JP2009010138A - 熱電変換素子回路 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱電変換素子の直列接続あるいは並列接続への切替えを可能とすると共に、並列接続時の各熱電変換素子を独立に能力調整可能とする熱電変換素子回路を提供する。
【解決手段】被対象部位を加熱あるいは冷却する複数の熱電変換素子１１１、１１２と、複数の熱電変換素子１１１、１１２への通電状態を制御する制御器１５０とを備える熱電変換素子回路において、制御器１５０は、複数のスイッチ素子１４１、１４２を同時に開状態とし、接続線１３０によって複数の熱電変換素子１１１、１１２を直列に接続して直列作動させる直列モードと、複数のスイッチ素子１１１、１１２のすべてが同時に閉状態とならないように、複数のスイッチ素子１４１、１４２を独立して開閉することで、複数の熱電変換素子１１１、１１２を時分割で並列に接続して独立作動させる独立モードとを切換え可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば車両の乗員へ空調風を供給するシート空調装置に適用して好適な熱電変換素子回路に関するものである。

従来の熱電変換素子を用いた車両用のシート空調装置として、特許文献１に示されるものが知られている。このシート空調装置は、シートに設けられた複数の熱電変換素子と、複数の熱電変換素子の接続状態を切換えるリレーと、複数の熱電変換素子に印加される電圧の極性を反転させるスイッチと、送風用の電動ファンとを備えている。

このシート空調においては、電動ファンから送風される空気が熱電変換素子によって加熱あるいは冷却されて、シート表面のエア吹出孔から乗員に吹出されるようになっている。熱電変換素子は、反転スイッチによって、加熱モードあるいは冷却モードに切替え可能となっている。そして、リレーによって複数の熱電変換素子の接続状態が、並列接続または直列接続に切換えられるようになっており、各熱電変換素子に印加される電圧が変更されて、加熱あるいは冷却能力が調整されるようになっている。
特許第３６５６２２６号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、複数の熱電変換素子に対して並列接続または直列接続のいずれかの切換えを行うだけのものであり、例えば並列接続されたそれぞれの熱電変換素子への通電電力を変更して、複数の熱電変換素子の加熱あるいは冷却能力を独立させて調整する考えはない。よって、複数の熱電変換素子の配置される部位ごとに、きめ細かな空調を行うことができない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、複数の熱電変換素子を備えるものにおいて、直列接続あるいは並列接続への切替えを可能とすると共に、並列接続時の各熱電変換素子を独立に能力調整可能とする熱電変換素子回路を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、被対象部位を加熱あるいは冷却する複数の熱電変換素子（１１１、１１２）と、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）への通電状態を制御する制御器（１５０）とを備える熱電変換素子回路において、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）を直列に接続する接続線（１３０）と、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）のそれぞれに対して並列に配置されて接続線（１３０）に接続されると共に、制御器（１３０）によって通電時のデューティ比が調節可能に開閉される複数のスイッチ素子（１４１、１４２）とを備え、制御器（１５０）は、複数のスイッチ素子（１４１、１４２）を同時に開状態とし、接続線（１３０）によって複数の熱電変換素子（１１１、１１２）を直列に接続して直列作動させる直列モードと、複数のスイッチ素子（１１１、１１２）のすべてが同時に閉状態とならないように、複数のスイッチ素子（１４１、１４２）を独立して開閉することで、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）を時分割で並列に接続して独立作動させる独立モードとを切換え可能としたことを特徴としている。

このように、複数のスイッチ素子（１４１、１４２）のデューティ比の調節を伴う切換えによって、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）の直列接続あるいは並列接続への切換え、および並列接続時の複数の熱電変換素子（１１１、１１２）の独立作動（独立モード）を可能とすることができる。

請求項２に記載の発明では、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）および複数のスイッチ素子（１４１、１４２）のプラス電源側もしくはアース側に設けられて、制御器（１５０）によって通電時のデューティ比が調節可能に開閉される電源側スイッチ素子（１４３）を備えることを特徴としている。

これにより、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）および複数のスイッチ素子（１４１、１４２）に入力される電力量を調整することができるので、要求に応じた熱電変換素子（１１１、１１２）の加熱能力または冷却能力に調整することができる。

請求項３に記載の発明では、制御器（１５０）は、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）の加熱あるいは冷却に対する必要能力が所定能力よりも高い場合に、直列モードに切換え、必要能力が所定能力よりも低い場合に、独立モードに切換えることを特徴としている。

これにより、必要能力が高い場合には、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）を直列モードにすることで、一つずつの熱電変換素子（１１１、１１２）に対する印加電圧を低くして、効率重視の加熱あるいは冷却が可能となる。

また、必要能力が低い場合には、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）を独立モードにすることで、各熱電変換素子（１１１、１１２）を独立作動させて、被対象部位でのきめ細かな加熱あるいは冷却が可能となる。

請求項４に記載の発明では、制御器（１５０）は、独立モードにおいて、複数のスイッチ素子（１４１、１４２）のすべてが同時に閉状態とならないようにするために、複数のスイッチング素子（１４１、１４２）のすべてを同時に所定時間以上開状態とする同時開状態時間帯（ｔｔｏｆｆ）を設けることを特徴としている。

これにより、制御器（１５０）からの切換え指示に対して各スイッチ素子（１４１、１４２）のスイッチング動作に遅れがあっても、同時開状態時間帯（ｔｔｏｆｆ）において、確実にすべてのスイッチ素子（１４１、１４２）を開状態とすることができるので、複数のスイッチ素子（１４１、１４２）のすべてが同時に閉状態となることを防止できる。よって、すべてのスイッチ素子（１４１、１４２）に大電流が流れて熱電変換素子回路（１００）に過大電流が流れてしまうことを防止できる。

請求項５に記載の発明では、制御器（１５０）は、複数の熱電変換素子（１４１、１４２）の消費電力が所定電力（Ｗｍａｘ）以下となるように、電源側スイッチ素子（１４３）によって通電状態を制御することを特徴としている。

これにより、電力の供給側に対して、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）による過大な電力消費を防止することができる。

請求項６に記載の発明では、制御器（１５０）に制御されて、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）および複数のスイッチ素子（１４１、１４２）へ流れる電流の向きを反転させる反転用回路（１６０）を備えることを特徴としている。

これにより、電流の向きを反転させることで、熱電変換素子（１１１、１１２）に加熱および冷却の両機能を持たせることができる。

そして、請求項７に記載の発明のように、複数の熱電変換素子（１１１、１１２）による被対象部位は、車両用シート（１１）の乗員側部位として好適であり、乗員への空調を可能とする車両用シート（１１）とすることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図８を用いて説明する。図１はシート空調装置１０の全体構成を示す斜視図、図２は熱電変換素子回路１００を示す回路図、図３は冷却能力（必要能力）に対する電源側スイッチ素子１４３へのデューティ比を示すマップ、図４は図２における直列モード時の電流の流れを示す回路図、図５は独立モード時の各スイッチ素子１４１〜１４３の開閉状態を示すタイムチャート、図６は図２における独立モード時（熱電変換素子１１１作動）の電流の流れを示す回路図、図７は図２における独立モード時（熱電変換素子１１２作動）の電流の流れを示す回路図、図８は印加電圧に対する熱電変換素子１１１、１１２の吸熱量Ｑｃと成績係数ＣＯＰとを示すグラフである。

図１に示すように、シート空調装置１０は、車両用のシートに適用されたものであり、シート１１、送風機１４、熱電変換素子１１１、１１２、および熱電変換素子回路１００等を備えている。

シート１１は、乗員が着座するものであり、座部を構成するシートクッション１１ａと、背もたれを構成するシートバック１１ｂとを備えている。

シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの反乗員側で略中央部には、後述する各ダクト１５ａ、１５ｂの反送風機側先端（他端側）が接続される吸入口が開口されている。また、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの内部には、上記の吸入口から分岐してシートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの表面側に繋がる複数の空気通路が形成されている。複数の空気通路は、シートクッション１１ａにおいては主に乗員の臀部、膝部に対応する領域の表面側に繋がるように配置されており、また、シートバック１１ｂにおいては主に乗員の腰部、背中部に対応する領域の表面側に繋がるように配置されている。そして、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの表面には、例えば皮革から形成されて、φ１ｍｍ程度の多数の微細孔が設けられた表皮部材が張り合わされている。よって、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂにおいては、上記吸入口、複数の空気通路、多数の微細孔が、吸入口→複数の空気通路→多数の微細孔の順に乗員側に向けて連通している。

送風機１４は、例えばモータによって回転駆動される扁平の遠心式ファンを備える送風手段であり、シートクッション１１ａの下側に配設されている。送風機１４の空気吸入側には、吸入ダクト１２の一端側が接続されている。吸入ダクト１２の他端側は下側に向けて開口しており、この他端側の内部には、空気中の塵や埃を除去するフィルタ１３が設けられている。

また、送風機１４の空気吐出側には、クッション用ダクト１５ａ、およびシート用ダクト１５ｂの一端側がそれぞれ接続されている。そして、各ダクト１５ａ、１５ｂの他端側の内部は、それぞれ２つの流路に区画されており、一方の流路は、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂのそれぞれの吸入口に接続され、他方の流路は車室内に向けて開口している。

熱電変換素子１１１、１１２は、ペルチェモジュールを用いた熱交換手段であり、上記各ダクト１５ａ、１５ｂの他端側内部に配設されている。熱電変換素子１１１、１１２は、例えば１．５ｍｍ角ほどの大きさのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが電極部材によって交互に直列に複数（例えば数百個）接続されて、更に、電極部材に放熱フィンが接合されて形成されている。

複数のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とによって形成される直列回路に電圧を印加して、Ｐ→Ｎ→Ｐの順に直流電流を流した場合（以下、正方向電流とする）、Ｎ型熱電変換素子からＰ型熱電変換素子に電流が流れる電極部材は吸熱電極部となる。吸熱電極部は、正方向電流によって低温の状態（吸熱状態）となる電極部である。また、Ｐ型熱電変換素子からＮ型熱電変換素子に電流が流れる電極部材は放熱電極部となる。放熱電極部は、ペルチェ効果によって高温の状態（放熱状態）となる電極部である。

そして、熱電変換素子１１１、１１２の吸熱電極部は、各ダクト１５ａ、１５ｂの他端側における一方の流路内にそれぞれ配置され、放熱電極部は、各ダクト１５ａ、１５ｂの他端側における他方の流路内にそれぞれ配置されている。つまり、熱電変換素子１１１、１１２へ正方向電流を流した時に、送風機１４からの送風空気（図１中のハッチング矢印）は、各熱電変換素子１１１、１１２の吸熱電極部によって冷却されて、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの吸入口に供給されることになる（図１中の白矢印）。尚、各熱電変換素子１１１、１１２の放熱電極部によって加熱された送風空気は、車室内に放出されることになる（図１中の黒矢印）。

送風機１４および熱電変換素子１１１、１１２は、シートクッション１１ａのサイド側内部に配設された制御器１５０によって、その作動が制御されるようになっている。送風機１４および熱電変換素子１１１、１１２は、図２に示すように制御器１５０に接続されており、熱電変換素子回路１００を形成している。

熱電変換素子回路１００において、送風機１４は車両電源（バッテリ）のプラス側となる電源ライン１２０からマイナス側に接続されている。送風機１４は制御器１５０内のマイコン１５１に接続されており、マイコン１５１から出力されるデューティ信号によってデューティ制御されるようになっている。

また、熱電変換素子回路１００は、電源ライン１２０からマイナス側に接続される接続線１３０を有している。この接続線１３０には、熱電変換素子１１１、１１２が直列配置となるようにそれぞれ接続されている。

そして、各熱電変換素子１１１、１１２に対して、並列配置となるように、スイッチ素子１４１、１４２が接続線１３０に接続されている。また、熱電変換素子１１１、１１２およびスイッチ素子１４１、１４２のプラス（電源ライン１２０）側となる接続線１３０には、電源側スイッチ素子１４３が介在されている。

各スイッチ端子１４１〜１４３は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、制御器１５０内のマイコン１５１にそれぞれ接続されている。各スイッチ素子１４１〜１４３は、マイコン１５１からそれぞれ出力されるデューティ信号（後述するＴ、Ａ、Ｂ）によって、内部の接点の開閉状態がデューティ制御されるようになっている。即ち、各スイッチ素子１４１〜１４３は、それぞれデューティ信号のデューティ比に応じた接点の閉状態（ＯＮ状態）を形成して車両電源からの通電を可能としている。

また、制御器１５０には、図示しない作動スイッチおよび冷却能力設定スイッチが接続されている。作動スイッチは乗員の操作によって制御器１５０（熱電変換素子回路１００）のＯＮ−ＯＦＦが設定されるスイッチである。

また、冷却能力設定スイッチは乗員の操作によって送風機１４の送風量の大小、および熱電変換素子１１１、１１２の冷却能力の大小が設定されるスイッチである。冷却能力設定スイッチのダイヤルがゼロであれば、マイコン１５１から送風機１４、および各スイッチ１４１〜１４３に出力されるデューティ信号のデューティ比はゼロであり、冷却能力設定スイッチのダイヤルが大きくなるほど、マイコン１５１から送風機１４、各スイッチ１４１〜１４３に出力されるデューティ信号のデューティ比が大きくなるようにしている。特に、電源側スイッチ素子１４３に対しては、予め制御器１５０のマイコン１５１記憶されたマップ（図３）に基づいて、冷却能力に応じたデューティ比のデューティ信号が与えられるようになっている（詳細後述）。

次に、上記のように形成されるシート空調装置１０の作動について説明する。

本シート空調装置１０においては、乗員によって作動スイッチがＯＮされ、冷却能力設定スイッチでの冷却能力（必要能力）の設定がなされると、制御器１５０によって、以下の直列モードあるいは独立モードの切換えが行われて、着座した乗員に対する適切な冷却風の供給が行われるようになっている。直列モードは、乗員が設定する冷却能力が例えば最大能力に対する中間能力（所定能力）よりも高い場合において実行され、独立モードは、冷却能力が中間能力以下の場合において実行される。

１．直列モード
冷却能力（必要能力）が高い場合においては、制御器１５０のマイコン１５１は、図３に示すように、電源側スイッチ素子１４３に対して、中間能力時にデューティ比を５０％として、冷却能力が高くなるほどデューティ比を上げていき、最大能力時にディーティ比が１００％となるようにデューティ信号Ｔを出力する。

また、マイコン１５１は、両スイッチ素子１４１、１４２に対して、共にデューティ比０％のデューティ信号（Ａ、Ｂ）を出力する。デューティ比０％のデューティ信号（Ａ、Ｂ）によって、図４に示すように、両スイッチ素子１４１、１４２は共に開状態（ＯＦＦ状態）となって、車両電源からの電流は接続線１３０、電源側スイッチ素子１４３を通り、熱電変換素子１１１、熱電変換素子１１２の順に流れる。つまり、電流は、接続線１３０において直列接続される熱電変換素子１１１、１１２に流れる。

ここで、車両電源の電圧を１２Ｖとすると、熱電変換素子１１１、１１２の間には１２Ｖの電圧が印加され、１つの熱電変換素子１１１（１１２）には、Ｖｐ＝６Ｖの電圧が印加されることになる。そして、冷却能力最大時において、電源側スイッチ素子１４３にはディーティ比１００％のデューティ信号Ｔが出力されて１００％の閉状態（ＯＮ状態）が形成されることから、熱電変換素子１１１、１１２には直列状態で１２Ｖに対応する１００％電力が供給されて、１つの熱電変換素子１１１、（１１２）には５０％電力が供給されることになる。

そして、冷却能力が中間能力側に移行するにつれて、電源側スイッチ素子１４３へのデューティ比が５０％まで低下されていき、中間能力では熱電変換素子１１１、１１２には直列状態で１２Ｖの１００％電力に対して５０％に対応する電力が供給され、１つの熱電変換素子１１１（１１２）には、２５％電力が供給されることになる。

このように、本直列モードは、冷却能力が中間能力よりも高い側に設定された場合に、２つの熱電変換素子１１１、１１２を直列に接続して、１つの熱電変換素子１１１（１１２）に印加される電圧を電源電圧の１／２にすると共に、電源側スイッチ素子１４３によって熱電変換素子１１１、１１２に対して冷却能力に応じたデューティ比の電力を供給して、熱源熱電変換素子１１１、１１２を作動させるものとしている。

そして、マイコン１５１から送風機１４に対しては、冷却能力に応じたデューティ比のデューティ信号が出力されて、送風機１４は作動される。つまり、送風機１４は冷却能力設定スイッチによって設定される冷却能力が大きくなるほど、送風量が増大するように制御される。送風機１４の作動によって、車室内の空気が吸入ダクト１２から吸入されて、吸入された空気はフィルタ１３によって塵、埃等が除去された後に、クッション用ダクト１５ａ、バック用ダクト１５ｂに送風される。そして、各ダクト１５ａ、１５ｂを流通した送風空気は、両熱電変換素子１１１、１１２の吸熱電極部によって冷却されて、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの吸入口、複数の空気通路、多数の微細孔を通り、乗員側に吹出される。

２．独立モード
冷却能力（必要能力）が低い場合においては、制御器１５０のマイコン１５１は、図３に示すように、電源側スイッチ素子１４３に対して、中間能力時にデューティ比を５０％として、冷却能力が低くなるほどデューティ比を下げていき、最小能力時にディーティ比が０％となるようにデューティ信号Ｔを出力する。

また、マイコン１５１は、両スイッチ素子１４１、１４２に対して、図５に示すようなデューティ信号Ａ、Ｂをそれぞれ出力する。デューティ信号Ａ、Ｂは、デューティ信号ＴのＯＮ領域内において、同時にＯＮ状態とならないように時分割された信号となっている。そして、デューティ信号Ａ、Ｂの各デューティ比は、両者を足し合わせた時にデューティ信号Ｔのデューティ比以下となるように分配設定されている。

ディーティ信号Ａ、Ｂのデューティ比の分配比率は、シートクッション１１ａ、およびシートバック１１ｂにおける冷却の必要性に応じて適宜決定できる。通常、乗員の臀部、膝部は冷却風に対して鈍感であり、また、乗員の腰部、背中部は冷却風に対して敏感であること、更には、真夏日等で日射が直接当たる臀部、膝部は冷却能力を高く確保する必要がある反面、日射が直接当たらない腰部、背中部では冷却能力は低くても良い、といったことから、シートバック１１ｂよりもシートクッション１１ａでの冷却能力を優先するとすれば、スイッチ素子１４１のデューティ比（デューティ信号Ｂ）よりもスイッチ素子１４２のデューティ比（ディーティ信号Ａ）を大きくすると、上記冷却の必要性に適した、きめ細かな冷却制御が可能となる。

以下、説明を簡単にするために、デューティ信号Ａ、Ｂ共にデューティ比を同一に設定した場合として説明する。

例えば、中間能力時において、電源側スイッチ素子１４３へのデューティ信号Ｔのデューティ比が５０％であるとすると、スイッチ端子１４１、１４２へのディーティ信号Ａ、Ｂのデューティ比はそれぞれ２５％ずつに分配されている。そして、スイッチ素子１４２に対してＯＮ状態とする時にスイッチ素子１４１をＯＦＦ状態とし、逆にスイッチ素子１４２に対してＯＦＦ状態とする時にスイッチ素子１４１をＯＮ状態とするデューティ信号（Ａ、Ｂ）としている。

上記のような時分割されたデューティ信号Ａ、Ｂにおいて、スイッチ素子１４１へのデューティ信号ＢがＯＦＦであり、スイッチ素子１４２へのデューティ信号ＡがＯＮであると、電流は、以下（図６）のように熱電変換素子回路１００を流れる。即ち、熱電変換素子１１２の電気抵抗（例えば数Ω）は、スイッチ素子１４２の電気抵抗（例えば数ｍΩ）よりも格段に高いため、図６に示すように、車両電源からの電流は接続線１３０、電源側スイッチ素子１４３から、熱電変換素子１１１を通った後に、スイッチ素子１４２側に流れる。つまり、電流は、接続線１３０において２つの熱電変換素子１１１、１１２のうち、電変換素子１１１側を流れる。

また、スイッチ素子１４１へのデューティ信号ＢがＯＮであり、スイッチ素子１４２へのデューティ信号ＡがＯＦＦであると、電流は、以下（図７）のように熱電変換素子回路１００を流れる。即ち、熱電変換素子１１１の電気抵抗（例えば数Ω）は、上記と同様にスイッチ素子１４１の電気抵抗（例えば数ｍΩ）よりも格段に高いため、図７に示すように、車両電源からの電流は接続線１３０、電源側スイッチ素子１４３から、スイッチ素子１４１側を流れた後に、熱電変換素子１１２側に流れる。つまり、電流は、接続線１３０において２つの熱電変換素子１１１、１１２のうち、熱電変換素子１１２側を流れる。

ここで、車両電源の電圧を１２Ｖとすると、各熱電変換素子１１１、１１２にはそれぞれＶｐ＝１２Ｖの電圧が印加されることになる。そして、冷却能力が中間能力時において、電源側スイッチ素子１４３にディーティ比５０％のデューティ信号Ｔが出力されると、５０％の閉状態（ＯＮ状態）が形成されることから、熱電変換素子１１１、１１２にはそれぞれ並列状態で１２Ｖの１００％電力に対して５０％×分配分（１／２）に対応する電力が供給されることになる。

そして、冷却能力が最小側に移行するにつれて、電源側スイッチ素子１４３へのデューティ比が１０％まで低下されると、熱電変換素子１１１、１１２にはそれぞれ並列状態で１２Ｖの１００％電力に対して１０％×分配分（１／２）に対応する電力が供給されることになる。

このように、本独立モードは、冷却能力が中間能力よりも低い側に設定された場合に、２つの熱電変換素子１１１、１１２を時分割で並列に接続して、１つの熱電変換素子１１１（１１２）に印加される電圧を電源電圧（Ｖｐ＝１２Ｖ）としつつも、電源側スイッチ素子１４３に与えられるデューティ比、および各スイッチ素子１４１、１４２に与えられるデューティ比によって電力を制限して熱源熱電変換素子１１１、１１２を作動させるものとしている。

そして、マイコン１５１によって、送風機１４の送風量が冷却能力に応じて制御され、送風機１４の作動によって送風される空気は、各熱電変換素子１１１、１１２によって冷却されて、シートクッション１１ａ、シートバック１１ｂの微細孔から乗員側に吹出される。

以上のように本実施形態では、接続線１３０に直列接続される熱電変換素子１１１、１１２に対して、それぞれ並列配置となるように各スイッチ素子１４１、１４２を設けるようにして、各スイッチ素子１４１、１４２の開閉をデューティ制御するようにしているので、２つの熱電変換素子１１１、１１２を直列に接続して同時作動させる直列モードと、２つの熱電変換素子１１１、１１２を時分割で並列に接続して作動させる独立モードとの切換えを可能とすることができる。

また、熱電変換素子１１１、１１２、およびスイッチ素子１４１、１４２のプラス電源側に電源側スイッチ素子１４３を設けるようにしているので、熱電変換素子１１１、１１２、およびスイッチ素子１４１、１４２に入力される電力量を調整することができ、冷却能力（必要能力）に応じた熱電変換素子１１１、１１２の冷却能力に調整することができる。

また、制御器１５０（マイコン１５１）は、熱電変換素子１１１、１１２による冷却能力（必要能力）が最大能力に対する中間能力（所定能力）よりも高い場合に、直列モードに切換え、冷却能力（必要能力）が中間能力よりも低い場合に、独立モードに切換えるようにしている。

これにより、冷却能力が高い場合には、熱電変換素子１１１、１１２を直列モードにすることで、一つずつの熱電変換素子１１１、１１２に対する印加電圧を低くして、効率重視の冷却が可能となる。これは、図８に示すように、熱電変換素子における効率特性（成績係数ＣＯＰ）によるものである。つまり、一般に熱電変換素子においては、印加電圧を上昇させるほど吸熱量Ｑｃは増大していくが、熱電変換素子自身が発熱を伴うことから、ある電圧を境に吸熱量Ｑｃが低下してしまう。これに伴い、熱電変換素子の成績係数ＣＯＰは電圧が上昇するほど、低下する特性となる。よって、熱電変換素子１１１、１１２に印加される電圧を小さくすることで成績係数ＣＯＰを稼ぐことができ、更に、２つの熱電変換素子１１１、１１２を同時作動させることで高冷却能力への対応が可能となるようにしている。

一方、冷却能力が低い場合には、所定分配比率で時分割にして、且つ同時ＯＮとしないデューティ信号Ａ、Ｂを用いて熱電変換素子１１１、１１２を独立モードにすることで、各熱電変換素子１１１、１１２を独立作動させて、シートクッション１１ａ、およびシートバック１１ｂでのきめ細かな冷却が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、スイッチ素子１４１、１４２に対するデューティ信号Ａ、Ｂの形成に当たって、同時開状態時間帯ｔｔｏｆｆを設定するようにしたものである。

通常、デューティ信号（Ｔ、Ａ、Ｂ）に対する各スイッチ素子１４１〜１４３の作動においては、ＯＦＦからＯＮへの立上がり時、およびＯＮからＯＦＦへの立下り時にそれぞれｔｏｎ、ｔｏｆｆの動作遅れが発生する。よって、デューティ信号ＴのＯＮ領域（ＯＮの長さ）をデューティ信号Ａ、ＢのＯＮ領域（ＯＮの長さ）に単純に分配すると、上記動作遅れ部において、両ディーティ信号Ａ、Ｂが共にＯＮ状態となって、独立モード制御時に両スイッチ素子１４１、１４２に同時に大電流が流れてしまうおそれが生ずる。この場合、車両の安全保護回路としてのヒューズが切れるといった問題が発生する。

そこで、本実施形態では、デューティ信号Ａ、Ｂの形成において、図９に示すように、各スイッチ素子１４１、１４２の動作遅れ分を加味して、両デューティ信号Ａ、Ｂにおいて同時に所定時間以上ＯＦＦとなる同時開状態時間帯ｔｔｏｆｆを意図的に設けるようにしている。同時開状態時間帯ｔｔｏｆｆの長さは、スイッチ素子の特性に依存するが、例えば数百μＳというレベルで設定可能である。

これにより、制御器１５０のマイコン１５１からの切換え指示に対して各スイッチ素子１４１、１４２のスイッチング動作に遅れがあっても、同時開状態時間帯ｔｔｏｆｆにおいて、確実にすべてのスイッチ素子１４１、１４２を開状態とすることができるので、スイッチ素子１４１、１４２のすべてが同時に閉状態となることを防止できる。よって、すべてのスイッチ素子１４１、１４２に大電流が流れてしまうことを防止できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１０に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、熱電変換素子回路１００における消費電力を許容最大電力Ｗｍａｘ以下に制御するようにしたものである。

車両電源は、通常、種々の補機に対して電力を供給するため、充放電収支の管理（制御）が非常に重要となる。以下、本実施形態での熱電変換素子回路１００における電力制御の考え方を説明する。

図１０は、２つの熱電変換素子１１１、１１２の吸熱量（冷却能力）Ｑと消費電力Ｗとの関係を示している。熱電変換素子１１１、１１２の放熱側の条件（風量や温度）は一定とする。直列モード時において出力可能な直列最大吸熱量は、Ｑｍａｘｓ（１／２Ｖｐ）であり、その時の直列最大消費電力は、Ｗｍａｘｓ（１／２Ｖｐ）である。

一方、独立モード時において出力可能な並列最大吸熱量は、２つの熱電変換素子１１１、１１２の合計でＱｍａｘｐ（Ｖｐ）であり、その時の並列最大消費電力は、Ｗｍａｘｐ（Ｖｐ）である。

ここで、車両において許容される許容最大消費電力（所定電力）をＷｍａｘ（Ｃａｒ）とすると、直列モード時に出力できる最大吸熱量は、Ｑｍａｘ１（Ｃａｒ１）となり、また、独立モード時に出力できる合計の最大吸熱量は、Ｑｍａｘ２（Ｃａｒ２）となる。

よって、乗員により指示された冷却能力Ｑが、Ｑｍａｘ２（Ｃａｒ２）以上の時は、直列モードで両熱電変換素子１１１、１１２を作動させ、その時の電源側スイッチ素子１４３へのデューティ信号Ｔのデューティ比を、Ｄｕｔｙ＝Ｑ／Ｑｍａｘｓ（１／２Ｖｐ）とする。

一方、乗員により指示された冷却能力Ｑが、Ｑｍａｘ２（Ｃａｒ２）以下の時は、独立モードで両熱電変換素子１１１、１１２を作動させ、その時の電源側スイッチ素子１４３へのデューティ信号Ｔのデューティ比を、Ｄｕｔｙ＝Ｑ／Ｑｍａｘｐ（Ｖｐ）とする。そして、スイッチ素子１４１、１４２を、それぞれのデューティ比で開閉作動させる。

このように制御することで、車両で割り当てられた消費電力（Ｗｍａｘ）を越えることなく制御できる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１１に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、反転用回路１６０を追加したものである。

反転用回路１６０は、熱電変換素子１１１、１１２、およびスイッチ素子１４１、１４２に流れる電流の向きを反転させる機器であり、電源側スイッチ素子１４３と、熱電変換素子１１１およびスイッチ素子１４１との間に介在されて、マイコン１５１によって制御されるようになっている。

ここで、熱電変換素子１１１、１１２の直列回路に流す電流の向きを上記第１実施形態で説明した正方向電流に対して逆方向（以下、逆方向電流）とすると、吸熱電極部は高温の状態となり、放熱電極部は低温の状態となり、吸熱、放熱の作動位置が逆になるように切換えることができる。

よって、シート空調装置１０において、反転用回路１６０によって図１１中の実線矢印の方向に電流を流すと、上記第１実施形態で説明したように、熱電変換素子１１１、１１２には正方向電流が流れ、吸熱電極部によって送風空気を冷却することができる。

一方、反転用回路１６０によって図１１中の破線矢印の方向に電流を流すと、熱電変換素子１１１、１１２には逆方向電流が流れ、吸熱電極部は放熱電極部となって、送風空気を加熱することができる。

このように、反転用回路１６０によって電流の向きを反転させることで、熱電変換素子１１１、１１２に加熱および冷却の両機能を持たせることができ、冷暖房を可能とするシート空調装置１０とすることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１２に示す。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、熱電変換素子１１３、スイッチ素子１４４を追加したものである。

熱電変換素子１１３は３つ目の素子であり、接続線１３０に熱電変換素子１１１、１１２と共に直列に接続されており、また、スイッチ素子１４４は熱電変換素子１１３に対して並列に配置されて接続線１３０に接続されている。スイッチ素子１４４は、マイコン１５１によってその開閉状態がデューティ制御されるようになっている。

本実施形態は、熱電変換素子１１３の追加によって、３つの被対象部位の冷却（あるいは加熱）を可能としている。

（その他の実施形態）
上記第１〜第５実施形態では、熱電変換素子回路１００を車両用シート１１に適用したものとして説明したが、これに限らず、冷蔵庫（冷凍室、冷蔵室）、あるいは複数の温度管理領域を備えるワインセラー、保温器等にも適用可能である。

また、各スイッチ素子１４１〜１４４として、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いたが、これに代えて、通常のトランジスタやリレー等を用いるようにしても良い。

また、電源側スイッチ１４３は、接続線１３０において熱電変換素子１１１、１１２およびスイッチ素子１４１、１４２のプラス（電源ライン１２０）側となる位置に設けられるようにしたが、これに限らず、熱電変換素子１１１、１１２およびスイッチ素子１４１、１４２のマイナス（アース）側に設けられるようにしても良い。

また、細かな充放電収支の管理が不要であれば、電源用スイッチ素子１４３は廃止しても良い。この場合は、直列モードにおいて１００％の電力を受けて、各熱電変換素子１１１、１１２はそれぞれ５０％の電力で作動される。また独立モードにおいては、１００％の電力を受けて、各熱電変換素子１１１、１１２は、両者を足し合わせて１００％以下となるデューティ比となるデューティ信号Ａ、Ｂで時分割で作動される。

シート空調装置の全体構成を示す斜視図である。 第１実施形態での熱電変換素子回路を示す回路図である。 第１実施形態での冷却能力（必要能力）に対する電源側スイッチ素子へのデューティ比を示すマップである。 図２における直列モード時の電流の流れを示す回路図である。 第１実施形態での独立モード時の各スイッチ素子の開閉状態を示すタイムチャートである。 図２における独立モード時（熱電変換素子１１１作動）の電流の流れを示す回路図である。 図２における独立モード時（熱電変換素子１１２作動）の電流の流れを示す回路図である。 印加電圧に対する熱電変換素子の吸熱量Ｑｃと成績係数ＣＯＰとを示すグラフである。 第２実施形態での独立モード時の各スイッチ素子の開閉状態を示すタイムチャートである。 第３実施形態での冷却能力に対する消費電力を示すグラフである。 第４実施形態での熱電変換素子回路を示す回路図である。 第５実施形態での熱電変換素子回路を示す回路図である。

符号の説明

１００ 熱電変換素子回路
１１１、１１２ 熱電変換素子
１３０ 接続線
１４１、１４２ スイッチ素子
１４３ 電源側スイッチ素子
１５０ 制御器
１６０ 反転用回路

Claims (7)

1. 被対象部位を加熱あるいは冷却する複数の熱電変換素子（１１１、１１２）と、
   複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）への通電状態を制御する制御器（１５０）とを備える熱電変換素子回路において、
   複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）を直列に接続する接続線（１３０）と、
   複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）のそれぞれに対して並列に配置されて前記接続線（１３０）に接続されると共に、前記制御器（１３０）によって通電時のデューティ比が調節可能に開閉される複数のスイッチ素子（１４１、１４２）とを備え、
   前記制御器（１５０）は、複数の前記スイッチ素子（１４１、１４２）を同時に開状態とし、前記接続線（１３０）によって複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）を直列に接続して直列作動させる直列モードと、
   複数の前記スイッチ素子（１１１、１１２）のすべてが同時に閉状態とならないように、複数の前記スイッチ素子（１４１、１４２）を独立して開閉することで、複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）を時分割で並列に接続して独立作動させる独立モードとを切換え可能としたことを特徴とする熱電変換素子回路。
2. 複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）および複数の前記スイッチ素子（１４１、１４２）のプラス電源側もしくはアース側に設けられて、前記制御器（１５０）によって通電時のデューティ比が調節可能に開閉される電源側スイッチ素子（１４３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子回路。
3. 前記制御器（１５０）は、複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）の加熱あるいは冷却に対する必要能力が所定能力よりも高い場合に、前記直列モードに切換え、
   前記必要能力が前記所定能力よりも低い場合に、前記独立モードに切換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電変換素子回路。
4. 前記制御器（１５０）は、前記独立モードにおいて、複数の前記スイッチ素子（１４１、１４２）のすべてが同時に閉状態とならないようにするために、複数の前記スイッチング素子（１４１、１４２）のすべてを同時に所定時間以上開状態とする同時開状態時間帯（ｔｔｏｆｆ）を設けることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の熱電変換素子回路。
5. 前記制御器（１５０）は、複数の前記熱電変換素子（１４１、１４２）の消費電力が所定電力（Ｗｍａｘ）以下となるように、前記電源側スイッチ素子（１４３）によって前記通電状態を制御することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の熱電変換素子回路。
6. 前記制御器（１５０）に制御されて、複数の前記熱電変換素子（１１１、１１２）および複数の前記スイッチ素子（１４１、１４２）へ流れる電流の向きを反転させる反転用回路（１６０）を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱電変換阻止回路。
7. 前記被対象部位は、車両用シート（１１）の乗員側部位であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の熱電変換素子回路。

Images