JPH0812568B2 - 温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、各種素子や電子部品，光学部品等の温度を
一定に保つための広い温度範囲にわたって安定に作動す
る温度制御装置を提供するためのものであり、恒温を必
要とする高精度発振器や、温度の影響を受けやすい電子
部品，光学部品の温度安定化に使用することができる。

従来の技術 電子部品や光学部品等の温度安定化のために、温度制
御用素子としての電熱交換素子としてペルチエ素子が使
用される。この素子は、電流の方向により、吸熱・発熱
のどちらにでも使用できるため、恒温装置として広範囲
に使用されている。このペルチエ素子を用いた温度制御
装置の例を第４図に示す。サーミスタ21により制御対象
物の温度を検出し、その電圧と設定温度に対応する基準
電圧との誤差分を検出部22で検出し、増幅部23で増幅し
ペルチエ素子24に流れる電流を制御することで、制御対
象の温度安定化を行なっている（S.56.信学会総全大・
予稿集2219）。

発明が解決しようとする問題点 従来例の構成では、ペルチエ素子の放熱側の温度と、
制御対象部の温度差が大きくなった場合、温度変化に対
する応答が非常に遅くなるという欠点を有している。

これらの問題点は、ペルチエ素子の放熱側と制御対象
部との温度差が大きくなると、制御対象部に流れ込む熱
量は増大しその熱量を外部に放散させるために、ペルチ
エ素子電流が増大することとなる。そのため、ペルチエ
素子自身のジュール熱も増大し、ペルチエ素子の吸熱側
の実効的な吸熱量が小さくなるために生じるものである
（この系では、熱変動に対する応答速度は、ペルチエ素
子の吸熱・発熱量と、制御対象部の熱容量と、増幅回路
のゲインとで決定される）。

そのため、一例として制御対象部の温度を室温程度に
保つようにした場合には、外気温や、放熱温度が高くな
ったとき、また、他の例として外気温は室温程度である
が制御対象を低温に保たねばならないようなときには、
応答が遅くなってしまい温度制御性が悪くなってしま
う。

本発明は、広い温度範囲において安定に、かつ制御性
の良い温度制御装置を提供するためになされたものであ
る。

問題点を解決するための手段 本発明は、ペルチエ素子両端の温度差、又はペルチエ
素子に流れる電流に対応して、温度検出素子出力と基準
値との差を増幅する増幅回路のゲインを可変とする機能
を有する温度制御装置である。

作用 本発明は、前述した如く、広い温度範囲にわたって良
好な温度制御性を保つために、ペルチエ素子両端の温度
差又はペルチエ素子電流に対応して増幅器のゲインを変
化させることによって、実効的なペルチエ素子の吸・発
熱量の変化による応答速度の変動を補償することによ
り、常に良好な温度制御性を得ようとするものである。

実 施 例 第１図は本発明の第１の実施例における温度制御装置
の概略ブロック図である。ペルチエ素子１の片端は、ヒ
ートシンク２を介して、断熱部５で囲まれた制御対象部
４と熱的に結合されており、もう一端は放熱部３に熱的
に結合されている。ペルチエ素子１の一端の温度は、ヒ
ートシンク２に熱結合された第１の温度検出素子６、例
えば熱電対やサーミスタ，半導体温度検出素子等により
検出され、第１の温度検出部８で電圧に変換される。も
う一端の温度は、放熱部３に熱結合された第２の温度検
出素子７で検出され、第２の温度検出部９で電圧に変換
される。第１の温度検出部８の出力と、設定温度に対応
する基準電圧発生部11の出力が差動入力部を有する可変
利得増幅器12に入力される。また、第１の温度検出部８
の出力は、第２の温度検出部９の出力と、減算回路10で
減算され、減算回路10の出力に応じて、可変利得増幅器
12の利得が決定される。可変利得増幅器12の出力でペル
チエ素子１が駆動される。このとき、第１の温度検出部
８の出力電圧と、基準電圧発生部11の出力が一致するよ
うにペルチエ素子電流が流れ結果として制御対象部４の
温度が一定に保たれることになる。また可変利得増幅器
12の利得（ゲイン）は、（第２の温度検出器出力）−
（第１の温度検出器出力）の値が正で大きくなった時
に、大きくなるように設定されている。

このとき、例えば制御対象部の温度を25℃に設定した
時、外気温（放熱板の温度とほぼ等しいと考えられる）
も25℃程度の時に、可変利得増幅器のゲインを最適に設
定したとする。外気温が上昇してゆくにつれ、ペルチエ
素子には多くの電流が流れ、制御対象部４に流入する熱
量をペルチエ素子１が吸熱し、放熱部側で発熱する。ペ
ルチエ素子１がペルチエ効果により吸熱する熱量は、ペ
ルチエ素子１に流れる電流を増やせばそれに正比例して
増加するが、同時にジュール熱も発生する。そのため、
実効的な吸熱量増加分は、ペルチエ電流を増大させるに
つれ減少し、ある電流値で零となる。これより電流値を
増加させれば、吸熱量は減少してゆく。

その結果、外気温が上昇すればペルチエ素子電流が増
大してゆき実効的な吸熱量が減少してしまう。

一方、制御対象部の温度変化分を補正するため応答速
度は、ヒートシンクを含む制御対象部の熱容量と、実効
的なペルチエ素子１の吸熱量とで決定される。また、こ
の例のような負帰還制御系では、帰還アンプのゲインに
よっても応答速度が変化し、ゲインを大きくすれば応答
は速くなる。本実施例では、ペルチエ素子の実効的な吸
熱量の減少による応答の遅れを、アンプのゲインを大き
くすることにより補なっている。

この例では、ペルチエ素子１の両端の温度差を検出し
て、増幅器のゲインを変化させる方法について述べた
が、ペルチエ素子の実効的吸熱量は、ペルチエ素子に流
れる電流によっても変化する。吸熱量が大きくなる場合
を電流の正の方向と定義する。そのため、ペルチエ素子
電流を検出し、それに対応して可変増幅器のゲインを変
化させても同様の効果が得られる。この場合の実施例を
第２図に示す。第１の実施例との違いは、第２の温度検
出素子7,第２の温度検出部９および減算回路10のかわり
に電流検出部13の出力で可変利得増幅器12のゲインを変
化させていることである。これ以外は第１図と全く同じ
である。この実施例におけるメリットは、温度検出より
電流検出の方が容易であるという点にある。

次に第３の実施例として、非常に簡単な構成で実現可
能なものを第３図に示す。第３図は回路図のみを示して
いる。制御対象部の温度を検出する温度検出素子14と温
度検出部15により、温度が電圧に変換される。設定温度
に対応する基準電圧を発生する基準電圧発生部16の出力
は、普通の差動増幅器17の入力に接続される。一方温
度検出部出力は、抵抗20を介して差動増幅器の入力に
接続されている。増幅器出力でペルチエ素子18が駆動さ
れる。またこの系のゲインを決定するために負帰還用の
ポジティブサーミスタ19を用いる。ゲインは、このポジ
ティブサーミスタ19の抵抗値と抵抗20の値の比となる。
このポジティブサーミスタを、ペルチエ素子の放熱板と
熱結合させている。この場合、基準電圧発生部の電圧が
一定で決まっているものとすれば（つまり設定温度が常
に一定で決まっているとき）、放熱板の温度のみを検出
すれば、ペルチエ素子両端の温度差がわかることにな
る。本実施例ではポジティブサーミスタにより、放熱板
の温度を検出し、温度により抵抗値が変化することを利
用して増幅器のゲインを変えている。放熱板温度が高く
なるに従い、ゲインが大きくなることになる。また、ポ
ジティブサーミスタ19のかわりに抵抗を用い、抵抗20の
かわりに普通のサーミスタを用いても同様の機能を持た
せることが可能である。

また、前述した如く、ペルチエ素子の電流増加に対す
る吸熱量の増加分は、ある電流値で零になるが、これ以
上の電流がもしペルチエ素子に流れたとすれば、動作不
安定となる。特に、本発明では、ペルチエ電流の大きい
時に増幅器のゲインが大きくなるため、その状態で少し
の温度変動を生じれば、ペルチエ電流が過渡的に、不安
定領域に入り込む場合が多くなる。そのため、ペルチエ
素子電流が、その値よりも大きくならないように、電流
制限機構をもたせることにより、動作不安定にならない
ようにすることができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、広い温度範囲
にわたって、安定，かつ制御性の良い温度制御装置を提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の温度制御装置のブロック
図、第２図は本発明の第２の実施例の温度制御装置のブ
ロック図、第３図は本発明の第３の実施例の温度制御装
置の回路図、第４図は従来例の温度制御装置の回路図で
ある。 １……ペルチエ素子、４……制御対象部、6,7……第1,
第２の温度検出素子、11……基準電圧発生部、12……可
変利得増幅器、13……電流検出部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電熱交換素子の両端の温度を検出する２つ
   の温度検出用素子と、前記温度検出用素子のうち、温度
   制御される側の温度検出用素子の出力と基準値との差を
   増幅する増幅回路と、前記増幅回路により駆動される温
   度制御用電熱交換素子を有し、前記増幅回路の増幅度
   が、前記電熱交換素子の両端の温度差が大きくなった時
   に大きくなるように変化する機能を有することを特徴と
   する温度制御装置。
2. 【請求項２】制御対象と熱結合された温度検出用素子
   と、前記温度検出用素子の出力と基準値との差を増幅す
   る増幅回路と、前記増幅回路出力により駆動される温度
   制御用電熱交換素子を有し、前記増幅回路の増幅度が、
   前記電熱交換素子に流れる電流が正の方向に大きくなっ
   た時に大きくなるように変化する機能を有することを特
   徴とする温度制御装置。