JP2008258533A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱サイクルの繰り返しによる性能劣化を軽減し、しかも動作信頼性に優れた熱電変換装置を提供する。
【解決手段】 熱電変換素子群３を介して対向するように配置された吸熱側熱交換基体２ならびに放熱側熱交換基体４と、上下両端が開口した中空体からなり、基端部が吸熱側熱交換基体２または放熱側熱交換基体４のいずれか一方の熱交換基体の外周部に固定され、中空部に熱電変換素子群３と吸熱側熱交換基体２または放熱側熱交換基体４のいずれか他方の熱交換基体を収納した枠体５を備え、中空部に収納された熱交換基体２に対して最も近接している枠体５の部分と熱交換基体２の部分との間に、枠体５よりも熱伝導率の低い断熱層２３を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子冷却装置あるいは熱発電装置などの熱電変換装置に係り、特に熱サイクルを繰り返しても性能劣化が少ない、動作信頼性に優れた熱電変換装置に関する。

従来の熱電変換装置は、２つの熱導体の間に熱電変換素子群を配置し、熱導体と熱電変換素子群の間に熱的な接触を良くする熱伝導性のグリースを介在して、複数本のネジで両熱導体間を締結し熱電変換素子群を固定していた。

ネジは金属製或いはプラスチック製のものが使用され、金属製ネジは熱電変換素子群の固定としての強度は十分に有しているが、そのままでは熱伝導度が大きいため断熱ワッシャーを併用している。一方、プラスチック製ネジは熱伝導度は小さいが、機械強度が低いため接着剤などで補強する必要がある。

このネジなどによる締結力は、熱導体と熱電変換素子群の熱コンダクタンスを得ることと、熱電変換素子群の固定のために必要である。

この熱電変換装置は複数のネジにより両熱導体間を締結しているため、熱電変換素子群に均一な圧力を加えることが難しく、熱電変換素子に偏荷重がかかり、素子が破壊されることがある。

前記金属製ネジとして熱伝導度が比較的小さい例えばステンレス製あるいは鉄製のものが使用されているが、これらの材質のものは熱導体や熱電変換素子よりも熱膨張係数が小さい。そのため熱電変換装置の使用によって生じる熱導体および熱電変換素子群の膨脹、収縮に対してネジがそれらの動きを拘束するから、熱電変換素子に大きな圧縮、引張り応力が繰り返し発生して、素子の破壊を生じる。

またプラスチック製ネジは機械強度が低いため長期的な信頼性に欠け、さらに熱電変換装置の落下衝撃試験に耐えられる強度は得られないなどの欠点を有している。

このような欠点を解消するため、図８に示すような熱電変換装置が提案されている（特許文献１参照）。

同図に示すように熱電変換装置は、例えば冷蔵庫の庫内などの被冷却側に配置される吸熱部材１と、吸熱側熱交換基体２と、熱電変換素子群３と、放熱側熱交換基体４と、枠体５と、カバー６と、分散部材７とから主に構成されている。

前記吸熱部材１は広い面積を有するアルミニウムなどのフィンベースからなり、多数の吸熱フィン（図示せず）を付設している。前記交換基体２、４は共に例えばアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属からなり、熱電変換素子群３と接する側の表面に例えばアルマイトなどの電気絶縁膜が形成されている。

前記枠体５は図に示されているように、放熱側熱交換基体４から吸熱側熱交換基体２側にかけて配置されている。そして上方ならびに下方が開口した中空状のもので、基端部５ａとその基端部５ａの内周部から下方に向けて延びた延設部５ｂとを有し断面形状がほぼ階段形をしている。基端部５ａは、Ｏリングと接着剤の併用により放熱側熱交換基体４の下面周辺部に接合されている。

吸熱側熱交換基体２はブロック体からなり、その外周部は吸熱側熱交換基体２−熱電変換素子群３−放熱側熱交換基体４の積層方向にほぼ沿って延びた延設部２ａを構成している。この吸熱側熱交換基体２の延設部２ａと枠体５の延設部５ｂはほぼ平行に対向しており、両者の間は接着剤１４により一体に接合されている。また延設部２ａと延設部５ｂの間には複数本の位置決めピン１５が挿通されている。

前記カバー６は放熱側熱交換基体４の上側に配置され、上方がほぼ塞がれ下方が開口した中空状のもので、下方開口部がＯリング８を介して放熱側熱交換基体４の上面周辺部に接着されている。カバー６のほぼ中央部に給水管部９が、周縁近くに排水管部１０が設けられている。

分散部材７は周壁７ａと、周壁７ａの下端に連設した底壁７ｂと、底壁７ｂから放熱側熱交換基体４側に延びた多数本のノズル部７ｅとが設けられ、前記ノズル部７ｅに分散孔７ｄが形成されている。

分散部材７をカバー６内に固定することにより、分散部材７の給水管部９側に扁平状の第１空間１１が形成され、分散部材７の放熱側熱交換基体４側に扁平状の第２空間１３が形成されるとともに、この第２空間１３と排水管部１０を連通する排水路１２が形成される。

図に示すように熱移動媒体である水１６を中央の給水管部９から供給すると第１空間部１１で一斉に拡がり、各ノズル部７ｅ（分散孔７ｄ）から放熱側熱交換基体４の上面に向けて勢いよく噴射する。放熱側熱交換基体４に衝突して放熱側熱交換基体４の熱を奪った水１６は隙間の狭い第２空間部１３で拡散し、排水路１２を経て排水管部１０から系外へ排出される。図中の１７は断熱材で、第１放熱側枠体５、放熱側熱交換基体４ならびにカバー６の外周部を覆うように設置されている。
特開平１０−１２９３４号公報

図８に示す熱電変換装置は、枠体５の基端部が高温の放熱側熱交換基体４と直接接触し、枠体５の先端部が低温の吸熱側熱交換基体２と直接接触した構造になっている。そしてこの枠体５として水蒸気透過率が低く、かつ熱電変換素子群３に使用している半導体の線膨張率に近いという点からポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）にガラス繊維を適量混合した材質のものが使用されている。

そのため放熱側熱交換基体４の熱が枠体５を通して吸熱側熱交換基体２に伝わり、すなわち熱の戻りがあり、冷却効率（熱電効率）が低下するという欠点があった。このようなことは、枠体５の材質として通常の合成樹脂を用いた場合にも起こり得る問題である。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、冷却効率の高い熱電変換装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、熱電変換素子群と、その熱電変換素子群を介して対向するように配置された吸熱側熱交換基体ならびに放熱側熱交換基体と、上下両端が開口した中空体からなり、基端部が前記吸熱側熱交換基体または放熱側熱交換基体のいずれか一方の熱交換基体の外周部に固定され、中空部に前記熱電変換素子群と前記吸熱側熱交換基体または放熱側熱交換基体のいずれか他方の熱交換基体を収納した枠体とを備えた熱電変換装置を対象とするものである。

そして前記中空部に収納された前記熱交換基体に対して最も近接している前記枠体の部分と前記熱交換基体の部分との間に、例えば空気層などの前記枠体よりも熱伝導率の低い断熱層を設けたことを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、前記枠体を通しての熱の戻りが抑止され、冷却効率の高い熱電変換装置を提供することができる。

次に本発明の第1実施形態を図とともに説明する。図１は例えば電子冷蔵庫などの電子冷却装置として用いる熱電変換装置の断面図、図２はその熱電変換装置に使用される枠体の底面図である。

図１に示すように熱電変換装置は、例えば冷蔵庫の庫内などの被冷却側に配置される吸熱部材１と、吸熱側熱交換基体２と、熱電変換素子群３と、放熱側熱交換基体４と、枠体５と、カバー６と、分散部材７とから主に構成されている。

吸熱部材１は広い面積を有するフィンベースからなり多数の吸熱フィン（図示せず）を付設しており、必要に応じて近傍にファンを付設することができる。なお、フィンベースと吸熱フィンは一体の場合もあるし、また吸熱フィンがない場合もある。

熱交換基体２、４は共に例えばアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属からなり、熱電変換素子群３と接する側の表面に例えばアルマイトなどの電気絶縁膜が形成されている。陽極酸化法によってアルマイトの絶縁膜を形成する場合、その絶縁膜に封孔処理しない方が、後述する薄膜２１を介しての熱電変換素子群３との接合性が良好である。

図１に示すように吸熱側熱交換基体２は、良好な冷却状態を確保するため肉厚のブロック体から構成されている。

熱電変換素子群３は、図示していないが吸熱側電極と、放熱側電極と、両電極の間に多数配置されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とから構成され、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層は構造的ならびに熱的に並列に配置されているが、電気的には前記電極を介して直列に接続されている。

本実施形態では枠体５は、熱電変換素子群３の半導体の線膨張率と近似させるためにポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）にガラス繊維などのフィラーを２０重量％〜５０重量％混合分散したものを使用している。ガラス繊維などのフィラーの含有率が２０重量％未満だと線膨張率が大きくなり、含有率が５０重量％を超えると枠体５の成形性が悪くなるから、フィラーの含有率は２０重量％〜５０重量％の範囲に規制する必要がある。

枠体５は図１に示されているように、放熱側熱交換基体４から吸熱側熱交換基体２側にかけて配置されている。枠体５は、放熱側熱交換基体４の外周部下面に接着される水平方向に延びた基端部５ａと、その基端部５ａの内周部から下方に向けて垂直方向に延びた延設部５ｂと、前記基端部５ａと延設部５ｂを結ぶ断面形状がほぼＵ字型の中間連結部５ｃとから構成され、上方と下方が開口した中空状のものである。

基端部５ａと延設部５ｂの間に断面形状がほぼＵ字型の中間連結部５ｃを設けて非直線状にすることにより、枠体５の吸熱側熱交換基体２から放熱側熱交換基体４までの沿面距離を長く確保して、枠体５を伝わっての熱の戻りを少くしている。

延設部５ｂの外側には、基端部５ａ側に延びた補強リブ５ｄが一体に複数個（本実施形態では図２に示すように４個）設けられている。図１に示されているように枠体５は吸熱側熱交換基体２と放熱側熱交換基体４を跨ぐように配置されているため、枠体５を伝わっての熱の戻りがある。この熱の戻りを可及的に少なくするため、枠体５は比較的肉薄に成形する方がよいが、肉薄成形だと枠体５の機械的強度が低下する。そのために本実施形態では、基端部５ａと延設部５ｂの間に複数個の補強リブ５ｄを設けて、枠体５の剛直性を維持している。

図２に示すように、基端部５ａの所定位置にはリード線取出溝５ｅが形成されて、熱電変換素子群３の電極に接続されたリード線がこの取出溝５ｅから引き出され、取出溝５ｅとリード線の間はシール剤で気液密にシールされている。

図２に示すように延設部５ｂの内周部四面には接着剤溜部５ｆが凹設され、図１に示すようにその接着剤溜部５ｆと吸熱側熱交換基体２の延設部２ａとの隙間には、最初、例えばエポキシ樹脂などからなり大気中の水蒸気に対するシールとブロック状の吸熱側熱交換基体２の変位を抑えるための第１の接着剤層１８ａが形成され、その後例えばシリコーン樹脂などからなる水に対するシールのための第２の接着剤層１８ｂが形成されて、２層構造になっている。

図１に示すように、吸熱側熱交換基体２の熱電変換素子群３と対向する上部には外側に向けて突出した係合突起１９が形成され、その係合突起１９の下面と対向するように枠体５の中間連結部５ｃの内側脚部５ｇが配置されている。何らかの原因で吸熱側熱交換基体２に矢印Ｘ方向へ引っ張られる力が作用した際、前記係合突起１９が内側脚部５ｇに当接して吸熱側熱交換基体２の移動を抑止している。本実施形態では吸熱側熱交換基体２と熱電変換素子群３の接合面に、シリコーン樹脂などからなる弾性薄膜２１が形成されて、前記接合面での密着をより確実にしている。

図１ならびに図２に示すように、枠体５の延設部５ｂの内周部四面には接着剤溜部５ｆが凹設されることから、枠体５のうちで最も吸熱側熱交換基体２と接近する部分は中間連結部５ｃの内側脚部５ｇとなる。そのため本実施形態では、図１に示すように放熱側熱交換基体４の外周面と内側脚部５ｇの内周面との間から放熱側熱交換基体４の係合突起１９の下面と内側脚部５ｇの上端面との間にかけて、厚さが３ｍｍ以下、（本実施形態では０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の断面形状が逆Ｌ字型をした空隙部２３（空気層）が形成されている。

本実施形態で枠体５に使用しているガラス繊維を混合分散したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の熱伝導率は０．３５〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕であるのに対して空隙部２３（空気層）の熱伝導率は０．０２４〔Ｗ／ｍ・Ｋ〕と極端に低いから、この空隙部２３の存在によって枠体５から吸熱側熱交換基体２への熱の戻りを有効に抑止することができる。本実施形態では空隙部２３（空気層）を設けたが、空気の代わりに例えばアルゴンや窒素など他の気体を充填した層を設けることも可能である。またこの空隙部２３（空気層）の代わりに、熱伝導率の低い樹脂あるいはゴムからなる接着剤層を形成することも可能である。

カバー６は放熱側熱交換基体４の上側に配置され、上方がほぼ塞がれ下方が開口した中空状のもので、下方開口部がＯリング８を介して放熱側熱交換基体４の上面周辺部に液密に接着されている。カバー６のほぼ中央部に給水管部９が、周縁近くに排水管部１０が設けられている。

分散部材７は周壁７ａと、周壁７ａの下端に連設した底壁７ｂと、底壁７ｂから放熱側熱交換基体４側に延びた多数本のノズル部７ｅとが設けられ、前記ノズル部７ｅに分散孔７ｄが形成されている。

分散部材７をカバー６内に固定することにより、分散部材７の給水管部９側に扁平状の第１空間１１が形成され、分散部材７の放熱側熱交換基体４側に扁平状の第２空間１３が形成されるとともに、この第２空間１３と排水管部１０を連通する排水路１２が形成される。

図１に示すように熱移動媒体である水１６を中央の給水管部９から供給すると第１空間部１１で一斉に拡がり、各ノズル部７ｅ（分散孔７ｄ）から放熱側熱交換基体４の上面に向けて勢いよく噴射する。放熱側熱交換基体４に衝突して放熱側熱交換基体４の熱を奪った水１６は隙間の狭い第２空間部１３で拡散し、排水路１２を経て排水管部１０から系外へ排出される。排出された水１６は図示しないラジェタ−または自然放冷で冷却され、強制循環系統を通り再利用される。本実施形態で水１６によって放熱側熱交換基体４を冷却したが、放熱フィンなどで冷却することも可能である。

図１に示した１７は断熱材で、第１放熱側枠体５、放熱側熱交換基体４ならびにカバー６の外周部を覆うように設置されている。

図３ならびに図４は本発明の第２実施形態を説明するための図で、図３は熱電変換装置の断面図、図４は吸熱側熱交換基体をインサートモールドした枠体の断面図である。

本実施形態の場合、吸熱側熱交換基体２の外周面で枠体５の内側脚部５ｇと対向する部分に、枠体５よりも熱伝導率の低い材料からなる断熱膜２４が予め塗布などの適宜な手段で形成され、この断熱膜２４を設けた吸熱側熱交換基体２の外周に枠体５が成形される。このように吸熱側熱交換基体２の所定部分に予め断熱膜２４を形成してから枠体５を成形すれば、吸熱側熱交換基体２と最も接近している内側脚部５ｇと吸熱側熱交換基体２との間に断熱膜２４を確実に介在することができる。

この実施形態では断熱膜２４を設けた吸熱側熱交換基体２の外周に枠体５を射出成形装置のキャビティ内に装着してインサートモールドしたが、断熱膜２４を設けた吸熱側熱交換基体２の外周に成形した枠体５を嵌合することも可能である。

この断熱膜２４としては、例えばエポキシ樹脂〔熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ〕、シリコーン樹脂〔熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ〕、ゴム〔熱伝導率０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ〕などを使用することができる。

図５ならびに図６は本発明の第３実施形態を説明するための図で、図５は熱電変換装置の断面図、図６は吸熱側熱交換基体をインサートモールドした枠体の断面図である。

本実施形態で前記第２実施形態と相違する点は、枠体５から接着剤溜部５ｆを有する延設部５ｂと補強リブ５ｄが省略されて枠体５が薄型となり、それに伴って吸熱側熱交換基体２も薄型になった点である。

図７は本発明の第４実施形態を説明するための図で、吸熱側熱交換基体をインサートモールドした枠体の断面図である。本実施形態で前記第３実施形態と相違する点は、枠体５のＵ字型部５ｃの内周の一部に吸熱側熱交換基体２と小面積で接触する突起２５を設けた点である。

前記第２〜第４実施形態において他の構成は図１、図２に示した前記第１実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。

前記実施形態としては枠体の材料としてポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用したが、他に例えばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）〔熱伝導率０．３４ Ｗ／ｍ・Ｋ〕、液晶ポリマー〔熱伝導率０．３Ｗ／ｍ・Ｋ〕などを使用することができる。この場合もガラス繊維などのフィラーを適量混合分散することも可能である。

前記実施形態では吸熱側熱交換基体２の外周部に係合突起１９を形成したが、係合突起１９を設けない場合もある。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換装置の断面図である。 その熱電変換装置に使用する枠体の底面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電変換装置の断面図である。 その熱電変換装置に使用する吸熱側熱交換基体と枠体の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱電変換装置の断面図である。 その熱電変換装置に使用する吸熱側熱交換基体と枠体の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る熱電変換装置に使用する吸熱側熱交換基体と枠体の断面図である。 従来提案された熱電変換装置の断面図である。

符号の説明

１：吸熱部材、２：吸熱側熱交換基体、２ａ：延設部、３：熱電変換素子群、４：放熱側熱交換基体、５：枠体、５ａ：基端部、５ｂ：延設部、５ｃ：中間連結部、５ｄ：補強リブ、５ｅ：取出溝、５ｆ：接着剤溜部、５ｇ：内側脚部、６：カバー、７：分散板、８：Ｏリング、９：給水管部、１０：排水管部、１１：第１の空間、１２：排水路、１３：第２の空間、１４：接着剤、１６：水、１７：断熱層、１８ａ：第１の接着剤層、１８ｂ：第２の接着剤層、１９：係合突起、２１：弾性薄膜、２３：空隙部、２４：断熱膜、２５：突起部。

Claims (3)

1. 熱電変換素子群と、
   その熱電変換素子群を介して対向するように配置された吸熱側熱交換基体ならびに放熱側熱交換基体と、
   上下両端が開口した中空体からなり、基端部が前記吸熱側熱交換基体または放熱側熱交換基体のいずれか一方の熱交換基体の外周部に固定され、中空部に前記熱電変換素子群と前記吸熱側熱交換基体または放熱側熱交換基体のいずれか他方の熱交換基体を収納した枠体とを備えた熱電変換装置において、
   前記中空部に収納された前記熱交換基体に対して最も近接している前記枠体の部分と前記熱交換基体の部分との間に、前記枠体よりも熱伝導率の低い断熱層を設けたことを特徴とする熱電変換装置。
2. 請求項１記載の熱電変換装置において、前記断熱層が気体層であることを特徴とする熱電変換装置。
3. 請求項１記載の熱電変換装置において、前記断熱層が樹脂層またはゴム層であることを特徴とする熱電変換装置。

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