JP2007115812A - ペルチェモジュール及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 対象物の加熱及び冷却効率の向上を図ることが可能なペルチェモジュール及び電子機器を提供すること。
【解決手段】 複数の熱電素子２１，２２及び該複数の熱電素子２１，２２を挟持する複数の電極２６，２７を有する複数のペルチェ素子２０ａと、複数のペルチェ素子２０ａを挟持するとともに、一方の基板に温度制御される対象物が配置された一対の基板と、対象物に応じて、複数のペルチェ素子２０ａに対して個別あるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子２０ａごとに供給する電圧を制御する制御部３０とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ペルチェモジュール及び電子機器に関する。

近年、一対の半導体素子からなるペルチェ素子を備え、ペルチェ効果を利用して、冷却、加熱を行うペルチェモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載のペルチェモジュールは、熱電素子であるｐ型半導体素子とｎ型半導体素子とが交互に並べられ、これら半導体素子が、２枚の金属基板によってサンドイッチ状に挟み込まれた構造を形成している。このようなペルチェ素子は、異なるエネルギー準位間における電子の遷移によって生じる発熱および吸熱の効果を用いて対象物を加熱または冷却するものであり、また、その加熱または冷却を電流方向に応じて切り替え可能なものである。
特開２００２−２８０６２１号公報

しかしながら、ペルチェモジュールは上記特許文献１に記載されているとおり、面内に温度むらが発生すると、周辺部で冷却効率が小さくなってしまう。また、ペルチェモジュールの熱輸送量は液冷などに比べ単位面積あたりの効率が低く、熱量が大きい場合には、ペルチェのサイズが大きくなってしまい熱源がペルチェモジュールに比べ小さい場合には周辺部の冷却効率が低下してしまう。このため、上記特許文献1に記載されているペルチェモジュールは、基台に金属基板を使用することにより面内温度分布を低減させているが、面内温度分布をなくすことは出来ない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、対象物の加熱及び冷却効率の向上を図ることが可能なペルチェモジュール及び電子機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のペルチェモジュールは、複数の熱電素子及び該複数の熱電素子を挟持する複数の電極を有する複数のペルチェ素子と、該複数のペルチェ素子を挟持するとともに、一方の基板に温度制御される対象物が配置された一対の基板と、前記対象物に応じて、前記複数のペルチェ素子に対して個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子ごとに供給する電圧を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
なお、電圧を制御することによりペルチェ素子に流れる電流を制御する。

本発明に係るペルチェモジュールでは、隣接する熱電素子間に電極を介して電流が流れる。このとき、複数のペルチェ素子は、制御部により、個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子ごとに供給される電圧が制御されているため、所定の熱電素子間にのみ多くの電流を流すことができる。したがって、対象物に応じて所定のペルチェ素子を効果的に加熱あるいは冷却することができるので、ペルチェ素子を効率良く加熱及び冷却することが可能となる。

また、本発明のペルチェモジュールは、前記複数のペルチェ素子が、前記対象物に対向して配置されたペルチェ素子を有する第１ブロックと、その他のペルチェ素子を有する第２ブロックとにブロック化され、前記制御部が、前記第１ブロック及び前記第２ブロックのペルチェ素子のそれぞれに供給する電圧を制御することが好ましい。

本発明に係るペルチェモジュールでは、制御部により電圧を制御し、例えば、第２ブロックのペルチェ素子より、第１ブロックのペルチェ素子に多くの電流を供給する。これにより、従来のように、ペルチェ素子に全体的に同じ電流を流す場合に比べ、対象物が配置されていないペルチェ素子が過剰に加熱あるいは冷却されてしまうことがない。したがって、ペルチェ素子に無駄なく電流を供給することができるので、加熱効率あるいは冷却効率を向上させることが可能になる。また、対象物が配置されている基板と、対象物が配置されていない基板との温度差を抑えることができるため、加熱能力あるいは冷却能力を向上させることが可能となる。さらに、ペルチェモジュールの基板の面方向における温度差も小さくなり、基板の熱膨張係数が略均一化されるため、基板とペルチェ素子との界面に加わる熱応力の発生を抑えることができる。したがって、対象物と基板の接触状態が良好になるため、熱交換効率が向上することになる。

また、本発明のペルチェモジュールは、前記複数のペルチェ素子には、個別にあるいは所定の領域内ごとにスイッチング素子が設けられ、前記制御部は、前記スイッチング素子により前記複数のペルチェ素子に電圧を供給することが好ましい。

本発明に係るペルチェモジュールでは、スイッチング素子として、複数のペルチェ素子の個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子ごとに、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のアクティブ素子を用いることにより、ペルチェ素子に電流を正確に供給することが可能となる。

また、本発明のペルチェモジュールは、前記複数のペルチェ素子には、各前記ペルチェ素子の個別の温度あるいは所定の領域内の前記複数のペルチェ素子全体の温度を測定する温度測定手段が設けられ、前記制御部は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記複数のペルチェ素子に電圧を供給することが好ましい。

本発明に係るペルチェモジュールでは、温度測定手段により、複数のペルチェ素子の個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子ごとの温度を測定する。そして、制御部により電圧を制御し、測定した温度に基づいて、複数のペルチェ素子に電流を供給する。したがって、温度測定手段により測定された温度が高いペルチェ素子に、多くの電流を供給することができるので、基板の温度分布を精度良く均一化するとともに、基板を所望の温度に調節することが可能となる。

本発明の電子機器は、上記のペルチェモジュールを備えることを特徴とする。
本発明に係る電子機器では、上述した冷却効率及び加熱効率が良いペルチェモジュールを用いることにより、電子機器内の部品を効率良く加熱あるいは冷却することができる。したがって、電子機器を好適な状態に保つことができるため、安定した特性を得ることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るペルチェモジュール及び電子機器の実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

まず、本発明のペルチェモジュールの第１実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係るペルチェモジュール１は、対象物を加熱及び冷却することが可能であるが、本実施形態では、発熱部（対象物）２を冷却する場合について説明する。このペルチェモジュール１は、図１及び図２に示すように、吸熱面１１ａに発熱部２が配置された吸熱側セラミック基板１１と、この吸熱側セラミック基板１１に対向して配置された放熱側セラミック基板１２と、これらセラミック基板１１，１２により挟持されたペルチェ素子列２０と、ペルチェ素子列２０に供給する電圧を制御する制御部３０とを備えている。

ペルチェ素子列２０は、図２に示すように、複数のペルチェ素子２０ａからなっており、ペルチェ素子２０ａは、一対のｐ型熱電半導体（熱電素子）２１及びｎ型熱電半導体（熱電素子）２２と、吸熱側セラミック基板１１側に設けられ、隣接するｐ型，ｎ型の熱電変換素子２１，２２同士を電気的に接続する複数の吸熱側金属電極２６と、放熱側セラミック基板１２側に設けられ、隣接するｐ型，ｎ型の熱電変換素子２１，２２同士を電気的に接続する複数の放熱側金属電極２７とを備えている。また、ペルチェ素子列２０は、隣接するｐ型，ｎ型の熱電変換素子２１，２２同士が直列接続となるように、ｐ型熱電変換素子２１，ｎ型の熱電変換素子２２及び放熱側金属電極２７，吸熱側金属電極２６が交互に接合された構成となっている。

図３は、ブロック化されたペルチェ素子列２０を模式的に示した平面図であり、図４は、ブロック化されたペルチェ素子列２０を模式的に示した側面図である。
ペルチェ素子列２０は、図３及び図４に示すように、吸熱側セラミック基板１１を介して発熱部２に対向して配置、すなわち、吸熱側セラミック基板１１側から見て発熱部２に覆われる位置に配置されているペルチェ素子２０ａを有するブロックＡと、吸熱側セラミック基板１１を介して吸熱側セラミック基板１１側から見て発熱部２の一部に覆われる位置に配置されたペルチェ素子２０ａ（その他のペルチェ素子）を有するブロックＢと、吸熱側セラミック基板１１上の発熱部２が配置されていない領域に吸熱側セラミック基板１１に対向して配置されたペルチェ素子２０ａ（その他のペルチェ素子）を有するブロックＣとにブロック化されている。

また、ペルチェ素子２０ａには、図５に示すように、隣接する放熱側金属電極２７間に電圧を印加する電源３１がそれぞれ設けられている。また、制御部３０には、電源３１に印加する電圧を変化させる電圧可変部３２が電源３１ごとに設けられている。
また、複数の吸熱側金属電極２６には、個々のペルチェ素子２０ａの温度を測定する温度測定手段３３がそれぞれ設けられている。温度測定手段３３として、例えば、遷移金属酸化物の焼結体を含むとともに、当該遷移金属酸化物における抵抗値の変化によって、温度測定が可能な温度依存性抵抗であるサーミスタ３３を用いる。このサーミスタ３３により測定された温度は制御部３０に送られるようになっている。

制御部３０は、サーミスタ３３により測定された温度に基づいて電源３１より印加する電圧を計算するものである。本実施形態では、複数のペルチェ素子２０ａが全体的に同じ温度になるように、ペルチェ素子２０ａごとに印加する電源電圧を算出している。また、算出された電源電圧は電圧可変部３２に送られるようになっている。

さらに、制御部３０により、ブロックＡ，Ｂ，Ｃごとにペルチェ素子２０ａに印加する電圧が制御されている。具体的には、制御部３０により、吸熱側，放熱側セラミック基板１１，１２の中央部に配置されたブロックＡのペルチェ素子２０ａに最も電流が流れるように電圧が制御されており、ブロックＡを囲うように配置されたブロックＢ、吸熱側，放熱側セラミック基板１１，１２の外周に沿って配されたブロックＣのペルチェ素子２０ａの順に電流値が減少するように制御されている。

次に、以上の構成からなる本実施形態のペルチェモジュール１を用いて、発熱部２を冷却する方法について説明する。
まず、ブロックＡ，Ｂ，Ｃのペルチェ素子２０ａそれぞれにあらかじめ設定された電圧値の電圧を電源３１から印加する。ペルチェ素子２０ａに電圧を印加することにより、ｎ型熱電半導体２２からｐ型熱電半導体２１に直流電流が流れる。隣接する熱電半導体２１，２２に電流が流れることにより、吸熱側金属電極２６は冷却され、発熱部２の熱が、吸熱側セラミック基板１１を介して吸熱側金属電極２６に伝達される。そして、吸熱側金属電極２６に伝達された熱は、ｐ型熱電半導体２１及びｎ型熱電半導体２２を経て放熱側金属電極２７にそれぞれ伝達される。次いで、放熱側金属電極２７に伝達された熱は、放熱側セラミック基板１２を介して外部に放出され、発熱部２は冷却される。

このとき、制御部３０が、サーミスタ３３により測定した温度に基づいて、吸熱側セラミック基板１１の面を均一な温度となるように、複数のペルチェ素子２０ａそれぞれに印加する電圧を算出する。算出された電圧を電源３１より、複数のペルチェ素子２０ａに印加することにより、発熱部２と接触している吸熱側セラミック基板１１の面を均一な温度にする。

本実施形態に係るペルチェモジュール１では、発熱部２に対向して配置されたブロックＡのペルチェ素子２０ａに最も電流が多く流れるように制御されているため、発熱部２を効果的に冷却することができる。また、ブロックＢ，Ｃの順に、ペルチェ素子２０ａに流れる電流が小さくなるように制御されているため、発熱部２が配置されていない吸熱側セラミック基板１１の周辺部を過剰に冷却することがなくなる。したがって、吸熱側セラミック基板１１と放熱側セラミック基板１２との温度差を抑えることができるため、発熱部２の冷却能力を向上させることが可能となる。また、ペルチェモジュール１のセラミック基板１１，１２の面方向における温度が均一化されるため、熱膨張係数が略均一化され、セラミック基板１１，１２とペルチェ素子列２０との界面に加わる熱応力の発生を抑えることができる。これにより、発熱部２とセラミック基板１１との接触状態が良好になるため、さらに、熱交換効率が向上することになる。

なお、ペルチェ素子列２０をブロックＡ，Ｂ，Ｃに分けたが、これに限らず、発熱部２の発熱量や、位置に応じて、ペルチェ素子列２０をブロック化し、個々にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子２０ａに印加する電圧を制御することが可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図６を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係るペルチェモジュール１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るペルチェモジュール４０において、制御部４１がペルチェ素子２０ａに印加する電圧を所定の領域内の複数のペルチェ素子２０ａごとに制御する点において第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、第１実施形態のブロックＡ，ブロックＢ，ブロックＣのペルチェ素子２０ａをブロックごとに一つの電源４２により駆動している。

図６は、領域ごとのペルチェ素子２０ａの接続を模式的に示した斜視図である。
ペルチェ素子列２０は、図６に示すように、それぞれのブロックＡ，Ｂ，Ｃ内の隣接するｐ型，ｎ型の熱電変換素子２１，２２同士がすべて直列接続となるように、ｐ型熱電変換素子２１，ｎ型の熱電変換素子２２及び放熱側金属電極２７，吸熱側金属電極２６が交互に接合された構成となっている。
また、ブロックＡ，Ｂ，Ｃごとに、放熱側金属電極２７間に電圧を印加する電源４２と、電源４２に印加する電圧を変化させる電圧可変部４３とが設けられている。さらに、ブロックＡ，Ｂ，Ｃごとの複数のペルチェ素子２０ａ全体の温度を測定するサーミスタ４４が、吸熱側金属電極２６に設けられている。

本実施形態に係るペルチェモジュール４０では、ブロックＡ，Ｂ，Ｃごとに一つの電源４１によりブロックＡ，Ｂ，Ｃのペルチェ素子２０ａを駆動しているため、第１実施形態に比べ、制御部４１及び電源４２の数が減るため、簡易な回路構成にすることが可能となる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態として、上記第１実施形態のペルチェモジュール１を有する光源装置１００を備えるプロジェクタについて説明する。

図７は、上記実施形態のペルチェモジュール１を備えたプロジェクタ（電子機器）５００の説明図である。図中、符号５１２、５１３、５１４は上記実施形態のペルチェモジュール１のセラミック基板１１の吸熱面１１ａに配置された光源装置（発熱部）、５２２、５２３、５２４は液晶ライトバルブ、５２５はクロスダイクロイックプリズム、５２６は投写レンズを示している。

各光源装置５１２、５１３、５１４には、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に発光するＬＥＤチップが採用されている。なお、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、各光源装置の後方にロッドレンズやフライアイレンズを配置してもよい。

赤色光源装置５１２からの光束は、重畳レンズ５３５Ｒを透過して反射ミラー５１７で反射され、赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。また、緑色光源装置５１３からの光束は、重畳レンズ５３５Ｇを透過して緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。また、青色光源装置５１４からの光束は、重畳レンズ５３５Ｂを透過して反射ミラー５１６で反射され、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。なお、均一照明系としてフライアイレンズを用いた場合には、各光源からの光束は重畳レンズを介することにより液晶ライトバルブの表示領域において重畳され、液晶ライトバルブが均一に照明されるようになっている。

また、各液晶ライトバルブの入射側および出射側には、偏光板（図示せず）が配置されている。そして、各光源からの光束のうち所定方向の直線偏光のみが入射側偏光板を透過して、各液晶ライトバルブに入射する。また、入射側偏光板の前方に偏光変換手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、入射側偏光板で反射された光束をリサイクルして各液晶ライトバルブに入射させることが可能になり、光の利用効率を向上させることができる。

各液晶ライトバルブ５２２、５２３、５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。

上述した本実施形態のプロジェクタ５００は、光源装置５１２，５１３，５１４がペルチェモジュール１により冷却されることによって大きな電流を供給でき、高輝度化される。したがって、表示特性の優れたプロジェクタを提供することができる。
なお、本実施形態において、第２実施形態のペルチェモジュール４０を備えた構成であっても良い。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、複数のペルチェ素子２０ａの個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子２０ａごとにスイッチング素子が設けられ、制御部３０，４１が、スイッチング素子２０ａにより複数のペルチェ素子２０ａに電流を供給する構成であっても良い。この構成の場合、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のアクティブ素子を用いることにより、ペルチェ素子２０ａに電流を正確に供給することが可能となる。
また、サーミスタ３３は、個々のペルチェ素子２０ａごとあるいは領域ごとのペルチェ素子２０ａに設けられた構成にし、精度良く制御したが、用途に応じては省略しても構わない。すなわち、発熱部２の大きさ、発熱量が決まっている場合は、電圧可変部３２及びサーミスタ３３を省略し、制御部３０，４１により、あらかじめ設定された電圧を電源３１，４２に印加し、ペルチェ素子２０ａに電圧を印加すれば良い。

また、ペルチェ素子列２０をセラミック基板１１，１２により挟持させた構成にしたが、セラミック基板に限らず熱伝導性の高い銅板やアルミ基板等であっても良い。
また、温度測定手段としてサーミスタを用いたが、これに限らず、例えば、ｐｎ接合ダイオードにおける電流−電圧特性の温度変化を利用したｐｎ接合温度計や、核４極共鳴に基づいたＮＱＲ（nuclear quad-repole resonance）温度計、等が挙げられ、これらについても、好適に用いることができる。このような温度測定手段を用いることにより、正確かつ迅速にペルチェ素子２０ａの温度検知ができるとともに、半導体や無機物から構成することができ、駆動用ＩＣ内の微小空間であっても、容易に収容することができる。

本発明の第１実施形態に係るペルチェモジュールを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るペルチェモジュールを示す側面図である。 図１のブロック化されたペルチェ素子列を模式的に示した平面図である。 図１のブロック化されたペルチェ素子列を模式的に示した側面図である。 図１の個別のペルチェ素子の制御状態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るペルチェモジュールの制御状態を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る電子機器を示す平面図である。

符号の説明

１，４０…ペルチェモジュール、２…発熱部（対象物）、１１…吸熱側セラミック基板、１２…放熱側セラミック基板、２０ａ…ペルチェ素子、２６…吸熱側金属電極、２７…放熱側金属電極、３０，４１…制御部、３１，４２…電源、３２，４３…電圧可変部、３３，４４…サーミスタ（温度測定手段）、５００…プロジェクタ（電子機器）

Claims (5)

1. 複数の熱電素子及び該複数の熱電素子を挟持する複数の電極を有する複数のペルチェ素子と、
   該複数のペルチェ素子を挟持するとともに、一方の基板に温度制御される対象物が配置された一対の基板と、
   前記対象物に応じて、前記複数のペルチェ素子に対して個別にあるいは所定の領域内の複数のペルチェ素子ごとに供給する電圧を制御する制御部とを備えることを特徴とするペルチェモジュール。
2. 前記複数のペルチェ素子が、前記対象物に対向して配置されたペルチェ素子を有する第１ブロックと、その他のペルチェ素子を有する第２ブロックとにブロック化され、
   前記制御部が、前記第１ブロック及び前記第２ブロックのペルチェ素子のそれぞれに供給する電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載のペルチェモジュール。
3. 前記複数のペルチェ素子には、個別にあるいは所定の領域内ごとにスイッチング素子が設けられ、
   前記制御部は、前記スイッチング素子により前記複数のペルチェ素子に電圧を供給することを特徴とする請求項１または２に記載のペルチェモジュール。
4. 前記複数のペルチェ素子には、各前記ペルチェ素子の個別の温度あるいは所定の領域内の前記複数のペルチェ素子全体の温度を測定する温度測定手段が設けられ、
   前記制御部は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記複数のペルチェ素子に電圧を供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載のペルチェモジュール。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のペルチェモジュールを備えることを特徴とする電子機器。

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