JP2006108253A - 熱電変換装置 - Google Patents

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Isao Azeyanagi
功 畔柳
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隆 山本
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五規 羽田野
Makoto Uto
誠 宇藤
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Abstract

【課題】 接合部からの熱を均等に伝熱するように電極部材と熱交換部材とを構成させることで、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる熱電変換装置を実現する。
【解決手段】 第1絶縁基板11にP型、N型の熱電素子12、13を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板10と、隣接して配列されたP型熱電素子12とN型熱電素子13とを電気的に接続する電極部材20と、この電極部材20から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材25とを備え、電極部材20は、隣接して配列された熱電素子12、13の両端に直列的に接続するように構成され、熱交換部材25は、電極部材20と熱電素子12、13の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材20に構成した。これにより、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、N型熱電素子、P型熱電素子からなる直列回路に直流電流を流通させることで吸熱、放熱が得られる熱電変換装置に関するものであり、特に、隣接する熱電素子に接続する電極部材に設けられる熱交換部材の構造に関する。
従来、この種の熱電変換装置として、例えば、特許文献1に示すように、N型熱電素子およびP型熱電素子をこの順序で複数組直列に接続して熱電素子群を構成し、この熱電素子群を吸熱電極部材および放熱電極部材で直列接続するとともに、上記熱電素子群の一方に突設して吸熱電極部材それぞれに吸熱熱交換部材を結合し、さらに熱電素子群の他方に突設して放熱電極部材それぞれに放熱熱交換部材を結合し、それぞれ吸熱熱交換部および放熱熱交換部を構成している。
そして、これらの熱交換部をそれぞれ構成する各熱交換部材は、熱電素子群の並ぶ方向に沿って折曲される第1の折曲片および熱電素子の並ぶ方向とほぼ直角曲げられる第2の折曲片を備え、隣接する第2の折曲片の相互は電気的に絶縁して固定することにより、吸熱熱交換部と放熱熱交換部とを区画する壁を有するように構成している。これにより、吸熱電極部材および放熱電極部材からの熱を効率的に取り出して熱交換効率が良好となるとともに、区画壁が形成されることで吸熱部と放熱部との分離が容易にできる構造を備えている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3166228号公報
しかしながら、上記特許文献1によれば、吸熱熱交換部材(または、放熱熱交換部材)は、熱の発生源であるNP接続部(または、NP接続部)となる吸熱電極部材(放熱電極部材)から延長された第2の折曲片の立ち上がり部位に設けられている。つまり、吸熱電極部材(放熱電極部材)で発生した熱を第2の折曲片に伝熱させ、その伝熱した熱を第2の折曲片の先端側から末端側にかけて吸熱熱交換部材(または、放熱熱交換部材)で熱交換するようにしている。
従って、装置の小型化のために第2の折曲片を延長して吸熱熱交換部材(または、放熱熱交換部材)の放熱面積を増加するようにすると、先端側の吸熱熱交換部材(または、放熱熱交換部材)と末端側の吸熱熱交換部材(または、放熱熱交換部材)とにおいて、伝熱される熱の温度ムラが発生することで、一概に放熱面積を増加しても熱交換効率の低下を招くことで装置の小型化を図ることができない問題がある。
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、接合部からの熱を均等に伝熱するように電極部材と熱交換部材とを構成させることで、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる熱電変換装置を提供することにある。
上記、目的を達成するために、請求項1ないし請求項4に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、絶縁材料からなる第1絶縁基板(11)に、P型熱電素子(12)およびN型熱電素子(13)を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板(10)と、この熱電素子基板(10)に隣接して配列されたP型熱電素子(12)とN型熱電素子(13)とを電気的に接続するために平板状に形成された電極部材(20)と、この電極部材(20)に伝熱可能に結合され、電極部材(20)から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材(25)とを備え、
電極部材(20)は、隣接して配列されたP型熱電素子(12)とN型熱電素子(13)との両端に直列的に接続するように構成され、熱交換部材(25)は、電極部材(20)と熱電素子(12、13)の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材(20)に構成したことを特徴としている。
請求項1に記載の発明によれば、熱交換面積を増加させても熱交換部材(25)に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止が図れることで、熱交換効率を低下させることはなく装置の小型化が図れる。
請求項2に記載の発明では、熱交換部材(25)は、電極部材(20)の一端面から直交する外方向に延出する、棒状からなるピン部材(25b)もしくは薄肉の平板状からなるプレート部材(25a)のいずれか一方の形状で形成し、その一端を電極部材(20)の一端面に複数個、伝熱可能に結合したことを特徴としている。
請求項2に記載の発明によれば、具体的には、ピン部材(25b)もしくはプレート部材(25a)のいずれかで形成することで、熱交換面積を必要以上に増加することができるとともに、接合部からの熱をじかに熱交換部材(25)に分散して伝熱させることができる。これにより、熱交換部材(25)に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止ができる。
請求項3に記載の発明では、棒状の絶縁材料からなる第1固定部材(21a)が設けられ、熱交換部材(25)は、一端側および他端側の少なくとも一方に第1固定部材(21a)により隣り合う個々の熱交換部材(25)相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴としている。
請求項3に記載の発明によれば、熱交換面積を増加することで熱交換部材(25)の板厚が薄くなることで剛性が低下するが、棒状の第1固定部材(21a)で熱交換部材(25)を固定することにより、隣り合わせとなる、例えば、プレート部材(25a)などが変形などで接触することはない。
請求項4に記載の発明では、平板状の絶縁材料からなる第2固定部材(21b)が設けられ、熱交換部材(25)は、一端側および他端側の少なくとも一方に第2固定部材(21b)により隣り合う個々の熱交換部材(25)相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴としている。
請求項4に記載の発明によれば、例えば、ピン部材(25b)もしくはプレート部材(25a)に見合う断面形状の溝部などを第2固定部材(21b)に形成することで、第2固定部材(21b)で熱交換部材(25)を確実に固定および一体構成ができる。これにより、個々の熱交換部材(25)が第2固定部材(21b)に相互間で接触なきように固定できる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態における熱電変換装置を図1および図2に基づいて説明する。図1は本実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図、図2は図1に示すA−A断面図である。
本実施形態の熱電変換装置は、図1および図2に示すように、P型熱電素子12およびN型熱電素子13を交互に複数個配列してなる熱電素子基板10と、その基板10に隣接して配列されたP型熱電素子12とN型熱電素子13とを電気的に接続する複数個の電極部材20と、その電極部材20から伝熱する熱を吸熱、放熱する複数個の熱交換部材25とから構成している。
まず、熱電素子基板10は、平板状の絶縁材料(例えば、ガラスエポキシ、PPS樹脂、LCP樹脂、もしくはPET樹脂など)からなる第1絶縁基板11に、P型熱電素子12およびN型熱電素子13を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して一体構成にしたものである。P型熱電素子12はBi−Te系化合物からなるP型半導体により構成され、N型熱電素子13はBi−Te系化合物からなるN型半導体により構成された極小部品である。
なお、熱電素子基板10は、P型熱電素子12およびN型熱電素子13を第1絶縁基板11に略碁盤目状に配列するように基板穴(図示せず)を一体成形で形成している。このときに、P型熱電素子12およびN型熱電素子13の両端は、絶縁基板11よりも上端面、下端面が外方に突き出すように形成している。
そして、電極部材20は、熱電素子基板10に配列された熱電素子群のうち、隣接するP型熱電素子12およびN型熱電素子13を電気的に接続する電極部であり、例えば、銅材などの導電性金属からなる板材で平板状に形成している。そして、熱電素子基板10に対して、上方側に配置される電極部材20は、隣接するP型熱電素子12からN型熱電素子13に電流を流すように、複数個碁盤目状に配設され、熱電素子基板10に対して、下方側に配置される電極部材20は、隣接するN型熱電素子13からP型熱電素子12に電流を流すように、複数個碁盤目状に配設されている。
なお、電極部材20と隣接する熱電素子12、13の端面とは半田付けにより接合される。さらに、それぞれの電極部材20の一端面には、直交する外方向に延出する複数個(本実施形態では、例えば6個)に積層したプレート部材25aが設けられている。このプレート部材25aは薄肉の伝熱性良好な銅材などの金属材料の板材からなり、断面がL字状に形成され、下端面が電極部材20の一端面に半田付けにより接合されるようにしている。
また、図中に示す21aは、隣り合うプレート部材25aの相互間を接触させないように固定する部材である。つまり、図示しないがプレート部材25aに形成された固定穴にこの第1固定部材を貫通させて串状に差し込むことで、複数個のプレート部材25aが第1固定部材21aに一体構成される。
ところで、上記第1固定部材21aは、棒状の絶縁材料(例えば、ガラスエポキシ、PPS樹脂、LCP樹脂、もしくはPET樹脂など)から形成されており、図中に示すように、プレート部材25aの一端側および他端側に設けて固定させることで、隣り合う熱交換部材25の相互間を電気的に絶縁された状態で固定も併せて行なうことができる。
また、熱電素子12、13の上方側に配設される電極部材20および熱交換部材25は、P型からN型に電流が流れるように接続し、熱電素子12、13の下方側に配設される電極部材20は、N型からP型に電流が流れるように接続している。そして、図中に示す左右端に配設される電極部材20には、それぞれ端子部24a、24bが設けられている。
そして、その端子部24a、24bには、図示しない直流電源の正側端子を端子24aに接続し、負側端子を端子24bに接続するようにしている。そして、図1に示すように、熱電素子基板10に配設された左端からP型熱電素子12、N型熱電素子13、P型熱電素子12の順に電気的に接続するように複数個配設されて、奥行き方向に列設して碁盤目状に構成される。
また、熱電素子12、13の両端がそれぞれ電極部材20で電気的に接続されることで、端子部24aから入力された直流電源は、図中に示す左端のP型熱電素子12から上方側の電極部材20を介してN型熱電素子13に直列的に流れ、次に、このN型熱電素子13から下方側の電極部材20を介してP型熱電素子12に直列的に流れる。
このときに、NP接合部を構成する下方側の電極部材20は、ペルチェ効果によって低温の状態となり、PN接合部を構成する上方側の電極部材20は高温の状態となる。これにより、上方側に配設される複数個の熱交換部材25は、高温側となる電極部材20より高温の状態の熱が伝熱され、言い換えれば放熱熱交換部が形成されて冷却流体が接触される。
一方、下方側に配設される熱交換部材25は、冷温側となる電極部材20より低温の状態が伝熱され、言い換えれば吸熱熱交換部が形成されて被冷却流体が接触される。そこで、熱電素子基板10を区画壁として区画して、上方側、下方側にそれぞれ図示しないケース部材で空気通路を形成して、それぞれの空気通路に空気を流通させると、熱交換部材25と空気とが熱交換され、上方側の熱交換部材25で空気を加熱することができ、下方側の熱交換部材25で空気を冷却することができる。
次に、以上の構成による熱電変換装置の組み付け方法について説明する。熱電素子基板10は、熱電素子12、13を第1絶縁基板11に設けられた基板穴にP型とN型を交互に略碁盤目状に複数個配列して一体に構成する。なお、このときは、半導体、電子部品などを制御基板に組み付けるための製造装置であるマウンター装置を用いて製造してもよい。
そして、この熱電素子基板10に隣接して配列された熱電素子12、13の両端に直列的に接続するように電極部材20を碁盤目状に配置して半田付けにより接合する。これにより、上方側に配設される電極部材20が隣接して配列されたP型熱電素子12とN型熱電素子13とを直列的に接続されるとともに、下方側に配設される電極部材20が隣接して配列されたN型熱電素子13とP型熱電素子12とを直列的に接続される。
次に、プレート部材25aを複数個積層して並べ、これに第1固定部材21aを串状に差し込んでプレート部材25aと第1固定部材21aとを一体に構成する。これにより、複数個の熱交換部材25が第1固定部材21aに固定される。そして、一体構成された複数個の熱交換部材25を電極部材20の一端面にそれぞれのプレート部材25aの先端が電極部材20の一端面に接するように設置させる。そして、その後電極部材20の一端面とプレート部材25aの先端とを半田付けにより接合させる。
そして、上方側、下方側を図示しないケース部材により空気経路を形成するように組み付けることで、上方側に放熱熱交換部が形成され、下方側に吸熱熱交換部が形成されて、これに空気を流通させることで冷風、温風を得ることが可能となる。これにより、電極部材20で生ずる熱が均等に個々のプレート部材25aに分散される。従って、熱交換部での温度ムラの防止が図れることで熱交換効率を低下することはない。
なお、本実施形態では、図示しない直流電源の正側端子を端子部24a側に接続し、負側端子を端子部24b側に接続して端子部24aに直流電源を入力させたが、これに限らず、図示しない直流電源の正側端子を端子部24b側に接続し、負側端子を端子部24a側に接続して端子部24bに直流電源を入力させるように構成しても良い。
ただし、このときは、上方側にPN接合部が形成されることで上方側に吸熱熱交換部が形成され、下方側にNP接合部が形成されることで下方側に放熱熱交換部が形成される。つまり、隣接して配列された熱電素子12、13に流す電流の流れ方向を切り替えることで冷却もしくは加熱を切り替えることができる。因みに、この種の熱電変換装置として、半導体や電気部品などの発熱部品の冷却用や暖房装置などの加熱用に用いられる。
なお、本実施形態では、プレート部材25aを平板状に形成したが、これに限らず、平面部に切り起こしなどの加工を加えてルーバー、オフセットフィンなどで、さらに熱伝達率を拡大しても良い。これによれば熱交換部の小型化が図れる。
以上の第1実施形態による熱電変換装置によれば、熱交換部材25を電極部材20と熱電素子12、13の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材20に構成したことにより、熱交換部材25に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止が図れることで、熱交換効率を低下させることはなく装置の小型化が図れる。
具体的には、熱交換部材25を電極部材20の一端面から直交する外方向に延出する形状のプレート部材25aを形成して、その一端を電極部材20の一端面に伝熱可能に複数個に分けて接合したことにより、熱交換面積を必要以上に増加することができるとともに、接合部からの熱をじかに熱交換部材25に分散して伝熱させることができる。これにより、熱交換部材25に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止ができる。
また、棒状の第1固定部材21aを設け、複数個のプレート部材25aとを一体構成したことにより、熱交換面積を増加することでプレート部材25aが薄肉に形成されることで剛性が低下するが、第1固定部材21aで固定できるため変形などで接触することはない。さらに、隣り合わせとなる熱交換部材25は電気的に絶縁させることができる。
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、複数個のプレート部材25aを棒状からなる第1固定部材21aにより一体に構成させたが、これに限らず、図3に示すように、平板状の絶縁材料からなる第2固定部材21bを設け、この第2固定部材21bに複数個のプレート部材25aを固定させるようにして一体に構成しても良い。
具体的には、プレート部材25aの一端側と末端側との2箇所を第2固定部材21bにより固定させる。つまり、一端側の第2固定部材21bには、プレート部材25aが貫通するように図示しない基板穴を形成し、その基板穴にプレート部材25aを固定させる。そして、一端側の第2固定部材21bには、プレート部材25aの末端が嵌め合うように図示しない溝部を形成し、その溝部にプレート部材25aの末端を嵌めて固定する。
なお、第2固定部材21bは、例えば、ガラスエポキシ、PPS樹脂、LCP樹脂、もしくはPET樹脂などの絶縁材料で形成している。これにより、第2固定部材21bで熱交換部材25を第1実施形態よりも確実に固定および一体構成ができる。従って、プレート部材25a相互間が接触なきように第2固定部材21bで固定できる。
また、複数個のプレート部材25aが第2固定部材21bで一体構成されることで、熱電素子12、13の両端に接合された電極部材20に、複数個の熱交換部材25を組付ける組付け工程における組付性の向上が図れる。さらに、プレート部材25aの末端側に設けた第2固定部材21bを、図3に示すように、空気通路を形成するケース部材と兼用させても良い。
また、図4に示すように、プレート部材25aの一端側に配設される第2固定部材21bに、電極部材20が一体に構成させても良い。つまり、第2固定部材21bに、電極部材20が嵌合する基板穴を形成して、電極部材20を第2固定部材21bに一体構成させて、一体構成された電極部材20に複数個のプレート部材25aおよび第1固定部材21aを配設し、これらを一体に構成しても良い。
(第3実施形態)
以上の実施形態では、熱交換部材25を薄肉のL字状からなるプレート部材25aで構成したが、これに限らず、図5に示すように、棒状からなるピン部材21bで構成しても良い。そして、ピン部材21bの下端面が電極部材20の一端面に半田付けにより接合されるようにしている。なお、この場合には、平板状の第2固定部材21bに電極部材20が一体に構成するようにすると良い。
これによれば、プレート部材25aよりもピン部材21bの方が剛性を高めることができるため、ピン部材21bの他端側に第1固定部材21aもしくは第2固定部材21bを不要とすることができる。従って、簡素な構造で熱交換部材25を電極部材20に配設できる。
なお、本実施形態では、電極部材20の一端面にピン部材21bを当接させて接合するように構成したが、図6に示すように、ピン部材21bを電極部材20に差し込んで接合するようにしても良い。これによれば、ピン部材21bが電極部材20に確実に結合できる。
また、電極部材20を、図6に示すように、第2固定部材21bの一端面に配置するように一体に構成しても良い。さらに、ピン部材21bの他端側に第2固定部材21bを設けて、空気通路を形成するケース部材と兼用させても良い。
(他の実施形態)
以上の実施形態では、プレート部材25aもしくはピン部材21bを一つの電極部材20に6個ずつ接合させて熱交換部材25を形成したが、6個に限定するものではなく、電極部材20で発生した熱が均等に分散するように形成すると良い。
本発明の第1実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。 図1に示すA−A断面図である。 本発明の第2実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第2実施形態の変形例における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第3実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第3実施形態の変形例における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
符号の説明
10…熱電素子基板
11…第1絶縁基板
12…P型熱電素子
13…N型熱電素子
20…電極部材
21a…第1固定部材
21b…第2固定部材
25…熱交換部材
25a…プレート部材
25b…ピン部材

Claims (4)

  1. 絶縁材料からなる第1絶縁基板(11)に、P型熱電素子(12)およびN型熱電素子(13)を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板(10)と、
    前記熱電素子基板(10)に隣接して配列された前記P型熱電素子(12)と前記N型熱電素子(13)とを電気的に接続するために平板状に形成された電極部材(20)と、
    前記電極部材(20)に伝熱可能に結合され、前記電極部材(20)から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材(25)とを備え、
    前記電極部材(20)は、隣接して配列された前記P型熱電素子(12)と前記N型熱電素子(13)との両端に直列的に接続するように構成され、
    前記熱交換部材(25)は、前記電極部材(20)と前記熱電素子(12、13)の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように前記電極部材(20)に構成したことを特徴とする熱電変換装置。
  2. 前記熱交換部材(25)は、前記電極部材(20)の一端面から直交する外方向に延出する、棒状からなるピン部材(25b)もしくは薄肉の平板状からなるプレート部材(25a)のいずれか一方の形状で形成し、その一端を前記電極部材(20)の一端面に複数個、伝熱可能に結合したことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。
  3. 棒状の絶縁材料からなる第1固定部材(21a)が設けられ、
    前記熱交換部材(25)は、一端側および他端側の少なくとも一方に前記第1固定部材(21a)により隣り合う個々の前記熱交換部材(25)相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱電変換装置。
  4. 平板状の絶縁材料からなる第2固定部材(21b)が設けられ、
    前記熱交換部材(25)は、一端側および他端側の少なくとも一方に前記第2固定部材(21b)により隣り合う個々の前記熱交換部材(25)相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱電変換装置。
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