JP2005249360A - 熱電ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 吸熱側と放熱側との温度差を大きくすべく、ペルチェ素子の素子長を長くした場合でも、ジュール損失による吸熱量の低下を抑制することができるようにする。
【解決手段】 熱電モジュールＭは、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０、低温側基板５１及び高温側基板５２、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０を電気的に直列接続するための低温側接合電極４１１、４１２、高温側接合電極４２を備える。ペルチェ素子１０、２０は高温側と低温側とに分割された二分割のものとされ、低温側ペルチェ素子１１、２１と高温側ペルチェ素子１２、２２との間には、それぞれ導電性を備える中間熱だまり層３１、３２が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ペルチェ素子をアセンブリしてなる熱電モジュールを用いて熱移送を行うようにした熱電ヒートポンプに関するものである。

ペルチェ素子をアセンブリしてなる熱電モジュールを用いた熱電ヒートポンプは、各種の用途に用いられており、例えば可搬式冷蔵庫、保温庫、半導体プロセス用恒温プレート、ＣＰＵクーラー等への応用が拡大している。また特許文献１には、当該熱電ヒートポンプを宇宙ステーションの放熱システム等に供されるサーマルポンプに適用した例が開示されている。

図８は、一般的な熱電モジュールＭ０の構成を示す側面図である。この図例では、低温側熱源６１から高温側熱源６２へ熱移送する場合に適用される熱電モジュールＭ０を示している。この熱電モジュールＭ０は、ｐ形半導体からなるｐ形ペルチェ素子１００及びｎ形半導体からなるｎ形ペルチェ素子２００と、低温側熱源６１に一面が当接される低温側基板５１及び高温側熱源６２に一面が当接される高温側基板５２と、これら基板５１、５２の他面側に配置され、ｐ形ペルチェ素子１００及びｎ形ペルチェ素子２００を電気的に直列接続するための低温側接合電極４１１、４１２、及び高温側接合電極４２と、該低温側接合電極４１１、４１２に直流電圧を印加する直流電源７とから構成されている。

このような熱電モジュールＭ０に直流電源７から直流電圧を印加すると、ｐ形ペルチェ素子１００とｎ形ペルチェ素子２００とからなる直列回路に電流Ｉが流れ、ペルチェ効果によりモジュールの一方の面においては発熱し、他方の面においては吸熱するという特性がある。図８に示した熱電モジュールＭ０では、低温側基板５１から吸熱がなされ（その熱流を矢印Ｈ１で示している）、高温側基板５２から放熱がなされる（その熱流を矢印Ｈ２で示している）こととなる。すなわち、直流電圧の印加により熱流Ｈ１、Ｈ２が生じ、これにより熱電モジュールＭ０の一面側から他面側への熱移送が行われるものである。
特公平５−５９３４４号公報

ところで、可搬式冷蔵庫等に上記のような熱電モジュールＭ０を適用する場合、冷蔵効果を得るために吸熱側と放熱側との温度差を大きくすることが求められる。このように大きな温度差を得ようとする場合にあっては、ペルチェ素子の素子長を長くし、透過熱損失を抑制する必要がある。図９は、ペルチェ素子長さと吸熱側の成績係数（消費したエネルギーに対する吸熱量の割合。Ｃ．Ｏ．Ｐとも言う。）との関係を示すグラフ図である。このグラフ図からも明らかな通り、ペルチェ素子長さが短いもの（素子長さ１．２５ｍｍ，２．５ｍｍのデータ参照）は、吸熱側と放熱側との温度差が大きくなるほど成績係数の低下度合いが著しくなるのに対し、ペルチェ素子長さが比較的長いもの（素子長さ５ｍｍのデータ参照）は、温度差が大きくなっても成績係数の低下度合いは比較的僅少である。従って、比較的大きい温度差範囲までをカバーする必要がある冷却用途には、ペルチェ素子長さが長いものを用いることが効果的であることが分る。この効果は、素子の断面積を減少させることによっても同様に得ることができる。

しかし、成績係数の低下度合いのみに着目すれば上記の通りなのであるが、ペルチェ素子の素子長を長くすると、図９に示す通り、温度差が小さい領域において成績係数自体の値が、素子長さが短いものに比べてかなり低くなる傾向がある。これは半導体素子であるペルチェ素子への通電によるジュール損失が、ペルチェ素子長さが長くなる程に大きくなり、発生したジュール熱がペルチェ素子の吸熱性を阻害する（ジュール熱が低温側熱源６１に流れ込む）ことに起因すると考えられる。このようなジュール熱の影響があることから、吸熱側と放熱側との温度差を大きくすることが求められる用途には、ペルチェ素子を用いた熱電ヒートポンプは効率が悪いとされてきた。

従って本発明は、吸熱側と放熱側との温度差を大きくすべく、ペルチェ素子の素子長を長くした場合でも、ジュール損失による吸熱量の低下を抑制することができる熱電ヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる熱電ヒートポンプは、低温側基板と高温側基板との間にｐ形及びｎ形のペルチェ素子を縦列配置し、これらペルチェ素子を前記基板上に配置された電極にて電気的に直列接続してなる熱電モジュールを有する熱電ヒートポンプにおいて、前記ペルチェ素子が高温側と低温側とに分割された二分割のものとされ、高温側ペルチェ素子と低温側ペルチェ素子との間に、導電性を備える中間熱だまり層が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、二分割されたペルチェ素子のうち、高温側ペルチェ素子が発するジュール熱であって低温側熱源方向へ向かうジュール熱は、前記中間熱だまり層に捕捉されることとなる。従って、低温側熱源方向へ流れ込むジュール熱は、低温側ペルチェ素子が発するジュール熱であって低温側熱源方向へ向かうジュール熱のみとなり、中間熱だまり層を設けない通常のペルチェ素子に比べ、ジュール損失による影響が半減されることとなる。

請求項２にかかる熱電ヒートポンプは、請求項１において、中間熱だまり層が、アルミニウム又は銅からなる金属片で構成されていることを特徴とする。中間熱だまり層としては、ジュール熱を吸熱できるよう吸熱性が良好であることが望ましい。また中間熱だまり層は、ペルチェ素子の電気的な直列回路の一部を担うこと、及び通電によりジュール熱の発生源とならないようにすること等の観点から、優れた導電性を有していることが望ましい。このように吸熱性、導電性に優れ、またペルチェ素子との接合部における接触抵抗を低くでき、さらに比較的安価であるとの条件を満たすよう、請求項２にかかる構成のように、アルミニウム又は銅からなる金属片で中間熱だまり層を構成することが好ましい。

請求項３にかかる熱電ヒートポンプは、請求項１又は２において、高温側ペルチェ素子及び低温側ペルチェ素子と、中間熱だまり層を構成する金属片とが、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ；Spark Plasma Sintering）で一体成型されたものであることを特徴とする。この構成によれば、ＳＰＳにより高温側ペルチェ素子、低温側ペルチェ素子、及び中間熱だまり層からなる一体化された積層体を得ることが出来るので、ペルチェ素子と中間熱だまり層との接触抵抗を極小にすることができる。

請求項１にかかる熱電ヒートポンプによれば、中間熱だまり層を設けない通常のペルチェ素子に比べ、ジュール損失による影響を半減させることができるので、吸熱側と放熱側との温度差を大きくすべく、ペルチェ素子の素子長を長くした場合でも、ジュール損失による吸熱量の低下を抑制することができる。従って、大きな温度差を求められる用途に熱電ヒートポンプを適用する場合、ペルチェ素子長さを長くする必要があることから成績係数の低下は避けられないものの、中間熱だまり層を設けることで前記成績係数の低下を抑制することができ、冷却能力を向上させることができるという効果を奏する。

請求項２にかかる熱電ヒートポンプによれば、中間熱だまり層を、アルミニウム又は銅からなる金属片で構成するので、吸熱性が良好でジュール熱の捕捉性が良く、接触抵抗やジュール発熱も少ないことから、より高性能で高品質であって、しかも安価に、本発明にかかる熱電ヒートポンプを構築することができる。

請求項３にかかる熱電ヒートポンプによれば、ペルチェ素子と中間熱だまり層とを予め一体化した上で熱電モジュールのアセンブリを行えるので組み付け性が良好となり、また両者の接触抵抗を極小にできる（接合性を良好にできる）ので、一段と本発明にかかる熱電ヒートポンプの高性能化を図ることができるようになる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態につき詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる熱電モジュールＭの構成を示す側面図である。この図例では、低温側熱源６１から高温側熱源６２へ熱移送する場合に適用される熱電モジュールＭを示している。この熱電モジュールＭは、ｐ形半導体からなるｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形半導体からなるｎ形ペルチェ素子２０と、低温側熱源６１に一面が当接される低温側基板５１及び高温側熱源６２に一面が当接される高温側基板５２と、これら基板５１、５２の他面側に配置され、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０を電気的に直列接続するための低温側接合電極４１１、４１２、及び高温側接合電極４２と、該低温側接合電極４１１、４１２間に直流電圧を印加する直流電源７とから構成されている。

本発明においては、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０は、低温側熱源６１の側に位置するものと、高温側熱源６２の側に位置するものとに分割された二分割のものとされる。すなわち、ｐ形ペルチェ素子１０は、低温側ｐ形ペルチェ素子１１と高温側ｐ形ペルチェ素子１２とからなる。そして、前記低温側ｐ形ペルチェ素子１１と高温側ｐ形ペルチェ素子１２との間には、導電性を備える中間熱だまり層３１が設けられている。同様に、ｎ形ペルチェ素子２０は、低温側ｎ形ペルチェ素子２１と高温側ｎ形ペルチェ素子２２とからなり、その両者間には、導電性を備える中間熱だまり層３２が設けられている。

ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０としては、ゼーベック係数と導電率が大きく、熱伝導率の小さい、いわゆる性能指数の大きい材料が好適に用いられる。このような材料としてＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料が例示できる。より具体的には、ｐ形ペルチェ素子１０としてはＳｂ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｔｅ₃合金等、ｎ形ペルチェ素子２０としてはＢｉ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｓｅ₃合金等を挙げることができる。これら熱電材料は、熱電特性の高い方向（Ｂｉ−Ｔｅ系の場合、ｃ軸に垂直な方向）が通電方向となるよう、低温側接合電極４１１、４１２と高温側電極４２との間に配置される。

中間熱だまり層３１、３２は、前述の通り吸熱性、導電性に優れる材質であることが望ましく、例えばアルミニウム又は銅からなる金属片を用いることが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば金や、銀等の導電体を用いるようにしても良い。

本発明においては、ｐ形ペルチェ素子１０としての低温側ｐ形ペルチェ素子１１、高温側ｐ形ペルチェ素子１２、及び中間熱だまり層３１からなる積層体と、ｎ形ペルチェ素子２０としての低温側ｎ形ペルチェ素子２１、高温側ｎ形ペルチェ素子２２及び中間熱だまり層３２からなる積層体とを準備する必要がある。この積層方法については特に限定はないが、接合性良く両者の積層体を形成するためには、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）によりこれらを一体的に成型することが好ましい。放電プラズマ焼結法は、カーボン製のダイとパンチの間に試料（粉体原料）を詰め込み、パンチで加圧しつつ低電圧・大電流を与え、試料同士の間で放電プラズマを発生させることで試料を焼結する方法である。従って、ペルチェ素子材料としてのＢｉ−Ｔｅ系合金材料と、中間熱だまり層の材料としてのアルミニウム又は銅材料とを前記ダイとパンチの間に収納し、放電プラズマ焼結法にて焼結一体化することで、本発明にかかるｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０を作成することが望ましい。

低温側基板５１及び高温側基板５２は、電気絶縁性を備えた薄板状の部材であれば良く、例えばセラミックス板（Ａｌ₂Ｏ₃ やＴｉＡｌ等からなる板状体）を用いることができる。低温側基板５１及び高温側基板５２は対向配置され、低温側基板５１の前記対抗面には低温側接合電極４１１、４１２が、高温側基板５２の対抗面には高温側接合電極４２がそれぞれ設けられる。これら接合電極４１１、４１２、４２は、銅やアルミニウム或いは導電性接着剤等の導電体からなり、前記基板５１、５２の表面に、例えば溶射工法によって形成される。なお、接合電極４１１、４１２、４２は、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０を直列接続するための電極であることから、基板５１、５２の表面全面に形成されるいわゆるベタ状電極ではなく、所定の絶縁部を備えている必要がある。このため図１に示す例では、低温側接合電極４１１、４１２との間に絶縁部４１０が設けられ、各々の接合電極４１１、４１２が分離独立する形態とされている。

ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０は、低温側基板５１と高温側基板５２との間に縦列配置され、それぞれの端面に位置している接合電極４１１、４１２、４２と固着されている。この固着方法としては、接合電極４１１、４１２、４２とペルチェ素子１０、２０の端面との間に、半田もしくは金属ペースト等を介在させて溶着させる方法を例示することができる。

前述の通り、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０は、電気的に直列接続する必要があることから、ｐ形ペルチェ素子１０の低温側ｐ形ペルチェ素子１１が低温側接合電極４１１と、高温側ｐ形ペルチェ素子１２が高温側接合電極４２とそれぞれ接合され、これと同じ高温側接合電極４２にｎ形ペルチェ素子２０の高温側ｎ形ペルチェ素子２２が接合されている。そして低温側ｎ形ペルチェ素子２１は、他方の低温側接合電極４１２と接合されている。つまりｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０はπ型に順次接続され、電気的に直列に、一方熱的には並列に接続されるものである。

低温側基板５１及び高温側基板５２は、互いの対抗面の裏面側が、それぞれ低温側熱源６１、高温側熱源６２に当接される。低温側熱源６１は、実際は当該熱電モジュールＭの動作により吸熱される発熱体や被冷却物品であり、例えば保冷室や半導体発熱部品等が相当する。また高温側熱源６２は、実際は当該熱電モジュールＭの放熱側であり、放熱フィンや放熱スタック、熱交換用冷媒管等が相当する。

低温側接合電極４１１、４１２にはリード線７１が接続されており、このリード線７１は直流電源７に接続されている。これにより低温側接合電極４１１、４１２間に直流電源７による直流電圧が印加可能とされている。

なお図１に示す例では、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０の一ペアを低温側基板５１及び高温側基板５２に搭載した場合を例示しているが、実際は図２に示すように、多数のｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０のペアが縦列配置されて熱電モジュールが構成される（図２では、低温側と高温側を、図１とは反転させた場合を示している）。この場合、低温側基板５１１にはｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０のペア数に応じた低温側接合電極４１１〜４１４が設けられ、また高温側基板５２１にも同様に高温側接合電極４２１〜４２５が設けられ、これら接合電極４１１〜４１４、４２１〜４２５に、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０がπ型に順次接続されてモジュールが構成される。

このような熱電モジュールＭに直流電源７から直流電圧を印加すると、ｐ形ペルチェ素子１０とｎ形ペルチェ素子２０とからなる直列回路に電流Ｉが流れ、ペルチェ効果により低温側基板５１を介して低温側熱源６１から吸熱がなされ（その熱流を矢印Ｈ１で示している）、高温側基板５２を介して高温側熱源６２に放熱がなされる（その熱流を矢印Ｈ２で示している）こととなる。すなわち、直流電圧の印加により熱流Ｈ１、Ｈ２が生じ、これにより熱電モジュールＭの一面側から他面側への熱移送が行われるものである。

このようにｐ形ペルチェ素子１０とｎ形ペルチェ素子２０からなる直列回路に電流Ｉが流れた場合の、ジュール熱の発生及び移動方向に関し、図１に示した本発明にかかる熱電モジュールＭの場合と、図８に示した従来の熱電モジュールＭ０の場合とを比較しつつ説明する。

先ず従来の熱電モジュールＭ０の場合、ｐ形ペルチェ素子１００及びｎ形ペルチェ素子２００への電流Ｉの通電により、これらペルチェ素子の素子抵抗によりジュール損失が生じ、ｐ形ペルチェ素子１００及びｎ形ペルチェ素子２００のそれぞれの素子内部においてジュール熱が発生する。このジュール熱は、低温側熱源６１及び高温側熱源６２の方向に、それぞれ発生した熱量の半分ずつが移動すると考えることができる。すなわち、ｐ形ペルチェ素子１００内部で発生したジュール熱（Ｊ１＋Ｊ２）は、その半分のジュール熱Ｊ１が低温側熱源６１方向へ流れ込み、残り半分のジュール熱Ｊ２は高温側熱源６２方向へ流れ込むこととなる。同様に、ｎ形ペルチェ素子２００内部で発生したジュール熱（Ｊ３＋Ｊ４）は、その半分のジュール熱Ｊ３が低温側熱源６１方向へ流れ込み、残り半分のジュール熱Ｊ４は高温側熱源６２方向へ流れ込む。

従って、ペルチェ素子１００、２００の素子長さが長いほど発生するジュール熱も大きくなることから、その分低温側熱源６１方向へ流れ込むジュール熱Ｊ１、Ｊ３も大きくなり、低温側熱源６１からの吸熱性が阻害されることになる。

これに対し、本発明にかかる熱電モジュールＭの場合、ｐ形ペルチェ素子１０は、低温側ｐ形ペルチェ素子１１と高温側ｐ形ペルチェ素子１２とに二分割され、その両者間には実質的にジュール損失が発生しない導電性の中間熱だまり層３１が介在される構成とされている。それゆえ、二分割された低温側ｐ形ペルチェ素子１１及び高温側ｐ形ペルチェ素子１２それぞれの素子内部においてジュール熱が発生すると共に、低温側熱源６１及び高温側熱源６２に向けて、それぞれ発生した熱量の半分ずつが移動することになる。

すなわち、低温側ｐ形ペルチェ素子１１内部で発生したジュール熱（Ｊ１１＋Ｊ２１）及び高温側ｐ形ペルチェ素子１２内部で発生したジュール熱（Ｊ１２＋Ｊ２２）のうち、それぞれの半分のジュール熱Ｊ１１、Ｊ１２が低温側熱源６１方向へ向かい、残り半分のジュール熱Ｊ２１、Ｊ２２が高温側熱源６２方向へ向かうことになる。ここで、低温側ｐ形ペルチェ素子１１の低温方向ジュール熱Ｊ１１が低温側熱源６１へ流れ込む点は、従来の熱電モジュールＭ０の場合と同様である。しかし、高温側ｐ形ペルチェ素子１２の低温方向ジュール熱Ｊ１２は、中間熱だまり層３１に捕捉されることとなる。なお、低温側ｐ形ペルチェ素子１１の高温方向ジュール熱Ｊ２１も中間熱だまり層３１に捕捉される。一方、高温側ｐ形ペルチェ素子１２の高温方向ジュール熱Ｊ２２は、高温側熱源６２へ流れ込むこととなる。

仮に従来の熱電モジュールＭ０におけるｐ形ペルチェ素子１００の素子長さと、低温側ｐ形ペルチェ素子１１及び高温側ｐ形ペルチェ素子１２の素子長さの和とが等しいものとし、また素子断面積も等しいとすれば、両者の素子内で発生するジュール熱の総量は同量となる。つまり、（Ｊ１＋Ｊ２）＝（Ｊ１１＋Ｊ２１）＋（Ｊ１２＋Ｊ２２）となる。しかし、本発明にかかる熱電モジュールＭにおいては、低温側熱源６１へ流れ込むジュール熱は、低温側ｐ形ペルチェ素子１１が発する低温方向ジュール熱Ｊ１１のみとなり、中間熱だまり層を設けない従来の熱電モジュールＭ０に比べ流入熱量は半減し、電流Ｉの通電によるジュール損失による影響、つまり低温側熱源６１からの吸熱性に与える影響が半減されることとなる。

同様に、低温側ｎ形ペルチェ素子２１内部で発生したジュール熱（Ｊ３１＋Ｊ４１）及び高温側ｎ形ペルチェ素子２２内部で発生したジュール熱（Ｊ３２＋Ｊ４２）のうち、それぞれの半分のジュール熱Ｊ３１、Ｊ３２が低温側熱源６１方向へ向かい、残り半分のジュール熱Ｊ４１、Ｊ４２が高温側熱源６２方向へ向かうことになるが、低温側熱源６１へ流れ込むジュール熱は、低温側ｎ形ペルチェ素子２１が発する低温方向ジュール熱Ｊ３１のみとなり、従来の熱電モジュールＭ０に比べ流入熱量は半減する。

以上の点につき、低温側熱源６１からの理論的吸熱量の比較として説明する。先ず、従来の熱電モジュールＭ０のｐ形ペルチェ素子１００につき、熱移送状況を等価的に示すと図３のようになる。いまｐ形ペルチェ素子１００による低温側熱源６１からの吸熱量をＱ、ｐ形ペルチェ素子１００の低温側の絶対温度をＴｃ、素子を流れる電流をｉ、ゼーベック係数をαとすると、
Ｑ＝α・Ｔｃ・ｉ
の吸熱が生じる。しかし、高温側から低温側への透過熱損失が発生する。この透過熱損失は、高温側の絶対温度をＴｈ、熱コンダンタンスをＫとすると、
透過熱損失＝Ｋ・（Ｔｈ−Ｔｃ）＝Ｋ・ΔＴ
で表される。また、電流ｉの通電によるジュール損失が発生する。このジュール損失は、ｐ形ペルチェ素子１００の素子抵抗をＲとすると
ジュール損失＝ｉ^２Ｒ
で表される。このジュール損失の半分が低温側熱源６１へ流れ込むことになる。従って、ｐ形ペルチェ素子１００による低温側熱源６１からの吸熱量の実際の吸熱量Ｑｃは、
Ｑｃ＝α・Ｔｃ・ｉ−Ｋ・（Ｔｈ−Ｔｃ）−１／２・ｉ^２Ｒ ・・・（１）
となる。

一方、本発明にかかる熱電モジュールＭのｐ形ペルチェ素子１０につき、熱移送状況を等価的に示すと図４のようになる。ここで、中間熱だまり層３１の絶対温度をＴｍ、低温側ｐ形ペルチェ素子１１及び高温側ｐ形ペルチェ素子１２の素子抵抗がそれぞれＲｎであるとすると、上記と同様にして、低温側ｐ形ペルチェ素子１１による低温側熱源６１から実際の吸熱量Ｑｃ１は、
Ｑｃ１＝α・Ｔｃ・ｉ−Ｋ・（Ｔｍ−Ｔｃ）−１／２・ｉ^２Ｒｎ ・・・（２）
となる。

ここで、ｐ形ペルチェ素子１００の長さと、低温側ｐ形ペルチェ素子１１及び高温側ｐ形ペルチェ素子１２の素子長さの和とが等しいものとし、また素子断面積も等しいとすると、素子抵抗の関係はＲ＝２Ｒｎとなるので、これで上記（１）式を置換すると、
Ｑｃ＝α・Ｔｃ・ｉ−Ｋ・（Ｔｈ−Ｔｃ）／２−ｉ^２Ｒｎ ・・・（３）
となる。

さらに、Ｔｍ＝Ｔｃ＋ΔＴ１、Ｔｈ＝Ｔｃ＋ΔＴ１＋ΔＴ２（但し、ΔＴ１＝Ｔｍ−Ｔｃ、ΔＴ２＝Ｔｈ−Ｔｍ）として、上記（２）式及び（３）式を置換すると、
Ｑｃ１＝α・Ｔｃ・ｉ−Ｋ・ΔＴ１−１／２・ｉ^２Ｒｎ ・・・（４）
Ｑｃ＝α・Ｔｃ・ｉ−Ｋ・（ΔＴ１＋ΔＴ２）／２−ｉ^２Ｒｎ ・・・（５）
となる。従って、（４）式と（５）式から、
Ｑｃ１−Ｑｃ＝−Ｋ・ΔＴ１＋Ｋ・（ΔＴ１＋ΔＴ２）／２−ｉ^２Ｒｎ／２
となり、これを整理すると、
Ｑｃ１＝Ｑｃ＋Ｋ／２・（ΔＴ２−ΔＴ１）＋ｉ^２Ｒｎ／２ ・・・（６）
という結果が得られる。

上記（６）式において、ΔＴ２＞ΔＴ１のとき、透過熱損失分を表す式の第２項は「正」となるから、本発明にかかる熱電モジュールＭの吸熱量Ｑｃ１は、従来の熱電モジュールＭ０による吸熱量Ｑｃよりも大きくなることが分る。また、ΔＴ２＝ΔＴ１のとき、式の第２項は「零」となるが、ジュール損失分である式の第３項のｉ^２Ｒｎ／２だけＱｃ１の方が大きくなる。

一方、ΔＴ２＜ΔＴ１のとき、式の第２項は「負」となり、Ｑｃ１＜Ｑｃとなってしまう可能性は理論上存在することとなる。しかし、実際のモジュールにおいてはジュール熱による損失の方が割合的にかなり大きく、つまり仮に透過熱損失分が「負」となったとしてもジュール損失分の影響が大きく、実際上はこのようなケースでも結果的にはＱｃ１＞Ｑｃとなる。

このように、中間熱だまり層３１を設けたことにより、ｐ形ペルチェ素子１０の素子長さを長くした場合でもジュール損失による影響を抑制することができるようになる。このことは、ｎ形ペルチェ素子２０においても同様である。

図５に、従来の熱電モジュールＭ０（中間熱だまり層無し）と、本発明にかかる熱電モジュールＭ（中間熱だまり層有り）との吸収熱量の比較結果を示す。このグラフ図からも明らかな通り、本発明品では温度差が低い領域における吸熱量が改善されている。また図６に、従来の熱電モジュールＭ０（中間熱だまり層無し）と、本発明にかかる熱電モジュールＭ（中間熱だまり層有り）との成績係数の比較結果を示す。温度差が低い領域における吸熱量が改善されたことに伴い、温度差が低い領域の成績係数が向上していることが分る。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、中間熱だまり層３１、３２に対し、熱だまり効果を向上させるために、保熱のための処理を施すようにしても良い。図７（ａ）は、中間熱だまり層３１を、金属製の本体部３１１と、その外周部に配置された保温層３１２との２層構造とした場合を例示している。このような２層構造の中間熱だまり層３１は、前述した放電プラズマ焼結法により作成することができる。

また図７（ｂ）は、ｐ形ペルチェ素子１０及びｎ形ペルチェ素子２０の周囲に、保熱用の充填材８を充填し、アウターケース８１で密封した例を示している。かかる構成によっても、中間熱だまり層３１の熱だまり効果を向上させることができる。

本発明の熱電ヒートポンプに用いられる熱電モジュールＭの構成を簡略的に示す側面図である。 本発明にかかる熱電モジュールＭにおいて、多数のペルチェ素子を縦列配列した場合を示す側面図である。 従来の熱電モジュールＭ０における熱移送状況を等価的に表した説明図である。 本発明にかかる熱電モジュールＭにおける熱移送状況を等価的に表した説明図である。 本発明品と従来品との吸収熱量の比較結果を示すグラフ図である。 本発明品と従来品との成績係数の比較結果を示すグラフ図である。 中間熱だまり層の変形例を示す断面図である。 従来の熱電ヒートポンプに用いられている熱電モジュールＭ０の構成を簡略的に示す側面図である。 ペルチェ素子長さと吸熱成績係数の関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ ｐ形ペルチェ素子
１１ 低温側ｐ形ペルチェ素子１０
１２ 高温側ｐ形ペルチェ素子１０
２０ ｎ形ペルチェ素子
２１ 低温側ｎ形ペルチェ素子
２２ 高温側ｎ形ペルチェ素子
３１、３２ 中間熱だまり層
４１１〜４１４ 低温側接合電極
４２、４２１〜４２５ 高温側接合電極
５１、５１１ 低温側基板
５２、５２１ 高温側基板
６１ 低温側熱源
６２ 高温側熱源
７ 直流電源

Claims (3)

1. 低温側基板と高温側基板との間にｐ形及びｎ形のペルチェ素子を縦列配置し、これらペルチェ素子を前記基板上に配置された電極にて電気的に直列接続してなる熱電モジュールを有する熱電ヒートポンプにおいて、
   前記ペルチェ素子が高温側と低温側とに分割された二分割のものとされ、高温側ペルチェ素子と低温側ペルチェ素子との間に、導電性を備える中間熱だまり層が設けられていることを特徴とする熱電ヒートポンプ。
2. 中間熱だまり層が、アルミニウム又は銅からなる金属片で構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電ヒートポンプ。
3. 高温側ペルチェ素子及び低温側ペルチェ素子と、中間熱だまり層を構成する金属片とが、放電プラズマ焼結法で一体成型されたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電ヒートポンプ。
   

Images