JP2009200249A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各構成部材の寸法のばらつきに対処することができるとともに、運搬中の振動等によって生じる外力の熱電変換モジュールへの影響を緩和することが可能な熱電変換装置を提供する。
【解決手段】吸熱側伝熱部材110を、第一伝熱ブロック111及び第二伝熱ブロック112の２つの部材で構成し、両者の間に、両者を互いに遠ざける方向に付勢するばね150を設ける。第一伝熱ブロック111はケース130に固定されているので、第二伝熱ブロック112は、ばね150の付勢力によって、熱電変換モジュール140に一定の力で押しつけられる。その結果、ケース130や熱電変換モジュール140等の寸法にばらつきがあったとしても、第二伝熱ブロック112と熱電変換モジュール140との間に隙間は生じなくなる。また、第一伝熱ブロック111に外力が加わった場合でも、当該外力が直接、第二伝熱ブロック112に伝わることはなく、ばね150によって吸収される。
【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５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５００は、板状に並べられた複数のπ型熱電素子５１０（ｎ型半導体素子５１１及びｐ型半導体素子５１２の一端を金属電極５１３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５１０は、金属電極５２０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（例えば、セラミック基板）５３０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。

この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、ユニット化された状態で使用される。

図６は、熱電変換ユニットの例を示す断面図である。同図に示すように、熱電変換ユニット６００は、伝熱ブロック６１０と、放熱フィン６２０と、ケース６３０とを備え、伝熱ブロック６１０と、放熱フィン６２０との間に、熱電変換モジュール６４０が挟持されている。

同図に示した熱電変換ユニット６００では、ケース６３０は、伝熱ブロック６１０と一体をなすように、インサート成形で形成されるが、ケース６３０の寸法には一定のばらつきが生じる。また、熱電変換モジュール６４０の厚みにも、製造上のばらつきが存在する。そのため、熱電変換ユニット６００の各構成部材６１０〜６４０を組み付けた時に、伝熱ブロック６１０（又は放熱フィン６２０）と、熱電変換モジュール６４０との間に、不必要な隙間が生じることがあった。このような場合に、例えば、そのまま両者を接着すると接着層の厚みが大きくなって、熱伝導性が悪くなる。そのため、従来は、このような寸法のばらつきに対処するため、ケース６３０や熱電変換モジュール６４０の実際の寸法に応じて、適当な厚みのスペーサ（アルミ製の薄板）を挿入して、各構成部材の間に必要以上の隙間が生じないようにしていた。その結果、熱電変換ユニット６００の製造に手間がかかり、製造効率が低下していた。

また、同図に示した熱電変換ユニット６００を冷蔵庫の冷却ユニットとして利用する場合、例えば、被冷却物である冷蔵室背面に、伝熱ブロック６１０がネジ留めされるが、このとき、熱電変換ユニット６００は片持ち梁状に支持されることとなる。そのため、冷蔵庫の運搬中等に生じた振動が熱電変換ユニット６００に伝わると、伝熱ブロック６１０を介して、熱電変換モジュール６４０に不均一な力（偏荷重）が加わることとなり、その結果、熱電変換モジュール６４０が破壊されるおそれがあった。

なお、特開２００３−１１４０８０号公報には、金属製の吸熱側熱導体と放熱側熱導体の間に熱電変換素子を挟持し、前記吸熱側熱導体を合成樹脂製の枠体の内側に配置した熱電変換装置であって、前記吸熱側熱導体の外周に枠体を一体にインサート成形したものが開示されている。
特開２００３−１１４０８０号公報

本発明の目的は、各構成部材の寸法のばらつきに、スペーサの挿入等をすることなく対処することができるとともに、運搬中の振動などによって生じる外力の熱電変換モジュールへの影響を緩和することが可能な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、当該熱電変換モジュールに接触して熱を伝える伝熱部材と、前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースとを備えた熱電変換装置であって、前記伝熱部材は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材によって構成され、前記第一の伝熱部材は、前記ケースに対して固定され、前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置され、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材はそれぞれ、対向する面に互いに嵌り合う凹凸部を有し、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材を互いに離れる方向に付勢するばねを備えたことを特徴とする。

この場合において、前記ばねは、前記第一の伝熱部材と前記第二の伝熱部材との間に配置されているようにしてもよい。前記ばねは、例えば、圧縮コイルばねによって構成される。

また、以上の場合において、前記凹凸部はそれぞれ、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材の可動方向に平行な面を有しており、当該面が対向するように、嵌り合うようにしてもよい。また、前記伝熱部材は、前記熱電変換モジュールの吸熱面に接触する吸熱側伝熱部材であるようにしてもよい。この場合、前記熱電変換モジュールの放熱面に接触する放熱側伝熱部材（例えば、放熱フィン）を更に備え、前記ケースは、前記放熱側伝熱部材に固定されているようにしてもよい。また、前記ケースは、前記第一の伝熱部材と一体をなすようにインサート成形するようにしてもよい。また、前記凹凸部は、例えば、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材のひとつの側面から反対側の側面まで延びる溝及び突条によって構成される。

本発明によれば、スペーサの挿入等をすることなく、各構成部材の寸法のばらつきに対処することができるので、製造効率を向上させることが可能となり、また、伝熱部材に加わる外力の影響が直接、熱電変換モジュールにまで及ぶのを防ぐことができるので、熱電変換モジュールが破壊されるのを防止することができ、熱電変換装置の信頼性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の一方の面（本実施形態では、吸熱面）に接触して熱を伝達する伝熱部材である。図３に示すように、本実施形態においては、伝熱ブロック１１０は、２つの部材、すなわち、第一伝熱ブロック１１１と、第二伝熱ブロック１１２とによって構成されている。伝熱ブロック１１０を構成する第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２の詳細については後述する。

放熱フィン１２０は、熱電変換モジュール１４０の他方の面（本実施形態では、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と、その底面に取り付けられた多数のフィン１２２とによって構成されており、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（第二伝熱ブロック１１２）及び放熱フィン１２０（矩形状平板１２１）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、ポリフェニレンスルフィド）で構成される。ケース１３０は、伝熱ブロック１１０（第一伝熱ブロック１１１）の側面の大部分を覆うように、伝熱ブロック１１０（第一伝熱ブロック１１１）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。ケース１３０は、例えば、第一伝熱ブロック１１１と一体をなすように、インサート成形によって形成され、張出部１３２が放熱フィン１２０（矩形状平板１２１）に固定（ネジ留め）される。

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、一対の絶縁基板によって挟持されている。

また、図３に示すように、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２との間には、複数（本実施形態では４本）のばね１５０が配置されている。ばね１５０は、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２を、互いに離れる方向に付勢する部材であって、例えば、圧縮コイルばねによって構成される。熱電変換ユニット１００では、第一伝熱ブロック１１１が、ケース１３０に固定されているので、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２との間にばね１５０を介在させることにより、ばね１５０の付勢力によって、第二伝熱ブロック１１２が、熱電変換モジュール１４０の方向に押され、第二伝熱ブロック１１２が熱電変換モジュール１４０に押しつけられることになる。

次に、伝熱ブロック１１０を構成する第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２の詳細について説明する。

第一伝熱ブロック１１１は、第二伝熱ブロック１１２と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。第一伝熱ブロック１１１は、ケース１３０からその一部が外部に露出しており、当該第一伝熱ブロック１１１（の露出部分）に、被冷却物（例えば、冷蔵室）が接続される。一方、第二伝熱ブロック１１２は、第一伝熱ブロック１１１及び熱電変換モジュール１４０と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。第二伝熱ブロック１１２は、ケース１３０内に収容されており、第一伝熱ブロック１１１と、熱電変換モジュール１４０との間に配置される。

図３に示すように、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２とは組み付けられた状態で使用され、第二伝熱ブロック１１２が、熱電変換モジュール１４０の一方の面（本実施形態では、吸熱面）に接触し、第一伝熱ブロック１１１が、被冷却物に固定（例えば、ネジ留め）される。なお、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２との接触面、及び、第二伝熱ブロック１１２と熱電変換モジュール１４０との接触面には、熱伝導性を高めるため、例えば、熱伝導性に優れた半固形状の物質であるサーマルグリースが塗布される。

図４は、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２の構造を説明するための図である。すなわち、同図（ａ）は、第一伝熱ブロック１１１の斜視図を示し、同図（ｂ）は、第一伝熱ブロック１１１の底面図を示す。また、同図（ｃ）は、第二伝熱ブロック１１２の斜視図を示す。

同図（ａ）に示すように、第一伝熱ブロック１１０は、概ね背の低い四角柱状の外形を有しており、底面（第二伝熱ブロック１１２と対向する面）に凹凸が形成されている。より具体的には、第一伝熱ブロック１１１の底面には、一つの側面から反対側の側面まで延びる断面が矩形状の複数の溝４１１が形成されている。また、当該複数の溝４１１と平行な第一伝熱ブロック１１１の２つの側面には、断面が半円状の溝４１３が形成されている。図３に示すように、当該溝４１３には、インサート成形により、ケース１３０の一部が入り込むこととなる。

一方、図４（ｃ）に示すように、第二伝熱ブロック１１２は、概ね背の低い四角柱状の外形を有しており、上面（第一伝熱ブロック１１１と対向する面）に凹凸が形成されている。より具体的には、第二伝熱ブロック１１２の上面には、一つの側面から反対側の側面まで延びる断面が矩形状の複数の溝４２１が形成されている。

本実施形態においては、第一伝熱ブロック１１１の底面に形成された凹凸と、第二伝熱ブロック１１２の上面に形成された凹凸とをかみ合わせることで、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２とを組み付ける。より具体的には、第一伝熱ブロック１１１の底面に形成された溝４１１に、第二伝熱ブロック１１２の上面に形成された突条（隣接する溝の間の凸部）４２２が嵌り込み、第二伝熱ブロック１１２の上面に形成された溝４２１に、第一伝熱ブロック１１１の底面に形成された突条４１２が嵌り込むことで、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２とが組み付けられる。

また、同図（ｂ）に示すように、第一伝熱ブロック１１１の底面には、ばね（圧縮コイルばね）１５０の一端を収容するための穴４１４が形成されている。本実施形態においては、第一伝熱ブロック１１１の底面に形成された２つの溝部分のそれぞれに２つずつ、合計４つの穴４１４が形成されている。当該穴４１４に一端が収容されるばね１５０によって、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２とは、組み付けられた状態で、互いに離れる方向に付勢される。なお、ここでは、第一伝熱ブロック１１１の底面にのみ、ばね１５０を収容する穴を形成しているが、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２のそれぞれに、ばね１５０の一端を収容する穴を形成するようにしてもよい。

前述したように、第一伝熱ブロック１１１は、ケース１３０に固定されているので、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２との間に、両者を遠ざける方向に付勢するばね１５０を配置すると、結果的に、第二伝熱ブロック１１２が、ばね１５０の付勢力によって、熱電変換モジュール１４０に一定の力で押しつけられることになる。その結果、ケース１３０や熱電変換モジュール１４０の寸法に製造上のばらつきがあったとしても、第二伝熱ブロック１１２と熱電変換モジュール１４０との間に隙間は生じなくなり、寸法調整用のスペーサを介在等させることなく、各構成部材の寸法のばらつきに対処することが可能となる。

また、運搬中の振動等によって、第一伝熱ブロック１１１に外力が加わった場合でも、当該外力が直接、第二伝熱ブロック１１２に伝わることはなく、ばね１５０によって吸収されるので、熱電変換モジュール１４０に不均一な力（偏荷重）が加わることを防止することが可能となる。つまり、運搬中の振動等によって、熱電変換モジュール１４０が破壊されるのを防止することが可能となり、熱電変換ユニットの信頼性を向上させることが可能となる。

また、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２は、それぞれ、対向する面に凹凸部（本実施形態では、溝及び突条）を有しており、更に、各凹凸部は、各伝熱ブロック１１１，１１２の可動方向と平行な面（すなわち、溝及び突条の側面）を有していて、当該面が対向（接触）するように、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２が組み付けられるので、ばね１５０の付勢力によって、第一伝熱ブロック１１１と第二伝熱ブロック１１２との間に、寸法のばらつきに応じた（可動方向の）間隔が生じている状態においても、所定の熱伝導性を確保するために必要な面積で両者を接触させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態においては、従来、一つの部材で構成されていた吸熱側伝熱部材を、第一伝熱ブロック１１１と、第二伝熱ブロック１１２との２つの部材で構成し、両者を互いに遠ざける方向に付勢するばね１５０を設けているので、ケース１３０や熱電変換モジュール１４０等の寸法にばらつきがあったとしても、第二伝熱ブロック１１２と熱電変換モジュール１４０との間に不必要な隙間が生じることを防止することが可能となる。また、第一伝熱ブロック１１１に外力が加わった場合でも、当該外力が熱電変換モジュール１４０に直接伝達されず、ばね１５０で吸収されるので、振動等によって、熱電変換モジュール１４０が破壊されるのを防止す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、前述した実施形態では、第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２の対向面に、凹凸部として、溝及び突条を形成していたが、他の形状の凹凸部を形成するようにしてもよい。例えば、一方の伝熱ブロックに、十字状に溝を形成し（図４に示した溝に加えて、当該溝に垂直な溝を更に形成し）、他方の伝熱ブロックに、前記溝に嵌り込む突条を十字状に形成するようにしてもよい。

また、前述した実施形態では、吸熱側伝熱ブロックを２つの部材で構成し、両者の間にばねを設けているが、放熱側に伝熱ブロックを設けて、当該放熱側伝熱ブロックを２つの部材で構成し、両者を互いに離れる方向に付勢するばねを設けることも考えられる。

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。 第一伝熱ブロック１１１及び第二伝熱ブロック１１２の構造を説明するための図である。 熱電変換モジュール５００の構造を示す図である。 熱電変換ユニット６００の例を示す断面図である。

符号の説明

１００ 熱電変換ユニット
１１０ 伝熱ブロック
１１１ 第一伝熱ブロック
１１２ 第二伝熱ブロック
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
１４０ 熱電変換モジュール
１５０ ばね
４１１ 溝
４１２ 突条
４１３ 溝
４１４ 穴
４２１ 溝
４２２ 突条
５００ 熱電変換モジュール
５１０ π型熱電素子
５１１ ｎ型半導体素子
５１２ ｐ型半導体素子
５１３ 金属電極
５２０ 金属電極
５３０ 絶縁基板
６００ 熱電変換ユニット
６１０ 伝熱ブロック
６２０ 放熱フィン
６３０ ケース
６４０ 熱電変換モジュール

Claims (7)

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、
   当該熱電変換モジュールに接触して熱を伝える伝熱部材と、
   前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースと
   を備えた熱電変換装置であって、
   前記伝熱部材は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材によって構成され、
   前記第一の伝熱部材は、前記ケースに対して固定され、前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置され、
   前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材はそれぞれ、対向する面に互いに嵌り合う凹凸部を有し、
   前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材を互いに離れる方向に付勢するばねを備えた
   ことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記ばねは、前記第一の伝熱部材と前記第二の伝熱部材との間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記凹凸部はそれぞれ、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材の可動方向に平行な面を有しており、
   当該面が対向するように、嵌り合う
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
4. 前記伝熱部材は、前記熱電変換モジュールの吸熱面に接触する吸熱側伝熱部材である
   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. 前記熱電変換モジュールの放熱面に接触する放熱側伝熱部材を更に備え、
   前記ケースは、前記放熱側伝熱部材に固定されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の熱電変換装置。
6. 前記ケースは、前記第一の伝熱部材と一体をなすようにインサート成形される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
7. 前記凹凸部は、前記第一の伝熱部材及び前記第二の伝熱部材のひとつの側面から反対側の側面まで延びる溝及び突条によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換装置。

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