WO2014041621A1

WO2014041621A1 - 電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置

Info

Publication number: WO2014041621A1
Application number: PCT/JP2012/073270
Authority: WO
Inventors: 航佐藤
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-20
Also published as: JPWO2014041621A1; JP5756236B2

Abstract

　電気熱量効果を利用して熱を輸送する電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置１は、電気熱量効果を有する部材３１と、この電気熱量効果を有する部材に電場を印加するための電極３２とを備える電気熱量効果素子３と、受熱部２１、接続部２２、放熱部２３を備える中空容器と、該中空容器の内部に封入された作動液及び該作動液の蒸気により構成されるヒートパイプ２とを備え、このヒートパイプの前記接続部は前記受熱部よりも熱伝導率の低い部材で構成され、前記電気熱量効果素子を、前記ヒートパイプの前記受熱部に接続して構成している。このように構成することにより、電気熱量効果の発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離でき、効率が良く且つ信頼性も高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置を得ることができる。

Description

電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置

　本発明は、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置に関する。

　現在、電子部品などの機器やある空間の温度を制御するため、熱を輸送するヒートポンプが広く利用されている。ヒートポンプを実現するための手段としては、冷媒を利用する圧縮式の冷凍サイクル、ペルチェ効果を利用したもの、或いは磁気熱量効果を利用したものが広く利用されている。

　しかし、空調機で良く用いられている冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するための圧縮機が必要なため、構造が複雑であり小型化が容易ではない。一方、ペルチェ効果を利用したものは、ペルチェ素子が機械的な可動部を持たないため、小型化に適している。しかし、熱輸送量は素子に流す電流値に依存するため、ジュール熱が問題となり、冷却時の効率を高めることが容易ではない。また、磁気熱量効果を利用した冷凍機では、強力な磁場を発生させるための装置の小型化が容易ではないという課題がある。

　これら従来のヒートポンプに対し、小型化が可能で、制御の容易な電場によって温度変化が得られる電気熱量効果を利用したヒートポンプへの応用が期待される。電気熱量効果とは、焦電体に電場を印加すると発熱し、電場を除去すると吸熱する現象である。しかし、電気熱量効果は、電気熱量効果を有する素子自体が発熱及び吸熱を繰り返すため、電場の変化が完了した際に素子の温度は元に戻ってしまう。そのため、電気熱量効果を有する素子単体ではヒートポンプとして利用できない。

　このため、電気熱量効果の発熱と吸熱を分離する構造が検討されてきた。例えば、特許文献１（特開２０１１－１７６０８２号公報）のものでは、電気熱量効果を有する素子を基板中に配置し、該素子が冷却を必要とする時間に合わせて吸熱反応を起こすことで前記基板に搭載された電子部品の冷却を実現するようにしている。

　また、特許文献２（特表２００１－５０８６３７号公報）のものでは、電気熱量効果を有する素子と圧電材料を組み合わせることで機械的に発熱と吸熱を分離している。

特開２０１１－１７６０８２号公報特表２００１－５０８６３７号公報

　上記特許文献１に記載されているものでは、前記基板内に電気熱量効果を有する素子を配置するようにしているので、該素子は吸熱、発熱のサイクルを分離することができない。このため、特許文献１に記載のものでは、基板に搭載された電子部品から連続的に吸熱を行うことができず、吸熱後の発熱が基板温度を上昇させてしまうという課題がある。

　また、上記特許文献２に記載されているものでは、圧電素子を用い、熱源に対して機械的に可動させて発熱と吸熱を分離するようにしているため、熱源と電気熱量効果を有する素子との接触熱抵抗が大きくなり、熱輸送の効率を高めることは困難である。更に、機械的に可動させるための駆動部があるために、信頼性が低下するという課題もある。

　本発明の目的は、電気熱量効果の発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるようにして、効率が良く且つ信頼性の高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置を得ることにある。

　上記目的を達成するために本発明は、電気熱量効果を利用して熱を輸送する電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、電気熱量効果を有する部材と、この電気熱量効果を有する部材に電場を印加するための電極とを備える電気熱量効果素子と、受熱部、接続部、放熱部を備える中空容器と、該中空容器の内部に封入された作動液及び該作動液の蒸気により構成されるヒートパイプとを備え、このヒートパイプの前記接続部は前記受熱部よりも熱伝導率の低い部材で構成され、前記電気熱量効果素子を、前記ヒートパイプの前記受熱部に接続して構成されていることを特徴とする。

　本発明の他の特徴は、上記のヒートポンプ装置を複数台と、断熱容器とを備え、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの少なくとも１台のヒートポンプ装置の放熱部を前記断熱容器に設置し、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの他の少なくとも１台のヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を前記断熱容器に設置し、前記断熱容器内に設置された前記放熱部からの放熱と、前記断熱容器内に設置された前記電気熱量効果素子への吸熱により、前記断熱容器内の温度を制御するように構成されている電気熱量効果を利用した温度制御装置にある。

　本発明によれば、電気熱量効果の発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるようにして、効率が良く且つ信頼性も高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置及び温度制御装置を得ることができる。

本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例１を示す正面図である。図１の縦断面図である。電気熱量効果素子の温度変化を説明する線図である。本発明の実施例１における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置における電気熱量効果素子の温度変化を説明する線図である。上記実施例１のヒートポンプ装置を、電子機器の冷却に応用した例を示す正面図である。本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例２を示す正面図である。図６の縦断面図である。本発明の電気熱量効果を利用した温度制御装置の実施例を示す正面図である。図８に示す電気熱量効果を利用した温度制御装置を、遺伝子検査装置の温度制御に応用した例を示す正面図である。

　以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　本発明の実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置は、電気熱量効果を有する素子（以下、電気熱量効果素子ともいう）と、熱伝導の異方性の高いヒートパイプとを組み合わせたものである。即ち、電気熱量効果により前記電気熱量効果素子に生じる発熱と吸熱を、前記熱伝導の異方性を有するヒートパイプを利用して分離し、これによって可動部を設けることなく、熱輸送を実現するものである。この本実施例の基本構成と動作を以下説明する。

　前記電気熱量効果素子は、電場の印加によって温度が上昇し、電場の除去によって温度が下降する電気熱量効果を有する部材（以下、電気熱量効果部材ともいう）と、この電気熱量効果部材に対し、該電気熱量効果部材を挟むように固設された二つの対向する電極を備える。ここで、前記電気熱量効果部材と前記電極は１組でなくとも良く、電気熱量効果部材と電極を２組以上積層させて構成するようにしても良い。

　前記ヒートパイプは、受熱部、接続部、放熱部から成る容器で形成され、その容器の内部には作動媒体、即ち作動液及び作動液の蒸気が封入されている。前記接続部は、前記受熱部と前記放熱部を接続する中空管状に構成されていると共に、前記受熱部及び放熱部よりも熱伝導率が低い材料で構成されている。これにより、受熱部と放熱部は熱的に分離される。また、前記電気熱量効果素子は、前記ヒートパイプの受熱部に絶縁部材を介して固定される。

　前記電気熱量効果素子に固設された電極に電場を印加すると、この電気熱量効果素子は発熱し、その温度が上昇する。この発生した熱は、前記絶縁部材を介して前記受熱部に伝達され、前記ヒートパイプ内の作動液の温度を上昇させる。そして、その動作液が沸騰することで、作動液の蒸気が中空の前記接続部を通過して前記放熱部へと到達し、この放熱部で前記作動液の蒸気は、周囲環境（周囲の空気や冷却水など）と熱交換することで液に戻り、前記接続部を通過して受熱部へと還流される。このように、前記電気熱量効果素子の発熱は、前記ヒートパイプを介して放熱部から周囲環境に放熱されるため、電気熱量効果素子の温度は、前記周囲環境の温度に応じた温度となる。

　次に、前記電気熱量効果素子に印加している電場を除去すると、前記電気熱量効果素子は吸熱するため、該電気熱量効果素子の温度は下降する。このとき、前記電気熱量効果素子と前記絶縁部材を介して熱的に接続されている前記ヒートパイプの受熱部及び前記作動液の温度も下がるが、前記接続部は熱伝導率の低い材料で構成されているため、前記放熱部から前記受熱部側への熱侵入は抑制される。従って、前記電気熱量効果素子の温度は周囲環境温度より低くなるので、この電気熱量効果素子は周囲から吸熱する。

　そして、上述した電気熱量効果素子への電場の印加及び除去を繰り返すことにより、前記電気熱量効果素子で継続的に吸熱して、この吸熱した熱を前記ヒートパイプを介して、該ヒートパイプの放熱部から継続的に放熱させることができるから、ヒートポンプ装置として作動させることができる。

　このように構成することにより、電気熱量効果素子での発熱と吸熱を、可動部を設けることなく分離できるから、効率が良く且つ信頼性も高い電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置を得ることができる。

　次に、上述した本実施例１における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の具体例を、図１～図４により説明する。　
　図１は本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例１を示す正面図、図２は図１の縦断面図である。これらの図に示す例は、電気熱量効果素子を利用して冷却装置を構成する例である。

　これらの図において、１は電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置で、このヒートポンプ装置１は、ヒートパイプ２及び電気熱量効果を有する素子（電気熱量効果素子）３により大略構成されている。前記ヒートパイプ２は、受熱部２１、接続部２２及び放熱部２３を備えており、図２に示すように、中空の構造となっている。そして、該ヒートパイプ２の内部には作動媒体として、作動液２４と該作動液２４の蒸気が封入されている。また、本実施例では、前記ヒートパイプ２の接続部２２は前記受熱部２１及び放熱部２３よりも熱伝導率の低い材料で構成されている。なお、前記接続部２２は、少なくとも前記受熱部２１よりも熱伝導率が低ければ良く、前記放熱部２３とは同等以上の熱伝導率であっても構わない。

　前記電気熱量効果素子３は、電気熱量効果を有する部材（電気熱量効果部材）３１と、この電気熱量効果部材３１を挟むように該部材３１に固設された２つの対向する電極３２を備えている。この電気熱量効果素子３は前記ヒートパイプ２の受熱部２１に絶縁部材３３を介して固定されている。

　次に、電気熱量効果素子３における電場の印加及び除去と、発熱及び吸熱との関係について説明する。電気熱量効果とは、電気熱量効果部材３１に電場を印加、除去することで、電気熱量効果部材３１の内部にエントロピー変化が生じ、それに伴って発熱や吸熱が生じるため、電気熱量効果素子３の温度が変化する。この電場によって生じる前記電気熱量効果部材３１の温度差は数１によって求めることができる。数１において、ΔＴは電気熱量効果素子３の温度変化、Ｔは基準となる電気熱量効果素子３の温度、ρはその密度、Ｃ_Ｅはその熱容量、Ｄは電束密度、Ｅは電場を示す。

　上記電気熱量効果素子３単体に電場を印加、除去したときの温度変化を図３に示す線図により説明する。図３において、上の線図（ａ）は電気熱量効果素子３の温度変化ΔＴを示し、下の線図（ｂ）は電気熱量効果素子３に印加する電場Ｅを示している。上記線図（ａ）（ｂ）において、横軸はいずれも時間ｔである。

　電気熱量効果を有する素子３に電場Ｅを印加することで、数１に従って電気熱量効果素子３の温度が上昇し、周囲環境よりも前記電気熱量効果素子３の温度が高くなる。その後、前記電気熱量効果素子３から周囲環境に放熱することで、次第に周囲環境と同じ温度に戻る。

　次に、前記電気熱量効果素子３に印加していた電場Ｅを取り除くと、前記素子３の温度が下降し、周囲温度より前記素子３の温度が低くなる。その後、周囲環境から吸熱し、次第に周囲環境と同じ温度に戻る。　
　このように、電気熱量効果素子３は電場Ｅの印加、除去を繰り返しても、電気熱量効果素子３単体では周囲環境と同じ温度に戻ってしまう。

　次に、本実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置における電気熱量効果素子３の温度変化について図１及び図２を参照しながら図４により説明する。この図４も図３と同様、上の線図（ａ）は電気熱量効果素子３の温度変化ΔＴを示し、下の線図（ｂ）は電気熱量効果素子３に印加する電場Ｅを示しており、また上記線図（ａ）（ｂ）において、横軸はいずれも時間ｔである。

　本実施例においては、前記ヒートパイプ２の接続部２２が前記受熱部２１及び放熱部２３よりも熱伝導率の低い材料で構成されているので、前記電気熱量効果素子３の吸熱と発熱を分離することができる。この原理について説明する。　
　電場Ｅを印加した際に電気熱量効果素子３に生じる発熱は、前記絶縁部材３３を介してヒートパイプ２の受熱部２１に伝わり、ヒートパイプ２内に保持されている作動液２４に伝わる。これにより、作動液２４は温度上昇して蒸気２５となり、前記放熱部２３に向かって進む。前記蒸気２５は前記放熱部２３で周囲環境と熱交換することで冷却され、液体２６に戻り、再び受熱部２１に戻る。

　このように、電気熱量効果によって生じた発熱は、前記ヒートパイプ２に封入されている作動液２４を介して迅速に放熱されるため、電気熱量効果素子３の温度上昇は小さく、短時間で周囲環境と同じ温度に戻る。

　次に、前記電気熱量効果素子３から電場Ｅを取り除くと、この素子３の温度は下降し、前記絶縁部材３３を介して前記受熱部２１及び前記作動液２４から吸熱する。このとき、前記作動液２４は前記受熱部２１に留まっており、前記放熱部２３から前記受熱部２１側に熱は輸送されない。更に、前記ヒートパイプ２には、前記受熱部２１より熱伝導率の低い接続部２２があるため、前記放熱部２３から前記受熱部２１側への熱侵入が非常に小さい。そのため、前記電気熱量効果素子３の温度は周囲環境の温度より低くなる。

　前記電気熱量効果素子３に、上記と同様な電場Ｅの印加、除去の手順を繰り返すことで、前記素子３での発熱時のみ、前記作動流体２４の蒸発によって前記放熱部２３に熱輸送され、前記素子３での吸熱時には逆向きの熱輸送が起こらない。そのため、前記電気熱量効果素子３の温度は下がり、周囲環境からの吸熱作用を生じさせることができる。これらの手順を繰り返すことで、前記素子３の温度を周囲環境の温度より低くすることができる。即ち、熱の流れとして、前記電気熱量効果素子３で周囲環境（例えば、発熱している電子部品など）から４１に示すように吸熱し、前記ヒートパイプ２の放熱部２３から周囲環境（例えば、周囲空気や冷却水など）へ４２で示すように放熱するヒートポンプ装置として動作させることができる。

　前記受熱部２１及び放熱部２３は、熱伝導率が高い材料であることが好ましく、例えば、銅やアルミが考えられる。　
　また、電気熱量効果は焦電性の逆反応であることから、前記電気熱量効果を有する部材３１は焦電体で構成される。その代表的な材料としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリマーであるポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体等がある。

　なお、前記電気熱量効果部材３１は、その体積でその発熱量が決まるので、発熱量、吸熱量を多くしたい場合には、前記電気熱量効果部材３１の体積をより大きくするか、或いは前記電気熱量効果部材３１を複数個組み合わせて構成すれば良い。

　前記ヒートパイプ２の接続部２２は、熱伝導率が低い材料で形成されることが望ましく、例えば、セラミックやガラスなどを利用すると良い。また、前記接続部２２は、前記受熱部２１や放熱部２３より熱伝導率が低ければ良いため、前記受熱部２１や放熱部２３と同じ熱伝導率の材料であっても、熱を伝導する断面積が小さくなるように、径を小さくする構造や、該接続部２２を薄くする構造としても良い。

　なお、前記ヒートパイプ２の代わりに、熱伝導の異方性がある部材（異方性のある材料を含む）を用いても良く、電気熱量効果素子３と熱的に接続される前記受熱部２１から放熱部２３に対しての熱伝導性が高く、逆に前記放熱部２３から受熱部２１への熱伝導性が低い部材であれば、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置として利用することができる。

　前記ヒートパイプ２の放熱部２３にはフィンやファン等の冷却装置を設け、図１に４２で示す放熱を促進するように構成することが好ましい。また、放熱する周囲環境は大気などの周囲空気には限られず、冷却水などに放熱するように構成しても良い。

　前記ヒートパイプ２に封入される作動液２４は、電気熱量効果素子３が生成する熱量によって相変化が起こることが望ましく、前記電気熱量効果素子３の生成する熱量に合わせて、前記作動液２４の種類や封入量を調整する。例えば、電気熱量効果による発熱量が少ない場合には、比熱及び蒸発潜熱の小さいアセトンやフッ素系液体などを、前記作動液２４として封入すると良い。また、電気熱量効果による発熱量が多い場合には、比熱及び蒸発潜熱の大きい水などを、前記作動液２４として使用すると良い。

　前記ヒートパイプ２の接続部２２は、その形状を変化させて前記放熱部２３を任意の場所に導くことも可能であり、前記電気熱量効果素子３によって形成される吸熱４１（受熱部２１）と、前記ヒートパイプ２の放熱部２３からの放熱４２（放熱部２３）を、互いに遠い位置に離すことができる。

　以上述べたように、本実施例によれば、電気熱量効果素子３に生じる発熱、吸熱を駆動部を設けることなく効率的に分離することができるから、前記電気熱量効果素子３側で吸熱した熱を、放熱部２３側へ輸送して、周囲空気や冷却水などの周囲環境に放熱することが可能となる。従って、本実施例のヒートポンプ装置は、電子機器の冷却装置、対象空間の温度制御装置、冷凍空調装置、低温－高温間の熱輸送装置などに利用することができる。

　ここで、上記実施例１のヒートポンプ装置を、電子機器の冷却に応用した例を図５により説明する。図５において、図１、図２と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　図５において、５１はヒートポンプ装置１における電気熱量効果素子３の一対の電極３２に電場を印加するための電源、５２は電子部品５３を搭載した基板である。この基板５２に固定された前記電子部品５３は、その稼働時に発熱するが、過度に温度上昇するとその動作が不安定になったり、或いは最悪の場合、発火する恐れがある。

　そこで、この図５に示した例は、前記電子部品５３で発生する発熱を、上述した電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置１で除去するようにしたものである。即ち、前記ヒートポンプ装置１の前記電気熱量効果素子３を、前記電子部品５３の表面に接触させて固定し、前記電気熱量効果素子３の電極３２に、前記電源５１を用いて、電圧のオン、オフを制御する。これにより、電気熱量効果部材３１により前記電子部品５３から吸熱し、ヒートパイプ２の放熱部２３から周囲環境に放熱することができる。その結果、前記電子部品５３の過度な温度上昇を抑制することができる。

　本発明の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置の実施例２を図６及び図７により説明する。図６は本実施例２を示すヒートポンプ装置の正面図であり、図７は図６の縦断面図である。また、これら図６及び図７において、上記図１や図２と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　本実施例は、ヒートパイプ２の受熱部２１を、電気熱量効果を有する部材３１に電場を印加するための一方の電極３２として共用するようにしたものである。このため、前記受熱部２１の材料としては、熱伝導性が良いだけでなく、電気伝導性も良い材料を使用している。

　更に詳しく説明する。前記ヒートパイプ２は、受熱部２１、接続部２２及び放熱部２３を備えており、中空の構造となっている。また、このヒートパイプ２の内部には作動媒体としての作動液２４と作動液２４の蒸気が封入されている。前記受熱部２１及び放熱部２３は熱伝導性が良く、また、少なくとも前記受熱部２１は、同時に電気伝導性のある材料を使用している。

　本実施例では、前記受熱部２１及び放熱部２３を構成する材料として、銅またはアルミニウムを使用している。これらの材料は熱伝導性が良く且つ電気伝導性も有しているため、本実施例では、前記受熱部２１を電気熱量効果部材３１に電場を印加するための一方の電極として利用する。また、電気熱量効果部材３１に対して、受熱部２１と対向する面には上記実施例１と同様に、他方の電極３２を設ける。

　前記電気熱量効果素子３における吸熱と発熱を分離する原理は上記実施例１と同様である。即ち、電気熱量効果素子３に電場を印加することよって生じる発熱時には、発生する熱がヒートパイプ２内に封入されている作動液２４に伝達され、この作動液２４によって放熱部２３まで輸送されて、周囲環境（周囲空気や冷却水など）へと放熱される。一方、前記電気熱量効果素子３への電場を除去することによって生じる吸熱時には、前記放熱部２３から前記受熱部２１への熱移動が、熱伝導率の低い前記接続部２２により抑制されているため、前記電気熱量効果素子３の温度を低下させることになる。　
　この手順を繰り返すことで、前記電気熱量効果素子３により、４１に示すように吸熱し、前記放熱部２３から４２で示すように放熱するヒートポンプ装置１を実現することができる。

　本実施例２のように、受熱部２１を電気熱量効果素子３の一方の電極として利用することにより、電気熱量効果素子３で生じた発熱を、絶縁部材３３（図１、図２参照）を介さずに、作動液２４に効果的に伝達することができるので、前記実施例１と同様の効果を得ることができると共に、より効率の高いヒートポンプ装置１を実現することが可能となる。

　なお、本実施例２では、実施例１で示した絶縁部材３３使用しないので、ヒートパイプ２が他の電気伝導性のある部材に接触すると漏電する虞がある。そこで、前記接続部２２の材料として、熱伝導率が低く且つ電気絶縁性のある材料、例えばセラミックやガラスなどを使用することにより、漏電などを防止できる。但し、前記ヒートパイプ２が他の電気伝導性のある部材に接触する虞がない場合など、漏電の危険性がない場合には、前記ヒートパイプ２の接続部２２を、熱伝導率が低く、電気伝導性のある材料で構成しても良い。

　上述した実施例における電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置を複数台組み合わせ、所定空間の温度制御装置として利用する実施例を、図８により説明する。図８は本発明の電気熱量効果を利用した温度制御装置の実施例を示す正面図である。また、この図８において、前記図１や図２と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　図８に示すように、本実施例３による電気熱量効果を利用した温度制御装置５は、二つ（２台）の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置１ａ，１ｂを用い、電気熱量効果を有する素子（電気熱量効果素子）３ａ，３ｂの吸熱４１ａ，４１ｂと、ヒートパイプ２ａ，２ｂの放熱部２３ａ，２３ｂからの放熱４２ａ，４２ｂを組み合わせることで、温度制御装置５を構成するようにした例である。

　４は周囲環境から断熱する断熱容器であり、この断熱容器４の内部には、前記一方のヒートポンプ装置１ａにおけるヒートパイプ２ａの放熱部２３ａが配置されると共に、前記他方のヒートポンプ装置１ｂにおける前記電気熱量効果素子３ｂが配置されている。また、前記一方のヒートポンプ装置１ａにおけるヒートパイプ２ａの接続部２２ａと受熱部２１ｂ、及び前記電気熱量効果素子３ａは前記断熱容器４の外に配置されている。更に、前記他方のヒートポンプ装置１ｂにおけるヒートパイプ２ｂの受熱部２１ｂ、接続部２２ｂ及び放熱部２３ｂも前記断熱容器４の外に配置されている。

　なお、前記各ヒートポンプ装置１ａ，１ｂには、上記実施例１と同様に、絶縁部材３３ａ，３３ｂがそれぞれ設けられており、更に前記各電気熱量効果素子３ａ，３ｂは、それぞれ、電気熱量効果を有する部材（電気熱量効果部材）３１ａ，３１ｂと電極３２ａ，３２ｂで構成されている。

　次に、本実施例３において、前記断熱容器４内の温度を制御する原理を説明する。　
　ヒートポンプ装置１ａを、上記実施例１と同様に、吸熱と発熱を分離させることで、電気熱量効果素子３ａから４１ａで示すように吸熱し、ヒートパイプ２ａの放熱部２３ａから前記断熱容器４内に４２ａで示すように放熱４２される。この放熱４２によって前記断熱容器４の温度を上昇させることができる。

　一方で、ヒートポンプ装置１ｂを、上記実施例１と同様に、吸熱と発熱を分離させることで、電気熱量効果素子３ｂから４１ｂで示すように、断熱容器４内の熱を吸熱し、ヒートパイプ２ｂの放熱部２３ｂから４２ｂで示すように周囲環境（周囲空気や冷却水など）に放熱される。そして、前記吸熱４１ｂにより、前記断熱容器４内の温度を下降させることができる。

　従って、前記二つのヒートポンプ装置１ａ，１ｂを独立して制御することにより、前記断熱容器４内の温度を任意に制御可能な温度制御装置５を得ることができる。　
　なお、本実施例３では、前記断熱容器４に配置するヒートポンプ装置を１ａ，１ｂの２台で構成する例を示したが、これに限られるものではなく、３台以上のヒートポンプ装置を前記断熱容器４に配置して、温度制御するように構成しても良い。

　このように、電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置１ａ，１ｂにおける電気熱量効果素子３ａ，３ｂからの吸熱４１ａ，４１ｂと、ヒートパイプ２ａ，２ｂの放熱部２３ａ，２３ｂからの放熱４２ａ，４２ｂを利用することにより、電子部品などの冷却装置を実現できるだけでなく、対象空間の温度制御装置を実現することも可能になる。

　ここで、上記実施例３の電気熱量効果を利用した温度制御装置を、遺伝子検査装置における水溶液の温度制御に応用した例を図９により説明する。図９において、図８と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

　遺伝子検査装置では、例えば、所定のデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を増幅させるため、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ法）を行う必要がある。ＰＣＲ法は、前記ＤＮＡを含む水溶液を高温にした後、冷却することでＤＮＡを増幅させる手法である。このＰＣＲ法では前記水溶液の正確な温度制御が求められる。

　このような反応を基板上で実現するため、図９に示すように、検査基板５４上に流路５５を形成し、この流路５５にＤＮＡを含む水溶液５６を流す構造としている。また、前記流路５５の途中には、二つのヒートポンプ装置１ａ，１ｂと二つのヒートシンク５７ａ，５７ｂを備える温度制御装置５が設けられている。この温度制御装置５は前記検査基板５４に設置されている。

　そして、一方のヒートポンプ装置１ａにおける電気熱量効果部材３１ａで前記一方のヒートシンク５７ａから吸熱し、この熱を放熱部２３ａから温度調整部５８（図８の断熱容器４に相当）に供給して該温度調整部５８の温度を上昇させる。また、前記他方のヒートポンプ装置１ｂにおける電気熱量効果部材３１ｂでは、前記温度調整部５８から吸熱し、この熱を放熱部２３ｂから前記ヒートシンク５７ｂに放熱することで、前記温度調整部５８の温度を下降させるようにしている。

　そして、前記流路５５にＤＮＡを含む水溶液５６を導入し、該水溶液５６の流れを形成する。その流れの途中に設けた前記温度制御装置５の前記温度調整部５８で、前記水溶液を加熱或いは冷却する。この温度調整部５８での水溶液の加熱、冷却を繰り返すことで前記ＰＣＲ法を実現することができる。

　その後、前記温度調整部５８で増幅されたＤＮＡを含む水溶液５６は、流路５５を流れて、最終的には流路５５の下流側に設けた検出装置５９により、前記水溶液５６中の増幅されたＤＮＡを検出できるように構成されている。　
　このように、電気熱量効果を利用した温度制御装置５を、遺伝子検査装置の温度制御に利用することにより、正確な温度制御が可能な遺伝子検査装置を実現することができる。

　なお、図９に示した例では、前記温度制御装置５を、流路５５の流れ方向に一つだけ設けているが、前記温度制御装置５を、流路５５の流れ方向に対して二つ以上設けることも可能である。前記温度制御装置５を、流路５５の流れ方向に二つ以上設けることにより、流路５５に、加熱部と冷却部を形成することができるから、上流側の温度制御装置５で加熱し、下流側の温度制御装置で冷却するという操作を繰り返すことができ、流れを止めずに水溶液５６を流しながらＰＣＲ法を実現してＤＮＡを増幅させることが可能となる。

１，１ａ，１ｂ…電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置、
２，２ａ，２ｂ…ヒートパイプ、
３，３ａ，３ｂ…電気熱量効果を有する素子（電気熱量効果素子）、
４…断熱容器、５…温度制御装置、
２１，２１ａ，２１ｂ…受熱部、２２，２２ａ，２２ｂ…接続部、
２３，２３ａ，２３ｂ…放熱部、
２４，２６…作動液、２５…作動液の蒸気、
３１，３１ａ，３１ｂ…電気熱量効果を有する部材（電気熱量効果部材）、
３２，３２ａ，３２ｂ…電極、３３，３３ａ，３３ｂ…絶縁部材、
４１，４１ａ，４１ｂ…吸熱、４２，４２ａ，４２ｂ…発熱、
５１…電源、５２…基板、５３…電子部品、
５４…検査基板、５５…流路、５６…ＤＮＡを含む水溶液、
５７…ヒートシンク、５８…温度調整部、５９…検出装置。

Claims

　電気熱量効果を利用して熱を輸送する電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　電気熱量効果を有する部材と、この電気熱量効果を有する部材に電場を印加するための電極とを備える電気熱量効果素子と、
　受熱部、接続部、放熱部を備える中空容器と、該中空容器の内部に封入された作動液及び該作動液の蒸気により構成されるヒートパイプとを備え、
　このヒートパイプの前記接続部は前記受熱部よりも熱伝導率の低い部材で構成され、
　前記電気熱量効果素子を、前記ヒートパイプの前記受熱部に接続して構成されている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項１に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記電気熱量効果素子と前記ヒートパイプの前記受熱部との間に絶縁部材を介して、前記電気熱量効果素子と前記ヒートパイプとが接続されている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項２に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記電気熱量効果素子は、前記電気熱量効果を有する部材の両側面に前記電極を設けている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項１に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記ヒートパイプの接続部はセラミックまたはガラスで構成されている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項１記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記ヒートパイプの受熱部を電気伝導性のある材料で構成し、この受熱部に前記電気熱量効果を有する部材を固定して前記受熱部を前記電気熱量効果素子の一方の電極として共用すると共に、
　前記電気熱量効果を有する部材の前記受熱部の対向面に他方の電極が設けられている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項５に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記ヒートパイプの接続部は電気絶縁性のある材料で構成されている
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項１に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置における、前記ヒートパイプに代えて、熱伝導の異方性がある部材を使用し、
　この熱伝導の異方性がある部材を前記電気熱量効果素子と熱的に接続し、前記受熱部から放熱部に対しての熱伝導性が高く、逆に前記放熱部から受熱部への熱伝導性が低くなるように構成している
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置。
　請求項１に記載の電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置であって、
　前記ヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を、電子部品の表面に接触させて固定し、前記電気熱量効果素子の電極に、電源を用いて電圧のオン、オフを制御することにより、前記電気熱量効果部材で前記電子部品から吸熱し、ヒートパイプの放熱部から周囲環境に放熱して、前記電子部品の温度上昇を抑制するように構成している
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用したヒートポンプ装置
　請求項１に記載のヒートポンプ装置を複数台と、断熱容器とを備え、
　前記複数台のヒートポンプ装置のうちの少なくとも１台のヒートポンプ装置の放熱部を前記断熱容器内に設置し、
　前記複数台のヒートポンプ装置のうちの他の少なくとも１台のヒートポンプ装置の前記電気熱量効果素子を前記断熱容器内に設置し、
　前記断熱容器内に設置された前記放熱部からの放熱と、前記断熱容器内に設置された前記電気熱量効果素子への吸熱により、前記断熱容器内の温度を制御する
　ように構成されていることを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。
　請求項９に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
　検査基板と、この検査基板上に形成されＤＮＡ（デオキシリボ核酸）を含む水溶液を流すための流路と、この流路の途中に設置された前記電気熱量効果を利用した温度制御装置と、この温度制御装置よりも下流側の前記流路に設けられＤＮＡを検出するための検出装置とを備え、
　前記流路を流れる前記ＤＮＡを含む水溶液を前記温度制御装置により加熱、冷却を繰り返すことで前記水溶液中のＤＮＡを増幅させ、この増幅された水溶液中のＤＮＡを前記検出装置で検出するように構成している
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。
　請求項１０に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
　前記温度制御装置は前記流路の流れ方向に対して二つ以上設けることにより、前記流路の流れ方向に加熱部と冷却部を形成するように構成している
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。
　請求項１０に記載の電気熱量効果を利用した温度制御装置であって、
　前記温度制御装置は、一方と他方の二つのヒートポンプ装置と二つのヒートシンクを備えており、
　前記一方のヒートポンプ装置における電気熱量効果部材で前記一方のヒートシンクから吸熱し、この熱を放熱部から、前記流路の途中に設けられた温度調整部に供給して、該温度調整部の温度を上昇させ、
　前記他方のヒートポンプ装置における電気熱量効果部材では、前記温度調整部から吸熱し、この熱を放熱部から前記他方のヒートシンクに放熱することで、前記温度調整部の温度を下降させるように構成している
　ことを特徴とする電気熱量効果を利用した温度制御装置。