JP6795842B2

JP6795842B2 - 温調装置

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Publication number: JP6795842B2
Application number: JP2017001970A
Authority: JP
Inventors: 純一橘
Original assignee: KEENUSDESIGN CORP.
Current assignee: KEENUSDESIGN CORP.
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: JP2018112335A

Description

本発明は、ヒータとペルチェ素子を用いて対象物の温度を調節する温調装置に関する。

温調装置は、温調ステージに載置された対象物の温度を、温調ステージの温度を変化させることにより調節する装置である。温調ステージに温度変化を与える温調ステージへの熱量の供給方法としては、例えばヒータとペルチェ素子を併用した方法が特許文献１などに開示されている。

図１は従来の温調装置の一例を示す構成図である。温調装置１００は、温調ステージ１１０、ヒータ１２０、ペルチェ素子１３０、ヒートシンク１４０、ファン１５０、温度センサ１６０、及び制御手段１７０を備える。

温調ステージ１１０には温度調節の対象物ＤＵＴが載置される。ヒータ１２０は、温調ステージ１１０を加熱する任意の発熱体であり、例えば図１に示すように温調ステージ１１０に内蔵される。ペルチェ素子１３０は、ペルチェ効果により駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面として機能する第１面、及び駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面のうち第１面と異なる面として機能する第２面を有し、第１面が温調ステージと熱的に結合するように配置されて、温調ステージを加熱又は冷却する。なお、ペルチェ素子１３０は、温調ステージ１１０とヒートシンク１４０のそれぞれとの熱的な結合に支障がなければ、例えば、図１に示すようにモジュール化されていてもよい。ヒートシンク１４０は、ペルチェ素子１３０の第２面と熱的に結合するように配置される伝熱特性に優れた任意の材質、形状の部材であり、ペルチェ素子１３０の第２面に発生した熱について、装置外部との間で熱交換を行う。ファン１５０は、空冷方式によりヒートシンク１４０を冷却する冷却手段であり、ファン用電源１５１からの給電によりヒートシンク１４０に送風し、ヒートシンク１４０による熱交換を促進する。温度センサ１６０は、温調ステージ１１０の対象物ＤＵＴが載置される面の温度を検出する。制御手段１７０は、温度センサ１６０で検出された温度に基づき、ヒータ１２０とペルチェ素子１３０をそれぞれ駆動する電力を制御する。

制御手段１７０は、例えば温調モジュール１７１、ヒータ駆動部１７２、及びペルチェ駆動部１７３を備える。温調モジュール１７１は、例えばＣＰＵ、記憶手段などを備えるマイクロコンピュータであり、温度センサ１６０で検出された温度と目標温度とを比較し、目標温度より高いときには、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号を出力する。また、目標温度より低いときには、ヒータ１２０とペルチェ素子１３０の第１面を加熱する制御信号を出力する。制御信号の型式は任意であるが、例えばパルス信号を用いると、デューティ比により冷却や加熱の程度を容易に伝達することができる。ヒータ駆動部１７２とペルチェ駆動部１７３は、例えば、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）などのスイッチング素子を含むドライバ回路であり、温調モジュール１７１から出力された制御信号を、ヒータ１２０の駆動信号とペルチェ素子１３０の駆動信号にそれぞれ変換して出力する。

制御手段１７０による温度調節の原理は次のとおりである。

温度制御に関係する各熱量について、ペルチェ素子１３０におけるペルチェ効果によって第１面から放射される熱量をＷp、ペルチェ素子１３０の自己発熱による熱量をＷjp、ヒーター１２０が供給する熱量をＷht、温調ステージ１１０から外気に逃げる熱量を−Ｗhs、対象物ＤＵＴの発熱量をＷdutとする。

ペルチェ素子１３０の第１面の冷却時に、当該第１面から放射される熱量は−Ｗpであり、すなわちＷpの熱量が第１面から吸収され、これにより第１面が冷却される。このとき、第２面からはＷp＋Ｗjpの熱量が放射される。

温調ステージ１１０を冷却する際の温調ステージ１１０の温度は、ペルチェ素子１３０の第１面の冷却時の放射熱量−Ｗpに、対象物ＤＵＴの発熱量Ｗdut及び温調ステージ１１０から外気に逃げる熱量−Ｗhsを加えた熱量
（−Ｗp）＋Ｗdut−Ｗhs ・・・(i)
と周囲温度とから決定される。

一方、ペルチェ素子１３０の第１面の加熱時に、当該第１面から放射される熱量はＷp＋Ｗjpである。このとき、第２面から放射される熱量は−Ｗpであり、すなわちＷpの熱量が第２面から吸収される。

温調ステージ１１０を加熱する際の温調ステージ１１０の温度は、ペルチェ素子１３０の第１面の加熱時の放射熱量Ｗp＋Ｗjpに、ヒータ１２０からの供給熱量Ｗht、対象物ＤＵＴの発熱量Ｗdut、及び温調ステージ１１０から外気に逃げる熱量−Ｗhsを加えた熱量
（Ｗp＋Ｗjp）＋Ｗht＋Ｗdut−Ｗhs ・・・(ii)
と周囲温度とから決定される。

或る目標温度に調節されている温調ステージ１１０に対象物ＤＵＴが載置された際に、この対象物ＤＵＴの発熱量が不定であるときには、例えば、ヒータ１２０の温度調節により熱量
Ｗht＋Ｗdut−Ｗhs ・・・(iii)
で目標温度の大凡の維持を図り、微調整をペルチェ素子１３０による冷却、加熱により行えばよい。すなわち、温度を下げる方向に微調整したいときは熱量−Ｗpにより冷却し、温度を上げる方向に微調整したいときは熱量Ｗp＋Ｗjpにより加熱する。これにより精度よく温度調節をすることができる。

特開２０１３−１３１３４４号公報

図２は、ペルチェ素子１３０による第１面の冷却期間と加熱期間の時間関係を模式的に示したものである。ここでは、時間軸の上側が加熱期間、下側が冷却期間であるとして説明する。

温調ステージ１１０の温度が概ね目標温度で維持されており、ペルチェ素子１３０による冷却期間と加熱期間とが図２(a)に示すようにバランスしているとき、冷却能力、加熱能力ともに余力があり、温度調節時の外乱に対し最も広いレンジでペルチェ素子１３０により冷却、加熱を行い、目標温度への補正を行うことができる。

しかし、目標温度の維持に際して、ペルチェ素子１３０による冷却期間と加熱期間との関係が図２(b)に示すように冷却過多になっている場合、冷却能力の余力が少ないため、外乱で温度が上昇してしまったときに、目標温度に向けて冷却しきれない可能性がある。同様に、ペルチェ素子１３０による加熱期間と冷却期間との関係が図２(c)に示すように加熱過多になっている場合、外乱で温度が下降してしまったときに目標温度に向けて加熱しきれない可能性がある。

本発明の目的は、ヒータとペルチェ素子を併用する温調装置において、ペルチェ素子の冷却加熱能力に余力を確保することができ、この余力を活用して外乱発生時にも目標温度を安定的に維持することが可能な温調装置を提供することにある。

（１）本発明の温調装置は、温度調節の対象物が載置される温調ステージと、温調ステージを加熱するヒータと、駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面として機能する第１面、及び駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面のうち第１面と異なる面として機能する第２面を有し、第１面が温調ステージと熱的に結合されたペルチェ素子と、ペルチェ素子の第２面と熱的に結合し、装置外部との間で熱交換を行うヒートシンクと、ヒートシンクを冷却する冷却手段と、温調ステージの前記対象物が載置される面の温度を検出する温度センサと、温度センサで検出された温度に基づき、ヒータとペルチェ素子と冷却手段をそれぞれ駆動する電力を制御する制御手段と、を備え、前記ヒータによる放熱並びに前記ペルチェ素子による放熱及び吸熱により、温調ステージの温度を所定の範囲に制御する。冷却手段の冷却方式は、空冷方式を採用してもよいし液冷方式を採用してもよい。

（２）制御手段は、ペルチェ素子を駆動する電力を制御する信号に基づき冷却手段を制御するようにしてもよい。

（３）制御手段は、ペルチェ素子の第１面を冷却する制御信号に基づき冷却手段を制御するようにしてもよい。

（４）ペルチェ素子の第１面を冷却する制御信号はパルス信号（以下「冷却パルス」という。）であり、制御手段は、冷却パルスのパルス幅が広いほど冷却手段による冷却の強度を上げる制御を行うようにしてもよい。

（５）制御手段は、冷却パルスのパルス幅が第１パルス幅より広い場合に、冷却手段による冷却の強度が最大になるように制御を行うようにしてもよい。

（６）制御手段は、冷却パルスの幅が第１パルス幅より狭い第２パルス幅より狭い場合に、冷却手段による冷却の強度が最小になるように制御を行うようにしてもよい。

（７）温調装置は、温調ステージを覆う耐熱カバーを更に備えてもよい。

温度センサで検出された温度に基づきヒータとペルチェ素子に加え、ヒートシンクを冷却する冷却手段を制御することで、ペルチェ素子の冷却加熱能力に余力を確保することができる。具体的には、第１面（温調ステージ）を冷却するときには、冷却手段による冷却の強度を上げることで第２面の温度を下げて第１面の冷却能力を高めるとともに、第２面から放出された熱が温調ステージに回り込まないようすることで冷却期間を短縮することができる。また、第１面を冷却しないとき（加熱するとき）には、冷却手段による冷却の強度を下げることで第２面の温度低下を抑制し、これにより第１面の加熱能力の低下を防ぐことで加熱期間を短縮することができる。そして、このようにして確保した冷却加熱能力の余力を活用することで、外乱発生時にも目標温度を安定して維持することができる。

従来の温調装置の構成の一例を示す図である。ペルチェ素子の第１面を冷却、加熱する制御信号の時間変化を模式的に示した図である。第１実施形態の温調装置の構成を示す図である。第１実施形態の温調装置の別の構成を示す図である。温調モジュールから出力されるパルス信号波形の一例を示す図である。温調モジュールから出力されるパルス信号波形の一例を示す別の図である。温調モジュールから出力されるパルス信号波形の一例を示す更に別の図である。第２実施形態の温調装置の構成を示す図である。

以下、本発明の各実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

＜第１実施形態＞
本発明の温調装置２００の構成を図３に示す。温調装置２００は、温調ステージ１１０、ヒータ１２０、ペルチェ素子１３０、ヒートシンク１４０、ファン１５０、温度センサ１６０、及び制御手段２７０を備える。温調ステージ１１０、ヒータ１２０、ペルチェ素子１３０、ヒートシンク１４０、ファン１５０、及び温度センサ１６０については、背景技術として説明した温調装置１００と同様のものである。

制御手段２７０は、温度センサで検出された温度に基づき、ヒータ１２０と、ペルチェ素子１３０と、空冷方式によりヒートシンク１４０を冷却する冷却手段であるファン１５０をそれぞれ駆動する電力を制御する。具体的には、例えば、ペルチェ素子１３０を駆動する電力を制御する信号に基づきファン１５０を制御する。より具体的には温調ステージ１１０と熱的に結合するペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号に基づきファン１５０を制御する。

図２に示すペルチェ素子１３０の動作状態、すなわち冷却期間と加熱期間がバランスしている状態（図２(a)）、冷却過多になっている状態（図２(b)）、及び加熱過多になっている状態（図２(c)）の制御は、ペルチェ素子１３０の動作効率を変化させたり、ヒータ１２０の熱量を加減したりすることで実現できる。

具体的には、温調ステージ１１０の温度が目標温度より高く、冷却過多になっている場合には、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号に基づきファン１５０の回転数を上げ、ヒートシンク１４０に対する冷却強度を上げる。これにより、ヒートシンク１４０と熱的に結合するペルチェ素子１３０の第２面の温度を下げて第１面の冷却能力を高めるとともに、第２面から放出された熱が温調ステージに回り込まないようすることができる。その結果、冷却期間を短縮し、冷却能力に余力を持たせることができる。

温調ステージ１１０を冷却する際の温調ステージ１１０の温度は、前記の式(i)と周囲温度とから決定されるが、温調ステージ１１０が例えば耐熱性のカバーで覆われ、装置外部との熱のやり取りが遮断されている場合には、式(i)における冷却に資する項のひとつである−Ｗhsの値がほぼゼロになる。そのため、耐熱カバーがある場合の温度調節に際しては、ペルチェ素子１３０に冷却余力があることが特に重要となる。

温調ステージ１１０の温度が目標温度より低く、加熱過多になっている場合には、ペルチェ素子１３０の第１面を加熱する制御信号の合間に出力される第１面を冷却する制御信号に基づきファン１５０の回転数を抑え、ヒートシンク１４０に対する冷却強度を下げる。これにより、ペルチェ素子１３０の第２面の温度低下を抑制して第１面の加熱能力の低下を防ぐことができる。これにより、加熱期間を短縮し、加熱能力に余力を持たせることができる。

ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号の形式は任意であるが、例えばパルス信号を用いると、デューティ比により冷却や加熱の程度を容易に伝達することができる。具体的には、冷却の強度が高いほど、パルス幅を広げてデューティ比を大きくするといった方法を採ることができる。

この場合、例えば、温調ステージ１１０の温度が目標温度より高く、冷却過多になっているときには、制御手段２７０は、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号を、冷却過多の程度が大きいほど広いパルス幅で出力し、ファン１５０はデューティ比が大きいほど回転数を上げるというように制御を行うことができる。その際、パルス幅が任意の第１パルス幅より広いときにはファン１５０の回転数を最大（１００％）にするように制御してもよい。

また、温調ステージ１１０の温度が目標温度より低く、加熱過多になっているときには、制御手段２７０は、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号を、加熱過多の程度が大きいほど狭いパルス幅とし、ファン１５０はデューティ比が小さいほど回転数を抑制するというように制御することができる。その際、パルス幅が第１パルス幅より狭い任意の第２パルス幅より狭いときにはファン１５０の回転数を最小にするように制御してもよい。

制御手段２７０は、例えば温調モジュール１７１、ヒータ駆動部１７２、ペルチェ駆動部１７３、及びＰＷＭドライバ２７４を備える。温調モジュール１７１は、例えばＣＰＵ、記憶手段などを備えるマイクロコンピュータであり、温度センサ１６０で検出された温度と目標温度とを比較し、目標温度より高いときには、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却するパルス信号を出力する。また、目標温度より低いときには、ヒータ１２０とペルチェ素子１３０の第１面を加熱するパルス信号を出力する。ヒータ駆動部１７２とペルチェ駆動部１７３は、例えば、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）などのスイッチング素子を含むドライバ回路であり、温調モジュール１７１から出力された制御信号を、ヒータ１２０の駆動信号とペルチェ素子１３０の駆動信号にそれぞれ変換して出力する。ＰＷＭドライバ２７４は、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却するパルス信号のパルス幅（デューティ比）に応じた回転数でファン１５０を駆動する。このとき、パルス幅が第１パルス幅より広い場合には回転数を最大にして駆動するようにしてもよい。

制御手段は図４に示すように構成してもよい。図４は、制御手段２７０と一部が異なる制御手段３７０を備える温調装置３００の構成を示す図である。温調装置３００は、温調装置２００のＰＷＭドライバ２７４の代わりに、モノマルチ３７５、ＯＲ回路３７６、及びファン駆動部３７７を使用する構成である。モノマルチ３７５は、温調モジュール１７１から出力されたパルス信号の立ち下がり又は立ち上がりの検出をトリガに一定時間幅のパルス信号を出力する。ＯＲ回路３７６は、温調モジュール１７１から出力されたパルス信号とモノマルチ３７５から出力されたパルス信号との論理和をとって出力する。ファン駆動部３７７は、例えば、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）などのスイッチング素子を含むドライバ回路であり、ＯＲ回路３７６から出力されたパルス信号を、ファン１５０の駆動信号に変換して出力する。

ＰＷＭドライバ２７４をファン駆動部３７７のみで置き換えた場合、温調モジュール１７１から出力されたパルス信号のデューティ比が１００％にならなければ、ファン１５０の回転数を最大にすることができない。これに対し、図４の構成によれば、温調モジュール１７１から出力されたデューティ１００％未満のパルス信号であっても、所定のパルス幅を持つモノマルチ出力との論理和でデューティ１００％になるパルス幅（第１パルス幅）より広いパルス幅のパルス信号であれば、ファン１５０の回転数を最大にすることができる。

図５(a)は、温調モジュール１７１から出力されるパルス信号波形の一例、図５(b)は、図５(a)のパルス信号が入力されたモノマルチ３７５から出力されたパルス信号波形、図５(c)は、図５(a)のパルス信号と図５(b)のパルス信号とが入力されたＯＲ回路３７６から出力されたパルス信号波形である。また、図６は図５より温調モジュール１７１からの出力パルス幅が広い（第１パルス幅より広い）場合、図７は温調モジュール１７１からの出力パルスが常時ＯＮの場合（フル冷却の場合）である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、ヒートシンクの冷却を液冷方式により行う点において、空冷方式により行う第１実施形態と異なる。

本発明の温調装置４００の構成を図８に示す。温調装置４００は、温調ステージ１１０、ヒータ１２０、ペルチェ素子１３０、液冷ヒートシンク４４０、冷媒供給部４５０、温度センサ１６０、及び制御手段２７０を備える。温調ステージ１１０、ヒータ１２０、ペルチェ素子１３０、温度センサ１６０、及び制御手段２７０については、第１実施形態の温調装置２００と同様のものである。

液冷ヒートシンク４４０は、冷媒供給部４５０から供給された冷媒が循環する流路であり、ペルチェ素子１３０の第２面と熱的に結合するように配置される。これにより。ペルチェ素子１３０の第２面で発生した熱が冷媒に吸熱され、ペルチェ素子１３０の第２面が冷却される。液冷ヒートシンク４４０の具体的な配置方法は任意であるが、図８に示すように蛇行させて距離を延ばすことで、より効率的に熱交換を行うことができる。また、使用する冷媒は任意である。

冷媒供給部４５０は、液冷方式により液冷ヒートシンク４４０を冷却する冷却手段である。冷媒供給部４５０は、冷媒を冷却する冷媒冷却部４５１と冷媒を循環させるポンプ４５２を備え、冷媒冷却部４５１で冷却された冷媒を、ポンプ４５２を用いて液冷ヒートシンク４４０の一端から供給し、ペルチェ素子１３０の第２面との熱交換を経た冷媒を液冷ヒートシンク４４０の他端から回収して、再度冷媒冷却部４５１で冷却して液冷ヒートシンク４４０に供給するという処理を繰り返す。

制御手段２７０は、温度センサで検出された温度に基づき、ヒータ１２０と、ペルチェ素子１３０と、冷媒供給部４５０をそれぞれ駆動する電力を制御する。

制御の考え方は第１実施形態と同様であり、温調ステージ１１０の温度が目標温度より高く、冷却過多になっている場合には、ペルチェ素子１３０の第１面を冷却する制御信号に基づき冷媒供給部４５０の冷媒冷却部４５１における冷媒の冷却強度を上げ、よって液冷ヒートシンク４４０に対する冷却強度を上げる。これにより、液冷ヒートシンク４４０と熱的に結合するペルチェ素子１３０の第２面の温度を下げて第１面の冷却能力を高めるとともに、第２面から放出された熱が温調ステージに回り込まないようすることができる。その結果、冷却期間を短縮し、冷却能力に余力を持たせることができる。

また、温調ステージ１１０の温度が目標温度より低く、加熱過多になっている場合には、ペルチェ素子１３０の第１面を加熱する制御信号の合間に出力される第１面を冷却する制御信号に基づき冷媒供給部４５０の冷媒冷却部４５１における冷媒の冷却強度を下げ、よって液冷ヒートシンク４４０に対する冷却強度を下げる。これにより、ペルチェ素子１３０の第２面の温度低下を抑制して第１面の加熱能力の低下を防ぐことができる。これにより、加熱期間を短縮し、加熱能力に余力を持たせることができる。

なお、ここでは制御手段２７０からの信号により冷媒冷却部４５１での冷却強度を制御することで、液冷ヒートシンク４４０に対する冷却強度を上下させペルチェ素子１３０の第２面の温度を制御する方法を例示したが、液冷の具体的な方法は任意であり、例えば、制御手段２７０からの信号によりポンプ４５２を制御し冷媒の流速を制御することでペルチェ素子１３０の第２面の温度を制御するといった方法をとっても構わない。

本発明の温調装置の各構成要素及び各機能は、必要に応じ併合・分割しても構わない。また、本発明において表現されている技術的思想の範囲内で適宜変更が可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含む。

１００、２００、３００、４００温調装置
１１０温調ステージ
１２０ヒータ
１３０ペルチェ素子
１４０ヒートシンク
１５０ファン
１５１ファン用電源
１６０温度センサ
１７０、２７０、３７０制御手段
１７１温調モジュール
１７２ヒータ駆動部
１７３ペルチェ駆動部
２７４ＰＷＭドライバ
３７５モノマルチ
３７６ＯＲ回路
３７７ファン駆動部
４４０液冷ヒートシンク
４５０冷媒供給部
４５１冷媒冷却部
４５２ポンプ

Claims

温度調節の対象物が載置される温調ステージと、
前記温調ステージを加熱するヒータと、
駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面として機能する第１面、及び前記駆動電流の向きに応じて放熱面又は吸熱面のうち前記第１面と異なる面として機能する第２面を有し、前記第１面が前記温調ステージと熱的に結合されたペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の前記第２面と熱的に結合し、装置外部との間で熱交換を行うヒートシンクと、
前記ヒートシンクを冷却する冷却手段と、
前記温調ステージの前記対象物が載置される面の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度に基づき、温調ステージの温度を所定の範囲となるように、且つ、ペルチェ素子による冷却期間と加熱期間とがバランスするように、前記ヒータと前記ペルチェ素子と前記冷却手段をそれぞれ駆動する電力を制御する制御手段と、
を備え、前記ヒータによる放熱並びに前記ペルチェ素子による放熱及び吸熱により、前記温調ステージの温度を所定の範囲に制御する温調装置。
前記制御手段は、前記ペルチェ素子を駆動する電力を制御する信号に基づき前記冷却手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の温調装置。
前記制御手段は、前記ペルチェ素子の前記第１面を冷却する制御信号に基づき前記冷却手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の温調装置。
前記ペルチェ素子の前記第１面を冷却する制御信号はパルス信号（以下「冷却パルス」という。）であり、前記制御手段は、前記冷却パルスのパルス幅が広いほど前記冷却手段による冷却の強度を上げる制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の温調装置。
前記制御手段は、前記冷却パルスのパルス幅が第１パルス幅より広い場合に、前記冷却手段による冷却の強度が最大になるように制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の温調装置。
前記制御手段は、前記冷却パルスの幅が前記第１パルス幅より狭い第２パルス幅より狭い場合に、前記冷却手段による冷却の強度が最小になるように制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の温調装置。
前記冷却手段の冷却方式は空冷方式であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の温調装置。
前記冷却手段の冷却方式は液冷方式であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の温調装置。
前記温調ステージを覆う断熱カバーを更に備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の温調装置。