JP2002151750A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱サイクルの繰り返しによる性能劣化を軽減
し、しかも動作信頼性に優れ、耐用寿命の長い熱電変換
装置を提供する。 【解決手段】 熱電変換素子群３を介して熱伝導性の良
好な吸熱側熱交換基体２と放熱側熱交換基体４とが対向
するように配置された熱電変換装置において、吸熱側熱
交換基体２または放熱側熱交換基体４のいずれか一方の
外周部を保持する合成樹脂材料から構成された枠体６を
有し、枠体６と、枠体６に保持されていない他方の熱交
換基体２に、他方の熱交換基体２と枠体６との相対的な
位置ずれを防止する係合突起２６と、その係合突起と係
合する被係合部とを設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却装置ある
いは熱発電装置などの熱電変換装置に係り、特に熱サイ
クルを繰り返しても性能劣化が少ない、動作信頼性に優
れ、耐用寿命の長い熱電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱電変換装置は、熱導体の間に熱
電変換素子群を配置し、熱導体と熱電変換素子群の間に
熱的な接触を良くする熱伝導性のグリースを介在して、
複数本のネジで両熱導体間を締結し熱電変換素子群を固
定していた。

【０００３】ネジは金属製或いはプラスチック製のもの
が使用され、金属製ネジは熱電変換素子群の固定として
の強度は十分に有しているが、そのままでは熱伝導度が
大きいため断熱ワッシャーを併用している。一方、プラ
スチック製ネジは熱伝導度は小さいが、機械強度が低い
ため接着剤などの補助的な補強を施す必要がある。

【０００４】このネジなどによる締結力は、熱導体と熱
電変換素子群の熱コンダクタンスを得ることと、熱電変
換素子群の固定のために必要である。なお、熱電変換素
子群の外周は、防水のためにシリコーンゴムなどでシー
ルされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように従来の熱
電変換装置は複数のネジにより両熱導体間を締結してい
るため、熱電変換素子群に均一な圧力を加えることが難
しく、熱電変換素子に偏荷重がかかり、素子が破壊され
ることがある。

【０００６】前記金属製ネジとして熱伝導度が比較的小
さい例えばステンレス製あるいは鉄製のものが使用され
ているが、これらの材質のものは熱導体や熱電変換素子
よりも熱膨張係数が小さい。そのため熱電変換装置の使
用によって生じる熱導体および熱電変換素子群の膨脹、
収縮に対してネジがそれらの動きを拘束するから、熱電
変換素子に大きな圧縮、引張り応力が繰り返し発生し
て、素子の破壊を生じる。

【０００７】またプラスチック製ネジは機械強度が低い
ため長期的な信頼性に欠け、さらに熱電変換装置の落下
衝撃試験に耐えられる強度は得られないなどの欠点を有
している。

【０００８】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、熱サイクルの繰り返しによる性能劣化を軽
減し、しかも動作信頼性に優れ、耐用寿命の長い熱電変
換装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、熱電変換素子群を介して熱伝導性の良好
な吸熱側熱交換基体と放熱側熱交換基体とが対向するよ
うに配置された熱電変換装置を対象とするものである。

【００１０】そして本発明は、前記吸熱側熱交換基体ま
たは放熱側熱交換基体のいずれか一方の外周部を保持す
る合成樹脂、例えばポリフェニレンサルファイドなどの
材料から構成された枠体を有し、その枠体と、その枠体
に保持されていない他方の熱交換基体に、その他方の熱
交換基体と枠体との相対的な位置ずれを防止する例えば
位置決めピンなどの係合突起と、その係合突起と係合す
る挿通孔などの被係合部とを設けたことを特徴とするも
のである。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は前述のように、一方の熱
交換基体を保持した枠体と、その枠体に保持されていな
い他方の熱交換基体に、その他方の熱交換基体と枠体と
の相対的な位置ずれを防止する係合突起と、その係合突
起と係合する被係合部とを設けたことを特徴とするもの
である。

【００１２】合成樹脂製の枠体は熱導体や熱電変換素子
とほぼ同程度の熱膨張係数を有し、動作時の熱導体や熱
電変換素子群の膨脹、収縮に対応して枠体も同様に伸び
縮みするから、熱電変換素子に発生する応力が大幅に低
減される。

【００１３】また、一方の熱交換基体を保持した枠体と
他方の熱交換基体の相対的な位置ずれを防止する構造に
なっているから、吸熱側熱交換基体と熱電変換素子群と
放熱側熱交換基体の密着が維持され、熱電変換装置の性
能劣化が防止でき、動作信頼性に優れ、非常に耐用寿命
の長い熱電変換装置を提供することができる。

【００１４】次に本発明の実施の形態を図１ないし図３
とともに説明する。図１は例えば電子冷蔵庫などの電子
冷却装置として用いる熱電変換装置の断面図、図２はそ
の熱電変換装置に使用される第１放熱側枠体の底面図、
図３はリード線の取り出し構造を示す一部拡大断面図で
ある。

【００１５】図１に示すように熱電変換装置は、例えば
冷蔵庫の庫内などの被冷却側に配置される吸熱部材１
と、吸熱側熱交換基体２と、熱電変換素子群３と、放熱
側熱交換基体４と、第１放熱側枠体６−１と、第２放熱
側枠体６−２と、分散部材７とから主に構成されてい
る。

【００１６】前記吸熱部材１は広い面積を有するフィン
ベースからなり多数の吸熱フィン（図示せず）を付設し
ており、必要に応じて近傍にファンを付設することがで
きる。なお、フィンベースと吸熱フィンは一体の場合も
あるし、また吸熱フィンがない場合もある。

【００１７】前記吸熱側熱交換基体２ならびに放熱側熱
交換基体４は共に例えばアルミニウムなどの熱伝導性の
良好な金属からなり、熱電変換素子群３と接する側の表
面に例えばアルマイトなどの電気絶縁膜が形成されてい
る。陽極酸化法によってアルマイトの絶縁膜を形成する
場合、その絶縁膜に封孔処理しない方が、後述する薄膜
３８を介しての熱電変換素子群３との接合性が良好であ
る。電気絶縁膜は、この他に溶射などで形成することも
可能である。この熱交換基体２，４の別の製法について
は後で説明する。

【００１８】図１に示すように吸熱側熱交換基体２は、
良好な冷却状態を確保するため肉厚のブロック体から構
成されている。

【００１９】前記熱電変換素子群３は、図示していない
が周知のように吸熱側電極と、放熱側電極と、両電極の
間に多数配置されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とから
構成され、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層は構造的ならび
に熱的に並列に配置されているが、電気的には前記電極
を介して直列に接続されている。

【００２０】前記第１吸熱側枠体６−１は図１に示され
ているように、放熱側熱交換基体４から吸熱側熱交換基
体２側にかけて配置されている。そして上方ならびに下
方が開口した中空状のもので、基端部６−１ａとその基
端部６−１ａの内周部から下方に向けて延びた延設部６
−１ｂとを有し断面形状がほぼ階段形をしている。基端
部６−１ａは、例えば接着剤あるいはＯリングと接着剤
の併用などにより放熱側熱交換基体４の下面周辺部に液
密に接合されている。

【００２１】前述のように吸熱側熱交換基体２は肉厚の
ブロック体からなり、従ってその外周部は吸熱側熱交換
基体２−熱電変換素子群３−放熱側熱交換基体４の積層
方向にほぼ沿って延びた延設部２ａを構成している。こ
の吸熱側熱交換基体２の延設部２ａと第１吸熱側枠体６
−１の延設部６−１ｂはほぼ平行に対向しており、両者
の間に注入された接着剤１４により吸熱側熱交換基体２
と第１吸熱側枠体６−１が一体に接合されている。接着
剤１４としては、例えばエポキシ系やアクリル系のよう
な硬化型接着剤、あるいはホットメルト系のような融着
型接着剤などが適用可能である。

【００２２】前記延設部２ａと延設部６−１ｂの間には
複数本の位置決めピン２６が挿通されて、接着剤１４が
完全に硬化する前の吸熱側熱交換基体２と第１吸熱側枠
体６−１との相対的に位置ずれを防止している。図２に
示されている６−１ｄが、延設部６−１ｂに形成された
ピン挿通孔である。

【００２３】延設部６−１ｂの外側には、基端部６−１
ａ側に延びた補強リブ６−１ｃが一体に複数個（本実施
の形態では４個）設けられている。図１に示されている
ように第１吸熱側枠体６−１は吸熱側熱交換基体２と放
熱側熱交換基体４を跨ぐように配置されているため、第
１吸熱側枠体６−１を伝わっての熱の戻りがある。この
熱の戻りを可及的に少なくするため、第１吸熱側枠体６
−１は比較的肉薄に成形する方がよいが、肉薄成形だと
第１吸熱側枠体６−１の機械的強度が低下する。そのた
めに本実施の形態では、基端部６−１ａと延設部６−１
ｂの間に複数個の補強リブ６−１ｃを設けて第１吸熱側
枠体６−１の剛直性を維持している。

【００２４】また、基端部６−１ａと延設部６−１ｂの
間を階段状、すなわち非直線状にすることにより、第１
吸熱側枠体６−１の吸熱側熱交換基体２から放熱側熱交
換基体４までの沿面距離を長く確保して、第１吸熱側枠
体６−１を伝わっての熱の戻りを少くしている。

【００２５】図２ならびに図３に示すように、基端部６
−１ａの所定位置にはリード線取出溝６−１ｅが形成さ
れて、熱電変換素子群３の電極３４に接続されたリード
線１９（給電手段）がこの取出溝６−１ｅから引き出さ
れ、取出溝６−１ｅとリード線１９の間はシール剤２７
で気液密にシールされている（図３参照）。

【００２６】前記第２放熱側枠体６−２は放熱側熱交換
基体４の上側に配置され、上方がほぼ塞がれ下方が開口
した中空状のもので、下方開口部がＯリング８を介して
放熱側熱交換基体４の上面周辺部に液密に接着されてい
る。第２放熱側枠体６−２のほぼ中央部に給水管部９
が、周縁近くに排水管部１０が設けられている。

【００２７】分散部材７は周壁７ａと、周壁７ａの下端
に連設した底壁７ｂと、底壁７ｂから放熱側熱交換基体
４側に延びた多数本のノズル部７ｅとが設けられ、前記
ノズル部７ｅに分散孔７ｄが形成されている。

【００２８】分散部材７を第２放熱側枠体６−２内に固
定することにより、分散部材７の給水管部９側に扁平状
の第１空間１１が形成され、分散部材７の放熱側熱交換
基体４側に扁平状の第２空間１３が形成されるととも
に、この第２空間１３と排水管部１０を連通する排水路
１２が形成される。

【００２９】前記放熱側枠体６−１，６−２は、例えば
ＰＰＳ（吸水率：０．０２％、水蒸気透過率：２．５ｇ
／ｍ2 ・２４ｈｒ／０．１ｍｍ）、ＰＢＴ（吸水率：
０．０７％、水蒸気透過率：６．９ｇ／ｍ2 ・２４ｈｒ
／０．１ｍｍ）、ＰＰ（吸水率：０．０１％、水蒸気透
過率：１．５〜３．０ｇ／ｍ2 ・２４ｈｒ／０．１ｍ
ｍ）などの吸水率ならびに水蒸気透過率の低い合成樹脂
で成形される。水蒸気透過率の高い枠体を使用すると、
特に吸熱側（低温側）において電極表面などに結露が生
じ、それが原因でショート、電極の腐食、熱抵抗の増加
などを引き起こすことになる。そのため本発明では放熱
側枠体、吸熱側枠体の材料として水蒸気透過率の低いも
のを選定している。

【００３０】本実施の態様では放熱側枠体６−１，６−
２がともに、水蒸気透過率ならびに熱伝導率が低く、か
つ熱電変換素子群３の半導体の線膨張率に近いという点
から、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）にガラス
繊維などのフィラーを２０〜７０重量％、好ましくは３
０〜７０重量％混合分散したものを使用している。ガラ
ス繊維などのフィラーの含有率が２０重量％未満だと線
膨張率が大きくなり、一方、含有率が７０重量％を超え
ると成形性が悪くなるから、含有率は２０〜７０重量％
の範囲に規制する必要がある。

【００３１】ガラス繊維が３０〜６０重量％添加された
ＰＰＳにおいては、線膨張係数は成形流れ方向で１８〜
２３×１０-6／℃の範囲で制御でき、半導体材料の線膨
張係数１６〜２２×１０-6／℃、熱交換基体として使用
するアルミニウムの線膨張係数２２〜２３×１０-6／℃
とほぼ同じであり、熱伝導率は０．２８〜０．４９〔Ｋ
ｃａｌ／ｍ・ｈ・℃〕と低い。

【００３２】図１に示すように熱移動媒体である水１５
を中央の給水管部９から供給すると第１空間部１１で一
斉に拡がり、各ノズル部７ｅ（分散孔７ｄ）から放熱側
熱交換基体４の上面に向けて勢いよく噴射する。放熱側
熱交換基体４に衝突して放熱側熱交換基体４の熱を奪っ
た水１５は隙間の狭い第２空間部１３で拡散し、排水路
１２を経て排水管部１０から系外へ排出される。排出さ
れた水１５は図示しないラジェタ−または自然放冷で冷
却され、強制循環系統を通り再利用される。

【００３３】図１に示した２８は断熱材で、第１放熱側
枠体６−１、放熱側熱交換基体４ならびに第２放熱側枠
体６−２の外周部を覆うように設置されている。この断
熱材２８は他の実施の形態に係る熱電変換装置でも施さ
れているが、図面を簡略化するため断熱材２８の図示を
省略している。なお、断熱材２８は必ずしも必要ではな
い。

【００３４】なおこの実施の形態においては、第１放熱
側枠体６−１と第２放熱側枠体６−２を別体としたが、
第１放熱側枠体６−１と第２放熱側枠体６−２を一体に
形成したり、あるいは放熱側熱交換基体４と第２放熱側
枠体６−２を一体に形成することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明は前述のように、一方の熱交換基
体を保持した枠体と、その枠体に保持されていない他方
の熱交換基体に、その他方の熱交換基体と枠体との相対
的な位置ずれを防止する係合突起と、その係合突起と係
合する被係合部とを設けたことを特徴とするものであ
る。

【００３６】合成樹脂製の枠体は熱導体や熱電変換素子
とほぼ同程度の熱膨張係数を有し、動作時の熱導体や熱
電変換素子群の膨脹、収縮に対応して枠体も同様に伸び
縮みするから、熱電変換素子に発生する応力が大幅に低
減される。

【００３７】また、一方の熱交換基体を保持した枠体と
他方の熱交換基体の相対的な位置ずれを防止する構造に
なっているから、吸熱側熱交換基体と熱電変換素子群と
放熱側熱交換基体の密着が維持され、熱電変換装置の性
能劣化が防止でき、動作信頼性に優れ、非常に耐用寿命
の長い熱電変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る熱電変換装置の断面
図である。

【図２】その熱電変換装置に使用する第１放熱側枠体の
底面図である。

【図３】その熱電変換装置におけるリード線の取り出し
構造を説明するための一部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 吸熱部材 ２ 吸熱側熱交換基体 ２ａ 延設部 ３ 熱電変換素子群 ４ 放熱側熱交換基体 ５ 吸熱側枠体 ５ｂ 延設部 ６ 放熱側枠体 ６−１ 第１放熱側枠体 ６−２ 第２放熱側枠体 ６ｂ、６−１ｂ、６−２ｂ 延設部 ６−１ｃ 補強リブ ７ 分散板 １４ 接着剤 １５ 水 １８ 端子部材 １９ リード線 ２６ 位置決めピン ３０ 金属板 ３１ 電気絶縁膜 ３２ 金属板 ３３ 電気絶縁膜 ３４ 放熱側電極 ３５ Ｐ型半導体層 ３６ Ｎ型半導体層 ３７ 吸熱側電極 ３８ 薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 一也 北海道登別市柏木町３丁目36番83号 Ｆターム(参考） 5F036 BC00

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電変換素子群を介して熱伝導性の良好
   な吸熱側熱交換基体と放熱側熱交換基体とが対向するよ
   うに配置された熱電変換装置において、 前記吸熱側熱交換基体または放熱側熱交換基体のいずれ
   か一方の外周部を保持する、合成樹脂材料から構成され
   た枠体を有し、 その枠体と、その枠体に保持されていない他方の熱交換
   基体に、その他方の熱交換基体と枠体との相対的な位置
   ずれを防止する係合突起と、その係合突起と係合する被
   係合部とを設けたことを特徴とする熱電変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記枠体に保持されていない他方の熱交換基体が肉厚の
   ブロック体からなり、そのブロック体の外周部が前記枠
   体と係合していることを特徴とする熱電変換装置。