JP2010226103A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたって信頼性が確保できる熱電変換装置を提供する。
【解決手段】熱電変換素子群２の中央部位から吸熱側熱導体１の枠体５によって拘束されない部分１１の端面までの厚みＤが、吸熱側熱導体１と熱電変換素子群２と放熱側熱導体のうちで枠体５によって拘束されない枠内凸部３の積層部の厚みＬの半分の＋２０％〜−４０％の範囲に規制され、かつ枠体５と吸熱側熱導体１の接合部の大気と接する外側部分を撥水性シール剤層３６で覆い、枠体５と吸熱側熱導体１の接合部の外側部分とは反対の内側部分を水蒸気遮断シール剤層３７で覆ったことを特徴とする。
【選択図】図１９

Description

本発明は、例えば電子冷却装置などとして用いる熱電変換装置に係り、特に熱電変換素子群を挟持した吸熱側熱導体と放熱側熱導体を剛性の高い枠体の両端部で一体に連結した構造の熱電変換装置に関するものである。

図１４は、特許文献１などで従来提案された熱電変換装置の断面図である。この熱電変換装置は、熱電変換素子群５１を間にしてその上下方向（積層方向）にブロック状の吸熱側熱導体５２と板状の放熱側熱導体５３が配置されている。

吸熱側熱導体５２は合成樹脂製枠体５４の周壁５５の内側に嵌合され、枠体５４の上端部５６と吸熱側熱導体５２のフランジ部５７とが接着剤５８で一体に連結されている。一方、放熱側熱導体５３の外周部と、枠体５４の周壁５５より外側に延びた基端部５９とが接着剤層６０で一体に連結されている。６１は、熱電変換素子群５１と吸熱側熱導体５２の間に介在された弾性薄膜である。

この熱電変換装置は、熱電変換素子群５１の上下に配置した吸熱側熱導体５２と放熱側熱導体５３に接合する形で前記熱電変換素子群５１を取り囲むように枠体５４で密閉化することにより、熱電変換素子群５１を介在して前記熱導体５２，５３間をネジ締結しない構造になっている。

また、電子冷却装置などの熱電変換装置は、装置に動作時に片側が冷却状態、もう一方の片側が加熱状態になるため、両方の温度差や熱サイクルの繰り返しで、装置内部で大きなストレスが生じて破損する問題がある。また、冷却部に外部から水分が侵入すると、それが熱電変換素子群の電極や半導体の近傍で凝縮して結露し、電解腐食を起こして熱電変換装置の性能が劣化するという問題がある。

図２２は、特許文献２などに記載されている熱電変換装置の断面図である。図中の１０１は吸熱側熱導体、１０２は熱電変換素子群、１０３は放熱側熱導体、１０４は枠体、１０５は水冷ジャケット、１０６は分散部材、１０７は硬化型接着剤層、１０８は柔軟性接着剤層である。

枠体１０４の内側に吸熱側熱導体１０１が挿入され、両者の隙間にエポキシ樹脂などの硬化型接着剤が注入、硬化されて硬化型接着剤層１０７が形成され、吸熱側熱導体１０１と枠体１０４は硬化型接着剤層１０７によって固定されている。

特許第３２４１２７０号公報 特開平１１−１８６６１７号公報

前記図１４に示す熱電変換装置の場合、吸熱側熱導体５２の上方のフランジ部５７は接着剤５８によって枠体５４の上端部５６に固定されているが、それより下方の部分は枠体５４の周壁５５に囲まれているが枠体５４には固定されていない。従って図１４において上下方向の矢印６２で示すように吸熱側熱導体５２のフランジ部５７より下方から放熱側熱導体５３の上面までの間は、枠体５４の内側にあって、枠体５４に拘束されないで熱膨張、熱収縮を生じる部分である。

熱電変換素子群５１は、動作時に冷却域と発熱域の境界領域は熱電変換素子群５１の厚さ方向のほぼ中央部位６３であるため、そのほぼ中央部位６３を境にして熱膨張と熱収縮が発生する。

そのため図１４に示すように、片側の熱導体（この従来例では吸熱側熱導体５２）だけが枠体５４の内側に突出した構造では、前記冷却域と発熱域の両側で膨張・収縮の変移量の差が出て、収縮または膨張のどちらかが大きくなる（この従来例では、吸熱側熱導体５の方が突出しているから収縮の変移量が大きくなる）。

吸熱側熱導体５２と放熱側熱導体５３は熱電変換素子群５１を挟んだ形で枠体５４に固定されているから、前述の膨張・収縮の変移量の差により熱電変換素子群５１に応力が加わり、そのため長期間優れた性能を維持することが出来ず、信頼性に問題がある。

また前記図２２に示す熱電変換装置の場合、金属からなる吸熱側熱導体１０１と合成樹脂からなる枠体１０４とを固く接着するためにエポキシ樹脂からなる硬化型接着剤層１０７が使用されている。ところで、エポキシ樹脂は活性水素を有するフェノールノボラック樹脂等を硬化剤として用いて硬化反応を行なった場合、硬化反応後にエポキシ基１個当り１個の２級アルコール性水酸基を生成する。この水酸基は高い親水性を有していることから、硬化型接着剤層１０７自体が高い吸湿性をもっており、硬化型接着剤層１０７による防湿効果は期待できない。

また、金属からなる吸熱側熱導体１０１と硬化型接着剤層１０７の接着では、水の存在が接着強度を弱める１つの要因となる。これは接着剤よりも金属の方が水に濡れ易いことが起因しており、水の存在で吸熱側熱導体１０１と硬化型接着剤層１０７の接着面が破壊される。

更に、硬化型接着剤層１０７は吸熱側熱導体１０１や枠体１０４との接合面で固化するときの残留応力が大きく、水分が含まれている状況下で熱サイクルを繰り返していると吸熱側熱導体１０１や枠体１０４と硬化型接着剤層１０７の界面で剥離が生じ、さらに水分の侵入が起こり易くなり、そのために熱電変換装置の性能が低下するという欠点を有している。

さらにまた図２２に示す構造では、吸熱側熱導体１０１と枠体１０４の狭い隙間には空気があり、その空気と置換しながら接着剤を注入する必要があり、接着剤の注入作業が非常に煩雑である。またこのようなことから接着剤を規定量注入することが難しかったり、接着剤層に気泡が残り、そのために十分な防湿効果が得られず、熱電変換装置の性能が低下する。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、長期にわたって信頼性が確保できる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、熱電変換素子群を介して吸熱側熱導体と放熱側熱導体を対向して設け、合成樹脂からなる枠体を前記吸熱側熱導体の外周部にインサートモールドで一体に形成し、その枠体内に前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体の一部である枠内凸部を収納して、前記枠体の端部を前記放熱側熱導体の外周部と連結した熱電変換装置を対象とするものである。
そして、前記熱電変換素子群の中央部位から前記吸熱側熱導体の前記枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みＤが、前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで前記枠体によって拘束されない前記枠内凸部の積層部の厚みＬの半分の＋２０％〜−４０％の範囲に規制され、
かつ前記枠体と吸熱側熱導体の接合部の大気と接する外側部分を撥水性シール剤層で覆い、前記枠体と吸熱側熱導体の接合部の前記外側部分とは反対の内側部分を水蒸気遮断シール剤層で覆ったことを特徴とするものである。

本発明は前述したように、熱電変換素子群の中央部位から吸熱側熱導体の枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みＤが、吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで枠体によって拘束されない枠内凸部の積層部の厚みＬの半分の＋２０％〜−４０％の範囲に規制することにより、吸熱側熱導体と放熱側熱導体によって挟持された状態で枠体内に設置された熱電変換素子群に掛かる応力を低減し、
さらに枠体と吸熱側熱導体の接合部の大気と接する外側部分を撥水性シール剤層で覆い、枠体と吸熱側熱導体の接合部の前記外側部分とは反対の内側部分を水蒸気遮断シール剤層で覆うことにより、枠体内部、すなわち熱電変換素子群の周囲の防湿効果を維持して、長期にわたって信頼性が確保できる熱電変換装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る熱電変換装置の断面図である。 その熱電変換装置の熱電変換素子群付近の拡大断面図である。 熱電変換装置を構成する各部品の材質と厚みと熱膨張係数をまとめて表した図である。 熱電変換装置の動作条件と各部品の温度をまとめて表した図である。 吸熱側熱導体ならびに放熱側熱導体の枠内凸部の寸法構成を示す図である。 吸熱側熱導体ならびに放熱側熱導体の枠内凸部の寸法構成を示す図である。 吸熱側熱導体ならびに放熱側熱導体の枠内凸部の寸法構成を示す図である。 各種条件での厚みと変移量をまとめて示した図である。 各種条件での厚みと変移量をまとめて示した図である。 全厚みＬの条件を変えた場合の比率Ｋと変移量との関係を示した特性図である。 全厚みＬの条件を変えた場合の比率Ｋと変移量との関係を示した特性図である。 全厚みＬの条件を変えた場合の比率Ｋと変移量との関係を示した特性図である。 全厚みＬの条件を変えた場合の比率Ｋと変移量との関係を示した特性図である。 従来の熱電変換装置の断面図である。 本発明の第２実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。 本発明の第３実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。 本発明の第４実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。 比較例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。 本発明の第５実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした斜視図である。 その熱電変換装置の吸熱側熱導体と枠体の結合体の一部を断面にした斜視図である。 その熱電変換装置の放熱側熱導体基部と枠体の結合部の拡大断面図である。 従来提案された熱電変換装置の断面図である。 本発明の実施例６に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。 本発明の実施例７に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。 本発明の実施例８に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。

本発明は、吸熱側熱導体、熱電変換素子群ならびに放熱側熱導体の積層体を剛性の枠体で囲んだ構造の熱電変換装置において、冷却の動作時に枠体の内部で発生する応力は、動作条件よっても異なるため、冷蔵や冷凍などの異なる条件下で、各種の試験やシュミレーションを重ねて、多種多様の条件下で長期にわたって信頼性が確保できる熱電変換装置を得ることができた。

〔熱電変換装置の構成〕
次に本発明の実施例を図面とともに説明する。図１は本発明の第１実施例に係る熱電変換装置の概略構成図、図２はその熱電変換装置の熱電変換素子群付近の拡大断面図である。

図１に示すように実施例に係る熱電変換装置は、ブロック状の吸熱側熱導体１と、熱電変換素子群２と、板状の放熱側熱導体枠内凸部３と、板状の放熱側熱導体基部４が順次積層されている。前記放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４とで放熱側熱導体が構成されている。放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４を一体物で構成することもできるが、放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４を別体にした方が生産効率は良好で、安価である。

５は剛性を有する合成樹脂製の枠体で、前記放熱側熱導体基部４の上面外周部に接着剤層６を介して一体に接合する基端部７と、その基端部７の内周部から前記積層体の積層方向に沿って立設した周壁８と、その周壁８の上端部からさらに内側に狭まって前記吸熱側熱導体１の外周面に接着剤層９を介して一体に接合する接合部１０が連続して形成されて、全体的に階段状になっている。

吸熱側熱導体１の前記接合部１０とは接合しない点線より下部側は枠体５の内側に向けて突出して、吸熱側熱導体枠内凸部１１を構成している。枠体５の周壁８は放熱側熱導体枠内凸部３と熱電変換素子群２と吸熱側熱導体枠内凸部１１の外周面から離れて、空間部１２を形成している。この空間部１２は、動作時の熱の戻りを可及的に少なくするために形成されている。

このように熱電変換装置は、枠体５の基端部７を放熱側熱導体基部４の上面外周部に接着し、枠体５の接合部１０を吸熱側熱導体１の外周面に接着することにより枠体５の内部が密閉化され、熱電変換素子群２は放熱側熱導体枠内凸部３と吸熱側熱導体枠内凸部１１により挟持された構造になっている。

熱電変換素子群２と放熱側熱導体枠内凸部３と吸熱側熱導体枠内凸部１１が枠体５によって拘束されない部分となっており、図１において吸熱側熱導体枠内凸部１１の厚さをＡ、放熱側熱導体枠内凸部３の厚さをＢ、熱電変換素子群２の厚さをＣで表している。図中の符号２１は装置動作時の温度境界線で、熱電変換素子群２の厚さ方向のほぼ中央部位に相当する。

図２に示すように熱電変換素子群２は、吸熱側セラミックス基板１３と、ゴム弾性膜からなる応力緩和層１４と、吸熱側電極１５と、多数並設されたｎ形とｐ形の熱電半導体１６と、放熱側電極１７と、放熱側セラミックス基板１８とから構成されている。

この熱電変換素子群２と前記吸熱側熱導体枠内凸部１１の間には、ゴム弾性膜からなる応力緩和層１９が設けられている。また、熱電変換素子群２と前記放熱側熱導体枠内凸部３の間には、弾性体からなる接着剤２０が設けられている。

〔各部品の構成〕
図３は、各部品の材質と厚みと熱膨張係数をまとめて表した図である。図中のＰＰＳはポリフェニレンサルファイド、ＧＦはガラス繊維である。なお、放熱側熱導体枠内凸部３ならびに吸熱側熱導体枠内凸部１１としては銅やマグネシウムなども使用可能であるが、加工性や価格などの点でアルミニウムが好適である。
本実施例では電気絶縁性のためにアルミナなどのセラミックス基板１３、１８を使用しているが、他の絶縁手段を利用してセラミックス基板を用いない場合もある。

熱電半導体１６として用いられるビスマス−テルル系半導体には結晶体と焼結体のタイプがあり、結晶体は結晶軸の方向で膨張係数が異なる。性能の高いａ軸方向を使用する。ａ軸方向の膨張係数は２２×１０^−６／℃（図３では、これを２２ｐｐｍ／℃と表記している。他の部品においても同様に表記している）、ａ軸と直交する方向の膨張係数は１６ｐｐｍ／℃である。焼結体は結晶体を粉砕して焼き固めたもので、膨張係数は１８ｐｐｍ／℃である。

枠体５は、変形し難い剛性の高い材料を使用する必要がある。剛性が高い材料として、合成樹脂にガラス繊維などのフィラーを混入して、弾性率と機械的強度を高めた強化樹脂材料を使用している。一般にガラス繊維を３０〜６０重量％混入した合成樹脂は、ガラス繊維の物性が強く出るため１０〜４０ｐｐｍ／℃程度の膨張係数となる。枠体５の材質としては、水分透過性が低く、機械的強度ならびに寸法精度が高く、耐熱性を有し、接着などの加工性に優れていることから、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）のＧＦ（ガラス繊維）強化グレードが好適である。

このＰＰＳにＧＦを混入したグレードは、ＧＦが繊維のため、射出成形時の樹脂の流れ方向とその直交方向とで線膨張係数が異なる。ＧＦの充填量にもよるが、射出成形時の樹脂の流れ方向で大体膨張係数は１０〜２０ｐｐｍ／℃程度となる。流れ方向の値は５０〜１００％大きくて、枠体５の設計にもよるが、熱導体や熱電変換素子群の積層方向（図１に示す上下方向）の膨張係数は２０〜３０ｐｐｍ／℃程度である。

応力緩和層１４、１９にはシリコーンのゴム状弾性体が使用され、伸び率は１００％以上である。通常、熱電変換装置に熱電変換素子群２を実装する場合、図２に示すように弾性を有する接着剤２０を界面に介在して組み立てる。この接着剤２０の厚み変動が熱電変換装置の動作時に伸び縮みとして現れ、それに伴う応力の発生を吸収するために応力緩和層１４、１９が用いられている。各応力緩和層１４、１９は１層でも２層でもよく、応力緩和層の総合厚みは１０〜３０μｍが適当で、３０μｍを超えると熱抵抗が増加して性能上好ましくない。

室温下（２０〜２５℃）で、この応力緩和層１４、１９を介して熱電変換装置を組み立てる。前述のように枠体５で固定した後、熱電変換装置の動作時に生じる各部品の膨張または収縮に伴う変移をこの応力緩和層１４、１９で吸収する。応力緩和層１４、１９で熱伝導性能を落とさず安定して長期間吸収できる変移量は膜厚の±１０％程度であることが分かり、従って吸収できる変位量は±３μｍ前後となる。

本実施例で用いる熱導体と応力緩和層の材質と熱伝導度を示せば下記の通りである。
材 質 熱伝導度（Ｗ／ｍ・Ｋ）
熱導体 アルミニウム １２０〜１３０
応力緩和層 シリコーン弾性体 １

〔熱電変換装置の動作条件〕
次に熱電変換装置の動作条件について説明する。
一般的な冷蔵庫の条件（ａ：冷蔵庫動作条件）は、外気２５℃のときに庫内を５℃に冷却する条件であり、このとき熱電変換装置の吸熱側熱導体１は０℃前後、放熱側熱導体基部４は４０℃前後となり、吸熱側熱導体枠内凸部１１においても０℃前後、放熱側熱導体枠内凸部３においても４０℃前後になっている。そしてこの温度の中間領域は図１に示すように熱電変換素子群２の厚さ方向のほぼ中央の温度境界線２１であり、それを境にして吸熱側が低温、放熱側が高温となる。

また、外気が低くなったときの動作条件（ｂ：冷蔵庫外気低温動作条件）は、外気１０℃で庫内を５℃に維持する場合で、吸熱側熱導体枠内凸部１１は０℃程度、放熱側熱導体枠内凸部３は１５℃程度となる。

冷凍条件（ｃ：冷凍庫動作条件）で外気２５℃のときに庫内を−１８℃に維持する場合、吸熱側熱導体枠内凸部１１は−２３℃程度、放熱側熱導体枠内凸部３は５０℃程度となる。
図４は、これらの動作条件と各部品の温度をまとめて表した図である。

〔変移量の計算方法〕
熱電変換装置は、常温（２５℃）で組み立てるので、その状態を基準に冷却、加温動作時の内部の膨張・収縮による変移量を計算する。
変移量は、部品の熱膨張係数と、当該部品の積層方向（変移方向）の厚みと、部品の動作時の温度から２５℃を引いた温度差に基づいて、下式により計算する。
変移量＝〔部品の熱膨張係数〕×〔部品の変移方向の厚み〕×〔温度差（到達温度−２５℃）〕
枠体５の変移量は、吸熱側熱導体１ならびに放熱側熱導体基部４と強固に接合しているので、ほぼ同等温度と見てよい。また、冷却と加温の中間温度領域は、前述のように熱電変換素子群２の厚み方向の中央部位とした。

枠体５との接着で動きが拘束されている部分よりも内側にある構成部品の動作時における膨張・収縮の変移量と、枠体５のＬ部（図１参照）の膨張・収縮の変移量を求め、その差し引きから放熱側熱導体枠内凸部３と吸熱側熱導体枠内凸部１１間に挟持されている熱電変換素子群２にかかる応力を計算した。

〔変移量の具体的な計算例〕
ａ：冷蔵庫条件（吸熱側熱導体枠内凸部１１：０℃、放熱側熱導体枠内凸部３：４０℃）
熱電変換素子群２の厚み方向の中央部位が冷却と加温の境界領域となり、熱電変換素子群２の上下両端部が０℃／４０℃とみなせる。従って、吸熱側熱導体枠内凸部１１、吸熱側セラミックス基板１３ならびに吸熱側電極１５は０℃、放熱側電極１７、放熱側セラミックス基板１８ならびに放熱側熱導体枠内凸部３は４０℃として計算する。

枠体内部の変移量Ｘは、各部品の変移量を足し合わせたものとなる。枠体のＬ部の変移量Ｙは、下式のように枠体の積層方向の厚みを２分割して計算したＹ１とＹ２を足し合わせたものとなる（Ｙ＝Ｙ１＋Ｙ２）。
吸熱側枠体部分の変移量Ｙ１＝〔枠体の熱膨張係数〕×〔枠体の厚み１／２〕×〔吸熱側の温度差（動作部温度−２５℃）〕
加温側枠体部分の変移量Ｙ２＝〔枠体の熱膨張係数〕×〔枠体の厚み１／２〕×〔加温側の温度差（動作部温度−２５℃）〕
そして前記〔内部の変移量Ｘ〕から〔枠体の変移量Ｙ〕を差し引いた〔トータル変移量Ｚ〕を計算し、その計算結果の値がマイナスなら熱電変換素子群に対して引き剥がしの応力が発生し、計算結果の値がプラスなら熱電変換素子群に対して圧縮の応力が発生することになる。
〔トータル変移量Ｚ〕＝〔内部の変移量Ｘ〕−〔枠体の変移量Ｙ〕

このトータル変移量Ｚが、応力吸収のために設けている応力緩和層１４，１９による吸収範囲内であることが必要となる。
熱電変換装置の組み立て状態から前記内部の変移量Ｘの吸収量は、伝熱性能の観点から応力緩和層の膜厚の±１０％程度であり、実際の厚みに換算すると±３μｍ程度である。

ガラス繊維を混入した枠体の膨張係数は繊維の流れ方向で異なるが、ガラス繊維の充填量や充填材形状から１０〜４０ｐｐｍ／℃程度の範囲となる。そして吸水率や機械的強度、耐熱性から最適と考えられるガラス繊維４０重量％のＰＰＳの場合、枠体構造から水平方向と垂直方向が組み合わさるため２０〜３０ｐｐｍ／℃程度と考えられる。

吸熱側熱導体ならびに放熱側熱導体の枠内凸部の寸法構成は、図５〜図７に示すような構成が考えられる。積層方向の厚みがＬであり、図５は熱導体Ａの厚みが熱導体Ｂに比べて大きい場合、図６は熱導体Ａと熱導体Ｂの厚みがほぼ等しい場合、図７は熱導体Ｂの厚みが熱導体Ａに比べて大きい場合を示している。熱電変換素子群Ｃは、通常２．０〜４．５ｍｍであり、ここでは一般的な素子厚みとして４ｍｍで計算する。

上面の熱導体を吸熱側として考えた場合、温度境界線より上側が収縮し、下側が膨張する。熱電変換装置は対称的な構造であり、中央部位を境にして膨張と収縮が発生するため、変移は打ち消されると見てよい。上下の熱導体の厚みとその比率が熱電変換素子群に発生する応力に強く影響すると考えられる。

一方、熱電変換素子群の装置内組み込みに際しては、発生する応力緩和の目的で、熱電変換素子群をゴム弾性を有する熱伝導性材料を介して組み込む。この熱伝導性材料は、厚さが厚すぎると熱抵抗となるためできるだけ薄い１０〜２０μｍ程度の厚さとし、この弾性薄膜で吸収できる変移量は１μｍ以下程度である。これ以上の変移の場合、伝熱性能に影響がでたり、熱電変換素子群に応力が大きく加わったりして、性能を急速に劣化させる。

このようなことから、熱電変換装置の信頼性を長期的に維持するために必要となる積層方向の変移量は±３μｍ程度の範囲に収める必要がある。

機械的な外力から熱電変換素子群を保護することと、防湿の目的で枠体を用いて外周を囲む構造において、内部に設置された熱電変換素子群への応力を低減するためには、枠体の膨張・収縮による変移と内部に構成部材の変移がほぼ等しく変移することが望ましい。そのために、内部の熱導体の厚みと上下比率を適正な範囲に収め、枠体の積層方向の膨張係数と内部の熱導体の膨張係数を合わせることで、信頼性の高い熱電変換装置が得られることを計算と各種の試験を繰り返すことにより確認した。

すなわち、
（ａ）枠体の積層方向の膨張係数を、２０〜３０ｐｐｍ／℃とする。
（ｂ）内部の枠体に拘束されない積層部の厚みＬは２５ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以下とする。
（ｃ）熱電変換素子群の中央部位から吸熱側熱導体の端面までの厚みＤは、積層部厚みＬの半分（Ｌ／２）の＋２０％〜−４０％の範囲とする。
（ｄ）枠体の積層方向の膨張係数と、内部熱導体の膨張係数をほぼ等しくする。
ことである。

次に、変移量の検討結果について説明する。
熱電変換装置の動作条件：外気２５℃、庫内０℃。熱導体Ａ（吸熱側熱導体枠内凸部１１）０℃、熱導体Ｂ（放熱側熱導体枠内凸部３）４０℃とする
前記熱導体Ａ部（吸熱側熱導体枠内凸部１１）と熱導体Ｂ部（放熱側熱導体枠内凸部３）の寸法条件を種々変えて変移量を求めた。
前記熱導体Ａ部（吸熱側熱導体枠内凸部１１）と全厚みＬの半分の比率Ｋ＝（Ａ＋１／２Ｃ）／（Ｌ／２）−１と変移量の関係を求めた。

これらの検討結果を示したのが図８ないし図１３である。図８と図９は各種条件での厚みと変移量を示し、図１０ないし図１３は全厚みＬの条件を変えた場合の前記比率Ｋと変移量との関係を示している。図８ないし図１３の図中のα２枠１７は枠体として膨張係数が１７ｐｐｍ／℃の枠体、α２枠２０は枠体として膨張係数が２０ｐｐｍ／℃の枠体、α２枠２３は枠体として膨張係数が２３ｐｐｍ／℃の枠体を使用した場合を示している。また、図１０ないし図１３の図に示している枠線は、変移量が目標としている±３μｍの範囲を示している。図８および図９の欄の上に付した丸付きの数字と、図１０ないし図１３の図中に付した丸付きの数字が対応している。

これらの結果から明らかなように、変移量を目標としている±３μｍの範囲内（枠内）に収めるためには、熱電変換素子群の中央部位から吸熱側熱導体の枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みＤ（図１参照）を、吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで枠体によって拘束されない部分の積層部の厚みＬ（図１参照）の半分の＋２０％〜−４０％の範囲、すなわち）図８ないし図１３において比率Ｋが＋２０％〜−４０％の範囲に入るように規制する必要がある。

なお、図１３に示すように、吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで枠体によって拘束されない部分の積層部の厚みＬが２９ｍｍと厚くなることは、実質的には吸熱側熱導体あるいは（ならびに）放熱側熱導体の厚みが厚くなり、その結果、±３μｍの範囲が狭くなり、製作上の寸法誤差などによって前記範囲から外れ易くなるため、前記積層部の厚みＬは２５ｍｍ以下に規制した方がよい。

図１５は、本発明の第２実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。この実施例で前記図１に示す第１実施例と相違する点は、次の通りである。

第１の相違点は、枠体５をブロック状吸熱側熱導体１の外周部に一体成形した点である。そのために吸熱側熱導体１の外周には１本の溝が形成され、枠体５の射出成形時に前記溝内に枠体用の樹脂が入り込んで、環状の突出部２２を形成している。従って、吸熱側熱導体１の溝と枠体５の突出部２２との係合部（図中の点線部分）より下方の吸熱側熱導体１の部分が、吸熱側熱導体枠内凸部１１となる。

第２の相違点は、枠体５の基端部７にネジ孔２３が形成され、そのネジ孔２３に差し込んだネジ（図示せず）により、放熱側熱導体基部４の外周部と枠体５の基端部７が一体に連結されている。
第３の相違点は、放熱側熱導体基部４の下方に放熱フィン２４が一体に取り付けられている。

第４の相違点は、枠体５の接合部１０の上端と吸熱熱導体基部１の周面とによって形成される角部に撥水性シール剤層３６が設けられている。

図１６は、本発明の第３実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。この実施例で前記図１５に示す第２実施例と相違する点は、次の通りである。

第１の相違点は、金属製の板の中央部分を上方に絞り加工して放熱側熱導体枠内凸部３を形成し、それの外周部を放熱側熱導体基部４としたものである。従って本実施例では、放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４が一体物となっている。

第２の相違点は、前記放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４の下部に、水冷ジャケット２５が取り付けられている。水冷ジャケット２５の前記放熱側熱導体枠内凸部３と対向する部分には、平面から見て蛇行状に延びた流路２６が形成され、この水冷ジャケット２５内に冷却水２７が流通される。

図１７は本発明の第４実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図、図１８は比較例に係る熱電変換装置の一部を断面にした正面図である。

通常、熱電変換装置の外周部は断熱層２８で覆われている。そして放熱側熱導体基部４の外周部と枠体５の基端部７をネジなどで機械的に連結した場合に、枠体５の基端部７と断熱層２８の下面との間に必然的に隙間２９が形成される。また、放熱側熱導体基部４の外周部と枠体５の基端部７を接着剤で連結した場合も、部品寸法のバラツキあるいは取り付け位置のバラツキなどによって、枠体５の基端部７と断熱層２８の下面との間に隙間２９が形成される。

このような状況下において、図１８に示すように、放熱側熱導体枠内凸部３が無くて、板状の放熱側熱導体基部４の上に直接熱電変換素子群２を載置した熱電変換装置の場合、あるいは放熱側熱導体枠内凸部３を用いても、その厚さが極めて薄い熱電変換装置の場合、熱電変換素子群２の厚さ方向の中央部位に位置する温度境界線２１が、断熱層２８の下面よりも下側となり、そのために吸熱側熱導体枠内凸部１１の下端部が前記隙間２９の近くに位置する。
そのため枠体５の周壁８を通しての隙間２９からの熱の洩れがあり、熱電変換装置の性能の低下を招く。

これに対して図１７に示すように、熱電変換素子群２の温度境界線２１（厚さ方向の中央部位）が断熱層２８の下面よりも上側、すなわち温度境界線２１（厚さ方向の中央部位）が断熱層２８の中にあるようにすれば、吸熱側領域が断熱層２８によって完全に遮断され、隙間２９からの熱の洩れが阻止でき、熱電変換装置の性能を高く維持することができる。

このように熱電変換素子群２の温度境界線２１（厚さ方向の中央部位）を断熱層２８の下面よりも上側に持っていくためには、或る程度の厚さを有する放熱側熱導体枠内凸部３が必要であり、本発明者の種々の実験結果から前記積層部の厚みＬを８ｍｍ以上にする必要があることが分かった。
このように隙間２９からの熱の洩れを阻止するとともに、前記変移量を±３μｍ以内に確実に収めるために、前記積層部の厚みＬを８〜２５ｍｍ、好ましくは８〜１５ｍｍの範囲内に規制するとよい。

なお、図１７ならびに図１８において、符号３０は、吸熱側熱導体１に接触する吸熱側補助熱導体である。
前述した熱電変換素子群２の厚さ方向中央の温度境界線２１を断熱層２８の内側に位置する構成は、前記第１〜３実施例においても同様に適用できることである。

図１９は本発明の第５実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした斜視図、図２０はその熱電変換装置の吸熱側熱導体と枠体の結合体の一部を断面にした斜視図、図２１はその熱電変換装置の放熱側熱導体基部と枠体の結合部の拡大断面図である。

図１９に示すようにアルミニウムからなるブロック状の吸熱側熱導体１の外周には枠体５がインサートモールドにより一体に形成されて、両者で結合体３１を構成している。

枠体５は、前記実施例と同様にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）のＧＦ（ガラス繊維）強化グレードが使用され、放熱側熱導体基部４の外周部と連結される水平方向に延びた基端部７と、その基端部７の内周部から上方向に沿って立設した周壁８と、その周壁８の上端部からさらに内側に狭まって前記吸熱側熱導体１の外周面に一体に接合する接合部１０が連続して形成されている。

図２２に示すように、前記枠体５の基端部７には所定の間隔をおいて複数のネジ孔２３が形成されている。前記接合部１０の上面３２と吸熱側熱導体１の外周面の隅に角部３３が形成されている。

吸熱側熱導体１の外周面に水平方向に延びた係合溝３４が１条あるいは複数条予め形成されている。枠体５をインサートモールドするときに溶融した合成樹脂の一部がこの係合溝３４にも充填され、その樹脂が冷却固化することにより枠体５の内周部に突出部２２が一体に形成される。そして前記係合溝３４とそこに入り込んで形成された突出部２２との係合により、吸熱側熱導体１と枠体５が機械的に強固に結合される。

前記枠体５の周壁８の内周部には吸熱側熱導体１の下部付近を取り囲むように下方に向けて開口した凹部が設けられ、この凹部の上面は吸熱側熱導体１の底面よりも若干上位置にあることから、吸熱側熱導体１の下部周囲に連続した溝状のシール剤溜め部３５が形成されている。

図２０に示す結合体３１の前記角部３３、すなわち吸熱側熱導体１と枠体５の接合部の大気と接する外側部分の全周にわたって、水よりも極性の低い材料からなるシール剤を塗布して弾性を有する撥水性シール剤層３６を形成する。特に大気と接する外側部分は結露による水滴が直接付着するため、撥水性の高いシール剤で覆うことが重要である。

前述の撥水性シール剤としては、例えばシリコーンエラストマー（例えば信越化学社製シリコーンＲＴＶゴム ＫＥ４８９０，ＫＥ３８４０ 東レダウコーニング社製ＳＥ１７１３ ＳＥ９１８４等）、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムなどが用いられる。

また、前記シール剤溜め部３５の全周にわたって、水蒸気透過率ならびに硬化度が低くて柔軟性の有るシール剤を塗布して弾性を有する水蒸気遮蔽シール剤層３６を形成する。

前記水蒸気遮蔽シール剤としては、例えば硬化度の低いエポキシ系樹脂（弾性エポキシ樹脂）、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムなどが用いられる。前記エポキシ系樹脂としては、エポキシ樹脂を主成分とする例えばシリコーン変性エポキシ樹脂、アクリル変性エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂などを挙げることができる。前記アクリル系樹脂としては、アクリル樹脂を主成分とする例えばシリコーン変性アクリル樹脂、ウレタン変性アクリル樹脂、エポキシ変性アクリル樹脂などを挙げることができる。ウレタン系樹脂としては、ウレタン樹脂を主成分とする例えばシリコーン変性ウレタン樹脂、アクリル変性ウレタン樹脂、エポキシ変性ウレタン樹脂などを挙げることができる。

前記シリコーン変性エポキシ樹脂（セメダイン社製ＰＭ１６５）の諸特性は下記の通りである。
硬さ：４８（ショアＡ）
伸び：１００％
引張りせん断接着強さ：２．１０Ｎ／ｍｍ^２
Ｔ形剥離接着強さ：１．２０Ｎ／ｍｍ^２

前記シリコーン変性アクリル樹脂（セメダイン社製スーパーＸ）の諸特性は下記の通りである。
硬さ：４２（ショアＡ）
破断時伸び：２２０％
破断強度：１．８Ｎ／ｍｍ^２
線膨張率：２．１×１０^−４

前述のシリコーンエラストマーなどは強い撥水性（疎水性）を有し、吸熱側熱導体１と枠体５の接合部からの水分の侵入を阻止するのに有効であるが、これらの材料は一般に分子構造の自由体積（隙間）が大きく、シール剤層内での水蒸気の透過があるという難点を有している。

これに対して硬化度の低いエポキシ系樹脂（弾性エポキシ樹脂）、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムなどは一般に分子構造の自由体積（隙間）が小さく緻密なため、シール剤層内での水蒸気の透過度が低いという特長を有しているから、前記撥水性シール剤と併用することにより高い防湿効果が得られる。

なお、ポリオレフィン系樹脂のホットメルトやブチルゴムなどは、高い撥水性と低い水蒸気透過性を兼ね備えているから、同じシール剤をシール剤層３６，３７の両方に使用することが可能である。

撥水性シール剤層３６と水蒸気遮断シール剤層３７の材料の好適な組合例を示せば下記の通りである。
（材料組合例１）
撥水性シール剤層３６ ：シリコーンエラストマー
水蒸気遮断シール剤層３７：弾性エポキシ樹脂
（材料組合例２）
撥水性シール剤層３６ ：ブチルゴム
水蒸気遮断シール剤層３７：弾性エポキシ樹脂
（材料組合例３）
撥水性シール剤層３６ ：シリコーンエラストマー
水蒸気遮断シール剤層３７：ブチルゴム
（材料組合例４）
撥水性シール剤層３６ ：ブチルゴム
水蒸気遮断シール剤層３７：ブチルゴム

前記撥水性シール剤層３６ならびに水蒸気遮断シール剤層３７のショアＡ硬度は１００以下、好ましくは９０以下に規制されている。図２２で示した従来例での硬化型接着剤層１０７のゴム硬度は、ショアＤ分類される高硬度のもので、本発明で用いるゴム弾性を有する柔軟なシール剤層とは性状、性質が全く異なっている。

前述のように本発明では、係合溝３４と突出部２２の係合部を間にして、その係合部の外側に撥水性シール剤層３６が設けられ、係合部の内側に水蒸気遮断シール剤層３７が設けられている。そのため外部から侵入しようとする水分を先ず強い撥水性（疎水性）を有する撥水性シール剤層３６で阻止し、さらに撥水性シール剤層３６ならびに枠体５の一部を透過する水蒸気を自由体積が小さい水蒸気遮断シール剤層３７で阻止することにより、熱電変換素子群２が収納されている枠体５の内部で高い防湿効果を得ることができる。

図２２に示す従来の熱電変換装置の硬化型接着剤層１０７は、吸熱側熱導体１０１や枠体１０４との接合面で固化するときの残留応力が大きく、水分が含まれている状況下で熱サイクルを繰り返すと、吸熱側熱導体１０１や枠体１０４と固まった接着剤層１０７の界面で剥離が生じ、そこから水分の侵入が起こり易い。
このような弊害を排除するため本発明では、吸熱側熱導体１と枠体５の機械的結合を、吸熱側熱導体１に対して枠体５をインサートモールドするとともに、係合溝３４と突出部２２とで緊密な係合を行なう。その上でゴム弾性を有するシール剤層３６，３７を形成することにより、硬化による残留応力の発生を回避した。

またこれらのシール剤層３６，３７は図２２に示すように狭い隙間に注入して形成するものではないから、シール剤層形成の作業が簡便であり、気泡を含まず、規定量のシール剤を装填することができ、シール効果が確実に発揮できる。

図１９に示すように、吸熱側熱導体１の下側でかつ枠体５の内側には、熱電変化素子群２を介して板状の放熱側熱導体枠内凸部３が配置され、この状態で枠体５のネジ孔２３からネジ３８を螺挿して、枠体５を放熱側熱導体基部４上で位置決め、固定する。

さらに本実施例では図２１に示すように、放熱側熱導体基部４と枠体基端部７の接合面の大気と接する外周部にゴム弾性を有する撥水性シール剤層３９を形成し、その内周部にゴム弾性を有する水蒸気遮蔽シール剤層４０を形成した２重シール構造となっている。これらのシール剤は、装置の組み立て時に予め放熱側熱導体基部４あるいは枠体基端部７に塗布されている。

このように放熱側熱導体基部４と枠体基端部７の接合部にも撥水性シール剤層３９と水蒸気遮蔽シール剤層４０を併設すれば、この接合部からの水分の侵入も有効に阻止することができる。
本実施例では図１９に示すように、放熱側熱導体枠内凸部３と放熱側熱導体基部４の間にも前記応力緩和層１９が形成されている。

図２３は、本発明の実施例６に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。この実施例では同図に示すように、吸熱側熱導体１の撥水性シール剤層３６と接する周面に予め断面形状が略Ω型のアンカー溝４１を形成し、撥水性シール剤を塗布してその一部をアンカー溝４１内に入り込ませて、吸熱側熱導体１に対する撥水性シール剤層３６のアンカー効果を発揮したものである。

図２４は、本発明の実施例７に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。この実施例では同図に示すように、吸熱側熱導体１の撥水性シール剤層３６と接する周面に予め断面形状が略凹溝型のアンカー溝４１を形成し、撥水性シール剤を塗布してその一部をアンカー溝４１内に入り込ませて、吸熱側熱導体１に対する撥水性シール剤層３６のアンカー効果を発揮したものである。

またこの実施例では、枠体５の上端部には吸熱側熱導体１の周面（アンカー溝４１）に近づくにつれて徐々に低く傾斜して、上方に向けて開放したシール剤受け面４２が形成されている。本実施例では傾斜したシール剤受け面４２が形成されているが、傾斜していない垂直な凹溝型のシール剤受け面４２であっても構わない。

本実施例のようにシール剤受け面４２を設けることにより、撥水性シール剤が他の部分に流れ出ることがなく、吸熱側熱導体１の周面（アンカー溝４１）とシール剤受け面４２の間に撥水性シール剤層３６が確実に形成され、生産性の向上が図れる。なお、このシール剤受け面４２は、アンカー溝４１を設けない吸熱側熱導体１を使用する熱電変換装置にも適用可能である。

図２５は、本発明の実施例８に係る熱電変換装置の一部拡大断面図である。この実施例では同図に示すように、押圧リング４３の下部を撥水性シール剤層３６の上面から押し込むことにより、撥水性シール剤層３６を吸熱側熱導体１（アンカー溝４１）と枠体５（シール剤受け面４２）に圧着して、密着を図っている。撥水性シール剤層３６は弾性を有しているため、その圧着効果が高い。なお、この押圧リング４３は、アンカー溝４１を設けない吸熱側熱導体１を使用する熱電変換装置にも適用可能である。

前記押圧リング４３は合成樹脂あるいは金属から構成され、吸熱側熱導体１の外周面に強嵌合されるか、あるいは吸熱側熱導体１の外周面と押圧リング４３の内周面にそれぞれネジ部を設けて、押圧リング４３が吸熱側熱導体１に螺着され、その後吸熱側熱導体１と押圧リング４３の一部が接着される。

前記第２〜８実施例において、熱電変換素子群２の中央部位から吸熱側熱導体１の枠体５によって拘束されない部分の端面までの厚みＤが、吸熱側熱導体１と熱電変換素子群２と放熱側熱導体のうちで枠体５によって拘束されない部分（実施例では放熱側熱導体枠内凸部３）の積層部の厚みＬの半分（Ｌ／２）の＋２０％から−４０％の範囲に規制されている。

熱電変換素子群２の中央部位から吸熱側熱導体１の枠体５によって拘束されない部分の端面までの厚みＤ１と、熱電変換素子群２の中央部位から放熱側熱導体の枠体５によって拘束されない部分（実施例では放熱側熱導体枠内凸部３）の端面までの厚みＤ２は、Ｄ１≒Ｄ２となるのが好ましい。

１．．．吸熱側熱導体、２．．．熱電変換素子群、３．．．放熱側熱導体枠内凸部、４．．．放熱側熱導体基部、５．．．枠体、６．．．接着剤、７．．．基端部、８．．．周壁、９．．．接着剤、１０．．．接合部、１１．．．吸熱側熱導体枠内凸部、１２．．．空間部、１９．．．応力緩和層、２０．．．接着剤、２１．．．温度境界線、２２．．．突出部、２３．．．ネジ孔、２４．．．放熱フィン、２５．．．水冷ジャケット、２６．．．流路、２７．．．冷却水、２８．．．断熱層、２９．．．隙間、３０．．．吸熱側補助熱導体、３１．．．結合体、３２．．．上面、３３．．．角部、３４．．．係合溝、３５．．．シール剤溜め部、３６．．．撥水性シール剤層、３７．．．水蒸気遮蔽シール剤層、３８．．．ネジ、３９．．．撥水性シール剤層、４０．．．水蒸気遮蔽シール剤層、４１．．．アンカー溝、４２．．．シール剤受け面、４３．．．押圧リング。

Claims (1)

1. 熱電変換素子群を介して吸熱側熱導体と放熱側熱導体を対向して設け、合成樹脂からなる枠体を前記吸熱側熱導体の外周部にインサートモールドで一体に形成し、その枠体内に前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体の一部である枠内凸部を収納して、前記枠体の端部を前記放熱側熱導体の外周部と連結した熱電変換装置において、
   前記熱電変換素子群の中央部位から前記吸熱側熱導体の前記枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みＤが、前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで前記枠体によって拘束されない前記枠内凸部の積層部の厚みＬの半分の＋２０％〜−４０％の範囲に規制され、
   かつ前記枠体と吸熱側熱導体の接合部の大気と接する外側部分を撥水性シール剤層で覆い、前記枠体と吸熱側熱導体の接合部の前記外側部分とは反対の内側部分を水蒸気遮断シール剤層で覆ったことを特徴とする熱電変換装置。

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