TWI641938B - 溫度調整裝置 - Google Patents

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TWI641938B TW103138157A TW103138157A TWI641938B TW I641938 B TWI641938 B TW I641938B TW 103138157 A TW103138157 A TW 103138157A TW 103138157 A TW103138157 A TW 103138157A TW I641938 B TWI641938 B TW I641938B
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中嶋忠夫
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日本商Ｓｍｃ股份有限公司
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Abstract

溫度調整裝置(10)之驅動電路(66)以一個希望的輸出量驅動帕耳帖元件(12)。狀態檢測器(70)檢測帕耳帖元件(12)的電氣狀態。控制電路(58)根據至少帕耳帖元件(12)的電氣狀態來算出一個希望的輸出量、決定出以該希望的輸出量驅動帕耳帖元件(12)所需之控制量、以及以該控制量控制該驅動電路(66)。

Description

溫度調整裝置
本發明係關於使用帕耳帖元件(Peltier element)來調整控制對象的溫度之溫度調整裝置。
過去，已知有一種使用帕耳帖元件來調整控制對象的溫度之溫度調整裝置，例如日本特許第3660963號公報(以下將之稱為“習知技術”)所揭示的。此溫度調整裝置中，溫度感測器檢測出控制對象的溫度，溫度調節器輸出一個用來將檢測出的溫度調整到希望的溫度所需之操作量(operating quantity)，驅動電路以一個與該操作量成比例(與該操作量相依)之輸出量(output amount)來驅動帕耳帖元件。
其中，在該操作量的絕對值低之範圍內，係實施時基比例控制(time-based proportional control)(PWM控制)，在此時基比例控制中重複施加相同電壓值之脈衝電壓至帕耳帖元件。另一方面，在該操作量的絕對值高之範圍內，係實施可變電壓控制(variable voltage control)，在此可變電壓控制中連續地施加可調整大小的DC電壓至帕耳帖元件。
以此方式，習知技術將控制對象的溫度回饋至溫度調節器，而控制控制對象的溫度來得到希望的溫度。
然而，習知技術在進行溫度控制時並未考慮到帕耳帖元件的電氣狀態(亦即施加至帕耳帖元件之DC電壓及直流電流、帕耳帖元件的加熱側及吸熱側間之電動勢(electromotive force))。於是，若溫度控制係在超過帕耳帖元件的最大標準值(DC電壓、直流電流、電動勢的容許值)的情況下進行，帕耳帖元件的能力及性能就可能惡化、或帕耳帖元件可能會故障。
因此，傳統上，係根據帕耳帖元件的製造商所建議的最大標準值而設定出比該最大標準值低之標準值然後根據此標準值來設計溫度調整裝置。如此一來，就因為在使用上不會有高到最大標準值的時候，所以很難將溫度調整裝置對於控制對象之溫度調整能力(亦即對於控制對象之加熱能力及冷卻能力)提高到最大的可利用程度。
本發明係為了解決上述的問題而完成者，係目的在提供一種可不造成帕耳帖元件之性能惡化或帕耳帖元件之故障而提高溫度調整能力之溫度調整裝置。
本發明係一種使用帕耳帖元件來調整控制對象的溫度之溫度調整裝置，包含有驅動電路、狀態檢測器、以及控制電路。驅動電路係以一個希望的輸出量(output amount)驅動該帕耳帖元件。狀態檢測器係檢測該帕耳帖元件的電氣狀態。控制電路係根據至少該帕耳帖元件的電氣 狀態(electrical state)來算出一個希望的輸出量、決定出以該希望的輸出量驅動該帕耳帖元件所需之控制量(control quantity)、以及以該控制量控制該驅動電路。
如上所述，控制電路藉由取得至少該帕耳帖元件的電氣狀態來算出希望的輸出量，然後進行以根據該算出的輸出量而定之控制量來控制該驅動電路之控制。亦即，該控制電路係進行將電氣狀態反映在該帕耳帖元件上之控制(回授控制)。因此，與所採用的是並未考慮到帕耳帖元件的電氣狀態之控制(並未反映電氣狀態，亦即開迴路控制)之習知技術相比較，本發明可避免帕耳帖元件之性能惡化及故障。因而，由於可將溫度調整裝置操作到帕耳帖元件的最大標準值，所以可提高溫度調整裝置的溫度調整能力(亦即對於控制對象之加熱能力及冷卻能力)。
該驅動電路可包括：藉由施加作為該輸出量之DC電壓至該帕耳帖元件而使直流電流流至該帕耳帖元件之DC電源。在此情況，該帕耳帖元件的電氣狀態係由該帕耳帖元件的DC電壓、直流電流、及電動勢加以定義。該狀態檢測器可包含有：用來檢測DC電壓之電壓檢測電路、用來檢測直流電流之電流檢測電路、以及用來檢測電動勢(electromotive force)之電動勢檢測電路。
因此，使用檢測出的DC電壓、直流電流、及電動勢，該控制電路決定出對於該驅動電路之控制量，以及控制該驅動電路及該控制量。因而，可從該DC電源供給適當的DC電壓及直流電流至該帕耳帖元件。
在此情況，假設該DC電源係一個可藉由改變DC電壓的值來改變直流電流的值之可變電源(variable power source)，且該控制電路係藉由控制該DC電源而進行可變控制(variable control)，藉此使DC電壓的值及直流電流的值回應於該控制量而變為希望的值。如此一來，就可使DC電壓及直流電流回應於控制量而連續地變化。另外，還可防止在例如PWM控制中之重複的ON及OFF操作所造成之尖峰電流(peak current)之產生。
本發明之溫度調整裝置還包含有：用來設定與該帕耳帖元件之操作有關的參數之參數設定單元。在此情況，該控制電路係根據該參數、該電壓檢測電路所檢測出的DC電壓、該電流檢測電路所檢測出的直流電流、及該電動勢檢測電路所檢測出的電動勢而控制該驅動電路。因此，可最佳化地進行該帕耳帖元件之驅動。
其中，該參數包含：可施加至該帕耳帖元件之DC電壓的最大值，亦即最大電壓值；流至該帕耳帖元件之直流電流的最大值，亦即電流極限值(current limit value)；以及對應於電動勢之該帕耳帖元件的吸熱側與散熱側間的溫度差的容許值，亦即溫度差極限值(temperature difference limit value)。
該控制電路係包括：將該電動勢檢測電路所檢測出的電動勢轉換為溫度差之溫度差轉換單元。在此情況，係根據最大電壓值與該電壓檢測電路所檢測出的DC電壓之比較、電流極限值與該電流檢測電路所檢測出的直 流電流之比較、溫度差極限值與該溫度差轉換單元所轉換出的溫度差之比較而受控制該驅動電路。
若DC電壓超過最大電壓值、直流電流超過電流極限值、或溫度差超過溫度差極限值，就有帕耳帖元件的性能可能會惡化、或帕耳帖元件可能會故障之虞。因此，根據與最大電壓值、電流極限值、及溫度差極限值之比較，而在不造成帕耳帖元件之惡化或故障的情況下控制該驅動電路，就可將帕耳帖元件使用到它的最大標準值(最大電壓值、電流極限值、溫度差極限值)。因而，可使溫度調整裝置的加熱能力及冷卻能力發揮到其最大的程度，以及可最佳化地進行控制對象之溫度管理(監控)。
詳言之，在DC電壓從該DC電源供給至該帕耳帖元件之情況，當該電流檢測電路所檢測出的直流電流超過電流極限值，就將對於該DC電源之控制，從可使DC電壓的值變化之可變電壓控制切換至定電流操作(constant current operation)，以一邊將直流電流維持在電流極限值一邊將DC電壓的值保持在一個預定值。另一方面，若該電流檢測電路所檢測出的直流電流變為小於或等於電流極限值，就使對於該DC電源之控制從定電流操作回復到可變電壓控制。
帕耳帖元件具有的特性為：帕耳帖元件的電阻值及吸熱量(電動勢)會隨著帕耳帖元件的吸熱側及散熱側間的溫度差而變化。因此，就算是施加相同的電壓至帕耳帖元件，也可能會因為帕耳帖元件的溫度狀態而發生 直流電流超過最大標準值(電流極限值)之情況。因而，如上所述，在有超過電流極限值之直流電流流通之情況，切換至定電流操作就可有效地避免帕耳帖元件之性能惡化或故障。而且，一旦直流電流減小到小於或等於電流極限值，就從定電流操作回到可變電壓控制，所以可快速地回復原來的控制。
另外，在該溫度差轉換單元所轉換出的溫度差超過溫度差極限值之情況，該控制電路控制該DC電源以使溫度差變為小於或等於溫度差極限值，以及使DC電壓之值降低。因此，可有效地避免由於超過溫度差極限值之溫度上升所造成之帕耳帖元件之性能惡化或故障。
然而，當控制該DC電源來使溫度差變為小於或等於溫度差極限值時，溫度差卻仍繼續上升，該控制電路就使從該DC電源到該帕耳帖元件之DC電壓的施加暫停。傳統上，在帕耳帖元件處於高溫狀態中之情況，係使用恆溫器(thermostat)等檢測出如此的高溫狀態然後使DC電壓之施加暫停。然而，本發明由於對於溫度差進行監控，所以可在帕耳帖元件發生錯誤狀態之前就使DC電壓之施加暫停。
又，驅動電路可包括：切換從DC電源輸出之DC電壓的極性且將切換過極性之DC電壓施加至該帕耳帖元件之極性反轉電路。在此情況，當該極性反轉電路切換了施加至帕耳帖元件之DC電壓的極性，該控制電路就執行使直流電流維持在固定值之定電流控制，且控制該DC電源來使直流電流的時間常數變長。因此，可抑制每次切 換極性時由於過電流(over-current)之發生所造成之帕耳帖元件之故障或性能惡化。
又，本發明之溫度調整裝置可再包括：檢測控制對象的溫度之溫度感測器、以及輸出一個操作量至該控制電路以將控制對象的溫度調整至希望的溫度之溫度調節器。在此情況，該參數設定單元係設定用來限制該帕耳帖元件對於控制對象的溫度調整能力之溫度調整能力限制值。該控制電路係根據該操作量、該參數、DC電壓、直流電流、及電動勢而驅動該驅動電路，以及根據該溫度調整能力限制值而控制該DC電源，藉此限制DC電壓及直流電流。
如上所述，該DC電源係可任意設定施加至該帕耳帖元件之DC電壓的大小，且可改變流至該帕耳帖元件之電流之可變電源。因此，藉由調整DC電壓及直流電流，就可自由地改變該帕耳帖元件的加熱能力及冷卻能力。
因此，如上所述，設定該溫度調整能力限制值且執行根據該溫度調整能力限制值而限制DC電壓及直流電流之省電操作(power saving operation)，就可實現溫度調整裝置的電力消耗之減低(節能)。
在此情況，若該控制電路根據該溫度調整能力限制值而限制相對於該操作量之DC電壓的輸出範圍，就可減低溫度調整裝置的最大電力消耗。
又，該控制電路可限制DC電壓及直流電流直到控制對象的溫度到達與該溫度調整能力限制值對應之 預定溫度，但可在控制對象的溫度到達該預定溫度時解除該DC電壓及直流電流之限制。
因此，在該帕耳帖元件的目前溫度偏離設定溫度之情況，例如在溫度調整裝置的起始操作(initial operation)時、或該參數設定單元修改了設定溫度時…等時候，限制溫度調整能力使該帕耳帖元件的溫度改變一段時間直到到達設定溫度，且一旦該帕耳帖元件的溫度到達設定溫度且穩定化就解除該溫度調整能力之限制。如此，就可實現在使該帕耳帖元件的溫度上升或下降時之電力節省。
又，該控制電路可再包括：在該電流檢測電路所檢測出的直流電流值偏離依對應於電動勢之該帕耳帖元件的吸熱側及散熱側間的溫度差而定之DC電壓與直流電流的特性之情況，判斷該帕耳帖元件故障了之故障檢測單元。因此，可快速且可靠地檢測出該帕耳帖元件之故障。以此方式，在該控制電路中設置該故障檢測單元，該故障檢測單元就可從該電壓檢測電路所檢測出的DC電壓來判斷是否發生了該DC電源之輸出(DC電壓)的錯誤(亦即判斷該DC電源是否故障了)。而且，該故障檢測單元可進行該電壓檢測電路所檢測出的DC電壓與該電動勢檢測電路所檢測出的電動勢之比較，而判斷該極性反轉單元中是否發生了故障。
另外，該電動勢可用以下的方式來加以檢測出。詳言之，該控制電路係在使從該DC電源到該帕耳帖元件之DC電壓的施加暫停之時間帶中執行利用該電動 勢檢測電路所為之電動勢之檢測，且一旦該電動勢之檢測完成，就再從該DC電源施加DC電壓至該帕耳帖元件。此外，在交互地進行DC電壓之施加及電動勢之檢測之情況，電動勢之檢測時間係比施加DC電壓之時間短。
因此，可抑制該帕耳帖元件之吸熱側及散熱側之熱的影響、及控制對象之溫度改變之影響，而可正確地量測出電動勢。
又，若該電動勢檢測電路為二極體橋式電路(diode bridge circuit)，則在該帕耳帖元件的電動勢的方向(極性)遭受改變之情況，可量測任一極性之電動勢。
本發明之以上及其他的目的、特點及優點經過以下參照以圖例方式顯示本發明的較佳實施例之圖式所做的說明將變得更加清楚。
10‧‧‧溫度調整裝置
12‧‧‧帕耳帖元件
14a、14b‧‧‧熱交換單元
16‧‧‧溫度調整單元
18‧‧‧循環液體
20‧‧‧負載
22‧‧‧輸入路徑
24‧‧‧輸出路徑
26、32、36‧‧‧溫度感測器
30‧‧‧幫浦
34‧‧‧散熱機構
40‧‧‧AC電源
42‧‧‧截止電路
44‧‧‧AC-DC電源(轉換器)
46‧‧‧施加電流檢測電路
48‧‧‧施加電壓檢測電路
50‧‧‧極性反轉電路
50a至50d‧‧‧開關
52‧‧‧電動勢檢測電路
52a至52d‧‧‧二極體
54‧‧‧溫度調節器
56‧‧‧參數設定單元
58‧‧‧控制電路
60‧‧‧恆溫器
62‧‧‧可變電源
64‧‧‧可變電壓電路
66‧‧‧驅動電路
70‧‧‧狀態檢測器
78‧‧‧記憶體
80‧‧‧溫度差轉換單元
82‧‧‧故障判斷單元
第1圖係根據本發明的一個實施例之溫度調整裝置的方塊圖。
第2圖係顯示利用第1圖中的溫度調整裝置進行之循環液體的加熱及冷卻之結構方塊圖。
第3圖係顯示利用第1圖中的電動勢檢測電路進行之電動勢的量測之電路圖。
第4圖係顯示施加電壓的施加時間與電動勢的量測時間之間的關係之時間圖。
第5圖係顯示第1圖中的帕耳帖元件所進行的散熱及 吸熱的原理之電路圖。
第6圖係顯示複數個帕耳帖元件的連接狀態之電路圖。
第7圖係顯示習知技術對於帕耳帖元件進行的控制之方塊圖。
第8圖係顯示第1圖之溫度調整裝置對於帕耳帖元件進行的控制之方塊圖。
第9圖係顯示操作量與輸出量之間的關係之圖。
第10圖係顯示根據PWM控制而產生之施加電壓之時間圖。
第11圖係顯示加諸於施加電壓的限制之圖。
第12圖係顯示加諸於施加電壓的限制之時間圖。
第13圖係顯示根據習知技術之當操作量、施加電壓及施加電流的極性被切換時之三者的時間變化之時間圖。
第14圖係顯示根據電流控制方法之當操作量、施加電壓及施加電流的極性被切換時之三者的時間變化之時間圖。
第15圖係顯示根據本實施例之當操作量、施加電壓及施加電流的極性被切換時之三者的時間變化之時間圖。
第16圖係顯示第1圖之溫度調整裝置的加熱能力及冷卻能力、以及電力消耗之間的關係之圖。
第17圖係顯示PWM控制方法與本實施例之間的差異之時間圖。
第18圖係顯示省電的一個例子之圖。
第19圖係顯示省電的另一個例子之時間圖。
以下，參照隨附的圖式來說明根據本發明之溫度調整裝置的較佳實施例。
[本實施例之構成]
根據本實施例之溫度調整裝置10係如第1及2圖所示，包括：以包含有帕耳帖元件12及熱交換單元14a,14b之溫度調整單元16加熱或冷卻作為控制對象之循環液體18來將循環液體18的溫度調整至希望的溫度之裝置。
作為一個實例，第2圖中顯示一個利用循環液體18來進行對於負載20所產生的熱之冷卻之例，其中該負載20係為例如用來對半導體晶圓進行預定的處理之半導體製造裝置等。詳言之，溫度調整裝置10與負載20之間連接有一個輸入路徑22以及一個輸出路徑24，利用該輸入路徑22將已吸收了來自負載20的熱之循環液體18輸入至溫度調整裝置10，利用該輸出路徑24將已在溫度調整裝置10中冷卻後的循環液體18再供給至負載20。負載20內部的溫度係利用溫度感測器26來加以檢測出。
溫度調整裝置10內配置有液槽28及幫浦30。液槽28暫時儲存循環液體18，該循環液體18係從負載20經由輸入路徑22而供給至溫度調整裝置10。幫浦30將儲存於液槽28之循環液體18泵出到溫度調整單元16。溫度調整單元16係由設於兩個板狀的熱交換單元14a,14b之間的帕耳 帖元件12所構成，且循環液體18係供給至其中一個熱交換單元14a。從液槽28經由幫浦30而供給至熱交換單元14a之循環液體18的溫度，係由溫度感測器32加以檢測出。
在溫度調整單元16中，帕耳帖元件12受到驅動，一個熱交換單元14a就用作為吸熱側(或加熱側)，另一個熱交換單元14b則用作為散熱側(或冷卻側)。循環液體18之從熱交換單元14a供給來的熱，係透過帕耳帖元件12而從一個熱交換單元14a傳輸到另一個熱交換單元14b。熱交換單元14b係與一個氣冷式的或水冷式的散熱機構34連接。傳輸到另一個熱交換單元14b之熱由散熱機構34加以發散掉。
以此方式，將已由熱交換單元14a加以冷卻後的循環液體18，經由輸出路徑24而予以輸出至負載20，再將之用來冷卻負載20內部。冷卻後的循環液體18的溫度係由配置在輸出路徑24中的溫度感測器36加以檢測出。
因此，就第1及2圖之構成而言，循環液體18係在溫度調整裝置10與負載20之間循環，已吸收了負載20中產生的熱之循環液體18由溫度調整裝置10使之冷卻，然後再將冷卻了的循環液體供給至負載20，使負載20的內部維持在預定的溫度(亦即保持在定溫狀態)。
接著，針對用來控制帕耳帖元件12之溫度調整裝置10的內部構造進行說明。
除了上述的構成元件，溫度調整裝置10還 包含有AC電源40、截止電路(cutoff circuit)42、AC-DC電源44(以下將之稱為“轉換器44”)、施加電流檢測電路46、施加電壓檢測電路48、極性反轉電路50、電動勢檢測電路52、溫度調節器54、參數設定單元56、控制電路58、以及恆溫器(thermostat)60。
AC電源40將具有預定的振幅之AC電壓經由截止電路42而供給至轉換器44。截止電路42係用來在溫度調整裝置10中發生異常時切斷AC電源40與轉換器44之間的連接。轉換器44根據來自控制電路58之控制訊號而將從AC電源40供給來的AC電壓轉換為DC電壓V(以下將之稱為“施加電壓V”)並予以輸出，該轉換係在溫度調整裝置10的CPU中執行。
在此情況，假設轉換器44係可根據控制訊號而改變施加電壓V的值之可變電源62，則從轉換器44輸出的就是具有回應於控制訊號的電壓值之施加電壓V。
另一方面，若轉換器44係輸出具有預定的電壓值之DC電壓之固定電源(fixed power source)，則溫度調整裝置10可再包含連接至轉換器44的輸出側之可變電壓電路64。在此情況，如第1圖中的虛線所示，可變電壓電路64將轉換器44輸出的DC電壓轉換成具有回應於來自控制電路58之控制訊號的電壓值之DC電壓，並將轉換出的DC電壓當作是施加電壓V而予以輸出。因此，在轉換器44為一個固定電源之情況，可變電源62係由轉換器44及可變電壓電路64所構成。
第1圖中，係將轉換器44及可變電壓電路64顯示在可變電源62中。但是，如上所述，若轉換器44為可變電源62的話當然就不需要可變電壓電路64。
施加電流檢測電路46係檢測出當可變電源62輸出的施加電壓V經由施加電壓檢測電路48及極性反轉電路50而施加至帕耳帖元件12時在帕耳帖元件12中流通的直流電流I(以下將之稱為“施加電流I”)，並將檢測結果輸出至控制電路58。施加電壓檢測電路48係檢測出從可變電源62經由極性反轉電路50而施加至帕耳帖元件12之施加電壓V，並將檢測結果輸出至控制電路58。
如第3圖所示，極性反轉電路50係為一個橋式電路(bridge circuit)，其中將兩個串聯連接之開關50a,50b及兩個串聯連接之開關50c,50d予以並聯連接，且帕耳帖元件12係透過配線而連接至兩個開關50a,50b之間以及透過配線而連接至兩個開關50c,50d之間。在此情況，係根據來自控制電路58之控制訊號而使極性反轉電路50的開關50a至50d為ON及OFF，來切換從可變電源62供給來的施加電壓V的極性然後將之輸出至帕耳帖元件12。
因此，根據供給至帕耳帖元件12之施加電壓V而使施加電流I流動之驅動電路66，係由AC電源40、截止電路42、可變電源62(轉換器44、或轉換器44及可變電壓電路64)、以及極性反轉電路50所構成。
另外，根據來自控制電路58之控制訊號而使所有的開關50a至50d都為OFF，極性反轉電路50就可 使從可變電源62到帕耳帖元件12之施加電壓V的供給暫停。再者，根據來自控制電路58之控制訊號而重複使兩個開關50a,50d或兩個開關50b,50c為ON及OFF，極性反轉電路50就能夠對於從可變電源62一直連續供給來的DC電壓進行PWM控制。在此情況，極性反轉電路50係以根據PWM控制而產生之脈衝電壓作為施加電壓V而將之施加至帕耳帖元件12。
如第3圖所示，使兩個開關50a,50d為ON，使兩個開關50b,50c為OFF，會使帕耳帖元件12的一個端子12a連接至可變電源62的正端，使帕耳帖元件12的另一個端子12b連接至可變電源62的負端。另外，第3圖中，連接在可變電源62的正端與極性反轉電路50之間之電阻68，係代表施加電流檢測電路46及施加電壓檢測電路48的電阻。
電動勢檢測電路52係由四個二極體52a至52d所構成之二極體橋式電路，此二極體橋式電路係連接至連接於極性反轉電路50與帕耳帖元件12的兩個端子12a,12b之間之兩條配線。在此情況，係相對於連接於極性反轉電路50與帕耳帖元件12的兩個端子12a,12b之間之兩條配線而將兩個串聯連接之二極體52a,52b與兩個串聯連接之二極體52c,52d予以並聯連接。另外，控制電路58係連接至一條連接於兩個二極體52a,52b之間之配線，以及連接至另一條連接於兩個二極體52c,52d之間之配線。
此外，在電動勢檢測電路52中，在構成極性反轉電路 50之所有的開關50a至50d都被切到OFF位置而切斷可變電源62與帕耳帖元件12之間的連接時，會檢測出產生於帕耳帖元件12的兩個端子12a,12b之間的電壓，亦即帕耳帖元件12的電動勢Ve(熱電勢(thermoelectric force))，並將檢測結果輸出至控制電路58。
詳言之，係如第4圖所示，在週期T1之中設有一個使所有的開關50a至50d都為OFF之時段t1(一個使對於帕耳帖元件12之施加電壓V之供給暫停之時間帶)之情況，從控制電路58供給控制訊號至極性反轉電路50，電動勢檢測電路52係在該時段t1中檢測出電動勢Ve。此情況，在週期T1中，最好使(T1-t1)>>t1之關係成立，其中時段(T1-t1)係將施加電壓V施加至帕耳帖元件12之時段，時段t1係檢測出電動勢Ve之時段。因此，可在使所有的開關50a至50d都為OFF而暫時停止對於帕耳帖元件12之驅動，然後在電動勢檢測電路52之對於電動勢Ve的檢測完成後，立即回復對於帕耳帖元件12之驅動。
此外，施加電流檢測電路46、施加電壓檢測電路48、及電動勢檢測電路52三者構成狀態檢測器70，此狀態檢測器70係檢測出用來定義帕耳帖元件12的電氣狀態之施加電流I、施加電壓V、以及電動勢Ve。
如第5圖所示，帕耳帖元件12包含有相交錯且相串聯連接之P型半導體72及N型半導體74。在此情況，舉例來說，將可變電源62的正端連接至N型半導體74，將可變電源62的負端連接至P型半導體72，帕耳 帖元件12的熱交換單元14a側就成為將熱從循環液體18吸過來之吸熱側，帕耳帖元件12的熱交換單元14b側則成為可將吸收的熱發散給熱交換單元14b之散熱側。帕耳帖元件12的構成及操作為習知的，因此將其詳細的說明予以省略。
在實際的溫度調整單元16中，係使用複數個互連的帕耳帖元件12。例如，可使用如第6圖所示之構成，亦即將四個帕耳帖元件12串聯連接而形成A列，將四個帕耳帖元件12串聯連接而形成B列，然後將A列之帕耳帖元件12與B列之帕耳帖元件12予以並聯而成之構成。
溫度調節器54係根據溫度感測器36所檢測出的(冷卻後的)循環液體18的溫度而產生用來控制作為控制對象之循環液體18的溫度而至希望的溫度之操作量，並將產生的操作量輸出至控制電路58。
參數設定電路56係用作為輸入手段，係為例如配置在溫度調整裝置10的表面之操作按鈕等。透過使用者之操作，可輸入各種資訊(參數)且將之儲存於控制電路58的記憶體78。
在此情況，利用參數設定電路56而設定之參數係與帕耳帖元件12之操作有關之參數，係以下述之方式加以定義，例如：
(1)可施加至帕耳帖元件12之施加電壓V的最大值，亦即最大電壓值Vtmax,Vcmax。Vtmax係在帕耳帖元件12 的熱交換單元14a側用作為加熱側或吸熱側時之最大電壓值，Vcmax係在帕耳帖元件12的熱交換單元14a側用作為冷卻側或散熱側時之最大電壓值。
(2)可流至帕耳帖元件12之施加電流I的最大值，亦即電流極限值Itlim,Iclim。Itlim係在帕耳帖元件12的熱交換單元14a側用作為加熱側或吸熱側時之電流極限值，Iclim係在帕耳帖元件12的熱交換單元14a側用作為冷卻側或散熱側時之電流極限值。
(3)對應於電動勢Ve之帕耳帖元件12的吸熱側的溫度(吸熱側溫度Th)與帕耳帖元件12的散熱側的溫度(散熱側溫度Tc)間的溫度差△T(△T=Th-Tc)的容許值，亦即溫度差極限值△Tlim。
(4)用來限制帕耳帖元件12對於循環液體18的溫度調整能力(加熱能力、冷卻能力)之省電值(溫度調整能力極限值)。
上述的參數只是舉例。毋庸說，使用者可藉由操作參數設定單元56而進行上述參數以外的其他參數之適當的設定。
除了記憶體78之外，控制電路58還包括：溫度差轉換單元80及故障判斷單元(故障檢測單元)82。而且，控制電路58根據從溫度調節器54輸進來之操作量、儲存在記憶體78中之各種參數、施加電流檢測電路46所檢測出之施加電流I、施加電壓檢測電路48所檢測出之施加電壓V、及電動勢檢測電路52所檢測出之電動勢Ve， 而控制截止電路42、可變電源62、及極性反轉電路50。
詳言之，溫度差轉換單元80係將電動勢檢測電路52所檢測出之電動勢Ve轉換為溫度差△T。在施加電壓V係從可變電源62施加至帕耳帖元件12之情況，若電流檢測電路46所檢測出之施加電流I的絕對值超過電流極限值Itlim,Iclim的絕對值(｜I｜>｜Itlim｜或｜I｜>｜Iclim｜)，控制電路58就切換供給至可變電源62之控制訊號。詳言之，控制電路58係將可變電壓控制訊號(使施加電壓V的值可變之訊號)切換至定電流操作，以藉此一邊將施加電流I維持在電流極限值Itlim或Iclim一邊將施加電壓V保持在一個預定的電壓值(電壓極限值Vtlim,Vclim)。然後，當施加電流I的絕對值變為小於或等於電流極限值Itlim,Iclim的絕對值(｜I｜≦｜Itlim｜或｜I｜≦｜Iclim｜)，控制電路58才從定電流操作回到可變電壓控制，且將原來的可變電壓控制訊號供給至可變電源62。
另外，在溫度差△T超過溫度差極限值△Tlim(△T>△Tlim)之情況，控制電路58控制可變電源62使施加電壓降低以使得溫度差△T變為小於或等於溫度差極限值△Tlim。
再來，不管是否有控制可變電源62來使得溫度差△T變為小於或等於溫度差極限值△Tlim，若溫度差△T仍繼續升高，則控制裝置58使從可變電源62到帕耳帖元件12之施加電壓V的施加暫停。在此情況，控制裝置58可控制截止電路42將AC電源40與轉換器44間 的連接予以切斷，亦可使極性反轉電路50的所有的開關50a至50d都OFF。
此外，在控制該極性反轉電路50來切換施加至帕耳帖元件12之施加電壓V的極性之情況，控制電路58執行將施加電流I維持在一個固定值之定電流控制，且控制該可變電源62以使施加電流I的時間常數變長。
另外，在電力消耗由於溫度調整裝置10執行省電操作而降低之情況，控制電路58可根據儲存在記憶體78中的省電值而控制可變電源62，來使得從可變電源62輸出之施加電壓V的值以及流至帕耳帖元件12之施加電流I的值受到限制。
在此情況，經由控制電路58根據省電值而限制相對於操作量之施加電壓V的輸出範圍，可減低溫度調整裝置10的電力消耗。
而且，控制電路58限制施加電壓V及施加電流I直到循環液體18的溫度到達對應於省電值之預定的溫度。循環液體18的溫度隨著時間經過而朝向該預定的溫度變化，然後當循環液體18的溫度到達該預定的溫度，就解除施加電壓V及施加電流I之限制。
再者，施加電壓V及施加電流I的特性會對應於溫度差△T而變化。因此，若預先利用參數設定單元56將對應於各個溫度差△T之施加電壓V及施加電流I的特性儲存在記憶體78中，則在施加電流檢測電路46所檢測出的施加電流I明顯偏離上述的特性之情況，故障判斷單元82就 可判定帕耳帖元件12故障了。
在溫度調整裝置10中，在帕耳帖元件12的熱交換單元14b側(放熱側)的溫度處在高於或等於預定的溫度之高溫狀態之情況，恆溫器60檢測出帕耳帖元件12之如此的過熱狀態，且根據恆溫器60的檢測結果，控制電路50可操作截止電路42來切斷AC電源40與轉換器44間的連接。
[本實施例之操作及優點]
根據本實施例之溫度調整裝置10基本上如上述構成。接著，將參照第7至19圖來說明溫度調整裝置10之操作及優點。在以下的說明中，若有需要也可參照第1至6圖而進行說明。
[本實施例與習知技術間之差異]
第7圖係顯示習知技術對於帕耳帖元件12進行的控制之方塊圖。第8圖係顯示本實施例對於帕耳帖元件12進行的控制之方塊圖。第7圖中，與本實施例的元件相同的元件都標以相同的元件符號。
根據習知技術，驅動電路66以一個與溫度調節器54的操作量成比例(亦即與該操作量相依)之輸出量(亦即根據PWM控制之施加電壓(脈衝電壓)、連續施加的電壓或施加電流)來驅動帕耳帖元件12。詳言之，在習知技術中，輸出量係根據溫度感測器36所檢測出之循環液體18的溫度，且輸出量中並未反映出帕耳帖元件12的電氣狀態(施加電壓V、施加電流I、電動勢Ve)。因此，就習 知技術而言，對於帕耳帖元件12之控制並未考慮到帕耳帖元件12的電氣狀態，此意謂採用的是並未在帕耳帖元件12反映出電氣狀態之控制(開迴路控制)。
相對的，本實施例係取得溫度調節器54的操作量、利用參數設定單元56而設定的參數、以及狀態感測器70所檢測出的帕耳帖元件12的電氣狀態並將之提供給控制電路58。控制電路58使用取得的操作量、參數、及帕耳帖元件12的電氣狀態而算出一個希望的輸出量、決定出與算出的輸出量對應之控制量、以及根據決定出的控制量來控制驅動電路66。換言之，本實施例有考慮到帕耳帖元件12的電氣狀態，且採用使電氣狀態反映在帕耳帖元件12上之控制(回授控制)。
[本實施例中之控制帕耳帖元件12的基本的控制方法]
在根據本實施例之溫度調整裝置10中，溫度調節器54根據溫度感測器36所檢測出的循環液體18的溫度而決定出一個使循環液體18的溫度維持定值之操作量，並將決定出的操作量輸出至控制電路58。控制電路58然後根據來自溫度調節器54之操作量等來決定出一個控制量。根據來自控制電路58之控制訊號，驅動電路66產生出與該操作量對應之用來驅動帕耳帖元件12之輸出量(施加電壓V、施加電流I)。
驅動電路66所使用之驅動帕耳帖元件12的控制方法可粗略區分為以下三個控制方法：(1)可使隨時間連續變化 之DC電壓變化之電壓控制方法、(2)可使隨時間連續變化之直流電流變化之電流控制方法、(3)針對一個隨著時間經過都保持定值之固定電壓而進行之PWM控制方法。不過，若就成本及電路大小來做比較，則成本及需要的電路大小之由大而小的排序如下：電流控制方法>電壓控制方法>PWM控制方法。
第9圖係顯示操作量與輸出量之間的示例之關係之圖。圖中，輸出量與操作量成比例(與操作量相依)。而且，操作量的變化範圍係定義為從-100%到+100%，以對應於帕耳帖元件12所做之加熱操作(0%到+100%)或冷卻操作(-100%到0%)。另一方面，根據所採用之對於帕耳帖元件12的控制方法，將輸出量表示成施加電壓V或施加電流I的大小。在此情況，與輸出量有關之“+”號及“-”號代表施加至帕耳帖元件12之施加電壓V或施加電流I的極性的方向。在上述之方式中，為了使輸出量相對於操作量而連續地變化，而採用前述之電壓控制方法或電流控制方法，且需要能讓施加電壓V及施加電流I連續地變化之電路。
相對於此，PWM控制方法係對於一個固定電壓實施PWM控制而輸出脈衝電壓(施加電壓V)，且平均電壓係從該固定電壓的ON時序及OFF時序來決定之控制方法。在此情況，係採用簡單的電路構成來實施PWM控制方法。例如，如第10圖所示，以50%之負載比(duty ratio)來使具有10V的大小之電壓ON及OFF，則有效的平均電壓為5V。
[本實施例的第一個優點之說明]
本實施例的第一個優點將參照第11至15圖而說明如下。
第一個優點係：藉由實施不會發生帕耳帖元件12之故障或性能惡化之控制，更詳言之係藉由進行考慮到帕耳帖元件12的電氣狀態而使電氣狀態反映在帕耳帖元件12上之回授控制，而可改善溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力之效果。
帕耳帖元件12的驅動電壓(施加電壓V)或驅動電流(施加電流I)的建議的標準值通常係在最大標準值的60%至70%之程度。在此情況，帕耳帖元件12的製造商發出的注意事項會提醒應使用最大標準值的60%至70%之值來作為帕耳帖元件12的驅動電壓或驅動電流。
此係因為若帕耳帖元件12在最大標準值下使用，則雖然還要視帕耳帖元件12在什麼情況下使用而定，但多半會發生實際上卻超過最大標準值之情況。例如，若使用的是最大標準值之驅動電壓，則依帕耳帖元件12的吸熱側與散熱側之間發生的溫度差△T而定，會發生驅動電流超過最大標準值之情況。超過最大標準值，就容易發生帕耳帖元件12之故障或性能惡化。
因此，在使用帕耳帖元件12之傳統的溫度調整裝置中，包含帕耳帖元件12及熱交換單元14a,14b之溫度調整單元16的加熱能力及冷卻能力係根據製造商所建議的標準值而設計的，且根據此標準值所能得到的能 力決定溫度調整裝置的產品性能(product performance)。
然而，實際上，視帕耳帖元件12的使用條件(帕耳帖元件12的吸熱側與散熱側間的溫度差△T、對於帕耳帖元件12所採用的控制方法等)而定，會有距離帕耳帖元件12的最大標準值還有一段可加以利用的距離之情形。因此，若有可能將帕耳帖元件12的能力發揮到最大極限，就可改善溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力，就可實現產品性能之改善，而可減少帕耳帖元件12的數目(第6圖中顯示的帕耳帖元件12的數目)。
因此，根據本實施例，進行檢測出施加電壓V、施加電流I、及對應於溫度差△T之電動勢Ve，並監測及管理三者之值以使得帕耳帖元件12的性能惡化不會發生之控制(反映出帕耳帖元件12的電氣狀態之回授控制)。以及，將帕耳帖元件12利用到其最大標準值(施加電壓V、施加電流I、及溫度差△T之容許值)之極限，而使溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力發揮到最大的極限。
以下，討論造成帕耳帖元件12的性能惡化之原因。
雖然帕耳帖元件12係用來引出吸熱側與散熱側間的溫度差△T之元件，但另一方面，溫度差△T也是在帕耳帖元件12造成熱應力之原因。在此情況，若在散熱側產生的熱的量(熱的量=(在吸熱側吸收的熱的量)+(帕耳帖元件12的電力消耗))並未充分地發散掉，熱應力就會增加，而在元件結構中產生裂縫，造成帕耳帖元件12之破壞。此 外，若施加電壓V或施加電流I超過其最大標準值，同樣的，帕耳帖元件12的元件結構也可能毀壞。
換言之，若在帕耳帖元件12的使用上小心注意到以下(1)、(2)兩個事項，來避免超過最大標準值(經驗証作為最大標準值之試驗資料)，就可使帕耳帖元件12的加熱能力及冷卻能力發揮到其最大極限。
(1)使用帕耳帖元件12時在散熱側充分地進行熱之發散，且將吸熱側與散熱側間之溫度差保持在低於或等於最大值(最大溫度差極限值△tmax)。
(2)不使帕耳帖元件12發生由於快速極性反轉等所造成之熱循環疲勞(thermal cycle fatique)。
如此，保持對於上述(1)、(2)兩點之注意，而在溫度調整裝置10中進行目的在於管理及監測以下(A)至(D)四項之控制：
(A)溫度差△T之管理(在等於或小於作為設定值之最大溫度差△tmax下操作帕耳帖元件12)。
(B)在極性切換時之控制(抑制施加電壓V及施加電流I)。
(C)在最大標準值上之限制(抑制施加電壓V及施加電流I)。
(D)在帕耳帖元件12的散熱側異常時施加之限制。
接著，參考以下之(i)至(vi)六點來說明關於實現上述各點之詳細的控制方法。
(i)作為起始操作(initial operation)，利用參 數設定單元56而在控制電路58中設定各種參數。在本例中係使用以下的(a)至(c)三項來作為設定參數。
(a)在帕耳帖元件12的加熱側之最大施加電壓Vtmax(加熱循環液體18時之施加至帕耳帖元件12之施加電壓V的最大值)以及在帕耳帖元件12的冷卻側之最大施加電壓Vcmax(冷卻循環液體18時之施加至帕耳帖元件12之施加電壓V的最大值)。
(b)在帕耳帖元件12的加熱側之最大電流極限值Itlim(加熱循環液體18時之流至帕耳帖元件12之施加電流I的最大值)以及在帕耳帖元件12的冷卻側之最大電流極限值Iclim(冷卻循環液體18時之流至帕耳帖元件12之施加電流I的最大值)。
(c)溫度差△T的溫度差極限值△Tlim(帕耳帖元件12的溫度差△T的容許值、對應於此容許值之電動勢Ve的值)(或對應於溫度差極限值△tlim之電動勢極限值Velim)。
此等參數係根據使用有帕耳帖元件12之溫度調整裝置10的設計值及實際量測資料而決定，且根據本實施例，係根據此等參數而進行控制。
此外，就本實施例而言，感興趣的有兩個主要的情況，亦即，供給施加電壓V及施加電流I至帕耳帖元件12來加熱循環液體18之情況、以及供給施加電壓V及施加電流I至帕耳帖元件12來冷卻循環液體18之情況。因此，從加熱之情況(第11圖中顯示之“+”側)與冷卻之情況(第11圖中顯示之“-”側)中的一者切換到另一者時係使施加電 壓V及施加電流I的極性反轉。
(ii)從極性反轉電路50將與來自溫度調節器54之操作量成比例之施加電壓V(隨時間連續施加之施加電壓V)施加至帕耳帖元件12。在此情況，係以根據第9圖所示的特性之可變電壓控制來驅動帕耳帖元件12，其中施加至帕耳帖元件12之施加電壓V可高到設定作為參數(設定值)之最大施加電壓+Vtmax,Vcmax。
(iii)監測流至帕耳帖元件12之施加電流I，且若超過作為設定值之電流極限值Itlim,Iclim的絕對值，就如第11圖所示，將控制方法從可變電壓控制切換至定電流操作，其中係將施加電壓V保持在對應於操作量之電壓極限值Vtlim,Vclim，同時將施加電流I維持在電流極限值Itlim,Iclim。另一方面，若施加電流I回到小於或等於電流極限值Itlim,Iclim之值，就回復到可變電壓控制。
第11圖中，顯示施加電流I在加熱側超過電流極限值Itlim，而將控制從可變電壓控制切換到定電流操作，然而在冷卻側，施加電流I卻小於或等於電流極限值Iclim的絕對值而進行可變電壓控制之例。詳言之，第11圖的例子係顯示：由於溫度差△T，即使施加電壓V的絕對值相同，在加熱側及冷卻側流至帕耳帖元件12之施加電流I卻不同之情況。
帕耳帖元件12具有：帕耳帖元件12的電阻值及吸熱量(電動勢Ve)會隨著帕耳帖元件12的吸熱側及散熱側間的溫度差△T而變化之特性。因此，就算是施加相同的施 加電壓V至帕耳帖元件12，依溫度狀態而定，也會有流至帕耳帖元件12之施加電流I超過最大標準值之情況發生。為了防止此情況，本實施例係如上述將溫度調整裝置10構成為：若施加電流I等於或大於電流極限值Itlim,Iclim的絕對值，就將控制切換至定電流操作，來使施加電流I不會等於或大於上述的絕對值。
(iv)檢測帕耳帖元件12的電動勢Ve，且使用控制電路58的溫度差轉換單元80將電動勢檢測電路52所檢測出的電動勢Ve轉換成溫度差△T。此外，如第12圖所示，控制電路58對於施加電壓V進行限制控制(limiting control)來使溫度差△T不會超過溫度差極限值△Tlim。
詳言之，第12圖中，在時間t3，溫度差△T超過溫度差極限值△Tlim，控制電路58控制可變電源62，且實施限制控制來使施加電壓V降低。因此，在時間t4後，溫度差△T減低到小於或等於溫度差極限值△Tlim之值。
電動勢Ve係以第3及4圖所示之檢測方法加以檢測。然後，若溫度差△T減低到小於或等於溫度差極限值△Tlim之值，就解除對於溫度差△T之限制動作(limiting action)。
(v)在時間t5後，雖然已實施了以上之(iv)點中所述之對於溫度差△T的限制動作，但若溫度差△T仍繼續升高，則故障判斷單元82判斷帕耳帖元件12的散熱側或吸熱側發生了錯誤。此外，根據故障判斷單元82 的判斷結果，在時間t6，控制電路58使對於帕耳帖元件12之施加電壓V的供給停止。
傳統上，在散熱側之高溫異常係由恆溫器60加以檢測，且一旦檢測出就使施加電壓V之供給停止。相對於此，本實施例係監測溫度差△T而預先使施加電壓V之供給停止。因此，本實施例可實現與利用恆溫器60之傳統的方法相同的功能。而且，施加電壓V之暫停可藉由使極性反轉電路50的所有的開關50a至50d都為OFF、或利用截止電路42切斷AC電源40與轉換器44間的連接而進行。
(vi)在由於修改了溫度設定而切換加熱操作與冷卻操作之情況，軟性地(緩慢地)進行切換操作以使得不會有過電流(over-current)流至帕耳帖元件12。
詳言之，傳統上，採用使輸出量與操作量成比例(與操作量相依)之控制方法，當切換施加電壓V的極性時，例如在第13圖中的時間t7，將操作量從+100%切換到-100%而將施加電壓V從+Vmax切換到-Vmax之情況，會在負端產生比最大標準值-Iprmax的絕對值大之過電流。當如此之施加電流I的突然變化發生，而產生比最大標準值-Iprmax的絕對值大之施加電流I，就會有不想要的熱應力作用於帕耳帖元件12，而有可能會發生帕耳帖元件12之故障或性能惡化之虞。
因此，如第14圖所示，當在時間t7切換施加電壓V的極性時，可考慮施行定電流方法，來將施加電流I限制成低於最大標準值-Iprmax。
然而，即使採用定電流方法，因為在時間t7後施加電流I驟然流動且突然高到最大標準值-Iprmax，所以與第13圖之情況一樣，有可能會發生帕耳帖元件12之故障或性能惡化之虞。
相對於此，本實施例係如第15圖所示，為了減輕在時間t7後之在帕耳帖元件12中之熱應力之發生或電流之驟然變化，而合併採用定電流方法及增長施加電流I的時間常數之方法。因此，在時間t7切換施加電壓V的極性之後，採用使施加電流I隨時間而慢慢地流至帕耳帖元件12之軟性開關方法(緩慢開關方法)。
詳言之，在只限制施加電流I的時間常數之情況，若設定時間短，則帕耳帖元件12的狀態會使得過電流發生。反之，若時間常數設定為較長之值，則會延遲帕耳帖元件12的溫度變化。因此，根據本實施例，為了補償時間常數法之缺點及定電流法之缺點，而採用合併使用時間常數法及定電流法之軟性切換方法。
如上所述，作為本發明的第一個優點，在使用帕耳帖元件12之溫度調整裝置10中，採用新型的控制方法，而改善帕耳帖元件12的加熱能力及冷卻能力。此新型的控制方法為一種不會發生帕耳帖元件12之故障或性能惡化之方法，且詳言之，其中控制(回授控制)係考慮到與帕耳帖元件12的電氣狀態有關的控制內容而進行，而將電氣狀態反映到帕耳帖元件12上。
[本實施例的第二個優點之說明]
如上所述，本實施例可任意設定施加至帕耳帖元件12之施加電壓V及施加電流I的大小。換言之，可自由改變溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力。因此，根據本實施例，利用此特點之增值的功能，亦即電力節省之功能以節能之形態帶來本實施例的第二個優點。
傳統上，在使用帕耳帖元件12之溫度調整裝置10中，因為沒有調整加熱能力及冷卻能力之功能，所以容易發生以下(1)及(2)兩個問題。
(1)產品(溫度調整裝置)不能用在只配備有低於產品的最大電力消耗(電流需求)的電源設備之地點(工廠)，雖然實際上也有抑制產品的加熱能力及冷卻能力，例如抑制到最大電力消耗的大約50%而可將產品用於該地點之情況。
(2)希望減低產品(溫度調整裝置)在設定溫度變穩定之前的時間當中之電力消耗。
因此，本實施例藉由以下之(A)及(B)兩項來解決前述的問題(1)及(2)。
(A)提供限制作為產品之溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力之節電功能，藉此降低溫度調整裝置10的最大電力消耗(電流)。詳言之，藉由將加熱能力及冷卻能力抑制在預定值，就不需要供應比前述的加熱能力及冷卻能力所需的大之電力。
(B)提供限制加熱能力及冷卻能力直到循環液體18的溫度變穩定(到達預定的溫度)為止之功能。
使用者操作溫度調整裝置10的參數設定單元56而輸入加熱能力及冷卻能力的限制值(省電值等)，來實現上述的功能(A)及(B)。詳言之，作為省電功能，有(i)以均勻的方式限制加熱能力及冷卻能力之模式、以及(ii)在溫度上升及下降當中限制加熱能力及冷卻能力，且直到在調整循環液體18的溫度之後循環液體18的溫度變穩定為止之模式。
詳言之，藉由限制(降低)加熱能力及冷卻能力，使施加至帕耳帖元件12的電壓V降低而使帕耳帖元件12所消耗的電力減低。於是，因為轉換器44的電力消耗減低，所以溫度調整裝置10整體的電力(電流)消耗也可減低。
在諸如溫度調整單元16等之熱交換產品中，在其溫度正經歷變化的期間，例如循環液體18的目前溫度顯著偏離設定溫度之情況、或有很大的熱負載輸入使得溫度調整單元16將以其最大的加熱能力及冷卻能力動作之情況，溫度調整裝置10整體的電力消耗會達到最大值。
相對於此，在循環液體18的溫度已經穩定了的狀態下，就沒有很大的熱負載輸入溫度調整單元16，小量的電力消耗便已足夠。
第16圖係顯示假設加熱能力及冷卻能力已降低，電力消耗也已減低之情況下之溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力、以及電力消耗之間的關係之圖。
以下，將舉用來解決上述問題(1)及(2)之實例(發明例1及發明例2)來進行說明。
[發明例1]
發明例1係用來解決上述問題(1)之實例。
例如，在實驗室等中使用兩個溫度調整裝置10，且實驗室的可提供的最大功率容量(power capacity)為16A(安培)之情況。
參照第16圖，在使用兩個溫度調整裝置10，且假設一個溫度調整裝置10的最大電流消耗為10A之情況，簡單計算便可知此實驗室需要20A之功率容量。然而，若將兩個溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力都設定在70%而使用兩個裝置，則一個裝置的最大電流消耗就變成7.5A而兩個裝置的總電流消耗即為15A。因此，即使為上述條件之功率容量(16A)，也可在不會使斷路器等跳脫的情況下在實驗室中使用兩個溫度調整裝置10。
[發明例2]
在工廠等中使用多個溫度調整裝置10，則當各個裝置都初始化而將使用時，若所有溫度調整裝置10都立即動作，且各個溫度調整裝置10都以最大加熱能力及最大冷卻能力動作直到循環液體18到達目標溫度。如此一來，每個溫度調整裝置10的電力消耗都會在最大值，若使用的裝置的數目很多，則整個工廠的尖峰電力會向上激增。若在溫度上升及下降的期間使用限制加熱能力及冷卻能力之模式，就可抑制尖峰電力，且使循環液體18到達目標溫度。不過，使用如此的模式時，因為裝置並未以其最大加熱能力及冷卻能力動作，到達目標溫度之時間會拉長。
在上述的省電模式中，模式(B)及(ii)係只在循環液體18的溫度正在上升或下降的時候對於加熱能力及冷卻能力進行限制之模式，當溫度穩定了就解除限制。因此，採用模式(B)及(ii)可應付相對於很大的熱負載之溫度的上升及下降。
順便一提，採用上述的省電模式(A)及(B)((i)及(ii))的任一個，因為係根據可變電壓控制(隨時間連續施加施加電壓V之電壓控制方法)而施加施加電壓至帕耳帖元件12，所以如第17圖所示，可完全限制可變電源62側的施加電流I的尖峰(尖峰電流)。
另一方面，在PWM控制之情況，因為每次施加施加電壓V至帕耳帖元件12都會有尖峰電流流至電源側，所以無法完全限制尖峰電流I，即使其平均電流與可變電壓控制方法之情況一樣。
如第17圖所示，在PWM控制方法之情況，從時間t9開始重複施加負載比為50%且週期為T8之脈衝電壓至帕耳帖元件12。另外，採用本實施例之可變電壓控制方法，從時間t9開始以對應於PWM控制的平均電壓之DC電壓作為施加電壓V而將之施加至帕耳帖元件12。
以下，參照第18及19圖來說明採行上述的模式(A)及(B)之控制方法的更詳細內容。
模式(A)係使施加至帕耳帖元件12之施加電壓V的最大值Vmax降低之方法。
詳言之，係如第18圖所示，在相對於在 -100%到+100%之間之操作量之加熱能力或冷卻能力為100%，且施加電壓在從-40V到+40V之範圍內變化之情況。另一方面，在採用模式(A)而相對於在-100%到+100%之間之操作量使加熱能力及冷卻能力降低20%，如第18圖中的一點虛線所示之情況，施加電壓V會在按比例縮小之從-32V到+32V之範圍內做變化。
在此情況，要防止溫度可控制性(temperature controllability)降低，因為若只是簡單地在操作量之從+80%到+100%及從-80%到-100%的區段內限制超過±32V之施加電壓V，就會產生輸出量不會變化之輸出量不變區(dead zone)。
本實施例在採用模式(A)且將操作量的上限及下限值限制為±80%而維持第18圖中的實線所示的特性之情況，可使施加電壓V在從-80%到+80%的區段內接受可變控制。
另一方面，模式(B)係如第19圖所示，在當循環液體18的設定溫度改變、或當溫度調整裝置10剛起動等時候，循環液體18的設定溫度與目前溫度有很顯著的差距之情況，限制溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力。在本例中，係從時間t10開始修改設定溫度，然後在時間t11當目前溫度到達設定溫度(第19圖中為40℃)，就解除對於加熱能力及冷卻能力之限制。為了執行模式(B)，要利用參數設定單元56將設定溫度設定至記憶體78中，且利用溫度感測器36來檢測循環液體18的目前溫度。以及，在控制 電路58中，根據設定溫度與目前溫度間的比較結果來進行限制及解除限制之判斷。
[本實施例的第三個優點之說明]
就其中使用了帕耳帖元件12之溫度調整單元16而言，並不是使用單一個獨自隔離的帕耳帖元件12，而是如第6圖所示，組合使用複數個帕耳帖元件12。
在例如A列中一個帕耳帖元件12故障之情況，施加電流I只能流經B列，包含有溫度調整單元16之溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力就會減少一半。因此，若循環液體18的溫度不能維持在定溫，溫度控制中就會判斷有異常發生，而可處理該異常以免最後發生故障。
然而，若負載20為半導體製造裝置，則因為在製程停止的期間熱負載很小，所以循環液體18的溫度可維持在定溫。但另一方面，當製程開始之後，熱負載變大，循環液體18的溫度就無法保持定溫。因此，會在負載20側發生衍生問題(secondary problem)。
另外，在以電流控制方法簡單地驅動帕耳帖元件12之情況，若施加電流I只流至B列，就有B列之帕耳帖元件12可能發生性能惡化或故障之虞。
因此，若能在帕耳帖元件12發生故障的時點加以檢測出就可解決上述問題。
因而，根據本實施例，從參數設定單元56將針對帕耳帖元件12之錯誤檢測條件設定至記憶體78，且在故障判 斷單元82中從帕耳帖元件12的施加電壓V及施加電流I來判斷帕耳帖元件12是否已發生故障。
詳言之，施加電壓V及施加電流I的特性係由溫度差△T以及帕耳帖元件12的組合方式所決定。因而，若施加電流I相對於施加電壓V之值顯著地偏離該特性，就可輕易地判斷帕耳帖元件12中發生了某種異常。
[本實施例之優點]
如上所述，根據本實施例之溫度調整裝置10，控制電路58藉由取得至少帕耳帖元件12的電氣狀態來算出一個希望的輸出量，且利用以該算出的希望的輸出量為基礎之控制量來控制驅動電路66。亦即，在控制電路58中，係採用回授控制來控制帕耳帖元件12，以使得該電氣狀態反映在帕耳帖元件12上。因此，與採用並未考慮到帕耳帖元件12的電氣狀態之開迴路控制(其中並未反映電氣狀態)之習知技術相比較，根據本實施例可避免帕耳帖元件12之性能惡化或故障之發生。於是，本實施例因為可使溫度調整裝置10在發揮到帕耳帖元件12的最大標準值的情況下動作，所以可增進溫度調整裝置10之溫度調整能力(亦即對於循環液體18之加熱能力及冷卻能力)。
再者，使用檢測出的施加電壓V、施加電流I、及電動勢Ve，控制電路58決定出對於驅動電路66之控制量，且以該控制量控制驅動電路66。因此，可從可變電源62將施加電壓V及施加電流I適當地供給至帕耳帖元 件12。
另外，因為可變電源62進行回應於控制量而使施加電壓V及施加電流I隨時間連續地變化之可變控制，可防止由於在例如PWM控制中之重複的ON及OFF操作所造成之尖峰電流之產生。
又，因為與帕耳帖元件12的操作有關之參數係利用參數設定單元56而設定至控制電路58的記憶體78中，控制電路58根據此參數及根據檢測出的施加電壓V、施加電流I、及電動勢Ve來控制驅動電路66。所以，可最佳化地進行帕耳帖元件12之驅動。
又，若施加電壓V超過最大電壓值Vtmax,Vcmax、施加電流I超過電流極限值Itlim,Iclim、或若溫度差△T超過溫度差極限值△Tlim，就要考慮帕耳帖元件12可能會發生性能之惡化、或帕耳帖元件12可能會故障。因此，在溫度調整裝置10中，利用控制電路58根據與預先定義的參數(亦即最大電壓值Vtmax,Vcmax、電流極限值Itlim,Iclim、及溫度差極限值△Tlim)之比較而以不會造成帕耳帖元件12之惡化或故障的方式來控制驅動電路66，就可將帕耳帖元件12使用到能發揮到其最大標準值(最大電壓值Vtmax,Vcmax、電流極限值Itlim,Iclim、及溫度差極限值△Tlim)。因此，可使溫度調整裝置10的加熱能力及冷卻能力發揮到其最大的程度，而可適當地進行循環液體18之溫度管理(監控)。
詳言之，帕耳帖元件12具有的特性為：帕耳帖元件 12的電阻值及吸熱量(電動勢Ve)會隨著其吸熱側及散熱側間的溫度差△T而變化。因此，就算是施加相同的施加電壓V至帕耳帖元件12，也可能會因為帕耳帖元件12的溫度狀態而發生施加電流I超過最大標準值(電流極限值Itlim,Iclim)之情況。因而，在有超過電流極限值Itlim,Iclim之施加電流I流動之情況，切換至定電流操作就可有效地避免帕耳帖元件12的性能惡化或故障。而且，一旦施加電流I減小至小於或等於電流極限值Itlim,Iclim，就從定電流操作回到可變電壓控制，而可快速地回復原來的控制。
另外，在溫度差轉換單元80所轉換出的溫度差△T超過溫度差極限值△Tlim之情況，控制電路58控制可變電源62來使溫度差△T變為小於或等於溫度差極限值△Tlim，以及使施加電壓V降低。因此，可有效地避免由於超過溫度差極限值△Tlim之溫度上升所造成之帕耳帖元件12之性能惡化或故障。
然而，儘管控制可變電源62來使溫度差△T變為小於或等於溫度差極限值△Tlim，溫度差△tlim卻仍繼續上升的話，控制電路58就需要使從可變電源62到帕耳帖元件12之施加電壓V的施加暫停。傳統上，在帕耳帖元件12處於高溫狀態中之情況，係使用恆溫器60等檢測出如此的高溫狀態然後使施加電壓V之施加暫停。然而，本實施例由於對於溫度差△T進行監控，所以可在帕耳帖元件12發生錯誤狀態之前就使施加電壓V之施加暫停。
又，當極性反轉電路50切換了施加至帕耳 帖元件12之施加電壓V的極性，控制電路58就執行使施加電流I維持在固定值之定電流控制，且控制可變電源62來使施加電流I的時間常數變長。因此，可抑制每次切換極性時由於過電流之發生所造成之帕耳帖元件12之故障或性能惡化。
又，藉由控制電路58控制可變電源62來調整施加電壓V及施加電流I，就可自由地改變帕耳帖元件12的加熱能力及冷卻能力。因此，藉由設定省電值，且根據此設定的省電值而進行限制施加電壓V及施加電流I之省電操作，就可實現溫度調整裝置10的電力消耗之減低(節能)。
在此情況，若控制電路58根據該省電值而限制相對於操作量之施加電壓V的輸出範圍，就可減低溫度調整裝置10的最大電力消耗。
又，直到循環液體18的溫度到達與省電值對應之設定溫度之前，都限制施加電壓V及施加電流I，，而若溫度到達設定溫度，才解除施加電壓V及施加電流I之限制。
因此，在帕耳帖元件12的目前溫度偏離設定溫度之情況，例如在溫度調整裝置10的起始操作時、或參數設定單元56修改了設定溫度時…等時候，限制溫度調整能力使帕耳帖元件12的溫度改變一段時間直到到達設定溫度。一旦帕耳帖元件12的溫度到達設定溫度且穩定地保持在設定溫度就解除該溫度調整能力之限制。如此，就可實現在使帕耳帖元件12的溫度上升或下降時之電力節省。
又，在控制電路58中設置故障判斷單元82，就可快速且可靠地檢測出帕耳帖元件12之故障。以此方式，在控制電路58中設置故障判斷單元82，故障判斷單元82就可從施加電壓檢測電路48所檢測出的施加電壓V來判斷(診斷)是否發生了轉換器44之輸出(施加電壓V)的錯誤(亦即轉換器44是否故障了)。而且，故障判斷單元82可進行施加電壓檢測電路48所檢測出的施加電壓V與電動勢檢測電路52所檢測出的電動勢Ve之比較，而判斷(診斷)極性反轉單元50中是否發生了故障。
另外，在本實施例中，係在使對於帕耳帖元件12之施加電壓V的施加暫時停止之時間帶中檢測電動勢Ve，且一旦電動勢Ve之檢測完成，就再開始施加電壓V之施加。此外，在交互地進行施加電壓V之施加及電動勢Ve之檢測的情況，電動勢Ve之檢測時間係比施加施加電壓V之期間短。因此，可抑制帕耳帖元件12之吸熱側及散熱側之熱的影響、及循環液體18之溫度改變之影響，而可正確地量測出電動勢Ve。
又，若電動勢檢測電路52由二極體橋式電路所構成，則即使在帕耳帖元件12的電動勢的方向(極性)遭受改變之情況，也可量測任一極性之電動勢Ve。在二極體橋式電路之情況，必須使電動勢Ve為大於或等於各二極體52a至52d的順向電壓(forward voltage)VF之電壓值。但是，在本實施例中，因為係檢測相當大的溫度差△T，所以可避免由於電動勢Ve小於順向電壓VF而無法量測出 溫度差△T之問題。
雖然已揭示本發明之較佳實施例如上，但根據本發明之溫度調整裝置並不限於此實施例，亦可在未脫離本發明之如後附的申請專利範圍所載的範圍內做各種變化及修改。

Claims (13)

  1. 一種溫度調整裝置(10)，其係使用帕耳帖元件(12)來調整控制對象(18)的溫度，該溫度調整裝置(10)係包括：驅動電路(66)，用來以一個希望的輸出量驅動該帕耳帖元件(12)；狀態檢測器(70)，用來檢測該帕耳帖元件(12)的電氣狀態；以及控制電路(58)，用來根據至少該帕耳帖元件(12)的該電氣狀態而算出一個希望的輸出量、決定出以該希望的輸出量驅動該帕耳帖元件(12)所需之控制量、以及以該控制量控制該驅動電路(66)；該驅動電路(66)係包括：藉由施加作為該輸出量之DC電壓至該帕耳帖元件(12)而使直流電流流至該帕耳帖元件(12)的DC電源(62)；該帕耳帖元件(12)的電氣狀態係由該帕耳帖元件(12)的該DC電壓、該直流電流、及電動勢加以定義，該狀態檢測器(70)係包含有：用來檢測該DC電壓的電壓檢測電路(48)、用來檢測該直流電流的電流檢測電路(46)、以及用來檢測該電動勢的電動勢檢測電路(52)；該DC電源(62)係可藉由改變該DC電壓的值來改變該直流電流的值之可變電源，該控制電路(58)係藉由控制該DC電源(62)而進行可變控制，藉此使該DC電壓的值及該直流電流的值回 應於該控制量而變為希望的值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之溫度調整裝置(10)，還包含有：設定與該帕耳帖元件(12)之操作有關的參數之參數設定單元(56)，其中，該控制電路(58)係根據該參數、該電壓檢測電路(48)所檢測出的該DC電壓、該電流檢測電路(46)所檢測出的該直流電流、及該電動勢檢測電路(52)所檢測出的該電動勢而控制該驅動電路(66)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該參數為：最大電壓值，其係可施加至該帕耳帖元件(12)之該DC電壓的最大值；電流極限值，其係流至該帕耳帖元件(12)之該直流電流的最大值；以及溫度差極限值，其係對應於該電動勢之該帕耳帖元件(12)的吸熱側與散熱側間的溫度差的容許值，該控制電路(58)還包括：將該電動勢檢測電路(52)所檢測出的該電動勢轉換為該溫度差之溫度差轉換單元(80)，且該驅動電路(66)係根據該最大電壓值與該電壓檢測電路(48)所檢測出的該DC電壓之比較、該電流極限值與該電流檢測電路(46)所檢測出的該直流電流之比較、該溫度差極限值與該溫度差轉換單元(80)所轉換出的該溫度差之比較而受控制。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之溫度調整裝置(10)，其中，在該控制電路(58)中： 在該DC電壓係從該DC電源(62)供給至該帕耳帖元件(12)之情況，當該電流檢測電路(46)所檢測出的該直流電流超過該電流極限值，就將對於該DC電源(62)之控制，從可使該DC電壓的值變化之可變電壓控制切換至定電流操作，以一邊將該直流電流維持在該電流極限值一邊將該DC電壓的值保持在預定值，但若該電流檢測電路(46)所檢測出的該直流電流變為小於或等於該電流極限值，就使對於該DC電源(62)之控制從該定電流操作回復到該可變電壓控制。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之溫度調整裝置(10)，其中，在該溫度差轉換單元(80)所轉換出的該溫度差超過該溫度差極限值之情況，該控制電路(58)控制該DC電源(62)以使該溫度差變為小於或等於該溫度差極限值，以及使該DC電壓的值降低。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之溫度調整裝置(10)，其中，當控制該DC電源(62)來使該溫度差變為小於或等於該溫度差極限值，且該溫度差卻仍繼續上升時，該控制電路(58)就使從該DC電源(62)對該帕耳帖元件(12)之該DC電壓的施加暫停。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該驅動電路(66)還包括：切換從該DC電源(62)輸出之該DC電壓的極性且將切換過極性之該DC電壓施加至該帕耳帖元件(12)之極性反轉電路(50)，且當該極性反轉電路(50)切換了施加至該帕耳帖 元件(12)之該DC電壓的極性，該控制電路(58)就執行使該直流電流維持在固定值之定電流控制，且控制該DC電源(62)來使直流電流的時間常數變長。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之溫度調整裝置(10)，還包括：檢測該控制對象(18)的溫度之溫度感測器(36)、以及輸出一個操作量至該控制電路(58)以將該控制對象(18)的溫度調整至希望的溫度之溫度調節器(54)，其中，該參數設定單元(56)係設定用來限制該帕耳帖元件(12)對於該控制對象(18)的溫度調整能力之溫度調整能力限制值，該控制電路(58)係根據該操作量、該參數、該DC電壓、該直流電流、及該電動勢而控制該驅動電路(66)，以及進一步根據該溫度調整能力限制值而控制該DC電源(62)，藉此限制該DC電壓及該直流電流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該控制電路(58)根據該溫度調整能力限制值而限制相對於該操作量之該DC電壓的輸出範圍。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該控制電路(58)係限制該DC電壓及該直流電流直到該控制對象(18)的溫度到達與該溫度調整能力限制值對應之預定溫度，而當該控制對象(18)的溫度到達該預定溫度時，就解除該DC電壓及該直流電流之限制。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該控制電路(58)還包括故障檢測單元(82)，此故障 檢測單元(82)在該電流檢測電路(46)所檢測出的該直流電流的值偏離依對應於該電動勢之該帕耳帖元件(12)的吸熱側及散熱側間的溫度差而定之該DC電壓與該直流電流的特性之情況，判斷該帕耳帖元件(12)故障了。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該控制電路(58)係在使從該DC電源(62)對該帕耳帖元件(12)之該DC電壓的施加暫停之時間帶中，執行利用該電動勢檢測電路(52)所為之電動勢之檢測，且一旦該電動勢之檢測完成，就再從該DC電源(62)施加該DC電壓至該帕耳帖元件(12)，且在交互地進行該DC電壓之施加及該電動勢之檢測之情況，該電動勢之檢測時間係比施加該DC電壓之時間短。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之溫度調整裝置(10)，其中，該電動勢檢測電路(52)係為二極體橋式電路。
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