JP7436577B2 - 冷暖房制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷暖房制御装置に関する。

従来、蒸し暑い夏季には冷たく、寒い冬季には暖かく、人々が快適に過ごせるようにするために、熱交換素子としてペルチェ素子を用いた冷暖房制御装置が知られている。ペルチェ素子は、電流の流れ方向を切り替えることで、冷却と加熱の切り替えが可能である。

例えば、特許文献１には、衣服やベビーカーに内蔵された熱交換装置が開示されており、熱交換素子としてペルチェ素子が開示されている。

特開２０２２－３８４７０号

このような従来の冷暖房制御装置においては、ペルチェ素子への通電と非通電の切り替えを機械的に繰り返すことにより温度調整がされていたため、通電時と非通電時の温度差が大きく、人が心地よいと感じる温度を常に保つことが困難であった。また、温度制御を高精度化しようとすると、装置が大型化してしまうことも課題であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高精度な温度制御を可能とし、小型化された温度制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の発明では、
複数のペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の温度を検知する温度センサと、スイッチ回路とを備え、
前記スイッチ回路は、第１スイッチング素子および第３スイッチング素子を接続した第１レッグと、第２スイッチング素子および第４スイッチング素子を接続した第２レッグと、前記第１レッグおよび前記第２レッグを並列に接続し、前記第1スイッチング素子および前記第３スイッチング素子の接続点並びに前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点を連結する前記ペルチェ素子と、を含み、前記ペルチェ素子の冷却と加熱の切り替え、及び前記ペルチェ素子への通電と非通電の切り替えを可能とし、
前記温度センサからの信号をフィードバックすることにより、前記ペルチェ素子への電圧の印加がＰＷＭ制御されることを特徴とする。

上記の構成によると、温度制御の精度に優れるとともに、ペルチェ素子の冷却と加熱の切り替え、並びに通電と非通電の切り替えを１つのスイッチ回路で担うことで装置を小型化できる。

第２の発明では、第１の発明において、
前記スイッチ回路は、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子のそれぞれに対して並列に接続されるダイオードを備えることを特徴とする。

上記の構成によると、温度制御の高精度化や装置の静音化のために、比較的高い周波数で駆動させた場合、ペルチェ素子のインダクタンスの電流は、電圧に対して位相に遅れが生じるが、ダイオードを備えることにより、遅れ電流による影響を抑制し、高速スイッチングが可能となる。周波数領域に関わらず、ペルチェ素子の温度追従性に優れ、より高精度な温度制御を可能にするとともに、装置の更なる小型化を実現できる。

第３の発明では、第２の発明において、
前記ペルチェ素子への通電と非通電の切り替えは、５ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で制御されることを特徴とする。

５ｋＨｚ以上の高い周波数で駆動すると、誘電性負荷によるペルチェ素子の遅れ電流の影響が懸念されるが、上記の構成によると、ペルチェ素子の冷却と加熱の切り替え、及び通電と非通電の切り替えを１つのスイッチ回路で担い、ダイオードを備えることで、略直線的でより高精度な温度制御が可能となる。

第４の発明では、第３の発明において、
前記ペルチェ素子は、複数が並列に接続され、
複数の前記ペルチェ素子は、所定の直流電圧を印加した際に流れる電流値に個体差を有し、該電流値のばらつきが０．１Ａ以内であることを特徴とする。

複数のペルチェ素子を並列に接続すれば、複数のペルチェ素子に対して１つの電源で駆動可能となるため、装置の小型化が実現可能である。しかしながら、並列に接続したことで、ペルチェ素子の個体差の影響が大きくなり、冷え易さ及び温まり易さに、人が感じ得るほどの差が生じてしまう。そこで、上記の構成によれば、所定の直流電圧を印加した際に流れる電流の差が近いペルチェ素子を並列に接続することで、個体差の影響を低減し、より高精度な温度制御が可能となる。

以上説明したように、本発明によると、精密な温度制御を可能とし、小型化された温度制御装置を提供することが可能となる。

実施形態に係る冷暖房制御装置の斜視図である。 冷暖房制御装置の概略構成図である。 冷暖房制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 スイッチ回路の回路図である。 冷却時のスイッチングシーケンスである。 加熱時のスイッチングシーケンスである。 ＰＷＭ制御を簡易的に示すブロック線図である。 センサ出力が高い場合のＰＷＭ波形を示すグラフである。 センサ出力が低い場合のＰＷＭ波形を示すグラフである。 従来の機械的な温度制御による温度変化を示すグラフである。 実施形態に係る冷暖房制御装置による温度変化を示すグラフである。 ０．１Ｈｚのスイッチング動作と遅れ電流との関係を説明するグラフである。 ５ｋＨｚのスイッチング動作と遅れ電流との関係を説明するグラフである。 冷暖房制御装置の冷房又は暖房設定時のフローチャートである。 暖房時に実行される処理手順のフローチャートである。

以下、実施形態に係る冷暖房制御装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る冷暖房制御装置の斜視図であり、図２は、冷暖房制御装置の概略構成図である。

この冷暖房制御装置は、人の体を冷やす又は温めるために用いられるものであり、衣類、椅子、寝具等、様々なものに適用可能なものであるが、本実施形態においては、図１及び図２に示すように、ベンチ１に適用させた例を説明する。

本実施形態の冷暖房制御装置１は、制御部３の両側に椅子部４，４を備えるベンチである。この冷暖房制御装置１は、屋外に設置されることが可能なものである。椅子部４は、人がその上面に座ることのできる座部４１と、座部４１の後方から延びる背もたれ４２を有する。

座部４１は、上面に座面蓋４３を有する。座面蓋４３は、平板状の部材である。座面蓋４３は、その後端部において丁番等の連結部材４３ｂにより座部４１に対して回動可能に取り付けてある。座面蓋４３は、前方の上面に把持部４３ａを取り付けてある。冷暖房制御装置１の使用者は、把持部４３ａを持って座面蓋４３を回動させることにより、座面蓋４３を座部４１の上面に伏せた非使用状態、又は、座面蓋４３を背もたれ４２に沿って立て掛けた使用状態とすることができる。

座面蓋４３は、座部の上面に伏せた非使用状態で、座部４１の上面に配置された熱伝導板４４を覆う。熱伝導板４４は、例えばアルミ板等で構成された熱伝導率の高い部材で構成され、座部４１に内蔵されたペルチェ素子５の温度を伝える。使用者は、熱伝導板４４の上に座ることで、ペルチェ素子５の冷却又は加熱により、冷たさや温かさを感じることができる。

冷暖房制御装置１が非使用状態のとき、座面蓋４３によって熱伝導板４４を覆うことにより、例えば、夏季には外気温の高さにより熱伝導板４４が熱くなることを防ぎ、使用時に熱伝導板４４の冷却を早めることが可能となり、冬季には外気温の低さにより熱伝導板４４が冷たくなることを防ぎ、使用時に熱伝導板４４の加熱を早めることが可能となる。座面蓋４３は、熱伝導率の低い素材で構成されることが好ましい。

座部４１には、複数のペルチェ素子５と、ペルチェ素子の温度を検知する温度センサ６と、ペルチェ素子５に隣接して設けられた冷却ファン７が内蔵されている。ペルチェ素子５は、熱伝導板４４の裏面に貼り付けられている。本実施形態では、１つの座部４１に対して２つのペルチェ素子５が並列に接続されて使用されている。温度センサ６は、熱伝導板４４の裏面において、ペルチェ素子５の間に貼り付けられている。本実施形態では、ペルチェ素子５の冷却効果を高めるために冷却ファン７を取り付けたが、冷却ファンに限らず、水冷等、冷媒を流すことにより冷却効果を高めても良い。

椅子部４，４の間の制御部３は筐体であり、冷暖房制御装置１の温度制御を行うための、スイッチ回路８、制御回路（マイコン）９、シーケンサ（ＰＬＣ）１０、バッテリ１１、制御部３内を冷却するための冷却ファン１２及びヒートシンク用のファン１３等が内蔵されている。

図３は、冷暖房制御装置の電気的構成を示すブロック図であり、図４は、スイッチ回路の回路図である。ペルチェ素子５は、スイッチ回路８を介して制御回路９及びバッテリ１１に連結されている。制御回路９は温度センサ６、スイッチ回路８及びシーケンサ１０と連結されている。シーケンサ１０には、使用者が操作するための手元スイッチ１４と、使用者が冷暖房制御装置の作動状況を確認するための表示灯１５が連結されている。制御部３内を冷却するための冷却ファン１２及びヒートシンク用のファン１３は、ペルチェ素子５とは別の電源を有する回路で構成されている。

バッテリ１１は、特に制限はされないが、例えば太陽光発電システムであることが好ましい。

手元スイッチ１４は、制御部３の外周壁において、座部４１に座った使用者が操作可能な位置に設けられている。本実施形態では、手元スイッチ１４は、左右の座部４１に面する制御部３の両側面に１つずつ設けられている。使用者は、手元スイッチ１４を押すことによって、冷暖房制御装置１を起動させることが可能である。また、使用者は、冷暖房制御装置１の起動中に、冷えすぎる又は熱すぎると感じる場合に再度手元スイッチ１４を押すことによって、自ら温度の調整を行うことも可能である。

表示灯１５は、制御部３の外周壁において、座部４１に座った使用者が視認可能な位置に設けられている。本実施形態では、表示灯１５は、座部４１に面する制御部３の両側面に１つずつ設けられている。表示灯１５は、例えばＬＥＤで構成されている。表示灯１５は、赤、黄色、緑の３色に点灯可能である。表示灯１５が赤色に点灯しているとき、冷暖房制御装置１が動作可能な待機状態であることを示す。表示灯１５が黄色に点灯しているとき、冷暖房制御装置１が動作を開始しているが十分に冷却又は加熱されていない状態であることを示す。表示灯１５が青色に点灯しているとき、冷暖房制御装置１が動作しており、設定された温度に達し、十分に冷却又は加熱されている状態であることを示す。

スイッチ回路８は、ペルチェ素子５の冷却および加熱の切り替え、並びにペルチェ素子５への通電と非通電の切り替えを可能とする。

スイッチ回路８は、図４に示すように、第１スイッチング素子Ｓ１および第３スイッチング素子Ｓ３を接続した第１レッグＬ１と、第２スイッチング素子Ｓ２および第４スイッチング素子Ｓ４を接続した第２レッグＬ２を備える。また、スイッチ回路８は、第１レッグＬ１および第２レッグＬ２を並列に接続し第１スイッチング素子Ｓ１および第３スイッチング素子Ｓ３の接続点並びに第２スイッチング素子Ｓ２および第４スイッチング素子Ｓ４の接続点を連結するペルチェ素子５と、を含む。

スイッチ回路８は、第３スイッチング素子Ｓ３および第４スイッチング素子Ｓ４のそれぞれに対して並列に接続されるダイオードを備える。

ペルチェ素子５への通電と非通電の切り替えは、５ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で制御されることが好ましい。０．１～５ｋＨｚ未満の場合、後述する遅れ電流の影響がほとんど見られないが、温度制御の高精度化や装置の静音化のために、周波数を５ｋＨｚ以上に上げた場合、誘電性負荷によるペルチェ素子の遅れ電流の影響が懸念される。しかしながら、上記の構成によると、ペルチェ素子の冷却と加熱の切り替え、及び通電と非通電の切り替えを１つのスイッチ回路で担い、ダイオードを備えることで、遅れ電流による影響を抑制し、略直線的でより高精度な温度制御が可能となる。

図５は、冷却時のスイッチ回路８のスイッチングシーケンスを示し、図６は、加熱時のスイッチ回路８のスイッチングシーケンスを示す。

冷却時は、図５に示すように、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をＯＮ、第２スイッチング素子Ｓ２と第３スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦとすることで、第１スイッチング素子Ｓ１及び第４スイッチング素子Ｓ４を通る電流の流れが形成される。

加熱時は、図６に示すように、第２スイッチング素子Ｓ２と第３スイッチング素子Ｓ３をＯＮ、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦとすることで、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３を通る、冷却時とは逆向きの電流の流れが形成される。このようにして、スイッチ回路８によってペルチェ素子５に対して逆向きの電流が流れることにより、冷却時と加熱時とが切り替え可能となる。

図７は、ＰＷＭ制御を簡易的に示すブロック線図である。図７に示すように、温度センサ６から温度に関する信号をフィードバックすることにより、ペルチェ素子５への電圧の印加がＰＷＭ制御される。具体的には、スイッチ回路８からの電流によりペルチェ素子５が冷却又は加熱される。温度センサ６は、ペルチェ素子５の温度を検知すると、温度信号を制御回路へ出力する。制御回路９中の比較器は、温度センサ６から入力された信号と予め設定された搬送波とを比較することでＰＷＭ信号を生成する。比較器は、生成したＰＷＭ信号をドライバ回路へ出力する。ドライバ回路は、入力されたＰＷＭ信号を、ＩＧＢＴ駆動信号として出力し、スイッチ回路８へ流れる電流を制御する。このようにして、ペルチェ素子５へ流れる電流がＰＷＭ制御されることにより、略線形的な高精度の温度制御が可能となる。ＰＷＭ制御には、例えば正弦波ＰＷＭ制御、過変調ＰＷＭ制御がある。

図８は、センサ出力が高い場合のＰＷＭ波形を示すグラフであり、図９は、センサ出力が低い場合のＰＷＭ波形を示すグラフである。図８に示すように、温度センサ６からの温度信号（センサ出力）が高い時、ＰＷＭ波形は短くなる。ＰＷＭ波形が短い時、ペルチェ素子５へ流す電流は小さくなる。図９に示すように、温度センサ６からの温度信号（センサ出力）が低い時、ＰＷＭ波形は長くなる。ＰＷＭ波形が長い時、ペルチェ素子５へ流す電流は大きくなる。５ｋＨｚ以上のスイッチング周波数でこのようなＰＷＭ制御を行った場合、略線形的な高精度な温度制御が可能となる。

図１０は、ＰＷＭ制御ではない従来の機械的な温度制御において、スイッチング動作を０．１Ｈｚとしたときの温度変化を示すグラフである。図１１は、実施形態に係るＰＷＭ制御において、スイッチング動作５ｋＨｚとしたときの温度変化を示すグラフである。図１０に示すように、通電と非通電の切り替えのみによるＰＷＭ制御ではない従来の温度制御では、山と谷が連続するような非線形状の温度変化となる。本実施形態による冷暖房制御装置によれば、図１１のように、略線形的な高精度の温度制御が可能となる。

図１２は、０．１Ｈｚのスイッチング動作と遅れ電流との関係を説明するグラフであり、図１３は、５ｋＨｚのスイッチング動作と遅れ電流との関係を説明するグラフである。図１２に示すように、低い周波数の０．１Ｈｚのスイッチング動作では、ペルチェ素子の誘電性負荷の影響による遅れ電流はほとんど見えない。温度制御の高精度化や装置の静音化のために、周波数を５ｋＨｚ以上に上げた場合、図１３に示すように、ペルチェ素子の誘電性負荷の影響により、遅れ電流の影響が無視できなくなる。

一般的に、温度制御の高精度化のために、動作周波数を高めることが考えられるが、ペルチェ素子を用いた冷暖房制御装置では、ペルチェ素子特有の遅れ電流が影響して高精度化を妨げるという問題がある。しかしながら、本実施形態による冷暖房制御装置によれば、遅れ電流が発生しても、その影響を抑制して略線形的な高精度の温度制御が可能となる。また、周波数を１０ｋＨｚ以上とすれば、高精度な温度制御だけでなく静音化も可能となる。

次に、図１４及び図１５に基づいて、冷暖房制御装置における処理手順を説明する。

図１４は、冷暖房制御装置の冷房又は暖房設定時のフローチャートである。まず冷暖房制御装置１の管理者は、冷房又は暖房を選択する（Ｓ１）。夏季は制御回路９の設定を冷房側へ切り替え（Ｓ２）、冬季は制御回路９の設定を暖房側へ切り替える（Ｓ３）。

図１５は、暖房設定時に実行される処理手順のフローチャートである。なお、冷房設定時の処理手順は、予め設定される閾値が異なることを除いて、処理手順は暖房時と同じであるため省略する。

管理者が冷暖房制御装置１の主電源をＯＮにする（Ｓ３１）とともに、シーケンサの電源をＯＮにすると（Ｓ３２）、表示灯１５が赤色に点灯し、冷暖房制御装置１が動作可能な待機状態であることを示す（Ｓ３３）。この状態で、使用者が使用可能な状態となる。

使用者は、冷暖房制御装置１の座面蓋４３を開いて熱伝導板４４の上面に座り、手元スイッチ１４を１回押すと（Ｓ３４）、表示灯１５が黄色に点灯し、冷暖房制御装置１が冷却を開始する（Ｓ３５）。１０秒間待機後（Ｓ３６）、表示灯１５が青色に点灯すると、十分に加熱されている状態であることが確認できる（Ｓ３７）。

この間に、温度センサ６からの信号をフィードバックすることにより、ペルチェ素子５への電圧の印加がＰＷＭ制御される（Ｓ４１）。ＰＷＭ制御により、図６に示すように、第２スイッチング素子Ｓ２の間欠通電制御と第３スイッチング素子Ｓ３の連続通電制御が行われる。このように第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３による通電状態が維持されることにより（Ｓ４２）、略線形状の温度変化で温度が上昇する。温度が予め設定された閾値以上となると（Ｓ４３）、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３への通電と非通電が繰り返されて所定の温度が維持され（Ｓ４４）、温度制御が継続される（Ｓ４５）。

使用者は体感により「熱すぎる」か否かを判断し（Ｓ３８）、手元スイッチ１４により自ら温度調整をすることも可能である。使用者が「熱すぎる」と感じた場合、手元スイッチ１４を１回押すことで（Ｓ３９）、表示灯１５が赤色に点灯し、冷暖房制御装置１が作動していない待機状態となる（Ｓ４６）。使用者が「熱すぎる」と感じない場合は、予め設定された時間（５分）が経過すると（Ｓ４０）、表示灯１５が赤色に点灯し、冷暖房制御装置１が作動していない待機状態となる（Ｓ４６）。

次に、冷暖房制御装置１に用いるペルチェ素子５の個体差による電流値のばらつきについて説明する。ペルチェ素子は、その一つ一つに所定の直流電圧を印加した際に流れる電流値に個体差を有する。固体差の異なる複数のペルチェ素子を、本実施形態の、冷暖房制御装置１に用いた場合、ペルチェ素子の個体差によって温まり易さや冷え易さが異なり、熱伝導板４４において温度のムラが生じてしまい、使用者が快適に感じられないという問題がある。

本実施形態の冷暖房制御装置１では、複数のペルチェ素子５は、並列に接続される。この複数のペルチェ素子５は、所定の直流電圧を印加した際に流れる電流値に個体差を有するが、電流値のばらつきが０．１Ａ以内である。所定の直流電圧とは、任意の電圧であるが、本実施形態では２５Ｖの電圧を印加した。熱伝導板４４にペルチェ素子５を取り付ける前に、各ペルチェ素子に２５Ｖの電圧を印加し、その際に流れる電流を測定した。そして、電流値のばらつきが０．１Ａ以内である複数のペルチェ素子を選択した。そのようにして選択したばらつきの小さい複数のペルチェ素子５を１つの熱伝導板４４に取り付けた。電流値のばらつきが０．１Ａ以内であれば、熱伝導板４４の温まり方や冷え方に人が感じられるほどのムラは生じず、均一で快適な温度を提供することができたが、電流値のばらつきが０．３Ａ以上のとき、熱伝導板４４の温まり方や冷え方に人が感じられるほどのムラが生じた。

以上のように構成したによれば、温度制御の精度に優れるとともに、ペルチェ素子５の冷却と加熱の切り替え、及び通電と非通電の切り替えを１つのスイッチ回路８で担うことが可能となり、装置を小型化できる。また、温度制御の高精度化や装置の静音化のために、比較的高い周波数、例えば５ｋＨｚ以上のスイッチング動作で駆動させた場合、ペルチェ素子のインダクタンスの電流は、電圧に対して位相に遅れが生じるが、本実施形態によれば、遅れ電流による影響を抑制し、高速スイッチングが可能となる。周波数領域に関わらず、ペルチェ素子の温度追従性に優れ、線形状のより高精度な温度制御を可能にするとともに、装置の更なる小型化を実現できる。

上記実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１ 冷暖房制御装置（ベンチ）
３ 制御部
４ 椅子部
５ ペルチェ素子
６ 温度センサ
７ 冷却ファン
８ スイッチ回路
９ 制御回路
１０ シーケンサ
１１ バッテリ
１２ 冷却ファン
１３ ファン
１４ 手元スイッチ
１５ 表示灯
４１ 座部
４２ 背もたれ
４３ 座面蓋
４４ 熱伝導板
Ｌ１ 第１レッグ
Ｌ２ 第２レッグ
Ｓ１ 第１スイッチング素子
Ｓ２ 第２スイッチング素子
Ｓ３ 第３スイッチング素子
Ｓ４ 第４スイッチング素子

Claims (3)

1. 複数のペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の温度を検知する温度センサと、スイッチ回路と、前記ペルチェ素子が内蔵される座部とを備え、
   前記スイッチ回路は、第１スイッチング素子および第３スイッチング素子を接続した第１レッグと、第２スイッチング素子および第４スイッチング素子を接続した第２レッグと、前記第１レッグおよび前記第２レッグを並列に接続し、前記第1スイッチング素子および前記第３スイッチング素子の接続点並びに前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点を連結する前記ペルチェ素子と、を含み、前記ペルチェ素子の冷却と加熱の切り替え、及び前記ペルチェ素子への通電と非通電の切り替えを可能とし、
   前記温度センサからの信号をフィードバックすることにより、前記ペルチェ素子への電圧の印加がＰＷＭ制御され、
   前記座部は、前記ぺルチェ素子の冷却又は加熱により、前記座部の上面に座る使用者へ冷たさ又は温かさを伝え、
   前記ペルチェ素子は、複数が並列に接続され、複数の前記ペルチェ素子は、所定の直流電圧を印加した際に流れる電流値に個体差を有し、該電流値のばらつきが０．１Ａ以内であることを特徴とするベンチ。
2. 前記スイッチ回路は、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子のそれぞれに対して並列に接続されるダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載のベンチ。
3. 前記ペルチェ素子への通電と非通電の切り替えは、５ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で制御されることを特徴とする請求項２に記載のベンチ。