JP2001044521A - 液冷式熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱基板を冷却する効率を向上させ、冷却能
力を向上する 【解決手段】 熱電変換モジュール１の放熱面１ａ側
に、冷却媒体を前記放熱面１ａと並行に通流させる流路
４が設けられ、冷却媒体の供給口１２に連通している第
１空間部６が前記流路４の一方の端部に設けられ、冷却
媒体の排出口１３に連通している第２空間部７が前記流
路４の他方の端部に設けられ、前記放熱面１ａと垂直方
向の前記流路４の幅が同方向の前記第１空間部６の幅よ
り小さく、前記流路４の前記放熱面１ａと反対の壁面４
ａに冷却媒体の流れを乱す乱流部材９が複数設けられて
いることを特徴とする液冷式熱電変換装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液冷式熱電変換装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フロンガスは、生物の生存を脅かす紫外
線を吸収し、地球を紫外線から守っているオゾン層を破
壊する作用がある。このためフロンを使用しない冷却装
置の開発が要請されている。この装置として、熱電変換
モジュールを使用した冷却装置が開発されている。熱電
変換モジュールは、吸熱基板と放熱基板の間にＰ型、Ｎ
型半導体からなる熱電変換素子を挟んで構成されてい
る。半導体作用により吸熱基板側から熱を吸収し、放熱
基板側に熱を放出して吸熱基板側を冷却する。冷却能力
を向上するためには、放熱基板側の放熱効率を向上する
必要がある。

【０００３】従来技術として、特開平９−１８０５９号
公報には、放熱基板の半導体支持面と反対側の面に対し
て衝突するように液状熱移動媒体を供給する熱電変換装
置が開示されている。すなわち、熱電変換モジュールの
放熱側基板のほぼ全面を覆うカバー部材が設けられ、こ
のカバー部材の中央部に給水管部が設けられ、カバー部
材の周縁近くに排出管部が設けられている。そして、カ
バー部材と放熱側基板とから形成される空間は、分散部
材により第１空間と第２空間とに分かれている。この分
散部材は、上面の中央に円形の凹部が設けられ、凹部に
は複数の供給孔が設けられ、外周部に設けられたつば部
には四隅に排出穴が設けられている。

【０００４】液状熱移動媒体をカバー部材の給水管部か
ら供給すると第１空間で拡散し、複数の供給孔から放熱
側基板に向けて噴出する。供給孔から噴出した液状熱移
動媒体は、放熱側基板に衝突して熱を奪い、第２空間で
拡散し、排出穴から排水路を経て排水管部から外部へ排
出される。排出された水はラジエータ又は自然放冷で冷
却され、循環系統を通って再利用されている。

【０００５】本従来技術は、熱電変換モジュールの放熱
側基板が水平になるように、熱電変換装置が取り付けら
れた場合、液状熱移動媒体は第１空間において給水管部
を中心に四方へ拡散し、複数の供給孔から放熱基板に向
けて噴出することができ、効率的に放熱基板を冷却する
ことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術において、熱電変換モジュールの放熱基板が垂直の場
合には、液状熱移動媒体は重力の影響を受けて第１空間
を均一には拡散しにくい。すなわち、液状熱移動媒体は
給水管部より下側の第１空間に拡散しやすく、それより
上側の第１空間には拡散しにくい。液状熱移動媒体は主
に分散部材の下側にある供給孔から放熱側基板に衝突す
ることになる。このため、液状熱移動媒体は熱電変換モ
ジュールの放熱基板の全面から効果的に熱を奪うことが
できず、熱電変換装置の冷却能力が低下するという問題
点がある。

【０００７】本発明は上記課題を解決したもので、放熱
基板を冷却する効率を向上させ、冷却能力に優れた液冷
式熱電変換装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、熱電変換モ
ジュールの放熱面側に、冷却媒体を前記放熱面と並行に
通流させる流路が設けられ、冷却媒体の供給口に連通し
ている第１空間部が前記流路の一方の端部に設けられ、
冷却媒体の排出口に連通している第２空間部が前記流路
の他方の端部に設けられ、前記放熱面と垂直方向の前記
流路の幅が同方向の前記第１空間部の幅より小さく、前
記流路の前記放熱面と反対の壁面に冷却媒体の流れを乱
す乱流部材が複数設けられていることを特徴とする液冷
式熱電変換装置である。

【０００９】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１０】すなわち、冷却媒体の流れを乱流部材で乱
すことにより、熱電変換モジュールの放熱面を効率的に
冷却することができるので、熱電モジュールの設置方向
によらず冷凍能力に優れた液冷式熱電変換装置ができ
る。

【００１１】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記乱流部材の前記壁面から
の高さが、前記放熱面と垂直方向の前記流路の幅より小
さいことを特徴とする請求項１記載の液冷式熱電変換装
置である。

【００１２】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１３】すなわち、乱流部材により流路が狭くで
き、この部分で冷却媒体の流速が早くなるので、熱電変
換モジュールの放熱面を効率的に冷却することができ、
冷凍能力を向上できる。

【００１４】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記乱流部材の長手方向が、
前記流路の冷却媒体の通流方向と直交する方向であるこ
とを特徴とする請求項１記載の液冷式熱電変換装置であ
る。

【００１５】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１６】すなわち、冷却媒体の流れを効果的に乱す
ことができるので、熱電変換モジュールの放熱面を効率
的に冷却することができ、冷凍能力を向上できる。

【００１７】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記乱流部材の長手方向の長
さが、該長手方向と同一方向の前記流路の幅と同じであ
ることを特徴とする請求項３記載の液冷式熱電変換装置
である。

【００１８】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１９】すなわち、冷却媒体の流れを、流路のすべ
ての幅の部分で効果的に乱すことができるので、熱電変
換モジュールの放熱面を効率的に冷却することができ、
冷凍能力を向上できる。

【００２０】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記乱流部材の長手方向の長
さが、該長手方向と同一方向の前記流路の幅より短く、
冷却媒体の通流方向に隣り合う前記乱流部材の長手方向
の互いに異なる一方の端部が、前記乱流部材の長手方向
と直交する壁に結合され、冷却媒体の通流方向に隣り合
う前記乱流部材の長さの合計が、該長手方向と同一方向
の前記流路の幅以上であることを特徴とする請求項３記
載の液冷式熱電変換装置である。

【００２１】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２２】すなわち、冷却媒体の流れを、冷却媒体の
通流方向に隣り合う乱流部材により流路のすべての幅の
部分で効果的に乱すことができるので、熱電変換モジュ
ールの放熱面を効率的に冷却することができ、冷凍能力
を向上できる。

【００２３】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技
術的手段と称する。）は、前記乱流部材の長手方向と直
交する断面形状が略三角形であることを特徴とする請求
項３記載の液冷式熱電変換装置である。

【００２４】上記第６の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２５】すなわち、冷却媒体を熱電変換モジュール
の放熱面側に効率的に衝突させることができるので、前
記放熱面を効率的に冷却することができ、冷凍能力を向
上できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例の液
冷式熱電変換装置の断面図である。

【００２７】本液冷式熱電変換装置は、２個の熱電変換
モジュール１と、その熱電変換モジュール１の放熱面１
ａに接続された第１金属プレート２と、熱電変換モジュ
ール１の吸熱面１ｂに接続された第２金属プレート１８
と、前記第１金属プレート２の前記放熱面１ａと反対側
の面を覆うジャケット３と、これらのものを内部に内蔵
するケース１１と、前記第２金属プレート１８の前記吸
熱面１ｂのと反対側の面に接続されたヒートシンク１９
から構成されている。このヒートシンク１９には、放熱
フィン２０が付属している。

【００２８】前記ジャケット３は、Ｏリング１０により
シールされ、ボルト５１により第１金属プレート２と連
結されている。前記ケース１１は、ボルト５２によりヒ
ートシンク１９と連結されている。このケース１１に
は、冷却媒体の供給口１２および排出口１３が設けられ
ている。ジャケット３とケース１０の間にはスプリング
１７が設けられ、ジャケット３、第１金属プレート２を
第２金属プレート１８の方へ付勢している。

【００２９】第１金属プレート２とジャケット３とか
ら、流路４が形成されている。この流路４の領域は少な
くとも１個の熱電変換モジュール１の放熱面の面積より
少し大きい。流路４の一方の端には第１空間部６が設け
られ、他方の端には第２空間部７が設けられている。第
１空間部６は流路入口５と連結しており、第２空間部７
は流路出口８と連結している。

【００３０】前記流路入口５と前記供給口１２は第１パ
イプ１４により連結している。前記流路出口８と前記排
出口１３は第２パイプ１５により連結している。第１パ
イプ１４の両端はＯリング溝を有しており、Ｏリング１
４ａ、１４ｂが取り付けられ、冷却媒体をシールしてい
る。第２パイプ１５の両端はＯリング溝を有しており、
Ｏリング１５ａ、１５ｂ取り付けられ、冷却媒体をシー
ルしている。これらにより、前記第１空間部６は、流路
入口５、第１パイプ１４を介して供給口１２と連通して
いる。前記第２空間部７は、流路出口８、第２パイプ１
５を介して供給口１２と連通している。

【００３１】図２は実施例の流路部分を説明する概略正
面図である。図３は実施例の流路部分を説明する概略断
面図である。前記放熱面１ａと垂直方向の前記流路４の
幅は２．４ｍｍであり、第１空間部６の同方向の幅より
小さい。冷却媒体の通流方向の前記流路４の長さは３５
ｍｍである。前記流路４の放熱面１ａと反対の壁面４ａ
に複数の乱流部材９が設けられている。この乱流部材９
の長手方向は、流路４の冷却媒体の通流方向すなわち第
１空間部６から第２空間部７へ向かう方向と直交する方
向である。

【００３２】前記乱流部材９は、流路４の冷却媒体の通
流方向に、一定の間隔（ピッチ８ｍｍ）で並列に配置さ
れている。実施例では、乱流部材９は６個設けられてい
るが、この数には限定されず、冷却能力を最大にできる
数を選択して設計される。

【００３３】前記乱流部材９の長手方向の長さは、前記
長手方向と同一方向の流路４の幅と同じ３０ｍｍであ
る。また、前記乱流部材９の壁面４ａからの高さ１．７
ｍｍは、前記放熱面１ａと垂直方向の前記流路４の幅
２．４ｍｍより小さく、その長手方向と直交する断面形
状は三角形状をしている。

【００３４】冷却媒体は、外部からケース１１の供給口
１２へ供給され、第１パイプ１４を通り、流路入口５か
ら入り第１金属プレート２と衝突し、第１空間部６内を
拡散する。そして、第１金属プレート２に沿って流れ、
複数の乱流部材９により乱流状態となり、さらに乱流部
材９と第１金属プレート２との隙間（０．７ｍｍ）によ
り流速が早くなることにより第１金属プレート２を介し
て熱電変換モジュール１からの熱を効果的に奪うことが
できる。冷却媒体は第２空間部７で集められ流路出口８
から第２パイプ１５を通り、ケース９の排出口１３から
外部へ排出される。

【００３５】熱電変換モジュール１がヒートシンク１９
を介して吸収した熱および熱電変換モジュール１で発生
する熱を冷却媒体へ放熱することによりヒートシンク１
９がある空間を冷却することができる。冷却媒体は図示
されていない放熱手段により熱を放出し、図示されてい
ないポンプによりケース１１の供給口１２へ再循環され
る。

【００３６】図４は実施例の液冷式熱電変換装置を取り
付けた冷蔵庫の背面カバーを外した状態の概略部分斜視
図である。図５は実施例の液冷式熱電変換装置を取り付
けた冷蔵庫の概略断面図である。

【００３７】実施例の液冷式熱電変換装置３０は、冷蔵
庫背面部４１にヒートシンク１９を冷蔵庫内３６側にし
て熱電変換モジュール１が垂直になるように取り付けら
れている。冷蔵庫内３６と冷蔵庫背面部４１の間には、
冷蔵庫内３６の空気を通流させる空気流路４２が設けら
れている。この空気流路４２と冷蔵庫内３６を仕切る空
気流路板４３の下側には、空気口４４が設けられ、上部
には庫内ファン３５が備えられている。

【００３８】前記液冷式熱電変換装置３０の排出口１３
は、配管３１ａを介してポンプ３２と連結している。こ
のポンプ３２は配管３１ｂを介して放熱器３３と連結
し、この放熱器３３は配管３１ｃを介して前記液冷式熱
電変換装置３０の供給口１２と連結している。前記放熱
器３３には、これを空冷するための放熱ファン３４が付
属している。冷却媒体としてエチレングリコール水溶液
を使用している。

【００３９】冷却媒体はポンプ３２により、配管３１
ｂ、放熱器３３、配管３１ｃを介して液冷式熱電変換装
置３０の供給口１２から流路４に供給される。流路４に
供給された冷却媒体は、第１金属プレート２を冷却し、
第１金属プレート２を介して熱電変換モジュール１から
の熱を奪い、排出口１３から排出される。。この熱電変
換モジュール１には外部から電気が供給され、第２金属
プレート１８から吸熱し第１金属プレート２に放熱す
る。これにより、第２金属プレート１８に付属している
放熱フィン２０を通過する空気を冷却する。

【００４０】液冷式熱電変換装置３０の排出口１３から
排出された冷却媒体は配管３１ａを介してポンプ３２に
戻る。この冷却媒体は、放熱器３３において放熱ファン
３４で強制的に送風される空気へ熱を放出し、ポンプ３
２により前記供給口１２へ再び循環される。

【００４１】冷蔵庫内３６の空気は、庫内ファン３５に
より空気口４４から空気流路４４を通って庫内ファン３
５から再び冷蔵庫内３６に循環される。この空気が、空
気流路４２中で液冷式熱電変換装置３０の放熱フィン２
０を通過するときに冷却されるので、冷蔵庫内３６が冷
却される。このように本冷蔵庫は熱電変換モジュールの
半導体作用により冷却される。したがって、本冷蔵庫は
フロンガスを使用していないので、オゾン層を破壊する
ガスを放出する恐れがない。

【００４２】本冷蔵庫を周囲温度２５℃において運転
し、冷蔵庫内３６の温度が５℃に安定した時の成績係数
（＝吸熱量／消費電力の合計）を測定したところ、成績
係数は０．３９であった。従来技術と同じ冷却媒体流路
構造を作製し、実施例と同じ熱電変換モジュールを使用
して熱電変換装置を製造し、実施例の冷蔵庫に取り付け
て成績係数を実測したところ、成績係数は０．３５であ
った。実施例の方が優れていることが確認できた。

【００４３】ここで使用した冷蔵庫では、熱電変換装置
の熱電変換モジュールが垂直になるように取り付けられ
ているので、従来技術の冷却媒体流路構造では熱電変換
モジュールの上半部が十分冷却されなかったため、成績
係数が低くなった。これに対して、本発明の液冷式熱電
変換装置では、乱流部材により冷却部材の流速を早くし
て効率的に第１金属プレート２を冷却できるので、成績
係数を向上させることができた。

【００４４】冷蔵庫で使用する場合、熱電変換モジュー
ルを垂直にして使用した方が、冷蔵庫を小型にでき、か
つ効率的に冷却することができるので、特に有用性が高
い。

【００４５】図６は流路部分の変形例を説明する正面図
である。乱流部材２１ａ、２１ｂの長手方向と直交する
断面形状は、実施例と同じ三角形状である。この長手方
向の長さは、前記長手方向と同一方向の流路４の幅より
短く、冷却媒体の通流方向に隣り合う前記乱流部材２１
ａ、２１ｂの長手方向の互いに異なる一方の端部が、前
記乱流部材２１ａ、２１ｂの長手方向と直交する壁に結
合され、冷却媒体の通流方向に隣り合う前記乱流部材２
１ａ、２１ｂの長さの合計が、該長手方向と同一方向の
前記流路の幅以上である。乱流部材２１ｂ、２１ａの間
隔は、冷却媒体の流れ方向に対して一定となっている。
冷却媒体は、前記乱流部材２１ｂ、２１ａの少なくとも
一方で流速が早くなり、効果的に第１金属プレート２を
冷却することができるので、冷却能力に優れた液冷式熱
電変換装置ができる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、熱電変換モジ
ュールの放熱面側に、冷却媒体を前記放熱面と並行に通
流させる流路が設けられ、冷却媒体の供給口に連通して
いる第１空間部が前記流路の一方の端部に設けられ、冷
却媒体の排出口に連通している第２空間部が前記流路の
他方の端部に設けられ、前記放熱面と垂直方向の前記流
路の幅が同方向の前記第１空間部の幅より小さく、前記
流路の前記放熱面と反対の壁面に冷却媒体の流れを乱す
乱流部材が複数設けられていることを特徴とする液冷式
熱電変換装置であるので、放熱基板を冷却する効率を向
上でき、冷却能力を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の液冷式熱電変換装置の断面図

【図２】実施例の流路部分を説明する概略正面図

【図３】実施例の流路部分を説明する概略断面図

【図４】実施例の液冷式熱電変換装置を取り付けた冷蔵
庫の背面カバーを外した状態の概略部分斜視図

【図５】実施例の液冷式熱電変換装置を取り付けた冷蔵
庫の概略断面図

【図６】流路部分の変形例を説明する正面図

【符号の説明】

１…熱電変換モジュール １ａ…放熱面 ４…流路 ４ａ…壁面 ６…第１空間部 ７…第２空間部 ９、２１ａ、２１ｂ…乱流部材 １２…供給口 １３…排出口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電変換モジュールの放熱面側に、冷却
   媒体を前記放熱面と並行に通流させる流路が設けられ、
   冷却媒体の供給口に連通している第１空間部が前記流路
   の一方の端部に設けられ、冷却媒体の排出口に連通して
   いる第２空間部が前記流路の他方の端部に設けられ、前
   記放熱面と垂直方向の前記流路の幅が同方向の前記第１
   空間部の幅より小さく、前記流路の前記放熱面と反対の
   壁面に冷却媒体の流れを乱す乱流部材が複数設けられて
   いることを特徴とする液冷式熱電変換装置。
2. 【請求項２】 前記乱流部材の前記壁面からの高さが、
   前記放熱面と垂直方向の前記流路の幅より小さいことを
   特徴とする請求項１記載の液冷式熱電変換装置。
3. 【請求項３】 前記乱流部材の長手方向が、前記流路の
   冷却媒体の通流方向と直交する方向であることを特徴と
   する請求項１記載の液冷式熱電変換装置。
4. 【請求項４】 前記乱流部材の長手方向の長さが、該長
   手方向と同一方向の前記流路の幅と同じであることを特
   徴とする請求項３記載の液冷式熱電変換装置。
5. 【請求項５】 前記乱流部材の長手方向の長さが、該長
   手方向と同一方向の前記流路の幅より短く、冷却媒体の
   通流方向に隣り合う前記乱流部材の長手方向の互いに異
   なる一方の端部が、前記乱流部材の長手方向と直交する
   壁に結合され、冷却媒体の通流方向に隣り合う前記乱流
   部材の長さの合計が、該長手方向と同一方向の前記流路
   の幅以上であることを特徴とする請求項３記載の液冷式
   熱電変換装置。
6. 【請求項６】 前記乱流部材の長手方向と直交する断面
   形状が略三角形であることを特徴とする請求項３記載の
   液冷式熱電変換装置。