CN101286543B - 热电变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电变换装置，减轻了由反复热循环导致的性能恶化，但是动作可靠性优良，该热电变换装置包括：使热电变换元件组(3)介在中间而相对地配置的吸热侧热交换基体(2)和放热侧热交换基体(4)；以及由上下两端开口的中空体构成、基端部固定在吸热侧热交换基体(2)或放热侧热交换基体(4)任意一方的热交换基体的外周部分、在中空部容纳热交换元件组(3)和吸热侧热交换基体(2)或者放热侧热交换基体(4)的任意另一方的热交换基体的框体(5)，在相对于中空部中所容纳的热交换基体(2)最接近的框体(5)的部分和热交换基体(2)的部分之间，设置了热传导率比框体(5)还低的绝热层(23)。

Description

热电变换装置

技术领域

本发明涉及一种电子冷却装置或者热发电装置等的热电变换装置，特别是，涉及一种反复热循环而性能恶化少、动作可靠性优良的热电变换装置。 

背景技术

现有的热电变换装置在两个导热体之间配置热电变换元件组，通过在导热体和热电变换元件组之间具有良好热接触的热传导性脂膏，以多个螺栓连结两个导热体，从而固定热电变换元件组。 

螺栓使用金属制成或者塑料制成的螺栓，作为热电变换元件组的固定，金属制螺栓虽然具有足够的强度，但是由于热传导率大，因此要同时使用绝热垫片。另一方面，塑料制螺栓虽然热传导率小，但是由于机械强度低，因此需要用粘结剂等加强。 

通过螺栓等的结合力在得到导热体和热电变换元件组的热传导时，还需要用于固定热电变换元件组。 

由于热电变换装置通过多个螺栓结合两个导热体，因此难以给热电变换元件组施加均匀的压力，给热电变换元件施加偏的负荷，元件被破坏。 

作为上述金属制螺栓，虽然使用热传导率比较小的例如不锈钢制或者铁制螺栓，但是这种材质的螺栓的热膨胀系数比导热体和热变换元件小。为此，对于由热电变换装置的使用而产生的导热体和热电变换元件组的膨胀、收缩，由于螺栓约束它们的活动，因此，在热电变换元件中反复产生大的压缩、拉伸应力，产生元件的破坏。 

此外，塑料制螺栓由于机械强度低，因此长期的可靠性欠缺，还具有不能得到抗热电变换装置的落下冲击试验的强度等缺陷。 

为了消除这些缺陷，提出了如图8所示的热电变换装置(参照专利文献1：日本特开平10-12934号公报)。 

如图8所示，热电变换装置主要由在例如电冰箱的箱内等的被冷却侧配置 的吸热部件1、吸热侧热交换基体2、热电变换元件组3、放热侧热交换基体4、框体5、盖6、分散部件7构成。 

上述吸热部件1由具有宽广面积的铝等的散热片底座构成，设置多个吸热散热片(图中未示出)。上述交换基体2、4都由例如铝等热传导性良好的金属构成，在与热电变换元件组3相接的一侧表面形成铝氧化膜等的电绝缘膜。 

上述框体5如图所示，自放热侧热交换基体4至吸热侧热交换基体2侧配置。呈上方及下方开口的中空状，并具有基端部5a和从该基端部5a的内周向下方延伸的延伸部5b，且剖面形状基本上呈阶梯形。基端部5a通过O形环与粘结剂的并用接合在放热侧热交换基体4的下面周边部分。 

吸热侧热交换基体2由块状体构成，其外周构成基本沿着吸热侧热交换基体2-热电变换元件组3-放热侧热交换基体4的叠层方向延伸的延伸部2a。该吸热侧热交换基体2的延伸部2a和框体5的延伸部5b基本平行相对，两者之间通过粘结剂14接合为一体。此外，在延伸部2a和延伸部5b之间插通多个定位销钉15。 

上述盖6配置在放热侧热交换基体4的上侧，呈上方基本上闭塞、下方开口的中空状，且下方开口部通过O形环8与放热侧热交换基体4的上面周边部接合。在盖6的大致中央部位设置供水管部9，在圆周边缘附近设置排水管部10。 

分散部件7形成有周壁7a、在周壁7a的下端连结设置的底壁7b、由底壁7b在放热侧热交换基体4侧延伸的多个喷嘴部7e、在上述喷嘴部7e中的分散孔7d。 

通过在盖6内固定分散部件7，在分散部件7的供水管部9侧形成扁平状的第一空间11，在分散部件7的放热侧热交换基体4侧形成扁平状的第二空间13的同时，形成连通该第二空间13和排水管部10的排水通路12。 

如图所示，由中央供水管部9供给传热介质的水16时，水16立即遍布第一空间11，并由各喷嘴部7e(分散孔7d)向放热侧热交换基体4的上面强劲喷射。通过冲撞放热侧热交换基体4，吸取了放热侧热交换基体4热量的水16在缝隙间的狭小第二空间部13扩散，经过排水通路12，从排水管部10排出到体系外部。图中的17为绝热材料，以覆盖第一放热侧框体5、放热侧热交 换基体4及盖6的外周部的方式设置。 

如图8所示的热电变换装置通过框体5的基端部与高温的放热侧热交换基体4直接接触、框体5的前端部与低温的吸热侧热交换基体2直接接触而构成。因此，作为该框体5，从水蒸气透过率低，而且与在热电变换元件组3中使用的半导体的线膨胀率相近的观点出发，使用在聚苯硫醚(PPS)中适量混合了玻璃纤维的材质的物质。 

为此，放热侧热交换基体4的热通过框体5传导到吸热侧热交换基体2，即，热的回流，存在冷却效率(热电效率)低的缺点。此时，作为框体5的材质，在使用通常的合成树脂的情况下也会存在问题。 

发明内容

本发明的目的是消除这些现有技术的缺陷，提供一种冷却效率高的热电变换装置。 

为了实现上述目的，本发明以热电变换装置作为对象，该热电变换装置包括：热电变换元件组；使该热电变换元件组介在中间而相对地配置的吸热侧热交换基体和放热侧热交换基体；以及由上下两端开口的中空体构成、基端部固定在上述吸热热交换基体或放热侧热交换基体任意一方的热交换基体的外周部分、在中空部容纳上述热电变换元件组和上述吸热侧热交换基体或者放热侧热交换基体的任意另一方的热交换基体。 

而且，其特征在于，在相对于上述中空部中所容纳的上述热交换基体最接近的上述框体的部分和上述热交换基体的部分之间，设置例如空气层等的热传导率比上述框体还低的绝热层。 

本发明按照如上方式构成，能够提供一种抑制通过上述框体的热回流，且冷却效率高的热电变换装置。 

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的热电变换装置的剖面图。 

图2是该热电变换装置中使用的框体的底面图。 

图3是本发明的第二实施方式的热电变换装置的剖面图。 

图4是该热电变换装置中使用的吸热侧热交换基体和框体的剖面图。 

图5是本发明的第三实施方式的热电变换装置的剖面图。 

图6是该热电变换装置中使用的吸热侧热交换基体和框体的剖面图。 

图7是本发明的第四实施方式的热电变换装置中使用的吸热侧热交换基体和框体的剖面图。 

图8是现有的热电变换装置的剖面图。 

附图标记： 

1-吸热部件，2-吸热侧热交换基体，2a-延伸部，3-热电变换元件组，4-放热侧热交换基体，5-框体，5a-基端部，5b-延伸部，5c-中间连结部，d-加强肋，5e-引出槽，5f-粘结剂滞留部，5g-内侧脚部，6-盖，7-分散板，8-O形环，9-供水管部，10-排水管部，11-第一空间，12-排水路径，13-第二空间，14-粘结剂，16-水，17-绝热层，18a-第一粘结剂层，18b-第二粘结剂层，19-卡合突起，21-弹性薄膜，23-空隙部，24-绝热膜，25-突起部 

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的第一实施方式。图1是作为例如电冰箱等的电子冷却装置使用的热电变换装置的剖面图，图2是热电变换装置中使用的框体的底面图。 

如图1所示，热电变换装置主要由配置在例如电冰箱的箱内等的被冷却侧的吸热部件1、吸热侧热交换基体2、热电变换元件组3、放热侧热交换基体4、框体5、盖6、分散部件7构成。 

吸热部件1设有由具有宽广面积的散热片基板构成的多个吸热散热片(图中未示出)，根据需要可以在附近设置风扇。此外，散热片基板和吸热散热片可以为一体，此外，也可以是吸热散热片没有的情况。 

热交换基体2、4都由例如铝等热传导性良好的金属构成，在与热交换元件组3相接的侧的表面上形成例如铝氧化膜等的电绝缘膜。在通过阳极氧化法形成铝氧化膜的绝缘膜的情况下，对该绝缘膜不进行封孔处理，而是通过后述的薄膜21实现与热电变换元件组3的良好接合性。 

如图1所示，吸热侧热交换基体2由用于确保良好冷却状态的厚的块状体构成。 

热电变换元件组3由图中未示出的吸热侧电极、放热侧电极、在两个电极 之间配置的多个P型半导体层和N型半导体层构成，P型半导体层和N型半导体层在结构方面和热方面并列配置，在电连接方面，通过上述电极串联连接。 

在本实施方式中，框体5使用下列材料：为了与热电变换元件组3的半导体的线膨胀系数接近而在聚苯硫醚(PPS)中混合分散20重量％～50重量％的玻璃纤维等填料的材料。由于玻璃纤维等填料的含有率在不足20重量％时，线膨胀系数变大，含有率超过50重量％时，框体5的成型性恶化，因此填料的含有率必须规定在20重量％～50重量％的范围内。 

如图1所示，框体5自放热侧热交换基体4至吸热侧热交换基体2侧配置。框体5由在放热侧热交换基体4的外周部分下面粘结的在水平方向延伸的基端部5a、在自该基端部5a的内周部分向下方在垂直方向延伸的延伸部5b、连结上述基端部5a和延伸部5b的剖面形状基本为U字型的中间连结部5c构成，呈上方和下方开口的中空状。 

通过将在基端部5a和延伸部5b之间的剖面形状基本为U字型的中间连结部5c设置为非直线状，确保从框体5的吸热侧热交换基体2到放热侧热交换基体4的沿面距离长，沿着框体5传导的热的回流少。 

在延伸部5b的外侧，一体地设置多个(在本实施方式中，如图2所示为4个)在基端部5a侧延伸的加强肋5d。由于图1所示的框体5跨越吸热侧热交换基体2和放热侧热交换基体4配置，因此有沿着框体5传导的热回流。由于该热的回流很少，因此框体5可以比较薄地形成，薄地成型时，框体5的机械强度低。为此，在本实施方式中，在基端部5a和延伸部5b之间设置多个加强肋5d，维持框体5的刚性。 

如图2所示，在基端部5a的规定位置，形成引线引出槽5e，与热电变换元件组3的电极连结的引线由此引出槽5e引出，引出槽5e和引线之间由密封剂密封气体和液体。 

如图2所示，延伸部5b的内周部分的四面凹入设置粘结剂滞留槽5f，如图1所示，最初，在粘结剂滞留槽5f和吸热侧热交换基体2的延伸部2a的间隙中，形成由例如环氧树脂等构成的用于对大气中的水蒸气密封并且抑制块状的吸热侧热交换基体2变换位置的第一粘结剂层18a，此后，形成例如由硅树脂等构成的用于对水密封的第二粘结剂层18b，为两层结构。 

如图1所示，在吸热侧热交换基体2的与热电变换元件组3相对的上部向外侧突出形成卡合突起19，与该卡合突起19的下面相对地配置框体5的中间连结部5c的内侧脚部5g。无论任何原因，当对吸热侧热交换基体2向着箭头X方向施加拉伸作用力时，上述卡合突起19在内侧脚部5g处接触，抑制吸热侧热交换基体2的移动。在本实施方式中，在吸热侧热交换基体2和热电变换元件组3的接合面，形成由硅树脂等构成的弹性薄膜21，在上述接合面比较可靠地紧密贴合。 

如图1和图2所示，由于在框体5的延伸部5b的内周部四面凹入设置粘结剂滞留部5f，因此框体5中与吸热侧热交换基体2最接近的部分为中间连结部5c的内侧脚部5g。因此，如图1所示，在本实施方式中，从放热侧热交换基体4的外周面和内侧脚部5g的内周面之间，在放热侧热交换基体4的卡合突起19的下面和内侧脚部5g的上端面之间，形成厚度在3mm以下(在本实施方式中，为0.1mm～1mm左右)的剖面形状为倒L字型的空隙部23(空气层)。 

在本实施方式中，由于相对于混合分散了在框体5中使用的玻璃纤维的聚苯硫醚(PPS)的热传导率0.35[W/m·K]来说，空隙部23(空气层)的热传导率为0.024[W/m·K]，极端地低，因此由于该空隙部23的存在，能够有效地抑制由框体5向着吸热侧热交换基体2的热回流。在本实施方式中，虽然设置了空隙部23(空气层)，但是也可以设置代替空气填充了例如氩或氮等其它气体的层。此外，代替该空隙部23(空气层)，还可以形成由热传导率低的树脂或者橡胶构成的粘结剂层。 

盖6配置在放热侧热交换基体4的上侧，呈上方基本闭塞及下方开口的呈中空状，下方开口通过O形环8液体密封地粘结在放热侧热交换基体4的上面周边部。在盖6的基本中央部设有供水管部9，在圆周边缘附近设有排水管部10。 

分散部件7设有周壁7a、在周壁7a的下端连结设置的底壁7b、自底壁7b向放热侧热交换基体4侧延伸的多个喷嘴部7e，在上述喷嘴部7e中形成有分散孔7d。 

通过将分散部件7固定在盖6内，在分散部件7的供水管部9侧形成扁平 状的第一空间11，在分散部件7的放热侧热交换基体4侧形成扁平状的第二空间13，同时，形成连通该第二空间13和排水管部10的排水路径12。 

如图1所示，自中央的供水管部9供给作为热传热介质的水16，水16立即遍布第一空间部11，并由各喷嘴部7e(分散孔7d)向放热侧热交换基体4的上面强劲喷射。通过冲撞放热侧热交换基体4，吸取了放热侧热交换基体4的水16在间隙的狭窄的第二空间部13扩散，经过排水路径12自排水管部10向外排出。排出的水16通过图中未示出的散热器或者自然冷却而被冷却，通过强制循环系统进行再利用。在本实施方式中，虽然通过水16冷却放热侧热交换基体4，但是也可以通过散热片等冷却。 

图1所示的17为绝热材料，以覆盖第一放热侧框体5、放热侧热交换基体4和盖6的外周部的方式设置。 

图3和图4是用于说明本发明的第二实施方式的图，图3是热电变换装置的剖面图，图4是插入注塑成型的吸热侧热交换基体的框体的剖面图。 

在本实施方式的情况下，在吸热侧热交换基体2的外周面与框体5的内侧脚部5g相对的部分，通过预先涂覆等适当的手段形成由比框体5的热传导率低的材料构成的绝热膜24，在设置了该绝热膜24的吸热侧热交换基体2的外周，成型框体5。这样，如果在吸热侧热交换基体2的规定部分成型预先形成了绝热膜24的框体5，那么在与吸热侧热交换基体2最接近的内侧脚部5g和吸热侧热交换基体2之间能够可靠地夹持绝热膜24。 

在该实施方式中，虽然在设置了绝热膜24的吸热侧热交换基体2的外周，通过在注塑成型装置的模腔内安装而插入注塑成型了框体5，但也可以在设置了绝热膜24的吸热侧热交换基体2的外周嵌合所成型的框体5。 

作为该绝热膜24，可以使用例如环氧树脂[热传导率0.2W/m·K]、硅树脂[热传导率0.2W/m·K]、橡胶[热传导率0.15W/m·K]等。 

图5和图6是用于说明本发明第三实施方式的图，图5是热电变换装置的剖面图，图6是将吸热侧热交换基体插入注塑成型的框体的剖面图。 

在本实施方式中，与上述第二实施方式不同点在于，从框体5省略了具有粘结剂滞留部5f的延伸部5b和加强肋5d，使得框体5为薄型，随之吸热侧热交换基体2也为薄型。 

图7是用于说明本发明第四实施方式的图，是将吸热侧热交换基体插入注塑成型的框体的剖面图。在本实施方式中，与上述第三实施方式不同点在于，在框体5的U字型部5c的内周的一部分上设置了与吸热侧热交换基体2以小面积接触的突起25。 

上述第二～第四实施方式中的其它结构与图1、图2所示的上述第一实施方式相同，因此省略了对其的说明。 

作为上述实施方式中的框体5的材料，虽然使用聚苯硫醚(PPS)，但是可以使用其它材料，例如聚丁烯对苯二酸(PBT)[热传导率0.34W/m·K]、液晶聚合物[热传导率0.3W/m·K]等。这种情况下，也可以适量混合分散玻璃纤维等填料。 

在上述实施方式中，虽然在吸热侧热交换基体2在外周部形成了卡合突起19，但是也可以是不设置卡合突起的情况。 

Claims (5)

1.一种热电变换装置，包括：热电变换元件组；

使该热电变换元件组介在中间而相对地配置的吸热侧热交换基体和放热侧热交换基体；以及

由上下两端开口的中空体构成、基端部固定在上述吸热侧热交换基体或放热侧热交换基体任意一方的热交换基体的外周部分、在中空部容纳上述热电变换元件组和上述吸热侧热交换基体或者放热侧热交换基体的任意另一方的热交换基体的框体，其特征在于，

在相对于上述中空部中所容纳的上述热交换基体最接近的上述框体的部分和上述热交换基体的部分之间，设置了热传导率低比上述框体还低的绝热层。

2.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于，

上述绝热层为气体层。

3.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于，

上述绝热层为树脂层或者橡胶层。

4.根据权利要求1所述的热电变换装置，其特征在于，

上述框体具有固定在上述一方的热交换基体外周部的基端部、自该基端部的内周部在垂直方向延伸的延伸部、连结上述基端部和延伸部的中间连结部，

在上述延伸部的内侧容纳的上述热交换基体的外周面，形成与上述框体的中间连结部相对的部分的上述框体相比热传导率低的绝热层，在具有该绝热层的上述热交换基体的外周部通过插入注塑成型形成上述框体。

5.根据权利要求2所述的热电变换装置，其特征在于，

上述框体具有固定在上述一方的热交换基体的外周部的基端部、自该基端部的内周部在垂直方向延伸的延伸部、连结上述基端部和延伸部的中间连结部，

在该框体的延伸部的内侧容纳的上述热交换基体和延伸部之间设置粘结剂层，框体和上述热交换基体一体接合，

在与上述延伸部的内侧容纳的上述热交换基体的热电变换元件组相对的一侧的外周部设置向外侧突出的突起部，自该突起部和上述中间连结部之间至上述热交换基体的外周面和上述中间连结部之间形成剖面形状为L字型的空隙部，该空隙部为上述热交换基体和框体最接近的部分，上述空隙部为气体层。

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