JP2009231410A

JP2009231410A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2009231410A
Application number: JP2008072928A
Authority: JP
Inventors: Takahide Kobayashi; 隆秀小林
Original assignee: Tex EG Co Ltd
Current assignee: Tex EG Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】一部で断線状態が発生した場合でも、利用を継続することが可能な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】熱電変換モジュールで断線状態が発生すると、断線部分が含まれる熱電素子グループの両端部に接続された電流経路切替部140に、正常時より大きな電圧が印可されるようになる。そうすると、ツェナーダイオード441を介して、ワイヤ430に電流が流れるようになり、最終的に、ワイヤ430が溶断される。ワイヤ430が溶断されると、スイッチ420の可動部421が、ばね450の付勢力によって、オン状態位置に移動して、スイッチ420がオン状態となる。スイッチ420がオン状態になって、断線部分を含む熱電素子グループの両端部が短絡されると、断線部分を通らない電流経路が形成されることとなり、熱電変換モジュールの一部で断線状態が発生したとしても、断線部分を含む特定の熱電素子グループ以外の部分は、そのまま利用を継続することができるようになる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、冷蔵庫等の冷却ユニットに利用される熱電変換モジュールに関する。

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６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６００は、板状に並べられた複数のπ型熱電素子６１０（ｎ型半導体素子６１１及びｐ型半導体素子６１２の一端を金属電極６１３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６１０は、金属電極６２０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）６３０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。

このような構造を有する熱電変換モジュールでは、複数の熱電素子が電気的に直列に接続されているため、例えば、複数の熱電素子のうちのいずれか一つでも壊れて断線状態になると、熱電変換モジュール全体が利用できなくなっていた。

なお、特開２００５−２６８２８４号公報には、複数の熱電素子とこれに接続される複数の電極とにより形成され、各熱電素子を電気的に直列に接続するための複数の電流経路を有する熱電変換モジュールにおいて、電流が流れていない電流経路を検知し、当該電流経路を迂回して、電流が流れる電流経路同士を電気的に接続させるため、隣接する直線状に配置された電流経路の端部同士を接続するように、各電流経路の下部電極に対して、ダイオードを順方向に接続した構成が開示されている。

しかしながら、上記公報記載の熱電変換モジュールでは、電流が流れていない電流経路を迂回させる際、順方向に接続されたダイオードを介して、電流が流れる電流経路同士を接続するため、電流が流れるダイオードの部分で、一定（例えば、０．６Ｖ程度）の電圧降下が発生して、電力消費がされることとなる。その結果、熱電変換モジュールの電力効率や冷却効率が低下してしまう。
特開２００５−２６８２８４号公報

本発明の目的は、一部で断線状態が発生した場合でも、利用を継続することが可能な熱電変換モジュールを提供することにある。

本発明に係る熱電変換モジュールは、電気的に直列に接続された複数の熱電素子グループと、前記複数の熱電素子グループのそれぞれの両端部を短絡させることができる電流経路切替手段とを備え、前記電流経路切替手段は、前記両端部の一方に接続される第一の端子と、前記両端部の他方に接続される第二の端子と、可動部がオン状態位置にあるとき、前記第一の端子と前記第二の端子とを導通させ、前記可動部がオフ状態位置にあるとき、前記第一の端子と前記第二の端子とを非導通にするスイッチと、前記可動部をオフ状態位置に保持する可溶部材と、前記第一の端子と前記第二の端子との間に印可される電圧が予め決められた値以上になったときに、前記可溶部材を溶融させる可溶部材溶融手段とを備えたことを特徴とする。

この場合において、前記可溶部材溶融手段は、前記可溶部材と直列に接続され、前記可溶部材に電流を流すことで、前記可溶部材を溶融させるようにしてもよい。前記可溶部材溶融手段は、例えば、ツェナーダイオードで構成される。更に、前記可溶部材溶融手段は、逆向きに直列接続された一対のツェナーダイオードで構成するようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記可溶部材は、線状の可溶合金で構成するようにしてもよい。また、前記可動部をオン状態位置の方向に付勢する付勢手段を更に備えるようにしてもよい。この場合、前記付勢手段は、ばね（例えば、引っ張りコイルばね）で構成するようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記複数の熱電素子グループはそれぞれ、電気的に直列に接続された複数の熱電素子を備えるようにしてもよい。また、前記電流経路切替手段は、前記熱電変換モジュールの端部に配置されるようにしてもよい。この場合、前記電流経路切替手段は、前記熱電変換モジュールの一辺に沿うように配置されるようにしてもよい。更に、前記電流経路切替手段は、前記熱電変換モジュールの入出力用の電極が設けられた辺に沿うように配置されるようにしてもよい。

本発明によれば、一部の熱電素子が壊れる等して断線状態が生じた場合であっても、断線部分を含む熱電素子グループを検知して、その両端部を短絡させることができるので、熱電変換モジュールとしての利用を継続す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及び図２は、本発明による熱電変換モジュールの構成を示す図である。図１は斜視図を示し、図２は平面図を示す。なお、図１及び図２では、図６と同様に、上面側の絶縁基板は省略してある。更に、図２では、上面側の金属電極も省略してある。

図１に示すように、熱電変換モジュール１００は、板状に並べられた複数のπ型熱電素子１１０（ｎ型半導体素子１１１及びｐ型半導体素子１１２の一端を金属電極１１３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１１０は、金属電極１２０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、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）１３０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、前述したように、同図では、上面側の絶縁基板は省略してある。

また、同図に示すように、熱電変換モジュール１００は、複数の電流経路切替部１４０（１４０ａ〜１４０ｃ）を備えている。複数の電流経路切替部１４０は、熱電変換モジュール１００の電流入出力用の金属電極１２０ｉ，１２０ｏが配置された一辺側に、当該一辺に沿うように配置されている。電流経路切替部１４０は、電気的に直列に接続された複数（本実施形態では、５つ）のπ型熱電素子（以下、単に、熱電素子という）１１０によって構成される熱電素子グループ（後述）毎に設けられており、各熱電素子グループの入力側の端部と出力側の端部とを必要に応じて短絡させることによって、いずれかの熱電素子グループで断線状態が生じた場合に、断線状態が生じた熱電素子グループを通らない電流経路を形成するものである。

図２に示すように、本実施形態では、複数の熱電素子１１０は、３つの熱電素子グループＡ〜Ｃにグループ分けされており、各熱電素子グループＡ〜Ｃは、電気的に直列に接続された５つの熱電素子で構成されている。そして、３つの電流経路切替部１４０ａ〜１４０ｃは、各熱電素子グループＡ〜Ｃの入力側の金属電極と出力側の金属電極との間にまたがるように配置され、それぞれと電気的に接続される。すなわち、電流経路切替部１４０ａは、熱電素子グループＡの入力側の金属電極１２０ｉと出力側の金属電極１２０ａｂとの間にまたがるように配置され、それぞれと電気的に接続され、電流経路切替部１４０ｂは、熱電素子グループＢの入力側の金属電極１２０ａｂと出力側の金属電極１２０ｂｃとの間にまたがるように配置され、それぞれと電気的に接続され、電流経路切替部１４０ｃは、熱電素子グループＣの入力側の金属電極１２０ｂｃと出力側の金属電極１２０ｏとの間にまたがるように配置され、それぞれと電気的に接続される。なお、同図に示すように、各熱電素子グループＡ〜Ｃを構成する熱電素子１１０同士を接続する金属電極１２０や入出力用の金属電極１２０ｉ，１２０ｏは、平面視において、矩形状の形状を有しているが、隣接する熱電素子グループ同士（すなわち、熱電素子グループＡとＢや熱電素子グループＢとＣ）を接続する金属電極１２０ａｂ，１２０ｂｃは、平面視において、コの字状の形状を有している。

本発明による熱電変換モジュール１００と、図６に示した熱電変換モジュール６００とを比較して考えると、熱電変換モジュール１００は、熱電変換モジュール６００から、電流入出力用の金属電極が配置された一辺に沿って設けられた一列分（図６の例では２つ）の熱電素子を取り除き、当該取り除かれた各熱電素子が接合されていた金属電極同士を連結するため、該当部分の金属電極の形状をコの字状とした上で、入力用金属電極１２０ｉとコの字状金属電極１２０ａｂとの間、隣接するコの字状金属電極１２０ａｂ，１２０ｂｃの間、及び、コの字状金属電極１２０ｂｃと出力用金属電極１２０ｏとの間にそれぞれ、電流経路切替部１４０を設けたような構造となっている。

図３は、熱電変換モジュール１００における複数の熱電素子グループと複数の電流経路切替部との電気的な接続形態を示す図である。

同図に示すように、複数の熱電素子グループＡ〜Ｃは、電気的に直列に接続されている。そして、電流経路切替部１４０ａが、熱電素子グループＡと並列に接続され、電流経路切替部１４０ｂが、熱電素子グループＢと並列に接続され、電流経路切替部１４０ｃが、熱電素子グループＣと並列に接続される。このように、熱電素子モジュール１００では、各熱電素子グループＡ〜Ｃに並列に、電流経路切替部１４０ａ〜１４０ｃが設けられているので、熱電素子グループＡ〜Ｃのいずれかにおいて断線状態が発生した場合であっても、断線状態が発生した熱電素子グループに対応する電流経路切替部が作動することで、断線状態が発生した熱電素子グループを通らない電流経路を形成することが可能となる。例えば、熱電素子グループＡにおいて断線状態が発生した場合は、電流経路切替部１４０ａが作動して、入力(+)端子→電流経路切替部１４０ａ→熱電素子グループＢ→熱電素子グループＣ→出力(-)端子という電流経路が形成される。同様に、熱電素子グループＢにおいて断線状態が発生した場合は、入力(+)端子→熱電素子グループＡ→電流経路切替部１４０ｂ→熱電素子グループＣ→出力(-)端子という電流経路が形成され、熱電素子グループＣにおいて断線状態が発生した場合は、入力(+)端子→熱電素子グループＡ→熱電素子グループＢ→電流経路切替部１４０ｃ→出力(-)端子という電流経路が形成される。

次に、電流経路切替部１４０の詳細について説明する。

図４は、電流経路切替部１４０の構成を説明するための図である。

同図（ａ）に示すように、電流経路切替部１４０は、第一端子４１１と、第二端子４１２と、スイッチ４２０と、ワイヤ４３０と、ツェナーダイオード４４１と、ばね４５０とによって構成されている。そして、各構成部材は、ケース４９０に収容されている。

第一端子４１１及び第二端子４１２はそれぞれ、電流経路切替部１４０に電流を入力し、又は電流経路切替部１４０から電流を出力するための端子であって、各熱電素子グループＡ〜Ｃの両端部のいずれか一方に接続される。本実施形態では、第一端子４１１が各熱電素子グループＡ〜Ｃの入力側の端部（金属電極）に接続され、第二端子４１２が、各熱電素子グループＡ〜Ｃの出力側の端部（金属電極）に接続される。

スイッチ４２０は、第一端子４１１と第二端子４１２との間に配置され、両端子間を導通又は非導通状態に切り替えることができる機械式のスイッチである。同図に示すように、スイッチ４２０は、可動部４２１を有し、当該可動部４２１が動くことによって、両端子間を導通又は非導通状態に切り替える。すなわち、可動部４２１が、同図（ａ）に示すオフ状態位置にある間は、両端子間は非導通状態になっており、可動部４２１が、同図（ａ）に示すオフ状態位置から、同図（ｂ）に示すオン状態位置に移動すると、両端子間が、非導通状態から導通状態に切り替わる。

ワイヤ４３０は、スイッチ４２０の可動部４２１と、ツェナーダイオード４４１の一方の端子（本実施形態では、アノード）とに接続され、スイッチ４２０の可動部４２１を、（ばね４５０の付勢力に逆らって）オフ状態位置に保持する部材である。また、ワイヤ４３０は、第一端子４１１からツェナーダイオード４４１を介して電流が流れてきた場合に、スイッチ４２０の可動部４２１を介して、第二端子４１２に向けて電流を流すものであり、予め決められた値以上の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、溶断する。ワイヤ４３０は、例えば、線状の可溶合金で構成される。

ツェナーダイオード４４１は、ワイヤ４３０と、第一端子４４１とに接続され、必要に応じて、ワイヤ４３０に電流を流すことで、ワイヤ４３０を溶断させるものである。すなわち、両端子間にツェナー電圧（本実施形態の場合、例えば、８Ｖとする）より小さな電圧が印可されているときは、前記ワイヤ４３０に（実質的に）電流を流さないようにし、両端子間にツェナー電圧以上の電圧が印可されると、ワイヤ４３０に所定の電流を流して、ワイヤ４３０を溶断させるものである。

ばね４５０は、スイッチ４２０の可動部４２１に作用して、スイッチ４２０の可動部４２１をオン状態位置の方向に付勢する部材であり、例えば、引っ張りコイルばねによって構成される。同図に示すように、ばね４５０は、一方の端部が、例えば、絶縁部材を介して、スイッチ４２０の可動部４２１に適宜取り付けられ、他方の端部が、電流経路切替部１４０のケース４９０に適宜取り付けられる。スイッチ４２０の可動部４２１は、ばね４５０によってオン状態位置の方向に付勢されているので、可動部４２１をオフ状態位置に保持しているワイヤ４３０が溶断されると、同図（ｂ）に示すように、オン状態位置に移動して、スイッチ４２０をオン状態にすることになる。その結果、第一端子４１１と第二端子４１２とが導通される。

電流経路切替部１４０は、以上のような構成を有しているので、第一端子４１１と第二端子４１２との間に、一定以上の電圧が印可されると、スイッチ４２０を介して、第一端子４１１と第二端子４１２とが自動的かつ不可逆的に短絡されるようになる。

なお、図４に示した電流経路切替部１４０では、熱電変換モジュール１００に流す電流の向きが一方方向のみの場合（例えば、冷却のみを行う場合）を考えている。熱電変換モジュール１００に流す電流の向きが変わる場合（例えば、冷却と加温を適宜切り替えて使う場合）は、例えば、図５に示すように、２つのツェナーダイオード５４１，５４２を逆向きに直列接続して、ワイヤ４３０と第一端子４４１との間に接続するようにすればよい。同図に示すような電流経路切替部１４０を利用することにより、第一及び第二端子間に印可される電圧の向きに拘わらず、一定（すなわち、ツェナー電圧＋順方向電圧）以上の電圧が印可されると、ワイヤ４３０に電流が流れるようになり、ワイヤ４３０が溶断して、スイッチ４２０がオン状態になることとなる。

次に、上述したような構成を有する熱電変換モジュール１００の動作について説明する。

熱電変換モジュール１００を利用している際、断線部分が全くない状態では、各電流経路切替部１４０ａ〜１４０ｃには、各熱電素子グループＡ〜Ｃで生じる電圧降下に応じた電圧が印可されることになる。例えば、図１及び図２に示した熱電変換モジュール１００に１２Ｖの電圧が印可された場合、各熱電素子グループＡ〜Ｃの抵抗が等しいとすると、各電流経路切替部１４０ａ〜１４０ｃには、１２／３＝４Ｖの電圧が印可されることとなる。

前述したように、本実施形態では、ツェナーダイオード４４１のツェナー電圧を８Ｖとしているので、正常動作時には、ツェナーダイオード４４１に電流は（ほとんど）流れないことになる。すなわち、各電流経路切替部１４０ａ〜１４０ｃには実質的に電流が流れない状態になっている。

その後、なんらかの原因で、熱電変換モジュール１００のいずれかの部分で断線状態が発生し始めると（例えば、熱電素子にひびが入り始めると）、当該部分で電流が流れにくくなり、その部分の抵抗が大きくなる（最終的に、完全に断線すると、抵抗は、無限大になる）。その結果、断線部分が含まれる熱電素子グループの両端部間にまたがって配置された電流経路切替部１４０には、正常時より大きな電圧が印可されるようになる。すなわち、電流経路切替部１４０に含まれるツェナーダイオード４４１に、ツェナー電圧以上の電圧が印可されるようになり、ツェナーダイオード４４１が電流を流せるようになる。そうすると、第一端子４１１から、ツェナーダイオード４１１、ワイヤ４３０及び可動部４２１を介して、第二端子４１２に電流が流れるようになる。その結果、ワイヤ４３０が自己発熱をし始め、最終的には、溶断することとなる。ワイヤ４３０が溶断すると、スイッチ４２０の可動部４２１が、ばね４５０の付勢力によって、オン状態方向に移動を開始し、最終的には、オン状態位置で移動を停止する。つまり、スイッチ４２０がオン状態となり、電流経路切替部１４０の両端子間が導通状態になることとなる。すなわち、断線部分を含む熱電素子グループの両端部が短絡されることとなるので、断線部分を通らない（バイパスした）電流経路が形成されることとなる。その結果、熱電変換モジュール１００のいずれかの部分で断線状態が発生したとしても、断線部分を含む一定の範囲（すなわち、断線部分を含む特定の熱電素子グループ内）の熱電素子は利用できなくなるが、それ以外の部分は、そのまま利用を継続することができるようになる。

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１００を構成する複数の熱電素子を、複数の熱電素子グループにグループ分けし、各熱電素子グループ毎に、各熱電素子グループの両端部を短絡させることができる電流経路切替部を設けているので、断線状態が発生した熱電素子グループを通らない電流経路を形成することができ、熱電変換モジュール１００の一部に断線が発生しても、熱電変換モジュール１００の利用を継続することが可能となる。

また、上述した電流経路切替部１４０では、作動時に、両端子がスイッチ４２０のみを介して短絡されるので、電流経路切替部１４０での電圧降下は非常に少なくて済み、電流経路切替部１４０での電力消費を非常に少なくすることができる。

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、熱電素子モジュールを構成する熱電素子の数や、各熱電素子グループを構成する熱電素子の数は、必要とされる熱電素子モジュールの性能（冷却性能等）その他の実装条件に応じて、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モジュール１００の構成を示す斜視図である。本発明による熱電変換モジュール１００の構成を示す平面図である。熱電変換モジュール１００における複数の熱電素子グループと複数の電流経路切替部との電気的な接続形態を示す図である。電流経路切替部１４０の構成を説明するための図である。電流経路切替部１４０の別の実施形態を説明するための図である。熱電変換モジュール６００の構造を示す図である。

符号の説明

１００熱電変換モジュール
１１０ π型熱電素子
１１１ｎ型半導体素子
１１２ｐ型半導体素子
１１３上面側金属電極
１２０底面側金属電極
１３０絶縁基板
１４０ａ〜１４０ｃ電流経路切替部
４１１第一端子
４１２第二端子
４２０スイッチ
４２１可動部
４３０ワイヤ
４４１ツェナーダイオード
４５０ばね
４９０ケース
５４１，５４２ツェナーダイオード
６００熱電変換モジュール
６１０ π型熱電素子
６１１ｎ型半導体素子
６１２ｐ型半導体素子
６１３金属電極
６２０金属電極
６３０絶縁基板

Claims

電気的に直列に接続された複数の熱電素子グループと、
前記複数の熱電素子グループのそれぞれの両端部を短絡させることができる電流経路切替手段と
を備え、
前記電流経路切替手段は、
前記両端部の一方に接続される第一の端子と、
前記両端部の他方に接続される第二の端子と、
可動部がオン状態位置にあるとき、前記第一の端子と前記第二の端子とを導通させ、前記可動部がオフ状態位置にあるとき、前記第一の端子と前記第二の端子とを非導通にするスイッチと、
前記可動部をオフ状態位置に保持する可溶部材と、
前記第一の端子と前記第二の端子との間に印可される電圧が予め決められた値以上になったときに、前記可溶部材を溶融させる可溶部材溶融手段と
を備えたことを特徴とする熱電変換モジュール。
前記可溶部材溶融手段は、前記可溶部材と直列に接続され、前記可溶部材に電流を流すことで、前記可溶部材を溶融させる
ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
前記可溶部材溶融手段は、ツェナーダイオードで構成される
ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
前記可溶部材溶融手段は、逆向きに直列接続された一対のツェナーダイオードで構成される
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の熱電変換モジュール。
前記可溶部材は、線状の可溶合金で構成される
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モジュール。
前記可動部をオン状態位置の方向に付勢する付勢手段を更に備えた
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モジュール。
前記付勢手段は、ばねで構成される
ことを特徴とする請求項６に記載の熱電変換モジュール。
前記複数の熱電素子グループはそれぞれ、電気的に直列に接続された複数の熱電素子を備える
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
前記電流経路切替手段は、前記熱電変換モジュールの入出力用の電極が設けられた辺に沿うように配置される
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。