JP2004270987A

JP2004270987A - Heat exchanger and driving method of peltier element used in the same

Info

Publication number: JP2004270987A
Application number: JP2003059909A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Ito; 勝美伊藤
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchanger and a driving method of a Peltier element used in the same, capable of bringing out the heating/cooling efficiency of the Peltier element to the maximum, and shortening the time to heat/cool a temperature controlled-object to a target temperature. <P>SOLUTION: The Peltier element (thermo module) 10 is connected to an output terminal of a constant power circuit 11 through lead wires 107, 108, and the constant power circuit 11 is connected to an element driving power source 12. The constant power circuit 11 supplies the constant power to the thermo module 10 from the element driving power source 12 for heating/cooling drive of the thermo module 10. By driving the thermo module 10 on the basis of the constant power control, the heating/cooling performance of the Peltier element can be brought out to the maximum by effective utilization of a power area which can not be outputted by the constant current control and the constant voltage control. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ素子を用いて温度制御対象物の加熱・冷却を行う熱交換装置に係わり、詳しくは、ペルチェ素子を定電力制御により駆動して加熱・冷却能力を向上させるようにした熱交換装置及びこれに用いるペルチェ素子の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造ラインで用いる各種処理薬液等の流体を冷却あるいは加熱して一定温度の流体を得るための素子として、ペルチェ効果を利用して冷却、加熱を行う電子冷熱素子（ペルチェ素子）が知られている。
【０００３】
ペルチェ素子を組み込んだ熱交換装置を製造する場合、ペルチェ素子の加熱あるいは冷却性能を効果的に引き出すことが重要なポイントなる。
【０００４】
従来、この種の熱交換装置においてペルチェ素子を駆動する方法としては、下記特許文献１、２に開示されるように、定電圧制御や定電流制御により駆動する方式が一般的であった。
【０００５】
しかしながら、これらの駆動方式では、ペルチェ素子が持つ、負荷として駆動される時の特異性によって、当該ペルチェ素子の効率的な駆動が行えなかった。
【０００６】
ここで、ペルチェ素子を負荷として駆動する場合の特異性について説明する。
【０００７】
周知のように、ペルチェ素子は、Ｎ型とＰ型の半導体熱電変換素子を縦及び横方向に交互に複数並べたうえで、隣接する素子同士を上側と下側の接合板（金属電極）で電気的に直列接続となるよう相互に接合した構造を有し、素子駆動電源から、例えば、Ｎ型からＰ型の方向に電流を流すことで熱電変換素子の一方の側が冷却され、他方の側が発熱するものである。
【０００８】
つまり、ペルチェ素子は、負荷として駆動される時に、熱電変換素子の上側熱交換基板との接合部と、下側熱交換基板との接合部間に温度差が生じる環境に置かれる。
【０００９】
このような環境下でペルチェ素子を負荷として駆動する場合の電力について、図１１に示す等価回路を参照して検証してみる。
【００１０】
この等価回路において、素子駆動電源１２によってペルチェ素子１０を駆動するために必要な電力Ｐは、下式（１）に示す通りである。
【００１１】
Ｐ＝（αｅ・ΔＴｊ＋ｒｅ・Ｉ）・Ｉ …… （１）
ここで、αｅはゼーベック係数であり、ペルチェ素子接合部の温度差で発生する熱起電力の係数を表す。
【００１２】
また、ΔＴｊは、ペルチェ素子接合部の温度差、つまり、図１１において、熱電変換素子１０１と上側熱交換基板１０５との接合部の温度Ｔ２と、熱電変換素子１０１と下側熱交換基板１０６との接合部の温度Ｔ１との温度差を表す。
【００１３】
また、ｒｅはペルチェ素子１０の素子抵抗分を表わし、Ｉはペルチェ素子１０に流れる電流を表す。
【００１４】
ここで、Ｖｃ＝αｅ・ΔＴｊ＋ｒｅ・Ｉとすれば、（１）式は、下記（２）式として表される。
【００１５】
Ｐ＝Ｖｃ・Ｉ …… （２）
Ｖｃは、ペルチェ素子１０の両端電圧を示しており、例えば、素子両端に温度差が無い時は、Ｖｃ＝ｒｅ・Ｉで表され、温度差がある場合はゼーベック効果による熱起電力に打ち勝つために、αｅ・ΔＴｊだけ余分の電圧を加える必要がある。
【００１６】
このように、ペルチェ素子１０は、負荷として駆動する際、素子接合部間の温度差（ΔＴｊ）に伴って抵抗値や起電力が変化するという特異性を有する。
【００１７】
この特異性の故に、例えば、ペルチェ素子１０を素子駆動電源１２により定電流制御や定電圧制御で駆動した時、ΔＴｊによっては最大電力で駆動できない領域が発生することになった。
【００１８】
図１２は、ペルチェ素子１０を定電流制御により駆動する場合と定電圧制御により駆動する場合の駆動電力とΔＴｊの関係を示す図である。
【００１９】
図１２に示すように、ペルチェ素子１０を定電流制御で駆動した場合、ΔＴｊが小さい区間ほど電力を出力できない領域（領域ａ１２１）が増し、他方、定電圧制御でペルチェ素子１０を駆動した場合、ΔＴｊが大きな区間ほど電力を出力できない領域（領域ａ１２２）が増すことになった。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−２４８８３０号公報ペルチェ素子駆動回路
【特許文献２】
特開２００３−２８７６８号公報電子冷却装置
【発明が解決しようとする課題】
このように、加熱冷却源としてペルチェ素子を用いる従来の熱交換装置では、ペルチェ素子を定電流制御または定電圧制御により駆動するのが一般的であったが、ペルチェ素子を負荷として駆動する時の特異性、つまり、素子接合部間の温度差ΔＴｊによって素子の抵抗値や起電力が変化するという性質に起因し、上記いずれの駆動方法においても、ΔＴｊに伴なって最大電力でペルチェ素子を駆動できない領域が生じて加熱冷却能力が損なわれ、特に、急峻な温度制御サイクルを有する熱交換装置に適用した場合、温度制御対象物を目標温度まで加熱・冷却する時間が長くかかることになった。
これを改善しようとすると、定電流制御と定電圧制御を併用する方法もあるが、制御の切替えが伴ない制御が複雑となり、実用的ではない。
結局、従来の熱交換装置では、ペルチェ素子の加熱・冷却能力を最大限引き出すことができず、温度制御対象物を目標温度まで加熱・冷却する時間が長くかかるという問題点があった。
【００２１】
本発明は上述の問題点を解消し、ペルチェ素子の加熱・冷却能力を最大限引き出すことができ、温度制御対象物を目標温度まで加熱・冷却する時間を短縮可能な熱交換装置及びこれに用いるペルチェ素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、温度制御対象物の加熱・冷却手段としてペルチェ素子を用いる熱交換装置において、素子駆動用電源と、前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に電力を供給して該ペルチェ素子を発熱・冷却駆動する定電力回路と、前記温度制御対象物の温度と目標温度との差に応じて、前記ペルチェ素子に供給される電力を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【００２３】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記温度制御対象物の温度を現在温度から目標温度に制御する場合、前記温度制御対象物が現在温度から目標温度になるまでの間の所定の期間中、前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に最大電力が供給されるように前記定電力回路を制御することを特徴とする。
【００２４】
請求項３記載の発明は、上記請求項２記載の発明において、前記最大電力は、同一の素子駆動用電源を用いた場合に、定電流制御及び定電圧制御では出力出来ない電力領域を含むことを特徴とする。
【００２５】
請求項４記載の発明は、温度制御対象物の加熱・冷却を行う熱交換装置の加熱・冷却手段として用いられるペルチェ素子の駆動方法において、前記ペルチェ素子と素子駆動用電源との間に定電力回路を設け、前記ペルチェ素子を定電力制御により発熱・冷却駆動することを特徴とする。
【００２６】
請求項５記載の発明は、上記請求項４記載の発明において、前記温度制御対象物の温度を検出し、前記温度制御対象物の温度を現在温度から目標温度に制御する場合、前記温度制御対象物が現在温度から目標温度になるまでの間の所定の期間中、前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に最大電力が供給されるように制御することを特徴とする。
【００２７】
請求項６記載の発明は、上記請求項５記載の発明において、前記最大電力は、同一の素子駆動用電源を用いた場合に、定電流制御及び定電圧制御では出力出来ない電力領域を含むことを特徴とする。
【００２８】
上記請求項１及び請求項４に記載の発明によれば、ペルチェ素子を定電力制御により発熱・冷却駆動するため、素子接合部間の温度差によって素子の抵抗値や起電力が変化するという、ペルチェ素子を負荷として駆動する時の特異性から定電流制御や定電圧制御では出力できなかった電力領域まで有効に活用してペルチェ素子の加熱・冷却能力を最大限に引き出すことができる。
【００２９】
また、上記請求項２，３並びに請求項５，６に記載の発明によれば、温度制御対象物の温度が目標温度に到達するまでの期間中は、定電流制御や定電圧制御では出力できなかった領域の電力であって、素子駆動用電源の最大電力を利用してペルチェ素子をその加熱・冷却能力を最大限に引き出す状態で駆動でき、定電流制御や定電圧制御時と同一の素子駆動電源を用いた場合も、温度制御対象物の温度を目標温度に到達させるまでの時間をこれら定電流制御や定電圧制御時に比べて大幅に短縮可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係わるペルチェ素子の駆動方法を示す概念図である。
【００３２】
図１において、ペルチェ素子１０は、ペルチェ効果を利用して加熱や冷却を行なうモジュール（以下、サーモモジュールという）であり、Ｎ型の熱電変換素子１０１ａとＰ型の熱電変換素子１０１ｂを縦及び横方向に交互に複数並べたうえで、隣接する熱電変換素子１０１ａ，１０１ｂ同士を上側と下側の金属電極（接合板）１０３、１０４で電気的に直列接続となるよう相互に接合すると共に、上側の接合板１０３と下側の接合板１０４とにそれぞれ熱交換用の基板１０５，１０６を当接配置した構造を有する。
【００３３】
接合板１０３，１０４のうち、例えば、下側の基板１０６上に形成される接合板１０４中の一対が給電端子として用いられ、これら各端子からはリード線１０７，１０８が導出されている。
【００３４】
図１において、サーモモジュール１０は、上記リード線１０７，１０８を通じて定電力回路１１の出力端子に接続されており、更に、定電力回路１１は素子駆動電源１２に接続されている。
【００３５】
定電力回路１１は、素子駆動電源１２からサーモモジュール１０に対して電力を供給し、該サーモモジュール１０を加熱あるいは冷却駆動する。つまり、本発明は、サーモモジュール１０を定電力制御により駆動するものである。
【００３６】
この定電力制御による駆動方法の発明の創作にあたって、本件発明者は、従来の技術の欄で述べた不都合、つまり、サーモモジュール（ペルチェ素子）を定電流制御あるいは定電圧制御で駆動する場合に、ΔＴｊ（素子接合部の温度差）に起因して最大電力を出力できない領域範囲（図１２参照）が生じる原因の分析から着手した。
【００３７】
ここでは、図１における定電力制御によるサーモモジュールの駆動方法の説明に先立って、まず、従来の駆動方法による不都合の分析について説明する。
【００３８】
従来の技術の欄〔（１）式、（２）式、図１１参照〕でも述べたように、サーモモジュールの両端電圧Ｖｃは、例えば素子両端に温度差が無い場合（ΔＴｊ＝０）は、Ｖｃ＝ｒｅ・Ｉで表され、温度差がある場合（ΔＴｊ≠０）は、Ｖｃ＝（αｅ・ΔＴｊ＋ｒｅ・Ｉ）である。
【００３９】
つまり、サーモモジュールは、負荷として駆動する際、素子両端に温度差がある場合、ゼーベック効果による熱起電力に打ち勝つためにαｅ・ΔＴｊだけ余分の電圧を加える必要があるという特異性を有する。
【００４０】
この点を踏まえ、サーモモジュールを一定電流で駆動（定電流制御）した場合と、一定電圧で駆動（定電圧制御）した場合の特性について図２及び図３を参照して検証する。
【００４１】
１）サーモモジュールを一定電流で駆動（定電流制御）した場合の特性
サーモモジュールを定電流制御で駆動するための電力の最大電力をＰｉｍａｘと仮定した場合、ΔＴｊとモジュール駆動電力Ｐｉとの関係は図２に示す特性となる。
【００４２】
ここで、素子駆動電源（定電流電源）は、最大出力電流がＩアンペア、最大出力電圧Ｖｓｍａｘとすると、Ｐｉｍａｘ＝Ｖｓｍａｘ・Ｉである。
【００４３】
Ｖｓｍａｘは、ΔＴｊが使用範囲で最大のところ（ΔＴｊｍａｘ）で、Ｉアンペアを流せることが必要である。すなわち、Ｖｓｍａｘ≧（αｅ・ΔＴｊｍａｘ＋ｒｅ・Ｉ）であることが必要である。
【００４４】
一方、ΔＴｊ＝０の時は、αｅ・ΔＴｊによる熱起電力がないため、その分出力電圧に余裕がありサーモモジュールに対して余分に電流を流すことが可能だが、定電流制御のため、操作量１００パーセント時の電流はＩアンペアであり、Ｉアンペア以上を流すことはできない。
【００４５】
従って、ΔＴｊ＝０の時の駆動電力は、Ｐｉで抑えられてしまうことになる。
【００４６】
その結果、図２で示すように、素子駆動電源の持つ最大出力電力を有効に活かすことができない領域ａ２１が発生する。なお、図２における領域ａ２１は、図１２における領域ａ１２１に相当する。
【００４７】
２）サーモモジュールを一定電圧で駆動（定電圧制御）した場合の特性
同様に、素子駆動電源（定電圧電源）における駆動電力の最大値をＰｖｍａｘと仮定した場合、ΔＴｊとモジュール駆動電力Ｐｖとの関係は図３に示す特性となる。
【００４８】
この素子駆動電源（定電圧電源）において、最大出力電圧がＶボルト、最大出力電流Ｉｓｍａｘとすると、Ｐｖｍａｘ＝Ｖ・Ｉｓｍａｘである。
【００４９】
定電圧電源の最大出力電圧Ｖは、Ｐｖｍａｘが決まっているため、サーモモジュールに流す最大電流Ｉｍａｘで決定される。Ｉｍａｘは、ΔＴｊ＝０時の電流で決定され、
Ｉｍａｘ＝Ｉｓｍａｘである。
【００５０】
従って、Ｉｍａｘが決まれば、最大出力電圧ＶはＩｍａｘが流れる条件がΔＴｊ＝０の時であることから、故に、Ｖ＝Ｉｍａｘ・ｒｅとなり、操作量１００パーセントで出力される最大電圧Ｖとなる。
【００５１】
しかしながら、ΔＴｊが増えるに従い、（αｅ・ΔＴｊ）による熱起電力が大きくなり、ΔＴＪ≠０の領域においては、最大電圧ＶではＩｍａｘを流せない状態となる。
【００５２】
すなわち、ΔＴｊ≠０の領域（図３における領域ａ３１）では最大電力Ｐｖｍａｘを出力することができず、素子駆動電源の持つ最大出力電力を有効に活かすことができない。なお、図３における領域ａ３１は、図１２における領域ａ１２２に相当する。
【００５３】
上述したように、定電流制御を行なった場合、図２における電力領域ａ２１（図１２における領域ａ１２１に相当）を有効に使用できず、定電圧制御を行なった場合、図３における電力領域ａ３１（図１２における領域ａ１２２に相当）を有効に使用できない。
【００５４】
上記分析結果を踏まえ、本件発明者は、定電流制御や定電圧制御で出力できない領域まで出力可能にして素子駆動電源の持つ最大出力電力を有効に活かす制御方法として、図１に示すような、定電力制御による駆動方式の創作に至った。
【００５５】
図１に示すように、本発明では、定電力回路１１が素子駆動電源１２から定電力を供給し、定電力制御によりサーモモジュール１０を駆動する。
【００５６】
具体的には、素子駆動電源１２は、温度制御対象物の現在温度を目的の温度まで所望の時間内に加熱あるいは冷却する場合に必要な電力を供給できる能力を有し、例えば操作量１００パーセントが与えられると、定電力回路１１は、素子駆動電源１２から、サーモモジュール１０に、最大電力を供給するように動作する。
【００５７】
この定電力制御により、素子駆動電源１２からサーモモジュール１０に対し、リード線１０７，１０８を通じて、給電端子間に例えばＮ型熱電変換素子１０１ａからＰ型熱電変換素子１０１ｂの方向に直流電流が供給される。
【００５８】
これにより、上側の接合板１０３は冷却して上側の熱交換基板１０５を介して周囲から熱を奪い、下側の接合板１０４は発熱して下側の熱交換基板１０６を介して周囲に熱を放出するように動作する。
【００５９】
逆に、素子駆動電源１２からサーモモジュール１０に対し、リード線１０７，１０８を通じて、上記端子間に例えばＰ型熱電変換素子１０１ｂからＮ型熱電変換素子１０１ａの方向に直流電流を供給すると、下側の接合板１０４は冷却して下側の熱交換基板１０６を介して周囲から熱を奪い、上側の接合板１０３は発熱して上側の熱交換基板１０５を介して周囲に熱を放出するように動作する。
【００６０】
ここで、素子駆動電源１２は、定電流制御や定電圧制御で用いる素子駆動電源と同じ、電力供給能力があるものであり、最大出力電流をＩｐｍａｘ、最大出力電圧をＶｐｍａｘ、その最大出力電力をＰｓｍａｘとすると、前述のＶ，Ｉ，Ｉｓｍａｘ，Ｖｓｍａｘ，Ｐｉｍａｘ，Ｐｖｍａｘとの間には、
Ｐｓｍａｘ＝Ｖｓｍａｘ・Ｉ＝Ｖ・Ｉｓｍａｘ＝Ｐｉｍａｘ＝Ｐｖｍａｘ
の関係が成り立つ。
【００６１】
いま仮に、Ｉｐｍａｘ＝Ｉｓｍａｘ、Ｖｐｍａｘ＝Ｖｓｍａｘとし、ΔＴｊ＝０の時の素子電流が、Ｉｐｍａｘ＝Ｉｓｍａｘとなるように設定すると、この時、定電流制御時に利用される電力領域（素子印加電圧と素子電流の対応関係）及び定電圧制御時に利用される電力領域、そして、素子駆動電源１２から、定電力回路１１を介してサーモモジュール１０に電力を供給して駆動する（定電力制御）時に利用される電力領域は、図４に示すようになる。
【００６２】
図のように、定電力制御では素子電流がＩｓｍａｘの時、Ｐｓｍａｘ＝Ｐｖｍａｘ＝Ｖ・Ｉｓｍａｘの関係から、素子印加電圧はＶボルトとなる。
【００６３】
そして、ΔＴｊの上昇に伴ない、素子印加電圧は、Ｐｓｍａｘで制限される領域ａ４３を通過して、素子印加電圧がＶｐｍａｘ＝Ｖｓｍａｘに到達した時、素子電流はＰｓｍａｘ＝Ｐｉｍａｘ＝Ｖｓｍａｘ・Ｉの関係からＩアンペアとなる。
【００６４】
従って、定電力制御を行なうことにより、定電流制御により使用可能な領域ａ４１、及び定電圧制御により使用可能な領域ａ４２に加えて、更に、定電流制御や定電圧制御で使用できなかった領域（領域ａ４３）までも使用可能となり（図４参照）、加熱や冷却時の立上げ時間の短縮が可能となる。
【００６５】
言い換えれば、最大出力電力が定電流制御や定電圧制御を行う場合と全く同じ素子駆動電源１２を用いた場合も、定電力制御を実施することで、定電流制御や定電圧制御で出力できない領域を出力することが可能となり、加熱や冷却時の立上げ時間を、定電流制御や定電圧制御時に比べて大幅に短縮することが出来る。
【００６６】
次に、本発明のサーモモジュール（ペルチェ素子）の駆動方法を適用した熱交換装置の具体的実施例について説明する。
【００６７】
実施例：
図５は、本発明の一実施例に係わる熱交換装置２００の構成を示すブロック図である。
【００６８】
この熱交換装置２００は、加熱・冷却の対象である流体（例えば、半導体製造ラインで用いる処理薬液等）を滞留させる循環液槽２０、循環液槽２０に対してループ状に配設される配管３０、配管３０を介して流体を循環させるポンプ４０、配管３０を流れる流体の加熱・冷却源である加熱／冷却装置５０、加熱／冷却装置５０を定電力制御により駆動する定電力回路６０、加熱／冷却装置５０に用いられるサーモモジュールの駆動用電源である素子駆動電源７０、循環液槽２０内の流体の温度が目標温度に追従するように定電力回路６０からの出力電力を制御する制御部８０、循環液槽２０内の流体温度を検出する温度センサ８５を具備して構成される。
【００６９】
図６は、図５の熱交換装置２００における加熱／冷却装置５０の構成を示す図である。
【００７０】
図６に示すように、加熱／冷却装置５０は、熱交換基板５０１，５０２が側部壁体５０３を介して対向配置せしめられて加熱冷却室５０４を形成し、この加熱冷却室５０４に循環液槽２０から配管３０−１を通じて流体を導入し、更に、配管３０−２を通じて循環液槽２０に送り出すように構成される。
【００７１】
熱交換基板５０１，５０２には、流体（循環液）の加熱・冷却源としてのサーモモジュール５０５，５０６がそれぞれ当接配置され、更に、該サーモモジュール５０５，５０６の放熱側は夫々、冷却パイプ５０７ａ，５０８ａを介して導入される冷却水によって冷却される放熱ブロック５０７，５０８に接触している。
【００７２】
サーモモジュール５０５，５０６は、例えば、図１に示したサーモモジュール１０と同様、上下の基板の間に、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子を縦及び横方向に交互に複数対並べたうえで、隣接する素子同士を上側の接合板（電極板）と下側の接合板とで電気的に直列接続となるよう相互に接合したものである。
【００７３】
上記接合板のうち、端部にある一対の接合板は給電端子を兼ねるものであり、これら両端子がリード線を介して定電力回路６０の出力端子に接続されている。
【００７４】
かかる構成において、循環液槽２０からの流体（循環液）を配管３０−１を介して加熱冷却室５０４に導入し、該加熱冷却室５０４から配管３０−２を介して循環液槽２０へと送り出す動作を行いながら、素子駆動電源７０から定電力回路６０を介してサーモモジュール５０５に定電力を供給して、給電端子間に直流電流を流すことにより、例えば、下側基板側の各接合板が冷却され、これにより下側基板を介して加熱冷却室５０４内の流体が冷却される。
【００７５】
同様に、定電力回路６０からサーモモジュール５０６に定電力を供給して、給電端子間に直流電流を流すことにより、例えば、上側基板側の各接合板が冷却され、これにより上側基板を介して加熱冷却室５０４内の流体が冷却される。
【００７６】
加熱冷却室５０４内の流体を加熱するには、サーモモジュール５０５，５０６に流す電流の方向を逆にし、それぞれ、下側基板側、上側基板側を発熱駆動するようにすれば良い。
【００７７】
このように、本実施例の熱交換装置２００では、循環液槽２０からの流体を配管３０−１を介して加熱冷却室５０４に導入し、サーモモジュール５０５，５０６で加熱あるいは冷却した後、配管３０−２を介して循環液槽２０に送り出すようにして、当該循環液槽２０内の流体の温度制御を行なう。
【００７８】
この温度制御に際し、制御回路８０は、温度センサ８５の検出信号を取り込んで流体の温度を認識すると共に、該流体の温度と、目標温度との差を解消するのに必要な制御信号を定電力回路６０に送出する。
【００７９】
定電力回路６０は、上記制御信号に基づき、素子駆動電源７０から加熱／冷却装置５０のサーモモジュール５０５，５０６に定電力（最大電力）を供給して当該サーモモジュール５０５，５０６を発熱あるいは冷却駆動する。
【００８０】
これにより、加熱冷却室５０４内の流体が加熱あるいは冷却されて循環液槽２０に戻される。
【００８１】
上述した加熱・冷却動作によって、循環液槽２０内の流体の温度が目標温度まで到達すると、制御回路８０は、温度センサ８５の検出信号から認識した流体の温度が目標温度に到達したことを認識し、当該目標温度を維持するに足る制御信号を定電力回路６０に送出する。
【００８２】
定電力回路６０は、上記制御信号に基づき、素子駆動電源７０から加熱／冷却装置５０のサーモモジュール５０５，５０６に現在の流体温度を維持するに足る定電力を供給して当該サーモモジュール５０５，５０６を発熱あるいは冷却駆動する。その後、当該電力での発熱あるいは冷却駆動を続けることにより、循環液槽２０内の流体の温度は目標温度に保たれる。
【００８３】
上記温度制御において、定電力回路６０は、図４に示した電力特性に従い素子駆動電源７０からサーモモジュール５０５，５０６に対して制御回路８０からの制御信号に応じた定電力を供給する。
【００８４】
特に、流体の温度が目標温度に到達するまでの加熱あるいは冷却駆動期間中には、図４における電力領域ａ４３を使用し、最大電力でサーモモジュール５０５，５０６を駆動する。つまり、上記期間中には、素子駆動電源７０の電流／電圧を最大限有効活用し、サーモモジュール５０５，５０６を操作量１００パーセントで駆動する。
【００８５】
なお、実際の制御では、温度制御の開始直後から最大電力でサーモモジュール５０５，５０６を駆動し、流体の温度が目標温度近くになると、オーバシュートを避けるために、電力を絞り込む制御を行なう。
【００８６】
上記温度制御により、図４における電力領域ａ４１のみしか使用できなかった定電流制御、並びに電力領域ａ４２のみしか使用できなかった定電圧制御に比べて、流体の温度の立ち上がりあるいは立下りを共に急峻にすることができ、目標温度までの到達時間を短縮できる。
【００８７】
本件発明者は、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御により駆動する熱交換装置２００のメリットを確認すべく、図７〜図１０に示すような様々な特性の評価を試みた。
【００８８】
図７は、定電力制御と定電圧制御並びに定電流制御による電流／電圧特性を示す図である。
【００８９】
図７に示す電流／電圧特性は、図５に示す構成を有する熱交換装置２００を用い、サーモモジュール５０５，５０６の駆動方法を変えて、つまり、定電力制御（本発明方式：図５参照）、定電流制御、定電圧制御によりサーモモジュール５０５，５０６を操作量１００パーセントで駆動し、各制御における電流と電圧の値を読み取ったものである。
【００９０】
この場合の素子駆動電源７０としては、定電力制御、定電圧、定電流制御ともに同一仕様のものを用い、負荷としてのサーモモジュール５０５，５０６も同じものを使用した。
【００９１】
具体的に、素子駆動電源７０は、最大出力電圧７２〔Ｖ〕、最大出力電流２２〔Ａ〕、最大出力電力１２２０〔Ｗ〕のものであり、サーモモジュール５０５，５０６は最大電流２２〔Ａ〕を流せる素子を使用したものである。
【００９２】
図７に示す電圧／電流特性によれば、本発明に係わる定電力制御（図５参照）においては、操作量１００パーセントでサーモモジュール５０５，５０６を駆動する際、電圧については６３〜７２〔Ｖ〕の範囲、電流については１６．９〜１９．５〔Ａ〕の範囲がそれぞれ使用され、電圧並びに電流が有効活用されていることを確認できた。
【００９３】
図８は、定電力制御と定電流制御の出力特性を示す図である。
【００９４】
図８に示す出力特性は、図７の電圧／電流特性比較で用いたものと同仕様の素子駆動電源７０並びにサーモモジュール５０５，５０６を用いた熱交換装置２００において、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御（本発明方式：図５参照）により駆動して循環液を１５℃〜８５℃まで加熱する場合と、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御（従来方式）により駆動して循環液を同条件で加熱する場合の各制御時の循環液温度に対する電力値を読み取ったものである。
【００９５】
図８からも分かるように、定電流制御では、循環液の温度が上昇するに従って電力が漸増している。
【００９６】
これに対して、定電力制御によれば、循環液の加熱開始時から目標温度到達時までほぼ一定の電力（最大電力）が出力されている。
【００９７】
このように、加熱開始時から最大電力で駆動可能であることは、循環液を短時間のうちに目標温度まで加熱させ得ることを予想させる。
【００９８】
そこで、本件発明者は、サーモモジュールに対する定電力制御と定電流制御に関して図９及び図１０に示すような運転方法で加熱時間の比較を行い、定電力制御によりサーモモジュールを駆動した方が、循環液をより短時間に目標温度まで加熱できることを確認した。
【００９９】
図９は、サーモモジュールを定電力制御により駆動する場合と定電流制御により駆動する場合の加熱時間と循環液温度との関係を示す図である。
【０１００】
図９に示す加熱時間と循環液温度との関係は、図７の電圧／電流特性比較で用いたものと同仕様の素子駆動電源７０並びにサーモモジュール５０５，５０６を用いた熱交換装置２００において、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御（本発明方式：図５参照）により駆動して循環液を操作量１００パーセントで２５℃〜８５℃まで加熱する場合と、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御（従来方式）により駆動して循環液を同条件で加熱する場合の加熱時間と循環液温度を読み取ったものである。
【０１０１】
図９に示すように、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御により駆動した場合には、循環液を２５℃〜８０℃まで加熱するのに１時間２０分以上要したが、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御（操作量１００パーセント）で駆動した場合には、循環液を２５℃〜８０℃まで加熱するのに要する時間は１時間０５分で済んでいる。
【０１０２】
つまり、同一の素子駆動電源７０を用いて循環液を２５℃〜８０℃まで加熱する際に、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御で駆動した場合には、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御で駆動した場合に比べて２０パーセント近くの時間短縮を図ることができる。
【０１０３】
図１０は、サーモモジュールを定電力制御により駆動する場合と定電流制御により駆動する場合の冷却時間と循環液温度との関係を示す図である。
【０１０４】
図１０に示す加熱時間と循環液温度との関係は、図７の特性比較で用いたものと同仕様の素子駆動電源並びにサーモモジュール５０５，５０６を用いた熱交換装置２００において、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御（本発明方式：図５参照）により駆動して循環液を操作量１００パーセントで８０℃〜２５℃まで冷却する場合と、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御（従来方式）により駆動して循環液を同条件で冷却する場合の冷却時間と循環液温度を読み取ったものである。
【０１０５】
図１０に示すように、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御により駆動した場合には、循環液を８０℃〜３０℃まで冷却するのに１時間２７分要したが、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御（操作量１００パーセント）で駆動した場合には、循環液を８０℃〜３０℃まで冷却するのに要する時間は１時間１５分で済んでいる。
【０１０６】
つまり、同一の素子駆動電源７０を用いて循環液を８０℃〜３０℃まで冷却する際に、サーモモジュール５０５，５０６を定電力制御で駆動した場合には、サーモモジュール５０５，５０６を定電流制御で駆動した場合に比べて２０パーセント近くの時間短縮を図ることができる。
【０１０７】
この他、本発明は、上記し、且つ図面に示す実施形態に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。
【０１０８】
例えば、上記実施例では、半導体製造ラインで用いる処理薬液等の流体をペルチェ素子（サーモモジュール）を用いて加熱冷却する熱交換装置について述べたが、本発明は、流体に限らず、ペルチェ素子を加熱・冷却源として各種対象物を加熱冷却する熱交換装置全般に適用可能である。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ペルチェ素子を定電力制御により発熱・冷却駆動するため、素子接合部間の温度差によって素子の抵抗値や起電力が変化するという、ペルチェ素子を負荷として駆動する時の特異性から定電流制御や定電圧制御では出力できなかった電力領域まで有効活用してペルチェ素子の加熱・冷却能力を最大限に引き出すことができ、必要以上に出力電力の大きな電源を用意しなくても、温度制御対象物を目標温度まで加熱・冷却する時間を短縮できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるペルチェ素子（サーモモジュール）の駆動方法を示す概念図。
【図２】サーモモジュールを定電流制御する際のΔＴｊと駆動電力Ｐｉとの関係を示す図。
【図３】サーモモジュールを定電圧制御する際のΔＴｊと駆動電力Ｐｖとの関係を示す図。
【図４】サーモモジュールを定電力制御する際の電力領域特性を示す図。
【図５】本発明の一実施例に係わる熱交換装置の構成を示すブロック図。
【図６】図５の熱交換装置における加熱／冷却装置の構成を示す図。
【図７】定電力制御と定電圧制御並びに定電流制御による電流／電圧特性を示す図。
【図８】定電力制御と定電流制御の出力特性を示す図。
【図９】定電力制御駆動時と定電流制御駆動時の加熱時間と循環液温度の関係を示す図。
【図１０】定電力制御駆動時と定電流制御駆動時の冷却時間と循環液温度の関係を示す図。
【図１１】ペルチェ素子を負荷として駆動する場合の等価回路を示す図。
【図１２】ペルチェ素子を定電流制御する場合と定電圧制御する場合の駆動電力とΔＴｊの関係を示す図。
【符号の説明】
１０ペルチェ素子（サーモモジュール）
１０１ａ，１０１ｂ熱電変換素子
１０３，１０４接合板（金属電極）
１０５，１０６熱交換基板
１０７，１０８リード線
１１，６０定電力回路
１２，７０素子駆動電源
２００熱交換装置
２０循環液槽
３０，３０−１，３０−２配管
４０ポンプ
５０加熱／冷却装置
５０４加熱冷却室
５０５，５０６サーモモジュール
８０制御回路
８５温度センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat exchange device that heats and cools an object to be temperature controlled using a Peltier device, and more particularly, to a heat exchange device that drives a Peltier device under constant power control to improve heating and cooling capacity. The present invention relates to a device and a method for driving a Peltier element used in the device.
[0002]
[Prior art]
For example, as a device for cooling or heating a fluid such as various processing chemicals used in a semiconductor manufacturing line to obtain a fluid at a constant temperature, an electronic cooling device (Peltier device) that performs cooling and heating using the Peltier effect is known. Have been.
[0003]
When manufacturing a heat exchange device incorporating a Peltier element, it is important to effectively bring out the heating or cooling performance of the Peltier element.
[0004]
Conventionally, as a method of driving a Peltier element in this type of heat exchange device, a method of driving by a constant voltage control or a constant current control has been generally used as disclosed in Patent Documents 1 and 2 below.
[0005]
However, these driving methods cannot drive the Peltier element efficiently due to the peculiarity of the Peltier element when driven as a load.
[0006]
Here, the peculiarity when the Peltier element is driven as a load will be described.
[0007]
As is well known, a Peltier element is configured by alternately arranging a plurality of N-type and P-type semiconductor thermoelectric conversion elements in the vertical and horizontal directions, and then adjoining adjacent elements by upper and lower bonding plates (metal electrodes). It has a structure in which it is electrically connected to each other so as to be electrically connected in series. One side of the thermoelectric conversion element is cooled by flowing a current from an element driving power supply, for example, in the direction from N-type to P-type, and the other side is cooled. It generates heat.
[0008]
That is, when driven as a load, the Peltier element is placed in an environment in which a temperature difference occurs between the junction of the thermoelectric conversion element with the upper heat exchange substrate and the junction with the lower heat exchange substrate.
[0009]
The power when the Peltier element is driven as a load under such an environment will be verified with reference to an equivalent circuit shown in FIG.
[0010]
In this equivalent circuit, the power P required to drive the Peltier element 10 by the element driving power supply 12 is as shown in the following equation (1).
[0011]
P = (αe ・ ΔTj + re ・ I) ・ I (1)
Here, αe is a Seebeck coefficient and represents a coefficient of a thermoelectromotive force generated due to a temperature difference between the Peltier element junctions.
[0012]
Further, ΔTj is the temperature difference between the Peltier element junctions, that is, in FIG. 11, the temperature T2 of the junction between the thermoelectric conversion element 101 and the upper heat exchange board 105, and the temperature difference between the thermoelectric conversion element 101 and the lower heat exchange board 106. Represents the temperature difference from the junction temperature T1.
[0013]
Also, re represents the element resistance of the Peltier element 10, and I represents the current flowing through the Peltier element 10.
[0014]
Here, if Vc = αe · ΔTj + re · I, equation (1) is expressed as equation (2) below.
[0015]
P = Vc · I (2)
Vc indicates a voltage between both ends of the Peltier element 10. For example, when there is no temperature difference between both ends of the element, it is represented by Vc = re · I, and when there is a temperature difference, it overcomes the thermoelectromotive force due to the Seebeck effect. , It is necessary to apply an extra voltage by αe · ΔTj.
[0016]
As described above, the Peltier device 10 has a peculiarity that when driven as a load, the resistance value and the electromotive force change with the temperature difference (ΔTj) between the device junctions.
[0017]
Due to this peculiarity, for example, when the Peltier element 10 is driven by the element driving power supply 12 under constant current control or constant voltage control, an area that cannot be driven at the maximum power depending on ΔTj occurs.
[0018]
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the drive power and ΔTj when the Peltier element 10 is driven by constant current control and when it is driven by constant voltage control.
[0019]
As shown in FIG. 12, when the Peltier element 10 is driven by the constant current control, the area where the power cannot be output (area a121) increases as the ΔTj is smaller, and when the Peltier element 10 is driven by the constant voltage control, The region where power cannot be output (region a122) increases as the ΔTj increases.
[0020]
[Patent Document 1]
JP, 7-248830, A Peltier device drive circuit
[Patent Document 2]
JP, 2003-28768, A Electronic cooling device
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional heat exchange device using the Peltier element as the heating / cooling source, the Peltier element is generally driven by the constant current control or the constant voltage control. However, when the Peltier element is driven as the load. Due to the peculiarity, that is, the property that the resistance value and the electromotive force of the element change depending on the temperature difference ΔTj between the element junctions, the Peltier element is driven with the maximum power along with ΔTj in any of the above driving methods. In this case, the heating / cooling ability is impaired due to the region where the temperature control cannot be performed. In particular, when applied to a heat exchange device having a steep temperature control cycle, it takes a long time to heat and cool the temperature controlled object to the target temperature.
In an attempt to improve this, there is a method of using both constant current control and constant voltage control. However, control involving control switching is complicated, and is not practical.
As a result, in the conventional heat exchange device, the heating / cooling ability of the Peltier device cannot be maximized, and there is a problem that it takes a long time to heat and cool the temperature control target to the target temperature.
[0021]
The present invention solves the above-mentioned problems, and can maximize the heating / cooling ability of a Peltier element, and can shorten the time for heating / cooling an object to be temperature-controlled to a target temperature, and a heat exchange device used for the same. An object of the present invention is to provide a method for driving a Peltier device.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is a heat exchange device using a Peltier element as a heating / cooling means for heating and cooling an object to be controlled, wherein the Peltier element is supplied from an element driving power source and the element driving power source. A constant power circuit that supplies power to the Peltier element to generate heat and cools the Peltier element, and control means that controls the power supplied to the Peltier element according to the difference between the temperature of the temperature control target and the target temperature. And characterized in that:
[0023]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, when the control unit controls the temperature of the temperature control target from a current temperature to a target temperature, the control unit sets the temperature control target to a target temperature from a current temperature. The constant power circuit is controlled such that maximum power is supplied from the element driving power supply to the Peltier element during a predetermined period until the temperature reaches the temperature.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the maximum power includes a power region that cannot be output by constant current control and constant voltage control when the same element driving power supply is used. It is characterized by.
[0025]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of driving a Peltier element used as a heating / cooling means of a heat exchange device for heating / cooling an object to be temperature controlled, wherein a constant power is supplied between the Peltier element and an element driving power supply. A circuit is provided, and the Peltier element is driven to generate heat and cool by constant power control.
[0026]
According to a fifth aspect of the present invention, when the temperature of the temperature control target is detected and the temperature of the temperature control target is controlled from a current temperature to a target temperature in the fourth aspect of the present invention, During a predetermined period from when the object reaches the target temperature to the target temperature, control is performed so that maximum power is supplied from the element driving power supply to the Peltier element.
[0027]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the invention, the maximum power includes a power region that cannot be output by constant current control and constant voltage control when the same element driving power supply is used. It is characterized by.
[0028]
According to the first and fourth aspects of the present invention, since the Peltier element is driven to generate heat and cool under constant power control, the resistance value and the electromotive force of the element change depending on the temperature difference between the element junctions. Due to the peculiarity of driving the Peltier element as a load, it is possible to effectively utilize the power range that could not be output by the constant current control or the constant voltage control to maximize the heating / cooling capacity of the Peltier element.
[0029]
According to the second and third aspects and the fifth and sixth aspects of the present invention, during the period until the temperature of the temperature control target reaches the target temperature, the output can be performed by the constant current control or the constant voltage control. This is the power in the area that was not available, and the Peltier element can be driven in a state that maximizes its heating / cooling capacity using the maximum power of the element driving power supply, and is the same element as during constant current control or constant voltage control. Even when the drive power supply is used, the time required for the temperature of the temperature control target to reach the target temperature can be significantly reduced as compared with the constant current control and the constant voltage control.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0031]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method of driving a Peltier device according to the present invention.
[0032]
In FIG. 1, a Peltier device 10 is a module that performs heating and cooling using the Peltier effect (hereinafter, referred to as a thermo module), and includes an N-type thermoelectric conversion element 101a and a P-type thermoelectric conversion element 101b, both vertically and horizontally. After alternately arranging a plurality of thermoelectric conversion elements 101a and 101b in the direction, the adjacent thermoelectric conversion elements 101a and 101b are joined to each other by upper and lower metal electrodes (joining plates) 103 and 104 so as to be electrically connected in series. The heat exchange substrates 105 and 106 are arranged in contact with the bonding plate 103 and the lower bonding plate 104, respectively.
[0033]
Of the bonding plates 103 and 104, for example, a pair in the bonding plate 104 formed on the lower substrate 106 is used as a power supply terminal, and lead wires 107 and 108 are led out of these terminals.
[0034]
In FIG. 1, the thermo module 10 is connected to an output terminal of a constant power circuit 11 through the lead wires 107 and 108, and the constant power circuit 11 is connected to an element driving power supply 12.
[0035]
The constant power circuit 11 supplies power from the element driving power supply 12 to the thermo module 10 and drives the thermo module 10 to heat or cool. That is, the present invention drives the thermo module 10 by constant power control.
[0036]
In creating the invention of the driving method based on the constant power control, the inventor of the present invention has the disadvantage described in the section of the prior art, that is, when the thermo module (Peltier element) is driven by the constant current control or the constant voltage control, The analysis was started from the analysis of the cause of a region range (see FIG. 12) where maximum power could not be output due to ΔTj (temperature difference between element junctions).
[0037]
Here, prior to the description of the method of driving the thermo module by the constant power control in FIG. 1, analysis of inconvenience by the conventional driving method will be described first.
[0038]
As described in the section of the prior art [Expression (1), Expression (2), see FIG. 11], the voltage Vc across the thermo module is, for example, when there is no temperature difference between both ends of the element (ΔTj = 0). Vc = re · I, and when there is a temperature difference (ΔTj ≠ 0), Vc = (αe · ΔTj + re · I).
[0039]
In other words, when driven as a load, the thermomodule has a peculiarity that, when there is a temperature difference between both ends of the element, it is necessary to apply an extra voltage of αe · ΔTj to overcome the thermoelectromotive force due to the Seebeck effect.
[0040]
Based on this point, the characteristics of the case where the thermo module is driven with a constant current (constant current control) and the case where the thermo module is driven with a constant voltage (constant voltage control) will be verified with reference to FIGS.
[0041]
1) Characteristics when the thermo module is driven with a constant current (constant current control)
Assuming that the maximum power for driving the thermomodule under constant current control is Pimax, the relationship between ΔTj and the module driving power Pi has the characteristics shown in FIG.
[0042]
Here, assuming that the maximum output current of the element driving power supply (constant current power supply) is I amperes and the maximum output voltage Vsmax, Pimax = Vsmax · I.
[0043]
Vsmax needs to be able to flow I amps where ΔTj is the maximum in the usage range (ΔTjmax). That is, it is necessary that Vsmax ≧ (αe · ΔTjmax + re · I).
[0044]
On the other hand, when ΔTj = 0, since there is no thermoelectromotive force due to αe · ΔTj, there is a margin in the output voltage and extra current can be supplied to the thermo module. The current when the amount is 100% is I amperes, and cannot flow more than I amperes.
[0045]
Accordingly, the driving power when ΔTj = 0 is suppressed by Pi.
[0046]
As a result, as shown in FIG. 2, a region a21 in which the maximum output power of the element driving power supply cannot be used effectively occurs. Note that the area a21 in FIG. 2 corresponds to the area a121 in FIG.
[0047]
2) Characteristics when the thermo module is driven at a constant voltage (constant voltage control)
Similarly, assuming that the maximum value of the drive power in the element drive power supply (constant-voltage power supply) is Pvmax, the relationship between ΔTj and the module drive power Pv is a characteristic shown in FIG.
[0048]
In this element driving power supply (constant voltage power supply), if the maximum output voltage is V volts and the maximum output current Ismax, then Pvmax = V · Ismax.
[0049]
Since Pvmax is determined, the maximum output voltage V of the constant voltage power supply is determined by the maximum current Imax flowing through the thermo module. Imax is determined by the current when ΔTj = 0,
Imax = Ismax.
[0050]
Therefore, once Imax is determined, the maximum output voltage V is V = Imax · re because the condition of Imax flowing is when ΔTj = 0, and becomes the maximum voltage V output at 100% of the operation amount.
[0051]
However, as ΔTj increases, the thermoelectromotive force due to (αe · ΔTj) increases, and in a region of ΔTJ ≠ 0, Imax cannot flow at the maximum voltage V.
[0052]
That is, in the region of ΔTj ≠ 0 (region a31 in FIG. 3), the maximum power Pvmax cannot be output, and the maximum output power of the element driving power supply cannot be effectively used. Note that the region a31 in FIG. 3 corresponds to the region a122 in FIG.
[0053]
As described above, when the constant current control is performed, the power region a21 (corresponding to the region a121 in FIG. 12) in FIG. 2 cannot be used effectively, and when the constant voltage control is performed, the power region a31 (FIG. (Corresponding to the area a122 in FIG. 12) cannot be used effectively.
[0054]
Based on the above analysis results, the present inventor has proposed a control method as shown in FIG. 1 as a control method that enables output to a region that cannot be output by constant current control or constant voltage control and effectively utilizes the maximum output power of the element driving power supply. A drive system with constant power control was created.
[0055]
As shown in FIG. 1, in the present invention, the constant power circuit 11 supplies constant power from the element driving power supply 12 and drives the thermo module 10 by constant power control.
[0056]
Specifically, the element driving power supply 12 has a capability of supplying electric power necessary for heating or cooling the current temperature of the temperature control target object to a target temperature within a desired time within a desired time. Is supplied, the constant power circuit 11 operates to supply the maximum power from the element driving power supply 12 to the thermomodule 10.
[0057]
With this constant power control, a direct current is supplied from the element driving power supply 12 to the thermomodule 10 through the lead wires 107 and 108 between the power supply terminals, for example, in the direction from the N-type thermoelectric conversion element 101a to the P-type thermoelectric conversion element 101b. You.
[0058]
As a result, the upper bonding plate 103 cools and removes heat from the surroundings via the upper heat exchange substrate 105, and the lower bonding plate 104 generates heat and heats the surroundings via the lower heat exchange substrate 106. It works to emit.
[0059]
Conversely, when a direct current is supplied from the element driving power supply 12 to the thermo module 10 through the lead wires 107 and 108 between the terminals, for example, in the direction from the P-type thermoelectric conversion element 101b to the N-type thermoelectric conversion element 101a, the lower side Is cooled to take heat from the surroundings through the lower heat exchange substrate 106, and the upper joining plate 103 is heated to release heat to the surroundings through the upper heat exchange substrate 105. Operate.
[0060]
Here, the element driving power supply 12 has the same power supply capability as the element driving power supply used in the constant current control and the constant voltage control. The maximum output current is Ipmax, the maximum output voltage is Vpmax, and the maximum output power is Assuming that Psmax, between the above-mentioned V, I, Ismax, Vsmax, Pimax, and Pvmax,
Psmax = Vsmax · I = V · Ismax = Pimax = Pvmax
Holds.
[0061]
If it is assumed that Ipmax = Ismax, Vpmax = Vsmax, and the element current when ΔTj = 0 is set to be Ipmax = Ismax, then the power region (element applied voltage and element (Correspondence relationship between currents) and a power region used during constant voltage control, and used when the thermoelectric module 10 is driven by supplying power from the element driving power supply 12 via the constant power circuit 11 (constant power control). The power region shown in FIG.
[0062]
As shown in the figure, in the constant power control, when the element current is Ismax, the element applied voltage is V volt from the relationship of Psmax = Pvmax = V · Ismax.
[0063]
Then, as ΔTj increases, the element applied voltage passes through a region a43 limited by Psmax, and when the element applied voltage reaches Vpmax = Vsmax, the element current is represented by the relationship of Psmax = Pimax = Vsmax · I. To I amperes.
[0064]
Therefore, by performing the constant power control, in addition to the area a41 that can be used by the constant current control and the area a42 that can be used by the constant voltage control, the area that cannot be used by the constant current control or the constant voltage control ( The region a43) can also be used (see FIG. 4), and the startup time during heating and cooling can be shortened.
[0065]
In other words, even when the maximum output power is the same as when the constant current control or the constant voltage control is used, even when the element drive power supply 12 is used, the area where the output cannot be performed by the constant current control or the constant voltage control is performed by performing the constant power control. Can be output, and the start-up time during heating or cooling can be greatly reduced as compared with the case of constant current control or constant voltage control.
[0066]
Next, a specific embodiment of a heat exchange device to which the method for driving a thermo module (Peltier element) of the present invention is applied will be described.
[0067]
Example:
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the heat exchange device 200 according to one embodiment of the present invention.
[0068]
The heat exchange device 200 includes a circulating liquid tank 20 for retaining a fluid to be heated and cooled (for example, a processing chemical used in a semiconductor manufacturing line), and piping arranged in a loop with respect to the circulating liquid tank 20. 30, a pump 40 for circulating a fluid through the pipe 30, a heating / cooling device 50 as a heating / cooling source for the fluid flowing through the piping 30, a constant power circuit 60 for driving the heating / cooling device 50 by constant power control, / A device driving power supply 70 which is a power supply for driving a thermo module used in the cooling device 50, and a control unit which controls output power from the constant power circuit 60 so that the temperature of the fluid in the circulating fluid tank 20 follows the target temperature. 80, a temperature sensor 85 for detecting the temperature of the fluid in the circulating liquid tank 20.
[0069]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the heating / cooling device 50 in the heat exchange device 200 of FIG.
[0070]
As shown in FIG. 6, the heating / cooling device 50 includes a heat exchange board 501 and 502 opposed to each other via a side wall 503 to form a heating / cooling chamber 504. A fluid is introduced from the tank 20 through the pipe 30-1 and further sent out to the circulating liquid tank 20 through the pipe 30-2.
[0071]
Thermo modules 505 and 506 as heating / cooling sources of fluid (circulating liquid) are arranged in contact with the heat exchange substrates 501 and 502, respectively, and the heat radiation sides of the thermo modules 505 and 506 are respectively provided with cooling pipes 507a. , 508a are in contact with cooling blocks 507, 508 cooled by cooling water introduced through the cooling water.
[0072]
The thermo modules 505 and 506 are, for example, similar to the thermo module 10 shown in FIG. 1, in which a plurality of pairs of N-type thermoelectric elements and P-type thermoelectric elements are alternately arranged vertically and horizontally between upper and lower substrates. The adjacent elements are mutually joined by an upper joint plate (electrode plate) and a lower joint plate so as to be electrically connected in series.
[0073]
Of the above-mentioned bonding plates, a pair of bonding plates at the ends also serve as power supply terminals, and these two terminals are connected to output terminals of the constant power circuit 60 via lead wires.
[0074]
In such a configuration, the fluid (circulating liquid) from the circulating liquid tank 20 is introduced into the heating / cooling chamber 504 via the pipe 30-1 and is then transferred from the heating / cooling chamber 504 to the circulating liquid tank 20 via the pipe 30-2. By supplying a constant power from the element driving power supply 70 to the thermo module 505 via the constant power circuit 60 and performing a DC current between the power supply terminals while performing the feeding operation, for example, each bonding plate on the lower substrate side Is cooled, whereby the fluid in the heating / cooling chamber 504 is cooled via the lower substrate.
[0075]
Similarly, by supplying a constant power from the constant power circuit 60 to the thermo module 506 and flowing a DC current between the power supply terminals, for example, each bonding plate on the upper substrate side is cooled, and thereby, through the upper substrate. The fluid in the heating / cooling chamber 504 is cooled.
[0076]
In order to heat the fluid in the heating / cooling chamber 504, the direction of the current flowing through the thermo modules 505 and 506 may be reversed, and the lower substrate side and the upper substrate side may be driven to generate heat, respectively.
[0077]
As described above, in the heat exchange device 200 of the present embodiment, the fluid from the circulating liquid tank 20 is introduced into the heating / cooling chamber 504 through the pipe 30-1 and heated or cooled by the thermo modules 505 and 506, The temperature of the fluid in the circulating liquid tank 20 is controlled by sending it out to the circulating liquid tank 20 via 30-2.
[0078]
At the time of this temperature control, the control circuit 80 receives the detection signal of the temperature sensor 85 to recognize the temperature of the fluid, and outputs a control signal necessary for eliminating the difference between the temperature of the fluid and the target temperature to a constant power. It is sent to the circuit 60.
[0079]
The constant power circuit 60 supplies constant power (maximum power) to the thermo modules 505 and 506 of the heating / cooling device 50 from the element driving power supply 70 based on the control signal to drive the thermo modules 505 and 506 to generate heat or cool. I do.
[0080]
Thereby, the fluid in the heating / cooling chamber 504 is heated or cooled and returned to the circulating liquid tank 20.
[0081]
When the temperature of the fluid in the circulating liquid tank 20 reaches the target temperature by the above-described heating / cooling operation, the control circuit 80 recognizes that the temperature of the fluid recognized from the detection signal of the temperature sensor 85 has reached the target temperature. Then, a control signal sufficient to maintain the target temperature is sent to constant power circuit 60.
[0082]
The constant power circuit 60 supplies constant power sufficient to maintain the current fluid temperature from the element driving power supply 70 to the thermo modules 505 and 506 of the heating / cooling device 50 based on the control signal, and the thermo modules 505 and 506 Is heated or cooled. Thereafter, by continuing the heat generation or cooling drive with the electric power, the temperature of the fluid in the circulating liquid tank 20 is maintained at the target temperature.
[0083]
In the temperature control, the constant power circuit 60 supplies constant power according to the control signal from the control circuit 80 from the element driving power supply 70 to the thermo modules 505 and 506 according to the power characteristics shown in FIG.
[0084]
In particular, during the heating or cooling drive period until the temperature of the fluid reaches the target temperature, the thermo modules 505 and 506 are driven with the maximum power using the power region a43 in FIG. That is, during the above-mentioned period, the thermo modules 505 and 506 are driven with the operation amount of 100% by effectively utilizing the current / voltage of the element driving power supply 70 to the maximum.
[0085]
In the actual control, the thermo modules 505 and 506 are driven with the maximum power immediately after the start of the temperature control, and when the temperature of the fluid becomes close to the target temperature, the power is reduced to avoid overshoot.
[0086]
By the above temperature control, both the rise and fall of the fluid temperature are steeper than in the constant current control in which only the power region a41 can be used in FIG. 4 and the constant voltage control in which only the power region a42 can be used. And the time to reach the target temperature can be shortened.
[0087]
The present inventor tried to evaluate various characteristics as shown in FIGS. 7 to 10 in order to confirm the merits of the heat exchange device 200 that drives the thermo modules 505 and 506 by constant power control.
[0088]
FIG. 7 is a diagram showing current / voltage characteristics by constant power control, constant voltage control, and constant current control.
[0089]
The current / voltage characteristics shown in FIG. 7 are obtained by changing the driving method of the thermo modules 505 and 506 using the heat exchange apparatus 200 having the configuration shown in FIG. 5, that is, constant power control (the present invention: see FIG. 5). The thermo modules 505 and 506 are driven at 100% of the operation amount by the constant current control and the constant voltage control, and the current and voltage values in each control are read.
[0090]
In this case, as the element driving power supply 70, those having the same specifications for the constant power control, the constant voltage, and the constant current control were used, and the same thermo modules 505 and 506 as loads were used.
[0091]
Specifically, the element driving power supply 70 has a maximum output voltage 72 [V], a maximum output current 22 [A], and a maximum output power 1220 [W], and the thermo modules 505 and 506 have a maximum current 22 [A]. In this case, an element capable of flowing is used.
[0092]
According to the voltage / current characteristics shown in FIG. 7, in the constant power control according to the present invention (see FIG. 5), when driving the thermo modules 505 and 506 with an operation amount of 100%, the voltage is 63 to 72 [V ] And the current were in the range of 16.9 to 19.5 [A], respectively, and it was confirmed that the voltage and the current were effectively utilized.
[0093]
FIG. 8 is a diagram illustrating output characteristics of the constant power control and the constant current control.
[0094]
The output characteristics shown in FIG. 8 are the same as those used in the comparison of the voltage / current characteristics in FIG. 7 with the element driving power supply 70 and the heat exchange device 200 using the thermo modules 505 and 506. The case where the circulating fluid is heated to 15 ° C. to 85 ° C. by driving by the electric power control (the method of the present invention: see FIG. 5), and the case where the circulating fluid is driven by driving the thermo modules 505 and 506 by the constant current control (conventional method). This is a reading of the electric power value with respect to the circulating fluid temperature at the time of each control when heating under the conditions.
[0095]
As can be seen from FIG. 8, in the constant current control, the power gradually increases as the temperature of the circulating fluid increases.
[0096]
On the other hand, according to the constant power control, substantially constant power (maximum power) is output from the start of heating of the circulating fluid until the target temperature is reached.
[0097]
As described above, being drivable with the maximum electric power from the start of heating predicts that the circulating fluid can be heated to the target temperature in a short time.
[0098]
Therefore, the inventor of the present invention compares the heating time with the operation method shown in FIGS. 9 and 10 for the constant power control and the constant current control with respect to the thermomodule, and drives the thermomodule by the constant power control, whereby the circulation is more efficient. It was confirmed that the liquid could be heated to the target temperature in a shorter time.
[0099]
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the heating time and the circulating fluid temperature when the thermo module is driven by constant power control and when it is driven by constant current control.
[0100]
The relationship between the heating time and the circulating fluid temperature shown in FIG. 9 is based on the element driving power supply 70 and the heat exchange device 200 using the thermo modules 505 and 506 having the same specifications as those used in the voltage / current characteristics comparison in FIG. The thermo modules 505 and 506 are driven by constant power control (the method of the present invention: see FIG. 5) to heat the circulating fluid to 25 ° C. to 85 ° C. with an operation amount of 100%, and to control the thermo modules 505 and 506 with constant current. The heating time and the circulating fluid temperature when the circulating fluid is heated under the same conditions by being driven by (conventional method) are read.
[0101]
As shown in FIG. 9, when the thermo modules 505 and 506 were driven by constant current control, it took 1 hour and 20 minutes or more to heat the circulating fluid to 25 ° C. to 80 ° C. Is driven by constant power control (operating amount 100%), the time required to heat the circulating fluid from 25 ° C. to 80 ° C. is 1 hour and 05 minutes.
[0102]
That is, when the circulating fluid is heated to 25 ° C. to 80 ° C. using the same element driving power source 70 and the thermo modules 505 and 506 are driven by constant power control, the thermo modules 505 and 506 are controlled by constant current control. In this case, the time can be reduced by nearly 20% as compared with the case where the driving is performed by using the control unit.
[0103]
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the cooling time and the circulating fluid temperature when the thermo module is driven by constant power control and when it is driven by constant current control.
[0104]
The relationship between the heating time and the circulating fluid temperature shown in FIG. 10 is based on the thermo-module 505 and the heat exchange device 200 using the thermo-modules 505 and 506 having the same specifications as those used in the characteristic comparison of FIG. The 506 is driven by constant power control (the method of the present invention: see FIG. 5) to cool the circulating fluid to 80 ° C. to 25 ° C. with the operation amount of 100%, and the thermo modules 505 and 506 are controlled by the constant current (conventional method). The cooling time and the circulating fluid temperature in the case where the circulating fluid is cooled under the same conditions by being driven by the controller are read.
[0105]
As shown in FIG. 10, when the thermo modules 505 and 506 were driven by constant current control, it took 1 hour and 27 minutes to cool the circulating fluid to 80 ° C. to 30 ° C. When driven by constant power control (operating amount 100%), the time required to cool the circulating fluid to 80 ° C to 30 ° C is only 1 hour and 15 minutes.
[0106]
That is, when the thermomodules 505 and 506 are driven by constant power control when the circulating fluid is cooled to 80 ° C. to 30 ° C. using the same element driving power supply 70, the thermomodules 505 and 506 are controlled by constant current control. In this case, the time can be reduced by nearly 20% as compared with the case where the driving is performed by using the control unit.
[0107]
In addition, the present invention is not limited to the embodiments described above and shown in the drawings, and can be appropriately modified and implemented within a scope that does not change the gist of the present invention.
[0108]
For example, in the above-described embodiment, the heat exchange device that heats and cools a fluid such as a processing chemical solution used in a semiconductor manufacturing line using a Peltier device (thermo module) has been described. The present invention is applicable to a general heat exchange device that heats and cools various objects as a heating / cooling source.
[0109]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the Peltier element is driven to generate heat and cool under constant power control, the resistance value and the electromotive force of the element change due to the temperature difference between the element junctions. Due to the peculiarity of driving as a constant current control and constant voltage control, it is possible to effectively utilize the power range that could not be output and maximize the heating and cooling capacity of the Peltier element, and the output power is larger than necessary The time for heating and cooling the temperature control target to the target temperature can be reduced without preparing a power supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method for driving a Peltier device (thermo module) according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between ΔTj and driving power Pi when performing constant current control of a thermo module.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between ΔTj and drive power Pv when performing constant voltage control on a thermo module.
FIG. 4 is a diagram showing a power region characteristic when performing constant power control of a thermo module.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a heat exchange device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a heating / cooling device in the heat exchange device of FIG.
FIG. 7 is a diagram showing current / voltage characteristics by constant power control, constant voltage control, and constant current control.
FIG. 8 is a diagram showing output characteristics of constant power control and constant current control.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a heating time and a circulating fluid temperature during a constant power control drive and a constant current control drive.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a cooling time and a circulating fluid temperature during a constant power control drive and a constant current control drive.
FIG. 11 is a diagram showing an equivalent circuit in the case of driving using a Peltier element as a load.
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between drive power and ΔTj when a Peltier element is controlled by constant current and when controlled by constant voltage.
[Explanation of symbols]
10 Peltier device (thermo module)
101a, 101b thermoelectric conversion element
103,104 Joining plate (metal electrode)
105,106 heat exchange board
107,108 Lead wire
11,60 constant power circuit
12,70 element drive power supply
200 heat exchanger
20 Circulating fluid tank
30, 30-1, 30-2 piping
40 pump
50 heating / cooling equipment
504 Heating / cooling room
505, 506 Thermo module
80 control circuit
85 Temperature sensor

Claims

温度制御対象物の加熱・冷却手段としてペルチェ素子を用いる熱交換装置において、
素子駆動用電源と、
前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に電力を供給して該ペルチェ素子を発熱・冷却駆動する定電力回路と、
前記温度制御対象物の温度と目標温度との差に応じて、前記ペルチェ素子に供給される電力を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする熱交換装置。In a heat exchange device using a Peltier element as a heating / cooling means for a temperature controlled object,
A power supply for driving the element,
A constant power circuit that supplies power to the Peltier element from the element driving power supply and drives the Peltier element to generate heat and cool;
A heat exchange device comprising: a control unit that controls electric power supplied to the Peltier element according to a difference between a temperature of the temperature control target and a target temperature.

前記制御手段は、
前記温度制御対象物の温度を現在温度から目標温度に制御する場合、前記温度制御対象物が現在温度から目標温度になるまでの間の所定の期間中、前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に最大電力が供給されるように前記定電力回路を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。The control means,
When controlling the temperature of the temperature control target from the current temperature to the target temperature, during a predetermined period until the temperature control target reaches the target temperature from the current temperature, from the element driving power supply to the Peltier element The heat exchange device according to claim 1, wherein the constant power circuit is controlled so that maximum power is supplied.

前記最大電力は、同一の素子駆動用電源を用いた場合に、定電流制御及び定電圧制御では出力出来ない電力領域を含むことを特徴とする請求項２記載の熱交換装置。The heat exchange device according to claim 2, wherein the maximum power includes a power region that cannot be output by constant current control and constant voltage control when the same element driving power supply is used.

温度制御対象物の加熱・冷却を行う熱交換装置の加熱・冷却手段として用いられるペルチェ素子の駆動方法において、
前記ペルチェ素子と素子駆動用電源との間に定電力回路を設け、
前記ペルチェ素子を定電力制御により発熱・冷却駆動する
ことを特徴とするペルチェ素子の駆動方法。In a method of driving a Peltier element used as a heating / cooling unit of a heat exchange device that performs heating / cooling of a temperature controlled object,
A constant power circuit is provided between the Peltier element and an element driving power supply,
A method for driving a Peltier element, wherein the Peltier element is driven to generate heat and cool by constant power control.

前記温度制御対象物の温度を検出し、
前記温度制御対象物の温度を現在温度から目標温度に制御する場合、前記温度制御対象物が現在温度から目標温度になるまでの間の所定の期間中、前記素子駆動用電源から前記ペルチェ素子に最大電力が供給されるように制御する
ことを特徴とする請求項４記載のペルチェ素子の駆動方法。Detecting the temperature of the temperature control object,
When controlling the temperature of the temperature control target from the current temperature to the target temperature, during a predetermined period until the temperature control target reaches the target temperature from the current temperature, from the element driving power supply to the Peltier element 5. The method according to claim 4, wherein the control is performed such that the maximum power is supplied.

前記最大電力は、同一の素子駆動用電源を用いた場合に、定電流制御及び定電圧制御では出力出来ない電力領域を含むことを特徴とする請求項５記載のペルチェ素子の駆動方法。The Peltier device driving method according to claim 5, wherein the maximum power includes a power region that cannot be output by constant current control and constant voltage control when the same device driving power supply is used.