JPH0812568B2 - Temperature control device - Google Patents

Temperature control device

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JPH0812568B2
JPH0812568B2 JP28611685A JP28611685A JPH0812568B2 JP H0812568 B2 JPH0812568 B2 JP H0812568B2 JP 28611685 A JP28611685 A JP 28611685A JP 28611685 A JP28611685 A JP 28611685A JP H0812568 B2 JPH0812568 B2 JP H0812568B2
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JP
Japan
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temperature
peltier element
control device
heat
output
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克行 藤戸
芳樹 西野
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、各種素子や電子部品,光学部品等の温度を
一定に保つための広い温度範囲にわたって安定に作動す
る温度制御装置を提供するためのものであり、恒温を必
要とする高精度発振器や、温度の影響を受けやすい電子
部品,光学部品の温度安定化に使用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention provides a temperature control device that operates stably over a wide temperature range for keeping the temperature of various elements, electronic parts, optical parts, etc. constant. Therefore, it can be used for temperature stabilization of high-precision oscillators that require constant temperature, electronic components and optical components that are easily affected by temperature.

従来の技術 電子部品や光学部品等の温度安定化のために、温度制
御用素子としての電熱交換素子としてペルチエ素子が使
用される。この素子は、電流の方向により、吸熱・発熱
のどちらにでも使用できるため、恒温装置として広範囲
に使用されている。このペルチエ素子を用いた温度制御
装置の例を第4図に示す。サーミスタ21により制御対象
物の温度を検出し、その電圧と設定温度に対応する基準
電圧との誤差分を検出部22で検出し、増幅部23で増幅し
ペルチエ素子24に流れる電流を制御することで、制御対
象の温度安定化を行なっている(S.56.信学会総全大・
予稿集2219)。
2. Description of the Related Art A Peltier element is used as an electrothermal exchange element as a temperature control element in order to stabilize the temperature of electronic components and optical components. Since this element can be used for both heat absorption and heat generation depending on the direction of current, it is widely used as a thermostatic device. An example of a temperature control device using this Peltier element is shown in FIG. The temperature of the controlled object is detected by the thermistor 21, the error between the voltage and the reference voltage corresponding to the set temperature is detected by the detection unit 22, and the current amplified by the amplification unit 23 is controlled by the Peltier element 24. In this way, the temperature of the controlled object is stabilized (S.56.
Proceedings 2219).

発明が解決しようとする問題点 従来例の構成では、ペルチエ素子の放熱側の温度と、
制御対象部の温度差が大きくなった場合、温度変化に対
する応答が非常に遅くなるという欠点を有している。
Problems to be Solved by the Invention In the configuration of the conventional example, the temperature on the heat radiation side of the Peltier element,
If the temperature difference of the controlled object becomes large, the response to the temperature change becomes very slow.

これらの問題点は、ペルチエ素子の放熱側と制御対象
部との温度差が大きくなると、制御対象部に流れ込む熱
量は増大しその熱量を外部に放散させるために、ペルチ
エ素子電流が増大することとなる。そのため、ペルチエ
素子自身のジュール熱も増大し、ペルチエ素子の吸熱側
の実効的な吸熱量が小さくなるために生じるものである
(この系では、熱変動に対する応答速度は、ペルチエ素
子の吸熱・発熱量と、制御対象部の熱容量と、増幅回路
のゲインとで決定される)。
These problems are that when the temperature difference between the radiating side of the Peltier element and the controlled part increases, the amount of heat flowing into the controlled part increases and the amount of heat is dissipated to the outside, and the Peltier element current increases. Become. Therefore, the Joule heat of the Peltier element itself increases, and the effective heat absorption on the heat absorption side of the Peltier element decreases. (In this system, the response speed to thermal fluctuation is the heat absorption / heat generation of the Peltier element. Quantity, the heat capacity of the controlled part, and the gain of the amplifier circuit).

そのため、一例として制御対象部の温度を室温程度に
保つようにした場合には、外気温や、放熱温度が高くな
ったとき、また、他の例として外気温は室温程度である
が制御対象を低温に保たねばならないようなときには、
応答が遅くなってしまい温度制御性が悪くなってしま
う。
Therefore, as an example, when the temperature of the controlled object is kept at about room temperature, when the outside air temperature or the heat radiation temperature becomes high, and as another example, the outside air temperature is about room temperature When you need to keep it at a low temperature,
The response becomes slow and the temperature controllability deteriorates.

本発明は、広い温度範囲において安定に、かつ制御性
の良い温度制御装置を提供するためになされたものであ
る。
The present invention has been made in order to provide a temperature control device which is stable and has good controllability in a wide temperature range.

問題点を解決するための手段 本発明は、ペルチエ素子両端の温度差、又はペルチエ
素子に流れる電流に対応して、温度検出素子出力と基準
値との差を増幅する増幅回路のゲインを可変とする機能
を有する温度制御装置である。
Means for Solving the Problems According to the present invention, the gain of an amplifier circuit that amplifies a difference between a temperature detection element output and a reference value is variable according to a temperature difference between both ends of a Peltier element or a current flowing through the Peltier element. It is a temperature control device having a function to do.

作用 本発明は、前述した如く、広い温度範囲にわたって良
好な温度制御性を保つために、ペルチエ素子両端の温度
差又はペルチエ素子電流に対応して増幅器のゲインを変
化させることによって、実効的なペルチエ素子の吸・発
熱量の変化による応答速度の変動を補償することによ
り、常に良好な温度制御性を得ようとするものである。
Function As described above, the present invention changes the gain of the amplifier in response to the temperature difference across the Peltier element or the Peltier element current in order to maintain good temperature controllability over a wide temperature range, and thus the effective Peltier element is changed. By compensating for the fluctuation of the response speed due to the change of the amount of heat absorption and heat generation of the element, it is intended to always obtain good temperature controllability.

実 施 例 第1図は本発明の第1の実施例における温度制御装置
の概略ブロック図である。ペルチエ素子1の片端は、ヒ
ートシンク2を介して、断熱部5で囲まれた制御対象部
4と熱的に結合されており、もう一端は放熱部3に熱的
に結合されている。ペルチエ素子1の一端の温度は、ヒ
ートシンク2に熱結合された第1の温度検出素子6、例
えば熱電対やサーミスタ,半導体温度検出素子等により
検出され、第1の温度検出部8で電圧に変換される。も
う一端の温度は、放熱部3に熱結合された第2の温度検
出素子7で検出され、第2の温度検出部9で電圧に変換
される。第1の温度検出部8の出力と、設定温度に対応
する基準電圧発生部11の出力が差動入力部を有する可変
利得増幅器12に入力される。また、第1の温度検出部8
の出力は、第2の温度検出部9の出力と、減算回路10で
減算され、減算回路10の出力に応じて、可変利得増幅器
12の利得が決定される。可変利得増幅器12の出力でペル
チエ素子1が駆動される。このとき、第1の温度検出部
8の出力電圧と、基準電圧発生部11の出力が一致するよ
うにペルチエ素子電流が流れ結果として制御対象部4の
温度が一定に保たれることになる。また可変利得増幅器
12の利得(ゲイン)は、(第2の温度検出器出力)−
(第1の温度検出器出力)の値が正で大きくなった時
に、大きくなるように設定されている。
Practical Example FIG. 1 is a schematic block diagram of a temperature control device according to a first example of the present invention. One end of the Peltier element 1 is thermally coupled to the control target portion 4 surrounded by the heat insulating portion 5 via the heat sink 2, and the other end is thermally coupled to the heat radiation portion 3. The temperature at one end of the Peltier element 1 is detected by a first temperature detecting element 6 thermally coupled to the heat sink 2, such as a thermocouple, thermistor, or semiconductor temperature detecting element, and converted into a voltage by the first temperature detecting section 8. To be done. The temperature at the other end is detected by the second temperature detecting element 7 which is thermally coupled to the heat radiating section 3 and converted into a voltage by the second temperature detecting section 9. The output of the first temperature detection unit 8 and the output of the reference voltage generation unit 11 corresponding to the set temperature are input to the variable gain amplifier 12 having a differential input unit. In addition, the first temperature detection unit 8
Of the second temperature detector 9 is subtracted from the output of the second temperature detector 9 by the subtraction circuit 10, and according to the output of the subtraction circuit 10, the variable gain amplifier
Twelve gains are determined. The output of the variable gain amplifier 12 drives the Peltier element 1. At this time, the Peltier element current flows so that the output voltage of the first temperature detection unit 8 and the output of the reference voltage generation unit 11 coincide with each other, and as a result, the temperature of the control target unit 4 is kept constant. Also variable gain amplifier
The gain of 12 is (second temperature detector output)-
It is set to increase when the value of (first temperature detector output) is positive and increases.

このとき、例えば制御対象部の温度を25℃に設定した
時、外気温(放熱板の温度とほぼ等しいと考えられる)
も25℃程度の時に、可変利得増幅器のゲインを最適に設
定したとする。外気温が上昇してゆくにつれ、ペルチエ
素子には多くの電流が流れ、制御対象部4に流入する熱
量をペルチエ素子1が吸熱し、放熱部側で発熱する。ペ
ルチエ素子1がペルチエ効果により吸熱する熱量は、ペ
ルチエ素子1に流れる電流を増やせばそれに正比例して
増加するが、同時にジュール熱も発生する。そのため、
実効的な吸熱量増加分は、ペルチエ電流を増大させるに
つれ減少し、ある電流値で零となる。これより電流値を
増加させれば、吸熱量は減少してゆく。
At this time, for example, when the temperature of the controlled part is set to 25 ° C, the outside air temperature (which is considered to be almost equal to the temperature of the heat sink)
It is also assumed that the gain of the variable gain amplifier is optimally set at about 25 ° C. As the outside air temperature rises, a large amount of current flows through the Peltier element, and the Peltier element 1 absorbs the amount of heat flowing into the control target section 4 and heat is generated on the heat radiation section side. The amount of heat absorbed by the Peltier element 1 due to the Peltier effect increases in direct proportion to the current flowing through the Peltier element 1, but at the same time Joule heat is also generated. for that reason,
The effective increase in the amount of absorbed heat decreases as the Peltier current increases, and becomes zero at a certain current value. If the current value is increased from this, the amount of heat absorption will decrease.

その結果、外気温が上昇すればペルチエ素子電流が増
大してゆき実効的な吸熱量が減少してしまう。
As a result, when the outside air temperature rises, the Peltier element current increases and the effective amount of heat absorption decreases.

一方、制御対象部の温度変化分を補正するため応答速
度は、ヒートシンクを含む制御対象部の熱容量と、実効
的なペルチエ素子1の吸熱量とで決定される。また、こ
の例のような負帰還制御系では、帰還アンプのゲインに
よっても応答速度が変化し、ゲインを大きくすれば応答
は速くなる。本実施例では、ペルチエ素子の実効的な吸
熱量の減少による応答の遅れを、アンプのゲインを大き
くすることにより補なっている。
On the other hand, the response speed for correcting the temperature change of the controlled object portion is determined by the heat capacity of the controlled object portion including the heat sink and the effective heat absorption amount of the Peltier element 1. Further, in the negative feedback control system as in this example, the response speed also changes depending on the gain of the feedback amplifier, and the larger the gain, the faster the response. In the present embodiment, the delay of the response due to the reduction of the effective heat absorption amount of the Peltier element is compensated by increasing the gain of the amplifier.

この例では、ペルチエ素子1の両端の温度差を検出し
て、増幅器のゲインを変化させる方法について述べた
が、ペルチエ素子の実効的吸熱量は、ペルチエ素子に流
れる電流によっても変化する。吸熱量が大きくなる場合
を電流の正の方向と定義する。そのため、ペルチエ素子
電流を検出し、それに対応して可変増幅器のゲインを変
化させても同様の効果が得られる。この場合の実施例を
第2図に示す。第1の実施例との違いは、第2の温度検
出素子7,第2の温度検出部9および減算回路10のかわり
に電流検出部13の出力で可変利得増幅器12のゲインを変
化させていることである。これ以外は第1図と全く同じ
である。この実施例におけるメリットは、温度検出より
電流検出の方が容易であるという点にある。
In this example, the method of detecting the temperature difference between both ends of the Peltier element 1 and changing the gain of the amplifier has been described, but the effective heat absorption amount of the Peltier element also changes depending on the current flowing through the Peltier element. The case where the amount of heat absorption increases is defined as the positive direction of the current. Therefore, the same effect can be obtained by detecting the Peltier element current and changing the gain of the variable amplifier correspondingly. An embodiment in this case is shown in FIG. The difference from the first embodiment is that the gain of the variable gain amplifier 12 is changed by the output of the current detection section 13 instead of the second temperature detection element 7, the second temperature detection section 9 and the subtraction circuit 10. That is. Other than this, it is exactly the same as FIG. The advantage of this embodiment is that current detection is easier than temperature detection.

次に第3の実施例として、非常に簡単な構成で実現可
能なものを第3図に示す。第3図は回路図のみを示して
いる。制御対象部の温度を検出する温度検出素子14と温
度検出部15により、温度が電圧に変換される。設定温度
に対応する基準電圧を発生する基準電圧発生部16の出力
は、普通の差動増幅器17の入力に接続される。一方温
度検出部出力は、抵抗20を介して差動増幅器の入力に
接続されている。増幅器出力でペルチエ素子18が駆動さ
れる。またこの系のゲインを決定するために負帰還用の
ポジティブサーミスタ19を用いる。ゲインは、このポジ
ティブサーミスタ19の抵抗値と抵抗20の値の比となる。
このポジティブサーミスタを、ペルチエ素子の放熱板と
熱結合させている。この場合、基準電圧発生部の電圧が
一定で決まっているものとすれば(つまり設定温度が常
に一定で決まっているとき)、放熱板の温度のみを検出
すれば、ペルチエ素子両端の温度差がわかることにな
る。本実施例ではポジティブサーミスタにより、放熱板
の温度を検出し、温度により抵抗値が変化することを利
用して増幅器のゲインを変えている。放熱板温度が高く
なるに従い、ゲインが大きくなることになる。また、ポ
ジティブサーミスタ19のかわりに抵抗を用い、抵抗20の
かわりに普通のサーミスタを用いても同様の機能を持た
せることが可能である。
Next, as a third embodiment, FIG. 3 shows what can be realized with a very simple structure. FIG. 3 shows only a circuit diagram. The temperature is converted into a voltage by the temperature detection element 14 and the temperature detection unit 15 that detect the temperature of the controlled object part. The output of the reference voltage generator 16 which generates the reference voltage corresponding to the set temperature is connected to the input of the ordinary differential amplifier 17. On the other hand, the output of the temperature detector is connected to the input of the differential amplifier via the resistor 20. The amplifier output drives the Peltier element 18. A positive thermistor 19 for negative feedback is used to determine the gain of this system. The gain is the ratio of the resistance value of the positive thermistor 19 and the resistance value of the resistor 20.
This positive thermistor is thermally coupled to the heat dissipation plate of the Peltier element. In this case, assuming that the voltage of the reference voltage generator is constant (that is, when the set temperature is always constant), if only the temperature of the heat sink is detected, the temperature difference across the Peltier element will be You will understand. In this embodiment, the temperature of the heat sink is detected by the positive thermistor, and the gain of the amplifier is changed by utilizing the fact that the resistance value changes depending on the temperature. The gain increases as the heat sink temperature increases. Also, a similar function can be provided by using a resistor instead of the positive thermistor 19 and an ordinary thermistor instead of the resistor 20.

また、前述した如く、ペルチエ素子の電流増加に対す
る吸熱量の増加分は、ある電流値で零になるが、これ以
上の電流がもしペルチエ素子に流れたとすれば、動作不
安定となる。特に、本発明では、ペルチエ電流の大きい
時に増幅器のゲインが大きくなるため、その状態で少し
の温度変動を生じれば、ペルチエ電流が過渡的に、不安
定領域に入り込む場合が多くなる。そのため、ペルチエ
素子電流が、その値よりも大きくならないように、電流
制限機構をもたせることにより、動作不安定にならない
ようにすることができる。
Further, as described above, the amount of increase in the heat absorption amount with respect to the increase in the current of the Peltier element becomes zero at a certain current value, but if a current larger than this amount flows into the Peltier element, the operation becomes unstable. In particular, in the present invention, the gain of the amplifier becomes large when the Peltier current is large, so if a slight temperature fluctuation occurs in that state, the Peltier current will transiently enter the unstable region in many cases. Therefore, by providing a current limiting mechanism so that the Peltier element current does not become larger than that value, it is possible to prevent the operation from becoming unstable.

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、広い温度範囲
にわたって、安定,かつ制御性の良い温度制御装置を提
供することが可能となる。
Effects of the Invention As described above, according to the present invention, it is possible to provide a temperature control device that is stable and has good controllability over a wide temperature range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例の温度制御装置のブロック
図、第2図は本発明の第2の実施例の温度制御装置のブ
ロック図、第3図は本発明の第3の実施例の温度制御装
置の回路図、第4図は従来例の温度制御装置の回路図で
ある。 1……ペルチエ素子、4……制御対象部、6,7……第1,
第2の温度検出素子、11……基準電圧発生部、12……可
変利得増幅器、13……電流検出部。
1 is a block diagram of a temperature control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of a temperature control device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a third embodiment of the present invention. FIG. 4 is a circuit diagram of the temperature control device of FIG. 4, and FIG. 4 is a circuit diagram of a temperature control device of a conventional example. 1 ... Peltier element, 4 ... Controlled part, 6, 7 ... First,
Second temperature detecting element, 11 ... Reference voltage generating section, 12 ... Variable gain amplifier, 13 ... Current detecting section.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電熱交換素子の両端の温度を検出する2つ
の温度検出用素子と、前記温度検出用素子のうち、温度
制御される側の温度検出用素子の出力と基準値との差を
増幅する増幅回路と、前記増幅回路により駆動される温
度制御用電熱交換素子を有し、前記増幅回路の増幅度
が、前記電熱交換素子の両端の温度差が大きくなった時
に大きくなるように変化する機能を有することを特徴と
する温度制御装置。
Claim: What is claimed is: 1. Two temperature detecting elements for detecting temperatures at both ends of an electrothermal exchange element, and a difference between an output of a temperature detecting element on the temperature controlled side of the temperature detecting elements and a reference value. It has an amplifying circuit for amplifying and a temperature controlling electrothermal exchange element driven by the amplifying circuit, and the amplification degree of the amplifying circuit changes so as to increase when the temperature difference between both ends of the electrothermal exchange element increases. A temperature control device having a function to perform.
【請求項2】制御対象と熱結合された温度検出用素子
と、前記温度検出用素子の出力と基準値との差を増幅す
る増幅回路と、前記増幅回路出力により駆動される温度
制御用電熱交換素子を有し、前記増幅回路の増幅度が、
前記電熱交換素子に流れる電流が正の方向に大きくなっ
た時に大きくなるように変化する機能を有することを特
徴とする温度制御装置。
2. A temperature detecting element thermally coupled to a controlled object, an amplifying circuit for amplifying a difference between an output of the temperature detecting element and a reference value, and a temperature controlling electrothermal driven by the amplifying circuit output. With an exchange element, the amplification degree of the amplification circuit is
A temperature control device having a function of changing to increase when a current flowing through the electrothermal exchange element increases in a positive direction.
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