WO2009150725A1 - 電子熱交換素子の制御方法、制御装置、熱交換モジュールおよび当該モジュールを用いた浄水器 - Google Patents

電子熱交換素子の制御方法、制御装置、熱交換モジュールおよび当該モジュールを用いた浄水器 Download PDF

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保正 長尾
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崔 炳奎
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2107—Temperatures of a Peltier element

Definitions

  • the present invention relates to an electronic heat exchange element control method, an electronic heat exchange element control device, a heat exchange module using the control method or the control device, and the module and drinking water cooled or heated using the module. It is about the water purifier to get.
  • the Peltier element is a plate-like element that utilizes a phenomenon in which heat is generated or absorbed when a contact surface of a dissimilar metal or semiconductor is energized, and has a heat absorption surface and a heat dissipation surface.
  • it is a plate-like semiconductor element utilizing the Peltier effect that heat is transferred from one metal to the other when an electric current is passed through the junction of two kinds of metals.
  • the Peltier element has a feature that the heat transfer direction can be reversed because the direction of heat flow is reversed by reversing the direction of direct current flow.
  • the cooling efficiency is inferior to the heat pump cooling method used for household electric refrigerators and air conditioners, but it has the advantage that the volume of the device can be reduced and noise and vibration are not generated.
  • Peltier element control method and Peltier element control circuit Japanese Patent Laid-Open No. 2004-356449
  • Water purifier with cooling function Japanese Patent Laid-Open No. Hei 11 (1998)).
  • No. 10-118637 Japanese Patent Laid-Open No. 2008-106958
  • JP 2004-356449 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-118637 JP 2008-106958 A
  • the performance of the Peltier element is expressed by the maximum heat absorption amount (Qmax), the maximum current (Amax), the maximum voltage (Vmax), and the maximum temperature difference ( ⁇ Tmax). Therefore, 50-60% of the maximum voltage is said to be the optimum voltage.
  • the cooling mechanism since the heat dissipation amount of the element itself is large, the cooling mechanism has a disadvantage that the power efficiency is poor, the power consumption is large, and the Peltier element itself has a difficulty in cooling.
  • the present inventor is conducting an experiment to obtain cold water or hot water using a heat exchange module composed of a thermal circuit board and a Peltier element (electronic heat exchange element) according to the inventor's proposal.
  • Peltier elements are sandwiched between two or more thermal circuit boards, and a refrigerant or a heat medium is supplied to the heat exchange gap of each of the thermal circuit boards to supply the refrigerant.
  • a heat exchange module having a structure capable of cooling or heating the heating medium alone is used.
  • Such a situation is not limited to the case of cooling water, but the same applies to the case of heating.
  • the present inventor has found that when the temperature difference between the heat generation side and the heat absorption side of the electronic heat exchange element reaches a predetermined value, Obtaining knowledge that the total amount of power can be reduced by changing the current or power input to the exchange element according to a predetermined function, and the time required for cooling and heating can be shortened. It came to be completed.
  • the present invention provides a method for controlling an electronic heat exchange element, a control device for an electronic heat exchange element, which can reduce the total amount of electric power and improve energy saving, and can reduce the time required for cooling and heating. It aims at providing the heat exchanger module using the control method or the said control apparatus, and the water purifier using the said module.
  • control method for an electronic heat exchange element is a control method for an electronic heat exchange element that performs temperature control by controlling current or power applied to the electronic heat exchange element.
  • a first current or power application process for increasing or decreasing the current or power applied to the electronic heat exchange element with the passage of time based on the first function when the current or power is applied;
  • the current or power applied to the electronic heat exchange element is increased or decreased over time based on a second function different from the first function. And at least a second current or power application process.
  • the method for controlling an electronic heat exchange element according to claim 2 further includes a setting process for setting a target temperature value to be obtained in advance for the invention according to claim 1, and in the second current or power application process.
  • the current or power is increased or decreased in consideration of the temperature difference between the temperature value on the heat generation side of the electronic heat exchange element measured in the measurement process and the target temperature value set in the setting process.
  • the method for controlling an electronic heat exchange element according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the electronic heat exchange element is a Peltier element.
  • the method for controlling an electronic heat exchange element according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the first function is a linear function having the temperature difference as an argument, The second function is a nonlinear function having the temperature difference as an argument.
  • the method for controlling an electronic heat exchange element according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the first function is a linear function having the temperature difference as an argument.
  • the second function is a quadratic function having the temperature difference as an argument.
  • the electronic heat exchange element control method according to any one of the first to third aspects, wherein the first function is a linear function having the temperature difference as an argument.
  • the second function is an n-order function having the temperature difference as an argument (where n is an integer of 3 or more).
  • the electronic heat exchange element control method according to any one of the first to third aspects, wherein the first function is a linear function having the temperature difference as an argument.
  • the second function is an exponential function having the temperature difference as an argument.
  • the method for controlling an electronic heat exchange element according to claim 8 is characterized in that, for the invention according to any one of claims 1 to 7, the predetermined value is ⁇ 70 to 70 ° C.
  • the control apparatus for an electronic heat exchange element is a control apparatus for an electronic heat exchange element that controls temperature by controlling current or power applied to the electronic heat exchange element.
  • a first current or power application means for sometimes increasing or decreasing the current or power applied to the electronic heat exchange element over time based on a first function; and a temperature difference between the heat generation side and the heat absorption side of the electronic heat exchange element.
  • at least a second current or power application means for increasing or decreasing the current or power applied to the electronic heat exchange element over time based on a second function different from the first function. And features.
  • the control device for an electronic heat exchange element according to claim 10 further includes setting means for setting a target temperature value to be obtained in advance for the invention according to claim 9, wherein the second current or power application means is: The current or power is increased or decreased in consideration of the temperature difference between the temperature value on the heat generation side of the electronic heat exchange element measured by the measuring means and the target temperature value set in the setting process.
  • the heat exchange module according to claim 11 is the control method for the electronic heat exchange element according to any one of claims 1 to 8, or the electronic heat exchange element according to any one of claims 9 or 10.
  • One or two or more electronic heat exchange elements whose temperature is controlled by applying a control device, and a gap through which a predetermined refrigerant or a predetermined heat medium circulates are provided in close contact with the heat absorption side or heat generation side of the electronic heat exchange element.
  • a third heat conductor interposed between the heat conductor and a gap, and the third heat conductor, the first heat conductor, and the second heat conductor are chemically It is characterized by being connected.
  • a heat exchange module according to a twelfth aspect of the invention according to the eleventh aspect is characterized in that the chemical bond is a metal bond, a hydrogen bond, an ionic bond or a van der Waals bond.
  • the heat exchange module according to claim 13 is the third heat conductor, the first heat conductor, and the second heat conductor according to the invention of claim 11 or claim 12. And are connected through an insulating thin film.
  • the heat exchange module according to claim 14 is the invention according to any one of claims 11 to 13, wherein the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is water, a fluorine-based inert liquid, a glycerin aqueous solution, or It is alcohol.
  • the first thermal conductor, the second thermal conductor, and the third thermal conductor are copper. It is characterized by being composed of stainless steel, titanium, platinum, a metal compound, or a high thermal conductive ceramic.
  • the heat exchange module according to any one of the eleventh to fifteenth aspects, wherein the electronic heat exchange element has a predetermined surface on a surface opposite to a side where the thermal circuit board is disposed.
  • a buffer tank or a solid buffer storing a refrigerant or a predetermined heat medium is disposed so as to be in close contact.
  • the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium stored in the buffer tank is water, a glycerin aqueous solution, or oil.
  • the solid buffer is made of a low melting point metal.
  • the buffer tank is an inner wall of a tank body in which the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is stored. Further, a plurality of radiating fins are provided.
  • the buffer tank or the solid buffer is opposite to the side where the electronic heat exchange element is disposed.
  • the temperature control is performed by applying the electronic heat exchange element control method according to any one of claims 1 to 8 or the control apparatus for an electronic heat exchange element according to any one of claims 9 or 10 to the surface.
  • One or more auxiliary electronic heat exchange elements are disposed.
  • a heat exchange module according to a twenty-first aspect relates to the invention according to the twentieth aspect, wherein the auxiliary electronic heat exchange element has an air-cooled type on a surface opposite to a side where the buffer tank or the solid buffer is disposed.
  • a heat sink or a cooling fan is provided.
  • a heat exchange module according to a twenty-second aspect relates to the invention according to any one of the sixteenth to twenty-first aspects, wherein the buffer tank circulates the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium stored in the tank. It is characterized by comprising a circulating means.
  • the heat exchange module according to claim 23 is the invention according to any one of claims 16 to 22, wherein the buffer tank includes a safety valve for adjusting a pressure in the tank.
  • a heat exchange module is the invention according to any one of the sixteenth to twenty-third aspects, wherein each of the electronic heat exchange elements is linearly arranged along the buffer tank or the solid buffer.
  • One thermal circuit board is extended in the longitudinal direction so as to be in close contact with each electronic heat exchange element, and the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium continuously flows in the longitudinal direction of the thermal circuit board. It is characterized by being configured.
  • the water purifier according to claim 25 is cooled or heated by the electronic heat exchange element that is circulated in the gap of the heat exchange module according to any of claims 11 to 24 and the thermal circuit board. And a storage tank in which water as a refrigerant or a heat medium is stored.
  • the electronic heat exchange element is applied to the electronic heat exchange element. Since the current or power to be generated is increased with the passage of time based on the second function different from the first function, the total amount of applied electric power can be reduced to improve the energy saving property, and the cooling The time required for heating can be shortened.
  • the temperature value on the heat generation side of the electronic heat exchange element measured in the measurement process, and in the setting process The current or power is increased or decreased in consideration of the temperature difference from the set target temperature value, so that the total amount of power applied can be reduced to improve energy savings, and the time required for cooling and heating Can be shortened.
  • a predetermined amount for example, 2 liters
  • refrigerant water
  • room temperature for example, 32 ° C.
  • a predetermined temperature for example, 3 ° C.
  • the total amount of power applied can be reduced by about 60% as compared with a conventional control method (for example, a control method that performs linear control consistently).
  • the electronic heat exchange element is a Peltier element
  • the total amount of electric power applied to the Peltier element can be reduced and energy saving can be improved.
  • the time required for cooling and heating can be shortened.
  • the first function is a linear function having a temperature difference as an argument
  • the second function is a nonlinear function having a temperature difference as an argument. It is possible to easily reduce the time required for cooling and heating by improving the energy saving performance by reducing the total amount of power applied.
  • the first function is a linear function with a temperature difference as an argument
  • the second function is a quadratic function with a temperature difference as an argument. Therefore, it is possible to easily reduce the time required for cooling and heating by improving the energy saving performance by reducing the total amount of power applied.
  • the first function is a linear function with a temperature difference as an argument
  • the second function is an n-order function with a temperature difference as an argument (however, , N is an integer of 3 or more)
  • the first function is a linear function with a temperature difference as an argument
  • the second function is an exponential function with a temperature difference as an argument.
  • the predetermined value is ⁇ 70 to 70 ° C., so that energy saving can be improved according to conditions and environment.
  • the power is increased over time based on a second function different from the first function, so that the total amount of power applied can be reduced to improve energy saving, cooling, heating Can be shortened.
  • the temperature value on the heat generation side of the electronic heat exchange element measured by the measurement means the setting means
  • the current or power is increased or decreased in consideration of the temperature difference from the set target temperature value, so that the total amount of power applied can be reduced to improve energy savings, and the time required for cooling and heating Can be shortened.
  • One or two or more electronic heat exchange elements whose temperature is controlled by applying an element control device, and a gap through which a predetermined refrigerant or a predetermined heat medium flows, close to the heat absorption side or heat generation side of the electronic heat exchange element Since one or two or more thermal circuit boards or the like arranged in this manner are used, cooling or heating can be performed more efficiently.
  • thermal conductivity of the fluid flow path increases in inverse proportion to the thickness of the thermal circuit board, heat can be transferred more efficiently by applying a thin thermal circuit board to the heat exchange module. It becomes possible.
  • the chemical bond is a metal bond, a hydrogen bond, an ionic bond or a van der Waals bond, even if it is used for a long time, an adhesive or polyimide (polyimide) is used.
  • Adhesives do not elute into the refrigerant, and the accuracy of sensors (for example, biosensors, chemical sensors, etc.) due to the elution of adhesive or polyimide into the refrigerant will not be adversely affected. It can also be used for cooling of water.
  • the heat exchange module of claim 13 since the first heat conductor and the second heat conductor are coupled via the insulator thin film, the heat can be transferred more efficiently. Is possible.
  • the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is water, a fluorine-based inert liquid, a glycerin aqueous solution, or alcohol.
  • a heat medium can be selected.
  • the first thermal conductor, the second thermal conductor, and the third thermal conductor are copper, stainless steel, titanium, platinum, a metal compound, or a high thermal conductive ceramic. Therefore, heat can be transferred more efficiently.
  • a buffer tank or a solid buffer storing a predetermined refrigerant or a predetermined heat medium is provided on a surface opposite to the side on which the thermal circuit board is disposed. Since it arrange
  • the heat exchange module of claim 17 since the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium stored in the buffer tank is water, a glycerin aqueous solution, or oil, the heat exchange module is applied to a water purifier. High safety can also be obtained when producing cooled drinking water or the like.
  • the solid buffer is made of a low melting point metal, the cooling efficiency or the heating efficiency of the electronic heat exchange element can be improved with a simpler structure.
  • the buffer tank is provided with a plurality of radiating fins on the inner wall of the tank body in which the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is stored, the electronic heat exchange element The cooling efficiency or heating efficiency can be further improved.
  • the electron according to any one of claims 1 to 7 is provided on a surface opposite to the side on which the electronic heat exchange element is disposed. Since one or more auxiliary electronic heat exchange elements whose temperature is controlled by applying the method for controlling a heat exchange element or the electronic heat exchange element control device according to claim 8 are disposed, a buffer tank or The solid buffer can be efficiently cooled or heated, and as a result, the cooling efficiency or heating efficiency of the electronic heat exchange element can be further improved.
  • the air-cooled heat sink or the cooling fan is disposed on the surface opposite to the side on which the buffer tank or the solid buffer is disposed. Therefore, the buffer tank or the solid buffer can be cooled or heated more efficiently, and as a result, the cooling efficiency or heating efficiency of the electronic heat exchange element can be further improved.
  • the buffer tank since the buffer tank includes a circulation means for circulating the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium stored in the tank, the buffer tank is cooled more efficiently. Or it can heat and by extension, the cooling efficiency or heating efficiency of an electronic heat exchange element can be improved further.
  • the buffer tank includes a safety valve that adjusts the pressure in the tank, the heat exchange module is applied to a water purifier to generate cooled drinking water or the like. Even in the case, high safety can be obtained.
  • each electronic heat exchange element is arranged linearly along a buffer tank or a solid buffer, and the one heat circuit is in close contact with each electronic heat exchange element. Since the substrate is extended in the longitudinal direction and the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is continuously circulated in the longitudinal direction of the thermal circuit substrate, the predetermined refrigerant or the predetermined heat medium is more efficiently used. Can be cooled or heated.
  • the heat exchanger module according to any one of claims 11 to 24 and the heat circuit board are circulated through the gap of the heat circuit board and cooled or heated by the electronic heat exchange element. Since the storage tank in which water as a refrigerant or a heat medium is stored is provided, it is possible to obtain efficiently cooled drinking water or hot water while suppressing power consumption.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a process for bonding the thermal circuit substrate 10.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a process for bonding the thermal circuit substrate 10.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a process for bonding the thermal circuit substrate 10.
  • 2 is a cross-sectional view showing an application example of a thermal circuit board 10.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the distribution
  • M1, M2 Heat exchange modules Pa Pa1 to Pa6
  • Pb Pb1, Pb2
  • Peltier elements electrowetting heat exchange elements
  • 10 thermal circuit board 10a channel 12 heat sink for heat dissipation (air-cooled heat sink) 13
  • Electric radiator fan cooling fan
  • Heat dissipation buffer tank buffer tank
  • control device first current or power application means, determination means, second current or power application means
  • Circulator (Circulation Means) 300
  • Solid buffer F1, F2 Fluid SE1-4 Temperature sensor (measuring means) W Cooling water
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a heat exchange module according to the first embodiment of the present invention.
  • a heat exchange module M1 includes a plurality (6 in the example shown in FIG. 1) of Peltier elements Pa (Pa1 to 6) as electronic heat exchange elements, and one of each Peltier element Pa (Pa1 to 6).
  • One thermal circuit board 10 disposed in close contact with the surface of the Peltier element Pa (Pa1 to Pa6) in close contact with the heat-dissipating grease etc.
  • Temperatur sensors SE 1 to 4 such as platinum resistance thermometers, thermistors, thermocouples disposed at a plurality of locations (details will be described later), and temperature sensors SE 1 to 4
  • a control device configured to control the temperature of the Peltier elements Pa (Pa1 to Pa6) and Peltier elements Pb (Pb1, Pb2) based on the temperature information 2 current or power application means) 100 and the like.
  • the heat dissipation buffer tank 20 is not particularly limited, it is made of a heat good conductor such as aluminum, copper, and stainless steel, and, for example, 2 liters of cooling water W is enclosed therein.
  • a circulator 200 that circulates cooling water in the tank 20 is provided below the heat dissipation buffer tank 20, and the circulation timing and the circulation amount are controlled by the control of the control device 100. It has become so.
  • a safety valve may be provided above the heat dissipation buffer tank 20 for pressure adjustment when the inside of the tank 20 becomes a predetermined pressure as the temperature of the cooling water rises.
  • the arrangement of the temperature sensors SE1 to SE4 is as follows.
  • the temperature sensor SE1 is disposed on the Peltier element Pb side of the heat sink 12, the temperature sensor SE2 is disposed above the heat dissipation buffer tank 20, and the temperature sensor SE3 includes the thermal circuit board 10 and the Peltier elements Pa (Pa1 to Pa6).
  • the temperature sensor SE4 is provided at one of the joints, and is disposed on the discharge side of the thermal circuit board 10 (for example, the discharge side of the cooling water for beverage cooled or heated by the Peltier element Pa (Pa1 to Pa6)). Yes.
  • the temperature sensors SE1 to SE4 are connected via a signal input interface of the control device 100.
  • a fluid (for example, room temperature drinking water) F1 constituting a refrigerant or a heat medium is supplied to the thermal circuit board 10 from one end side.
  • the pressure is supplied by a pumping means such as a pump whose flow rate can be controlled by a microcomputer or the like.
  • a fluid for example, room temperature drinking water
  • F2 heated or cooled by a Peltier element Pa (Pa1 to Pa6) whose temperature is controlled by a control method to be described later is discharged from the other end side of the thermal circuit board 10. It has become.
  • a plurality of heat radiation fins may be provided on the inner wall of the heat radiation buffer tank 20.
  • the Peltier elements Pa (Pa1 to Pa6) can be more efficiently cooled by the heat radiating fins.
  • the control device 100 stores a program for temperature control processing of the Peltier element.
  • a program for temperature control processing of the Peltier element (1) a first current or power application process in which the current or power applied to the Peltier elements Pa and Pb when the current or power is applied is increased over time based on the first function; (2) a measurement process for measuring a temperature difference between the heat generation side and the heat absorption side in the Peltier elements Pa and Pb based on temperature information from the temperature sensors SE1 to SE4; (3) a determination process for determining whether or not the temperature difference measured in the measurement process has become a predetermined value set in advance; (4) When it is determined in the determination process that the predetermined value has been reached, the current or power applied to the Peltier elements Pa and Pb is increased over time based on a second function different from the first function.
  • a second current or power application process in which the current or power applied to the Peltier elements Pa and Pb when the current or power is applied is increased over time based on the first function.
  • the first function is a linear function with a temperature difference as an argument
  • the second function is a non-linear function having a temperature difference as an argument.
  • Control pattern (B) The first function is a linear function having a temperature difference as an argument.
  • the second function is a quadratic function having a temperature difference as an argument.
  • Control pattern (C) The first function is a linear function having a temperature difference as an argument.
  • the second function is an n-order function with a temperature difference as an argument (where n is an integer of 3 or more).
  • the first function is a linear function with a temperature difference as an argument.
  • the second function is a control pattern that is an exponential function with temperature difference as an argument
  • the predetermined value (temperature difference) set in advance is preferably ⁇ 70 to 70 ° C., for example.
  • thermal circuit board 10 that can be applied to the heat exchange module M1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the thermal circuit board 10
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the process of bonding the thermal circuit board 10
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the process of bonding the thermal circuit board 10
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a process of bonding circuit boards 10 together.
  • a third thermal conductor 130 having voids 131 and 132, and the third thermal conductor 130, the first thermal conductor 110, and the second thermal conductor 120 are chemically bonded. This chemical bond is a metal bond or a van der Waals bond.
  • the layer in which the first thermal conductor 110 is present is the first layer
  • the layer in which the third thermal conductor 130 is present is the second layer
  • the layer in which the second thermal conductor 120 is present Is the third layer.
  • the first heat conductor 110, the second heat conductor 120, and the third heat conductor 130 are different or the same kind of heat conductors, or only partially different kinds of heat conductors.
  • These heat conductors are, for example, metals.
  • a plurality of voids 131 and 132 are formed by chemical etching, plasma etching, machining, press punching, laser trimming, micro sandblasting, or the like.
  • thermal circuit board 10 that is, a process of bonding (direct bonding) the thermal circuit board 10 shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS.
  • the manufacturing method of the thermal circuit board 10 includes the following steps (1) to (5).
  • a plurality of voids are formed in the third thermal conductor 130 corresponding to the second layer by chemical etching, plasma etching, machining, press punching, laser trimming, micro sandblasting, or the like.
  • the surfaces of the first thermal conductor 110, the second thermal conductor 120, and the third thermal conductor 130 that are in contact with other thermal conductors are in contact.
  • Surface 130B and surface 120A of second thermal conductor 120 in contact with third thermal conductor 20 may be an alkaline solution (eg, 5% -35% caustic soda solution, 5% -35% sodium carbonate solution, etc.) or acidic.
  • the oxide film on each surface is removed, degreased and washed, and soft etched to a sufficiently clean state. That.
  • the surface roughness is adjusted to 1 ⁇ m to 5 ⁇ m to give an anchor effect.
  • the surface 110A of the first thermal conductor 110 and the surface 130A of the third thermal conductor 130 are brought into contact with each other to obtain a temperature of 250 ° C. to 350 ° C., 10 MPa to
  • the first heat conductor 110 and the third heat conductor 130 are joined by thermocompression bonding under a pressure of 50 MPa for 10 minutes to 120 minutes.
  • an appropriate ultrasonic wave having an output of 20 kHz to 100 kHz and an output of 100 W to 1 kW, that is, an ultrasonic vibration, may be applied vertically or horizontally. As a result, the joining can be further facilitated by the friction caused by the ultrasonic vibration.
  • the surface 130B of the third heat conductor 130 and the surface 120A of the second heat conductor 120 are brought into contact, as in the case of the step (4).
  • the third thermal conductor 130 and the second thermal conductor 120 are joined by thermocompression bonding at a temperature of 250 ° C. to 350 ° C. under a pressure of 10 MPa to 50 MPa for 10 minutes to 120 minutes.
  • an appropriate ultrasonic wave having an output of 20 kHz to 100 kHz and an output of 100 W to 1 kW, that is, an ultrasonic vibration, may be applied vertically or horizontally.
  • the joining can be further easily performed by the friction caused by the ultrasonic vibration.
  • the thermal circuit board 10 as shown in FIG. 2 can be manufactured by carrying out the steps (1) to (5) described above.
  • a thermal circuit board 10 having a flow path 10a having a width of 200 ⁇ m and a length of 260 mm can be used.
  • the width and length of the flow path 10a of the thermal circuit board 10 can be appropriately changed according to the number of Peltier elements Pa, the flow rate of the fluid F1, and the like.
  • the fluid F1 is circulated continuously along the Peltier elements Pa (Pa1 to Pa6) aligned in the longitudinal direction of the thermal circuit board 10; As shown in FIG. 7 (b), a method of circulating in parallel for each Peltier element Pa (Pa1 to Pa6) is conceivable. According to the knowledge obtained by the experiment and simulation of the present inventor, FIG. The fluid F2 cooled (or heated) more efficiently can be obtained when the method shown in FIG.
  • ⁇ TA TAh-TAc
  • ⁇ TB TBh-TAh
  • step S14 the temperatures TAh, TBh, ⁇ TA, ⁇ TB, and ⁇ TG are measured by arithmetic processing of the control device 100, respectively.
  • step S15 it is determined whether TAh ⁇ 60 ° C.
  • step S16 determines whether ⁇ TG ⁇ 30 ° C. or not.
  • step S17 determines whether or not the supply switch of the fluid F1 is on. If “No”, the process returns to step S13. If “Yes”, the process returns to step S13. The process proceeds to S18.
  • step S18 after the Peltier element Pa is turned on, the process proceeds to the subroutine of the nonlinear current control process in step SB01.
  • This non-linear current control process is a current control method for a Peltier element aimed at achieving the required purpose with the maximum efficiency required for cooling (heating) to the target temperature within a predetermined time, that is, with the minimum energy.
  • a constant initial current for example, 1.0 A is applied in step S200, the value of ⁇ TG is acquired in step S201, the value of ⁇ TA is acquired in step S202, and the process proceeds to step S203.
  • F is a predetermined nonlinear function (control function).
  • this control function is programmed as it is, it takes a long calculation time and is impractical in that it requires a large amount of memory capacity. Therefore, it is possible to program this function as an approximate function that is expanded to the second to third order terms. desirable. The same result can be obtained even when the power value is controlled along the exponential function curve.
  • control curve I (current value) P1 ⁇ F ( ⁇ TA, ⁇ TG) + P2 and the current may be electric power (P1 and P2 are parameters, and both P1 and P2 are, for example, 0.1 to 20. 0).
  • step S204 TAh and TAc are acquired.
  • step S205 it is determined whether TAh, TAc, etc. are within a predetermined range (for example, an error of ⁇ 0.4 ° C.). ", The process proceeds to step S206, and P1 is increased or decreased (for example, 0.1 A), and then the process returns to step S203 or the process proceeds to step S207.
  • a predetermined range for example, an error of ⁇ 0.4 ° C.
  • step S207 it is determined whether TAh, TAc, etc. are within a predetermined range (for example, an error of ⁇ 0.4 ° C.).
  • step S208 the process proceeds to step S208, and P2 is increased or decreased (for example, 0.1 A), and then the process returns to step S203.
  • step S209 the process proceeds to step S209, and after setting I, the process returns to step S203.
  • step S205 the process proceeds to step S209, and after setting I, the process returns to step S203.
  • step S19 it is determined whether or not the target temperature TG has been achieved. If “No”, the process returns to step S18, and if “Yes”, the process proceeds to step S20. After supplying the fluid F1, the process returns to step S17.
  • step S16 the process proceeds to step S21 to determine whether TBh ⁇ 60 ° C. or not.
  • step S22 If the determination result is “No”, the process returns to step S12, and if “Yes”, the process proceeds to step S22.
  • step S22 it is determined whether TBh> 15 ° C. If “No”, the process returns to step S12. If “Yes”, the process proceeds to step S23 to turn on the Peltier element Pb. The process proceeds to the subroutine of the non-linear current control process of SB01, and then returns to step S14.
  • step SB01 the non-linear current control process of step SB01 is also performed for ⁇ TA and ⁇ TB.
  • the voltage and current value of the Peltier element was determined by PWM (Pulse Width Modulation), etc., and the constant voltage or constant current drive was performed based on that value, but with this method, for example, water with an air temperature of 35 ° C and a water temperature of 32 ° C In order to cool the battery to 4 ° C. within 2.5 hours, an average power of about 230 W was actually measured.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the power consumption can be significantly reduced as compared with the conventional case, and the energy saving can be improved.
  • Peltier elements (Pa1 to 12) having a maximum heat absorption of 68 W were used as the Peltier elements Pa.
  • Peltier element Pb As the Peltier element Pb, six Peltier elements (Pb1 to 6) having the same maximum heat absorption amount of 68 W were used.
  • the buffer tank 20 has the configuration shown in FIG.
  • the buffer tank 20 is cooled to 15 ° C. over 10 minutes.
  • a current of 3A is supplied to the Peltier element Pa, and water at 33 ° C. is heated at a rate of 1000 cc / min as a liquid to be cooled (fluid F1). Flowed over the substrate 10.
  • the environmental temperature was 35 ° C.
  • the water temperature on the outlet side of the thermal circuit board 10 was 3 ° C., and 3 liters of cold water could be obtained in this state.
  • the Peltier element Pb is energized and the water temperature in the buffer tank 20 is lowered to 15 ° C. again to obtain cold water of 3 ° C. any number of times. did it.
  • the waiting time of 10 minutes can be reduced to nearly 1 to 2 minutes, and a chilled water supply device (water purifier) It was confirmed that practically sufficient performance can be obtained even when the heat exchange module M1 according to the present embodiment is applied.
  • the Peltier elements Pa and Pb are controlled to the optimum current by constantly monitoring the heat generation side temperature and the heat absorption side temperature by the control device 100, and are stable because they absorb the influence of fluctuations in ambient conditions. Operation is possible.
  • the current value applied to the Peltier element Pa and the ambient temperature, the temperature of the buffer tank 20, the temperature and flow rate of the supplied cold water are closely related, and the operation is performed with the minimum power consumption according to the simulation result.
  • the heat exchange module M1 according to the present embodiment when the heat exchange module M1 according to the present embodiment is applied to a water purifier or the like, it is not necessary to store cold water in which miscellaneous bacteria are likely to propagate, so that sanitary cold water can be supplied.
  • the power consumption for maintaining the temperature is small, and the energy saving property can be improved.
  • tap water can be instantaneously cooled or supplied after being filtered.
  • the liquid stored in the buffer tank 20 is desirably a liquid having a large specific heat for continuous driving for a long time, and it is desirable to increase the heat capacity as much as possible.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a configuration example of a heat exchange module M2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the difference between the heat exchange module M2 and the heat exchange module M1 is that the heat exchange module M2 includes a solid buffer 300 instead of the buffer tank 20.
  • the circulator 200 that circulates the cooling water provided in the buffer tank 20 of the heat exchange module M1 in the tank 20 is also omitted, and the configuration is simplified.
  • the solid buffer 300 is not particularly limited, but a block made of a good heat conductor such as aluminum or copper or a block made of a low melting point metal can be used.
  • examples of the low melting point metal include an alloy of rose metal, galinstan, NaK, indium and bismuth.
  • the Peltier elements Pa and Pb are efficiently obtained by performing the temperature control process of the Peltier element shown in the flowchart of FIG. 8 and the nonlinear current control process shown in the flowchart of FIG. It was possible to obtain cooled or heated water in a short time.
  • the heat exchange module M1 according to the first embodiment or the heat exchange module M2 according to the second embodiment is applied to a water purifier, and cold water or hot water obtained by the heat exchange module M1 or the heat exchange module M2 is applied. Can be generated each time a predetermined amount is stored or used.
  • the present invention can provide a heat exchange module and a water purifier that can obtain cold water or hot water in a short time with high efficiency.

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Abstract

総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することのできる電子熱交換素子の制御方法を提供することを目的とし、電流または電力の投入時に前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増加させる第１の電流または電力印加過程と、電子熱交換素子における吸熱側と発熱側の温度差を測定する測定過程と、当該測定過程で測定された前記温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定過程と、当該判定過程で、前記所定値になったと判定された場合に、前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増加させる第２の電流または電力印加過程とを少なくとも有する。

Description

電子熱交換素子の制御方法、制御装置、熱交換モジュールおよび当該モジュールを用いた浄水器
　本発明は、電子熱交換素子の制御方法、電子熱交換素子の制御装置、前記制御方法または前記制御装置を用いた熱交換モジュールおよび当該モジュールおよび当該モジュールを用いて冷却または加熱された飲料水を得る浄水器に関するものである。
　従来から温度制御が可能な冷却、加熱方法として、電子熱交換素子の一種であるペルチェ素子を利用した冷却、加熱方法が実用化されている。
　ここで、ペルチェ素子は、異種金属または異種半導体の接触面を通電したとき熱が発生または吸収される現象を利用した板状の素子で、吸熱面と放熱面を備えている。
　つまり、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するというペルチェ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用した板状の半導体素子である。
　ペルチェ素子は、直流電流を流す方向を逆にすることにより、熱の移動方向も逆になるので、放熱面と吸熱面を逆転することが可能であるという特徴を有する。
　また、家庭用の電気冷蔵庫やエアコンに使用されるヒートポンプ方式の冷却方法と比較して、冷却効率は劣るが、装置の体積を小さくでき、騒音、振動を発生しないという長所を有している。
　また、このような特性を有するペルチェ素子を用いて冷媒あるいは熱媒の熱交換を行うために用いられる熱交換モジュールも開発されている。
　さらに、ペルチェ素子を用いた熱交換モジュールを適用したコンピュータのＣＰＵ冷却装置、自動車等に搭載可能な小型冷温庫、医療用冷却装置、冷水器（浄水器）などが開発されつつある。
　ペルチェ素子による熱交換を応用した技術は種々提案されており、例えば「ペルチェ素子の制御方法およびペルチェ素子の制御回路」（特開２００４－３５６４４９号公報）、「冷却機能付き浄水器」（特開平１０－１１８６３７号公報）、「熱交換器」（特開２００８－１０６９５８号公報）などが挙げられる。
特開２００４－３５６４４９号公報 特開平１０－１１８６３７号公報 特開２００８－１０６９５８号公報
　ところで、ペルチェ素子の性能は最大吸熱量（Ｑｍａｘ）、最大電流（Ａｍａｘ）、最大電圧（Ｖｍａｘ）、最大温度差（ΔＴｍａｘ）で表されるが、印加電圧が大きくなると発熱量が増えて冷却効率が悪くなる特性があるため、最大電圧の５０～６０％が最適電圧といわれている。
　即ち、素子自体の放熱量が大きいため、冷却メカニズムとしては電力効率が悪いという欠点があり、消費電力が多く、ペルチェ素子自体の冷却に困難性が伴うという難点がある。
　ここで、本発明者は、同発明者の提案にかかる熱回路基板とペルチェ素子（電子熱交換素子）等から構成される熱交換モジュールを用いて冷水あるいは温水を得る実験を行っている。
　具体的には、１または２以上のペルチェ素子を２枚以上の熱回路基板によってサンドイッチ状に挟持し、前記各熱回路基板が有する熱交換用の空隙に冷媒あるいは熱媒を供給して冷媒の冷却あるいは熱媒の加熱を単体で行える構造とした熱交換モジュールを用いている。
　しかしながら、このような構成の熱交換モジュールにおいても、上述のようなペルチェ素子の特性から従来におけるペルチェ素子の制御方法では、充分な冷却効果あるいは加熱効果が得られないことが判明した。
　即ち、時間経過に応じてペルチェ素子に線形的に電流（電力）を印加する制御方法は勿論のこと、前出の「ペルチェ素子の制御方法およびペルチェ素子の制御回路」（特開２００４－３５６４４９号公報）に示されるようなフィードバック制御の一種であるＰＩＤ制御方法を適用したとしても、所定の目標温度（例えば、３℃）まで水を冷却するには多大な電力と時間を要することが分かった。
　このような事情は、水を冷却する場合に限らず、加熱する場合も同様である。
　そこで、本発明者は、電子熱交換素子による冷却効率および加熱効率を向上させるべく鋭意研究した結果、電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差が所定値になった時点で、電子熱交換素子に投入する電流または電力を所定の関数に則って変化させることで総電力量を低減することができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができるとの知見を得て発明を完成するに至った。
　本発明は、総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することのできる電子熱交換素子の制御方法、電子熱交換素子の制御装置、前記制御方法または前記制御装置を用いた熱交換モジュールおよび当該モジュールを用いた浄水器を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、請求項１に記載の電子熱交換素子の制御方法は、電子熱交換素子に印加される電流または電力を制御して温度制御を行う電子熱交換素子の制御方法であって、電流または電力の投入時に前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第１の電流または電力印加過程と、
　電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差を測定する測定過程と、当該測定過程で測定された前記温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定過程と、
　当該判定過程で、前記所定値になったと判定された場合に、前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第２の電流または電力印加過程とを少なくとも有することを特徴とする。
　請求項２に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１に記載の発明について、予め得たい目標温度値を設定する設定過程をさらに有し、前記第２の電流または電力印加過程において、前記測定過程で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定過程で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させることを特徴とする。
　請求項３に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１または請求項２に記載の発明について、前記電子熱交換素子は、ペルチェ素子であることを特徴とする。
　請求項４に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１から請求項３の何れかに記載の発明について、前記第１の関数は、前記温度差を引数とする線形関数であり、前記第２の関数は、前記温度差を引数とする非線形関数であることを特徴とする。
　請求項５に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１から請求項３の何れかに記載の発明について、前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、前記第２の関数は、前記温度差を引数とする２次関数であることを特徴とする。
　請求項６に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１から請求項３の何れかに記載の発明について、前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、前記第２の関数は、前記温度差を引数とするｎ次関数（但し、ｎは３以上の整数）であることを特徴とする。
　請求項７に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１から請求項３の何れかに記載の発明について、前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、前記第２の関数は、前記温度差を引数とする指数関数であることを特徴とする。
　請求項８に記載の電子熱交換素子の制御方法は、請求項１から請求項７の何れかに記載の発明について、前記所定値は、－７０～７０℃であることを特徴とする。
　請求項９に記載の電子熱交換素子の制御装置は、電子熱交換素子に印加される電流または電力を制御して温度制御を行う電子熱交換素子の制御装置であって、電流または電力の投入時に前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第１の電流または電力印加手段と、電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差を測定する測定手段と、当該測定手段で測定された前記温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定手段と、当該判定手段で、前記所定値になったと判定された場合に、前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第２の電流または電力印加手段とを少なくとも備えることを特徴とする。
　請求項１０に記載の電子熱交換素子の制御装置は、請求項９に記載の発明について、予め得たい目標温度値を設定する設定手段をさらに備え、前記第２の電流または電力印加手段は、前記測定手段で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定過程で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させることを特徴とする。
　請求項１１に記載の熱交換モジュールは、請求項１から請求項８の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項９または請求項１０の何れかに記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の電子熱交換素子と、所定の冷媒あるいは所定の熱媒を流通させる空隙を備え、電子熱交換素子の吸熱側または発熱側に密接させて配置される１または２以上の熱回路基板とを具備し、前記熱回路基板は、第１の熱伝導体と、第２の熱伝導体と、前記第１の熱伝導体と前記第２の熱伝導体との間に介在され、空隙を有する第３の熱伝導体とを有し、前記第３の熱伝導体と前記第１の熱伝導体および前記第２の熱伝導体とは化学結合されていることを特徴とする。
　請求項１２に記載の熱交換モジュールは、請求項１１に記載の発明について、前記化学結合は、金属結合、水素結合、イオン結合またはファンデルワールス結合であることを特徴とする。
　請求項１３に記載の熱交換モジュールは、請求項１１または請求項１２の何れかに記載の発明について、前記第３の熱伝導体と前記第１の熱伝導体および前記第２の熱伝導体とは絶縁体薄膜を介して結合されていることを特徴とする。
　請求項１４に記載の熱交換モジュールは、請求項１１から請求項１３の何れかに記載の発明について、前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒は、水、フッ素系不活性液体、グリセリン水溶液またはアルコールであることを特徴とする。
　請求項１５に記載の熱交換モジュールは、請求項１１から請求項１４の何れかに記載の発明について、第１の熱伝導体、第２の熱伝導体、第３の熱伝導体は、銅、ステンレス、チタン、白金または金属化合物あるいは高熱伝導性セラミックで構成されることを特徴とする。
　請求項１６に記載の熱交換モジュールは、請求項１１から請求項１５の何れかに記載の発明について、前記電子熱交換素子において、前記熱回路基板が配置された側と反対の面に、所定の冷媒あるいは所定の熱媒を貯留したバッファタンクまたは固体バッファが密接するように配設されることを特徴とする。
　請求項１７に記載の熱交換モジュールは、請求項１６に記載の発明について、前記バッファタンクに貯留される前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒は、水、グリセリン水溶液またはオイルであることを特徴とする。
　請求項１８に記載の熱交換モジュールは、請求項１６に記載の発明について、前記固体バッファは、低融点金属で構成されることを特徴とする。
　請求項１９に記載の熱交換モジュールは、請求項１６または請求項１７の何れかに記載の発明について、前記バッファタンクは、前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒が貯留されるタンク本体の内壁に、複数の放熱フィンが設けられることを特徴とする。
　請求項２０に記載の熱交換モジュールは、請求項１５から請求項１８の何れかに記載の発明について、前記バッファタンクまたは前記固体バッファにおいて、前記電子熱交換素子が配設された側と反対の面に、請求項１から請求項８の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項９または請求項１０の何れかに記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の補助用電子熱交換素子が配設されることを特徴とする。
　請求項２１に記載の熱交換モジュールは、請求項２０に記載の発明について、前記補助用電子熱交換素子において、前記バッファタンクまたは前記固体バッファが配置された側と反対の面に、空冷式のヒートシンクまたは冷却ファンが配設されることを特徴とする。
　請求項２２に記載の熱交換モジュールは、請求項１６から請求項２１の何れかに記載の発明について、前記バッファタンクは、タンク内に貯留された前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒を循環させる循環手段を備えることを特徴とする。
　請求項２３に記載の熱交換モジュールは、請求項１６から請求項２２の何れかに記載の発明について、前記バッファタンクは、タンク内の圧力を調整する安全弁を備えることを特徴とする。
　請求項２４に記載の熱交換モジュールは、請求項１６から請求項２３の何れかに記載の発明について、前記各電子熱交換素子は、前記バッファタンクまたは前記固体バッファに沿って直線的に配置され、当該各電子熱交換素子に密接するように１つの前記熱回路基板が長手方向に延設され、前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒が、前記熱回路基板の長手方向に連続的に流通されるように構成されることを特徴とする。
　請求項２５に記載の浄水器は、前記請求項１１から請求項２４の何れかに記載の熱交換モジュールと、前記熱回路基板が有する前記空隙に流通されて前記電子熱交換素子により冷却または加熱された冷媒あるいは熱媒としての水が貯蔵される貯蔵タンクとを備えることを特徴とする。
　本発明によれば以下の効果を奏することができる。
　すなわち、請求項１に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差が予め設定した所定値となった場合に、電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増加させているので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができる。
　請求項２に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、第２の電流または電力印加過程において、前記測定過程で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定過程で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させているので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができる。
　なお、上記のような効果を奏する本発明に係る制御方法の手順（過程）は、本発明者の実験およびシミュレーションの実施により得られた知見に基づくものである。
　詳細については実施の形態で述べるが、本発明者の実験およびシミュレーションによれば、室温（例えば３２℃）の所定量（例えば、２リットル）の冷媒（水）を所定温度（例えば３℃）まで冷却する場合に、従来の制御方法（例えば、一貫して線形制御する制御方法）に比して、印加する総電力量を６０％程度低減できるとの所見を得ている。
　請求項３に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、電子熱交換素子は、ペルチェ素子であるので、ペルチェ素子に印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができる。
　請求項４に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、第１の関数は温度差を引数とする線形関数であり、第２の関数は温度差を引数とする非線形関数であるので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上および冷却、加熱に要する時間の短縮を容易に実現することができる。
　請求項５に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、第１の関数は温度差を引数とする１次関数であり、第２の関数は温度差を引数とする２次関数であるので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上および冷却、加熱に要する時間の短縮を容易に実現することができる。
　請求項６に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、第１の関数は温度差を引数とする１次関数であり、第２の関数は温度差を引数とするｎ次関数（但し、ｎは３以上の整数）であるので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上および冷却、加熱に要する時間の短縮を容易に実現することができる。
　請求項７に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、第１の関数は温度差を引数とする１次関数であり、第２の関数は温度差を引数とする指数関数であるので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上および冷却、加熱に要する時間の短縮を容易に実現することができる。
　請求項８に記載の電子熱交換素子の制御方法によれば、所定値は、－７０～７０℃であるので、条件や環境に応じて省エネルギー性を向上させることができる。
　請求項９に記載の電子熱交換素子の制御装置によれば、電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差が予め設定した所定値となった場合に、電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増加させているので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができる。
　請求項１０に記載の電子熱交換素子の制御装置によれば、第２の電流または電力印加手段において、前記測定手段で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定手段で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させているので、印加される総電力量を低減して省エネルギー性を向上させることができると共に、冷却、加熱に要する時間を短縮することができる。
　請求項１１に記載の熱交換モジュールによれば、請求項１から請求項８の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項９または請求項１０の何れかに記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の電子熱交換素子と、所定の冷媒あるいは所定の熱媒を流通させる空隙を備え、電子熱交換素子の吸熱側または発熱側に密接させて配置される１または２以上の熱回路基板等を用いているので、より効率的に冷却または加熱を行うことができる。
　なお、流体の流路の熱伝導率は、熱回路基板の厚さに反比例して高くなるため、薄型の熱回路基板を熱交換モジュールに適用することで、より効率的に熱の移動を行うことが可能となる。
　請求項１２に記載の熱交換モジュールによれば、化学結合は、金属結合、水素結合、イオン結合またはファンデルワールス結合であるので、長期間使用しても熱回路基板から接着剤やポリイミド（ポリイミド接着剤）が冷媒中に溶出することがなく、接着剤やポリイミドの冷媒中への溶出によるセンサ（例えばバイオセンサ、ケミカルセンサなど）の精度へ悪影響を与えることがないので、高精度のセンサ類の冷却等にも使用可能である。
　請求項１３に記載の熱交換モジュールによれば、第１の熱伝導体および第２の熱伝導体とは絶縁体薄膜を介して結合されているので、より効率的に熱の移動を行うことが可能となる。
　請求項１４に記載の熱交換モジュールによれば、所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒は、水、フッ素系不活性液体、グリセリン水溶液またはアルコールであるので、用途や環境に応じて適した冷媒や熱媒を選択することができる。
　請求項１５に記載の熱交換モジュールによれば、第１の熱伝導体、第２の熱伝導体、第３の熱伝導体は、銅、ステンレス、チタン、白金または金属化合物あるいは高熱伝導性セラミックで構成されているので、より効率的に熱の移動を行うことが可能となる。
　請求項１６に記載の熱交換モジュールによれば、電子熱交換素子において、熱回路基板が配置された側と反対の面に、所定の冷媒あるいは所定の熱媒を貯留したバッファタンクまたは固体バッファが密接するように配設されているので、電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を一層向上させることができる。
　請求項１７に記載の熱交換モジュールによれば、バッファタンクに貯留される所定の冷媒あるいは所定の熱媒は、水、グリセリン水溶液またはオイルであるので、当該熱交換モジュールを浄水器に適用して冷却した飲料水等を生成する場合にも、高い安全性を得ることができる。
　請求項１８に記載の熱交換モジュールによれば、固体バッファは、低融点金属で構成されているので、より簡易な構成で電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を向上させることができる。
　請求項１９に記載の熱交換モジュールによれば、バッファタンクは、所定の冷媒あるいは所定の熱媒が貯留されるタンク本体の内壁に、複数の放熱フィンが設けられているので、電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を一層向上させることができる。
　請求項２０に記載の熱交換モジュールによれば、バッファタンクまたは固体バッファにおいて、電子熱交換素子が配設された側と反対の面に、請求項１から請求項７の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項８に記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の補助用電子熱交換素子が配設されているので、バッファタンクまたは固体バッファを効率的に冷却または加熱することができ、ひいては電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を一層向上させることができる。
　請求項２１に記載の熱交換モジュールによれば、補助用電子熱交換素子において、バッファタンクまたは固体バッファが配置された側と反対の面に、空冷式のヒートシンクまたは冷却ファンが配設されているので、バッファタンクまたは固体バッファをより効率的に冷却または加熱することができ、ひいては電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を一層向上させることができる。
　請求項２２に記載の熱交換モジュールによれば、バッファタンクは、タンク内に貯留された所定の冷媒あるいは所定の熱媒を循環させる循環手段を備えているので、バッファタンクをより効率的に冷却または加熱することができ、ひいては電子熱交換素子の冷却効率あるいは加熱効率を一層向上させることができる。
　請求項２３に記載の熱交換モジュールによれば、バッファタンクは、タンク内の圧力を調整する安全弁を備えているので、当該熱交換モジュールを浄水器に適用して冷却した飲料水等を生成する場合にも、高い安全性を得ることができる。
　請求項２４に記載の熱交換モジュールによれば、各電子熱交換素子は、バッファタンクまたは固体バッファに沿って直線的に配置され、当該各電子熱交換素子に密接するように１つの前記熱回路基板が長手方向に延設され、所定の冷媒あるいは所定の熱媒が、熱回路基板の長手方向に連続的に流通される構成となっているので、所定の冷媒あるいは所定の熱媒をより効率的に冷却または加熱することができる。
　なお、上述のような構成は、本発明者の実験およびシミュレーションにより得られた知見に基づくものである。
　請求項２５に記載の浄水器によれば、請求項１１から請求項２４の何れかに記載の熱交換モジュールと、熱回路基板が有する空隙に流通されて電子熱交換素子により冷却または加熱された冷媒あるいは熱媒としての水が貯蔵される貯蔵タンクとを備えているので、消費電力を抑制して、効率的に冷却した飲料水または湯を得ることができる。
本発明の第１の実施形態に係る熱交換モジュールＭ１の構成例を示す構成図である。 熱回路基板１０を示す断面図である。 熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図である。 熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図である。 熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図である。 熱回路基板１０の適用例を示す断面図である。 ペルチェ素子Ｐａを配設した熱回路基板１０への流体の流通方式を示す説明図である。 ペルチェ素子の温度制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 非線形電流制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 熱交換モジュールＭ１の駆動実験結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換モジュールＭ２の構成例を示す構成図である。 熱交換モジュールＭ１またはＭ２の駆動実験結果を示すグラフである。
符号の説明
Ｍ１、Ｍ２　熱交換モジュール
Ｐａ（Ｐａ１～Ｐａ６）、Ｐｂ（Ｐｂ１、Ｐｂ２）　ペルチェ素子（電子熱交換素子）
１０　熱回路基板
１０ａ　流路
１２　放熱用ヒートシンク（空冷式のヒートシンク）
１３　電動放熱ファン（冷却ファン）
２０　放熱用バッファタンク（バッファタンク）
１００　制御装置（第１の電流または電力印加手段、判定手段、第２の電流または電力印加手段）
１１０　熱伝導体
１３０　熱伝導体
１３１　空隙
２００　サーキュレータ（循環手段）
３００　固体バッファ
Ｆ１、Ｆ２　流体
ＳＥ１～４　温度センサ（測定手段）
Ｗ　冷却水
　以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
　（第１の実施形態）
　図１から図１０を参照して、本発明についての第１の実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１について説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換モジュールの構成例を示す概略構成図である。
　図１において、熱交換モジュールＭ１は、電子熱交換素子として複数個（図１に示す例では、６個）のペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）と、各ペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）の一方の面に放熱用グリス等を介して密接状態で配設される１枚の熱回路基板１０と、各ペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）の他方の面に放熱用グリス等を介して密接状態で配設される放熱用バッファタンク２０と、放熱用バッファタンク２０の他方の面に放熱用グリス等を介して密接状態で配設される複数個（図１に示す例では、２個）のペルチェ素子Ｐｂ（Ｐｂ１、Ｐｂ２）と、ペルチェ素子Ｐｂ（Ｐｂ１、Ｐｂ２）の他方の面に放熱用グリス等を介して密接状態で配設される放熱用ヒートシンク１２と、この放熱用ヒートシンク１２に組み込まれる電動放熱ファン（冷却ファン）１３と、複数箇所（詳細は後述する）に配設される白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対等の温度センサ（測定手段）ＳＥ１～４と、温度センサＳＥ１～４からの温度情報に基づいてペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）およびペルチェ素子Ｐｂ（Ｐｂ１、Ｐｂ２）の温度制御を行うマイクロコンピュータ等で構成される制御装置（第１の電流または電力印加手段、判定手段、第２の電流または電力印加手段）１００等から構成されている。
　放熱用バッファタンク２０は、特には限定されないが、アルミ、銅、ステンレス等の熱の良伝導体で構成され、例えば２リットルの冷却水Ｗが封入されている。
　また、図１に示す構成例では、冷却水をタンク２０内で循環させるサーキュレータ２００が、放熱用バッファタンク２０の下方に設けられており、制御装置１００の制御で循環タイミングや循環量が制御されるようになっている。
　なお、冷却水の温度上昇に伴いタンク２０内が所定の圧力となった場合の調圧のために、放熱用バッファタンク２０の上方に安全弁を設けるようにしてもよい。
　本実施の形態において、温度センサＳＥ１～４の配置は次の通りである。
　温度センサＳＥ１はヒートシンク１２のペルチェ素子Ｐｂ側に配設され、温度センサＳＥ２は放熱用バッファタンク２０の上方に配設され、温度センサＳＥ３は熱回路基板１０とペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）の何れかの接合部に設けられ、温度センサＳＥ４は熱回路基板１０の排出側（例えば、ペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）で冷却または加熱された飲料用冷却水の排出側）に配設されている。
　各温度センサＳＥ１～４は、制御装置１００の信号入力インターフェイスを介して接続されている。
　また、熱回路基板１０には一端側から冷媒または熱媒を構成する流体（例えば、室温の飲料水）Ｆ１が供給される。実際には、例えばマイクロコンピュータ等で流量を制御可能なポンプ等の圧送手段によって供給される。
　そして、後述する制御方法で温度制御されるペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）によって加熱または冷却された流体（例えば、室温の飲料水）Ｆ２が熱回路基板１０の他端側から排出されるようになっている。
　また、放熱用バッファタンク２０の内壁に、複数の放熱フィンを設けるようにしてもよい。この場合には、放熱フィンにより、一層効率的にペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）を冷却することが可能となる。
　制御装置１００には、ペルチェ素子の温度制御処理用のプログラム等が格納される。
　詳細な処理手順については後述するが、ペルチェ素子の温度制御処理用のプログラムにより、
（１）電流または電力の投入時にペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂに印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増加させる第１の電流または電力印加過程と、
（２）温度センサＳＥ１～４からの温度情報に基づいて、ペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂにおける発熱側と吸熱側の温度差を測定する測定過程と、
（３）測定過程で測定された温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定過程と、
（４）判定過程で、所定値になったと判定された場合に、ペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂに印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増加させる第２の電流または電力印加過程と、
　が少なくとも実行される。
　ここで、第１の関数と第２の関数は種々の組合せが考えられるが、本発明者の実験およびシミュレーションにより得られた知見によれば、次の組合せ（制御パターン）により、ペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂを効率的に動作させることができた。
（Ａ）第１の関数は、温度差を引数とする線形関数であり、
　　　第２の関数は、温度差を引数とする非線形関数である制御パターン
（Ｂ）第１の関数は、温度差を引数とする１次関数であり、
　　　第２の関数は、温度差を引数とする２次関数である制御パターン
（Ｃ）第１の関数は、温度差を引数とする１次関数であり、
　　　第２の関数は、温度差を引数とするｎ次関数（但し、ｎは３以上の整数）である制御パターン
（Ｄ）第１の関数は、温度差を引数とする１次関数であり、
　　　第２の関数は、温度差を引数とする指数関数である制御パターン
　なお、予め設定される所定値（温度差）は、例えば－７０～７０℃であることが好ましい。
　また、実際に実行可能なプログラムを作成する上で、例えば第２の関数としての非線形関数を２次関数とする場合（上記（Ｂ）の制御パターン）には、マクローリン級数展開法などにより近似値を得る算術方法が採用される。
　次に、図２から図５を参照して、本実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１に適用し得る熱回路基板１０の構成例について説明する。
　図２は熱回路基板１０を示す断面図、図３は熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図、図４は熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図、図５は熱回路基板１０の張り合わせの工程を説明する断面図である。
　図２に示す熱回路基板１０は、第１の熱伝導体１１０と、第２の熱伝導体１２０と、第１の熱伝導体１１０と第２の熱伝導体１２０との間に介在され、空隙１３１、１３２を有する第３の熱伝導体１３０と、を有し、第３の熱伝導体１３０と第１の熱伝導体１１０および第２の熱伝導体１２０とは化学結合されている。この化学結合は、金属結合またはファンデルワールス結合である。
　ここでは、第１の熱伝導体１１０が存在する層を第１の層とし、第３の熱伝導体１３０が存在する層を第２の層とし、第２の熱伝導体１２０が存在する層を第３の層とする。
　図２において、第１の熱伝導体１１０、第２の熱伝導体１２０、および第３の熱伝導体１３０は、それぞれ異種または同種の熱伝導体、あるいは一部のみ異種の熱伝導体である。これらの熱伝導体は例えば金属である。
　第３の熱伝導体１３０には、化学エッチング、プラズマエッチング、機械加工、プレス打ち抜き、レーザトリミング、マイクロサンドブラスト法などにより、複数の空隙１３１、１３２が形成されている。
　次に、熱回路基板１０の製造方法、すなわち図２に示した熱回路基板１０の張り合わせ（直接張り合わせ）工程について、図３～図５を参照して説明する。
　この熱回路基板１０の製造方法は、次の（１）～（５）の工程を含んでいる。
　（１）最初に、第２の層に対応する第３の熱伝導体１３０に、化学エッチング、プラズマエッチング、機械加工、プレス打ち抜き、レーザトリミング、マイクロサンドブラスト法などにより、複数の空隙を形成する。
　（２）次に、第１の熱伝導体１１０、第２の熱伝導体１２０および第３の熱伝導体１３０における互いに他の熱伝導体と接触する表面（対向する表面）、すなわち、第１の熱伝導体１１０における第２の熱伝導体１２０と接触する表面１１０Ａ、第３の熱伝導体１３０における第１の熱伝導体１１０と接触する表面１３０Ａおよび第２の熱伝導体１２０と接触する表面１３０Ｂ、および第２の熱伝導体１２０における第３の熱伝導体２０と接触する表面１２０Ａを、アルカリ性溶液（たとえば５％～３５％苛性ソーダ溶液、５％～３５％炭酸ソーダ溶液など）または酸性溶液（たとえば１０％～３５％希塩酸、希硫酸溶液、ＳＳＰ溶液など）により、当該各表面の酸化皮膜の除去、脱脂洗浄、ソフトエッチングを行い、十分に清浄な状態にする。
　（３）続いて、上記各表面１１０Ａ、１２０Ａ、１３０Ａ、１３０Ｂに関し、アンカ効果を持たせるために面粗度を１μｍ～５μｍに調整する。
　（４）さらに続いて、図４に示すように、第１の熱伝導体１１０の表面１１０Ａと第３の熱伝導体１３０の表面１３０Ａとを接触させ、２５０℃～３５０℃の温度、１０ＭＰａ～５０ＭＰａの圧力の下で１０分～１２０分間、熱圧着して、第１の熱伝導体１１０と第３の熱伝導体１３０とを接合させる。この熱圧着のときに、２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ、出力１００Ｗ～１ｋＷの適切な超音波つまり超音波振動を縦向きあるいは横向きに加えてもよい。その結果、この超音波振動による摩擦により、さらに接合を容易にすることができる。
　（５）そして、図４に示すように、上記（４）の工程の場合と同様に、第３の熱伝導体１３０の表面１３０Ｂと第２の熱伝導体１２０の表面１２０Ａとを接触させ、２５０℃～３５０℃の温度、１０ＭＰａ～５０ＭＰａの圧力の下で１０分～１２０分間、熱圧着して、第３の熱伝導体１３０と第２の熱伝導体１２０とを接合させる。この熱圧着のときに、２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ、出力１００Ｗ～１ｋＷの適切な超音波つまり超音波振動を縦向きあるいは横向きに加えてもよい。その結果、この超音波振動による摩擦により、さらに接合を容易に行うことができる。
　上述した（１）～（５）の工程を実施することにより、図２に示すような熱回路基板１０を作製することができる。
　図６に示すように、本実施の形態では、熱回路基板１０として例えば、流路１０ａの幅が２００μｍ、長さ２６０ｍｍのものを用いることができる。なお、熱回路基板１０の流路１０ａの幅および長さは、ペルチェ素子Ｐａの数や流体Ｆ１の流量等に応じて適宜変更することができることは勿論である。
　また、流体Ｆ１を流通させる方式について、図７の（ａ）に示すように、熱回路基板１０の長手方向に並ぶペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）に沿って連続的に流通させる方式と、（ｂ）に示すように各ペルチェ素子Ｐａ（Ｐａ１～６）毎に並列的に流通させる方式が考えられるが、本発明者の実験およびシミュレーションにより得られた知見によれば、図７の（ａ）に示す方式を採用した場合により効率的に冷却（あるいは加熱）した流体Ｆ２を得ることができた。
　次に、図８、図９のフローチャートを参照して、制御装置１００で実行されるペルチェ素子の温度制御処理の処理手順について説明する。
　なお、フローチャートで用いる温度センサＳＥ１～４の温度情報を示す記号は次の通りである。
　ＴＡｈ：温度センサＳＥ２の値（ペルチェ素子Ｐａの発熱側の温度）＝バッファタンク２０の温度
　ＴＡｃ：温度センサＳＥ３の値（ペルチェ素子Ｐａの吸熱側の温度）
　ＴＢｈ：温度センサＳＥ１の値（ペルチェ素子Ｐｂの発熱側の温度）
　ＴＧ：温度センサＳＥ４の値（熱回路基板１０の出口の温度）＝目標温度
　ΔＴＡ＝ＴＡｈ－ＴＡｃ
　ΔＴＢ＝ＴＢｈ－ＴＡｈ
　ΔＴＧ＝ＴＡｈ－ＴＧ
　図８のフローチャートのペルチェ素子の温度制御処理において、まず、ステップＳ１０で電源オンされるとステップＳ１１でペルチェ素子Ｐａをオフにすると共に並行して処理されるステップＳ１２でペルチェ素子Ｐｂをオフにする。
　次いで、ステップＳ１３では目標温度ＴＧを設定する（例えば、ＴＧ＝３℃に設定する）。
　ステップＳ１４では、制御装置１００の演算処理により前記温度ＴＡｈ、ＴＢｈ、ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＧをそれぞれ測定する。
　次いで、ステップＳ１５では、ＴＡｈ＜６０℃か否かが判定される。
　判定結果が「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１４に戻って温度測定が継続される。
　また、判定結果が「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ１６に移行して、ΔＴＧ＜３０℃か否かが判定される。
　判定結果が「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ１７に移行して流体Ｆ１の供給スイッチはオンか否かが判定され、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１３に戻り、「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ１８に移行する。
　ステップＳ１８では、ペルチェ素子ＰａをオンにしてからステップＳＢ０１の非線形電流制御処理のサブルーチンに移行する。
　ここで、図９のフローチャートを参照して、非線形電流制御処理の処理手順について説明する。
　なお、この非線形電流制御処理は、一定時間内に目的温度までの冷却（加熱）に必要な最大効率、つまり最小エネルギーで所要の目的の達成を目指したペルチェ素子の電流制御方法である。
　まず、ステップＳ２００で、一定初期電流（例えば、１．０Ａ）を印加し、ステップＳ２０１でΔＴＧの値を取得し、ステップＳ２０２でΔＴＡの値を取得してステップＳ２０３に移行する。
　ステップＳ２０３では、Ｉ＝Ｆ（ΔＴＡ、ΔＴＧ）の演算処理を行う。
　ここで、Ｆは所定の非線形関数（制御関数）である。
　この制御関数をそのままプログラミングすると、演算時間が長くかかり、大量のメモリ容量を必要とする点で非実用的であるため、この関数を２次～３次項までマクローリン展開した近似関数としてプログラミングすることが望ましい。これは、電力値を同じく指数関数曲線に沿う形で制御しても同様の結果となる。
　ここで、制御曲線Ｆは、Ｆ＝Ａ０×Ｅｘｐ（Ａ１×ΔＴＡ＋Ａ２×ΔＴＧ）＋Ａ３の形をとる。
　この制御曲線ＦのパラメータＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３はシミュレーションより求めたもので、これをマクローリン展開してＦ＝Ｂ０×ΔＴＡ２＋Ｂ１×ΔＴＡ＋Ｂ２×ΔＴＧ２＋Ｂ３×ΔＴＧ＋Ｂ４の形式でプログラミングする。
　また、制御曲線Ｉ（電流値）＝Ｐ１×Ｆ（ΔＴＡ、ΔＴＧ）＋Ｐ２とし、電流は電力としてもよい（なお、Ｐ１、Ｐ２はパラメータであり、Ｐ１、Ｐ２はともに例えば０．１～２０．０である）。
　図９のフローチャートに戻って、ステップＳ２０４で、ＴＡｈ、ＴＡｃを取得し、ステップＳ２０５では、ＴＡｈ、ＴＡｃなどが所定範囲内（例えば±０．４℃の誤差）か否かが判定され、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ２０６に移行してＰ１を増減（例えば、０．１Ａ）してからステップＳ２０３に戻るか、あるいはステップＳ２０７に移行する。
　ステップＳ２０７では、ＴＡｈ、ＴＡｃなどが所定範囲内（例えば±０．４℃の誤差）か否かが判定される。
　「Ｎｏ」の場合にはステップＳ２０８に移行して、Ｐ２を増減（例えば、０．１Ａ）してからステップＳ２０３に戻る。
　また、「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ２０９に移行して、Ｉを設定してからステップＳ２０３に戻る。
　一方、ステップＳ２０５で「Ｙｅｓ」の場合もステップＳ２０９に移行して、Ｉを設定してからステップＳ２０３に戻る。
　図８のフローチャートに戻って、ステップＳ１９では、目標温度ＴＧは達成されたか否かが判定され、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１８に戻り、「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ２０に移行して、流体Ｆ１を供給してからステップＳ１７に戻る。
　一方、ステップＳ１６で「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ２１に移行して、ＴＢｈ＜６０℃か否かが判定される。
　判定結果が「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１２に戻り、「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ２２に移行する。
　ステップＳ２２では、ＴＢｈ＞１５℃か否かが判定され、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ１２に戻り、「Ｙｅｓ」の場合にはステップＳ２３に移行してペルチェ素子Ｐｂをオンしてから、ステップＳＢ０１の非線形電流制御処理のサブルーチンに移行し、その後ステップＳ１４に戻る。
　なお、ΔＴＡ、ΔＴＢについても、ステップＳＢ０１の非線形電流制御処理を行っている。
　従来は、ペルチェ素子をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などで電圧や電流値を決め、その値により定電圧あるいは定電流ドライブしていたが、この方法だと、例えば気温３５℃、水温３２℃の水を４℃まで２時間半以内で冷却するためには実測で平均約２３０Ｗの電力を要していた。
　本発明者による実験およびシミュレーションによれば、電流値をΔＴＡ、ΔＴＧをパラメータとして非線形関数の一種である指数関数曲線に沿って制御することにより、同一条件で実測平均電力７８Ｗという結果を得た（図１０のグラフ参照）。
　このように、本実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１によれば、従来に比して消費電力を大幅に低減することができ、省エネルギー性を向上させることができる。
　次に、熱交換モジュールＭ１においてペルチェ素子Ｐａおよびペルチェ素子Ｐｂの数等を変更した変形例の実験結果について述べる。
　ここに示す変形例では、ペルチェ素子Ｐａとして最大吸熱量６８Ｗのペルチェ素子を１２個（Ｐａ１～１２）用いた。
　また、ペルチェ素子Ｐｂとして、同じく最大吸熱量６８Ｗのペルチェ素子６個（Ｐｂ１～６）を使用した。
　バッファタンク２０は、図１の構成の通りである。
　バッファタンク２０をまず１０分かけて１５℃まで冷却し、その状態でペルチェ素子Ｐａに３Ａの電流を流し、同時に冷却する液体（流体Ｆ１）として３３℃の水を１０００ｃｃ／ｍｉｎの割合で熱回路基板１０に流した。
　なお、環境温度（気温）は３５℃であった。
　このとき、熱回路基板１０の出口側の水温は３℃を示し、この状態で３リットルの冷水を得ることができた。
　バッファタンク２０内の水温は３０℃まで上昇したが、この時点でペルチェ素子Ｐｂに通電して再びバッファタンク２０内の水温を１５℃に下げることにより、何度でも３℃の冷水を得ることができた。
　以上の結果より、例えばコップ１杯が約１５０ｃｃとして、一度に２０杯の３℃の冷水を得ることができる。
　また、ペルチェ素子Ｐｂの数、電力を上げること、あるいはヒートシンク１２、冷却ファン１３の能力を上げることにより１０分の待機時間を１～２分近くまで短縮可能であり、冷水供給装置（浄水器）に本実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１を適用した場合にも実用上充分な性能を得ることができることが確認できた。
　また、バッファタンク２０の容量に応じてペルチェ素子Ｐａ，Ｐｂの数を変えることにより、通常は数ＫＷの大電力でなければ達成不可能な多量の瞬間的な冷却により得る冷却水を１００Ｗ～３００Ｗの低電力で得ることができた。
　次に、熱回路基板１０に代えて厚さ５ｍｍの通常の水冷ジャケットを使用し、他は同一条件でテストした場合には、最低温度は７℃までしか到達しなかった。
　これは、熱伝達効率の悪化と熱リークの増大によるものと考えられる。
　このように、熱回路基板１０を使用したこの熱交換モジュールＭ１は、極めて高効率の冷却性能を備えることが実験結果から判明した。
　また、ペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂは、制御装置１００により、発熱側温度、吸熱側温度を常に監視することにより、最適電流にコントロールしており、周囲条件の変動の影響を吸収しているため、安定な動作が可能である。
　さらに、ペルチェ素子Ｐａに加える電流値と周囲温度、バッファタンク２０の温度、供給冷水の温度及び流量は密接な関係にあり、シミュレーション結果に従って、最低消費電力で動作させている。
　これにより、本実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１を浄水器などへの応用した場合に、雑菌の繁殖しやすい冷水を保存しておく必要がなく、衛生的な冷水供給が可能となり、また冷水温度を保つための電力消費も少なく省エネルギー性を高めることができ、例えば水道水を直接又はフィルタリングの後、瞬間的に冷却して供給することも可能である。
　なお、バッファタンク２０内に貯留される液体は、長時間連続駆動のためには比熱の大きい液体を採用し、熱容量を極力、増大することが望ましい。
　（第２の実施形態）
　図１１を参照して、本発明についての第２の実施の形態に係る熱交換モジュールＭ２について説明する。
　図１１は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換モジュールＭ２の構成例を示す概略構成図である。
　なお、第１の実施形態に係る熱交換モジュールＭ１と同様の構成については、同一符号を付して説明は省略する。
　熱交換モジュールＭ２と熱交換モジュールＭ１との相違点は、熱交換モジュールＭ２がバッファタンク２０に代えて固体バッファ３００を備えている点である。
　また、この相違に伴い、熱交換モジュールＭ１のバッファタンク２０が備えていた冷却水をタンク２０内で循環させるサーキュレータ２００も省略され、構成が簡易化されている。
　ここで、固体バッファ３００としては、特には限定されないが、アルミや銅等の熱の良伝導体で構成されたブロックや、低融点金属で構成されたブロックを用いることができる。
　なお、低融点金属としては、ローズメタル、ガリンスタン、ＮａＫ、インジウムやビスマスの合金を挙げることができる。
　このような構成の熱交換モジュールＭ２において、前出の図８のフローチャートに示すペルチェ素子の温度制御処理および図９のフローチャートに示す非線形電流制御処理を行うことにより、ペルチェ素子ＰａおよびＰｂを効率的に動作させることができ、冷却あるいは加熱した水等を短時間で得ることができた。
　以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。
　即ち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
　例えば、第１の実施の形態に係る熱交換モジュールＭ１または第２の実施の形態に係る熱交換モジュールＭ２を浄水器に適用し、熱交換モジュールＭ１または熱交換モジュールＭ２で得られた冷水あるいは湯を所定量貯留あるいは使用する都度生成するように構成することができる。
　また、熱交換モジュールＭ１またはＭ２について、図１２のグラフに示すように、ΔＴＡ＝ＴＡｈ－ＴＡｃが所定値（例えば、２２℃）となるタイミングＴ１で、ペルチェ素子Ｐａ、Ｐｂに流す電流の制御を１次関数制御から非線形関数制御（例えば、２次関数制御）に切り換えるようにしてもよい。
　本発明は、高効率で短時間に冷水あるいは温水を得ることのできる熱交換モジュール、浄水器を提供することができる。

Claims (25)

  1. 　電子熱交換素子に印加される電流または電力を制御して温度制御を行う電子熱交換素子の制御方法であって、
    　電流または電力の投入時に前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第１の電流または電力印加過程と、
    　電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差を測定する測定過程と、
    　当該測定過程で測定された前記温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定過程と、
    　当該判定過程で、前記所定値になったと判定された場合に、前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第２の電流または電力印加過程と、
    　を少なくとも有することを特徴とする電子熱交換素子の制御方法。
  2. 　予め得たい目標温度値を設定する設定過程をさらに有し、
    　前記第２の電流または電力印加過程において、前記測定過程で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定過程で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させることを特徴とする請求項１に記載の電子熱交換素子の制御方法。
  3. 　前記電子熱交換素子は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子熱交換素子の制御方法。
  4. 　前記第１の関数は、前記温度差を引数とする線形関数であり、
    　前記第２の関数は、前記温度差を引数とする非線形関数であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法。
  5. 　前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、
    　前記第２の関数は、前記温度差を引数とする２次関数であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法。
  6. 　前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、
    　前記第２の関数は、前記温度差を引数とするｎ次関数（但し、ｎは３以上の整数）であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法。
  7. 　前記第１の関数は、前記温度差を引数とする１次関数であり、
    　前記第２の関数は、前記温度差を引数とする指数関数であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法。
  8. 　前記所定値は、－７０～７０℃であることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法。
  9. 　電子熱交換素子に印加される電流または電力を制御して温度制御を行う電子熱交換素子の制御装置であって、
    　電流または電力の投入時に前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を第１の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第１の電流または電力印加手段と、
    　電子熱交換素子における発熱側と吸熱側の温度差を測定する測定手段と、
    　当該測定手段で測定された前記温度差が予め設定した所定値となったか否かを判定する判定手段と、
    　当該判定手段で、前記所定値になったと判定された場合に、前記電子熱交換素子に印加する電流または電力を前記第１の関数とは異なる第２の関数に基づいて時間の経過と共に増減させる第２の電流または電力印加手段と、
    　を少なくとも備えることを特徴とする電子熱交換素子の制御装置。
  10. 　予め得たい目標温度値を設定する設定手段をさらに備え、
    　前記第２の電流または電力印加手段は、前記測定過程で測定された電子熱交換素子における発熱側の温度値と、前記設定手段で設定された目標温度値との温度差を勘案して電流または電力を増減させることを特徴とする請求項９に記載の電子熱交換素子の制御装置。
  11. 　請求項１から請求項８の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項９または請求項１０の何れかに記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の電子熱交換素子と、
    　所定の冷媒あるいは所定の熱媒を流通させる空隙を備え、電子熱交換素子の吸熱側または発熱側に密接させて配置される１または２以上の熱回路基板と、を具備し、
    　前記熱回路基板は、
    　第１の熱伝導体と、
    　第２の熱伝導体と、
    　前記第１の熱伝導体と前記第２の熱伝導体との間に介在され、空隙を有する第３の熱伝導体と、
    　を有し、
    　前記第３の熱伝導体と前記第１の熱伝導体および前記第２の熱伝導体とは化学結合されている
    　ことを特徴とする熱交換モジュール。
  12. 　前記化学結合は、金属結合、水素結合、イオン結合またはファンデルワールス結合であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換モジュール。
  13. 　前記第３の熱伝導体と前記第１の熱伝導体および前記第２の熱伝導体とは絶縁体薄膜を介して結合されている
    　ことを特徴とする請求項１１または請求項１２の何れかに記載の熱交換モジュール。
  14. 　前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒は、水、フッ素系不活性液体、グリセリン水溶液またはアルコールであることを特徴とする請求項１１から請求項１３の何れかに記載の熱交換モジュール。
  15. 　第１の熱伝導体、第２の熱伝導体、第３の熱伝導体は、銅、ステンレス、チタン、白金または金属化合物あるいは高熱伝導性セラミックで構成されることを特徴とする請求項１１から請求項１４の何れかに記載の熱交換モジュール。
  16. 　前記電子熱交換素子において、前記熱回路基板が配置された側と反対の面に、所定の冷媒あるいは所定の熱媒を貯留したバッファタンクまたは固体バッファが密接するように配設されることを特徴とする請求項１１から請求項１５の何れかに記載の熱交換モジュール。
  17. 　前記バッファタンクに貯留される前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒は、水、グリセリン水溶液またはオイルであることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換モジュール。
  18. 　前記固体バッファは、低融点金属で構成されることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換モジュール。
  19. 　前記バッファタンクは、前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒が貯留されるタンク本体の内壁に、複数の放熱フィンが設けられることを特徴とする請求項１６または請求項１７の何れかに記載の熱交換モジュール。
  20. 　前記バッファタンクまたは前記固体バッファにおいて、前記電子熱交換素子が配設された側と反対の面に、請求項１から請求項８の何れかに記載の電子熱交換素子の制御方法または請求項９または請求項１０に記載の電子熱交換素子の制御装置を適用して温度制御される１または２以上の補助用電子熱交換素子が配設されることを特徴とする請求項１５から請求項１８の何れかに記載の熱交換モジュール。
  21. 　前記補助用電子熱交換素子において、前記バッファタンクまたは前記固体バッファが配置された側と反対の面に、空冷式のヒートシンクまたは冷却ファンが配設されることを特徴とする請求項２０に記載の熱交換モジュール。
  22. 　前記バッファタンクは、タンク内に貯留された前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒を循環させる循環手段を備えることを特徴とする請求項１６から請求項２１の何れかに記載の熱交換モジュール。
  23. 　前記バッファタンクは、タンク内の圧力を調整する安全弁を備えることを特徴とする請求項１６から請求項２２の何れかに記載の熱交換モジュール。
  24. 　前記各電子熱交換素子は、前記バッファタンクまたは前記固体バッファに沿って直線的に配置され、
    　当該各電子熱交換素子に密接するように１つの前記熱回路基板が長手方向に延設され、
    　前記所定の冷媒あるいは前記所定の熱媒が、前記熱回路基板の長手方向に連続的に流通されるように構成されることを特徴とする請求項１６から請求項２３の何れかに記載の熱交換モジュール。
  25. 　前記請求項１１から請求項２４の何れかに記載の熱交換モジュールと、
    　前記熱回路基板が有する前記空隙に流通されて前記電子熱交換素子により冷却または加熱された冷媒あるいは熱媒としての水が貯蔵される貯蔵タンクと、
    　を備えることを特徴とする浄水器。
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