JPH0626728A - 物体の冷却方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ペルチェ効果を用いて物体を冷却する方法に
おいて、冷却効率を上げても半導体材料の消耗の経済化
及び電気容量消費の急激な増加を低減し、消費される電
力について経済的に物体を冷却することができるように
する。 【構成】 各々が熱要素からなる複数のカスケードを有
し、該各カスケード間に蓄熱器を介在させ、全体の温度
差を、各カスケードにより実現される小さな温度差ΔＴ
₁ ＋ΔＴ₂ ＋ΔＴ₃ に分けることに基づき、カスケード
の動作を効果的なものとし、カスケード動作の最適な動
作サイクルを達成し、かつ、システム全体の最も効果的
な動作を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、冷蔵機械の分野に関
し、特に家庭用、医療用及び産業用に用いられる熱電冷
却による物体の冷却方法及びその装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的にペルチエ効果に基づく物体の冷
却方法は知られている。これは、熱素子に電流を流すこ
とによってペルチエ効果は熱素子の熱電接点の一方を加
熱し、他方を冷却するものである。

【０００３】そして、充分に大きな冷却効率を得るため
には、熱素子は電気回路又は並列電気回路中に接続さ
れ、それにより熱電対列を形成する。

【０００４】この方法は、その冷却及び加熱接点間の温
度差が大きくなるにつれて、熱電対列によって消費され
る電気容量への熱の流れの比率として決定される冷却効
率における急激な低下によって引き起こされる重大な欠
点を有している。

【０００５】同様な解決手段として、カスケード熱電対
列を備えた物体の冷却方法がある。この方法によって、
冷却接点を有する熱電対列の第１カスケードは、冷却さ
れる物体から熱流を引き出す。そして、電気容量を有す
る第１カスケードは、第２カスケードの冷却接点に達す
る。最初の２つのカスケードによって消費された電気容
量を有する第３カスケードの冷却接点へ、この対象物体
から引き出された熱流が到達する。このように熱電対列
の各々の次のカスケードは、前のカスケードと比較し
て、より大きな冷却容量を有する必要があり、そして、
熱及び電気の両面においてカスケードの整合性を有する
必要がある。熱電対列によって消費された上記容量は、
各カスケードによって消費された容量の合計である。あ
らかじめ定めた冷却効率において、そのカスケード冷却
効率が等しい場合にはその容量は最小となる。各カスケ
ードの冷却効率は、達成された温度の過度の低下によっ
て決定される。発生する熱に従い、与えられたカスケー
ドに用いられる熱素子の数によって到達する熱の過度の
低下は決定される。従って、この冷却方法の実施は半導
体材料の消耗を増大し、それは熱電対列の第２カスケー
ドに達するや否や開始される。

【０００６】この冷却方法の実施は、上記した方法と比
較して熱電対列の加熱接点及び冷却接点間の温度低下の
比較的大きな値（３０℃より大きい）においていくつか
の利点を有している。この場合には、単一のカスケード
冷却方法は完全に実施不可能である。しかしながら、カ
スケードの数を増やすことによって、５０℃以上の温度
低下における冷却効率を増大させる試みは電気容量消費
の急激な増加を伴うものである。これが３つ以上のカス
ケードを有する熱電対列の実施が実用的でなく、かつほ
とんど実現不可能であると考えられる理由である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記点に着目
してなされたものであって、、冷却効率を上げても半導
体材料の消耗の経済化及び電気容量消費の急激な増加を
低減することができる物体の冷却方法及びその装置を提
供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、公知の物体の
冷却方法とは明確に区別されるものである。

【０００９】すなわち、本発明の構成は次のとおりであ
る。 （ａ）冷却装置が定常状態で所望の温度に物体を冷却す
る際に、直流電圧をその端子にかけ、そして、熱電対列
の熱ブロックで電流の調整を行うことにより、カスケー
ド熱電対列の補助を行う手段を具備している； （ｂ）蓄熱器は、温度ゲージを備え、カスケード間に設
置される； （ｃ）カスケード熱電対列間の電気回路は遮断されてい
る； （ｄ）各カスケードの熱ブロックは、電気回路の熱ブロ
ックの２つのセクションＮδ⁽¹⁾ ｉ、Ｎδ⁽²⁾ ｉに分離
されており、各カスケードのセクション出力は、与えら
れたカスケードの調整用安定器へのタイムリレーを介し
て接続され、そのコントロール入力は蓄熱器の温度ゲー
ジの出力に接続され、この出力はタイムリレーのコント
ロール入力に接続されている； （ｅ）タイムリレーマニュアルコントロール機能を備え
たタイムインターバルΔＴｉ₁ 及びΔＴｉ₂ ＞ΔＴｉ₁
は、カスケード熱ブロックの２つのセクションによって
引き出された活性熱の態様及び熱電対列の与えられたカ
スケードのセクションの１つＮδ⁽¹⁾ ｉによる熱補償引
出しの態様に従って設定され、各次のカスケードの操作
のワンサイクルΔＴｉ＝ΔＴｉ₁ ＋ΔＴｉ₂ の期間は、
熱電対列カスケードの蓄熱器の大量熱容量の値に従って
増大する； （ｆ）タイムリレーの供給電圧及び熱電対列カスケード
の電流調整用安定器が設置される； （ｇ）電流調整用安定器の調整手段を備えた蓄熱器の各
熱電対列カスケードに対する要求された温度の値が設定
される； （ｈ）電流の要求された最適値は、最大冷却効率で活
性、かつ補償する熱引出しの態様に従って熱ブロックを
介して設定される； （ｉ）これらの調整用安定器及びタイムリレーを用いて
各熱電対列カスケードの操作期間は、熱電対列カスケー
ドの蓄熱器の目標とする温度値に達するまで、関連する
カスケード熱ブロックを介して電流強さの目標とする最
適値の安定化において、活性、かつ補償する熱引出しの
態様で連続して変化する； （ｊ）そして、次に電流調整用安定器は、蓄熱器の温度
ゲージによる温度値の自動維持に切り換えられる； ことを特徴とした物体の冷却方法とした。

【００１０】熱電対列によって消費された電気容量の経
済的に最適な値を得るため、熱及び電流値の活性、かつ
補償的引出しの態様における化操作期間は、カスケード
熱ブロックを介して調整され、熱補償引出しの態様で関
連付けられたカスケード熱ブロックの数Ｎδ⁽²⁾ ｉは変
化する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を添付図面に示す一実施例に基
づいて具体的に説明する。この本発明の方法の実施の具
体化として、図１は３つのカスケード冷却装置の構造及
び機能的概略図を示すものであり、図２及び図３は冷却
装置のｉ番目のカスケードの概略断面図及び上面図を示
すものである。

【００１２】本発明方法の原理について概略すると、冷
却装置において実現されなければならない温度差は、４
０℃〜８０℃の範囲である。このような温度差は１つの
カスケードにより実現可能であるが、この場合、エネル
ギー消費が大きくなるため著しく非効果的である。本発
明方法は、温度差ΔＴ（図１）を各々が熱要素からなる
カスケードにより実現される多数の小さな温度差ΔＴ₁
＋ΔＴ₂ ＋ΔＴ₃ に分けることに基づいている。この場
合、カスケードの動作は、はるかに効果的なものとな
る。この構成に蓄熱器（２，５，６）を導入することに
より、カスケード動作の最適な動作サイクルを達成し、
かつ、システム全体の最も効果的な動作を確保すること
が可能になる。

【００１３】前記各カスケードは、互いに異なる個数の
熱ブロック（４）からなる２つのカスケード部分によっ
て構成されており（例えば、９個と５個、６個と３個、
又は１５個と５個）、図３においてＮδ⁽¹⁾ ｉ及びＮδ
⁽²⁾ ｉにより示されている。その接続は、電気回路によ
り行なわれている。カスケードは、両前記カスケード部
分が動作中のときにおいて積極的に除熱するモードと、
一方の前記カスケード部分が動作中のときにおいて該除
熱を補償するモードとの２つモードで動作可能となって
いる。

【００１４】冷却される物体（１）は、熱電対列の第１
カスケード（図１において一番下の段）の蓄熱器と熱接
触状態である。熱伝導（例えば、銅製）トランスミッタ
ー（３）を介して蓄熱器（２）には、この熱電対列カス
ケードの熱ブロック（４）が設置されている。該熱ブロ
ック（４）は、熱電対列の第２カスケード（図１におい
て中段）の蓄熱器（５）と熱接触している。熱電対列の
第１カスケードにおけると同様に熱伝導トランスミッタ
ー（３）を介して蓄熱器（５）には、熱電対列の第２カ
スケードの熱ブロック（４）が設置され、熱電対列の第
３カスケード（図１において上段）の蓄熱器（６）と熱
接触状態とされている。この各カスケード間に設けられ
ている蓄熱器（２，５，６）は、カスケード間の温度差
を安定化し、要求されている温度モードを選択する上で
の正確性を補償できるようにし、熱収容プレートからな
っている。これら蓄熱器の材質としては、アルミニウム
等が使用される。外部熱を与える表面、例えばラジエー
ター（７）を有する蓄熱器（６）の熱接続は、熱電対列
の第３カスケードの熱ブロック（４）を有する熱伝導性
トランスミッター（３）によって行なわれる。

【００１５】各蓄熱器（２）、（５）及び（６）は、そ
れぞれ断熱体（８）及び温度ゲージ（９）を有してい
る。断熱体（８）の材質としては、例えば、発泡ポリウ
レタン等が使用される。冷却物体（１）と共に熱電対列
の全てのカスケードは、断熱体（１０）内に収納されて
いる。各カスケード内の熱ブロック（４）の端子は、カ
スケードの変換ボックス（１１）に接続され、そこでそ
れらは直流に接続された熱ブロック（４）の２つのセク
ション〔Ｎδ⁽¹⁾ ｉ，Ｎδ⁽²⁾ ｉ〕に分けられている。
それらの熱ブロック（４）の端子は、タイムリレー（１
２）の端子に接続されている。上記セクションは、タイ
ムリレー（１２）がショートし、又は接触が緩んだ場合
に、直列に接続されている熱ブロック（４）のカスケー
ドの要求された数〔Ｎδ⁽¹⁾ ｉ，Ｎδ⁽²⁾ ｉ〕Ｎδ⁽²⁾
ｉの対応するチェーン及びタイムリレー（１２）の端子
によって接続される活性又は補償熱ｉカスケードを引出
し可能なように前記セクションは構成されている。

【００１６】ｉカスケードのタイムリレー（１２）の入
力端子は、電流を供給する熱ブロック（４）のカスケー
ドの調整用安定器（１３）の出力端子に接続されてい
る。該調整用安定器（１３）は熱ブロック（４）を流れ
る電流の安定化を補償するものであり、タイムリレー
（１２）は前記セクションＮδ⁽¹⁾ ｉ及びＮδ⁽²⁾ ｉの
動作周期を決定するものである。各々の調整用安定器
（１３）の調整入力端子は、蓄熱器の温度ゲージ（９）
の出力端子に接続され、調整用安定器（１３）の調整出
力端子は、タイムリレー（１２）の調整入力端子に接続
されている。

【００１７】熱ブロックカスケードの安定供給電流に到
達するために必要な直流電圧を得るためマルチチャンネ
ル整流コンバータ（１４）が用いられ、その出力端子
は、調整用安定器（１３）の入力端子に接続されてい
る。

【００１８】上記３つのカスケード冷却装置を用いて冷
却物体（１）を冷却する本発明方法は、以下のように実
施される。

【００１９】各熱電対列の任意のｉカスケードの熱ブロ
ック（４）は、直列に接続された熱ブロック（４）の２
つのセクション〔Ｎδ⁽¹⁾ ｉ及びＮδ⁽²⁾ ｉ〕にカスケ
ードの変換ボックス（１１）において接続されている。
整流コンバータ（１４）の入力端子は、２２０Ｖの交流
電源に接続されている。結果として供給電源は、タイム
リレー（１２）及び調整用安定器（１３）に接続され、
また、低電圧Ｖｏｉは、ｉカスケードの調整用安定器
（１３）の入力端子に接続されている。このｉカスケー
ドは、熱ブロック（４）を通る最適な電流値Ｉｏｉを得
るために必要である。

【００２０】熱電対列の各ｉカスケードの調整用安定器
（１３）の調整機能によって、このカスケードの蓄熱器
（２，５，６）に対する目標温度値Ｔａｃ．ｉが設定さ
れ、目標直流電流値Ｉｏｉが設定され、この電流値は、
熱ブロック（４）によって引き出される熱の最大経済性
に一致している。この調整用安定器の電子回路によっ
て、この熱ブロック（４）は導入される電圧に変換され
る。この導入電圧は、カスケードの熱ブロック（４）を
通って温度及び電流比較回路の入力端子の１つに導かれ
る。

【００２１】そして、ｉカスケードのタイムリレー（１
２）の調整機能によって、タイムインターバル〔ΔＴｉ
₁ 及びΔＴｉ₂ ＞ΔＴｉ₂ 〕は、このカスケード熱ブロ
ックの活性及び補償熱引出し態様に従って設定される。
１サイクルの期間〔ΔＴ_i+1＞ΔＴ_(i+1)1＋Δ
Ｔ_(i+1)2〕は、ｉカスケードの作動サイクルの期間〔Δ
Ｔ_i ＝ΔＴｉ₁ ＋ΔＴｉ₂ 〕、及び蓄熱器の熱容量〔Ｃ
_i ，Ｃ_i+1 〕に、比率〔ΔＴ_i+1 ＝ΔＴ_i ・Ｃ_i+1 ／Ｃ
_i 〕によって関連づけられ、そして、タイムリレー電圧
は消滅する。結果として、タイムリレー（１２）の接触
によって直列に接続された第１及び第３カスケードの熱
ブロック（４）の上記したセクション〔Ｎδ⁽¹⁾ｉ及び
Ｎδ⁽²⁾ ｉ〕は、それらのカスケードのそれぞれの熱ブ
ロック（４）の１つの直列回路において変換され、そし
て、この回路の各出力端子は、対応する直流調整用安定
器（１３）の出力端子に接続されている。

【００２２】第２カスケードのタイムリレー（１２）の
接続は、その調整用安定器（１３）の出力端子への、こ
のカスケードの熱ブロック（４）の直流回路の１つのセ
クション〔Ｎδ⁽²⁾ ₂ 〕のみに接続している。これによ
って、熱電対列の第１及び第３カスケードは、活性熱引
出しの態様で切り換えられ、そして第２カスケードは、
補償熱引出し態様で切り換えられる。

【００２３】ｉカスケードの熱電対列を流れる電流は、
調整用安定器（１３）の対応する比較回路のレジスター
の電圧低下を引き起こす。この調整用安定器（１３）
は、この回路の第２入力端子に接続されている。この電
圧と、あらかじめ設定された導入電圧とが等しくない場
合には、上記比較回路の出力端子に対応する信号が現れ
る。この比較回路は、ｉカスケードの熱電対列を流れる
電流をあらかじめ設定した値Ｉｏ_i に等しくなるまで調
整する。

【００２４】作動終了ΔＴ_2.1 の時点で、第１及び第３
カスケードのタイムリレー（１２）は、それらの接触を
切り換え、そして、結果として調整用安定器（１３）の
出力端子はこのカスケード熱ブロックの直列回路のセク
ション〔Ｎδ⁽²⁾ ₂ 〕にのみ接続されている。上記した
方法として同様に、このカスケードの調整用安定器（１
３）は、このカスケード操作サイクルの次のインターバ
ルΔＴｉ₂ の間中、スイッチオンされているｉカスケー
ドの熱ブロック（４）を通る最適電流値Ｉｏ_iを安定化
する。

【００２５】作動終了ΔＴ_2.2 の時点において、第２カ
スケードのタイムリレー（１２）は、その接触を切り換
える。結果として、このカスケード熱ブロックの直列回
路のセクション〔Ｎδ⁽¹⁾ ₂ 〕及び〔Ｎδ⁽²⁾ ₂ 〕は、
熱ブロック（４）の直列回路に接続され、この熱ブロッ
ク（４）の出力端子は、このカスケードに対応する調整
用安定器（１３）の出力端子に接続されている。上記調
整用安定器（１３）は、このカスケード操作サイクルの
次のインターバル〔ΔＴ₂₁〕の間中、熱電対列の第２カ
スケードのスイッチオンされた熱ブロック（４）を通る
あらかじめ設定された最適電流値Ｉｏ₂ を維持する。

【００２６】さらに、熱電対列カスケードの調整用安定
器（１３）と共にタイムリレー（１２）は、それらのカ
スケードの蓄熱器のあらかじめ設定された温度の値まで
上記操作サイクルを繰り返す。この温度の値は、調整用
安定器（１３）の信号によって感知される。ｉカスケー
ドの調整用安定器（１３）におけるそのような信号にお
いて、手動調整手段によって、このカスケードの蓄熱器
の到達した温度値〔Ｔａｃ．_i 〕を自動的に維持するよ
うに切り換えられる。結果として、温度比較回路は、対
応する蓄熱器のあらかじめ設定された温度値を自動的に
維持するこの調整用安定器（１３）において作動を開始
する。温度の値が所定の値〔Ｔａｃ．_i〕を越えると、
上記信号比較回路の出力端子において、目標とする導入
電圧を有するｉカスケード蓄熱器の温度ゲージから信号
が現れ、これはこのカスケードの調整用安定器（１３）
の調整出力端子に与えられる。この信号は、第１及び第
３カスケードのタイムリレー（１２）をオフとし、この
カスケードの熱活性引出し態様に対応している。

【００２７】第２カスケードの調整用安定器（１３）の
調整出力端子に現れる信号は、また、タイムリレー（１
２）を、このカスケードの熱活性引出し態様に対応する
状態に切り換える。ｉカスケード蓄熱器の温度値があら
かじめ設定した値〔Ｔａｃ．_i 〕より小さい場合には、
調整用安定器（１３）の調整出力端子の信号はこのカス
ケードのタイムリレー（１２）を、このカスケードの熱
補償引出し態様に対応する状態に切り換える。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、冷却効率を上げても半
導体材料の消耗の経済化及び電気容量消費の急激な増加
を低減し、消費される電力について経済的に物体を冷却
することができるという多大の効果を発揮するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の概略説明図である。

【図２】任意のカスケードの概略拡大断面頭である。

【図３】図２に示すカスケードの上面図であり、２つの
セクションを明示した詳細図である。

【図４】第１、第２及び第３カスケードの冷却係数と、
冷却物からの除熱のために各カスケードにより消費され
る熱容量との比率を示した各カスケードの動作サイクル
図である。

【符号の説明】

１ 冷却物体 ２ 蓄熱器 ３ 熱伝導性トランスミッター ４ 熱ブロック ５ 蓄熱器 ６ 蓄熱器 ７ ラジエーター ８ 断熱体 ９ 温度ゲージ １０ 断熱体 １１ 変換ボックス １２ タイムリレー １３ 調整用安定器 １４ 整流コンバータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）冷却装置が定常状態で所望の温度
   に物体を冷却する際に、直流電圧をその端子にかけ、そ
   して、熱電対列の熱ブロックで電流の調整を行うことに
   より、カスケード熱電対列の補助を行う手段を具備して
   いる； （ｂ）蓄熱器は、温度ゲージを備え、カスケード間に設
   置される； （ｃ）カスケード熱電対列間の電気回路は遮断されてい
   る； （ｄ）各カスケードの熱ブロックは、電気回路の熱ブロ
   ックの２つのセクションＮδ⁽¹⁾ ｉ、Ｎδ⁽²⁾ ｉに分離
   されており、各カスケードのセクション出力は、与えら
   れたカスケードの調整用安定器へのタイムリレーを介し
   て接続され、そのコントロール入力は蓄熱器の温度ゲー
   ジの出力に接続され、この出力はタイムリレーのコント
   ロール入力に接続されている； （ｅ）タイムリレーマニュアルコントロール機能を備え
   たタイムインターバルΔＴｉ₁ 及びΔＴｉ₂ ＞ΔＴｉ₁
   は、カスケード熱ブロックの２つのセクションによって
   引き出された活性熱の態様及び熱電対列の与えられたカ
   スケードのセクションの１つＮδ⁽¹⁾ ｉによる熱補償引
   出しの態様に従って設定され、各次のカスケードの操作
   のワンサイクルΔＴｉ＝ΔＴｉ₁ ＋ΔＴｉ₂ の期間は、
   熱電対列カスケードの蓄熱器の大量熱容量の値に従って
   増大する； （ｆ）タイムリレーの供給電圧及び熱電対列カスケード
   の電流調整用安定器が設置される； （ｇ）電流調整用安定器の調整手段を備えた蓄熱器の各
   熱電対列カスケードに対する要求された温度の値が設定
   される； （ｈ）電流の要求された最適値は、最大冷却効率で活
   性、かつ補償する熱引出しの態様に従って熱ブロックを
   介して設定される； （ｉ）これらの調整用安定器及びタイムリレーを用いて
   各熱電対列カスケードの操作期間は、熱電対列カスケー
   ドの蓄熱器の目標とする温度値に達するまで、関連する
   カスケード熱ブロックを介して電流強さの目標とする最
   適値の安定化において、活性、かつ補償する熱引出しの
   態様で連続して変化する； （ｊ）そして、次に電流調整用安定器は、蓄熱器の温度
   ゲージによる温度値の自動維持に切り換えられる； ようにしたことを特徴とする物体の冷却方法。
2. 【請求項２】 上記（ａ）〜（ｊ）の構成を有すること
   を特徴とする物体の冷却装置。