JP2006508542A - 一体化された熱電モジュール - Google Patents

Abstract

一体化された熱電モジュールは、電気的に直列に接続され熱的に並列に接続されたＮ型とＰ型の導体および／または半導体素子からなる一組の熱電素子から形成されており、熱電素子は電気的に直列および／または並列に接続され熱的に並列に接続され、また回路を電気的に絶縁できるが高い熱伝導効率を有するポリマー材料の柔軟な支持体上に組み立てられる。各支持体は、低い接着圧力でも最適な接合を可能にする低い熱インピーダンスを有する接合材料を用いて熱交換器に接合される。熱電素子は、一体化された熱電モジュールの効率を最大にするために、一体化された熱電モジュールから伝達された熱を熱交換器によって交換された熱と幾何学的に調和させ、それによって上記の熱交換器上の温度分布をできる限り均一にするように上記の一体化された熱電モジュールの内部に分布させられる。

Description

本発明は一般に、民生環境および／または産業環境を冷房および／または暖房するためにペルチエ効果を使用する固体熱電装置の分野に関する。

上記のタイプの熱電装置は相当な期間の間、従来技術で知られおり、一般的には電気的に直列に接続され熱的に並列に接続されたＰ型およびＮ型の導体および／または半導体素子によって形成された一組の熱電素子からなる熱電モジュールまたは熱電対列であって、これら熱電素子が通常、電気的に直列に接続され熱的に並列に接続されており、電気的に絶縁性であるが熱的に伝導性の材料でまた一般には硬いセラミック材料で作られた支持体上に組み立てられる熱電モジュールを含む。それからこれらの熱電モジュールは、家庭用および産業用の機器のためのヒートポンプを形成するために熱交換器に接合されなくてはならない。

従来技術で知られた熱電モジュールは一般に、それらの熱効率と脆性とに関連した幾つかの欠点を呈している。これらの欠点の第１のものに関しては特に、従来技術で知られた熱電モジュールは、意図した用途のタイプに依存して変化し得る熱交換器の特性に適応できないという理由で、熱電モジュールが接合される熱交換器上で均一な温度分布を達成できない。第２の欠点に関しては、支持体の脆性のために熱交換器との組立て段階の間に、良好な動作のために必要とされる高い接触圧力のせいで、および／または熱電モジュールが接合される熱交換器の異なる温度に起因するモジュールの二つの面の異なる熱膨張のせいで、動作中にしばしば破断が発生する。

本発明の目的は、熱電ヒートポンプを形成するために熱交換器と共に組み立てられ一体化されるべき新規に設計された熱電モジュールを提供することによって、従来技術で知られた熱電モジュールの上記の欠点を克服することである。

本発明によればこの目的は、各々の熱電素子が電気的に直列に接続され熱的に並列に接続されたＰ型とＮ型の導体および／または半導体素子で作られた一組の熱電素子から形成された一体化された熱電モジュールであって、上記の熱電素子は電気的に直列および／または並列に接続され熱的に並列に接続され、また回路を電気的に絶縁できるが高い熱伝導性能を有するポリマー材料で作られた柔軟の支持体上で組み立てられる一体化された熱電モジュールによって達成される。一方は熱電モジュールの高温側にあり、他方は低温側にある上記の支持体は、低い接着圧力でも最適の接合を可能にする、例えば相変換型またはグラファイトベース型の、低い熱インピーダンスを有する接合材料を用いてそれぞれの熱交換器に接合される。上記の一体化されたモジュールは、上記の熱電素子が、一体化された熱電モジュールの二つの面間のサーマルヘッドを減らすことによって一体化された熱電モジュールの効率を最大にするために、一体化された熱電モジュールから伝達された熱を熱交換器によって交換された熱と幾何学的に調和させ、それによって上記の熱交換器上の温度分布をできる限り均一にするように上記の一体化された熱電モジュールの内部に分布させられることを特徴としている。

さて本発明は、下記の付属図面の図を参照しながら非限定的例として説明される。
図面の図１を参照すると一体化された熱電モジュール１０は、ポリマー材料の薄い膜またはフィルムの形を持つ柔軟な支持体１１の上で組み立てられた上記のような一組の熱電素子から形成される。熱電素子は、熱電モジュール１０が意図された特定の用途に依存して柔軟な支持体１１上に均一に、または不均一に分布されられる。
一体化された熱電モジュールの周囲形状は種々であってよく、矩形例えば正方形でもよく、あるいは曲線状例えば円形でも良い。
柔軟な支持体１１のポリマー材料は、好ましくは商品名Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）として購入可能なポリイミドで作られる。

このようにして形成された一体化熱電モジュール１０は、熱交換器１２に接合され、好ましくは相変換型の熱伝導性材料１３を用いて後者（熱交換器）のベース面に接着される。一体化された熱電モジュール１０の片面だけに、または両面に配置される接合材料としては、相変換型の熱伝導性材料の代わりにグラファイト材料が使用できる。
熱交換器のベース面は、図１に示すように平面でも、図２に示すように凹面および／または凸面でも、図３に示すように多角形断面を有するシリンダー（円筒形）でも、図４に示すように円形断面を有するシリンダーでもよい。熱交換器１２は、ガス状または液状の流体に、ならびに相変換を受ける流体に接触する可能性がある。更に接触する表面は、ひれ（フィン）を備えることもできる。熱交換器１２は、金属材料または非金属材料で作ることができる。例えば非金属材料としてグラファイト材料が使用できる。
一体化熱電モジュール１０を熱交換器１２に接合するために使用される接合材料は、柔軟な支持体１１上に実質的に均一に分布させられ得るか、あるいは熱電素子に対応して柔軟な支持体１１上に局所化され得る。

本発明による熱電装置によって達成される技術的利点は次のとおりである。
一体化された熱電モジュール１０の内部における熱電素子の適当な分布によれば、このモジュールから伝達された熱と熱交換器１２によって交換された熱との間の対応を改善し、できる限り均一な温度分布を達成し、それによってその（一体化された熱電モジュールの）二つの面間のサーマルヘッドの削減によって一体化熱電モジュール１０の効率を改善するために、上記のモジュールの構成を熱交換器１２の構成と調和させることができる。

上述のように、一体化された熱電モジュール１０と熱交換器１２との間における接合材料の使用は、一体化された熱電モジュールと熱交換器との密接な接触を達成するために、過度の接触圧力がなくても安定な接合を得ることを可能にする。更に上記の接合材料は、高い熱伝導率を持っており、また熱電素子の異なる高さと、動作中に熱交換器が互いに異なる温度になっているときの熱交換器の熱膨張による異なる影響とによるモジュールの起こり得る厚さの不規則性を、可能な最善の仕方でモジュールそれ自体への損傷なしに、吸収することができる。最後に、もし非平面の接着面を有する熱交換器が使用されれば、上記の接合材料は、柔軟な支持体１１と熱交換器１２の表面との間に存在する隙間を充填することによって熱電素子の平面状ベースと熱交換器ベースの湾曲度との不整合を相殺するために使用できるであろう。

熱電ヒートポンプを形成するために平面形状の熱交換器と接合された、本発明による一体化された熱電モジュールの断面図である。 熱電ヒートポンプを形成するために凹面および／または凸面形状の熱交換器と接合された、本発明による一体化された熱電モジュールの断面図である。 熱電ヒートポンプを形成するために多角形断面を有するシリンダー形状の熱交換器と接合された、本発明による一体化された熱電モジュールの断面図である。 熱電ヒートポンプを形成するために円形断面を有するシリンダー形状の熱交換器と接合された、本発明による一体化された熱電モジュールの断面図である。

Claims (15)

1. 各々の熱電素子が電気的に直列に接続され熱的に並列に接続されたＰ型とＮ型の導体および／または半導体素子で作られた一組の熱電素子から形成された一体化された熱電モジュール（１０）であって、前記熱電素子は電気的に直列および／または並列に接続されて熱的に並列に接続され、またポリマー材料で作られてそれぞれの熱交換器（１２）に接合された柔軟な支持体（１１）上に組み立てられており、熱電素子は、一体化された熱電モジュールの二つの相対する面間のサーマルヘッドを減らすことによって一体化された熱電モジュール（１０）の効率を最大にするために、一体化された熱電モジュール（１０）から伝達された熱を熱交換器（１２）によって交換された熱と幾何学的に調和させ、それによって前記熱交換器（１２）上の温度分布をできる限り均一にするように、一体化された熱電モジュール（１０）の内部に分布させられることを特徴とする一体化された熱電モジュール。
2. 前記モジュール（１０）を熱交換器（１２）に接合するために、高い熱伝導率を有し、熱電素子の高さの許容誤差に起因して一体化熱電モジュール（１０）の厚さの起こり得る不規則性を損傷なしに吸収できる相変換型の熱伝導性材料(１３)が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
3. 前記モジュール（１０）を熱交換器（１２）に接合するために、一体化された熱電モジュール（１０）の片面のみ、または両面のいずれかに配置された熱伝導性グラファイト材料が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
4. そのベースが矩形、例えば正方形を有することを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
5. そのベースが曲線状の周囲形状、例えば円形を有することを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
6. 前記熱電素子は一体化された熱電モジュール（１０）内に均一に分布させられることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
7. 前記熱電素子は一体化された熱電モジュール（１０）内に不均一に分布させられることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
8. 前記モジュールは平面状の接合面を有する熱交換器に接合されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
9. 前記モジュールは凹面状および／または凸面状の接合面を有する熱交換器に接合されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
10. 前記モジュールは多角形断面を持つシリンダー形状を有する熱交換器に接合されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
11. 前記モジュールは円形断面を持つシリンダー形状を有する熱交換器に接合されることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
12. 前記熱交換器は、ひれ付きであることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
13. 前記熱交換器は、ガス状流体または液状流体に、ならびに相変換しようとしている流体に接触する可能性があることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
14. 前記熱交換器は、相変換しようとしている流体に接触する可能性があることを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
15. 前記熱交換器は、流体の相変換の潜熱を利用することを特徴とする、請求項１に記載の一体化された熱電モジュール。
    

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