JP2008034664A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールが収容される空間において対流等が発生するのを抑制することができる熱電変換装置を提供する。
【解決手段】熱電変換ユニット１００は、複数のπ型熱電素子を備えた熱電変換モジュール１４０が収容される空間、すなわち、伝熱ブロック１１０と、放熱フィン１２０と、ケース１３０とによって囲まれる空間を、熱電変換モジュール１４０の吸熱面が含まれる低温側空間１６１と、放熱面が含まれる高温側空間１６２とに分離するセパレータ１５０を備える。セパレータ１５０によって、熱電変換モジュール１４０が収容される空間が、低温側空間１６１と高温側空間１６２とに分離されるので、熱電変換モジュール１４０が収容される空間における対流等の発生が抑制されることとなり、対流等に起因する熱損失を低減することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、冷蔵庫等の冷却ユニットとして利用される熱電変換装置に関する。

従来から、ペルチェ効果を利用した電子冷却システムが知られている。このような電子冷却システムでは、一般に、多数の熱電素子を集積して、吸放熱効率を向上させた熱電変換モジュール（ペルチェモジュール）が利用されている。

図７は、熱電変換モジュールの構造を示す図である。同図に示すように、熱電変換モジュール７００は、板状に並べられた複数のπ型熱電素子７１０（ｎ型半導体素子７１１及びｐ型半導体素子７１２の一端を金属電極７１３で接合したもの）によって構成されており、複数のπ型熱電素子７１０は、金属電極７２０によって、電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。同図に示した例では、矢印の方向（π型熱電素子のｎ側からｐ側へ向かう方向）に直流電流を流すと、上面側（π型熱電素子のｎｐ接合側）で吸熱が行われ、底面側で放熱が行われることになる。また、一般に、上面及び底面には、それぞれ、絶縁基板７３０（例えば、セラミック基板）が接合されており、吸熱面及び放熱面を形成している。なお、同図では、上面側の絶縁基板は省略してある。

上述したような熱電変換モジュールは、例えば、上面及び底面が吸熱側伝熱部材（例えば、伝熱ブロック）及び放熱側伝熱部材（例えば、放熱フィン）で挟持され、水分等の侵入を防ぐために周囲（側方）が合成樹脂製のケースで覆われた状態、すなわち、密閉された状態で使用される。この時、熱電変換モジュールが収容される空間、すなわち、伝熱ブロック、放熱フィン及びケースによって囲まれる空間には、通常、気体（例えば、空気）が存在することになる。そのため、熱電変換モジュールに直流電流が供給されて吸熱側と放熱側との間に温度差が生じると、前記空間内に対流が発生して高温側（放熱側）から低温側（吸熱側）への熱の移動が生じることとなり、熱損失が生じて冷却効率が低下することになる。また、吸熱側と放熱側との間に温度差が生じると、放射（熱輻射）によっても、前記空間を介して、高温側（放熱側）から低温側（吸熱側）へ熱の移動が生じることになる。

この点に関して、特開平６−２９４５６０号公報には、気密部材で熱電素子の存在する空間を真空状態に保つことにより、伝導、対流および放射に起因して生じる熱の損失を回避し、高い熱伝導効率を実現する熱電変換モジュールが開示されている。

しかしながら、熱電素子の存在する空間を真空にするのには手間がかかるし、真空状態を長期間にわたって維持するのも実際上は難しいと考えられる。
特開平６−２９４５６０号公報

本発明の目的は、熱電変換モジュールが収容される空間において対流等が発生するのを抑制することができる熱電変換装置を提供することにある。

本発明に係る熱電変換装置は、電極によって接合された複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの吸熱面と放熱面との間に配置されるセパレータとを備え、前記セパレータは、前記熱電変換モジュールが収容される空間を、前記吸熱面が含まれる低温側空間と、前記放熱面が含まれる高温側空間とに分離することを特徴とする。

この場合において、前記熱電変換モジュールを挟持する第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースとを更に備え、前記熱電変換モジュールが収容される空間は、前記第一の伝熱部材と、前記第二の伝熱部材と、前記ケースとによって形成されるようにしてもよい。また、前記セパレータは、前記ケースの内周面に形成された溝に固定されるようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記セパレータは、前記複数の熱電素子を挿入するための孔が形成された平板状部材で構成されるようにしてもよい。また、前記セパレータは、２つの櫛状部材によって構成されるようにしてもよい。

本発明によれば、熱電変換モジュールが収容される空間において対流等が発生するのを抑制することができるので、対流等に起因する熱損失を低減させ、熱効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１〜図３は、本発明による熱電変換ユニット（熱電変換装置）の構成を示す図である。図１は正面図を示し、図２は平面図を示し、図３は断面図を示す。本発明による熱電変換ユニットは、例えば、冷蔵庫等の冷却ユニットとして利用される。

図１に示すように、本発明による熱電変換ユニット１００は、伝熱ブロック１１０と、放熱フィン１２０と、ケース１３０とを備える。更に、図３に示すように、伝熱ブロック１１０と、放熱フィン１２０との間には、熱電変換モジュール１４０が挟持されている。

伝熱ブロック１１０は、熱電変換モジュール１４０の吸熱面に接触して熱を伝達する伝熱部材であって、例えば、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）によって構成される。伝熱ブロック１１０は、概ね四角柱状の形状を有しており、例えば、被冷却物にネジ留めされる。

放熱フィン１２０は、熱電変換モジュール１４０の放熱面に接触して熱を伝達（放熱）する伝熱部材（放熱部材）であって、例えば、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）によって構成される。放熱フィン１２０は、矩形状平板１２１の底面に多数のフィン１２２が取り付けられた形状を有しており、例えば、ファンによって強制空冷される。

ケース１３０は、伝熱ブロック１１０及び放熱フィン１２０によって挟持される熱電変換モジュール１４０の周囲（側方）を間隔をあけて覆い密閉空間を形成するものであって、例えば、熱伝導性が低く、耐水性を有し、ガス透過性が低い合成樹脂（例えば、ポリプロピレン）で構成される。ケース１３０は、伝熱ブロック１１０の側面の大部分を覆うように、伝熱ブロック１１０の側面に沿って伸びる側壁部１３１と、放熱フィン１２０の上面の一部を覆うよう、放熱フィン１２０の上面に沿って外向きに伸びる張出部１３２とによって構成されており、断面が概ねＬ字状になるように形成される。

また、ケース１３０の張出部１３２の一辺には、図２に示すように、熱電変換モジュール１４０に直流電流を供給するためのタブ端子１３３が一組設けられている。タブ端子１３３と熱電変換モジュール１４０（の金属電極）とは、リード線１３４によって接続されている。

熱電変換モジュール１４０は、前述したように、板状に並べられた複数のπ型熱電素子によって構成されており、複数のπ型熱電素子は、金属電極によって、電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。また、上面及び底面の金属電極には、それぞれ、絶縁基板（例えば、セラミック基板）が接合されている。すなわち、金属電極によって接合された複数の熱電素子が、絶縁基板によって挟持されている。

また、以上のような構成要素に加えて、熱電変換ユニット１００は、図３に示すように、熱電変換モジュール１４０が収容される空間、すなわち、伝熱ブロック１１０と、放熱フィン１２０と、ケース１３０とによって囲まれる空間を２つに仕切るセパレータ１５０を備える。より具体的には、セパレータ１５０は、熱電変換モジュール１４０の吸熱面と放熱面との間に配置され、熱電変換モジュール１４０が収容される空間を、吸熱面が含まれる低温側空間１６１と、放熱面が含まれる高温側空間１６２とに分離する。

図４は、熱電変換モジュール１４０の周辺を拡大した断面図である。同図に示すように、セパレータ１５０は、熱電変換モジュール１４０の低温側電極１４１又は低温側絶縁基板１４２（吸熱面）と、高温側電極１４３又は高温側絶縁基板１４４（放熱面）との間であって、両者からほぼ等しい距離（すなわち両者の中間）に、絶縁基板１４２，１４４と平行に配置され、ケース１３０の内周面に形成された溝１３５の上面にその端部が接着されて固定される。なお、π型熱電素子を構成するｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子１４５は、セパレータ１５０に形成された孔に挿入されている。

図５は、セパレータ１５０の構造を示す図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示す。

同図に示すように、セパレータ１５０は、平面視において正方形をなす平板状に形成されており、例えば、耐熱性樹脂（例えば、ポリイミドやアラミド）によって構成される。また、セパレータ１５０の中央部分には、π型熱電素子を構成するｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子を挿入するための孔１５１が複数（同図の例では、３４個）形成されている。セパレータ１５０は、例えば、熱電変換モジュール１４０を製作する際（組立時）に、ｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子を孔１５１に通すことで、熱電変換モジュール１４０に装着される。

上述したようなセパレータ１５０を熱電変換ユニット１００内部の熱電変換モジュール１４０が収容される空間に設けることにより、当該空間を、吸熱面（低温側電極又は低温側絶縁基板）が含まれる低温側空間と、放熱面（高温側電極又は高温側絶縁基板）が含まれる高温側空間とに分離することが可能となる。その結果、熱電変換モジュール１４０が収容される空間における対流の発生を抑制し、対流に起因する熱損失を低減することが可能となる。また、放射による熱の移動を抑制し、放射に起因する熱損失を低減することも可能となる。

なお、上述したセパレータ１５０は、１つの部材で構成するようにしてもよいし、複数（例えば、２つ）の部材で構成するようにしてもよい。

図６は、セパレータ１５０を２つの部材によって構成した例を示す図である。

同図（ａ）に示すように、セパレータ１５０’は、歯が垂直に交差するように重ねられた２つの櫛状部材１５２ａ，１５２ｂによって構成されている。各櫛状部材１５２ａ，１５２ｂはそれぞれ、同図（ｂ）に示すように、正方形状の平板部材に矩形状の切れ込み１５３を複数個（同図の例では、６個）形成した形状を有している。各切れ込み１５３は、セパレータ１５０’に形成される孔１５１の縦方向又は横方向の並びに対応する位置に形成されており、各切れ込み１５３の幅は、孔１５１の幅と同じで、各切れ込み１５３の深さは、対応する孔１５１の並びにおいて、切れ込み１５３を形成する辺（開口部を有する辺）から最も遠く離れた孔１５１までの距離に対応した深さとなっている。なお、別の観点から言えば、各切れ込み１５３は、熱電変換モジュール１４０を構成する半導体素子の並びがはめ込まれるものであって、半導体素子の縦方向又は横方向の各並びに対応する位置に形成されており、各切れ込み１５３の幅は、各半導体素子の幅とほぼ同じで、各切れ込み１５３の深さは、対応する半導体素子の並びの深さに対応した深さとなっている。同図（ｂ）に示した向きの第一の櫛状部材１５２ａの上に、同図（ｂ）に示した向きから反時計回りに９０度回転させた向きの第二の櫛状部材１５２ｂを載せ、両者を張り合わせて一体化することで、図５に示したものと同等のセパレータ１５０’を得ることができる。

このように、セパレータ１５０’を２つの櫛状部材１５２ａ，１５２ｂで構成することにより、熱電変換モジュール１４０の製作時ではなく、製作後に、セパレータ１５０’を熱電変換モジュール１４０に装着することが可能となる。すなわち、熱電変換モジュール１４０の四つある側面のうちのひとつから第一の櫛状部材１５２ａを、各切れ込み１５３に半導体素子の並びをはめ込むようにして差し込み、その隣の側面から、第二の櫛状部材１５２ｂを同様に差し込み、両者を適宜接合して一体化することで、既存（組立済み）の熱電変換モジュール１４０にセパレータ１５０’を装着することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態においては、熱電変換モジュールが収容される空間がセパレータによって高温側の空間と低温側の空間とに分離されるので、熱電変換モジュールが収容される空間における対流等の発生が抑制される。その結果、高温側から低温側への熱の移動量が減少し、熱電変換ユニットの冷却効率を向上させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、セパレータを固定（支持）するためにケースの内周面に設けられる溝の形状等については、実装条件に応じて、適当なものを選択することができる。

本発明による熱電変換ユニット１００の構成を示す正面図である。 本発明による熱電変換ユニット１００の構成を示す平面図である。 本発明による熱電変換ユニット１００の構成を示す断面図である。 熱電変換モジュール１４０の周辺を拡大した断面図である。 セパレータ１５０の構造を示す図である。 セパレータ１５０を２つの部材によって構成した例を示す図である。 熱電変換モジュール７００の構造を示す図である。

符号の説明

１００ 熱電変換ユニット
１１０ 伝熱ブロック
１２０ 放熱フィン
１２１ 矩形状平板
１２２ フィン
１３０ ケース
１３１ 側壁部
１３２ 張出部
１３３ タブ端子
１３４ リード線
１３５ 溝
１４０ 熱電変換モジュール
１４１ 低温側電極
１４２ 低温側絶縁基板
１４３ 高温側電極
１４４ 高温側絶縁基板
１４５ 半導体素子
１５０，１５０’ セパレータ
１５１ 孔
１５２ａ，１５２ｂ 櫛状部材
１５３ 切れ込み
１６１ 低温側空間
１６２ 高温側空間
７００ 熱電変換モジュール
７１０ π型熱電素子
７１１ ｎ型半導体素子
７１２ ｐ型半導体素子
７１３ 金属電極
７２０ 金属電極
７３０ 絶縁基板

Claims (5)

1. 電極によって接合された複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールの吸熱面と放熱面との間に配置されるセパレータと
   を備え、
   前記セパレータは、前記熱電変換モジュールが収容される空間を、前記吸熱面が含まれる低温側空間と、前記放熱面が含まれる高温側空間とに分離する
   ことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電変換モジュールを挟持する第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材と、
   前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースと
   を更に備え、
   前記熱電変換モジュールが収容される空間は、前記第一の伝熱部材と、前記第二の伝熱部材と、前記ケースとによって形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記セパレータは、前記ケースの内周面に形成された溝に固定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
4. 前記セパレータは、前記複数の熱電素子を挿入するための孔が形成された平板状部材で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
5. 前記セパレータは、２つの櫛状部材によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
   

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