JP7179266B1 - 複数のペルチェ素子を使用した高効率な冷却制御方式 - Google Patents
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Abstract
Description
Qh(発熱量)=Qc(吸熱量)+P(供給電力)
すなわち、発熱量は供給電力も含むために相応な排熱性能が要求される。しかしながら、強力な排熱構造でも排熱部の温度は時間経過とともに上昇する。
なお、ペルチェ素子を使用した冷却装置を下記の特許文献に示す。
ペルチェ素子が動作休止期間または動作電力低減期間を有して動作するとは、ペルチェ素子が例えばその定格電力に基づいた通常駆動期間(第1の動作モード)と、第2の動作モードである動作休止期間または動作電力低減期間(通常駆動の供給電力より低い電力での駆動)との2つの動作モードの間で切り換えられて(交互に)駆動されることを含む。また、1のペルチェ素子が通常駆動期間、動作休止期間、動作電力低減期間を有してこれの期間を交互に動作することを含む。
したがって、複数のペルチェ素子を含む冷却システムにおいては、1のペルチェ素子が第1モード、第2モードを交互にとって動作すると同時に、残りのペルチェ素子はON(またはOFF)の連続動作のみを行う場合を含む。
また、複数のペルチェ素子の全てが、上記第1モード、第2モードの間で交互の動作をそれぞれ行うことを含む。
また、いずれか1または複数のペルチェ素子(グループAとする)がONとなる場合(第1モード)には、残りのペルチェ素子(グループBとする)がOFFとなる(第2モード)ように、これら2グループのペルチェ素子が相互に関連して動作する場合も含む。
そして、グループAのペルチェ素子の動作と、グループBのペルチェ素子の動作とが相互に関連して同期して動作し、この同期動作が繰り返される場合を含む。例えばある期間はグループAがON、グループBがOFFで、次の期間には同期してグループAがOFF、グループBがONとなることを繰り返す場合も含む。
または、複数のペルチェ素子がランダムに(他の素子とは無関係に)動作する場合で少なくとも1の素子が上記第1モード、第2モードをとって動作することを含む。この場合、複数の素子の少なくともいずれか1の素子が駆動モードである場合を含む。さらに、ランダムに動作する場合とは、複数のペルチェ素子が完全に独立して動作する場合も含む。
動作休止期間とは、当該ペルチェ素子に電力が供給されず、OFFとされる期間である。ペルチェ素子がONとされ冷却作用(吸熱作用)を発揮する場合ではない。また、動作電力低減期間とは、ペルチェ素子がONとされてその定格電力または定格電力に基づく適正電力が供給され、吸熱面による吸熱作用が発揮される場合に対して、その供給される電力によりも低減された電力が供給されてその吸熱作用も低く抑えられる期間を意味する。
冷却モジュールは、例えば吸熱面を共通部材に面接触させた複数のペルチェ素子と、これらのペルチェ素子の放熱面から放熱するヒートシンクおよび冷却ファンを含むことができる。例えば、複数のペルチェ素子を含む冷却モジュールの制御方法、または冷却モジュールを含む冷却装置の制御方法とされる。この空冷方式に替えて水冷方式とすることもできる。
複数の冷却モジュールを備え、各冷却モジュールはペルチェ素子を含む構成にあって、それらの冷却モジュールのうちの1以上の冷却モジュールではそのペルチェ素子は動作休止期間を有して、または動作電力低減期間を有して動作する。
したがって、複数の冷却モジュールが動作する場合、いずれか1の冷却モジュールのペルチェ素子では動作期間、動作休止期間が交互に繰り返されるとき、他の冷却モジュールのペルチェ素子では上記動作休止期間に同期してその動作期間が、上記動作期間に同期してその動作休止期間が設定されることが含まれる。
例えば複数の冷却モジュールを備えたシステムにおいて、1の冷却モジュールが複数のペルチェ素子を有する場合についても、全てのペルチェ素子同士がその動作期間を異ならせて交互に動作を行うこと(全てのペルチェ素子が1個ずつ順番にONとなるサイクルを形成すること)を排除するものでもない。このとき、他の冷却モジュールのペルチェ素子の動作は例えば上記サイクルとは異なる一定サイクルでのON・OFF動作を繰り返すことも含む。
冷却効果を目的とした商品であって、ペルチェ素子を含むものとしては、例えば冷蔵庫、冷凍庫、ネッククーラー、身体冷却デバイス(代謝促進装置を含む)、理美容装置(その冷却部材)、腎臓透析装置(その冷却構造部)、半導体製造装置(その冷却装置)その他を含むことができる。
例えば1の商品が1または複数のペルチェ素子を備えた場合、各ペルチェ素子はその素子への電力供給がONとなる動作期間と、OFFとなるその動作休止期間とを切り換えて運転制御される。また、例えば複数の商品についてもそれらの全てのペルチェ素子はそれぞれ動作期間と動作休止期間とをとってその運転が制御される。
ここで、2つの商品(身体冷却具)で例えばこの商品装着者に冷却を施す場合、1の商品のペルチェ素子を通常動作させて、他の商品のそれを動作休止とし、続いて1の商品のペルチェ素子を動作休止とするとともに、他の商品のそれを通常動作とする制御を含むこととする。また、一方の商品のペルチェ素子のみをON/OFFの交互動作とし、他方の商品のそれは動作電力低減期間をとって駆動するよう制御できる。
複数のペルチェ素子が同一の定格電力のものを使用することで、その動作期間などのコントロールが容易になる。複数のペルチェ素子が異なる規格のもので構成されている場合、定格電力が大きなそれの動作期間を他の素子(定格電力が小さいもの)の動作期間と異ならせることもできる。または、異なる規格であれば、それぞれの規格に対応した動作期間を設定することもできる。
例えばペルチェ素子の動作期間はその定格電力による供給電力(または供給電流)に応じて5秒~10秒を固定しての複数の素子について交互にONとなる切り換え動作とする(2以上の素子でいずれか1が交互に循環してONとするサイクル)。この場合、サイクルではなくいわばランダムにONとすることもできる。例えば、複数のペルチェ素子の排熱面の温度を一定時間毎にチェックして最も低い素子をONとする(他はOFF)ことを含む。
また、ペルチェ素子の吸熱面と排熱面との温度差に応じて動作期間(ONタイム)を設定するなどである。
両方の冷却ファンは、吸熱面の温度上昇を抑える役目で常時回転している。
ペルチェ素子Aが通電しているときは、ペルチェ素子Bは休止(あるいは低電力で動作するようにしてもよい)することで、ペルチェ素子Bの内部や排熱面の温度を下げて、次の通電(スイッチ閉)で効果的な冷却をすることが可能となる。
ペルチェ素子AがOFFとなるとき、これに同期してペルチェ素子Bが通電されてペルチェ素子Aは休止する。このことで、ペルチェ素子Aの内部やその排熱面の温度を下げて次の通電で効果的な冷却をすることが可能となる。
もちろん、冷却の対象部が所望の冷却温度に到達すればペルチェ素子Aとペルチェ素子Bとの両方を休止させても良い。通電する時間や休止時間は、あらかじめ設定した固定時間でも良いが、排熱面の温度で判定して、設定することも可能である。
図2(A)は複数のペルチェ素子A,Bが単一の吸熱用アルミ板21の一面に所定間隔離れて固着された例を示す。吸熱用アルミ板21の他面(所定の平面を構成している)が冷却対象部(図外)に直接にまたは間接に面接触される。各ペルチェ素子A,Bはいずれもヒートシンク22A,22Bおよび冷却ファン23A,23Bを有して構成されている。これらのヒートシンク22A,22Bおよび冷却ファン23A,23Bはこれらのペルチェ素子A,Bの各排熱面に配設されて、ペルチェ素子A,Bで発生した熱、その吸熱面から伝達された冷却対象部からの熱を放出する。
図2(B)はこれらのペルチェ素子A,Bに対してスイッチ25を介して直流電源24から選択的に電力が供給されていること、直流電源24から各冷却ファン23A,23Bには常時電力が供給されていることを示す。
図2(C)にはペルチェ素子A、Bについての電力供給のタイムチャートである。ペルチェ素子AがONのとき、ペルチェ素子BはOFFで、ペルチェ素子AがOFFとなると同期してペルチェ素子BはONとなり、以下このパターンを繰り返すこととなる。
つまり、3つの冷却ファン123は、吸熱面の温度上昇を抑える役目で常時回転している。この他、図中で、122はヒートシンク、124は直流電源、125は3つのスイッチを示す。
再言すると、ペルチェ素子Aが通電しているときは、ペルチェ素子B,Cは休止とする。ペルチェ素子B,Cの内部や排熱面の温度を下げて、次の通電での効果的な冷却をすることが可能となる。
次に、ペルチェ素子Bが通電されてペルチェ素子A,Cは休止する。ペルチェ素子Aの内部や排熱面の温度を下げて次の通電で効果的な冷却に備える。
もちろん、所望の冷却温度に到達すれば、ペルチェ素子A,B,Cを休止させても良い。
なお、各素子での休止時間を制御するために、さらに多数のペルチェ素子(同一規格とする)を備えた冷却モジュールを構成し、各素子のONとなる時間を順番にサイクルさせることもできる。より短いON時間で、より長いOFF時間を得ることができ、素子からの排熱効果を高めることができ、長時間の運転に適している。また、この場合において、各素子の排熱面温度を一定時間毎に検出し、最も低い温度のペルチェ素子についてのみON、残りの素子をOFFとする。その結果、ONとなるペルチェ素子はいわばランダムに決定されて駆動制御されることとなる。この場合、各ペルチェ素子は同一規格のものでも、異なる規格のものでもよい。このような温度管理による制御方式においては、多数の素子を備えた冷却システムにおいてより効果的となり、短時間のONで素子を動作させて一定の冷却効果を得ることができる。
強冷却時は、2つのペルチェ素子A,Bに同時に通電する一方、所望の温度維持では2つのペルチェ素子A,Bを交互にONとするようこれら素子を動作させて効果的な冷却効果を得ることが出来る。急速な冷却と省エネ効果(電力消費を抑える効果)が期待出来るだけでなく、交互動作はゆらぎ効果も実現出来る。
図4(A)には、その冷却モジュールの構成を示す。2つのペルチェ素子A,Bは1枚の吸熱用アルミ板31の片面に離間して固着されている。ヒートシンク32は2つのペルチェ素子A,Bに共通となるよう固着されており、3つの冷却ファン33A,33B,33Cにより単一のヒートシンク32の熱を放熱する構成とされている。
図4(B)は直流電源34と上記冷却ファン33A,33B,33Cとの接続、直流電源34と2つのペルチェ素子A,Bとの接続(電力供給系)を示す。3つの冷却ファン33A,33B,33Cに常時電力が供給されている一方、ペルチェ素子Aにはスイッチ35Aを介して、ペルチェ素子Bには別のスイッチ35Bを介して電力が電源34から供給される構成である。
図4(C)は各ペルチェ素子A,Bについての電力供給のタイムチャートである。冷蔵庫を機能させる当初の期間は、ペルチェ素子A,Bにともに電力供給がなされ、強冷却を可能とする。一定時間経過後、いずれか一方の素子のみがONとされるとともに、残りの他方はOFFとされる。ペルチェ素子A,Bが交互にONとなるいわゆる交互動作の状態とされる。庫内温度維持のためである。
強冷却時は、3つのペルチェ素子A,B,Cに同時に通電することも可能であるが、冷蔵庫内を所望の温度に維持するためには、3つのペルチェ素子A,B,Cのいずれか1または2を交互にON動作させて効果的な冷却効果を得る。急速な冷却と省エネ効果(電力消費を抑える効果)が期待出来る。
図5(A)には、その構成を示す。3つのペルチェ素子A,B,Cは1枚の吸熱用アルミ板131の片面にそれぞれ離間して固着されている。ヒートシンク132は3つのペルチェ素子A,B,Cに共通に固着されている。5個の冷却ファン133によりヒートシンク132の熱を放熱する構成とされている。
図5(B)は直流電源134と上記冷却ファンとの接続系を、直流電源134と3つのペルチェ素子A,B,Cとの接続系を示す。5つの冷却ファンに対しては常時電力が供給されている一方、ペルチェ素子A、ペルチェ素子B、ペルチェ素子Cにはそれぞれ個別のスイッチ135を介して電力が電源134から供給される構成である。
図5(C)は各ペルチェ素子A,B,Cについての電力供給の一例としてタイムチャートを示す。当初期間は、ペルチェ素子AがONでペルチェ素子B,CにともにOFFであって、次の区間ではペルチェ素子BのみがON、さらに次の区間ではペルチェ素子AのみをON、次はペルチェ素子CのみをONとして動作させる例である。ペルチェ素子A,B,Cのいずれか1が交互にONとなる運転である。庫内温度維持のためである。
強冷却時は、2つのペルチェ素子に通電し、所望の温度維持では2つのペルチェ素子を交互にON動作させる。なお、各素子にあってはそれぞれON、OFFを繰り返すこととなる。
このような制御により効果的な冷却効果を得る。急速な冷却と省エネ効果が期待できるだけでなく、交互動作はゆらぎ効果(クーラ装着者にとっての自然な快適さ)も実現できる。
図6(A)はネッククーラーの構成を示す。例えば人体のネック部分に巻き付けられるクーラ本体(ベルト)41にはそのベルト長さ方向にて所定間隔離れた位置にペルチェモジュール(冷却モジュール)A,Bが配設されている。各ペルチェモジュールA,Bは吸熱用アルミ板42に固設されたペルチェ素子43と、ペルチェ素子43に固着されたアルミ製のヒートシンク44と、ヒートシンク44に取り付けられてこれから排熱する冷却ファン45とで構成されている。また、電源46とそのスイッチング動作をコントロールする制御部は、ベルト状の本体41の中間部に配置されている。
図6(B)は、バッテリー(直流電源)46と冷却ファン45、バッテリー46と2個のペルチェ素子43との接続系を示している。スイッチ47A,47Bは各ペルチェ素子43とバッテリー46との接続(電力供給)をそれぞれON、OFFする。
図6(C)に示すように、強冷却区間は2つのペルチェ素子A,Bを同時にONとし、その後は一方がON、他方がOFFでこれを繰り返す動作をとる。
基本的構成は上記実施例5に係る場合と同じとしてある。3つのペルチェモジュールについても、吸熱用アルミ板141の一面がベルト一面に布地などを介して固定され、人体のネックを冷却する構成である。各モジュールではペルチェ素子142がアルミ板141の他面に接触して配され、素子142に固設されたヒートシンク143,冷却ファン144により素子排熱面からの放熱を行う。
バッテリー145は直流電源で構成され、3つのスイッチ146により各ペルチェ素子A,B,Cに対して電力を供給する。図7(B)はこの電力供給系を示す。
実際には、図7(C)は、ペルチェ素子A,B,Cはいずれか1がONとされるとともに、残りの2素子はOFFとされる制御の例である。当然にそのON期間の時間制御は固定しての場合の他、可変、例えば排熱面温度が一定値に達したときOFFとされる温度制御であっても可能である。さらには、モジュールの個数は変更可能であり、モジュール同士が同一(単一規格のペルチェ素子の使用)の場合、異なる規格品の素子を使用した場合にも適用できる。
図8にて(A)は、この2つの携帯冷却装置A,Bを使用者の背中に配置した例である。この携帯冷却装置は例えば粘着テープにより背中に直接に、または衣服を介して間接に接触させてその冷却を可能とすることもできる。
同じく(B)は、1の携帯型冷却装置の構成を示す。この装置は、1個のペルチェ素子AまたはBに対して単一の吸熱用アルミ板51、単一のヒートシンク52、1の冷却ファン53にて構成されている。また、図外のケーシング材により直流電源(バッテリー)54、ペルチェ素子の動作および通信についての制御部55、Bluetooth通信部56を有して素子と一体に構成されている。
図8の(C)はバッテリー54と冷却ファン53、バッテリー54とペルチェ素子(AまたはB)との接続、それらの接続におけるスイッチ57Aと、Bluetooth通信によるON・OFFスイッチ57Bとについて開示されている。図8(D)では強冷却区間の重複動作と、その後の定常運転区間の交互動作についてのタイムチャートを示す。Bluetooth通信スイッチにより対をなす他の素子をON動作させるものである。
それぞれの携帯型冷却装置A,Bについて別個に動作するのではなく、2つの冷却装置A,Bが強冷却区間では同時にON(強冷却モード)とし、温度維持モードでは装置A,Bが交互動作(各装置ではそれぞれのペルチェ素子が交互動作)するモードとすることができる。
図9にて(A)は、この3つの携帯冷却装置A,B,Cを使用者の背中に縦一列に配置した例である。
同じく(B)は、1の携帯型冷却装置の構成を示す。この装置は、1個のペルチェ素子150に対して単一の吸熱用アルミ板151、単一のヒートシンク152、1の冷却ファン153にて構成されている。また、図外のケーシング材により直流電源(バッテリー)154、ペルチェ素子の動作および通信についての制御部155、Bluetooth通信部156を有して素子と一体に構成されている。
図9の(C)は電源と素子との接続を示す。バッテリー154と冷却ファン153とは常時接続であり、バッテリー154とペルチェ素子A(携帯冷却装置Aに内蔵する素子)との接続はスイッチ157の開閉で行う。また、Bluetoothスイッチ158,159はそれぞれ各携帯冷却装置B,Cとの接続をON、OFFする構成としてある。すなわち、スイッチ158を閉とすることは、他の冷却装置Bの内蔵バッテリーとそのペルチェ素子とを接続することである。Bluetooth通信による他のペルチェ素子のON・OFF制御である。図9の(D)では定常運転期間での各装置A,B,C間の交互のON動作についてのタイムチャートの一例を示す。
1のペルチェ素子についてその休止時間を制御するため3個以上の携帯冷却装置を使用し、それらの素子のON時間をサイクルさせて使用する。
この実施例では2個のペルチェ素子A,Bを備えた冷却装置にあって、ペルチェ素子A,Bは同期して動作する(同時にモードが切り換えられる)が、これらの素子ではそれぞれ3つの動作モード(定格電力の一定割合低電力印加期間、定格電力印加のON期間、OFF期間)をとって駆動される。このときの素子A,Bの動作により、冷却効果を高めつつ、各ペルチェ素子の排熱面の温度上昇をコントロールすることができる。
この参考例においては、3個のペルチェ素子A,B,Cを用いた冷却装置における各素子間のON・OFF制御の一例である。装置としては2個の素子が同時にONとされる期間と、1個のみがONとされる期間とを含む制御とされる。これらON・OFFについては、規則性を持たせず、例えば各素子の排熱面温度を常に測定しておき、一定時間毎に最も低い排熱面温度の素子を選択してONとすることもできる。
なお、電源としてモバイルバッテリーを使用することもできる。この場合、冷却システムにおいて最低限の負荷電流を流すことで、電力供給の停止を避けることができる。
また、距離が離れてセットされる複数の冷却モジュールまたは複数の冷却装置について、これを制御する場合、冷却効果の低下を阻止する意味から、これらの1について完全に休止させずに、電力を低減させることで、冷却効果との両立を図ることができる。
この参考例においては、3個のペルチェ素子A,B,Cを用いた冷却装置における各素子間のON・OFF制御の一例である。装置としては2個の素子が同時にONとされる期間と、1個のみがONとされる期間とを含む制御とされる。例えば、ペルチェ素子Aは一定長さの電力低減期間を有して駆動される一方、ペルチェ素子Bでは定格電力(その一定割合での電力)相当期間、電力低減期間(一定割合の定格電力に対してさらに一定割合とした低減電力の印加期間)、さらにはOFF期間をより短いサイクルで変移する。同じくペルチェ素子Cにあっては、OFF期間の後、短い低電力期間、ON期間、OFF、ONのように駆動される。これらの結果、最大では3つの素子が同時にONとされて電力がこれらの素子に供給可能とされる。少なくとも1の素子をON(低電力期間)とする制御が可能である。
21 吸熱用アルミ板、
22 ヒートシンク、
23 冷却ファン、
24 直流電源。
Claims (3)
- それぞれが独立制御される2つのペルチェ素子を使用した冷却モジュールで、2つのペルチェ素子がON/ON、ON/OFF、OFF/ON、およびOFF/OFFの動作モードを有して動作する制御方式であって、
上記2つのペルチェ素子は、その動作開始時はON/ONの動作モードで、一定時間経過後はON/OFFまたはOFF/ONの動作モードでそれらが交互に動作するとともに、冷却の対象部が所望の冷却温度に到達すれば2つのペルチェ素子の両方を同時にOFFとし、この休止時間は、ペルチェ素子の排熱面の温度で判定して設定する制御方式。 - ペルチェ素子を使用したそれぞれが独立した2つの冷却モジュールで、これらの2つのペルチェ素子がON/ON、ON/OFF、OFF/ON、およびOFF/OFFの動作モードを有して動作する制御方式であって、
上記2つのペルチェ素子は、その動作開始時はON/ONの動作モードで、一定時間経過後はON/OFFまたはOFF/ONの動作モードでそれらが交互に動作するとともに、冷却の対象部が所望の冷却温度に到達すれば2つのペルチェ素子の両方を同時にOFFとし、この休止時間は、ペルチェ素子の排熱面の温度で判定して設定する制御方式。 - 冷却効果を目的とした、ペルチェ素子を使用したそれぞれが独立した2つの商品で、Bluetooth(登録商標)による無線制御により2つのペルチェ素子をON/ON、ON/OFF、OFF/ON、およびOFF/OFFの動作モードを有して動作する制御方式であって、
上記2つのペルチェ素子は、その動作開始時はON/ONの動作モードで、一定時間経過後はON/OFFまたはOFF/ONの動作モードでそれらが交互に動作するとともに、冷却の対象部が所望の冷却温度に到達すれば2つのペルチェ素子の両方を同時にOFFとし、この休止時間は、ペルチェ素子の排熱面の温度で判定して設定する制御方式。
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