JP2001108328A - 熱交換装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱媒をペルチェ素子を用いて冷却および加熱
できる熱交換装置において、ペルチェ素子に直流電力を
供給する直流電源回路における電力ロスを抑制し省電力
の熱交換装置を提供する。 【解決手段】 直列に接続された３つの熱交換部１、２
および３を有する熱交換装置１０において、各々の熱交
換部１、２および３に対応して、それらのペルチェ素子
に電力を供給する直流電源回路１１、１２および１３を
設け、これらを熱負荷によってオンオフ制御する。熱負
荷により熱交換部の台数を切り替えることが可能とな
り、直流電源回路をオフにすることにより、その直流電
源回路における損失を０にできる。したがって、電力損
失の小さな省電力型の熱交換装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ペルチェ素子を用いて熱媒の
温度制御を行う熱交換装置およびその制御方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ペルチェ素子を用いた熱交換器が知られ
ており、特開平１０−２８８４３８号には、フッ素系の
熱媒をペルチェ素子により温度制御し、その排熱を水を
媒体として放出する熱交換器が記載されている。

【０００３】このようなペルチェ素子を用いて熱交換す
る熱交換器においては、ペルチェ素子の能力を、熱交換
器出口の熱媒の温度を検出し、ペルチェ素子へ供給する
電流値を変えることにより制御している。したがって、
スイッチング電源回路を備えた直流電源回路が用いられ
る。ペルチェ素子に供給される電流値と、ペルチェ素子
の熱交換能力、たとえば、冷却能力はほぼ比例関係を持
つ。したがって、電流値を制御することにより最適な温
度の熱媒を出力することができる。

【０００４】ペルチェ素子のモジュールは製造上などの
理由によりサイズがある程度限られており、熱交換能力
の大きな熱交換装置を提供するには複数のペルチェ素子
を用いて熱交換する。さらには、ペルチェ素子により熱
交換する熱交換ユニットを複数用意してこれらを直列ま
たは並列に接続することにより熱交換能力の大きな熱交
換装置を提供できる。

【０００５】ペルチェ素子は、供給する電流の極性を変
えることにより、熱媒を加熱および冷却することが可能
であり、さらに電流値を制御することによりペルチェ素
子の能力を調整できる。したがって、上記のような複数
のペルチェ素子を用いた熱交換装置は、大容量で熱媒の
温度制御範囲が広く、さらに、熱媒の出口温度を精度よ
く制御できるメリットの多い熱交換装置となる。このた
め、広い温度範囲で安定しているフッ素系の不活性液体
を熱媒として採用した熱交換システムが半導体製造装
置、コンピュータなどの温度制御システムの一環として
用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、ペルチェ素子には直流を供給する必要があ
り、さらに電力制御を行おうとすると直流電源回路とし
てインバータなどのスイッチング電源回路を用いる必要
がある。また、交流電源あるいはスイッチング電流を直
流に変換するために整流回路が必要になり、これらによ
って直流電源回路では電力ロスが発生する。

【０００７】電力損失は直流電源回路のスイッチング内
部の発熱分であり、以下の式に示すように、電源効率に
依存する。

【０００８】 電力ロス＝素子への供給電力×（１−電源効率）・・・（１） ここで、電源効率を約０．８５とすると損失分は供給電
力の０．１５であり、これは全てが熱となる。したがっ
て、熱媒の出口温度が設定温度に達したときの損失分を
概算すると、熱媒の温度が安定しているときの熱負荷率
を５０％と仮定すると以下のようになる。

【０００９】 電源ロス＝０．１５×０．５＝０．０７ ・・・（２） したがって、熱媒の状態が安定している状態でも最大供
給電力の７％が常時損失となっている。

【００１０】そこで、本発明においては、ペルチェ素子
を用いた熱交換装置において、電力ロスの少ない熱交換
装置およびその制御方法を提供することを目的としてい
る。特に、複数のペルチェ素子を用いた熱交換容量の大
きな熱交換装置において、その電力ロスを低減できる熱
交換装置および制御方法を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、ペル
チェ素子のすべてに常に電流を流しつづけるのではな
く、複数のペルチェ素子をいくつかのグループに分け、
熱媒の状況に応じて通電しないペルチェ素子を設けられ
るようにしている。すなわち、本発明の熱交換装置は、
熱媒の温度制御を行う複数のペルチェ素子と、これら複
数のペルチェ素子を複数のグループに分け、それぞれの
グループに対し電力を制御しながら供給する複数の直流
電源回路と、熱媒の温度によって複数の直流電源回路の
動作を段階的にオンオフ可能な制御部とを有することを
特徴としている。また、本発明の熱交換装置の制御方法
は、複数のペルチェ素子と、これら複数のペルチェ素子
を複数のグループに分け、それぞれのグループに対応し
電力を供給可能な複数の直流電源回路とを有し、これら
複数のペルチェ素子により熱媒の温度制御を行う熱交換
装置の制御方法であって、直流電源回路から供給される
電力を熱媒の温度により制御する工程と、熱媒の温度に
より直流電源回路を段階的にオンオフする工程とを有す
ることを特徴としている。

【００１２】本発明の熱交換装置およびその制御方法に
おいては、熱媒の温度によって、ペルチェ素子に対し電
力を供給する直流電源回路に絶えず通電しているのでは
なく、ペルチェ素子の一部で熱媒の温度を制御できる状
態であれば、それらに対応する直流電源回路には電流が
流れないようにする。したがって、稼動する直流電源回
路の数を最小限にとどめることができ、直流電源回路で
浪費される電力、すなわち、電源回路内部で常に熱に変
換されている電力損失を最小限にすることができる。こ
のため、ペルチェ素子を用いた熱交換装置であって、電
力ロスの少ない熱交換装置を提供できる。

【００１３】ペルチェ素子により熱媒を冷却または加熱
可能な複数の熱交換部を直列あるいは並列に接続した熱
交換容量の大きな熱交換器においては、複数の直流電源
回路を各々の熱交換部毎に設け、対応する熱交換部のペ
ルチェ素子に対し電力を供給することができる。

【００１４】また、選択的にオンオフする際には、熱媒
の温度が所定の温度に到達した後、一定の時間を経過し
てから直流電源回路をオンオフすることにより無用なハ
ンチングを防止できる。

【００１５】このように本発明においては、ペルチェ素
子を用いた複数の熱交換部を有する熱交換装置において
は、それに対し電力を供給する直流電源回路に対する電
力を停止、あるいはスイッチング回路の発振を停止する
ことにより直流電源回路をオンオフし、熱交換部の使用
台数を熱負荷に応じて切り替えるようにしている。した
がって、熱媒の出口温度により自動的に必要な直流電源
回路だけが稼動することになり、不要な直流電源回路に
は電流が流れず損失が０になる。このため、熱媒の条件
によって不要な直流電源回路における損失をなくすこと
が可能となり、節電省エネの運転ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１で複数の熱交換器１、２およ
び３を直列に接続して構成した熱交換システム１０を示
してある。各々の熱交換器１、２および３はペルチェ素
子３３を採用した同一の構成であり、熱媒３８を冷却お
よび加熱することができるものである。

【００１７】図２に、熱交換器１を代表して、熱交換部
のさらに詳しい構造を示してある。本例の熱交換器１は
プレート型の熱交換器であるが、複数のプレート型の熱
交換器が相互に密着して、直に熱交換されるものではな
く、間にペルチェ素子３３が設置され、このペルチェ素
子３３が複数のプレート型熱交換器の間の熱の流れを制
御するようになっている。本例の熱交換器１は計５層の
構造になっており、中心に熱媒３８を通す第１のプレー
ト型熱交換器（第１の熱交換用プレートあるいは第１の
熱交換器）３１が配置され、その両側面３１ａに複数の
ペルチェ素子３３が設置されている。さらに、これらの
ペルチェ素子３３を挟んで第１の熱交換器３１の両側
に、排熱用の媒体３９である水を流す第２のプレート型
熱交換器（第２の熱交換用プレートあるいは第２の熱交
換器）３２が配置されている。したがって、本例の熱交
換器３０においては、第１の熱交換器３１と、その両側
に位置する第２のプレート３２の間に挟み込まれたペル
チェ素子３３により強制的に熱勾配が設定され、熱媒３
８が冷却あるいは加熱される。

【００１８】例えば、本例の熱交換器１においては、ペ
ルチェ素子３３に供給される電流の向きにより、第１の
プレート３１に面した側が吸熱、第２のプレート３２に
面した側が放熱に設定されれば、第１の熱交換器３１を
流れる熱媒３８が冷却され、その排熱により第２の熱交
換器３２を流れる水３９が加熱される。一方、ペルチェ
素子３３に上記と逆の電流が流れれば、第１の熱交換器
３１に面した側が放熱、第２の熱交換器３２に面した側
が吸熱になり、第１の熱交換器３１を流れる熱媒３８は
加熱され、その排熱によって第２の熱交換器３２を流れ
る水３９は冷却される。ペルチェ素子３３は、供給され
る電力（電流）により高温側と低温側の温度差を制御す
ることが可能であり、これによってペルチェ素子３３を
介して流れる熱量を制御できる。したがって、本例の熱
交換システム１０は、この熱交換器１だけで熱媒を低温
から高温まで制御することが可能である。さらに、同じ
型の熱交換器１、２および３を直列に接続することによ
り、熱交換能力、すなわち、冷却能力および加熱能力を
高くし、熱媒の温度制御速度が速く、所望の温度に制御
した多量の熱媒を供給できる熱交換システム１０を提供
している。

【００１９】本例の熱交換システム１０は、さらに、各
々の熱交換器１、２および３のペルチェ素子３３に対
し、各々の熱交換器１、２および３毎に直流電力を供給
する直流電源回路１１、１２および１３と、これらを制
御する制御部２０とを備えている。制御部２０は制御回
路２２を備えており、この制御回路２２は、直列に接続
された熱交換器１、２および３の出口配管１９に設けら
れた温度センサ２１から検出信号を受けて設定値２３と
比較する機能２２ａと、熱媒３８の出口温度によって直
流電源回路１１、１２および１３の負荷を制御する制御
信号２４を出力する機能２２ｂと、交流電源２９から直
流電源回路１２および１３に対する電力供給をオンオフ
できるリレー２５ｂおよび２５ｃを制御する機能２２ｃ
とを備えている。本例の直流電源回路１１、１２および
１３は、各々がスイッチング電源回路を備えており、た
とえば周波数あるいはデューティーなどを制御すること
により出力電力を調整することができる。

【００２０】したがって、本例の熱交換装置１０におい
ては、入口配管１８から供給された熱媒３８を直列に接
続された３つの熱交換部１、２および３によって加熱ま
たは冷却し、所定の温度の熱媒３８を出口配管１９から
出力できるものである。そして、熱媒の温度を制御する
ために、熱交換部１、２および３のペルチェ素子３３に
供給する電力を適切に制御すると共に、熱負荷に応じて
直流電源回路１２または１３に対する交流電力を段階的
にオンオフし、熱交換部の使用台数を１台から３台まで
切り替えて熱交換能力を調整できるようにしている。

【００２１】図３に、本例の熱交換装置１０により熱媒
３８を冷却するときの制御を示してある。たとえば、直
流電源回路１１だけがオンしていた状態、すなわち、１
番目の熱交換部１のみで熱交換が行われていた状態で、
時刻ｔ１に熱媒出口温度Ｔ０が何らかの要因により設定
温度Ｔｓより上昇し設定温度Ｔ１に達すると、それから
時間Ｗ０が経過した時刻ｔ３に、制御回路２２によって
リレー２５ｂがオンになり、交流電力が直流電源回路１
２に供給され、直流電源回路１２が稼動する。これによ
り、２番目の熱交換部２のペルチェ素子３３に電力が供
給され、熱交換装置１０の冷却能力がアップする。さら
に、時刻ｔ１からｔ３の間に熱媒の温度が上昇しつづけ
ており、時刻ｔ２に設定温度Ｔ２に達すると、それから
時間Ｗ０が経過した時刻ｔ４に、制御回路２２によりリ
レー２５ｃがオンし、交流電力が直流電源回路１３に供
給される。この結果、直流電源回路１３もオンする。こ
れによって、３番目の熱交換部３のペルチェ素子３３に
も電力が供給され、直列に接続された３台の熱交換部
１、２および３がすべて稼動する状態となる。

【００２２】この状態で、次に熱媒の温度Ｔ０が設定温
度Ｔ２以下に下がるまでの時間Ｗ２は、３台の熱交換部
１、２および３が稼動し続け、それらに直流電力を供給
する直流電源回路１１、１２および１３は、制御回路２
２からの制御信号２４により負荷制御される。これらの
直流電源回路１１、１２および１３には、スイッチング
電源回路が用いられており、ＰＷＭ制御などの公知の制
御方法により直流電力を制御することができる。

【００２３】時刻ｔ５に熱媒温度Ｔ０が設定温度Ｔ２よ
り下がると、時間Ｗ１経過後の時刻ｔ６に制御回路２２
はリレー２５ｃをオープンし、直流電源回路１３を停止
する。これにより熱交換部３のペルチェ素子３３には電
力が供給されないので、この熱交換部３は実質的に動作
しない。熱媒の温度Ｔ０がさらに下がって、時刻ｔ７に
設定値Ｔ１をきると、時間Ｗ１が経過した後の時刻ｔ８
に制御回路２２はリレー２５ｂをオープンし、直流電源
回路１２に対する交流電力の供給を停止する。これによ
り、熱交換部２のペルチェ素子３３には電力が供給され
なくなるので稼動しない状態となる。したがって、熱交
換装置１０は、１番目の熱交換部１のみが稼動し熱媒の
温度を制御する状態となる。

【００２４】再び熱媒の温度が上昇する時刻ｔ９までの
時間Ｗ３は、直流電源回路１１にのみ交流２９が供給さ
れ、この直流電源回路１１の周波数あるいはデューティ
ーを変えることにより熱媒の温度Ｔ０が設定値Ｔｓ近傍
に収まるように熱交換部１の能力が制御される。

【００２５】一方、時刻ｔ９に、熱媒の温度が上昇し、
設定値Ｔ１を超えると、時刻Ｗ０が経過した後の時刻ｔ
１０にリレー２５ｂがオンとなり、直流電源回路１２が
稼動し、２番目の熱交換部２でも冷却が行われる。ま
た、時刻ｔ１１に熱媒の温度が下がって設定値Ｔ１以下
になると、リレー２５ｂがオフとなり、再び１番目の熱
交換部１だけで熱媒の温度を制御する状態となる。

【００２６】このように、本例の熱交換装置１０は、直
流電源回路１２あるいは１３をオンオフすることにより
熱交換部の稼動台数を変えて冷却能力を制御する工程
と、直流電源回路１１、１２あるいは１３の出力電力を
制御することにより熱媒の温度を制御する工程とを備え
ている。そして、熱媒出口１９に取り付けられた温度検
出器２１の信号の変化を読みとり、各々の熱交換部１、
２および３に対応する直流電源回路１１、１２および１
３に供給する交流電力をオンオフすることにより実質有
効となる熱交換器の台数を制御している。このように、
直流電源回路をオンオフすることにより、オフした際は
その直流電源回路における内部電力損失を０にすること
ができる。

【００２７】すなわち、直流電源回路に電流を流してい
ると、上述したように、直流電源回路では、それを構成
するスイッチング電源回路における損失、整流回路にお
ける損失などが発生することになる。さらに、本例の熱
交換装置１０はペルチェ素子３３により加熱および冷却
しているので、ペルチェ素子に直流電力を供給する直流
電源回路または装置が必要である。しかしながら、本例
の熱交換装置１０においては、熱媒の温度が熱交換部の
台数が少なくても、すなわち、ペルチェ素子の数が少な
くても熱媒の温度が制御できるときは、各々の熱交換部
１、２および３に電力を供給するすべての直流電源回路
１１、１２および１３を常時動かすのではなく、熱負荷
にあわせて直流電源回路を選択的または段階的にオンオ
フし、熱交換器の台数制御を行っている。このため、熱
媒の温度制御のために稼動する直流電源回路の数をすく
なくすることが可能となり、直流電源回路に起因する電
力損失を少なくすることができる。したがって、本例の
熱交換装置１０により、節電省エネ効果をうることがで
きる。

【００２８】さらに、本例においては、熱媒の温度Ｔ０
が設定温度Ｔ１、Ｔ２あるいはＴｓに達したときに、そ
の時間から一定の時間Ｗ０あるいはＷ１が経過した後
に、その状態、すなわち熱媒の温度Ｔ０が設定温度以上
という状態が保たれていれば、予め設定された順番に従
って直流電源回路をオンするようにしている。このよう
に設定温度Ｔｓ、Ｔ１およびＴ２に幅を持たせ、さら
に、熱交換部の台数を変えるまでに待ち時間を設定する
ことにより、熱媒温度Ｔ０のごく短時間のゆれに対して
熱交換部の台数が変わることがなくなる。したがって、
ハンチングの発生を防止できる。

【００２９】なお、図３では、ハンチングを防止するた
めの、直流電源回路をオンする待ち時間Ｗ０と、オフす
るときの待ち時間Ｗ１を異なった値に設定しているが、
熱媒が供給される負荷側の条件が温度上昇および下降に
ついて同じであれば、待ち時間も同じにセットすること
が可能である。

【００３０】また、本例の制御部２０では、１番目の熱
交換部１に直流電力を供給する直流電源回路１１にはリ
レーを設けず、常に交流電力を供給して稼動するように
しているが、他の直流電源回路１２および１３と同様
に、交流電源２９の側にリレーを設けて温度によってオ
ンオフできるようにしても良い。これにより、熱媒を供
給して温度制御を行っている機器などの負荷側で熱が発
生していないときなどは直流電源回路をすべてオフする
ことによりさらに省電力効果を得ることができる。ま
た、直流電源回路１１、１２および１３として、スイッ
チング方式の電源回路を採用している場合、制御回路２
２により各々の電源回路１１、１２および１３の発振を
停止することによっても直流電源回路１１、１２および
１３をオンオフ制御することが可能であり、上記と同様
の効果を得ることができる。

【００３１】また、本例の熱交換装置１０においては、
３つの熱交換部を直列に接続しているが、２つあるいは
４つ以上の熱交換部を接続した場合でも２段階あるいは
４段階以上に熱交換部の台数を制御することが可能であ
る。また、これらの熱交換部をヘッダーなどを介して並
列に接続した熱交換装置においても、上記と同様に台数
制御することにより冷却能力および加熱能力を含む熱交
換能力を段階的に制御することができる。さらに、本例
においては、熱交換部の単位でペルチェ素子に電力を供
給する直流電源回路を設けているが、複数の熱交換部の
単位、たとえば、２つの熱交換部毎に直流電源回路を設
けて熱交換能力を段階的に制御することも可能である。
また、逆に、１つの熱交換部に設置された複数のペルチ
ェ素子を複数のグループに分け、各々のグループに対し
直流電源回路から電力が供給されるようにしても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、熱媒を冷却または加熱するペルチェ素子を複数有す
る熱交換装置において、それらのペルチェ素子を複数の
グループに分けて、各々のグループ毎に直流電源回路を
設けている。そして、直流電源回路を、リレーなどのス
イッチ手段でオンオフし、あるいはスイッチング電源の
発振をオンオフすることにより、複数のペルチェ素子の
グループを段階的に切り替え、熱負荷（冷却負荷も含
む）が増加したときだけ、それに対応する熱交換能力を
発揮するために必要な直流電源回路に通電している。し
たがって、熱負荷に応じた最適な数の直流電源回路にだ
け電力が供給されるので、直流電源回路に発生する電力
ロスを最小限にとどめられる。このため、消費電力が小
さく、熱交換能力の大きな熱交換装置を提供することが
できる。

【００３３】特に、大容量のペルチェ素子を用いた熱交
換装置においては消費される電力が大きくなるので電力
ロスもそれに応じて増加するが、本発明により、熱負荷
的に不要な直流電源回路をオフにしてその電力ロスを０
にできる。したがって、ペルチェ素子を用いた熱交換装
置における電力ロスを低減でき、節電効果の大きな熱交
換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる熱交換装置の概要
を示す図である。

【図２】図１に示す熱交換部の１つのさらに詳しい構成
を示す図である。

【図３】図１に示す熱交換装置を冷却装置として用いた
ときの動作を示すタイミングチャートである。

【符号の説明】

１、２、３ 熱交換部 １０ 熱交換装置 １１、１２、１３ 直流電源回路 ２０ 制御部 ２１ 温度センサ ２２ 制御回路 ２３ 設定器 ２４ 制御信号 ２５ リレー ３１ 熱媒が通る熱交換器 ３２ 水が通る熱交換器 ３３ ペルチェ素子 ３８ 熱媒 ３９ 水

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒の温度制御を行う複数のペルチェ素
   子と、 これら複数のペルチェ素子を複数のグループに分け、そ
   れぞれのグループに対し電力を調整しながら供給可能な
   複数の直流電源回路と、 前記熱媒の温度によって前記複数の直流電源回路の動作
   を段階的にオンオフ可能な制御部とを有する熱交換装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、ペルチェ素子により
   熱媒を冷却または加熱可能な複数の熱交換部を有し、前
   記直流電源回路は対応する前記熱交換部のペルチェ素子
   に対し電力を供給することを特徴とする熱交換装置。
3. 【請求項３】 複数のペルチェ素子と、これら複数のペ
   ルチェ素子を複数のグループに分け、それぞれのグルー
   プに対応し電力を供給可能な複数の直流電源回路とを有
   し、これら複数のペルチェ素子により熱媒の温度制御を
   行う熱交換装置の制御方法であって、 前記直流電源回路から供給される電力を前記熱媒の温度
   により制御する工程と、 前記熱媒の温度により前記直流電源回路を段階的にオン
   オフする工程とを有する熱交換装置の制御方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記段階的にオンオ
   フする工程では、熱媒の温度が所定の温度に到達した
   後、一定の時間を経過してから前記直流電源回路をオン
   オフすることを特徴とする熱交換装置の制御方法。