JP2002537658A - 固体熱電装置 - Google Patents

固体熱電装置

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JP2002537658A
JP2002537658A JP2000600313A JP2000600313A JP2002537658A JP 2002537658 A JP2002537658 A JP 2002537658A JP 2000600313 A JP2000600313 A JP 2000600313A JP 2000600313 A JP2000600313 A JP 2000600313A JP 2002537658 A JP2002537658 A JP 2002537658A
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thermoelectric device
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ピコネ，ビンセンツォ
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ペルテク エッセ エレ エレ
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Abstract

(57)【要約】 固体熱電装置は、プリント回路上に組み立てられた、少なくとも１列の金属導体及び／又はＮ型及びＰ型半導体熱電素子（１１、１２）を有する。該熱電素子は、電気的に直接接続した熱電対を形成している。好適な実施例では、装置の構造は、少なくとも１対の積層素子（１３）から形成されている。積層素子は、それぞれ、高分子材料の支持層と少なくとも１層の導電材料層とからなる。２つの高分子材料の積層素子間には、それらを互いに強固に接続するために、接合層（１４）を介在させている。プリント回路は、積層素子の導電材料層（１０）からなり、熱電素子を電気的に直列接続し、それぞれ、熱側または冷側を持つ熱電対を構造の一側のみに形成する。熱電装置の構造は、螺旋形または円形巻回形状を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には熱電装置に関し、具体的には固体熱電ヒートポンプに使
用するための熱電装置に関する。
【０００２】 熱電効果は、電気回路中に温度差が存在するときに生じる現象である。熱電効
果の一例は、ペルチェ効果によって与えられる。簡単に言えば、電流が金属・金
属接合あるいは金属・半導体接合を通過するときに、当該接合において電流の方
向に応じて熱が解放あるいは吸収される。ペルチェ効果は可逆である。即ち、電
流の方向を反転すれば、冷接合は熱接合になり、熱接合は冷接合になる。金属・
金属接合を利用するよりは、金属・半導体接合を利用する方がより大きな温度差
を達成可能であることが判明している。ペルチェ効果は、固体熱電ヒートポンプ
の動作原理である。
【０００３】 以下の説明では、用語「熱電装置」は、材料物質を加熱あるいは冷却するため
にペルチェ効果を利用する固体装置を示す。用語「熱電素子」は、金属導体ある
いは半導体材料のバーを示す。用語「熱電対」は、１つの電極を介してその一端
で電気的に直列に接続した２つの熱電素子の組み合わせを示す。
【０００４】
【従来の技術】
固体熱電ヒートポンプは、１９６０年以来市販されている。当初は、ヒートポ
ンプが金属導体熱電素子を含んでいた。現在、半導体分野における近代技術にお
いては、固体熱電ヒートポンプには、ドープ処理されたＮ型およびＰ型の合金Ｂ
ｉ2Ｔｅ3、ＰｂＴｅ、ＳｉＧｅ、および、ＢｉＳｂからなる熱電素子を具備して
いる。当業において一般に知られている熱電装置は、変動幾何学的形状を示す平
面構成を有している。この種の熱電装置では、熱電対は、銅とともに積層された
Ａｌ2Ｏ3ベースのセラミック材からなる素子によってサンドイッチ構造内に支持
される。
【０００５】
【発明の開示】
本発明は、金属導体および／またはＮ型及びＰ型半導体熱電素子で形成した熱
電対の新規な構成を備えた熱電装置を提供する。本発明は、また、本発明の熱電
装置を含むヒートポンプを提供する。
【０００６】 本発明の第１実施例によれば、プリント回路上に組み立てられた少なくとも１
列の金属導体及び／又はＮ型及びＰ型半導体熱電素子を有し、それによって前記
熱電素子が電気的に直列接続した熱電対を形成する固体熱電装置において、該熱
電装置は、 それぞれ、高分子材料からなる支持層と少なくとも１層の導電材料層とから形
成される、少なくとも１対の積層素子と、 前記２つの高分子材料の積層素子を互いに強固に接続するために前記高分子材
料積層素子間に介在させた接合材料層とからなる構造を持ち、 前記プリント回路は前記積層素子の導電材料層からなり、前記熱電素子を電気
的に直列接続して、それぞれ熱側または冷側を持つ熱電対を前記構造の一側のみ
に形成し、 前記熱電装置の構造は、螺旋形または円形巻回形状を持つことを特徴とする熱
電装置。
【０００７】 本発明の第２実施例によれば、プリント回路上に組み立てられた少なくとも１
列の金属導体及び／又はＮ型及びＰ型半導体熱電素子を有し、それによって前記
熱電素子が電気的に直列接続した熱電対を形成する固体熱電装置において、該熱
電装置は、 高分子材料からなる支持層とその各面上の導電材料層とから形成される積層素
子と、 積層素子の端部を互いに強固に接続するために積層素子の端部間に介在させる
接合材料層とからなる構造を持ち、 前記プリント回路は前記積層素子の導電材料層の少なくとも１層からなり、前
記熱電素子を電気的に直列接続して、それぞれ熱側または冷側を持つ熱電対を前
記構造の一側のみに形成し、 前記構造は、螺旋形または円形巻回形状を持つことを特徴とする熱電装置。
【０００８】
【発明の実施形態】
図面のうちの図１は、本発明の熱電装置の第１実施例を示している。この第１
実施例によると、熱電装置は、一対の積層素子を有する。積層素子は、それぞれ
、高分子材料の層と金属材料、典型的には、銅材料の層とから形成される。この
２つの積層素子は、高熱伝達係数を有する接着性樹脂、例えば、銀あるいは酸化
金属充填材を含有するエポキシ樹脂を積層素子間に介在させることによって、そ
れぞれの高分子材料層同士で互いに直接接合される。こうして付着させた積層素
子は、螺旋形あるいは円形形状に巻かれ、固体熱電ヒートポンプに適用される熱
電装置のコアを形成する。熱電素子が接続されるプリント回路のパターンは、エ
ッチング工程によって金属材料層上に作成される。螺旋形あるいは円形巻回コア
の各巻回は、それゆえ、接着剤とともに接合した一対の積層素子から形成される
。符号１０は、Ｐ型及びＮ型熱電素子１１及び１２がそれぞれ共晶錫合金を使用
して半田付けされる金属材料のトラックの横断面を示す。符号１３は、高分子材
料の層の横断面を示し、符号１４は、螺旋形あるいは円形巻回コアを小型化およ
び寸法安定化させるために螺旋形あるいは円形巻回コアの２つの積層素子を接合
する接着材料の層を示す。金属材料１０のトラックの厚さは、パワーによって、
それゆえ、本発明の熱電装置に流れる電流のピーク値によって変化する。勿論、
ジュール効果によって生じるトラックの過熱を避けるために、トラックの厚さは
過小にするべきではない。好適には、厚さ寸法は、７０乃至３００μｍの範囲と
すべきである。高分子材料層１３の厚さは、熱電装置のコアを巻回しパックする
のに用いられる機械的な力による。特に、この厚さ寸法は、良好な機械的強度を
保証する一方で効果的な熱伝達を保証するように選択されることになる。好適に
は、厚さ寸法は、５０乃至１５０μｍの範囲とすべきである。接着材料層１４の
目的は、気泡の形成を防ぎ、発生し得る表面欠陥を均すために、コアをパックし
て２つの積層素子の接触面を平らにすることである。接着材料層１４の別の目的
は、良好な熱伝達を保証することである。このために、熱硬化性樹脂、例えば、
微粉金属元素充填材を含有したエポキシ樹脂を使用すべきである。樹脂は、堆積
する材料の量を制限して薄い層、好適には、１０乃至１５μｍ以下の厚さの層を
形成するように、スクレイパを用いて広げられる。Ｎ型及びＰ型半導体熱電素子
が使用される場合、樹脂は、ほぼ摂氏１４０度の温度で実施される熱電素子の半
田付け作業中に同時かつ完全に硬化するように配合すべきである。
【０００９】 図面のうちの図２は、本発明の熱電装置の第２実施例を示している。本実施例
によると、熱電装置は、一対の積層素子を有し、該積層素子は、それぞれ、高分
子材料の層と、高分子材料層の両対向面上に配置された、金属材料、典型的には
、銅材料の２枚の層とから形成される。この２つの積層素子は、半田付け作業に
よって、それぞれの金属材料層のうちの薄い方の層同士で互いに直接接合される
。摂氏１１８度で溶解するＳｎ−Ｉｎ共晶合金の層、あるいは、摂氏１３５度で
溶解するＳｎ−Ｂｉ共晶合金の層が、巻回コアが螺旋形のコイルから形成される
か、あるいは円形形状コイルから形成されるということに応じて使用されるへき
である。熱電素子を支持するプリント回路のパターンは、各積層素子の金属材料
層のうちの厚い方の層上に作成される。２つの積層素子は、螺旋形状に巻回され
るコア組立体の場合には、半導体と共に同時に半田付けされ、円形状に巻回され
るコア組立体の場合には、順次半田付けされる。どちらの場合にも、最終的な結
果は、固体ヒートポンプに適用される巻回コアになる。符号１０は、Ｐ型及びＮ
型熱電素子１１及び１２がそれぞれ共晶錫合金を用いて半田付けされる金属材料
トラックの横断面を示す。符号１３は、高分子材料層の横断面を示し、符号１５
は、金属材料層のうちの薄い方の層を示す。符号１６は、螺旋形あるいは円形巻
回コアを小型化および寸法安定化させるために螺旋形あるいは円形巻回コアの２
つの積層素子を接合するＳｎ−ＩｎまたはＳｎ−Ｂｉ共晶合金層の横断面を示す
。金属材料トラック１０の厚さは、パワーによって、それゆえ、本発明の熱電装
置に流れる電流のピーク値によって変化することになる。勿論、ジュール効果に
よって生じるトラックの過熱を避けるために、トラックの厚さは過小にするべき
ではない。好適には、厚さ寸法は、７０乃至３００μｍの範囲とすべきである。
高分子材料層１３の厚さは、熱電装置のコアを巻回しパックするのに用いられる
機械的な力による。特に、この厚さ寸法は、一方では良好な機械的強度を保証し
、他方では効果的な熱伝達を保証するように選択される。本発明の第２実施例で
は、金属材料薄層１５の目的は機械的強度に貢献することなので、薄層１５はエ
ッチング作業を受けない。それゆえ、考えられる厚さ寸法は、好適には、３５乃
至１００μｍの範囲とすべきである。金属材料薄層１５の目的は、螺旋形あるい
は円形巻回コアの２つの積層素子の最終的な半田付けのために用いられる共晶合
金を支持することである。好適には、金属材料薄層１５の厚さは１５乃至３０μ
ｍの範囲とすべきである。共晶合金層１６は、予め、２つの積層素子の少なくと
も一方上に堆積させる。これは、例えば、錫フロー蒸着作業や、マスクを使用し
て、適当な溶剤で調剤した共晶錫合金のチキソトロープ分散の配合物を塗布する
塗布作業によって行われる。本発明の第１実施例によって作成した熱電装置を選
ぶかあるいは第２実施例によって作成した熱電装置を選ぶかという選択は、設計
仕様書と製造コストに依存する。
【００１０】 図面のうちの図３及び４は、本発明の第１実施例あるいは第２実施例のいずれ
か一方による熱電装置の横断面を示している。熱電装置は固体ヒートポンプに適
用される。ヒートポンプの寸法は、その定格パワーによって変わりうる。符号１
７及び１８は、それぞれ、固体熱電ヒートポンプに使用される熱交換器の外部管
および内部管を示す。符号１９は、外部熱交換管の冷却フィンを示す。外部交換
管１８は、図３及び４の螺旋形または円形巻回コア２０の周りに配置される。良
好なヒートポンプの動作を保証するには熱交換管が摂氏５０乃至５５度より高い
温度で動作してはいけないという事実を考慮して、放熱すべき熱の量に応じて冷
却フィンの形状を構成する。あるいは、熱交換管１７は、より小さな冷却フィン
で構成し、冷却流体が循環する中空空間を内部に備えても良い。熱交換管１７は
、全体をアルミニウムで作っても良く、その厚さは、直接熱接触している表面の
締め付けを確保するために可撓性を構造に与えることができる程度にする。更に
、図３に示す螺旋形巻回コアの場合、外部熱交換管１７の輪郭は、螺旋形巻回コ
アを形成する構造上、偏心率を考慮しなければならない。本発明の第１及び第２
実施例による熱電装置では、コアは、積層素子の高分子材料層によって支持され
た全ての熱電対から形成された構造を持つことが分かる。巻回コアを形成する巻
回は、図１の積層素子の場合には熱伝導性接着剤によって、また、図２の積層素
子の場合にはＳｎ−ＩｎまたはＳｎ−Ｂｉ共晶合金によって、密にパックされ接
合される。巻回コアを形成する巻回の数は、熱電ヒートポンプの定格パワーに依
存する。実験結果では、過剰な製造コストをもたらさずに１乃至１５の範囲の巻
き数で最適的な性能が得られることが示されている。符号２１は、螺旋形あるい
は円形巻回コアの構造上に半田付けされた２つの金属導体あるいはＮ型及びＰ型
半導体熱電素子の位置を示す。熱交換管１８は、全体を銅で作っても良く、図３
に示す螺旋形巻回コアの場合、積層素子が直接支持される部分に、螺旋形巻回コ
アを形成する構造によって生じる偏心を補償する溝を設けるような外形とする。
そうすることで、積層素子と内部交換管１８の金属表面との接触を欠く領域が回
避される。最後に、符号２２は、動作流体が流れる内部熱交換管１８の内部中空
部分を示す。
【００１１】 図面のうちの図５は、図３のヒートポンプの縦断面を示している。符号２０は
、ヒートポンプ内部の螺旋形あるいは円形巻回コアの位置を示す。巻回は密にパ
ックされ、外部及び内部熱交換管１７と１８は、接触面間に気泡が形成されない
ように組み立てられる。内部熱交換管１８は、螺旋形巻回コアを形成する構造上
偏心率を考慮するように輪郭される。反対に、内部熱交換管１８の端部は、実質
上、横断面円形である。勿論、内部熱交換管１８の寸法は、目的の熱交換器能力
による。ヒートポンプは、ヒートポンプ組立体を閉鎖する２つの端部カバー２３
、２５を備える。前部カバー２３は、断熱高分子材料、例えば、ポリテトラフル
オロエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリアミド６，６、高密度ポリエチレンな
どからなり、ヒートポンプの側面を断熱して縮合物の形成を回避する。材料の選
択は設計仕様書による。巻回コア２０を包囲封入する外部熱交換管１７は、円形
巻回コアの場合には断面円形であり、螺旋形巻回コアの場合には巻回コアを形成
する構造上の偏心率を考慮するように内部輪郭される。外部熱交換管１７は、巻
回コアの周りに締め付け係止される時に適切な可撓性を確保する厚さを持つべき
である。符号１９は、外部熱交換管１７と一体の冷却フィンを示す。フィンの全
放射面は定格パワーと強制空気冷却システムを設けるかどうかとに依存する。あ
るいは、熱交換管１７は、より小さな冷却ファンを有して構成し、冷却流体が循
環する中空空間を内部に備えても良い。符号２４は、ヒートポンプの後部カバー
２５内に設けた動作流体循環ポンプの渦巻固定子を示す。循環ポンプの流量は、
熱交換回路の全範囲と目的の熱交換率とに依存する。図５に示す例は、単一のヒ
ートポンプを熱交換回路に設けた加熱あるいは冷却システムに関する。しかしな
がら、直列接続した２個以上のヒートポンプを有するモジュラ加熱または冷却シ
ステムを作成することも可能で、単一の循環ポンプがそれらのヒートポンプに対
して外部設置される。符号２６は、循環ポンプのインペラを示す。インペラは、
電動機（図示せず）の軸２７にキー止めされる。外部交換管１７の冷却フィン１
９を通過させる強制空気流を発生するための冷却ファンも軸２７にキー止めされ
ることができる。後部カバー２５は、ヒートポンプの端部を断熱して縮合物を回
避するために、断熱高分子材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ弗
化ビニリデン、ポリアミド６，６、高密度ポリエチレンなどからなる。材料の選
択は設計仕様書による。２個以上のヒートポンプを直列接続したモジュラ加熱あ
るいは冷却システムの場合、２つのカバーは互いに一致した完全対称にすること
ができる。この場合、ヒートポンプを通る動作流体の循環は、外部循環ポンプに
よって確保される。最後に、符号２８は、内部熱交換管１８内に挿入される金属
螺線を示す。金属螺線２８の目的は、動作流体がヒートポンプ内に滞留する時間
を延長し、熱交換を強化する乱流を発生させることである。金属螺線２８は、ス
テンレス製で良く、ヒートポンプの最終組立作業中に内部熱交換管１８内に締ま
りばめで挿入される。
【００１２】 図面のうちの図６は、熱電素子が支持される本発明の熱電装置の積層素子のプ
リント回路の第１パターンを示している。プリント回路の上に形成された積層素
子の長さと幅、及び、その端部の長さＬ１、Ｌ２は、ヒートポンプの定格パワー
により、それゆえ、設計仕様書によって決まる。５００Ｗ以下の定格パワーでは
、熱電素子の単一列を直列接続した構成を備えても良い。より大きな定格パワー
では、プリント回路のトラックがより大きな厚さを持つべきである。符号２９は
、積層素子をヒートポンプの内部熱交換管１８に締結するための積層素子端部を
示す。符号３０は、外部電源が接続されるプリント回路の接続端子を示す。符号
３１は、熱電素子が半田付けされるプリント回路を示す。図３の螺旋形巻回コア
の場合、プリント回路の各トラック間の距離は、巻回作業中に可変曲率をこれに
与えるときには、構造内部の熱電素子間の距離を考慮しなければならない。
【００１３】 図面のうちの図７は、熱電素子が支持される本発明の熱電装置の積層素子のプ
リント回路の第２パターンを示している。この場合も、プリント回路の上に形成
された積層素子の長さと幅、及び、その端部の長さＬ１、Ｌ２は、ヒートポンプ
の定格パワーにより、それゆえ、設計仕様書によって決まる。５００Ｗより大き
な定格パワーでは、直列接続した２つ以上に電気的に分割した熱電素子列から形
成された構成を備えるのが便利である。こうした構成によって、積層素子の厚さ
を最適化できる。より大きなパワーが必要な場合には、プリント回路のトラック
がより大きな厚さを持つべきである。符号３２は、積層素子をヒートポンプの内
部熱交換管１８に締結するための積層素子端部を示す。符号３３は、外部電源が
接続されるプリント回路の接続端子を示す。符号３４は、各熱電素子列の各メン
バーの熱電素子が半田付けされるプリント回路を示す。図３に示す螺旋形巻回コ
アの場合、金属材料トラック間の距離は、巻回作業中に可変曲率をそれに与える
ときには、構造内部の熱電素子間の距離を考慮しなければならない。符号３５は
、電気的に分割した熱電素子列の群を示す。この構成によって、ヒートポンプの
全電力を変調し、ジュール効果によって生じるヒートポンプの性能劣化を回避す
ることができる。
【００１４】 図面のうちの図８は、内部熱交換管１８の中央横断面を示している。特に、本
発明の熱電装置の螺旋形巻回コアの構造をヒートポンプの内部熱交換管に接続す
る締結システムが図示されている。締結システムは、巻回作業中に熱電素子を変
位させるように半田付けする金属材料トラックを支持する積層素子の表面を避け
る。この積層素子の変位によって電気的接触を遮断する恐れがあるためである。
符号３６は、構造の端部を均一に締結するためのプレートである。プレート３６
は、図８に示さぬねじによって内部熱交換管１８の本体に取り付けられる。符号
３７は、内部熱交換管１８の半径方向の補償段差に設けられるスロットを示す。
このスロットの目的は、構造の端部を均一に締結し、上述のねじを締めるときに
締結力を加えることである。符号３８は、構造内のＮ型及びＰ型熱電素子の位置
を示し、符号３９は、支持用積層素子の横断面を示す。また、内部熱交換管１８
の横断面も示している。横断面左側の矢印Ｆは、構造の巻回作業中の内部熱交換
管１８の回転方向を示す。
【００１５】 図面のうちの図９は、本発明の熱電装置の第３実施例を示している。この第３
実施例によると、熱電装置は、１層の高分子材料層と、高分子材料層の対向面を
それぞれ被覆する、１対の金属材料層、典型的には、１対の銅材料層とから形成
される単一の積層素子からなる。巻回状態にある積層素子の両端部は、高熱伝達
係数を有する接着性樹脂、例えば、銀あるいは酸化金属充填材を含有するエポキ
シ樹脂によって互いに接続される。積層素子は、螺旋形あるいは円形形状に巻か
れ、固体熱電ヒートポンプに適用される熱電装置のコアを形成する。熱電素子が
接続されるプリント回路のパターンは、エッチング工程によって両金属材料層上
に作成される。螺旋形あるいは円形に巻回されたコアの各巻回は、それゆえ、接
着剤とともに互いに接合した端部を持つ単一の積層素子から形成される。符号１
０は、Ｐ型及びＮ型熱電素子１１及び１２がそれぞれ共晶錫合金を使用して半田
付けされる金属材料のトラックの横断面を示す。符号１３は、高分子材料層の横
断面を示す。金属材料トラック１０の厚さは、パワーにより、それゆえ、本発明
の熱電装置に流れる電流のピーク値によって変化することになる。勿論、ジュー
ル効果によって生じるトラックの過熱を避けるために、トラックの厚さは過小に
するべきではない。好適には、厚さ寸法は、７０乃至３００μｍの範囲とすべき
である。高分子材料層１３の厚さは、熱電装置のコアを巻回しパックするのに用
いられる機械的な力による。特に、この厚さ寸法は、良好な機械的強度を保証す
る一方で効果的な熱伝達を保証するように選択されることになる。好適には、厚
さ寸法は、３５乃至１５０μｍの範囲とすべきである。
【００１６】 図面のうちの図１０及び１１は、高分子材料層の対向面の双方上に設けられる
金属材料トラックの構成を示している。これらのトラックは、熱電素子が半田付
けされるプリント回路を形成する。熱電素子が接続されるプリント回路のパター
ンは、エッチング工程によって金属材料層上に作成される。プリント回路の上に
形成された積層素子の長さと幅、及び、その端部の一側の長さＬ１、Ｌ２と他方
側の長さＬ３、Ｌ４は、ヒートポンプの定格パワーにより、それゆえ、設計仕様
書によって決まる。積層素子の自由端は、微粉金属元素を含有する熱伝導性エポ
キシ樹脂からなる接着剤によって、互いに接合される。この樹脂は、堆積する材
料の量を制限して薄い層、好適には、１０乃至１５μｍ以下の厚さの層を形成す
るように、スクレイパーを用いて広げる。
【００１７】 図面のうちの図１２は、内部熱交換管１８の中央横断面を示している。特に、
本発明の熱電装置構造をヒートポンプの内部熱交換管に接続するための締結シス
テムが図示されている。この締結システムは、巻回作業中に熱電素子が変位でき
るように半田付けされる金属材料トラックを支持する積層素子の表面を避ける。
積層素子の変位によって電気的接触を遮断する恐れがあるためである。符号３７
は、内部熱交換管１８の半径方向の補償段差に設けられるスロットである。この
スロットの目的は、当該構造の端部を均一に締結し、上述のねじを締めるときに
締結力を加えることである。符号３８は、当該構造内のＮ型及びＰ型熱電素子の
位置を示し、符号３９は、支持用積層素子の横断面を示す。また、内部熱交換管
１８の横断面も示されている。横断面左側の矢印Ｆは、当該構造の巻回作業中の
内部熱交換管１８の回転方向を示す。好適には、支持層の高分子材料は、ポリア
ミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネ
ート、ポリアミド６、コポリアミド６−Ｘ、ただし、Ｘ＝６、．．．１２、ポリ
アリールアミドＭＸＤ６、ポリフェニレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリカ
ーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリエ
チレンナフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリアリールアミド共重合体
、ポリブチレンテレフタレート−ポリアミド或いはコポリアミド共重合体、ポリ
ケトンからなるフィルムである。
【００１８】 図１３は、図３、４及び５の横断面を図示したヒートポンプの斜視図であり、
外部熱交換管の強制空冷を備えている。図１４は、図３、４及び５の横断面を図
示したヒートポンプの斜視図であり、外部熱交換管の液冷を備えている。
【００１９】 上記より、螺旋形或いは円形巻回コアによって、直径に応じて増加する寸法を
持つ巻回を得ることができる。この場合、各巻回の熱／冷表面（電流の方向によ
る）は、直ぐ隣接する巻回の熱／冷表面と熱を交換する。このように、当業にお
いて既知の幾何学的平面形状に関して、巻回コアの全抵抗が減少するので、本シ
ステムで生じる効率は増加する。
【００２０】 本発明によって、中パワーで高効率な固体熱電ヒートポンプを作成することが
できる。これらのヒートポンプは、有害ガスを使用せず、環境に優しい冷蔵シス
テムを製作するための冷蔵分野で使用可能である。本発明のヒートポンプの他の
用途は、工業、船舶、航空、機器、自動車、および、建物用の加熱及び冷却シス
テムの分野である。
【００２１】 装置は、規定の設計仕様書による電圧を直流電源によって供給される。ヒート
ポンプが直流電源を直接利用できず交流電源しか利用できない地域に設置される
なら、１０％以下のリップルを持つＡＣ−ＤＣ電力変換器が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例による熱電装置の部分横断面図である。
【図２】 本発明の第２実施例による熱電装置の部分横断面図である。
【図３】 固体ヒートポンプに適用した本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方
による熱電装置の横断面図である。
【図４】 固体ヒートポンプに適用した本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方
による熱電装置の横断面図である。
【図５】 固体ヒートポンプに適用した本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方
による熱電装置の縦断面図である。
【図６】 本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方による熱電装置の熱電対を形
成するのに使用したプリント回路の第１パターンの上平面図である。
【図７】 本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方による熱電装置の熱電対を形
成するのに使用したプリント回路の第２パターンの上平面図である。
【図８】 本発明の第１あるいは第２実施例のいずれか一方による熱電装置を固体ヒート
ポンプの内部熱交換管に接続するための締結手段の横断面図である。
【図９】 本発明の第３実施例による熱電装置の部分横断面図である。
【図１０】 本発明の第３実施例による熱電装置の熱電対を形成するのに使用したプリント
回路のパターンの上平面図である。
【図１１】 本発明の第３実施例による熱電装置の熱電対を形成するのに使用したプリント
回路のパターンの底平面図である。
【図１２】 本発明の第３実施例による熱電装置を固体ヒートポンプの内部熱交換管に接続
するための締結手段の横断面図である。
【図１３】 本発明の熱電装置の実施例のうちのいずれか１つを備えたヒートポンプの斜視
図である。
【図１４】 本発明の熱電装置の実施例のうちのいずれか１つを備えたヒートポンプの斜視
図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１１月２６日（２００１．１１．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｋ 7/02 Ｇ０１Ｋ 7/02 Ａ Ｈ０１Ｌ 35/30 Ｈ０１Ｌ 35/30 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＧ，Ｂ Ｒ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＮ，ＪＰ ，ＫＲ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＵ，ＴＲ，ＵＡ， ＵＳ，ＺＡ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プリント回路上に組み立てられた少なくとも１列の金属導体
    及び／又はＮ型及びＰ型半導体熱電素子を有し、それによって前記熱電素子が電
    気的に直列接続した熱電対を形成する固体熱電装置において、該熱電装置は、 それぞれ、高分子材料からなる支持層と少なくとも１層の導電材料層とから形
    成される、少なくとも１対の積層素子と、 前記２つの高分子材料の積層素子を互いに強固に接続するために前記高分子材
    料積層素子間に介在させた接合材料層とからなる構造を持ち、 前記プリント回路は前記積層素子の導電材料層からなり、前記熱電素子を電気
    的に直列接続して、それぞれ熱側または冷側を持つ熱電対を前記構造の一側のみ
    に形成し、 前記熱電装置の構造は、螺旋形または円形巻回形状を持つことを特徴とする熱
    電装置。
  2. 【請求項２】 プリント回路上に組み立てられた少なくとも１列の金属導体
    及び／又はＮ型及びＰ型半導体熱電素子を有し、それによって前記熱電素子が電
    気的に直列接続した熱電対を形成する固体熱電装置において、該熱電装置は、 高分子材料からなる支持層とその各面上の導電材料層とから形成される積層素
    子と、 積層素子の端部を互いに強固に接続するために積層素子の端部間に介在させる
    接合材料層とからなる構造を持ち、 前記プリント回路は前記積層素子の導電材料層の少なくとも１層からなり、前
    記熱電素子を電気的に直列接続して、それぞれ熱側または冷側を持つ熱電対を前
    記構造の一側のみに形成し、 前記構造は、螺旋形または円形巻回形状を持つことを特徴とする熱電装置。
  3. 【請求項３】 前記高分子材料の支持層が、配向を持たないフィルム、ある
    いは、１または２方向配向を持つフィルムから形成されていることを特徴とする
    、請求項１または２に記載の熱電装置。
  4. 【請求項４】 前記接合層の材料が熱伝導性熱硬化性樹脂から形成されてい
    ることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
  5. 【請求項５】 前記接合層の材料が共晶合金から形成されていることを特徴
    とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
  6. 【請求項６】 前記プリント回路が、巻き線の全長に亘って延びる単一の回
    路から形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
  7. 【請求項７】 前記プリント回路が、電気的に分割した回路の配列から形成
    されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
  8. 【請求項８】 前記支持層を形成する高分子材料は、ポリアミド、ポリブチ
    レンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアミ
    ド６、コポリアミド６−Ｘ、ただし、Ｘ＝６、．．．１２、ポリアリールアミド
    ＭＸＤ６、ポリフェニレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート−ポ
    リブチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリエチレンナフタレ
    ート共重合体、ポリカーボネート−ポリアリールアミド共重合体、ポリブチレン
    テレフタレート−ポリアミド或いはコポリアミド共重合体、ポリケトンからなる
    フィルムであることを特徴とする、請求項１または２、および請求項３に記載の
    熱電装置。
  9. 【請求項９】 前記結合層の熱硬化性樹脂が熱伝導性エポキシ、アクリレー
    ト、シリコン樹脂などであることを特徴とする、請求項１または２、及び、請求
    項４に記載の熱電装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１または２に記載の熱電装置を有する固体熱電ヒー
    トポンプにおいて、動作流体の通過する内部管と、前記内部管に対して同軸に配
    置した外部管と、前記内部管及び外部管の間にそれらに密着して配置した固体熱
    電装置と、前記動作流体の流入口と流出口とを備えて前記内部管と液性連通でき
    るように接続した端部カバーと、前記動作流体を前記内部管に循環させるための
    循環手段と、前記内部管内に配置されて前記動作流体の乱流を発生させることが
    できる乱流発生手段と、前記熱電装置を外部電源に接続するための電気コネクタ
    手段と、前記内部管及び外部管の表面に発生し得る過熱を感知するための温度セ
    ンサー手段とを有する熱交換器を備えたことを特徴とする固体熱電ヒートポンプ
    。
  11. 【請求項１１】 冷却フィンが前記熱交換管の外部表面上に設けられている
    ことを特徴とする、請求項１１に記載のヒートポンプ。
  12. 【請求項１２】 前記動作流体循環手段が前記ヒートポンプの端部カバーの
    １つの内部に設けられることを特徴とする、請求項１２に記載のヒートポンプ。
  13. 【請求項１３】 前記外部管の冷却フィンを通過する強制空気流を発生させ
    るためのファン手段を有することを特徴とする、請求項１１に記載のヒートポン
    プ。
  14. 【請求項１４】 前記外部管には、冷却流体を循環させる中空空間が内部に
    設けられることを特徴とする、請求項１１に記載のヒートポンプ。
  15. 【請求項１５】 前記螺旋形または円形巻回構造が前記内部熱交換管に取り
    付けられ、それによって直接あるいは間接に支持されることを特徴とする、請求
    項１１に記載のヒートポンプ。
  16. 【請求項１６】 前記螺旋形または円形巻回構造が前記外部熱交換管を直接
    あるいは間接に支持することを特徴とする、請求項１１に記載のヒートポンプ。
  17. 【請求項１７】 前記螺旋形または円形巻回形状が１乃至１５の巻回数から
    なることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
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