KR102232186B1 - 온도 조절 장치 - Google Patents

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KR102232186B1
KR102232186B1 KR1020140154553A KR20140154553A KR102232186B1 KR 102232186 B1 KR102232186 B1 KR 102232186B1 KR 1020140154553 A KR1020140154553 A KR 1020140154553A KR 20140154553 A KR20140154553 A KR 20140154553A KR 102232186 B1 KR102232186 B1 KR 102232186B1
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Abstract

온도 조절 장치(10)의 구동회로(66)는 펠티에 소자(12)를 소망하는 출력량에서 구동한다. 상태 검출기(70)는 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 검출한다. 제어회로(58)는 적어도 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 기반으로 하여 소망하는 출력량을 산출하고, 상기 소망하는 출력량으로 펠티에 소자(12)를 구동시키기 위한 제어량을 결정하여, 상기 제어량으로 구동회로(66)를 제어한다.

Description

온도 조절 장치{TEMPERATURE ADJUSTMENT APPARATUS}
본 발명은 펠티에 소자를 이용하여 제어 대상의 온도를 조절하는 온도 장치에 관한 것이다.
지금까지는, 예를 들면, 일본등록특허 제3660963호 공보(이하, 선행문헌이라 함)에 개시된 바와 같이, 펠티에 소자를 이용하여 제어 대상의 온도를 조절하는 온도 조절 장치가 알려져 있다. 이러한 온도 조절 장치에서는, 온도 센서가 제어 대상의 온도를 검출하고, 온도 조절기가 상기 온도를 소망하는 온도로 조절하기 위한 조작량을 출력하며, 구동회로가 조작량에 비례하는(의존하는) 출력량으로 펠티에 소자를 구동시킨다.
이 경우, 조작량의 절대값이 낮은 영역에서는, 같은 전압값의 펄스 전압을 펠티에 소자에 반복하여 인가하는 시간 비례 제어(PWM 제어)가 적용된다. 한편으로, 조작량의 절대값이 높은 영역에서는, 크기를 조정할 수 있는, DC 전압을 연속적으로 펠티에 소자에 인가하는 가변 전압 제어가 실시된다.
일본등록특허 제3660963호 공보
이와 같이, 선행문헌의 기술에서는, 제어 대상의 온도를 온도 조절기에 피드백시킴으로써, 상기 제어 대상의 온도가 소망하는 온도가 되도록 제어하고 있다.
그러나, 선행문헌의 기술에서는, 펠티에 소자의 전기적인 상태(펠티에 소자에 인가되는 DC 전압 및 직류 전류, 펠티에 소자의 가열측과 흡열측 사이의 기전력)을 고려한 온도 제어가 행해지고 있지 않다. 따라서, 펠티에 소자의 최대 정격값(DC 전압, 직류 전류 및 기전력의 허용값)을 넘어서 온도 제어가 실시되면, 상기 펠티에 소자의 성능이 나빠지거나, 상기 펠티에 소자가 고장날 수도 있다.
여기서, 종래에는, 펠티에 소자의 메이커가 추전하는 최대 정격값보다도 낮게 설정된 정격값을 기반으로 하여 온도 조절 장치를 설계하였다. 이와 같이, 최대 정격값까지 사용하는 일이 없기 때문에, 제어 대상에 대한 온도 조절 장치의 온도 조절 능력(제어 대상에 대한 가열 능력 및 냉각 능력)을 최대한으로 끌어내는 것이 곤란하였다.
본 발명은, 상기의 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것이며, 펠티에 소자의 성능 저하 및 고장을 발생시키는 일이 없이, 온도 조절 능력을 향상시킬 수 있게 되는 온도 조절 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 펠티에 소자를 이용하여 제어 대상의 온도를 조절하는 온도 조절 장치에 있어서, 구동회로, 상태 검출부 및 제어회로를 포함한다. 상기 구동회로는 상기 펠티에 소자를 소망하는 출력량으로 구동시킨다. 상기 상태 검출부는 상기 펠티에 소자의 전기적인 상태를 검출한다. 상기 제어회로는, 적어도 상기 펠티에 소자의 전기적인 상태를 기반으로 하여 소망하는 출력량을 산출하고, 상기 소망하는 출력량으로 상기 펠티에 소자를 구동시키기 위한 제어량을 결정하며, 상기 제어량으로 상기 구동회로를 제어한다.
상기와 같이, 상기 제어회로는 적어도 상기 펠티에 소자의 전기적인 상태를 추출함으로써 상기 소망하는 출력량을 산출하고, 산출한 상기 소망하는 출력량에 기반으로 하는 상기 제어량으로 상기 구동회로를 제어한다. 즉, 상기 제어회로는 상기 펠티에 소자에 대하여 상기 전기적인 상태를 반영하는 제어(피드백 제어)를 채용하고 있다. 따라서, 상기 펠티에 소자의 전기적인 상태를 읽어들이지 않는 제어(상기 전기적인 상태를 반영하지 않는 베어(개루프 제어))를 채용하고 있는 선행문헌의 기술과 비교하여, 본 발명에서는, 상기 펠티에 소자의 성능 저하 및 고장 발생을 회피할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 상기 펠티에 소자의 최대 정격값까지 상기 온도 조절 장치를 동작시키는 것이 가능하게 되므로, 상기 온도 조절 장치의 온도 조절 능력(상기 제어 대상에 대한 가열 능력 및 냉각 능력)을 향상시킬 수 있다.
상기 구동회로는, 상기 출력량으로서의 DC 전압을 상기 펠티에 소자에 인가함으로써 상기 펠티에 소자에 직류 전류를 흘리는 DC 전원을 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 펠티에 소자의 전기적인 상태는, 상기 DC 전압, 상기 직류 전류 및 상기 펠티에 소자의 기전력에 의하여 정의된다. 또한, 상기 상태 검출부는 상기 DC 전압을 검출하는 전압 검출회로, 상기 직류 전류를 검출하는 전류 검출회로, 그리고 상기 기전력을 검출하는 기전력 검출회로를 포함한다.
따라서, 검출된 상기 DC 전압, 상기 직류 전류 및 상기 기전력을 이용함으로써, 상기 제어회로는 상기 구동회로에 대한 제어량을 결정하고, 상기 제어량으로 상기 구동회로를 제어한다. 따라서, 상기 DC 전원으로부터 상기 펠티에 소자에 적절한 DC 전압 및 직류 전류를 공급하는 것이 가능하게 된다.
이 경우, 상기 DC 전원은, 상기 DC 전압의 값을 변경함으로써 상기 직류 전류의 값을 변화시키는 것이 가능한 가변 전원이라 가정하면, 상기 제어회로는 상기 DC 전원을 제어함으로써, 상기 DC 전압의 값 및 상기 직류 전류의 값을, 상기 제어량에 대응한 소망하는 값으로 변경하는 가변 제어를 실시할 수 있다. 따라서, 상기 제어량에 대응하여 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 연속적으로 변화시키는 것이 가능하게 된다. 또한, PWM 제어와 같은 온오프가 반복됨에 기인하는 피크 전류의 발생을 저지할 수 있게 된다.
상기 온도 조절 장치는, 상기 펠티에 소자의 동작에 관한 파라미터를 설정하는 파라미터 설정부를 더 포함한다. 이 경우, 상기 제어회로는 상기 파라미터, 상기 전압 검출회로에 의하여 검출된 DC 전압, 상기 직류 검출회로에 의하여 검출된 직류 전류, 그리고 상기 기전력 검출회로에 의하여 검출된 기전력을 기반으로 하여, 상기 구동회로를 제어한다. 따라서, 상기 펠티에 소자의 구동을 최적화할 수 있게 된다.
여기서, 상기 파라미터는, 상기 펠티에 소자에 인가할 수 있는 DC 전압의 최대값인 최대 전압값, 상기 펠티에 소자에 흘릴 수 있는 직류 전류의 최대값인 전류 제한값, 그리고 상기 기전력에 대응한 상기 펠티에 소자의 흡열측과 방열측의 온도차의 허용값인 온도차 제한값이다.
또한, 상기 제어회로는, 상기 기전력 검출회로에 의하여 검출된 기전력을 상기 온도차로 변환하는 온도차 변환부를 포함한다. 이 경우, 상기 제어회로는, 상기 전압 검출회로에 의하여 검출된 DC 전압과 상기 최대 전압값의 비교, 상기 전류 검출회로에 의하여 검출된 직류 전류와 상기 전류 제한값의 비교, 그리고 상기 온도차 변환부에서 변환된 온도차와 상기 온도차 제한값의 비교를 기반으로 하여, 상기 구동회로를 제어한다.
상기 DC 전압이 상기 최대 전압값을 넘어서, 상기 직류 전류가 상기 직류 제한값을 넘거나, 상기 온도차가 상기 온도차 제한값을 넘으면, 상기 펠티에 소자의 성능이 저하되거나, 상기 펠티에 소자가 고장날 우려가 있다. 따라서, 상기 최대 전압값, 상기 전류 제한값, 그리고 상기 온도차 제한값과의 비교를 기반으로 하여 상기 구동회로를 제어함으로써, 상기 펠티에 소자의 성능 저하나 고장을 야기시키는 일이 없이, 상기 펠티에 소자의 최대 정격값(상기 최대 전압값, 상기 전류 제한값, 상기 온도차 제한값)까지 사용하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 상기 온도 조절 장치의 가열 능력 및 냉각 능력을 최대한으로 끌어내는 것이 가능하고, 상기 제어 대상의 온도 관리(감시)를 적절히 실시하는 것이 가능하게 된다.
더 구체적으로, 상기 제어회로는, 상기 DC 전원으로부터 상기 펠티에 소자에 DC 전압을 인가하고 있는 경우에, 그리고 상기 전류 검출회로에서 검출된 직류 전류가 상기 전류 제한값을 넘으면, 상기 DC 전원에 대한 제어는 상기 DC 전압의 값을 변경 가능한 가변 전압 제어로부터, 상기 직류 전류를 상기 전류 제한값으로 유지하고 상기 DC 전압의 값을 소정값으로 유지하는 정전류 동작으로 스위칭한다. 한편으로, 상기 전류 검출회로에서 검출된 직류 전류가 상기 전류 제한값 이하가 되면, 상기 DC 전원에 대한 제어는 상기 정전류 동작으로부터 상기 가변 전압 제어로 되돌린다.
상기 펠티에 소자는 흡열측과 방열측의 온도차에 수반하여, 상기 펠티에 소자의 저항값이나 흡열량(기전력)이 변화하는 특성을 가진다. 이러한 이유로, 같은 전압을 상기 펠티에 소자에 인가하더라도, 상기 펠티에 소자의 온도 상태에 기인하여, 상기 직류 전류가 최대 정격값(상기 전류 제한값)을 넘는 경우가 있다. 따라서, 상기와 같이, 상기 전류 제한값을 넘는 직류 전류가 흐른 경우에, 상기 정전류 동작으로 스위칭함으로써, 상기 펠티에 소자의 성능 저하나 고장을 효과적으로 회피할 수 있다. 또한, 상기 직류 전류가 상기 전류 제한값 이하로까지 저하했을 때, 상기 정전류 동작으로부터 상기 가변 전압 제어로 되돌림으로써, 본래의 제어로 신속하게 복귀할 수 있다.
또한, 상기 온도차 변환부에서 변환된 온도차가 상기 온도차 제한값을 넘은 경우에는, 상기 제어회로는 상기 온도차가 상기 온도차 제한값 이하가 되도록 상기 DC 전원을 제어하고, 상기 DC 전압의 값은 줄어든다. 따라서, 상기 온도차 제한값을 넘는 온도 상승에 기인한 상기 펠티에 소자의 성능 저하 또는 고장 발생을 효과적으로 회피할 수 있게 된다.
그러나, 상기 온도차가 상기 온도차 제한값 이하가 되도록 상기 DC 전원이 제어되고 있지만, 상기 온도차가 계속 상승하고 있는 경우에는, 상기 제어회로는 상기 DC 전원으로부터 상기 펠티에 소자로 상기 DC 전압의 인가를 정지시킨다. 종래부터, 상기 펠티에 소자가 고온 상태가 된 경우, 서모스탯(thermostat) 등에 의한 검출로 상기 DC 전압의 인가를 정지시켰다. 그러나, 본 발명에서는, 상기 온도차를 감시하고 있으므로, 상기 펠티에 소자가 이상인 상태가 되기 전에 상기 DC 전압의 인가를 정지시킬 수 있다.
또한, 상기 구동회로는, 상기 DC 전원으로부터 출력된 상기 DC 전압의 극성을 스위칭하여, 극성이 스위칭된 상기 DC 전압을 상기 펠티에 소자에 인가시키는 극성 반전회로를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 극성 반전회로에 의하여 상기 펠티에 소자에 인가되는 상기 DC 전압의 극성이 스위칭되었을 때, 상기 제어회로는 상기 직류 전류를 일정값으로 유지하는 정전류 제어를 행하고, 상기 직류 전류의 시정수(time constant)가 길어지도록 상기 DC 전원을 제어한다. 따라서, 극성을 스위칭할 때마다 과전류가 발생하여 상기 펠티에 소자의 성능 저하나 고장이 발생하는 것이 억제될 수 있다.
또한, 상기 온도 조절 장치는, 상기 제어 대상의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 제어 대상의 온도를 소망하는 온도로 조절하기 위한 조작량을 상기 제어회로에 출력하는 온도 조절기를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 파라미터 설정부는 상기 제어 대상에 대한 상기 펠티에 소자의 온도 조절 능력을 제한하기 위한 온도 조절 능력 제한값을 설정한다. 상기 제어회로는 상기 조작량, 상기 파라미터, 상기 DC 전압, 상기 직류 전류 및 상기 기전력을 기반으로 하여 상기 구동회로를 제어하며, 그리고, 상기 온도 조절 능력 제한값을 기반으로 하여 상기 DC 전원을 제어함으로써, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 제한한다.
전술한 바와 같이, 상기 DC 전원은 상기 펠티에 소자에 인가되는 DC 전압의 크기를 임의로 설정하여, 상기 펠티에 소자에 흐르는 전류를 변화시킬 수 있는 가변 전원이다. 따라서, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 조절함으로써, 상기 펠티에 소자의 가열 능력 및 냉각 능력을 자유로이 변화시킬 수 있게 된다.
여기서, 위에서 서술한 바와 같이, 상기 온도 조절 능력 제한값을 설정하고, 설정한 상기 온도 조절 능력 제한값을 기반으로 하여 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 제한하는 파워 세이빙 동작(power saving operation)을 행함으로써, 상기 온도 조절 장치의 전력 절약화(에너지 절약화)를 실현할 수 있다.
이 경우, 상기 제어회로가 상기 온도 조절 능력 제한값을 기반으로 하여 상기 조작량에 대한 상기 DC 전압의 출력 범위를 제한하면, 상기 온도 조절 장치의 최대 전력 소비를 줄일 수 있다.
또한, 상기 제어회로는 상기 제어 대상의 온도가 상기 온도 조절 능력 제한값에 대응한 소정 온도에 도달하기까지는, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 제한할 수 있는 한편, 상기 제어 대상의 온도가 상기 소정 온도에 도달하면, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류에 대한 제한이 해제될 수도 있다.
따라서, 상기 파라미터 설정부에 의한 설정 온도의 변경시나 상기 온도 조절 장치의 시동시 등, 상기 펠티에 소자의 현재 온도와 설정 온도에 차이가 있는 경우에는, 온도 조절 능력을 제한하고 상기 펠티에 소자의 온도를 상기 설정 온도까지 시간에 걸쳐 변화시키고, 상기 펠티에 소자의 온도가 상기 설정 온도에 도달하여 안정되며, 상기 온도 조절 능력에 대한 제한을 해제한다. 따라서, 온도 상승시의 전력을 절약할 수 있다.
또한, 상기 제어회로는, 상기 전류 검출회로에 의하여 검출된 직류 전류의 값이, 상기 기전력에 대응한 상기 펠티에 소자의 흡열측과 방열측의 온도차를 기반으로 하여 DC 전압과 직류 전류의 특성으로부터 벗어나는 경우에는, 상기 펠티에 소자가 고장났다고 판정하는 고장 검출부를 더 포함할 수도 있다. 따라서, 상기 펠티에 소자의 고장을 신속하고 확실하게 검출할 수 있다. 이와 같이, 상기 제어회로에 상기 고장 검출부가 제공됨으로써, 상기 전압 검출회로에 의하여 검출된 DC 전압으로부터, 상기 고장 검출부가 상기 DC 전원의 출력(DC 전압)이 이상인지 아닌지(상기 DC 전원이 고장인지 아닌지)를 판정할 수 있게 된다. 또한, 상기 고장 검출부는, 상기 전압 검출회로에 의하여 검출된 DC 전압과 상기 기전력 검출회로에 의하여 검출된 기전력을 비교하여, 상기 극성 반전회로가 고장인지 아닌지를 판정하는 것도 가능하게 된다.
또한, 상기 기전력은 하기와 같이 검출하면 좋다. 더욱 구체적으로는, 상기 제어회로는 상기 DC 전원으로부터 상기 펠티에 소자에 대한 상기 DC 전압의 인가를 일시 정지시킨 시간대에 상기 기전력 검출회로에 상기 기전력의 검출을 행하도록 하고, 상기 기전력의 검출이 완료되면 상기 DC 전원으로부터 상기 펠티에 소자에 대하여 상기 DC 전압을 재인가한다. 따라서, 상기 DC 전압의 인가와 상기 기전력의 검출이 번갈아 실시된 경우에, 상기 기전력의 검출 시간은 상기 DC 전압의 인가 시간보다도 짧다.
따라서, 상기 펠티에 소자의 흡열측 및 방열측의 열 영향과, 상기 제어 대상의 온도 변화의 영향을 억제하고, 정확한 기전력을 측정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 기전력 검출회로가 다이오드 브릿지 회로이며, 상기 펠티에 소자의 기전력의 방향(극성)이 변화한 경우라도, 어느쪽의 극성의 기전력을 측정하는 것도 가능하게 된다.
전술한 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 도시된 예에 의하여 보여지는 본 발명의 적절한 실시예의 첨부된 도면들과 연계하여 후술할 설명들로부터 더욱 적절하고 명확하게 될 것이다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 온도 조절 장치의 블록도이다.
도 2는, 도 1의 온도 조절 장치에 의한 순환액의 가열 또는 냉각을 나타낸 구성도이다.
도 3은, 도 1의 기전력 검출회로에 의한 기전력의 측정을 도시한 회로도이다.
도 4는, 인가 전압의 인기 시간과 기전력의 측정 시간과의 관계를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 5는, 도 1의 펠티에 소자에 의한 흡열 및 방열의 원리를 나타낸 회로도이다.
도 6은, 복수의 펠티에 소자의 접속 상태를 나타낸 회로도이다.
도 7은, 선행문헌에서의 펠티에 소자에 대한 제어를 도시한 블록도이다.
도 8은, 도 1의 온도 조절 장치에서의 펠티에 소자에 대한 제어를 도시한 블록도이다.
도 9는, 조작량과 출력량과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은, PWM제어에 의하여 생성된 인가 전압을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 11은, 인가 전압에 대한 제한을 나타낸 그래프이다.
도 12는, 인가 전압에 대한 제한을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 13은, 종래의 극성 스위칭시의 조작량, 인가 전압 및 인가 전류의 시간 변화를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 14는, 전류 제어 방식에 의한 극성 스위칭시의 조작량, 인가 전압 및 인가 전류의 시간 변화를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 15는, 본 실시 형태에서의 극성 스위칭시의 조작량, 인가 전압 및 인가 전류의 시간 변화를 나타낸 타이밍 차트이다.
도 16은, 도 1의 온도 조절 장치의 가열 능력 및 냉각 능력과 소비 전력과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은, PWM제어 방식과 본 실시 형태가 다름을 나타낸 타이밍 차트이다.
도 18은, 파워 세이빙의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 19는, 파워 세이빙의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다.
본 발명에 따른 온도 조절 장치의 적절한 실시 형태에 관하여, 도면을 참조하면서 이하 상세히 설명한다.
[본 실시 형태의 구성]
본 실시 형태에 따른 온도 조절 장치(10)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 펠티에 소자(12) 및 열교환기(14a, 14b)를 포함한 온도 유닛(16)에 의하여, 제어 대상인 순환액(18)을 가열 또는 냉각함으로써, 상기 순환액(18)을 소망하는 온도로 조절하기 위한 장치이다.
도 2에서는, 일례로서, 반도체 웨이퍼에 대한 프로세스 처리를 실시하는 반도체 제조장치 등의 부하(20)에 발생하는 열을, 순환액(18)으로 냉각하는 경우를 도시하고 있다. 즉, 온도 조절 장치(10)와 부하(20) 사이에는, 부하(20)의 열을 흡열한 순환액(18)을 온도 조절 장치(10)로 입력하는 입력로(22)와, 온도 조절 장치(10) 내에서 냉각된 순환액(18)을 부하(20)로 다시 공급하는 출력로(24)가 접속되어 있다. 그리고, 부하(20) 내부의 온도는 온도 센서(26)로 검출된다.
탱크(28)와 펌프(30)가 온도 조절 장치(10)의 내부에 배치되어 있다. 탱크(28)는 부하(20)로부터 입력로(22)를 통하여 온도 조절 장치(10)로 공급된 순환액(18)을 일시적으로 저장한다. 펌프(30)는 탱크(28)에 저장된 순환액(18)을 온도 유닛(16)으로 내보내어 이송한다. 온도 조절 유닛(16)은 2개의 플레이트와 같은 2개의 열교환기(14a, 14b)에서 펠티에 소자(12)를 밀착 지지함으로써 구성되고, 일측의 열교환기(14a)에 순환액(18)이 공급된다. 탱크(28)로부터 펌프(30)를 통하여 열교환기(14b)로 공급되는 순환액(18)의 온도는, 온도 센서(32)로 검출된다.
펠티에 소자(12)가 구동함으로써, 온도 조절 유닛(16)에서는, 예를들면, 일측의 열교환기(14a)는 흡열측(또는 가열측)으로 기능하고, 타측의 열교환기(14b)는 방열측(또는 냉각측)으로 기능한다. 열교환기(14a)에 공급된 순환액(18)의 열은, 열교환기(14a)로부터 펠티에 소자(12)를 통하여 타측의 열교환기(14b)로 도달된다. 공냉식 또는 수냉식의 방열기구(34)는 열교환기(14b)에 접속된다. 열교환기(14b)에 도달된 열은, 방열기구(34)에 의하여 방열된다.
이와 같이 하여 열교환기(14a)로 냉각된 순환액(18)은, 출력로(24)를 통하여 부하(20)로 공급되고, 상기 부하(20) 내부의 냉각에 다시 사용된다. 냉각된 순환액(18)의 온도는, 출력로(24)에 설치된 온도 센서(36)로 검출된다.
따라서, 도 1 및 도 2의 구성에서는, 순환액(18)은 온도 조절 장치(10)와 부하(20) 사이에서 순환하고, 부하(20) 내부에 발생한 열을 흡열한 순환액(18)은 온도 조절 장치(10)에 의하여 냉각되며, 부하(20)의 내부는 부하(20)에 순환액을 다시 공급함으로써, 예정 온도로 유지된다(항온 상태로 유지된다).
다음으로, 펠티에 소자(12)를 제어하기 위한 온도 조절 장치(10)의 내부 구조에 관하여 설명한다.
위에서 서술한 구성 요소들에 더하여, 온도 조절 장치(10)는 AC 전원(40), 차단회로(42), AC-DC 전원(44, 이하 컨버터(44)라 함), 인가 전류 검출회로(46), 인가 전압 검출회로(48), 극성 반전회로(50), 기전력 검출회로(52), 온도 조절기(54), 파라미터 설정부(56), 제어회로(58), 그리고 서모스탯(60)을 더 포함한다.
AC 전원(40)은 소정의 진폭을 가지는 교류 전압을 차단회로(42)를 통하여 컨버터(44)로 공급한다. 차단회로(42)는, 온도 조절 장치(19) 내부에 이상이 발생했을 때, AC 전원(40)과 컨버터(44) 사이를 차단한다. 컨버터(44)는 온도 조절 장치(10)의 CPU로서 제어회로(58)로부터의 제어신호를 기반으로 하여, AC 전원(40)으로부터 공급되는 교류 전압을 DC 전압(V, 이하 인가 전압(V)이라 함)으로 변환하여 출력한다.
이 경우, 컨버터(44)가 제어 신호를 기반으로 하여 인가 전압(V)의 값을 변화시킬 수 있는 가변 전원(62)이라 가정하면, 상기 제어 신호에 대응한 전압값의 인가 전압(V)이 컨버터(44)로부터 출력된다.
한편, 컨버터(44)가 소정 전압값의 DC 전압을 출력하는 고정 전원이라면, 온도 조절 장치(10)는 컨버터(44)의 출력측에 접속되는 전압 가변회로(64)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 도 1에 있어서 점선으로 나타낸 바와 같이, 전압 가변회로(64)는 컨버터(44)로부터 출력된 DC 전압을, 제어회로(58)로부터의 제어 신호에 대응한 전압값의 DC 전압으로 변환하고, 변환후의 DC 전압을 인가 전압(V)으로서 출력한다. 따라서, 컨버터(44)가 고정 전원인 경우에는, 컨버터(44) 및 전압 가변회로(64)에 의하여 가변 전원(62)이 구성된다.
도 1에서, 컨버터(44) 및 전압 가변회로(64)가 가변 전원(62) 내에 도시되어 있으나, 전술한 바와 같이 컨버터(44) 자체가 가변 전원(62)인 경우에는, 전압 가변회로(64)가 불필요함은 물론이다.
인가 전류 검출회로(46)는, 가변 전원(62)으로부터 출력된 인가 전압(V)이 인가 전압 검출회로(48) 및 극성 반전회로(50)를 통하여 펠티에 소자(12)에 인가되었을 때, 상기 펠티에 소자(12)로 흘러가는 직류 전류(I, 이하 인가 전류(I)라 함)를 검출하고, 검출 결과를 제어회로(58)에 출력한다. 또한, 인가 전압 검출회로(48)는 가변 전원)62)으로부터 극성 반전회로(50)를 통하여 펠티에 소자(12)에 인가되는 인가 전압(V)을 검출하고, 검출 결과를 제어회로(58)에 출력한다.
도 3과 같이, 극성 반전회로(50)는 직렬 접속된 2개의 스위치(50a, 50b)와, 직렬 접속된 2개의 스위치(50c, 50d)와 병렬 접속하고, 2개의 스위치(50a, 50b) 사이를 접속하는 배선과, 2개의 스위치(50c, 50d) 사이를 접속하는 배선 사이에 펠티에 소자(12)가 접속되는 브리지 회로이다. 이 경우, 제어회로(58)로부터 제어 신호를 기반으로 하여 각 스위치(50a~50d)가 온오프함으로써, 극성 반전회로(50)는 가변 전원(62)으로부터 공급되는 인가 전압(V)의 극성을 스위칭하여 펠티에 소자(12)로 출력한다.
따라서, 펠티에 소자(12)에 인가 전압(V)을 인가함으로써 인가 전류(I)를 흘리기 위한 구동회로(66)는, 전술한 AC 전원(40)과, 차단회로(42)와, 가변 전원(62, 컨버터(44) 또는 컨버터(44) 및 전압 가변회로(64))과, 극성 반전회로(50)에 의하여 구성된다.
또한, 제어회로(58)로부터의 제어 신호를 기반으로 하여, 모든 스위치(50a~50d)를 오프로 함으로써, 극성 반전회로(50)는 가변 전원(62)으로부터 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)의 공급을 정지시킬 수 있다. 그리고, 제어회로(58)로부터의 제어 신호를 기반으로 하여, 2개의 스위치(50a, 50d) 또는 2개의 스위치(50b, 50c)를 반복하여 온오프함으로써, 극성 반전회로(50)는 가변 전원(62)으로부터 공급되는 시간 경과에 대하여 연속적인 DC 전압에 대한 PWM 제어를 실시하는 것도 가능하게 된다. 이 경우, 극성 반전회로(50)는 PWM 제어에 의하여 생성된 펄스 전압을 인가 전압(V)으로서 펠티에 소자(12)에 인가한다.
도 3과 같이, 2개의 스위치(50a, 50d)를 온으로 하는 한편, 타측의 2개의 스위치(50b, 50c)를 오프로 함으로써, 펠티에 소자(12)의 일측 단자(12a)가 가변 전원(62)의 플러스측에 접속되고, 타측 단자(12b)가 가변 전원(62)의 마이너스측에 접속된 경우를 도시하고 있다. 또한, 도 3에서, 가변 전원(62)의 플러스측과 극성 반전회로(50) 사이에 접속된 저항기(68)는, 인가 전류 검출회로(46) 및 인가 전압 검출회로(48)의 저항분을 나타낸다.
기전력 검출회로(52)는 극성 반전회로(50)와 펠티에 소자(12)의 각 단자(12a, 12b) 사이를 접속하는 2개의 배선에 접속된 4개의 다이오드(52a~52d)로 구성되는 다이오드 브리지 회로이다. 이 경우, 직렬 접속된 2개의 다이오드(52a, 52b)와, 직렬 접속된 2개의 다이오드(52c, 52d)가, 극성 반전회로(50)와 펠티에 소자(12)의 각 단자(12a, 12b) 사이를 접속하는 2개의 배선에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 또한, 제어회로(58)는 2개의 다이오드(52a, 52b) 사이를 접속하는 배선과, 2개의 다이오드(52c, 52d) 사이를 접속하는 배선에 접속되어 있다.
그리고, 극성 반전회로(50)를 구성하는 모든 스위치(50a~50d)가 오프로 되어, 가변 전원(62)과 펠티에 소자(12) 사이가 차단되어 있을 때에, 기전력 검출회로(52)는 펠티에 소자(12)의 각 단자(12a, 12b) 사이에 발생하는 전압, 즉, 펠티에 소자(12)의 기전력(Ve, 열 기전력)을 검출하여, 검출 결과를 제어회로(58)에 출력한다.
구체적으로는, 도 4와 같이, 제어회로(58)로부터 극성 반전회로(50)에 대한 제어 신호의 공급에 의하여, 주기(T1)의 간격으로 모든 스위치(50a~50d)가 오프되는 시간(t1, 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)의 공급이 정지하는 시간대)가 형성되어 있는 경우에, 기전력 검출회로(52)는 상기 시간(t1) 내에 기전력(Ve)을 검출한다. 이 경우, 주기(T1) 내에서, 펠티에 소자(12)에 인가 전압(V)을 인가하는 시간(T1-t1)과, 기전력(Ve)을 검출하는 시간(t1)과의 사이에서는, (T1-t1)》t1의 관계에 있는 것이 바람직하다. 따라서, 모든 스위치(50a~50d)를 오프로 하여 펠티에 소자(12)의 구동을 일시 정지하고, 기전력 검출회로(52)에 의한 기전력(Ve)의 검출이 완료된 후에는, 펠티에 소자(12)의 구동이 즉시 재개될 수 있다.
그리고, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태인 인가 전류(I), 인가 전압(V), 기전력(Ve)을 검출하는 상태 검출기(70)는, 인가 전류 검출회로(46), 인가 전압 검출회로(48) 및 기전력 검출회로(52)에 의하여 구성된다.
도 5와 같이, 펠티에 소자(12)는 금속판(76)을 통하여 번갈아가며 그리고 직렬로 접속한 P형 반도체(72)와 N형 반도체(74)를 포함한다. 이 경우, 예를 들면, 가변 전원(62)의 플러스측이 우측의 N형 반도체(74)에 접속되고, 마이너스측이 좌측의 P형 반도체(72)에 접속되면, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14a)측이 방열측이 되고, 흡열한 열을 열교환기(14b)에 방열할 수 있다. 펠티에 소자(12) 자체의 구성 및 동작은 잘 알려져 있으므로, 그 상세한 설명에 관하여는 생략한다.
실제의 온도 유닛(16)에서는, 복수의 펠티에 소자(12)가 이용된다. 예를 들면, 도 6과 같이, A열에 4개의 펠티에 소자(12)를 직렬로 접속함과 동시에, B열에 4개의 펠테에 소자(12)를 직렬로 접속하고, A열의 각 펠티에 소자(12)와, B열의 각 펠티에 소자(12)를 병렬로 접속하는 구조가 사용될 수 있다.
온도 조절기(54)는, 온도 센서(36)에 의하여 검출된 (냉각후의) 순환액(18)의 온도를 기반으로 하여, 제어 대상인 순환액(18)의 온도를 소망하는 온도로 제어하기 위한 조작량을 생성하고, 생성한 조작량을 제어회로(58)에 출력한다.
파리미터 설정부(56)는, 온도 조절 장치(10)의 표면에 배치된 조작 버튼 등과 같은 입력 수단이다. 사용자의 조작을 통하여, 각종 정보들(파라미터들)을 입력하고 제어회로(58)의 메모리(78)에 저장될 수 있다.
이 경우, 파라미터 설정부(56)에서 설정되는 파라미터는, 펠티에 소자(12)의 동작에 관한 파라미터이며, 예를 들면, 하기와 같은 것이 있다.
(1) 펠티에 소자(12)에 인가할 수 있는 인가 전압(V)의 최대값인 최대 전압값(Vtmax, Vcmax). Vtmax는, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14a)측이 가열측 또는 흡열측인 때의 최대 전압값, Vcmax는, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14a)측이 냉각측 또는 방열측인 때의 최대 전압값이다.
(2) 펠티에 소자(12)에 흐를 수 있는 인가 전류(I)의 최대값인 전류 제한값(Itlim, Iclim). Itlim은, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14a)측이 가열측 또는 흡열측인 때의 전류 제한값, Iclim은, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14a)측이 냉각측 또는 방열측인 때의 전류 제한값이다.
(3) 기전력(Ve)에 대응한 펠티에 소자(12)의 흡열측의 온도(흡열측 온도(Th)와 방열측의 온도(방열측 온도(Tc))와의 온도차 ΔT(ΔT=Th-Tc)의 허용값인 온도차 제한값(ΔTlim).
(4) 순환액(18)에 대한 펠티에 소자(12)의 온도 조절 능력(가열 능력, 냉각 능력)을 제한하기 위한 파워 세이빙 동작값(온도 조절 능력 제한값).
이러한 파라미터는 단순히 일례로 제공된 것이다. 사용자는, 파라미터 설정부(56)를 조작하여, 상기의 파라미터 이외의 파라미터를 적절히 설정할 수 있음은 물론이다.
메모리(78)에 더하여, 제어회로(58)는 온도차 변환부(80) 및 고장 판정부(82, 고장 검출부)를 더 포함한다. 그리고, 제어회로(58)는 온도 조절기(54)로부터 입력된 조작량, 메모리(78)에 기억된 각종 파라미터, 인가 전류 검출회로(46)에 의하여 검출된 인가 전류(I), 인간 전압 검출회로(48)에 의하여 검출된 인가 전압(V), 및 기전력 검출회로(52)에 의하여 검출된 기전력(Ve)을 기반으로 하여, 차단회로(42), 가변 전원(62) 및 극성 반전회로(50)를 제어한다.
구체적으로, 온도차 변환부(80)는, 기전력 검출회로(52)에 의하여 검출된 기전력(Ve)을 온도차(ΔT)로 변환한다. 그리고, 가변 전원(62)으로부터 펠티에 소자(12)에 인가 전압(V)을 인가하는 경우에, 인가 전류 검출회로(46)에서 검출된 인가 전류(I)의 절대값이 전류 제한값(Itlim, Iclim)의 절대값을 넘으면(|I|>|Itlim| 또는 |I|>|Iclim|), 제어회로(58)는 가변 전원(62)에 공급하는 제어 신호를 스위칭한다. 더욱 구체적으로, 제어회로(58)는, 인가 전압(V)의 값을 가변하는 가변 전압 제어의 신호로부터, 인가 전류(I)를 전류 제한값(Itlim 또는 Iclim)으로 유지하고 인가 전압(V)을 소정 전압값(전압 제한값(Vtlim, Vclim))으로 유지하는 정전류 동작의 신호로 스위칭한다. 또한, 인가 전류(I)의 절대값이 전류 제한값(Itlim, Iclim)의 절대값 이하가 되면(|I|≤|Itlim| 또는 |I|≤|Iclim|), 제어회로(58)는 정전류 동작으로부터 가변 전압 제어로 되돌아가, 본래의 가변 전압 제어의 제어 신호를 가변 전원(62)으로 공급한다.
또한, 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim)을 넘는 경우에는(ΔT>ΔTlim), 인가 전압(V)은 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim) 이하가 되도록 제어회로(58)에 의하여 가변 전원(62)을 제어함으로써 낮아진다.
그리고, 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim) 이하가 되도록 가변 전원(62)이 제어되는 것과 상관없이, 온도차(ΔT)가 계속 상승하고 있다면, 제어회로(58)는 가변 전원(62)으로부터 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)의 인가를 정지시킨다. 이 경우, 제어회로(58)는 AC 전원(40)과 컨버터(44) 사이를 차단하기 위하여 차단회로(42)를 제어할수 있거나, 극성 반전회로(50)의 모든 스위치(50a~50d)를 오프로 스위칭할 수도 있을 것이다.
또한, 극성 반전회로(50)를 제어하여 펠티에 소자(12)에 인가되는 인가 전압(V)의 극성을 스위칭하는 경우, 제어회로(58)는 인가 전류(I)를 일정값으로 유지하는 정전류 제어를 행하고, 인가 전류(I)의 시정수(time constant)가 길어지도록 가변 전원(62)을 제어한다.
그리고, 온도 조절 장치(10)를 파워 세이빙 동작함으로써 소비 전력을 낮추는 경우, 제어회로(58)는 메모리(78)에 기억된 파워 세이빙 동작값을 기반으로 하여 가변 전원(62)을 제어함으로써, 상기 가변 전원(62)으로부터 출력되는 인가 전압(V)의 값과, 펠티에 소자(12)에 흐르는 인가 전류(I)의 값을 제한할 수 있을 것이다.
이 경우, 파워 세이빙 동작값에 대하여 조작량에 대한 인가 전압(V)의 출력 범위를 제어회로(58)에 의하여 제한함으로써, 온도 조절 장치(10)의 소비 전력이 줄어들 수 있다.
또한, 제어회로(58)는 순환액(18)의 온도가 파워 세이빙 동작값에 대응한 소정 온도에 도달하기까지는 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 제한한다. 순환액(18)의 온도가 시간에 걸쳐 소정 온도까지 변화하여, 상기 온도가 소정 온도에 도달하면, 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)에 대한 제한은 해제된다.
또한, 인가 전압(V)과 인가 전류(I)의 특성은 온도차(ΔT)에 대응하여 변화한다. 여기서, 파라미터 설정부(56)에 의하여, 온도차(ΔT)마다의 인가 전압(V)과 인가 전류(I)의 특성을 메모리(78)에 미리 저장시켜두고, 인가 전류 검출회로(46)에서 검출된 인가 전류(I)의 값이 상기 특성으로부터 크게 벗어나는 경우에, 고장 판정부(82)는, 펠티에 소자(12)가 고장났다고 판정할 수 있을 것이다.
그리고, 온도 조절 장치(10)는, 펠티에 소자(12)의 열교환기(14b)측(방열측)의 온도가 소정 온도 이상의 고온 상태인 경우에는, 서모스탯(60)이 펠티에 소자(12)의 오버히팅된 상태를 검출하고, 제어회로(58)는, 서모스탯(60)의 검출 결과를 기반으로 하여, 교류전원(40)과 컨버터(44) 사이를 차단 상태가 되도록, 차단회로(42)를 동작시킬 수 있을 것이다.
[본 실시 형태의 작용 및 효과]
본 실시 형태에 따른 온도 조절 장치(10)는, 이상과 같이 구성된 것이다. 다음에, 상기 온도 조절 장치(10)의 작용 및 효과에 관하여, 도 7 내지 도 19를 참조하면서 설명한다. 그리고, 이러한 설명에서는, 필요에 대응하여, 도 1 내지 도 6도 참조하면서 설명할 것이다.
[본 실시 형태와 선행문헌과의 다른 점]
도 7은, 선행문헌의 기술에서의 펠티에 소자(12)에 대한 제어를 도시한 블록도이다. 도 8은, 본 실시 형태에서의 펠티에 소자(12)에 대한 제어를 도시한 블록도이다. 그리고, 도 7에 있어서, 본 실시 형태와 같은 구성 요소에 관하여는, 같은 참조 부호를 붙여서 설명한다.
선행문헌의 기술에 의하면, 구동회로(66)는 온도 조절기(54)의 조작량에 비례(의존)하여 출력량(PWM제어에 의한 인가 전압(펄스 전압), 연속적인 인가 전압 또는 인가 전류)으로 펠티에 소자(12)를 구동시킨다. 더욱 구체적으로는, 선행문헌의 기술에 있어서, 상기 출력량은 온도 센서(36)에 의하여 검출된 순환액(18)의 온도에 기반으로 하는 것이며, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태(인가 전압(V), 인가 전류(I), 기전력(Ve))를 반영한 것은 아니다. 따라서, 선행문헌의 기술은, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 펠티에 소자(12)에 대한 제어에 도입하지 않고, 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 전기적인 상태를 반영하지 않는 제어(개루프 제어)를 채용하고 있다.
이에 대하여, 본 실시 형태에서는, 온도 조절기(54)의 조작량, 파라미터 설정부(56)가 설정한 파라미터, 그리고 상태 검출기(70)에 의하여 검출된 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태가 제어회로(58)에 도입된다. 따라서, 제어회로(58)는 도입된 조작량, 파라미터 및 전기적인 상태를 이용하여 소망하는 출력량을 산출하고, 산출한 출력량에 대응한 제어량을 결정하며, 결정한 제어량을 기반으로 하여 구동회로(66)를 제어한다. 달리 말해, 본 실시 형태에서는, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 도입하여, 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 전기적인 상태를 반영하는 제어(피드백 제어)를 채용하고 있다.
[본 실시 형태에 있어서 펠티에 소자(12)의 기본적인 제어 방법]
본 실시 형태에 따른 온도 조절 장치(10)에 있어서, 온도 조절기(54)는, 온도 센서(36)에 의하여 검출된 순환액(18)의 온도를 기반으로 하여, 상기 순환액(18)의 온도가 일정하게 되도록 하는 조작량이 결정되고, 결정된 조작량은 제어회로(58)에 출력된다. 제어회로(58)는, 온도 조절기(54)로부터의 조작량 등를 기반으로 하여 제어량을 결정한다. 제어회로(58)로부터의 제어 신호를 기반으로 하여, 구동회로(66)는 조작량에 대응하여 펠티에 소자(12)를 구동시키기 위한 출력량(인가 전압(V), 인가 전류(I))를 생성한다.
여기서, 구동회로(66)가 펠티에 소자(12)를 구동시키기 위한 제어 방식으로서는, 크게 나누어, (1) 시간 경과에 대하여 연속적으로 변화하는 DC 전압을 가변할 수 있는 전압 제어 방식, (2) 시간 경과에 대하여 연속적으로 변화하는 직류 전류를 가변할 수 있는 전류 제어 방식, (3) 시간 경과에 대하여 일정값의 고정 전압에 대한 PWM 제어 방식, 의 3가지와 같은 제어 방식이 있다. 그러나, 비용 및 회로 규모를 비교하면, 비용 및 회로 규모는 PWM 제어 방식<전압 제어 방식<전류 제어 방식,의 순으로 커진다.
도 9에는, 조작량과 출력량의 관계를 나타낸 그래프의 일례가 도시되어 있다. 이 그래프에서는, 조작량에 비례(의존)하여 출력량이 변화한다. 또한, 조작량이 -100%~+100%로 변화하고 있는 것은, 펠티에 소자(12)가 가열 동작(0%~+100%) 또는 냉각 동작(-100%~0%)을 실시하는 것에 대응하여 규정한 것이다. 한편, 출력량은, 펠티에 소자(12)에 대한 제어 방식에 의하여, 인가 전압(V) 또는 인가 전류(I)의 크기로서 나타낸다. 이 경우, 출력량의 '+' 또는 '-'는, 펠티에 소자(12)에 인가하는 인가 전압(V) 또는 인가 전류(I)의 극성 방향을 나타내고 있다. 이와 같이, 조작량에 대하여 출력량을 연속적으로 가변시키기 위하여는, 상기의 전압 제어 방식 또는 전류 제어 방식을 채용함과 동시에, 연속적으로 인가 전압(V)이나 인가 전류(I)를 가변할 수 있는 회로가 필요하게 된다.
이것에 대하여, PWM 제어 방식에서는, 고정 전압에 대하여 PWM 제어를 행함으로써 펄스 전압(인가 전압(V))으로서 출력하고, 평균 전압이 온(ON)일 때 사이 및 오프일 때 사이로부터 결정되는 제어 방식이다. 이 경우, PWM 제어 방식에서는, 단순한 회로 구성이 된다. 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 10V의 진폭을 가진 전압을 듀티비 50%로 온오프시키면 평균 전압은 5V가 된다.
[본 실시 형태의 제1 효과의 설명]
여기서, 본 실시 형태의 제1 효과에 관하여, 도 11 내지 도 15를 참조하면서 설명한다.
제1 효과는 펠티에 소자(12)의 고장이나 성능 저하를 발생시키지 않기 위한 제어, 구체적으로는, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 도입하고, 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 전기적인 상태를 반영하는 피드백 제어를 행함으로써, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력의 향상을 도모하는 효과이다.
펠티에 소자(12)의 구동전압(인가 전압(V)) 또는 구동 전류(인가 전류(I))의 권장 정격값은 일반적으로 최대 정격값에 대하여 60%~70% 정도로 되어 있다. 이 경우, 상기 펠티에 소자(12)의 구동 전압 또는 구동 전류는, 펠티에 소자(12)의 제조회사로부터, 최대 정격값의 60%~70% 정도로 사용해야만 하는 취지의 주의 사항이 있기 때문이다.
즉, 최대 정격값에서 펠티에 소자(12)를 사용하면, 사용 조건에 의하여는, 최대 정격값을 넘는 경우가 있기 때문이다. 예를 들면, 구동 전압을 최대 정격값으로 동작시키면, 펠티에 소자(12)의 흡열측과 방열측의 온도차(ΔT)에 의하여는, 구동 전류가 최대 정격값을 넘는 경우가 있다. 이와 같이, 최대 정격값을 넘음으로써, 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장이 일어나기 쉽게 된다.
그러므로, 펠티에 소자(12)를 이용하는 종래의 온도 조절 장치에서는, 제조회사가 권장하는 정격값에서 펠티에 소자(12) 및 열교환기(14a, 14b)를 포함한 온도 조절 유닛(16)의 가열 능력 및 냉각 능력의 설계를 행하며, 이러한 정격값으로 얻어진 능력을 온도 조절 장치의 제품 성능으로 하고 있다.
그러나, 실제로는, 펠티에 소자(12)의 사용 상태(펠티에 소자(12)의 흡열측과 방열측의 온도차(ΔT), 펠티에 소자(12)에 대한 제어 방법 등)에 의하여는, 펠티에 소자(12)의 최대 정격값에 대하여 여유가 있는 경우도 있다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 능력을 최대한으로 끌어나는 것이 가능하게 되려면, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력이 향상되고, 제품의 성능 향상이나 펠티에 소자(12)의 갯수(도 6 중, 펠티에 소자(12)의 접속 개수)를 줄일 수 있게 된다.
따라서, 본 실시 형태에 의하면, 인가 전압(V), 인가 전류(I) 및 온도차(ΔT)(에 대응한 기전력(Ve))을 검지하고, 펠티에 소자(12)가 성능 저하를 일으키지 않도록 관리 및 감시하는 제어(펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 반영하는 피드백 제어)를 행한다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 최대 정격값(인가 전압(V), 인가 전류(I) 및 온도차(ΔT)의 허용값)까지 아슬아슬하게 사용함으로써, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력을 최대한으로 끌어내는 것이 가능하게 된다.
여기서, 펠티에 소자(12)의 성능을 저하시키는 요인에 관하여 설명한다.
펠티에 소자(12)는, 흡열측과 방열측에 온도차(ΔT)를 일으켜 사용하는 소자이지만, 한편으로, 온도차(ΔT)에 기인하여 열응력도 발생한다. 이 경우, 방열측에발생한 열량(열량=(흡열측의 흡열량)+(펠티에 소자(12)의 소지 전력량))을 충분히 방열하지 않으면, 열응력이 커지게 되어, 장치 구조에 크랙 등이 생기며, 펠티에 소자(12)의 파괴에 이른다. 또한, 인가 전압(V) 또는 인가 전류(I)가 최대 정격값을 넘으면, 같은 형태로, 펠티에 소자(12)의 장치 구조가 파괴된다.
달리 말해, 하기 (1) 및 (2)의 내용에 주의하면서, 최대 정격값(최대 정격값으로서의 검증 완료된 테스트 데이터)을 넘지 않도록 펠티에 소자(12)를 사용하면, 가열 능력 및 냉각 능력을 최대한으로 끌어내는 것이 가능하게 된다.
(1) 방열측의 방열을 충분히 행하고, 흡열측과 방열측의 온도차의 최대값(최대 온도차(ΔTmax) 이하로 펠티에 소자(12)를 사용한다.
(2) 급격한 극성 반전 등의 열 사이클 피로를 펠티에 소자(12)에 부여하지 않도록 한다.
여기서, 온도 조절 장치(10)에서는, 상기 (1) 및 (2)의 유의점을 기반으로 하여 하기 (A)~(D)의 관리 및 감시를 행하기 위한 제어를 행하고 있다.
(A) 온도차(ΔT)의 관리(설정값인 최대 온도차(ΔTmax) 이하에서 펠티에 소자(12)를 동작시킨다).
(B) 극성 스위칭시의 제어(인가 전압(V) 및 인가 전류(I)의 억제).
(C) 최대 정격값의 리미트 제한(인가 전압(V) 및 인가 전류(I)의 억제).
(D) 펠티에 소자(12)의 방열측이 이상일 때의 제한.
다음으로, 상기 내용을 실현하기 위한 구체적인 제어 방법에 관하여, 하기 (i)~(vi)에 설명한다.
(i) 초기 동작으로서, 파라미터 설정부(56)로부터 제어회로(58)에 각종 파라미터를 설정한다. 이 경우, 설정된 파라미터로서는, 하기 (a)~(c)의 것이 있다.
(a) 펠티에 소자(12)의 가열측의 최대 인가 전압(Vtmax, 순환액(18)을 가열할 때의 펠티에 소자(12)에 공급하는 인가 전압(V)의 최대값)과, 펠티에 소자(12)의 냉각측의 최대 인가 전압(Vcmax, 순환액(18)을 냉각할 때의 펠티에 소자(12)에 공급하는 인가 전압(V)의 최대값).
(b) 펠티에 소자(12)의 가열측의 전류 제한값(Itlim, 순환액(18)을 가열할 때에 펠티에 소자(12)에 흐를 수 있는 인가 전류(I)의 최대값)과, 펠티에 소자(12)의 냉각측의 전류 제한값(Iclim, 순환액(18)을 냉각할 때에 펠티에 소자(12)에 흐를 수 있는 인가 전류(I)의 최대값).
(c) 온도차(ΔT)의 온도차 제한값(ΔTlim, 펠티에 소자(12)의 온도차(ΔT)의 허용값, 상기 허용값에 대응한 기전력(Ve)의 값)(에 대응한 제한 기전력값(Velim)).
이러한 파라미터는, 펠티에 소자(12)를 이용한 온도 조절 장치(10)의 설계값 및 실측 데이터를 기초로 미리 결정된 것이며, 본 실시 형태에서는, 이러한 파라미터를 기반으로 하여 제어를 행한다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 순환액(18)을 가열하도록 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 펠티에 소자(12)에 공급하는 경우와, 순환액(18)을 냉각하도록 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 펠티에 소자(12)에 공급하는 두 가지의 경우가 있다. 따라서, 가열하는 경우(도 11 중 '+'측)과 비교하여, 냉각하는 경우(도 11 중 '-'측)에는, 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)의 극성은 반전된다.
(ii) 온도 조절기(54)로부터의 조작량에 비례한 인가 전압(V, 시간 경과에 대하여 연속적인 인가 전압(V))을, 극성 반전회로(50)로부터 펠티에 소자(12)에 인가한다. 이 경우, 펠티에 소자(12)의 구동 방식은 도 9를 기반으로 하여 가변 전압 제어이며, 파라미터(설정값)인 최대 인가 전압(+Vtmax, Vcmax)까지 인가 전압(V)을 펠티에 소자(12)에 인가할 수 있게 한다.
(iii) 펠티에 소자(12)에 흐르는 인가 전류(I)를 감시하고, 설정값인 전류 제한값(Itlim, Iclim)의 절대값을 넘으면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 가변 전압 제어로부터, 인가 전류(I)를 전류 제한값(Itlim, Iclim)으로 유지하고 조작량에 대하여 인가 전압(V)도 전압 제한값(Vtlim, Vclim)으로 유지하는 정전류 동작으로 스위칭한다. 한편, 인가 전류(I)가 전류 제한값(Itlim, Iclim)이하로 되돌아가면, 가변 전압 제어로 복귀한다.
그리고, 도 11에서는, 가열측에서 인가 전류(I)가 전류 제한값(Itlim)을 넘으면, 가변 전압 제어로부터 정전류 동작으로 스위칭하는 한편, 냉각측에 있어서는, 전류 제한값(Iclim)의 절대값 이하로 가변 전압 제어를 실시하는 경우를 도시하고 있다. 더욱 구체적으로는, 도 11의 예에서는, 온도차(ΔT)에 의하여는, 인가 전압(V)의 절대값이 같은 값이더라도, 가열측과 냉각측에서 펠티에 소자(12)에 흐르는 인가 전류(I)의 값이 다른 경우가 있는 것을 도시하고 있다.
펠티에 소자(12)는, 흡열측과 방열측의 온도차(ΔT)에 수반하여, 펠티에 소자(12)의 저항값이나 흡열량(기전력(Ve))이 변화하는 특성을 가진다. 따라서, 같은 인가 전압(V)을 펠티에 소자(12)에 인가하여도, 온도 상태에 의하여는, 펠티에 소자(12)를 흐르는 인가 전류(I)가 최대 정격값을 넘는 일이 있다. 이것을 방지하기 위하여, 본 실시 형태에 의하면, 위에서 서술한 바와 같이, 전류 제한값(Itlim, Iclim)의 절대값 이상의 인가 전류(I)가 흐르면, 정전류 동작으로 스위칭하고, 상기 절대값 이상의 인가 전류(I)를 흐르지 않도록 온도 조절 장치(10)를 구성하고 있다.
(iv) 펠티에 소자(12)의 기전력(Ve)이 감시되고, 제어회로(58)의 온도차 변환부(80)를 이용하여, 기전력 검출회로((52)에 의하여 검출된 기전력(Ve)이 온도차(ΔT)로 변환된다. 그리고, 제어회로(58)는, 도 12와 같이, 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim)을 넘지않도록, 인가 전압(V)의 제한 제어를 행한다.
더욱 구체적으로, 도 12에서, 시점(t3)에서 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim)을 넘으면, 제어회로(58)는, 가변 전원(62)을 제어하고, 인가 전압(V)의 값을 저하시키는 전압 제한 제어를 실행한다. 따라서, 시점(t4) 이하, 온도차(ΔT)는, 온도 제한값(ΔTlim) 이하로 줄어든다.
기전력(Ve)은, 도 3 및 도 4에 나타낸 검출 방법에 의하여 검출된다. 또한, 온도차(ΔT)가 온도차 제한값(ΔTlim) 이하로 줄어들면, 온도차(ΔT)의 제한 동작을 해제한다.
(v) 상기(iv)에서 설명한 온도차(ΔT)의 제한 동작을 시점(t5)으로부터 실시하고 있음에도 관계없이, 시간 경과에 수반하여 온도차(ΔT)가 계속 상승한 경우, 고장 판정부(82)는 펠티에 소자(12)의 방열측 또는 흡열측에 이상이 발생했다고 판단한다. 그리고, 제어회로(58)는, 고장 판정부(82)의 판정 결과를 기반으로 하여, 시점(t6)에서, 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)의 공급을 정지한다.
종래는, 방열측의 고온 이상을 서모스탯(60) 등에 의하여 검출하고, 인가 전압(V)의 공급을 정지하였다. 이것에 비하여, 본 실시 형태에서는, 온도차(ΔT)를 감시하고, 인가 전압(V)의 공급을 사전에 정지한다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 종래의 서모스탯(60)에 의한 방법과 같은 형태의 기능을 실현할 수 있다. 그리고, 인가 전압(V)의 정지는, 극성 반전회로(50)의 각 스위치(50a~50d)를 모두 오프로 하든가, 또는, 차단회로(42)에 의하여 AC 전원(40)과 컨버터(44)의 접속을 차단하는 것에 의하여 실현된다.
(vi) 설정 온도의 변경 등에 기인하여 가열 동작 및 냉각 동작이 스위칭하는 경우, 펠티에 소자(12)에 과전류가 흐르지 않도록, 스위칭 동작을 소프트하게(느리게) 실시한다.
더욱 구체적으로, 종래, 조작량에 비례(의존)한 출력량의 제어 방식에서는, 인가 전압(V)의 극성을 스위칭할 때, 예를 들면, 도 13의 시점(t7)에서 조작량을 +100%로부터 -100%로 스위칭하여, 인가 전압(V)을 +Vmax로부터 -Vmax로 스위칭한 경우에, 마이너스측의 최대 정격값(-Iprmax)의 절대값보다도 큰 과전류가 발생하였다. 이와 같은 급격한 인가 전류(I)의 변화나, 최대 정격값(-Iprmax)의 절대값을 넘는 인가 전류(I)가 발생하면, 펠티에 소자(12)에 대하여 열응력을 부주의하게 부여하게 되며, 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장이 발생할 우려가 있다.
여기서, 도 14와 같이, 시점(t7)에서 인가 전압(V)의 극성을 스위칭할 때, 인가 전류(I)를 최대 정격값(-Ipramx)으로 제한하는 정전류 방식을 적용하는 것이 생각된다.
그러나, 정전류 방식에서도, 시점(t7) 직후에 인가 전류(I)가 최대 정격값(-Iprmax)까지 갑자기 흐르므로, 도 13의 경우와 같은 형태로, 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장이 발생할 우려가 있다.
이에 비하여, 본 실시 형태에서는, 도 15와 같이, 시점(t7) 직후의 펠티에 소자(12)에 대한 급격한 전류 변화나 열응력의 발생을 경감하기 위하여, 정전류 방식과 인가 전압(I)의 시정수를 길게하는 방법을 조합한다. 따라서, 시점(t7)에서 인가 전압(V)의 극성을 스위칭한 후는, 펠티에 소자(12)에 흐르는 인가 전류(I)를, 시간 경과에 수반하여, 서서히 증가시키는 소프트 스위칭 방식(슬로우 스위칭 방식)을 채용하고 있다.
더욱 구체적으로는, 인가 전류(I)의 시정수만을 제한하는 경우, 설정 시간이 짧으면, 펠티에 소자(12)의 상태에 의하여 과전류가 발생한다. 한편, 시정수를 길게 설정하면, 펠티에 소자(12)의 온도 변화가 지연된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 시정수에 의한 방법의 단점과, 정전류 방식의 단점을 보완하기 위하여, 시정수의 방법과 정전류 방식을 병용하는 소프트 스위칭 방식을 채용하였다.
이상 설명한 바와 같이, 제1의 효과로서는, 펠티에 소자(12)를 이용한 온도 조절 장치(10)에 있어서, 새로운 제어 방법을 채용함으로써, 가열 능력 및 냉각 능력의 향상을 도모하고 있다. 새로운 제어 방법은, 펠티에 소자(12)의 고장이나 성능 저하를 일으키지 않도록 하는 제어 방법이며, 구체적으로는, 펠티에 소자(12)의 전기적 상태를 제어 내용으로 도입하고, 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 전기적 상태를 반영하는 제어(피드백 제어)이다.
[본 실시 형태의 제2의 효과의 설명]
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 펠티에 소자(12)에 공급하는 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)의 크기를 임의로 설정하는 것이 가능하다. 바꿔말하면, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력을 자유로이 가변하는 것이 가능하다. 본 실시 형태에 의하면, 이러한 특징을 이용한 부가 가치의 기능으로서, 파워 세이빙 동작에 의한 에너지 절약 기능을 제2의 효과로 하고 있다.
종래, 펠티에 소자(12)를 이용한 온도 조절 장치에서는, 가열 능력 및 냉각 능력을 조절하는 기능이 없으므로, 하기 (1) 및 (2)와 같은 문제가 있었다.
(1) 제품(온도 조절 장치)의 최대 전력 소비(전류) 이하의 전원 설비밖에 가지고 있지 않은 시설(공장)에서는, 상기 제품을 사용할 수 없으며, 실제로는, 상기 제품의 가열 능력 및 냉각 능력을, 예를 들면, 최대 전력 소비의 50%정도로 억제하면, 상기 시설에서 제품을 사용할 수 있는 경우가 있다.
(2) 설정 온도가 안정될 때까지의 사이, 제품(온도 조절 장치)의 소비 전력을 낮추고 싶다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 상기 (1) 및 (2)의 문제를 하기 (A) 및 (B)와 같이 해결하고 있다.
(A) 제품으로서의 온도 조절 장치(1)에 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 파워 세이빙 동작 기능을 설치하고, 온도 조절 장치(10)의 최대 전력 소비(전류)를 낮추도록 하고 있다. 더욱 구체적으로는, 가열 능력 및 냉각 능력이 소정의 능력으로 억제됨으로써, 상기 능력 이상의 전력은 필요하지 않게 된다.
(B) 순환액(18)의 온도가 안정(설정 온도에 도달)되기 까지, 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 기능을 설치한다.
상기 (A) 및 (B)의 기능을 실현하기 위하여, 온도 조절 장치(10의 파라미터 설정부(56)에서 가열 능력 및 냉각 능력의 제한값(파워 세이빙 동작값 등)을 사용자가 입력한다. 구체적으로, 파워 세이빙 기능으로서는, (i) 일률적으로 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 모드, (ii) 온도 변경후, 순환액(18)의 온도가 안정되기까지, 상기 온도의 상승시에 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 모드가 있다.
더욱 구체적으로는, 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는(낮추는) 것에 의하여, 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)이 저하되고, 펠티에 소자(12)의 소비 전력이 낮춰진다. 따라서, 컨버터(44)의 소비 전력도 낮춰지므로, 온도 조절 장치(10) 전체의 소비 전력(전류)를 낮출 수 있다.
온도 조절 유닛(16) 등과 같은 열교환기 제품은, 온도 변경시 등, 예를 들어, 순환액(18)의 설정 온도와 현재 온도가 크게 차이나는 경우나, 큰 열부하가 입력되고 있는 경우에는, 최대의 가열 능력 및 냉각 능력으로 동작하는 경향이 있다. 따라서, 온도 조절 장치(10) 전체의 소비 전력이 최대값에 도달하고 만다.
이에 비하여, 실제로 순환액(18)의 온도가 안정되어 있는 상태에서, 온도 조절 유닛(16)에 큰 열 부하 등의 입력이 없으면, 소비 전력은 작게 든다.
도 16은, 가열 능력 및 냉각 능력과 온도 조절 장치(10)의 소비 전력과의 관계의 일례를 도시한 것이며, 가열 능력 및 냉각 능력을 낮추면, 소비 전력도 저하한다.
여기서, 상기 (1) 및 (2)의 문제를 해결하는 실제예(실시예 1, 실시예 2)에 관하여, 이하에 설명한다.
[실시예 1]
실시예 1은, 상기 (1)의 문제를 해결하기 위한 실제예이다.
예를 들면, 실험실 등에 있어서, 2대의 온도 조절 장치(10)를 사용하는 경우에 있어서, 상기 실험실에서의 최대 전원 용량이 16A(암페어)인 경우에 관하여 설명한다.
도 16을 참조하면, 1대의 온도 조절 장치(10)의 최대 소비 전류가 10A이면, 2대의 온도 조절 장치(10)를 사용한 경우, 상기 실험실에서는, 단순 계산으로 20A의 전원 용량이 필요하게 된다. 그러나, 2대의 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력을 70%로 설정하여 사용하면, 1대당 7.5A로 합계 15A의 소비전력이 든다. 따라서, 상기 조건의 전원 용량(16A)이라도, 브레이커 등을 떨어뜨리는 일이 없이, 안정적으로 2대의 온도 조절 장치(10)를 실험실에서 사용하는 것이 가능하게 된다.
[실시예 2]
다수의 온도 조절 장치(10)가 사용되고 있는 공장 등에서, 취업 개시 시에 일제히 온도 조절 장치(10)가 동작하면, 각 온도 조절 장치(10)는, 순환액(18)을 목표 온도에 도달하고자, 최대의 가열 성능 및 냉각 성능으로 동작한다. 따라서, 각 온도 조절 장치(10)의 소비 전력이 최대값이 되고, 사용 대수가 많으면, 공장 전체의 피크 전력도 뛰어오르게 된다. 즉, 상승시에 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 모드로 하면, 피크 전력을 억제하고, 순환액(18)을 목표 온도에 도달시키는 것이 가능하게 된다. 그러나, 이러한 모드를 이용하면, 최대의 가열 능력 및 냉각 능력으로 동작하는 일이 없기 때문에, 목표 온도에 도달하는 시간은 늦어진다.
위에서 서술한 파워 세이빙 모드 중, (B) 및 (ii)의 모드는, 순환액(18)의 온도의 상승시에만, 가열 능력 및 냉각 능력에 대하여 제한이 걸리는 것이며, 온도 안정시에는, 이와 같은 제한은 해제된다. 따라서, (B) 및 (ii)의 모드는, 큰 열부하에 대한 온도의 상승에 대응 가능하다.
그런데, (A) 및 (B)((i) 및 (ii)) 중 어느 것의 파워 세이빙 동작 기능에서도, 가변 전압 제어(시간 경과에 대하여 인가 전압(V)을 인가하기 위하여, 도 17에 나타낸 바와 같이, 가변 전원(62)측에서의 인가 전류(I)의 피크(피크 전류)를 완전히 제한하는 것이 가능하다.
한편, PWM 제어 방식의 경우에는, 펠티에 소자(12)에 인가 전압(V)을 인가하는 때에, 전원측에 피크 전류가 흐르기 때문에, 평균 전류는, 가변 전압 제어 방식의 경우와 같더라도, 피크 전류를 완전히 제한할 수가 없다.
그리고, 도 17에 있어서, PWM 제어 방식의 경우에는, 주기(T8)에서 그리고 듀티비 50%의 펄스 전압을 시점(t9)로부터 반복하여 펠티에 소자(12)에 인가한다. 또한, 본 실시 형태에서의 가변 전압 제어 방식에서는, 시점(t9)로부터, PWM 제어 방식에서의 평균 전압에 대응한 DC 전압을 인가 전압(V)으로서 펠티에 소자(12)에 인가한다.
여기서, 전술한 (A) 및 (B)의 모드에서의 제어 방법의 상세에 관한 더욱 상세한 설명이 도 18 및 도 19를 참조하며 이루어질 것이다.
(A)의 모드는, 펠티에 소자(12)에 인가하는 인가 전압(V)의 최대값(Vmax)을 낮춰버리는 방법이다.
구체적으로는, 도 18에서 실선으로 나타낸 바와 같이, 가열 능력 또는 냉각 능력이 100%인 경우에는, 조작량 -100%~+100%에 대하여, 인가 전압(V)은 -40V~+40V의 범위로 변화한다. 한편, (A)의 모드가 기능하여, 가열 능력 및 냉각 능력을 20% 낮춘 경우에는, 도 18에 있어서, 일점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 조작량 -100%~+100%에 대하여, 인가 전압(V)이 -32V~+32V로 스케일링 변경된다.
이 경우, ±32V를 넘는 인가 전압(V, 출력량)을 단순히 제한함으로써, 조작량 +80%~+100% 및 -80%~-100%의 각 구간에서, 출력량이 변화하지 않는 데드 존(dead zone)이 발생하고, 온도 제어성이 저하하는 일을 막기 위해서이다.
그리고, 본 실시 형태에서는, (A)의 모드를 기능시키는 경우, 도 18의 실선의 특성은 유지하고, 조작량의 상, 하한값을 ±80%로 제한하고, -80%~+80%의 구간 내에서 인가 전압(V)을 가변 제어시키는 것도 가능하다.
한편, (B)의 모드에서는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 순환액(18)의 설정 온도가 변경되었을 때나, 온도 조절 장치(10)의 시동시 등, 순환액(18)의 설정 온도와 현재 온도가 차이난 경우에, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력을 제한하는 것이다. 이 경우, 설정 온도가 변경된 시점(t10)으로부터 가열 능력 및 냉각 능력이 제한되고, 시점(t11)에서 현재 온도가 설정 온도(도 19에서는 40℃)에 도달하면, 가열 능력 및 냉각 능력에 대한 제한이 해제된다. (B)의 모드를 행하기 위하여는, 파라미터 설정부(56)에 의하여 설정 온도를 메모리(78)에 설정함과 동시에, 온도 센서(36)에서 순환액(18)의 현재 온도를 검출하고, 제어회로(58)에 있어서, 설정 온도와 현재 온도의 비교를 기반으로 하여, 가열 능력 및 냉각 능력에 대한 제한 및 그 해제를 판단할 수 있을 것이다.
[본 실시 형태의 제3의 효과의 설명]
펠티에 소자(12)을 이용한 온도 조절 유닛(16)에서는, 펠티에 소자(12)를 하나만 사용하는 일이 없이, 도 6과 같이, 복수매의 펠티에 소자(12)를 조합시켜 사용하고 있다.
예를 들면, A열의 펠티에 소자(12)들 중 하나가 고장난 경우, 인가 전류(I)는 B열을 통하여만 흐르게 될 것이다. 이 결과, 온도 조절 유닛(16)을 포함하는 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력이 반감한다. 따라서, 순환액(18)의 온도를 일정 온도로 유지할 수 없게 되면, 온도 제어에 이상이 있다고 하여, 사전에 고장 대응이 가능하게 될 것이다.
그러나, 부하(20)가 반도체 제조 장치인 경우, 프로세스 정지 중은 열 부하가 작으므로 순환액(18)의 온도를 일정 온도로 유지할 수 없으나, 한편으로, 프로세스가 개시되면, 열 부하가 커지게 되어, 상기 온도를 일정 온도로 유지할 수 없게 된다. 따라서, 부하(20)측에서 2차적인 문제가 발생하는 경우가 있다.
또한, 단순한 전류 제어 방식으로 펠티에 소자(12)를 구동하는 경우, B열만으로 인가 전류(I)가 흐르면, B열측의 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장이 발생할 우려가 있다.
따라서, 펠티에 소자(12)가 고장난 시점에서 상기 고장을 검출할 수 있으면, 상기의 문제를 해결할 수 있다.
여기서, 본 실시 형태에 의하면, 파라미터 설정부(56)로부터 메모리(78)에, 펠티에 소자(12)의 고장 검출 조건을 설정하고, 고장 판정부(82)에 있어서, 펠티에 소자(12)의 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)로부터 펠티에 소자(12)의 고장 유무를 판단하게 한다.
더욱 구체적으로는, 인가 전압(V)과 인가 전류(I)의 특성은 펠티에 소자(12)의 조합 방법과 온도차(ΔT)에 의하여 결정된다. 따라서, 인가 전압(V)에 대한 인가 전류(I)의 값이 상기 특성으로부터 크게 다르면, 펠티에 소자(12)에 어떠한 이상이 발생하고 있는가 용이하게 판단할 수 있다.
[본 실시 형태의 효과]
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 온도 조절 장치(10)에서는, 제어회로(58)가, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 도입하여 소망하는 출력량을 산출하고, 산출한 소망하는 출력량에 기반으로 하는 제어량으로 구동회로(66)를 제어한다. 즉, 제어회로(58)는, 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 전기적인 상태를 반영하는 피드백 제어를 채용하고 있다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 읽어들이지 않는 제어(상기 전기적인 상태를 반영하지 않는 베어(개루프 제어))를 채용하고 있는 선행문헌의 기술과 비교하여, 본 실시 형태에서는, 펠티에 소자(12)의 성능 저하 및 고장 발생을 회피할 수 있다. 이러한 결과, 본 실시 형태에서는, 펠티에 소자(12)의 최대 정격값까지 온도 조절 장치(10)를 동작시키는 것이 가능하게 되므로, 상기 온도 조절 장치(10)의 온도 조절 능력(순환액(18)에 대한 가열 능력 및 냉각 능력)을 향상시킬 수 있다.
또한, 검출된 인가 전압(V), 인가 전류(I) 및 기전력(Ve)을 이용하여 제어회로(58)는 구동회로(66)에 대한 제어량을 결정하고, 상기 제어량으로 구동회로(66)를 제어한다. 따라서, 가변 전원(62)으로부터 펠티에 소자(12)에 적절한 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 공급하는 것이 가능하게 된다.
또한, 가변 전원(62)은 제어량에 대응하여 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 시간 경과에 대하여 연속적으로 변화시키는 가변 제어를 행하고 있으므로, PWM 제어와 같은 온오프가 반복됨에 기인하는 피크 전류의 발생을 저지할 수 있게 된다.
또한, 펠티에 소자(12)의 동작에 관한 파라미터를 설정하는 파라미터 설정부(56)로부터 제어회로(58)의 메모리(78)에 설정되므로, 제어회로(58)는 파라미터, 검출된 인가 전압(V), 인가 전류(I) 및 기전력(Ve)을 기반으로 하여, 구동회로(66)를 제어한다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 구동을 최적화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 인가 전압(V)이 최대 전압값(Vtmax, Vcmax)을 넘어서, 인가 전류(I)가 전류 제한값(Itlim, Iclim)을 넘거나, 온도차가 온도차 제한값(Δtlim)을 넘으면, 펠티에 소자(12)의 성능이 저하되고, 상기 펠티에 소자(12)가 고장날 우려가 있다. 즉, 파라미터인 최대 전압값(Vtmax, Vcmax), 전류 제한값(Itlim, Iclim) 및 온도차 제한값(Δtlim)과의 비교를 기반으로 하여, 제어회로(58)가 구동회로(66)를 제어함으로써, 온도 조절 장치(10)는, 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장을 야기시키는 일이 없이, 상기 펠티에 소자(12)의 최대 정격값(최대 전압값(Vtmax, Vcmax), 전류 제한값(Itlim, Iclim), 온도차 제한값(Δtlim))까지 사용하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 온도 조절 장치(10)의 가열 능력 및 냉각 능력을 최대한으로 끌어내는 것이 가능함과 동시에, 순환액(18)의 온도 관리(감시)를 적절히 실시하는 것이 가능하게 된다.
더욱 구체적으로, 펠티에 소자(12)는, 흡열측과 방열측의 온도차(ΔT)에 수반하여, 상기 펠티에 소자(12)의 저항값이나 흡열량(기전력(Ve))이 변화하는 특성을 가진다. 따라서, 같은 전압을 펠티에 소자(12)에 인가하여도, 상기 펠티에 소자(12)의 온도 상태에 의하여, 인가 전류(I)가 최대 정격값(전류 제한값(Itlim, Iclim))을 넘는 경우가 있다. 따라서, 전류 제한값(Itlim, Iclim)을 넘는 인가 전류(I)가 흐른 경우에는, 정전류 동작으로 스위칭함으로써, 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장을 효과적으로 회피할 수 있다. 또한, 인가 전류(I)가 전류 제한값(Itlim, Iclim) 이하로까지 저하했을 때, 정전류 동작으로부터 가변 전압 제어로 되돌림으로써, 본래의 제어로 신속하게 복귀할 수 있다.
또한, 온도차 변환부(80)에서 변환된 온도차(Δt)가 온도차 제한값(Δtlim)을 넘은 경우에는, 제어회로(58)는 온도차(Δt)가 온도차 제한값(Δtlim) 이하가 되도록 가변 전원(62)을 제어하고, 인가 전압(V)의 값을 낮춘다. 따라서, 온도차 제한값(Δtlim)을 넘는 온도 상승에 기인한 펠티에 소자(12)의 성능 저하 또는 고장 발생을 효과적으로 회피하는 것이 가능하게 된다.
그러나, 온도차(Δt)가 온도차 제한값(Δtlim) 이하가 되도록 가변 전원(62)을 제어하고 있음에도 상관없이, 온도차(Δt)가 계속 상승하고 있는 경우에는, 제어회로(58)는, 가변 전원(62)으로부터 펠티에 소자(12)로 인가 전압(V)의 인가를 정지시킬 필요가 있다. 종래, 펠티에 소자(12)가 고온 상태가 된 경우, 서모스탯(60) 등에 의한 검출로 인가 전압(V)의 인가를 정지시켰다. 그러나, 본 실시 형태에 의하면, 온도차(Δt)를 감시하고 있으므로, 펠티에 소자(12)가 이상인 상태가 되기 전에 인가 전압(V)의 인가를 정지시킬 수 있다.
또한, 제어회로(58)는, 극성 반전회로(50)에 의하여 펠티에 소자(12)에 인가되는 인가 전압(V)의 극성이 스위칭되었을 때, 인가 전류(I)를 일정값으로 유지하는 정전류 제어를 행함과 동시에, 인가 전류(I)의 시정수가 길어지도록 가변 전원(62)을 제어할 수 있다. 따라서, 극성을 스위칭할 때마다 과전류가 발생하여 펠티에 소자(12)의 성능 저하나 고장이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제어회로(58)가 가변 전원(62)을 제어하여 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 조정함으로써, 펠티에 소자(12)의 가열 능력 및 냉각 능력을 자유로이 변화시킬 수 있게 된다. 따라서, 파워 세이빙 값을 설정하고, 설정한 파워 세이빙 값을 기반으로 하여 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 제한하는 파워 세이빙 동작을 행함으로써, 온도 조절 장치(10)의 전력 절약화(에너지 절약화)를 실현할 수 있다.
이 경우, 파워 세이빙 동작값을 기반으로 하여, 제어회로(58)가 조작량에 대한 인가 전압(V)의 출력 범위를 제한하면, 온도 조절 장치(10)의 최대 전력 소비를 낮출 수 있다.
또한, 순환액(18)의 온도가 파워 세이빙 동작값에 대응한 소정 온도에 도달하기까지는, 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)를 제한하는 한편, 순환액(18)의 온도가 소정 온도에 도달하면, 인가 전압(V) 및 인가 전류(I)에 대한 제한이 해제된다.
따라서, 파라미터 설정부(56)에 의한 설정 온도의 변경시나 온도 조절 장치(10)의 시동시 등, 펠티에 소자(12)의 현재 온도와 설정 온도에 차이가 있는 경우에는, 온도 조절 능력을 제한하고, 펠티에 소자(12)의 온도를 설정 온도까지 시간에 걸쳐 변화시키고, 상기 펠티에 소자(12)의 온도가 설정 온도에 도달하여 안정되며, 온도 조절 능력에 대한 제한이 해제된다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 온도가 상승되는 시간에 따른 전력 절약화를 실현할 수 있다.
또한, 제어회로(58)가 고장 판정부(82)를 구비함으로써, 펠티에 소자(12)의 고장을 신속하고 확실하게 검출할 수 있다. 이와 같이, 제어회로(58)에 고장 판정부(82)가 구비됨으로써, 인가 전압 검출회로(48)에 의하여 검출된 인가 전압(V)으로부터, 컨버터(44)의 출력(인가 전압(V))이 이상인지 아닌지(컨버터(44)가 고장인지 아닌지)를 고장 판정부(82)로 판정(진단)시키는 것도 가능하게 된다. 그리고, 고장 판정부(82)는, 인가 전압 검출회로(48)에 의하여 검출된 인가 전압(V)과, 기전력 검출회로(52)에 의하여 검출된 기전력(Ve)을 비교하여, 극성 반전회로(50)가 고장인지 아닌지를 판정(진단)하는 것도 가능하게 된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 펠티에 소자(12)에 대한 인가 전압(V)의 인가를 일시 정지시킨 시간대에 기전력(Ve)을 검출하고, 기전력(Ve)의 검출이 완료되면 인가 전압(V)의 인가를 재개한다. 따라서, 인가 전압(V)의 인가와 기전력(Ve)의 검출이 번갈아 실시된 경우, 기전력(Ve)의 검출 시간을 인가 전압(V)의 인가 시간보다도 짧게 설정한다. 따라서, 펠티에 소자(12)의 흡열측 및 방열측의 열 영향과, 순환액(18)의 온도 변화의 영향을 억제하고, 정확한 기전력(Ve)을 측정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 기전력 검출회로(52)가 다이오드 브릿지 회로로 구성되어 있으면, 펠티에 소자(12)의 기전력(Ve)의 방향(극성)이 변화한 경우라도, 어느쪽의 극성의 기전력(Ve)을 측정하는 것도 가능하게 된다. 다이오드 브릿지 회로의 경우, 기전력(Ve)은, 각 다이오드(52a~52d)의 순방향 전압(VF) 이상의 전압값일 필요가 있다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 비교적 큰 온도차(ΔT)를 측정할 수 없는 문제가 발생하는 것을 회피할 수 있다.
위에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 서술하였으나, 본 발명에 따른 상기 온도 조절 장치는 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 청구되는 청구항에서 본 발명의 범위를 벗어나는 일이 없이 다양한 변형과 수정들이 가해질 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 펠티에 소자(12)를 이용하여 제어 대상(18)의 온도를 조절하는 온도 조절 장치(10)에 있어서,
    상기 펠티에 소자(12)를 소망하는 출력량으로 구동시키는 구동회로(66)와,
    상기 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태를 검출하는 상태 검출기(70)와,
    적어도 상기 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태에 기반으로 하는 소망하는 출력량을 산출하고, 상기 소망하는 출력량으로 상기 펠티에 소자(12)를 구동시키기 위한 제어량을 결정하며, 상기 제어량으로 상기 구동회로(66)를 제어하는 제어회로(58)와,
    상기 펠티에 소자(12)의 동작에 관한 파라미터를 설정하는 파라미터 설정부(56)와,
    상기 제어 대상(18)의 온도를 검출하는 온도 센서(36)와,
    상기 제어 대상(18)의 온도를 소망하는 온도로 조절하기 위한 조작량을 상기 제어회로(58)에 출력하는 온도 조절기(54)
    를 포함하며,
    상기 구동회로(66)는 상기 출력량으로서의 DC 전압을 상기 펠티에 소자(12)에 인가함으로써 상기 펠티에 소자(12)에 직류 전류를 흘리는 DC 전원(62)을 구비하며,
    상기 DC 전원(62)은 상기 DC 전압의 값을 변경함으로써 상기 직류 전류의 값을 변화시키는 것이 가능한 가변 전원이며,
    상기 제어회로(58)는 상기 DC 전원(62)을 제어함으로써, 상기 DC 전압의 값 및 상기 직류 전류의 값을 상기 제어량에 대응한 소망하는 값으로 변경하는 가변 제어를 실시하며,
    상기 펠티에 소자(12)의 전기적인 상태는, 상기 DC 전압, 상기 직류 전류, 그리고 상기 펠티에 소자(12)의 기전력에 의하여 정의되며,
    상기 상태 검출기(70)는 상기 DC 전압을 검출하는 전압 검출회로(48), 상기 직류 전류를 검출하는 전류 검출회로(46), 그리고 상기 기전력을 검출하는 기전력 검출회로(52)를 포함하며,
    상기 파라미터 설정부(56)는 상기 제어 대상(18)에 대한 상기 펠티에 소자(12)의 온도 조절 능력을 제한하기 위한 온도 조절 능력 제한값을 설정하며,
    상기 제어회로(58)는,
    상기 조작량, 상기 파라미터, 상기 전압 검출회로(48)가 검출한 DC 전압, 상기 전류 검출회로(46)가 검출한 직류 전류, 및 상기 기전력 검출회로(52)가 검출한 기전력을 기반으로 하여 상기 구동회로(66)를 제어하고, 상기 온도 조절 능력 제한값을 기반으로 하여 상기 DC 전원(62)을 제어함으로써, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 제한하며,
    상기 DC 전원(62)으로부터 상기 펠티에 소자(12)에 DC 전압을 인가하고 있는 경우에, 상기 전류 검출회로(46)에서 검출된 직류 전류가, 상기 펠티에 소자(12)에 흘릴 수 있는 직류 전류의 최대값인 전류 제한값을 넘으면, 상기 DC 전원(62)에 대한 제어를, 상기 DC 전압의 값을 변경 가능한 가변 전압 제어로부터, 상기 직류 전류를 상기 전류 제한값으로 유지하는 동안 상기 DC 전압의 값을 소정값으로 유지하는 정전류 동작으로 스위칭하며,
    한편, 상기 전류 검출회로(46)에서 검출된 직류 전류가 상기 전류 제한값 이하가 되면, 상기 DC 전원(62)에 대한 제어는 상기 정전류 동작으로부터 상기 가변 전압 제어로 되돌려지는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터는 상기 펠티에 소자(12)에 인가할 수 있는 DC 전압의 최대값인 최대 전압값, 상기 전류 제한값, 그리고 상기 기전력에 대응하는 상기 펠티에 소자(12)의 흡열측과 방열측의 온도차의 허용값인 온도차 제한값이며,
    상기 제어회로(58)는,
    상기 기전력 검출회로(52)에 의하여 검출된 기전력을 상기 온도차로 변환하는 온도차 변환부(80)를 더 포함하고,
    상기 구동회로(66)는 상기 전압 검출회로(48)에 의하여 검출된 DC 전압과 상기 최대 전압값의 비교, 상기 전류 검출회로(46)에 의하여 검출된 직류 전류와 상기 전류 제한값의 비교, 그리고 상기 온도차 변환부(80)에서 변환된 온도차와 상기 온도차 제한값의 비교를 기반으로 하여 제어되는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 온도차 변환부(80)에서 변환된 온도차가 상기 온도차 제한값을 넘은 경우, 상기 제어회로(58)는 상기 온도차가 상기 온도차 제한값 이하가 되도록 상기 DC 전원(62)을 제어하고, 상기 DC 전압의 값을 저하시키는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 온도차가 상기 온도차 제한값 이하가 되도록 상기 DC 전원(62)이 제어되고 있지만, 상기 온도차가 계속 상승하고 있는 경우, 상기 제어회로(58)는 상기 DC 전원(62)으로부터 상기 펠티에 소자(12)로 상기 DC 전압의 인가를 정지시키는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동회로(66)는, 상기 DC 전원(62)으로부터 출력된 상기 DC 전압의 극성을 스위칭하여, 극성이 스위칭된 상기 DC 전압을 상기 펠티에 소자(12)에 인가시키는 극성 반전회로(50)를 더 포함하고,
    상기 극성 반전회로(50)에 의하여 상기 펠티에 소자(12)에 인가되는 상기 DC 전압의 극성이 스위칭되었을 때, 상기 제어회로(58)는 상기 직류 전류를 일정값으로 유지하는 정전류 제어를 수행하고, 상기 직류 전류의 시정수(time constant)가 길어지도록 상기 DC 전원(62)을 제어하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 조절 능력 제한값을 기반으로 하여, 상기 제어회로(58)는 상기 조작량에 대한 상기 DC 전압의 출력 범위를 제한하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어회로(58)는 상기 제어 대상(18)의 온도가 상기 온도 조절 능력 제한값에 대응한 소정 온도에 도달하기까지는 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류를 제한하는 한편, 상기 제어 대상(18)의 온도가 상기 소정 온도에 도달하면, 상기 DC 전압 및 상기 직류 전류에 대한 제한을 해제하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어회로(58)는, 상기 전류 검출회로(46)에 의하여 검출된 직류 전류의 값이, 상기 기전력에 대응한 상기 펠티에 소자(12)의 흡열측과 방열측의 온도차를 기반으로 하여 DC 전압과 직류 전류의 특성으로부터 벗어나는 경우에는, 상기 펠티에 소자(12)가 고장났다고 판정하는 고장 검출부(82)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어회로(58)는 상기 DC 전원(62)으로부터 상기 펠티에 소자(12)에 대한 상기 DC 전압의 인가를 일시 정지시킨 시간대에 상기 기전력 검출회로(52)에 의해 상기 기전력의 검출을 행하도록 하고, 상기 기전력의 검출이 완료되면 상기 DC 전원(62)으로부터 상기 펠티에 소자(12)에 대하여 상기 DC 전압을 재인가하며(reapplies),
    상기 DC 전압의 인가와 상기 기전력의 검출이 번갈아 실시된 경우에, 상기 기전력의 검출 시간은 상기 DC 전압이 인가되는 동안의 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 기전력 검출회로(52)는 다이오드 브릿지 회로인 것을 특징으로 하는 온도 조절 장치(10).
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