JPH09133645A - 熱流制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 能動的な制御によって一定量の吸熱又はより
完成度の高い断熱状態の実現を可能とする熱流制御装置
を提供する。 【解決手段】 ２枚のセラミック基板８ａ、８ｂで形成
された相対向する２面間にＰ型熱電半導体素子１とＮ型
熱電半導体素子２とを交互に配置し、各基板８ａ、８ｂ
側で交互に接続して熱流検知モジュール１１を構成す
る。また２枚のセラミック基板６ａ、６ｂを用いて、同
様の構成による熱流発生モジュール１２を構成する。熱
流検知モジュール１１の下側セラミック基板８ｂと熱流
発生モジュール１２の上側セラミック基板６ａとを熱的
に接続し、熱流検知モジュール１１の出力電位差Ｖが所
定値となるように、制御部１３によって熱流発生モジュ
ール１２に電流Ｉを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱流制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物質の特性分析に熱容量カロリーメトリ
ーは重要であり、よく用いられているが、正確な熱容量
の測定には原理のシンプルさとその信頼性の高さとから
断熱法が最適である。この断熱法は、１９２４年にその
原型をＦ．Ｌａｎｇｅによって与えられたものであり、
断熱状態にある試料に熱量ΔＱを与え、これによって生
じた温度上昇ΔＴを測定し、そして熱容量Ｍを次式 Ｍ＝ΔＱ／ΔＴ （１） から求めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記断熱法の要点は、
上記式（１）からも明らかな通りΔＱ及びΔＴの測定に
あるが、そのうちでも特にΔＱの測定精度は重要であ
る。この測定精度は、試料を外部から断熱するために作
り出された断熱状態の完成度に依存するものであるた
め、従来は試料を真空壁で覆うようにしたり、あるいは
放射を防ぐために幅射シールドを設けたり、また等温壁
（銅板）で覆う等の方策が採られていた。しかしながら
上記はいずれも受動的な断熱であるため断熱状態の完成
度は十分ではなく、科学技術の進歩に従ってより正確な
測定が要請されるのに伴い、より一層の改善が求められ
ていた。

【０００４】一方、熱容量の測定は、通常は昇温方向、
すなわち試料に熱を与えることによって行われている。
これは、試料に熱を与えることがジュール発熱等を利用
することによって比較的容易になし得るのに対し、一定
量の熱を試料から奪うことは困難であるという理由によ
るものである。またこれについてはＰｅｌｔｉｅｒ効
果、蒸発熱、低温物体の接触等を用いることも提案され
てはいるが、未だ正確な吸熱は実現されていない。

【０００５】ところが降温方向、すなわち上記のように
試料から熱を奪うことによる熱容量の測定に対する要求
は、近年特に高まっている。というのは、上記降温方向
の測定は液晶の配向相転移、糖鎖溶液のゲル化、あるい
は冷却による物質の変性のように降温時にのみ出現する
現象や昇降温によるヒステリシスを有する現象の分析、
解明に欠かせないものだからである。

【０００６】この発明は、上記従来の問題点を解決し、
また要請に応えるためになされたものであって、その目
的は、能動的な制御によって一定量の吸熱又はより完成
度の高い断熱状態の実現を可能とする熱流制御装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１の熱流制
御装置は、相対向する２面間にＰ型熱電半導体素子１と
Ｎ型熱電半導体素子２とを配置して両者を各面側で交互
に電気的に接続し、両面間を流通する熱流量を電位差に
変換して出力するよう構成した熱流検知モジュール１１
と、相対向する２面間にＰ型熱電半導体素子１とＮ型熱
電半導体素子２とを配置して両者を各面側で交互に電気
的に接続し、これに電流を流通させて両面間に熱流を発
生するよう構成した熱流発生モジュール１２とを備え
て、上記熱流検知モジュール１１のいずれかの面と熱流
発生モジュール１２のいずれかの面とを熱的に接続する
と共に、上記熱流検知モジュール１１の両面間を流通す
る熱流量が一定値となるように、上記熱流検知モジュー
ル１１から出力された電位差に基づいて熱流発生モジュ
ール１２に流通させる電流を制御するよう構成した制御
部１３を設けて成ることを特徴としている。

【０００８】上記請求項１の熱流制御装置では、能動的
な制御によって熱流量を精密に制御することが可能とな
る。

【０００９】また請求項２の熱流制御装置は、上記制御
部１３は、上記熱流検知モジュール１１の両面間を流通
する熱流量を略ゼロとする制御を行うよう構成されてい
ることを特徴としている。

【００１０】上記請求項２の熱流制御装置では、熱流量
を略ゼロとすることによって確実な断熱が可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、この発明の熱流制御装置の
具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に
説明する。

【００１２】図４は、上記熱流制御装置の基本原理を説
明するための図であり、１対のＰ型熱電半導体素子１と
Ｎ型熱電半導体素子２とがリード３によって電気的に接
続され、さらに電極５、５を設けたＰＮユニット７を示
している。ここで、Ｐ型熱電半導体素子１は、例えばＢ
ｉ_２Ｔｅ_３系統の合金にＳｂを少量加えたものであり、
またＮ型熱電半導体素子２は上記合金にＳｅを少量加え
たものである。上記のように構成されたＰＮユニット７
に対して両電極５、５間に電圧を印加して電流を流す
と、Ｐ型熱電半導体素子１とＮ型熱電半導体素子２との
境界では流れ込むエネルギと流れ去るエネルギとが相異
するため、リード３側において発熱あるいは吸熱を生じ
る。例えばＰ型熱電半導体素子１からＮ型熱電半導体素
子２へと電流を流すようにした場合には発熱を生じ、反
対にＮ型熱電半導体素子２からＰ型熱電半導体素子１へ
と電流を流すようにした場合には吸熱を生じる。すなわ
ち上記ＰＮユニット７においては電流が熱に変換される
であり、そして両者の値は比例したものとなる。一方、
あらかじめ較正しておいたＰＮユニット７の熱流量−電
位差特性に基づいて、ＰＮユニット７の電極５、５間に
発生する電位差からその時の熱流量を検知することがで
きる。すなわち、図４に示すＰＮユニット７の上下面間
にΔＴの温度差があるとき、熱流量Ｊは、次式 Ｊ＝ＫΔＴ （２） で与えられる。ここでＫはＰＮユニット７の形状、材質
等によって決定される熱伝導係数である。また両電極
５、５間に発生する電位差Ｖは、次式 Ｖ＝ηΔＴ （３） で与えられる。ここでηは熱電能である。従って上式
（２）、（３）より、熱流量Ｊと電位差Ｖとの間には、
次式 Ｊ＝ＫＶ／η （４） の関係が生じる。従ってあらかじめＫ／ηを求めておけ
ば電極５、５間の電位差Ｖから熱流量Ｊを知ることがで
きる。さらに上記ＰＮユニット７をｎ個直列に接続した
場合には、上記熱流量Ｊは、次式 Ｊ＝ＫＶ／（ｎη） （５） で表されるので、出力される電位差Ｖが大きくなり、よ
り精度の高い測定を行うことができるようになる。

【００１３】図５は、上記のようなＰＮユニット７を直
列に多数接続して構成した熱流検知モジュール１１又は
熱流発生モジュール１２を示す斜視図である。上記モジ
ュール１１、１２は上側のセラミック基板６ａ、８ａと
下側のセラミック基板６ｂ、８ｂとで形成された相対向
する２面間にＰ型熱電半導体素子１とＮ型熱電半導体素
子２とを交互に配置し、これら各素子１、２をリード３
によって各セラミック基板側で交互に接続して構成され
ている。そして直列に配置された上記素子１、２の両端
にはリード線４、４が設けられ、このリード線から電流
Ｉを流し、あるいは電位差Ｖを取り出すことができるよ
うになっている。

【００１４】上記のように構成されたモジュールにおい
てリード線４、４から同図に示すように電流Ｉを流す
と、Ｐ型熱電半導体素子１からＮ型熱電半導体素子２へ
と電流Ｉが流れる方のセラミック基板６ｂにおいて、配
置したＰＮユニット７の数に見合った発熱Ｊを生じさせ
ることができる。またＮ型熱電半導体素子２からＰ型熱
電半導体素子１へと電流Ｉが流れる方のセラミック基板
６ａでは、同様の吸熱Ｊを生じさせることができる。す
なわち、同図に示すように電流Ｉを流すと上側のセラミ
ック基板６ａから下側のセラミック基板６ｂへの熱流を
生じ、図に示すモジュールは熱流発生モジュール１２と
して機能するようになる。そしてこの熱流量は電流値に
比例し、電流の流れる方向が逆になると熱流の方向も反
対になる。一方、図４を用いて説明したように、図５に
示す上側のセラミック基板８ａを加熱し、下側のセラミ
ック基板８ｂを冷却することによって上側から下側への
熱流Ｊを生じさせると、同図に示すようにリード線４、
４間に上記式（５）に従った電位差Ｖを発生させること
ができる。この電位差Ｖは上記熱流量Ｊに比例し、熱流
の向きが反対になればその符号も反対になることから、
図に示すモジュールは熱流検知モジュール１１として機
能することになる。

【００１５】図１又は図２は、上記のように構成された
熱流検知モジュール１１と熱流発生モジュール１２とを
備えた熱流制御装置の一実施形態として、これを熱容量
の測定に適用した場合の例を示している。まず図１は、
銅板２３を上記熱流制御装置によって能動的断熱壁とし
て機能させた場合を示している。ここで熱流制御装置の
配置方向に特に制約はないが、説明の便宜上、熱流検知
モジュール１１と熱流発生モジュール１２のセラミック
基板８ａ、８ｂ、６ａ、６ｂについては、以下の記載に
おいて、図に示す上側のものを上側セラミック基板８
ａ、６ａといい、図に示す下側のものを下側セラミック
基板８ｂ、６ｂということにする。従って上記図１に示
すように銅板２３を能動的断熱壁として機能させる場合
には、熱流検知モジュール１１と熱流発生モジュール１
２とは、熱流検知モジュール１１の下側セラミック基板
８ｂと熱流発生モジュール１２の上側セラミック基板６
ａとで銅板２３を挟むようにして、これらを熱的に接続
させて設けているということができる。また上記銅板２
３は、試料２５をとり囲むようにして設けられているも
のであり、その内部において従来例と略同程度の断熱状
態を受動的に作り出すことができるものである。そして
上記熱流検知モジュール１１の上側セラミック基板８ａ
は、上記銅板２３の内部において試料２５と熱的に接続
されている。さらに上記熱流検知モジュール１１は、上
述のように上側セラミック基板８ａと下側セラミック基
板８ｂとの間で発生する熱流量Ｊに比例した電位差Ｖを
出力するものであるが、この電位差Ｖは電圧計１４に入
力され、ここでデジタル信号に変換された後、パソコン
１６に入力される。また上記熱流発生モジュール１２で
発生する熱流量は供給される電流値Ｉに比例するが、こ
の電流はパソコン１６によって制御される電流電源１５
から供給されるようになっている。そして上記電圧計１
４、電流電源１５、及びパソコン１６によって、制御部
１３を構成している。

【００１６】上記において、例えば試料２５の温度より
も銅板２３の温度の方が低い場合には、熱流検知モジュ
ール１１において上側セラミック基板８ａから下側セラ
ミック基板８ｂへの熱流が生じる。この時熱流発生モジ
ュール１２によってその下側セラミック基板６ｂから上
側セラミック基板６ａへの熱流を発生させ、これによっ
て銅板２３の温度を上昇させて試料２５の温度に近づけ
るようにすると、熱流検知モジュール１１における熱流
量Ｊが減少する。そこで上記パソコン１６は、電圧計１
４から出力された値を監視し、この値がゼロとなるよう
電流電源１５から熱流発生モジュール１２に供給される
電流値Ｉを制御するのである。そして熱流検知モジュー
ル１１を流通する熱流量Ｊが略ゼロに維持されていると
きには、銅板２３の温度と試料２５の温度とが略等しい
ものとなっていることから、試料２５と銅板２３との間
の熱量の授受がほとんど生じない。従って銅板２３は能
動的断熱壁として機能し、従来の受動的な断熱壁によっ
ては得ることができなかった完成度の高い断熱状態を実
現することができる。また上記においては、説明のため
に試料２５の温度よりも銅板２３の温度の方が低い場合
を例としたが、これとは逆に試料２５の温度の方が銅板
２３の温度よりも低い場合にも、ＰＮユニット７を用い
て説明した基本原理の通り、上記と同様の動作によって
銅板２３を能動的断熱壁として機能させることができ
る。そして上記のような完成度の高い断熱状態におい
て、試料２５に一定の熱量ΔＱを与えてその温度上昇Δ
Ｔを測定することにより、より正確な試料２５の熱容量
Ｍを測定することができるようになる。

【００１７】一方、図２は、上記熱流制御装置を用いて
降温方向の熱容量Ｍの測定を行う場合を示している。こ
の場合には、同図に示すように熱流検知モジュール１１
の下側セラミック基板８ｂと熱流発生モジュール１２の
上側セラミック基板６ａとを直接に熱的に接続する。そ
して試料２５は熱流検知モジュール１１の上側セラミッ
ク基板８ａと熱的に接続されるよう設けると共に、これ
らの試料２５、熱流検知モジュール１１、及び熱流発生
モジュール１２の全体を、受動的等温壁として機能する
銅板２３によって取り囲むようにする。そして上記図１
によって示した場合と同様に、熱流検知モジュール１１
から出力される電位差Ｖは電圧計１４に入力され、ここ
でデジタル信号に変換された後、パソコン１６に入力さ
れる。また熱流発生モジュール１２に供給される電流Ｉ
は、パソコン１６によって制御される電流電源１５から
出力される。

【００１８】上記においては、熱流発生モジュール１２
によって熱流検知モジュール１１の下側セラミック基板
８ｂを冷却することにより、熱流検知モジュール１１の
上側セラミック基板８ａから下側セラミック基板８ｂへ
の熱流を生じさせることができる。そしてこのときに生
じる熱流量Ｊは熱流発生モジュール１２による冷却の度
合によって制御できるから、熱流検知モジュール１１か
ら出力される電位差Ｖをパソコン１６で監視しながら、
その値が所定値となるように電流電源１５を制御する。
そうすることによって試料２５から所定量の吸熱を正確
に実行することができ、そしてそのときの温度変化ΔＴ
を測定することにより、降温方向の正確な熱容量測定を
行うことができるようになる。また上記においては、熱
流発生モジュール１２によって熱流検知モジュール１１
の下側セラミック基板８ｂを加熱することにより、昇温
方向の熱容量測定を行うことができるのは勿論である
し、さらに熱流制御装置を１台追加して上記銅板２３を
図１に示すような能動的断熱壁として機能させ、より一
層精度の高い降温方向の熱容量測定を行うこともでき
る。

【００１９】図３は、上記熱流制御装置の他の実施形態
を示す断面模式図である。ここでは上記熱流検知モジュ
ール１１と熱流発生モジュール１２とを用いて構成した
熱流制御装置を、人体の体内深部温度の測定用の能動的
断熱壁として機能させている。図３において、２１は体
内、２２は体表皮膚であり、体表面を断熱壁で覆ってい
る。この熱流制御装置は、上記熱流検知モジュール１１
と熱流発生モジュール１２とを共通のセラミック基板９
の上下に配置して両モジュール１１、１２を熱的に接続
し、そして熱流検知モジュール１１で発生した電位差Ｖ
が制御部１３に入力されると共に、この制御部１３から
熱流発生モジュール１２へと電流の出力がなされるよう
になっている。この熱流制御装置を用いることによっ
て、体内２２と外部との熱の授受を遮断することがで
き、そのため体表面温度は体内深部温度と略等しくな
り、この結果、中間部のセラミック基板９に取付けた温
度センサによって体内深部温度を正確に測定することが
可能となる。

【００２０】なお上記熱流制御装置では、熱流検知モジ
ュール１１における熱流量を略ゼロとする制御を行って
断熱壁として機能させたが、これは上記熱流量が所定値
となるような制御を行って熱流ポンプとして機能させる
こともできる。

【００２１】

【発明の効果】上記請求項１の熱流制御装置では、能動
的な制御によって熱流量を精密に制御することが可能と
なる。

【００２２】また請求項２の熱流制御装置では、熱流量
を略ゼロとすることによって確実な断熱が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の熱流制御装置の断面模
式図である。

【図２】この発明の一実施形態の熱流制御装置の断面模
式図である。

【図３】この発明の他の実施形態の熱流制御装置の断面
模式図である。

【図４】上記熱流制御装置の原理を説明するためのＰＮ
ユニットの側面図である。

【図５】上記熱流制御装置を構成する熱流発生モジュー
ル又は熱流発生モジュールの側面図である。

【符号の説明】

１ Ｐ型熱電半導体素子 ２ Ｎ型熱電半導体素子 １１ 熱流検知モジュール １２ 熱流発生モジュール １３ 制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対向する２面間にＰ型熱電半導体素子
   （１）とＮ型熱電半導体素子（２）とを配置して両者を
   各面側で交互に電気的に接続し、両面間を流通する熱流
   量を電位差に変換して出力するよう構成した熱流検知モ
   ジュール（１１）と、相対向する２面間にＰ型熱電半導
   体素子（１）とＮ型熱電半導体素子（２）とを配置して
   両者を各面側で交互に電気的に接続し、これに電流を流
   通させて両面間に熱流を発生するよう構成した熱流発生
   モジュール（１２）とを備えて、上記熱流検知モジュー
   ル（１１）のいずれかの面と熱流発生モジュール（１
   ２）のいずれかの面とを熱的に接続すると共に、上記熱
   流検知モジュール（１１）の両面間を流通する熱流量が
   一定値となるように、上記熱流検知モジュール（１１）
   から出力された電位差に基づいて熱流発生モジュール
   （１２）に流通させる電流を制御するよう構成した制御
   部（１３）を設けて成ることを特徴とする熱流制御装
   置。
2. 【請求項２】 上記制御部（１３）は、上記熱流検知モ
   ジュール（１１）の両面間を流通する熱流量を略ゼロと
   する制御を行うよう構成されていることを特徴とする請
   求項１の熱流制御装置。