JP2006041222A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換効率が高く、耐久性および信頼性の高い熱電変換装置を提供する。
【解決手段】 複数のＰ型熱電素子１１ｐおよび複数のＮ型熱電素子１１ｎを、薄板状のベース部１５および１７と、そこから垂直方向に延びたピン状の部材１６および１８とをそれぞれ備えた上側電極７および下側電極８により交互に電気的に直列に接続した熱電変換ユニット１を提供する。上側電極７および下側電極８は柔構造の電極であり、これらを介して絶縁基板２２および２３により熱電素子１１ｎおよび１１ｐを挟み込むように支持することにより、熱電素子１１ｎおよび１１ｐの熱変形による接触不良を防止でき、信頼性の高い熱電変換ユニット１を提供できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子を電気的に直列に接続して熱交換を行う熱電変換装置およびそれを備えた熱交換装置に関するものである。

Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子を電気的に直列に接続し、ペルチェ効果を用いて熱交換を行う熱電変換装置が知られており、冷蔵庫、スポットクーラなどの多種多様な機器で利用されている。このような熱電変換装置の一般的な構成の一つは、Ｐ型およびＮ型の熱電素子を交互に直線上に配列し、それらを電極がパターニングされた絶縁基板により上下から挟み込んで電気的に接続し、さらに、絶縁基板の外側に熱交換器を接合して熱交換を行うものである。
特開平８−１９５５０９号公報 特開平５−６３２４４号公報

熱交換器と熱電素子との間に絶縁基板が介在するタイプの熱電変換装置は、絶縁基板により熱伝達が阻害されてしまい、放熱効率および吸熱効率を向上することが難しい。このため、熱交換効率が低いという問題がある。これに対し、特許文献１には、電気および熱伝導性に優れた金属からなる放熱プレートおよび吸熱プレートの交差位置に熱電素子を接合した熱電変換装置が開示されている。この熱電変換装置は、放熱プレートと吸熱プレートとが熱電素子を介して直接的に導通するので熱損失が少なくなり、熱輸送効率が向上する。

さらに、特許文献１には、熱電素子を上下から支持するために肉厚となるプレートを、肉厚の基端部に複数のフィンを設けた形状とし、複数枚のプレートを、絶縁層を介して水平方向に重ね合わせ、基端部を貫通するボルトにより組み付けることが記載されている。放熱プレートおよび吸熱プレートの先端を複数のフィンの形状にすることにより、放熱効率および吸熱効率の向上を目指している。しかしながら、肉厚の基端部は空気などの媒体と接触せず、放熱および吸熱に寄与しないので、プレート全体のサイズに対して熱交換効率は高くない。また、基端部が重ね合わされて一体となった構造なので、剛性が高く、熱応力が蓄積されやすい。このため、熱電素子の熱膨張／収縮に電極が追従できず、接触不良などが発生しやすい。

一方、特許文献２には、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子を物理的に直線的に配列し、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子との間に電極板を挟むことにより電気的にも直列に接続されるようにした熱電変換装置が開示されている。この熱電変換装置は、上記とは逆に、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子との間に電極を挟み込むタイプなので、電極を延長した放熱あるいは吸熱用のプレートは、プレート自体が薄く、肉厚の基端部は不要である。したがって、プレートのサイズに対する熱交換効率が高く、コンパクトな熱電変換装置を提供できる。

しかしながら、この熱電変換装置では、複数の熱電素子を直線的に配列するため、熱電素子の配列、熱交換用のフィンの配列に制限があり、それに応じて、熱交換を行う媒体の流れる方向が自由にならない。たとえば、多数の熱電素子を配置しようとしたときに、それらを直線的に配置するよりも２次元に平面的に配置した方がスペース効率あるいは充填効率は高く、熱電変換装置を小型化できるが、特許文献２の方式では難しい。また、特許文献２の方式は、吸熱側の媒体と、放熱側の媒体が平行して流れるような熱交換装置には対応できるが、直交する方向に流れるような熱交換装置には対応が難しい。さらに、多数の熱電素子が直線的に配置されるために、個々の熱電素子の熱膨張あるいは収縮が微少であったとしても、それが直線的に並んだ数だけ倍化されるので、熱応力を逃がすような構造が要求され、信頼性および耐久性の高い熱電変換装置およびそれを用いた熱交換装置を実現するためにはコストがかかる。

そこで、本発明においては、電極で熱電素子を挟み込むタイプの熱電変換装置は熱電素子の配置の自由度があり、また、スペース効率が高いので、そのメリットを活かしながら、さらに、コンパクトで熱交換効率が高く、熱応力による信頼性の低下を防止でき、また、熱媒体の流れる方向をフレキシブルに設定できる熱電変換装置を提供することを目的としている。

本発明においては、複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子と、これらのＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を交互に電気的に直列に接続するための複数の電極とを有し、複数の電極のそれぞれは、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子に接する薄板状のベース部と、このベース部に２次元に配置され、当該ベース部からほぼ垂直に延びている複数のピン状の部材とを備えている熱電変換装置を提供する。

本発明の熱電変換装置は、電極で熱電素子を挟みこむ構造であるが、従来の熱電変換装置のように電極を剛体化して熱電素子を高い圧力で挟みこむことにより強固に熱電素子を支持し、構造の信頼性を確保しようとするのではなく、電極を柔構造にして熱電素子の熱膨張／収縮に追従するように挟みこむことにより、構造の信頼性を確保しようとしている。電極を柔構造にすることにより、熱電素子が熱膨張および熱収縮することを許容するので、熱電素子が熱応力により疲労することを回避でき耐久性を高めることができる。本発明の、ベース部が薄板状で、このベース部に対しほぼ垂直に複数のピン状の部材を２次元に配置した電極は、ベース部がいずれの方向にも曲がりやすい柔構造であり、ベース部により接続された熱電素子の熱膨張あるいは熱収縮をベース部の変形により吸収できる。さらに、ベース部が薄板なので、フィンとして機能するピン状の部材と熱電素子との距離が近く、フィンを含めた電極のサイズに対して空気などの熱媒体に接触する面積が大きい。したがって、電極のサイズに対して熱交換効率が高くコンパクトな熱電変換装置を提供できる。

さらに、複数のピン状の部材が２次元に配置されているので、熱媒体の流れ方向に対する圧力損失の変化も少なく、熱媒体の流れ方向をフレキシブルに設定できる。したがって、本発明の熱電変換装置と、この熱電変換装置に対して吸熱用の媒体および／または放熱用の媒体のそれぞれを供給する手段とを有する熱交換装置により、熱媒体の流れる方向をフレキシブルに設定できる共に、熱交換効率に優れ、耐久性にも優れた装置を実現できる。

本発明の柔構造の電極で熱電素子の上側あるいは下側を接続することにより、熱電素子の熱膨張／収縮を吸収することが可能となる。上側および下側の電極を柔構造にすることにより、さらに熱電素子の熱膨張および熱収縮は吸収しやすく耐久性および信頼性を向上できる。また、ピン状の部材が上下に延びているので、放熱側および吸熱側の熱媒体の流れも自由になる。したがって、複数の電極は、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子の上側で接する上側電極と、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子の下側で接する下側電極とを備え、上側電極は、複数のピン状の部材がベース部から上方に突き出ており、下側電極は、複数のピン状の部材がベース部から下方に突き出ていることが望ましい。上側電極および下側電極は、電極としての機能と熱交換部としての機能を兼ねているので、導電性および熱伝導性に優れていることが望ましく、その一例は、銅製の電極である。

柔構造の電極だけでは、熱電変換装置としての一定の形状を確保することが難しい。したがって、熱電変換装置は、上側電極のベース部と下側電極のベース部とを上下方向から挟み込み、複数の電極を介して複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を支持する絶縁性の支持部材を有することが望ましい。また、ベース部が支持部材と係合できるように、ベース部は、周囲の少なくとも一部に、複数のピン状の部材が配置されていない平坦な部分を備えていることが望ましい。支持部材の一例は、複数のピン状の部材は通過し、ベース部は通過しない孔が形成された絶縁基板である。支持部材の他の一例は、上側電極および下側電極の端を上下方向から挟み込む絶縁部材である。

本発明においては、平面的に並んだ熱電素子を、柔構造の電極により挟みこむ熱電変換装置を提供している。したがって、個々の熱電素子の熱変形が電気的な接続不良に繋がり、あるいは、材料の劣化に繋がる事態を未然に防止でき、熱電素子を平面的に配置するメリットを活かしながら、小型・低コストで、耐久性および信頼性が高く、さらに、熱媒体の流れ方向を自由に設定できる熱電変換装置を提供できる。

以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る熱電変換ユニットおよびそれを備えた熱交換装置の概略を、斜視図を用いて示してある。また、図２に、熱交換装置の概略を、断面図を用いて示してある。この熱交換装置１０は、ダクト２により供給された空気３を熱電変換ユニット１により冷却して出力する。したがって、熱電変換ユニット１は、ダクト２の内部を流れる空気３から吸熱し、その熱を外気４に放熱する。

図３に、熱電変換ユニット１の展開した状態を斜視図により示してある。また、図４に、配列された熱電素子と、それらを接続する電極の配置を示してある。熱電変換ユニット１は、たとえば、４列１３ａ〜１３ｄをなすように並べられた複数のＰ型熱電素子１１ｐおよび複数のＮ型熱電素子１１ｎを備えている。これらの熱電素子１１ｐおよび１１ｎは行および列方向にＰ型およびＮ型が交互となるように直線的に配列され、２列１３ａおよび１３ｂと、１３ｃおよび１３ｄのＰ型およびＮ型の熱電素子が上側電極７および下側電極８により交互に電気的に直列になるように接続されている。したがって、直列に接続された熱電素子に対して電圧を印加することにより、Ｎ−Ｐ接続からＰ−Ｎ接続に熱を移動するペルチェ効果が得られ、これら熱電素子１１ｐおよび１１ｎが配置された面を水平な面とすると、それに対して上方から下方に、あるいは下方から上方に熱を移動し、一方を吸熱側とし、他方を放熱側とすることができる。これらの熱電素子１１ｐおよび１１ｎが配置された面が垂直であれば、左右に熱を移動できるが、本明細書において、上下方向は単に熱電素子が配列された面に対する方向を規定するだけであって、左右であってももちろん良い。

熱電変換装置１においては、上側電極７は銅製で、第１の列１３ａおよび第２の列１３ｂの間と、第３の列１３ｃおよび第４の列１３ｄとをそれぞれ渡り、または跨ぎ、対応する熱電素子１１ｐおよび１１ｎの上側に接するように延びた薄板状のベース部１５と、このベース部１５から上方にほぼ垂直に延びた複数のピン状の部材１６とを備えている。

下側電極８は銅製で、それぞれの列１３ａ〜１３ｄに沿って、上側電極７と直交する方向に配置されており、対応する熱電素子１１ｎおよび１１ｐの下側に接するように延びた薄板状のベース部１７と、このベース部１７から下方にほぼ垂直に延びた複数のピン状の部材１８とを備えている。上側電極７および下側電極８は、基本的な形状は同じであり、列方向の熱電素子１１ｎおよび１１ｐのピッチが列１３ａおよび１３ｂのピッチと同一であれば、同一形状の電極を使用することができる。以下では、下側電極８が上側電極７と同一の形状の例を説明しており、上側電極７を基準としてみると、下側電極８は上側電極７を上下反転させた状態で水平方向に（熱電素子が配列された面で）９０度だけ回転させた姿勢で配置されている。本例においては、上側に延びた複数のピン状の部材１６が吸熱側の熱交換部となり、下側に延びた複数のピン状の部材１８が放熱側の熱交換部となる。

さらに、熱電変換ユニット１は、上側電極７のベース部１５を上方から支持する絶縁基板２２と、下側電極８のベース部１７を下方から支持する絶縁基板２３とを有している。上側の絶縁基板２２には、長方形の２つの開口または孔２２ａが、列方向に沿って設けられている。これらの孔２２ａの幅Ｈ１は、上側電極７のベース部１５の幅Ｗ１より狭く、複数のピン状の部材１６が設けられた領域の幅Ａ１より広くなっている。したがって、ベース部１５から垂直に上方に延びたピン状の部材１６は孔２２ａを通過し、ベース部１５は孔２２ａを通過せず、絶縁基板２２によりベース部１５を押さえることができるようになっている。

下側の絶縁基板２３には、長方形の４つの開口または孔２３ａが、列方向に沿って設けられている。これらの孔２３ａの幅Ｈ２は、下側電極８のベース部１７の幅Ｗ２より狭く、複数のピン状の部材１８が設けられた領域の幅Ａ２より広くなっている。したがって、ベース部１７から垂直に下方に延びたピン状の部材１８は孔２３ａを通過し、ベース部１７は孔２３ａを通過せず、絶縁基板２３によりベース部１７を押さえることができるようになっている。このため、熱電素子１１ｎおよび１１ｐを上側および下側からそれぞれ上側電極７および下側電極８により挟み込むように配置し、さらに、上側電極７を絶縁基板２２により上側から押さえ、下側電極８を絶縁基板２３により下側から押さえることにより、電極７および８を介して、絶縁基板２２および２３により複数の熱電素子１１ｎおよび１１ｐを挟み込むように支持することができる。したがって、絶縁基板２２および２３により熱電変換ユニット１は形作られ、絶縁基板２２および２３を外部からハウジングあるいはフレームなどにより支持することにより、熱電変換ユニット１を支持することができる。

図５（ａ）に上側電極７の平面図、図５（ｂ）に上側電極７の側面図を示してある。下側電極８は、上側電極７と同一形状である。上側電極７は幅Ｗ１およびＷ２の長方形または正方形で、厚みが０．３ｍｍ程度の薄板状のベース部１５と、ベース部１５の中央の幅Ａ１およびＡ２の長方形または正方形のエリア２４から垂直に延びる複数のピン状の部材１６を備えている。本例においては、ピン１６の断面は一辺ほぼ０．３ｍｍの正方形であり、エリア２４の内部に０．６ｍｍピッチでマトリクス状に配置されている。これらのピン１６もベース部１５と同じ銅製であり、ベース部１５と一体に成形されている。したがって、この電極７においては、ベース部１５が熱電素子１１ｎおよび１１ｐの吸熱側あるいは放熱側の電気的な接続を形成すると共に、それらの接続に対し高い熱伝達効率により熱を入出力する熱伝達部として機能し、さらに、ベース部１５と一体になったピン状部材１６が、空気などの熱媒体に対して熱を入出力するフィンとして機能する。このため、この熱電変換ユニット１は、電極により熱電素子１１ｎおよび１１ｐの吸熱側あるいは放熱側の接続が確保されており、空気などの熱媒体との間の熱交換効率が高い。

また、薄板状のベース部１５から垂直に複数のピン状の部材１６が延びた構成は、ベース部１５が薄く変形し易いのに加えて、ベース部１５から延びた部材１６がピン状でベース部１５の変形を阻害する方向がない。例えば、ベース部１５の上に形成されたフィンが板状であれば、フィンの延びた方向にはベース部は変形し難い。これに対し、ベース部の上に延びた放熱または吸熱用の部材１６がピン状であれば、方向性がないので、ベース部１５は、面内の方向でなければ、いずれの方向にも自由に変形できる。したがって、本例の電極７および８のベース部１５および１７は変形し易く、電極は柔構造であると言える。さらに、上側電極７を押さえる絶縁基板２２は、ベース部１５のピン状の部材１６が形成されたエリア２４の周囲の平らな部分２５に接し、電極７を介して弾性的に熱電素子１１ｎおよび１１ｐを押さえる。また、下側電極８を押さえる絶縁基板２３も、ベース部１７のピン状の部材１８が形成されたエリア２４の周囲の平らな部分２５に接し、電極８を介して弾性的に熱電素子１１ｎおよび１１ｐを押さえる。すなわち、基板２２および２３により熱電素子１１ｎあるいは１１ｐに対し上下から直に圧力を加える構造を採用せず、柔構造の上側電極７および下側電極８を介して熱電素子１１ｎおよび１１ｐを弾性的に挟み込む構造を採用している。このため、熱電素子１１ｎおよび１１ｐの熱収縮あるいは熱膨張を電極７および８の弾性により吸収することができ、電極７および８は熱電素子１１ｎおよび１１ｐの熱変形に追従する。したがって、熱電素子１１ｎおよび１１ｐと電極７および８との間の熱変形による電気的および熱的な接触不良を未然に防止できる。さらに、熱電素子１１ｎおよび１１ｐの熱変形を許容する構造になっているので、熱電素子１１ｎおよび１１ｐ、電極７および８、さらには基板２２および２３に熱応力が蓄積することを防止できる。このため、熱負荷に対して安定した性能を発揮し、信頼性と耐久性も高い熱電変換ユニット１を提供できる。

さらに、この熱電変換ユニット１は、柔構造で熱電素子１１ｎおよび１１ｐを支持するために、電極のベース部が剛体である必要はなく、ベース部を薄くできる。このため、空気などの熱媒体と接触する複数のピン状部材１６および１８と、熱電素子１１ｎおよび１１ｐとの距離を狭くすることができ、電極７および８の高さ方向におけるベース部１５および１７の占める比率を非常に小さくし、ピン状部材１６および１８の占める比率を非常に大きくできる。このため、熱電変換ユニット１が薄くコンパクトであっても、熱媒体との間に十分な接触面積を確保することが可能となり、熱交換効率の高い熱電変換ユニット１を提供できる。

さらに、ベース部１５および１７から突き出た複数のピン状の部材１６および１８を熱交換部として利用するので、媒体の圧力損失は媒体の流れる方向にほとんど依存しない。したがって、媒体の流れ方向または供給方向を自由に設定することができ、様々な構成あるいは形状の熱交換装置１０に対し本例の熱電交換ユニット１を適用することができる。

図６に異なる熱電変換ユニット１ａの概略を、ユニット１ａを展開した状態で示してある。この熱電変換ユニット１ａは、複数のＰ型熱電素子１１ｐが直線的に配置された列１４ｐと、複数のＮ型熱電素子１１ｎが直線的に配置された列１４ｎとを、上側電極７のベース部１５および下側電極８のベース部１７によりジグザグに接続し、Ｐ型熱電素子１１ｐとＮ型熱電素子１１ｎとを交互に電気的に直列に接続している。それぞれの電極７および８においては、幅Ｗ３の薄板状のベース部１５および１７に対し、若干狭い幅Ａ３に垂直方向に延びたピン状の部材１６および１８を配置しており、ベース部１５および１７の両端のほぼ平坦になった部分２５を上下方向から挟むように絶縁性のクリップ２７および２８により支持している。クリップ２７および２８には爪２７ａおよび２８ａが形成されており、この爪２７ａおよび２８ａにより各々のベース部１５および１７の両縁２５を保持している。

この熱電変換ユニット１ａの上側電極７および下側電極８は、薄板のベース部１５および１７に、ピン状の部材１６および１８がマトリクス状に配置された柔構造の電極である。したがって、それらの両縁２５をクリップ２７および２８で挟み込むことにより、熱電素子１１ｎおよび１１ｐは、柔構造の電極７および８を介して弾性的に保持されている。このため、この熱電変換ユニット１ａは、上記の熱電変換ユニット１と同様に、熱変形による電気的および熱的な接触不良を防止でき、安定した性能を発揮する、信頼性および耐久性の高い熱電変換ユニットである。

なお、熱電変換ユニットを構成するＰ型熱電素子１１ｐおよびＮ型熱電素子１１ｎの配置は上記に限定されることはなく、上下の電極により、熱電素子１１ｐおよび１１ｎが交互に直列に接続できる配置であれば良い。また、電極のベース部から延びるピン状の部材の形状は角柱状に限らず、円柱状、円筒状などあっても良く、プレートを高さ方向に切り込みを入れて交互に振り分けてピン状にしたものであっても良い。また、本発明の熱電変換ユニットは空気などの熱媒体を流す方向が自由に設定できるので、それを採用可能な熱交換装置は多種多様であり、図１に示した構成に限定されることはない。また、熱を伝達する媒体となる空気あるいは液体を熱交換部に供給する手段もダクトに限定されることはない。ファンにより媒体を送り込んでも良いし、熱交換の対象となる気体あるいは液体が充満した領域に熱電変換ユニットの複数のピン状の部材からなる熱交換部を直に配置することも可能である。さらに、電極は銅に限定されないが、熱伝導率および電気伝導率を考慮すると銅は一つの最適な素材である。

本発明に係る熱電変換ユニットを備えた熱交換装置の概略を示す斜視図である。 熱電変換ユニットの断面図である。 熱電変換ユニットを展開して示す斜視図である。 複数の熱電素子、複数の上側電極、および複数の下側電極の平面的な配置を示す図である。 図５（ａ）は上側電極および下側電極の平面図、図５（ｂ）は上側電極および下側電極の側面図である。 図６（ａ）は、異なる熱電変換ユニットを展開して示す斜視図、図６（ｂ）は熱電素子のペアを電極により接続した様子を示す図である。

符号の説明

１、１ａ 熱電変換装置
７ 上側電極
８ 下側電極
１１ｐ Ｐ型熱電素子
１１ｎ Ｎ型熱電素子
１５、１７ ベース部
１６、１８ ピン状部材
２２、２３ 絶縁基板
２７、２８ クリップ

Claims (7)

1. 複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子と、
   これらのＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を交互に電気的に直列に接続するための複数の電極とを有し、
   前記複数の電極のそれぞれは、前記Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子に接する薄板状のベース部と、このベース部に２次元に配置され、当該ベース部からほぼ垂直に延びている複数のピン状の部材とを備えている熱電変換装置。
2. 請求項１において、前記複数の電極は、前記Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子の上側で接する上側電極と、前記Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子の下側で接する下側電極とを備え、
   前記上側電極は、前記複数のピン状の部材が前記ベース部から上方に突き出ており、前記下側電極は、前記複数のピン状の部材が前記ベース部から下方に突き出ている熱電変換装置。
3. 請求項２において、前記上側電極のベース部と前記下側電極のベース部とを上下方向から挟み込み、前記複数の電極を介して前記複数のＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子を支持する絶縁性の支持部材を有する熱電変換装置。
4. 請求項３において、前記ベース部は、周囲の少なくとも一部に、前記複数のピン状の部材が配置されていない平坦な部分を備えている熱電変換装置。
5. 請求項３において、前記支持部材は、前記複数のピン状の部材は通過し、前記ベース部は通過しない孔が形成された絶縁基板である熱電変換装置。
6. 請求項３において、前記支持部材は、前記上側電極および下側電極の端を上下方向から挟み込む絶縁部材である熱電変換装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の熱電変換装置と、
   前記熱電変換装置に対して吸熱用の媒体および／または放熱用の媒体のそれぞれを供給する手段とを有する熱交換装置。

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