、電気熱量効果素子3の温度が変化する。この電場によって生じる前記電気熱量効果部材31の温度差は数1によって求めることができる。数1において、ΔTは電気熱量効果素子3の温度変化、Tは基準となる電気熱量効果素子3の温度、ρはその密度、CEはその熱容量、Dは電束密度、Eは電場を示す。
電気熱量効果を有する素子3に電場Eを印加することで、数1に従って電気熱量効果素子3の温度が上昇し、周囲環境よりも前記電気熱量効果素子3の温度が高くなる。その後、前記電気熱量効果素子3から周囲環境に放熱することで、次第に周囲環境と同じ温度に戻る。
次に、前記電気熱量効果素子3に印加していた電場Eを取り除くと、前記素子3の温度が下降し、周囲温度より前記素子3の温度が低くなる。その後、周囲環境から吸熱し、次第に周囲環境と同じ温度に戻る。
このように、電気熱量効果素子3は電場Eの印加、除去を繰り返しても、電気熱量効果素子3単体では周囲環境と同じ温度に戻ってしまう。
このように、電気熱量効果素子3は電場Eの印加、除去を繰り返しても、電気熱量効果素子3単体では周囲環境と同じ温度に戻ってしまう。
次に、本実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置における電気熱量効果素子3の温度変化について図1及び図2を参照しながら図4により説明する。この図4も図3と同様、上の線図(a)は電気熱量効果素子3の温度変化ΔTを示し、下の線図(b)は電気熱量効果素子3に印加する電場Eを示しており、また上記線図(a)(b)において、横軸はいずれも時間tである。
本実施例においては、前記ヒートパイプ2の接続部22が前記受熱部21及び放熱部23よりも熱伝導率の低い材料で構成されているので、前記電気熱量効果素子3の吸熱と発熱を分離することができる。この原理について説明する。
電場Eを印加した際に電気熱量効果素子3に生じる発熱は、前記絶縁部材33を介してヒートパイプ2の受熱部21に伝わり、ヒートパイプ2内に保持されている作動液24に伝わる。これにより、作動液24は温度上昇して蒸気25となり、前記放熱部23に向かって進む。前記蒸気25は前記放熱部23で周囲環境と熱交換することで冷却され、液体26に戻り、再び受熱部21に戻る。
電場Eを印加した際に電気熱量効果素子3に生じる発熱は、前記絶縁部材33を介してヒートパイプ2の受熱部21に伝わり、ヒートパイプ2内に保持されている作動液24に伝わる。これにより、作動液24は温度上昇して蒸気25となり、前記放熱部23に向かって進む。前記蒸気25は前記放熱部23で周囲環境と熱交換することで冷却され、液体26に戻り、再び受熱部21に戻る。
このように、電気熱量効果によって生じた発熱は、前記ヒートパイプ2に封入されている作動液24を介して迅速に放熱されるため、電気熱量効果素子3の温度上昇は小さく、短時間で周囲環境と同じ温度に戻る。
次に、前記電気熱量効果素子3から電場Eを取り除くと、この素子3の温度は下降し、前記絶縁部材33を介して前記受熱部21及び前記作動液24から吸熱する。このとき、前記作動液24は前記受熱部21に留まっており、前記放熱部23から前記受熱部21側に熱は輸送されない。更に、前記ヒートパイプ2には、前記受熱部21より熱伝導率の低い接続部22があるため、前記放熱部23から前記受熱部21側への熱侵入が非常に小さい。そのため、前記電気熱量効果素子3の温度は周囲環境の温度より低くなる。
前記電気熱量効果素子3に、上記と同様な電場Eの印加、除去の手順を繰り返すことで、前記素子3での発熱時のみ、前記作動流体24の蒸発によって前記放熱部23に熱輸送され、前記素子3での吸熱時には逆向きの熱輸送が起こらない。そのため、前記電気熱量効果素子3の温度は下がり、周囲環境からの吸熱作用を生じさせることができる。これらの手順を繰り返すことで、前記素子3の温度を周囲環境の温度より低くすることができる。即ち、熱の流れとして、前記電気熱量効果素子3で周囲環境(例えば、発熱している電子部品など)から41に示すように吸熱し、前記ヒートパイプ2の放熱部23から周囲環境(例えば、周囲空気や冷却水など)へ42で示すように放熱するヒートポンプ装置として動作させることができる。
前記受熱部21及び放熱部23は、熱伝導率が高い材料であることが好ましく、例えば、銅やアルミが考えられる。
また、電気熱量効果は焦電性の逆反応であることから、前記電気熱量効果を有する部材31は焦電体で構成される。その代表的な材料としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリマーであるポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等がある。
また、電気熱量効果は焦電性の逆反応であることから、前記電気熱量効果を有する部材31は焦電体で構成される。その代表的な材料としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリマーであるポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等がある。
なお、前記電気熱量効果部材31は、その体積でその発熱量が決まるので、発熱量、吸熱量を多くしたい場合には、前記電気熱量効果部材31の体積をより大きくするか、或いは前記電気熱量効果部材31を複数個組み合わせて構成すれば良い。
前記ヒートパイプ2の接続部22は、熱伝導率が低い材料で形成されることが望ましく、例えば、セラミックやガラスなどを利用すると良い。また、前記接続部22は、前記受熱部21や放熱部23より熱伝導率が低ければ良いため、前記受熱部21や放熱部23と同じ熱伝導率の材料であっても、熱を伝導する断面積が小さくなるように、径を小さくする構造や、該接続部22を薄くする構造としても良い。
なお、前記ヒートパイプ2の代わりに、熱伝導の異方性がある部材(異方性のある材料を含む)を用いても良く、電気熱量効果素子3と熱的に接続される前記受熱部21から放熱部23に対しての熱伝導性が高く、逆に前記放熱部23から受熱部21への熱伝導性が低い部材であれば、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置として利用することができる。
前記ヒートパイプ2の放熱部23にはフィンやファン等の冷却装置を設け、図1に42で示す放熱を促進するように構成することが好ましい。また、放熱する周囲環境は大気などの周囲空気には限られず、冷却水などに放熱するように構成しても良い。
前記ヒートパイプ2に封入される作動液24は、電気熱量効果素子3が生成する熱量によって相変化が起こることが望ましく、前記電気熱量効果素子3の生成する熱量に合わせて、前記作動液24の種類や封入量を調整する。例えば、電気熱量効果による発熱量が少ない場合には、比熱及び蒸発潜熱の小さいアセトンやフッ素系液体などを、前記作動液24として封入すると良い。また、電気熱量効果による発熱量が多い場合には、比熱及び蒸発潜熱の大きい水などを、前記作動液24として使用すると良い。
前記ヒートパイプ2の接続部22は、その形状を変化させて前記放熱部23を任意の場所に導くことも可能であり、前記電気熱量効果素子3によって形成される吸熱41(受熱部21)と、前記ヒートパイプ2の放熱部23からの放熱42(放熱部23)を、互いに遠い位置に離すことができる。
以上述べたように、本実施例によれば、電気熱量効果素子3に生じる発熱、吸熱を駆動部を設けることなく効率的に分離することができるから、前記電気熱量効果素子3側で吸熱した熱を、放熱部23側へ輸送して、周囲空気や冷却水などの周囲環境に放熱することが可能となる。従って、本実施例のヒートポンプ装置は、電子機器の冷却装置、対象空間の温度制御装置、冷凍空調装置、低温−高温間の熱輸送装置などに利用することができる。
ここで、上記実施例1のヒートポンプ装置を、電子機器の冷却に応用した例を図5により説明する。図5において、図1、図2と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。
図5において、51はヒートポンプ装置1における電気熱量効果素子3の一対の電極32に電場を印加するための電源、52は電子部品53を搭載した基板である。この基板52に固定された前記電子部品53は、その稼働時に発熱するが、過度に温度上昇するとその動作が不安定になったり、或いは最悪の場合、発火する恐れがある。
そこで、この図5に示した例は、前記電子部品53で発生する発熱を、上述した電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置1で除去するようにしたものである。即ち、前記ヒートポンプ装置1の前記電気熱量効果素子3を、前記電子部品53の表面に接触させて固定し、前記電気熱量効果素子3の電極32に、前記電源51を用いて、電圧のオン、オフを制御する。これにより、電気熱量効果部材31により前記電子部品53から吸熱し、ヒートパイプ2の放熱部23から周囲環境に放熱することができる。その結果、前記電子部品53の過度な温度上昇を抑制することができる。
本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例2を図6及び図7により説明する。図6は本実施例2を示すヒートポンプ装置の正面図であり、図7は図6の縦断面図である。また、これら図6及び図7において、上記図1や図2と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。
本実施例は、ヒートパイプ2の受熱部21を、電気熱量効果を有する部材31に電場を印加するための一方の電極32として共用するようにしたものである。このため、前記受熱部21の材料としては、熱伝導性が良いだけでなく、電気伝導性も良い材料を使用している。
更に詳しく説明する。前記ヒートパイプ2は、受熱部21、接続部22及び放熱部23を備えており、中空の構造となっている。また、このヒートパイプ2の内部には作動媒体としての作動液24と作動液24の蒸気が封入されている。前記受熱部21及び放熱部23は熱伝導性が良く、また、少なくとも前記受熱部21は、同時に電気伝導性のある材料を使用している。
本実施例では、前記受熱部21及び放熱部23を構成する材料として、銅またはアルミニウムを使用している。これらの材料は熱伝導性が良く且つ電気伝導性も有しているため、本実施例では、前記受熱部21を電気熱量効果部材31に電場を印加するための一方の電極として利用する。また、電気熱量効果部材31に対して、受熱部21と対向する面には上記実施例1と同様に、他方の電極32を設ける。
前記電気熱量効果素子3における吸熱と発熱を分離する原理は上記実施例1と同様である。即ち、電気熱量効果素子3に電場を印加することよって生じる発熱時には、発生する熱がヒートパイプ2内に封入されている作動液24に伝達され、この作動液24によって放熱部23まで輸送されて、周囲環境(周囲空気や冷却水など)へと放熱される。一方、前記電気熱量効果素子3への電場を除去することによって生じる吸熱時には、前記放熱部23から前記受熱部21への熱移動が、熱伝導率の低い前記接続部22により抑制されているため、前記電気熱量効果素子3の温度を低下させることになる。
この手順を繰り返すことで、前記電気熱量効果素子3により、41に示すように吸熱し、前記放熱部23から42で示すように放熱するヒートポンプ装置1を実現することができる。
この手順を繰り返すことで、前記電気熱量効果素子3により、41に示すように吸熱し、前記放熱部23から42で示すように放熱するヒートポンプ装置1を実現することができる。
本実施例2のように、受熱部21を電気熱量効果素子3の一方の電極として利用することにより、電気熱量効果素子3で生じた発熱を、絶縁部材33(図1、図2参照)を介さずに、作動液24に効果的に伝達することができるので、前記実施例1と同様の効果を得ることができると共に、より効率の高いヒートポンプ装置1を実現することが可能となる。
なお、本実施例2では、実施例1で示した絶縁部材33使用しないので、ヒートパイプ2が他の電気伝導性のある部材に接触すると漏電する虞がある。そこで、前記接続部22の材料として、熱伝導率が低く且つ電気絶縁性のある材料、例えばセラミックやガラスなどを使用することにより、漏電などを防止できる。但し、前記ヒートパイプ2が他の電気伝導性のある部材に接触する虞がない場合など、漏電の危険性がない場合には、前記ヒートパイプ2の接続部22を、熱伝導率が低く、電気伝導性のある材料で構成しても良い。
上述した実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置を複数台組み合わせ、所定空間の温度制御装置として利用する実施例を、図8により説明する。図8は本発明の電気熱量効果を利用した温度制御装置の実施例を示す正面図である。また、この図8において、前記図1や図2と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。
図8に示すように、本実施例3による電気熱量効果を利用した温度制御装置5は、二つ(2台)の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置1a,1bを用い、電気熱量効果を有する素子(電気熱量効果素子)3a,3bの吸熱41a,41bと、ヒートパイプ2a,2bの放熱部23a,23bからの放熱42a,42bを組み合わせることで、温度制御装置5を構成するようにした例である。
4は周囲環境から断熱する断熱容器であり、この断熱容器4の内部には、前記一方のヒートポンプ装置1aにおけるヒートパイプ2aの放熱部23aが配置されると共に、前記他方のヒートポンプ装置1bにおける前記電気熱量効果素子3bが配置されている。また、前記一方のヒートポンプ装置1aにおけるヒートパイプ2aの接続部22aと受熱部21b、及び前記電気熱量効果素子3aは前記断熱容器4の外に配置されている。更に、前記他方のヒートポンプ装置1bにおけるヒートパイプ2bの受熱部21b、接続部22b及び放熱部23bも前記断熱容器4の外に配置されている。
なお、前記各ヒートポンプ装置1a,1bには、上記実施例1と同様に、絶縁部材33a,33bがそれぞれ設けられており、更に前記各電気熱量効果素子3a,3bは、それぞれ、電気熱量効果を有する部材(電気熱量効果部材)31a,31bと電極32a,32bで構成されている。
次に、本実施例3において、前記断熱容器4内の温度を制御する原理を説明する。
ヒートポンプ装置1aを、上記実施例1と同様に、吸熱と発熱を分離させることで、電気熱量効果素子3aから41aで示すように吸熱し、ヒートパイプ2aの放熱部23aから前記断熱容器4内に42aで示すように放熱42される。この放熱42によって前記断熱容器4の温度を上昇させることができる。
ヒートポンプ装置1aを、上記実施例1と同様に、吸熱と発熱を分離させることで、電気熱量効果素子3aから41aで示すように吸熱し、ヒートパイプ2aの放熱部23aから前記断熱容器4内に42aで示すように放熱42される。この放熱42によって前記断熱容器4の温度を上昇させることができる。
一方で、ヒートポンプ装置1bを、上記実施例1と同様に、吸熱と発熱を分離させることで、電気熱量効果素子3bから41bで示すように、断熱容器4内の熱を吸熱し、ヒートパイプ2bの放熱部23bから42bで示すように周囲環境(周囲空気や冷却水など)に放熱される。そして、前記吸熱41bにより、前記断熱容器4内の温度を下降させることができる。
従って、前記二つのヒートポンプ装置1a,1bを独立して制御することにより、前記断熱容器4内の温度を任意に制御可能な温度制御装置5を得ることができる。
なお、本実施例3では、前記断熱容器4に配置するヒートポンプ装置を1a,1bの2台で構成する例を示したが、これに限られるものではなく、3台以上のヒートポンプ装置を前記断熱容器4に配置して、温度制御するように構成しても良い。
なお、本実施例3では、前記断熱容器4に配置するヒートポンプ装置を1a,1bの2台で構成する例を示したが、これに限られるものではなく、3台以上のヒートポンプ装置を前記断熱容器4に配置して、温度制御するように構成しても良い。
このように、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置1a,1bにおける電気熱量効果素子3a,3bからの吸熱41a,41bと、ヒートパイプ2a,2bの放熱部23a,23bからの放熱42a,42bを利用することにより、電子部品などの冷却装置を実現できるだけでなく、対象空間の温度制御装置を実現することも可能になる。
ここで、上記実施例3の電気熱量効果を利用した温度制御装置を、遺伝子検査装置における水溶液の温度制御に応用した例を図9により説明する。図9において、図8と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。
遺伝子検査装置では、例えば、所定のデオキシリボ核酸(DNA)を増幅させるため、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR法)を行う必要がある。PCR法は、前記DNAを含む水溶液を高温にした後、冷却することでDNAを増幅させる手法である。このPCR法では前記水溶液の正確な温度制御が求められる。
このような反応を基板上で実現するため、図9に示すように、検査基板54上に流路55を形成し、この流路55にDNAを含む水溶液56を流す構造としている。また、前記流路55の途中には、二つのヒートポンプ装置1a,1bと二つのヒートシンク57a,57bを備える温度制御装置5が設けられている。この温度制御装置5は前記検査基板54に設置されている。
そして、一方のヒートポンプ装置1aにおける電気熱量効果部材31aで前記一方のヒートシンク57aから吸熱し、この熱を放熱部23aから温度調整部58(図8の断熱容器4に相当)に供給して該温度調整部58の温度を上昇させる。また、前記他方のヒートポンプ装置1bにおける電気熱量効果部材31bでは、前記温度調整部58から吸熱し、この熱を放熱部23bから前記ヒートシンク57bに放熱することで、前記温度調整部58の温度を下降させるようにしている。
そして、前記流路55にDNAを含む水溶液56を導入し、該水溶液56の流れを形成する。その流れの途中に設けた前記温度制御装置5の前記温度調整部58で、前記水溶液を加熱或いは冷却する。この温度調整部58での水溶液の加熱、冷却を繰り返すことで前記PCR法を実現することができる。
その後、前記温度調整部58で増幅されたDNAを含む水溶液56は、流路55を流れて、最終的には流路55の下流側に設けた検出装置59により、前記水溶液56中の増幅されたDNAを検出できるように構成されている。
このように、電気熱量効果を利用した温度制御装置5を、遺伝子検査装置の温度制御に利用することにより、正確な温度制御が可能な遺伝子検査装置を実現することができる。
このように、電気熱量効果を利用した温度制御装置5を、遺伝子検査装置の温度制御に利用することにより、正確な温度制御が可能な遺伝子検査装置を実現することができる。
なお、図9に示した例では、前記温度制御装置5を、流路55の流れ方向に一つだけ設けているが、前記温度制御装置5を、流路55の流れ方向に対して二つ以上設けることも可能である。前記温度制御装置5を、流路55の流れ方向に二つ以上設けることにより、流路55に、加熱部と冷却部を形成することができるから、上流側の温度制御装置5で加熱し、下流側の温度制御装置で冷却するという操作を繰り返すことができ、流れを止めずに水溶液56を流しながらPCR法を実現してDNAを増幅させることが可能となる。
1,1a,1b…電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置、
2,2a,2b…ヒートパイプ、
3,3a,3b…電気熱量効果を有する素子(電気熱量効果素子)、
4…断熱容器、5…温度制御装置、
21,21a,21b…受熱部、22,22a,22b…接続部、
23,23a,23b…放熱部、
24,26…作動液、25…作動液の蒸気、
31,31a,31b…電気熱量効果を有する部材(電気熱量効果部材)、
32,32a,32b…電極、33,33a,33b…絶縁部材、
41,41a,41b…吸熱、42,42a,42b…発熱、
51…電源、52…基板、53…電子部品、
54…検査基板、55…流路、56…DNAを含む水溶液、
57…ヒートシンク、58…温度調整部、59…検出装置。
2,2a,2b…ヒートパイプ、
3,3a,3b…電気熱量効果を有する素子(電気熱量効果素子)、
4…断熱容器、5…温度制御装置、
21,21a,21b…受熱部、22,22a,22b…接続部、
23,23a,23b…放熱部、
24,26…作動液、25…作動液の蒸気、
31,31a,31b…電気熱量効果を有する部材(電気熱量効果部材)、
32,32a,32b…電極、33,33a,33b…絶縁部材、
41,41a,41b…吸熱、42,42a,42b…発熱、
51…電源、52…基板、53…電子部品、
54…検査基板、55…流路、56…DNAを含む水溶液、
57…ヒートシンク、58…温度調整部、59…検出装置。
Claims (12)
- 電気熱量効果を利用して熱を輸送する電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
電気熱量効果を有する部材と、この電気熱量効果を有する部材に電場を印加するための電極とを備える電気熱量効果素子と、
受熱部、接続部、放熱部を備える中空容器と、該中空容器の内部に封入された作動液及び該作動液の蒸気により構成されるヒートパイプとを備え、
このヒートパイプの前記接続部は前記受熱部よりも熱伝導率の低い部材で構成され、
前記電気熱量効果素子を、前記ヒートパイプの前記受熱部に接続して構成されている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項1に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記電気熱量効果素子と前記ヒートパイプの前記受熱部との間に絶縁部材を介して、前記電気熱量効果素子と前記ヒートパイプとが接続されている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項2に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記電気熱量効果素子は、前記電気熱量効果を有する部材の両側面に前記電極を設けている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項1に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記ヒートパイプの接続部はセラミックまたはガラスで構成されている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項1記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記ヒートパイプの受熱部を電気伝導性のある材料で構成し、この受熱部に前記電気熱量効果を有する部材を固定して前記受熱部を前記電気熱量効果素子の一方の電極として共用すると共に、
前記電気熱量効果を有する部材の前記受熱部の対向面に他方の電極が設けられている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項5に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記ヒートパイプの接続部は電気絶縁性のある材料で構成されている
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項1に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置における、前記ヒートパイプに代えて、熱伝導の異方性がある部材を使用し、
この熱伝導の異方性がある部材を前記電気熱量効果素子と熱的に接続し、前記受熱部から放熱部に対しての熱伝導性が高く、逆に前記放熱部から受熱部への熱伝導性が低くなるように構成している
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。 - 請求項1に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
前記ヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を、電子部品の表面に接触させて固定し、前記電気熱量効果素子の電極に、電源を用いて電圧のオン、オフを制御することにより、前記電気熱量効果部材で前記電子部品から吸熱し、ヒートパイプの放熱部から周囲環境に放熱して、前記電子部品の温度上昇を抑制するように構成している
ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置 - 請求項1に記載のヒートポンプ装置を複数台と、断熱容器とを備え、
前記複数台のヒートポンプ装置のうちの少なくとも1台のヒートポンプ装置の放熱部を前記断熱容器内に設置し、
前記複数台のヒートポンプ装置のうちの他の少なくとも1台のヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を前記断熱容器内に設置し、
前記断熱容器内に設置された前記放熱部からの放熱と、前記断熱容器内に設置された前記電気熱量効果素子への吸熱により、前記断熱容器内の温度を制御する
ように構成されていることを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。 - 請求項9に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
検査基板と、この検査基板上に形成されDNA(デオキシリボ核酸)を含む水溶液を流すための流路と、この流路の途中に設置された前記電気熱量効果を利用した温度制御装置と、この温度制御装置よりも下流側の前記流路に設けられDNAを検出するための検出装置とを備え、
前記流路を流れる前記DNAを含む水溶液を前記温度制御装置により加熱、冷却を繰り返すことで前記水溶液中のDNAを増幅させ、この増幅された水溶液中のDNAを前記検出装置で検出するように構成している
ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。 - 請求項10に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
前記温度制御装置は前記流路の流れ方向に対して二つ以上設けることにより、前記流路の流れ方向に加熱部と冷却部を形成するように構成している
ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。 - 請求項10に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
前記温度制御装置は、一方と他方の二つのヒートポンプ装置と二つのヒートシンクを備えており、
前記一方のヒートポンプ装置における電気熱量効果部材で前記一方のヒートシンクから吸熱し、この熱を放熱部から、前記流路の途中に設けられた温度調整部に供給して、該温度調整部の温度を上昇させ、
前記他方のヒートポンプ装置における電気熱量効果部材では、前記温度調整部から吸熱し、この熱を放熱部から前記他方のヒートシンクに放熱することで、前記温度調整部の温度を下降させるように構成している
ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。
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