JPH08504299A - 直列接続された熱電バッテリによって対象物を冷却する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッテリの端子に印加される調整可能な制御された直流で冷却されるべき対象物の要求温度に対応する定常状態の運転モードが達成されるまで対象物から、さらに段から段へ熱を除去することによって、直列接続された熱電バッテリを具備する対象物を冷却する方法である。本発明によれば、対象物から除去された熱の移動は、蓄熱器への中間的な蓄熱を行う段から段への時間的に連続して行われる。このために各段の運転が能動的熱除去および熱スイッチモードで実行され、冷却されるべき対象物および蓄熱器の要求温度値での定常運転にそれを到達させる処理の間、時間間隔および各モードにおける熱電バッテリの段を流れる電流値が調節され、電力消費が最小値となる。本発明によれば全ての段のサーモパイルの数は同数であり、稀少かつ高価な半導体熱電材料の消費が抑制され、熱電バッテリの価格が本質的に抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】 直列接続された熱電バッテリによって対象物を冷却する方法 発明の分野 本発明は冷却技術の分野に関連し、特に小型の熱電クーラであってある種の需 要者、医学あるいは特定分野の熱電冷却装置に使用可能なものに関する。 先行技術 熱電冷却の方法は、一方の接合が加熱され、他方が冷却されるサーモパイルを 電流が通過するペルチェ効果に基づくものが知られている（E．A．Kolenko の“ 熱電冷却装置”USSR AS，1987 pp 7-11参照）。 十分な冷却程度を得るために、動作するサーモパイルが熱電バッテリを形成す るように直列に接続される。しかしながら、この方法は、消費される電力に対す る除去される熱流の比で決定される冷却装置の性能係数の顕著な低下をもたらし 、熱電バッテリの熱接点と冷接点との間の温度降下を増大する。 熱電バッテリの使用に基づく方法である対象物の冷却方法もまた公知である（ ソ連発明者証 No.322821，IPC HOIL 35/30，F25B 21/02，1971 参照）。この方 法は、それが定常状態の運転モードに到達するまでバッテリの端子に調節可能な 制御された直流が供給されたときに、対象物からおよび段から段へ熱を除去する ものである。 第１段の冷接点は、冷却されるべき対象物から熱を除去し、その段によって消 費されるべき電力とともに第２段の冷接点に向かって流れる。冷却されるべき対 象物から除去される熱流は、第１段およ び第２段のバッテリ等で消費されるべき合計の電力とともに第３段の冷接点に印 加される。このように、先行するセレト段に電気的に接続される引き続くバッテ リ段は、先行段に比較してより大きな冷却能力を持つであろう。従ってバッテリ 段の冷却能力の増加は欠乏している半導体材料の顕著な増加をもたらす。直列熱 電バッテリによって消費される電力は、各段で消費される電力の合計となる。 比較的電力消費が少ないという観点から、この冷却方法の使用は熱電バッテリ の熱接点と冷接点との間の比較的低い温度降下（約３０°Ｃ）が必要であるとき には推奨可能である。 段数の増加により５０°Ｃ以上に温度降下を増加する試みは、消費電力の顕著 な増加をもたらす。従って、３段以上の熱電バッテリの使用は実際的には考えら れず、大抵の場合は工学的見地から実現困難である。 発明の開示 本発明の目的は、冷却装置の性能係数を顕著に増大し、同時に半導体熱電材料 の消費を抑制する直列接続された熱電バッテリによって対象物を冷却する方法を 創作することである。 これは対象物から熱を除去する「直列接続された熱電バッテリで対象物を冷却 する方法」によって達成されるが、調節可能な制御された直流が定常状態動作モ ードに到達するまでバッテリの端子に供給され、熱移動は蓄熱器中への中間的蓄 熱によって段間で別個に制御され、各段の動作は通常の冷却容量と温度スイッチ モードの間で実行され、これらのモードの時間間隔の期間と段を流れる電流は、 対象物と蓄熱器の温度に依存する定常状態モードを確立する処理において調節さ れる。 図面の簡単な説明 本発明は以下に実施例の一例および添付図面に記載されているが、 図１は、本発明にかかる冷却方法による対象物を冷却する装置の構造図である 。 図２は、冷却されるべき対象物からの熱除去の定常状態モードにおける中間蓄 熱器を備える３段バッテリの動作図である。蓄熱器の温度の能動的熱除去および 熱スイッチモードでの時間的変化も示されている。 図３は、図１に示す装置を使用して本発明にかかる冷却方法を実行するときの 電力供給および対象物の冷却処理制御の機能線図である。 本発明を実行するための最良の実施例 本発明にかかる冷却方法によれば、中間蓄熱器および電気的に独立した段を具 備した多段熱電バッテリにおける熱移動は、以下のように行われる。 第１のバッテリ中の最も冷たい段の時間間隔Δτ_1.1（図２参照）における熱 除去動作中は、蓄熱器の熱特性、段の冷却容量、さらに時間間隔Δτ_1.1によっ て定まる所定量の熱は、引き続くバッテリの第２段の蓄熱器中に放出される。こ のことは、時間間隔Δτ_1.1中、サーモパイルとバッテリの第２段の断熱材を介 して流れる熱の逆オーバーフローを補償するための熱スイッチモードで運転され ている第２段の蓄熱器の温度の増加に表されている。時間間隔Δτ_1.1が終了す ると、第２段は蓄熱器中に蓄熱された熱の能動的除去モードに移り、第１段は熱 スイッチモードに移る。バッテリの第１段の引き続く時間間隔Δτ_1.2の動作に おいて、この段の放熱され た蓄熱器は、冷却されるべき対象物からの熱交換によって伝達された熱エネルギ によって満たされる。 バッテリの第２段および引き続く段への熱伝達は対象物を冷却する全期間にお いて同様に実行される（図２参照）。蓄熱器の温度の平均値および変動の振幅は 、バッテリがこれらのパラメータが一定値であることによって特徴付けられる定 常状態になるまで能動的熱除去モードと熱スイッチモードにおいて交互に減少す る。 冷却されるべき対象物からの熱除去のための定常状態を得るために、最小の電 力消費で冷却されるべき対象物の温度の要求値に対応して、能動的熱除去モード および熱スイッチモードでのバッテリの運転時間間隔Δτ_1.1およびΔτ_1.2の選 択が必要であり、これらのモードにおいて消費される電流Ｉ_o.iおよびＩ_k.iの選 択が必要である。ここでバッテリの第ｉ段の電流Ｉ_o.iあるいは時間間隔Δτ_1.1 の増加はその段の蓄熱器の温度の定常状態における平均値の減少となるが、時間 間隔Δτ_1.1あるいは能動的熱除去モードにおけるバッテリの次段で消費される 電流Ｉ_o.iおよび合計期間Δτ_1.1＋Δτ_1.2の増加をもたらす。 本発明にかかる冷却方法においては、バッテリの各段の電流Ｉ_o.iおよびＩ_k.i を設定値にして、周知の冷却方法とは異なり、バッテリの第ｉ段の時間間隔Δτ_1.1 およびΔτ_1.2を選択することによって冷却容量および消費電力の最適値にお いてバッテリを定常状態にすることが可能であることは記憶しておくべきである 。これらのファクタの結合において、バッテリのｉ段の消費電流Ｉ_o.iおよびＩ_{K .i} 値の独立制御の可能性は、冷却すべき対象物からの能動的熱除去モードにおい てバッテリの段の冷却容量Ｑ_o.iと実際に同一の値の熱を除去することを可能と する。このことは、直列接続された熱電バッテリで対象物を冷却する周知の方法 と比較して、不十分 な半導体材料の消費の本質的な減少を確実のものとする。 図２に示される動作線図から明らかなように、対象物を冷却する定常状態にお いて消費される電力の平均値Ｗは、次式で決定される。 ここでΔτ_c＝Δτ_1.1＋Δτ_1.2は、第１および各々の引き続く段の動作のサイ クルの期間である。 ここでどの瞬間においても、バッテリのただ１つの段が、能動的熱除去モード において最大電力消費で動作する。この観点において、本発明にかかる冷却方法 を使用したときに電力消費の本質的な減少が達成され、これは多段バッテリの性 能の係数が周知のこれを使用した冷却方法と比較して増加することを意味する。 図１に示す本発明にかかる冷却方法を実現するための装置の構造図によれば、 冷却されるべき対象物１は、例えば畝のある受熱表面を有し熱伝達板を形成する バッテリの第１の熱除去段の蓄熱器２を具備する熱交換器中に存在する。この蓄 熱器は、バッテリの第１段のサーモパイル３の冷接点と熱的に結合している。 このサーモパイルの熱接点は、例えばバッテリのその段のサーモパイル５の冷 接点とも熱的に結合している熱伝達板を形成する蓄熱器４と熱的に結合している 。サーモパイル５の熱接点は、やはり熱伝達板を形成するバッテリの第３段の蓄 熱器６と熱的に結合している。蓄熱器６は、またバッテリの第３段のサーモパイ ル７の冷接点と熱的に結合し、その熱接点は、例えば畝のある受熱板を形成する 熱伝達放熱板８に熱的に結合する。それぞれの蓄熱器は温度センサ９を具備し、 蓄熱器２、４および６の間のギャップは断熱材１０で満たされている。さらに冷 却されるべき対象物１と熱電バッテリと は断熱材１１によって覆われている。 上記の装置に対して、図３に示す本発明にかかる冷却方法に従って動作制御す るためのバッテリの段および段の機能線図は、それぞれ１、２、および３で示さ れる第１、第２および第３バッテリ段にに対して調整可能な制御された直流電源 を有している。 各ｉ段目の制御された直流電源は、電圧Ｕの電源を入力するためのｉ・５、ｉ ・６端子、熱電バッテリのｉ段に整流された直流を出力するためのｉ・１、ｉ・ ２端子、およびバッテリの段の蓄熱器の温度のセンサのための情報入力端子ｉ・ ３、ｉ・４を具備している。各ｉ段目の制御された直流電源は、パルスレギュレ ータｉ・９、手動電流調整のためのトリマｉ・１０、ｉ・１１、２位置スイッチ ｉ・１２、比較器ｉ・１３、およびタイマｉ・１４を有する。各制御された直流 電源１、２および３のタイマの入力端子ｉ・１５と出力端子ｉ・１６とは所定の 方法で相互に設定されている（図３参照）。タイマ１・１４の出力１・１６はタ イマ２・１４の入力２・１５に接続され、タイマ２・１４の出力２・１６はタイ マ３・１４の入力３・１５に接続され、タイマ３・１４の出力３・１６はタイマ １・１４の入力１・１５に接続され、閉ループとされる。各ｉ段目の制御された 直流電源のタイマｉ・１４の制御入力ｉ・１７は、比較器ｉ・１３の出力ｉ・１ ８に接続され、タイマｉ・１４の制御出力ｉ・１９は、２位置スイッチｉ・１２ の制御入力に接続され、２位置スイッチｉ・１２はそれぞれパルス電流レギュレ ータｉ・９の制御入力に接続されるトリマｉ・１０、ｉ・１１に接続される。 本発明にかかる冷却方法によれば、上記の回路は、バッテリのｉ段目の端子の 接続、各蓄熱器の温度センサの出力のｉ段目の制御された直流電源の出力ｉ・１ 、ｉ・２およびｉ・３、ｉ・４への接続、および電源Ｕへの接続の後に以下のよ うに動作する。 バッテリの第１段の制御された直流電源のタイマ１・１４は、スイッチ１・１ ２によって能動的熱除去モードでのその段の動作に対応してレギュレータ１・９ を切り換える。ここで、電源電圧Ｕは、レギュレータ１・９によってバッテリの 第１段を流れる調整された電流に変換される。タイマ１・１０の使用によって、 バッテリの第１段のサーモパイルを流れる電流Ｉ_k.1およびその段での能動的熱 除去モードがマニュアルで設定される。電源電圧Ｕが供給されると、タイマ２・ １４および３・１４はスイッチ２・１２および３・１２によって、それぞれその 段の熱スイッチモードでの電流Ｉ_K.2およびＩ_K.3に対応する電流にレギュレータ ２・９および３・９の入力を制御するためにバッテリの第２段および第３段の熱 電対を流れる電流をマニュアルで設定するためのトリマ２・１１および３・１１ に接続する。 電源電圧Ｕの供給後、タイマ１・１４によって設定された時間Δτ_2.1が経過 すると、スイッチ１・１２はトリマ１・１１をレギュレータ１・９の制御入力に 接続し、この結果第１段は熱スイッチモードの運転に切り換えられ、タイマ１・ １６の出力に信号が印加され、この信号はタイマ２・１４の入力２・１５の入力 に印加される。このタイマは、スイッチ２・１２の状態を切り換え、トリマ２・ １０をレギュレータ２・９の制御入力に接続し、そこからトリマ２・１１を切り 離す。この結果バッテリの第２段は、熱スイッチモードから能動的熱除去モード へと移行する。バッテリの第１段の熱スイッチモードでの動作に対応する電流値 Ｉ_k.1はトリマ１・１１を使用して設定され、バッテリの第２段のサーモパイル を介して流れ、この段に能動的熱除去モードに対応する電流値Ｉ_a.2はトリマ２ ・１０によって設定される。 タイマ２・１４で設定される次の時間間隔Δτ_2.1が終了すると 、このタイマはスイッチ２・１２の状態を切り換え、再びトリマ２・１１をレギ ュレータ２・９の制御端子に接続し、トリマ２・１０をそこから切り離す。ここ でバッテリの第２段は、再び熱スイッチモードに移行し、タイマ２・１４の出力 ２・１６に信号が形成され、この信号はタイマ３・１４の入力３・１５に印加さ れる。この信号はタイマ３・１４がスイッチ３・１２の状態を切り換える結果を もたらし、レギュレータ３・９の制御入力の入力にトリマ３・１０を接続し、ト リマ３・１１を切り離す。この結果バッテリの第３段は熱スイッチモードから能 動的熱除去モードへと移行する。トリマ３・１０はこの段による能動的熱除去モ ードに対応してサーモパイルを介して流れる電流の電流値Ｉ_o.3を設定するため に使用される。タイマ３・１４によって設定される次の時間間隔Δτ_3.1が終了 すると、このタイマはスイッチ３・１２の状態を切り換え、トリマ３・１１をレ ギュレータ３・９の制御入力に接続し、トリマ３・１０をそこから切り離す。こ こで第３段は、再び熱スイッチモードに移行し、タイマ３・１４の出力３・１６ に信号が形成され、タイマ１・１４の入力１・１５に印加される。この信号は、 バッテリの第１段を再び熱スイッチモードから能動的熱除去モードに移行させる 。以後バッテリの各段に所定の電流を供給し、バッテリ動作を制御するための回 路の上記のサイクルが、各ｉ段目の消費電流の定常値Ｉ_o.iおよびＩ_k.iとタイマ １・１４、２・１４および３・１４で設定された時間間隔Δτ_i.1で連続的に繰 り返される。バッテリの第ｉ段の蓄熱器の温度センサからの信号は連続的に第ｉ 段の整流された直流源の比較器ｉ・１３の入力に印加され、能動的熱除去モード で動作するバッテリの第ｉ段の蓄熱器の温度の所定の最小値Ｔ_i.minに対応して 比較器中に予め設定された設定値と比較される。ここで条件 Ｔ_i.1≦Ｔ_i.minが 満たされるが、Ｔ_i.1は蓄熱器の 実際の温度であって、タイマの入力ｉ・１７に伝送される比較器ｉ・１３の出力 に表れる。この結果タイマｉ・１４はバッテリの第ｉ段の動作を熱スイッチモー ドに切り換える。 このように、自動的な決定は、これらの電流に対応して最小の電力消費でバッ テリ動作の定常状態モードを得るために必要な、能動的熱除去モードでの消費電 流の確立された値Ｉ_o.iでのこのモードでのバッテリ段の運転時間Δτ_1.1、Δτ_2.1 およびΔτ_3.1の最適値をもたらす。 この方法による冷却を実行するために、温度センサを有する熱伝達性蓄熱器が 各バッテリ間に配置され；第２の熱除去段ではじまるバッテリの全ての段におけ る複数のサーモパイルは、第１の熱除去段のサーモパイルの数と同一であり、各 段のサーモパイルの接続と干渉することはなく、バッテリ間の電気的接続はなく 、第ｉ段の端子は、分離した調整可能な制御された直流源に接続され；バッテリ の第ｉ段の電流Ｉ_o.iがサーモパイルで消費される能動的熱除去モードと電流Ｉ_{k .i} がサーモパイルで消費される熱スイッチモードでの運転間隔がそれぞれΔτ_{i. 1} 、Δτ_i.2であり、Δτ_(i+1).1＞Δτ_i.1を満たし、第２の熱除去段ではじまる バッテリの第ｉ段に対して式 Δτ_i.1＋Δτ_i.2＝Δτ_1.1＋Δτ_1.2が成立し、 バッテリの第ｉ段に対してＩ_o.iおよびＩ_k.i＝（0.2-0.6）Ｉ_o.iが設定可能であ り；電流Ｉ_o.iがバッテリ段を通過し、電流Ｉ_k.iが全ての後段を通過し；時間間 隔Δτ_1.1が終了すると、バッテリの第１段を流れる電流がＩ_k.1に減少し、バッ テリの第２段を流れる電流がＩ_o.2に増加し；時間間隔Δτ_2.1が終了すると、バ ッテリの第２段を流れる電流Ｉ_o.2がＩ_k.1に再び減少し、バッテリの第３段を流 れる電流がＩ_o.3に増加し；同様にバッテリの動作モードが時間に応じて実行さ れ、時間Δτ_1.1＋Δτ_1.2の間バッテ リの高以上となり；バッテリ段の動作のこのサイクルの連続的な繰り返しと蓄熱 器の温度センサによって検出される蓄熱器の温度の一定制御が実現され；冷却さ れるべき対象物から除去される熱の定常状態モードはバッテリ段の蓄熱器の温度 の平均値が時間的に一定であり、バッテリ段が能動的熱除去あるいは熱スイッチ モードで運転されるときの温度変化に振幅が一定であることにより固定され；バ ッテリ段の時間間隔Δτ_i.1、Δτ_i.2と能動的熱除去モード、熱スイッチモード での電流Ｉ_o.i、Ｉ_k.iを選択することによって、冷却されるべき対象物の設定温 度および最小の消費電力でバッテリは冷却されるべき対象物からの熱除去の定常 状態に移行する。 産業上利用性 本発明にかかる直列接続された熱電バッテリの対象物の冷却方法によれば、 −局所的なあるいは特別の冷却装置で消費される特定の電力を、熱電バッテリ の段の蓄熱器への中間的な蓄熱とともに段から段に個別に熱を除去することによ って、および装置を所定の定常状態の運転モードに移行させる処理により各段の 電流および能動的熱除去モードと熱スイッチモードの間隔の調整によって、圧縮 冷却装置によって得られる値にすること。 −３段以上の段数を有する熱電バッテリの経済的な運転の可能性を個々の段の 冷却係数および熱電バッテリ全体としての冷却係数を増大することによって確実 なものとすることにより、対象物の達成された冷却程度に関して直列接続された 熱電冷却の機能的な可能性を本質的に拡大すること。 −稀少かつ高価な半導体熱電材料の消費を抑制することによって冷却装置の価 格を本質的に抑制すること。 が可能となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バッテリの端子に印加される調整可能な制御された直流で冷却されるべき 対象物の要求温度に対応する定常状態の運転モードが達成されるまで対象物から 、さらに段から段へ熱を除去することによって、直列接続された熱電バッテリを 具備する対象物を冷却する方法であって、 蓄熱器への中間的な蓄熱を行う段から段への時間的に連続した熱の伝達と、 各段の運転が能動的熱除去および熱スイッチモードで実行され、冷却されるべ き対象物および蓄熱器の要求温度値での定常運転にそれを到達させる処理の間、 時間間隔および各モードにおける熱電バッテリの段を流れる電流値が調節され、 電力消費が最小値となることを特徴とする直列接続された熱電バッテリを具備す る対象物を冷却する方法。