JP2011035305A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で熱電モジュールの電極が熱交換を行う流体に直接接触して効率良く熱交換を行うことができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は複数のＰ型熱電半導体素子16と複数のＮ型熱電半導体素子17とが電極18，19を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュール11を備えている。熱電モジュール11の放熱側には第１の流体通路13が設けられ、吸熱側には第２の流体通路15が設けられている。熱電モジュール11は電極18，19が第１の流体通路13あるいは第２の流体通路15内にそれぞれ露出し、かつ両流体通路13，15間の流体の移動を阻止可能に各熱電半導体素子16，17が樹脂製の電気絶縁材21で接合されている。電極18，19は平板で形成され、熱電モジュール11には電気絶縁材21の一部を電極18，19より両流体通路13，15内に突出させることにより凹凸が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に係り、詳しくは複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュール（ペルチェモジュール）を備えた熱交換器に関する。

熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電モジュール５０の一般的な構成として、図１１（ａ）に示すように、複数のＰ型熱電半導体素子５１と、複数のＮ型熱電半導体素子５２とが２次元平面上に交互に配列されるとともに、複数の電極５３を介して電気的に直列に接続されたものがある。この熱電モジュール５０に直流電流を供給すると、ペルチェ効果が生じて熱電モジュール５０は上下いずれか一方の熱交換面で吸熱を、他方の熱交換面で放熱を行う。そして、この熱電モジュールを熱交換器に用いる場合は、図１１（ｂ）に示すように、熱電モジュール５０は、上下の電極５３がそれぞれセラミックス製の絶縁プレート５４に接合されて、Ｐ型熱電半導体素子５１、Ｎ型熱電半導体素子５２及び電極５３が絶縁プレート５４で挟まれたサンドイッチ構造となっている。そして、熱交換器５５は、熱電モジュール５０の一方の熱交換面側に被温度制御流体５６を流すための流体通路５７が形成され、他方の熱交換面側に被温度制御流体５６を加熱又は冷却するための温度制御媒体５８（加熱媒体又は冷却媒体）を流すための流体通路５９が形成されることによって構成される。

しかし、図１１（ｂ）に示す構成の熱交換器５５においては、電極５３面と被温度制御流体５６との間又は電極５３と温度制御媒体５８との間に、絶縁プレート５４及び流体通路５７，５９の内側壁面が介在するため、それらの熱抵抗により熱伝達の効率が悪くなる。また、絶縁プレート５４とＰ型熱電半導体素子５１及びＮ型熱電半導体素子５２との熱膨張係数の差によって接合部や素子自体に加わる熱応力により接合部や素子自体の耐久性が低くなるという問題がある。

熱伝達効率が良く、熱ばらつきの少ない熱伝達をなし得る熱電モジュールを用いた熱交換器として、絶縁プレート５４を使用せず、熱電モジュール５０の熱交換面となる少なくとも一方の電極５３が直接、流体通路５７，５９内の流体に接触する構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器では、図１２に示すように、熱電モジュール５０は、Ｐ型熱電半導体素子５１及びＮ型熱電半導体素子５２がそれらの間に充填固化された電気絶縁体６０により絶縁されるとともに、電気絶縁体６０によって構造的強度が高められている。そして、熱電モジュール５０の下側の流体通路５９は、熱電モジュール５０側には通路壁は存在せず、熱電モジュール５０自体が流体通路５９の通路壁を構成する。即ち、この場合、温度制御媒体５８は直接熱電モジュール５０の電気絶縁体６０及び電極５３に接触する。なお、上側の流体通路５７の熱電モジュール５０側にも通路壁を設けない構成も開示されている。

また、熱電モジュールを用いた熱電変換装置（熱交換器）において、放熱効率を向上させる構成として、熱電モジュールの放電側電極にはその一部が冷媒流路に露出した放熱側露出部が形成されている構成も提案されている（特許文献２参照）。図１３に示すように、特許文献２の熱電変換装置は、冷媒ジャケット６１と、熱電モジュール（熱電変換部）６２とを有する。冷媒ジャケット６１の内部には冷媒流路６３が形成されている。熱電モジュール６２は、吸熱側電極６４、Ｎ型熱電半導体素子６５、放熱側電極６６、Ｐ型熱電半導体素子６７がこの順で電気的に接続されたものを１ユニットとして、このユニットが複数（図では３ユニット）直列に接続されている。

吸熱側電極６４は平板状に形成され、絶縁性の基板６８上に接合されている。各吸熱側電極６４上にＮ型熱電半導体素子６５及びＰ型熱電半導体素子６７の各一端面が電気的に接合されている。放熱側電極６６はＮ型熱電半導体素子６５及びＰ型熱電半導体素子６７に対する接合面と反対側の面に突起部６６ａが形成されている。突起部６６ａは絶縁層で被覆されるとともに、冷媒ジャケット６１に所定間隔で形成された孔に挿入されて冷媒ジャケット６１内の冷媒流路６３に露出している。なお、放熱側電極６６だけでなく吸熱側電極６４にも同様に突起部を形成して、突起部を冷媒ジャケット６１に所定間隔で形成された孔に挿入して冷媒ジャケット６１内の冷媒流路に露出させる構成も開示されている。

特開平１１−６８１７３号公報 特開２０００−２８６４５９号公報

特許文献１の熱交換器５５では、熱電モジュール５０は少なくとも一方の熱伝達側に絶縁プレート５４を有さず、電極５３が流体通路５７，５９内の流体（被温度制御流体５６あるいは温度制御媒体５８）に接触するため、絶縁プレート５４が存在する構成に比べて熱伝達効率が良くなる。しかし、流体に接触する熱交換面（伝熱面）は、電極５３の間に電極の厚さより浅い凹部が存在するだけでほぼ平坦なため、流体を熱交換面に平行に流した場合、境界層の影響が大きく熱交換能力は小さい。

一方、特許文献２の熱電変換装置では、放熱側電極６６の突起部６６ａが冷媒流路６３に露出しているため、冷媒流路６３に流れる冷媒が突起部６６ａで攪拌されつつ流れるため、電極に突起部がない特許文献１の構成に比べて乱流効果により放熱効率が向上する。しかし、特許文献２の構成では、冷媒ジャケット６１に放熱側電極６６と同じ数の孔を形成し、突起部６６ａをシールされた状態で孔に挿入する必要があり製造に手間が掛かり、製造コストが高くなるという問題もある。また、シール部の状態により突起部６６ａに加わる冷媒の力が放熱側電極６６とＮ型熱電半導体素子６５及びＰ型熱電半導体素子６７との接合部に加わり、耐久性が低くなる。

本発明の目的は、複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュールを備えた熱交換器において、簡単な構造で電極が熱交換を行う流体に直接接触して効率良く熱交換を行うことができる熱交換器を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュールを備えた熱交換器である。そして、前記熱電モジュールの放熱側には第１の流体が流れる第１の流体通路が設けられ、前記熱電モジュールの吸熱側には第２の流体が流れる第２の流体通路が設けられている。前記熱電モジュールは放熱側の電極及び吸熱側の電極が前記第１の流体通路及び前記第２の流体通路にそれぞれ露出し、かつ前記第１の流体通路及び前記第２の流体通路間の流体の移動を阻止可能に前記Ｐ型熱電半導体素子及びＮ型熱電半導体素子が高分子材料製の電気絶縁材で接合されている。前記電極は平板で形成され、前記熱電モジュールの少なくとも放熱側には、前記電極に凸部を形成せずに凹凸が設けられている。ここで、「熱的に並列に配置され」とは、熱電モジュールを構成する複数のＰ型熱電半導体素子及び複数のＮ型熱電半導体素子の発熱側となる面同士が同一側に配置され、吸熱側となる面同士が同一側に配置されることを意味する。また、「高分子材料製」とは、樹脂製又はゴム製を意味する。

この発明では、熱電モジュールはその熱交換面となる放熱側の電極及び吸熱側の電極が第１の流体通路及び第２の流体通路にそれぞれ露出しているため、電極が流体に直接接触して効率良く熱交換が行われる。また、ペルチェ効果を利用した熱電モジュールは、放熱量が吸熱量に比べて４倍程度多いが、この発明の熱電モジュールは少なくとも放熱側には凹凸が設けられているため、乱流効果により熱交換面における境界層の影響が小さくなって熱交換が放熱側において吸熱側より効率良く行われるため、熱交換器として必要な要求を満たすことが容易になる。そして、熱電モジュールの凹凸は電極に凸部（突起）を形成せずに形成されるため、電極の構造ひいては熱交換器の構造が簡単になる。また、電極に凸部を形成した場合と異なり、凸部に加わる流体の力が電極とＮ型熱電半導体素子及びＰ型熱電半導体素子との接合部に加わることに起因して耐久性が低くなることが回避される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記凹凸は、前記電気絶縁材の一部を前記放熱側に設けられた電極より前記第１の流体通路内に突出させることにより形成されている。この発明では、電極、Ｎ型熱電半導体素子及びＰ型熱電半導体素子の構成を変更せずに、凹凸を簡単に形成することができる。なお、電気絶縁材の一部を突出させる構成としては、例えば、突出させる部分の電気絶縁材を形成の段階から他の部分より長く形成する構成や、突出部分を後から接合して長くする構成等がある。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記電気絶縁材の一部は少なくとも前記第１の流体通路に複数の流路を形成するように突出されている。この発明では、第１の流体通路を流れる流体は、電気絶縁材の一部により形成された流路に沿って流れるため、各電極における熱交換効率を計算し易い。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記凹凸は、前記複数のＰ型熱電半導体素子及び複数のＮ型熱電半導体素子をその端面の位置が異なる平面上に位置するように前記電気絶縁材で接合されることにより形成されている。この発明では、同じ大きさのＮ型熱電半導体素子及びＰ型熱電半導体素子の配置を変更するとともに、一部の電極として平板をクランク状に屈曲形成されたものを用いることで簡単に構成することができる。

本発明によれば、複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュールを用いた熱交換器において、簡単な構造で電極が熱交換を行う流体に直接接触して効率良く熱交換を行うことができる。

第１の実施形態の熱交換器を示す概略断面図。 熱電モジュールの電気絶縁材の一部を省略した概略斜視図。 （ａ）は電極を除去した状態の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に対応する断面図。 下型内に熱電半導体素子が設置された状態を示す模式断面図。 電気絶縁材となる樹脂が充填された状態を示す模式断面図。 第２の実施形態の熱交換器の概略断面図。 熱電モジュールの電気絶縁材の一部を省略した概略斜視図。 （ａ）は第３の実施形態の熱交換器の概略断面図、（ｂ）は熱電モジュールの電気絶縁材の一部を省略した概略斜視図。 第４の実施形態を示し、（ａ）は熱交換器の概略断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大断面図、（ｃ）は熱電モジュールの平面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の凸部を示す概略斜視図。 （ａ）は従来技術の熱電モジュールの概略図、（ｂ）はその熱電モジュールを用いた熱交換器の概略断面図。 別の従来技術の熱交換器の概略断面図。 別の従来技術の熱交換器の概略断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１に示すように、熱交換器は、熱電モジュール１１の放熱側（図における上側）には第１の流体１２が流れる第１の流体通路１３が設けられ、熱電モジュール１１の吸熱側（図における下側）には第２の流体１４が流れる第２の流体通路１５が設けられている。

熱電モジュール１１は、複数のＰ型熱電半導体素子１６と複数のＮ型熱電半導体素子１７とが電極１８，１９を介して、電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成に形成されている。「熱的に並列に配置され」とは、熱電モジュール１１を構成する複数のＰ型熱電半導体素子１６及び複数のＮ型熱電半導体素子１７の発熱側となる面同士が同一側に配置され、吸熱側となる面同士が同一側に配置されることを意味する。第１の流体１２及び第２の流体１４としては、電気絶縁性の液体が使用され、例えば、フロリナート（登録商標）やシリコーンオイルが使用される。

第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５は、少なくとも熱電モジュール１１が取り付けられる部分が扁平な筒状に形成されるとともに、対向する位置に開口１３ａ，１５ａがそれぞれ設けられている。熱電モジュール１１は放熱側の電極１８が第１の流体通路１３に、吸熱側の電極１９が第２の流体通路１５にそれぞれ露出する状態で、スペーサ２０を介して第１の流体通路１３と第２の流体通路１５との間に配設されている。熱電モジュール１１は第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５間の流体の移動を阻止可能にＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７が高分子材料製の電気絶縁材２１で接合されている。高分子材料としては熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂あるいはゴムが使用可能であるが、電気絶縁材２１はＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７間の絶縁を図るだけでなく、熱電モジュール１１の構造的強度を高める役割を持つため、熱硬化性樹脂が好ましい。

図３（ａ）に示すように、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７は一列ではなく複数列に、かつＰ型熱電半導体素子１６とＮ型熱電半導体素子１７とが互いに隣接するようにマトリックス状に配置されている。Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７は四角柱状に形成されるとともに、電極１８，１９との接合面がメタライズ加工されて、例えば、はんだ付けにより電極１８，１９に対して電気的に接合されている。各電極１８，１９は一組のＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の端面全体と接合可能な長さの金属製の平板で形成され、熱電モジュール１１の主な熱交換面となる電極面は凸部を有さない。

電気絶縁材２１は熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側の端部に、その一部が電極１８，１９より第１の流体通路１３あるいは第２の流体通路１５内に突出するようにして凸部２１ａが複数形成されている。即ち、熱電モジュール１１は、放熱側及び吸熱側に、電極１８，１９に凸部を形成せずに凹凸が設けられた構成になっている。図２及び図３（ａ）に示すように、放熱側に形成された各凸部２１ａは、第１の流体通路１３を流れる第１の流体１２の流れ方向と直交する方向に延びる直方体状に形成されるとともに千鳥状に配置されている。放熱側に形成された各凸部２１ａも同様に配置されている。

放熱側に配置される全ての電極１８は凸部２１ａの延びる方向と平行に延びる状態でＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７に接続されるため、凸部２１ａの位置に拘らず凸部２１ａと干渉する虞はない。一方、吸熱側に配置される電極１９のうち、熱電モジュール１１の凸部２１ａの延びる方向の両側部に配置されるものは凸部２１ａの延びる方向と直交する方向に延びるように配置されるため、凸部２１ａは電極１９と干渉しない位置に形成されている。

熱電モジュール１１は、インサート成形によりＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７が電気絶縁材２１により接合された熱電素子ユニットを形成した後、その熱電素子ユニットのＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の端面に電極１８，１９をはんだ付けすることで製造される。インサート成形は、図４に示すように、下型２２ａ内に複数のＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７を位置決めした状態で配置する。次に、図５に示すように、上型２２ｂを閉じた後、未硬化の熱硬化性樹脂の注入、加熱硬化を行うことで熱電素子ユニットが形成される。なお、位置決めは、下型２２ａに形成された浅い凹部にＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の一端を位置させることで行われる。

次に前記のように構成された熱交換器の作用を説明する。熱交換器は、熱電モジュール１１の第１の流体通路１３と対向する側が放熱側になり、第２の流体通路１５と対向する側が吸熱側となるように電極１８，１９に直流電圧が印加されて使用される。また、第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５には第１の流体１２及び第２の流体１４が同じ方向、例えば、図１において左側から右側に向かうように流される。なお、第１の流体１２は図示しない冷却ファンを有する経路を循環して使用される。

熱電モジュール１１に通電されると、吸熱側の電極１９が第２の流体１４から熱を奪い、放熱側の電極１８から第１の流体１２へ放熱される。即ち、電極１９と第２の流体１４との間で直接熱伝達が行われ、電極１８と第１の流体１２との間で直接熱伝達が行われる。このとき流体が層流で流れると、熱交換面となる放熱側の電極１８及び吸熱側の電極１９の表面に層流境界層が生じ、境界層の影響が大きくなって熱交換能力が小さくなる。しかし、熱電モジュール１１には放熱側及び吸熱側に凸部２１ａが設けられて、凹凸状になっているため、第１の流体通路１３を流れる第１の流体１２及び第２の流体通路１５を流れる第２の流体１４は、熱電モジュール１１と対応する部分を流れる際に乱流となる。そのため、乱流効果により熱交換面における境界層の影響が小さくなって、放熱側及び吸熱側とも熱交換面における熱交換が効率良く行われる。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）熱電モジュール１１は放熱側の電極１８及び吸熱側の電極１９が第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５にそれぞれ露出しているため、電極１８，１９が流体（第１の流体１２あるいは第２の流体１４）に直接接触して効率良く熱交換が行われる。

（２）熱電モジュール１１は、第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５間の流体の移動を阻止可能にＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７が高分子材料製の電気絶縁材２１で接合されている。そして、電極１８，１９は平板で形成され、熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側には凹凸が設けられている。したがって、流体が流れる際に乱流効果により熱交換面における境界層の影響が小さくなり、熱交換が放熱側及び吸熱側において効率良く行われるため、熱交換器で効率良く熱交換が行われる。

（３）熱電モジュール１１の放熱側の凹凸は、電気絶縁材２１の一部を放熱側に設けられた電極１８より第１の流体通路１３内に突出させた凸部２１ａを設けることにより形成され、吸熱側の凹凸は、電気絶縁材２１の一部を吸熱側に設けられた電極１９より第２の流体通路１５内に突出させた凸部２１ａを設けることにより形成されている。即ち、電極１８，１９に凸部（突起）を形成せずに放熱側及び吸熱側の凹凸が形成されている。したがって、電極１８，１９の構造、ひいては熱交換器の構造が簡単になる。また、電極１８，１９に凸部を形成した場合と異なり、凸部２１ａに加わる流体の力が電極１８，１９とＮ型熱電半導体素子１７及びＰ型熱電半導体素子１６との接合部に加わることがなく、接合部の耐久性、ひいては熱交換器の耐久性が低くなることが回避される。また、電極に凸部を形成する構成に比べて製造コストを低減することができる。

（４）凸部２１ａは、成形型を用いてＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７を電気絶縁材２１により電気的絶縁性を確保しつつ接合して熱電素子ユニットを形成する際に凸部２１ａを形成すべき部分を他の部分より長く形成することで形成される。したがって、凸部２１ａ、即ち突出部分を後から接合する構成に比べて、製造が簡単になる。

（５）電極１８，１９は平面状の金属平板で形成され、電極１８，１９と凸部２１ａとが干渉しないように電極１８，１９の接続位置及び凸部２１ａの形成位置が設定されている。したがって、電極１８，１９の構造及び形成が簡単になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図６及び図７にしたがって説明する。この実施形態では、熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側に凹凸を設けるための凸部２１ａの形状が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図６に示すように、電気絶縁材２１の一部を突出させて形成された凸部２１ａが第１の流体通路１３あるいは第２の流体通路１５の内面に当接するように設けられている。図７に示すように、放熱側の凸部２１ａは第１の流体通路１３に複数（この実施形態では３個）の流路１３ｂを形成するように突出されている。一方、放熱側の電極１８及び吸熱側の電極１９の配置は第１の実施形態と同じため、凸部２１ａが電極１９と干渉しないように吸熱側の凸部２１ａは第２の流体通路１５に複数（この実施形態では２個）の流路１５ｂを形成するように突出されている。流路１５ｂは流路１３ｂの１．５倍の長さに形成されている。

この実施形態の熱交換器では、第１の流体通路１３を流れる第１の流体１２は、熱電モジュール１１と対応する部分を通過する際、３個の流路１３ｂに分かれて移動する。各流路１３ｂは真っ直ぐに延びるのではなく、蛇行するように形成されているため、第１の流体１２は乱流を生じる状態で移動する。また、第２の流体通路１５を流れる第２の流体１４は２個の流路１５ｂに分かれて、流路１３ｂの折り返し長さの１．５倍の長さで折り返して蛇行しつつ乱流を生じる状態で移動する。その結果、乱流効果により熱交換面における境界層の影響が小さくなり、熱交換が放熱側及び吸熱側において効率良く行われる。

したがって、この実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（５）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（６）第１の流体通路１３を流れる第１の流体１２及び第２の流体通路１５を流れる第２の流体１４は、電気絶縁材２１の一部により形成された流路１３ｂ，１５ｂに沿って流れるため、各電極１８，１９における熱交換効率を計算し易い。

（７）熱電モジュール１１は、凸部２１ａが第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の内壁面に当接する状態で両者の間に支持されるため、凸部２１ａの先端と第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の内壁面との密着状態を確保することで、スペーサ２０を省略することも可能になる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を図８（ａ），（ｂ）にしたがって説明する。この実施形態では、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の放熱側及び吸熱側に対応する端面をそれぞれ一平面上に位置する状態に設けていない点が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７は、全て同じ大きさに形成されているが、１列ずつ交互にその端面の位置が変化する状態で電気絶縁材２１により結合されて、全体として熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側の両面に凹凸が形成された状態となっている。そして、図８（ａ）に示すように、熱電モジュール１１は、凸部２３が、第１の流体１２及び第２の流体１４の流れる方向（図の左側から右側へ向かう方向）と直交する方向に延びる状態で、第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の間に取り付けられている。熱電モジュール１１の放電側においてＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７に接続された電極１８は全て凸部２３と平行に延びるため、平面状に形成されている。しかし、吸熱側においてＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７に接続された電極１９のうち、熱電モジュール１１の凸部２３の延びる方向の両側部に配置されるものは、凸部２３に跨る状態で接続されるため、平板をクランク状に屈曲して形成された電極１９が使用される。

この実施形態の熱交換器においても、熱電モジュール１１には放熱側及び吸熱側に凹凸が設けられているため、第１の流体通路１３を流れる第１の流体１２及び第２の流体通路１５を流れる第２の流体１４は、熱電モジュール１１と対応する部分を流れる際に乱流となる。Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７と電気絶縁材２１との接合は、第１の実施形態とキャビティの形状が異なる成形型を用いてインサート成形により行われる。また、クランク状に屈曲された電極１９は金属平板のプレス加工で簡単に製造される。

したがって、この実施形態によれば、第１の実施形態の（１），（２）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（８）熱電モジュール１１の放熱側の凹凸は、複数のＰ型熱電半導体素子１６及び複数のＮ型熱電半導体素子１７をその端面の位置が異なる平面上に位置するように電気絶縁材２１で接合されることにより形成されている。したがって、同じ大きさのＮ型熱電半導体素子１７及びＰ型熱電半導体素子１６の配置を変更するとともに、一部の電極１９として平板をクランク状に屈曲形成されたものを用いることで簡単に構成することができる。

（９）凸部２３が第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の幅方向（流体の流れる方向と直交する方向）全体にわたって延びるように形成されているため、乱流が熱交換面の全面に生じ易い。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を図９（ａ），（ｂ），（ｃ）にしたがって説明する。この実施形態では、熱電モジュール１１が複数設けられている点が前記各実施形態と大きく異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図９（ａ）に示すように、熱交換器は第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の間に複数（この実施形態では４個）の熱電モジュール１１が取り付けられている。前記各実施形態では熱電モジュール１１はＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の数が合計３６個であるのに対して、この実施形態では各熱電モジュール１１はＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の数が合計１６個と、第１の実施形態の場合より少なく形成されている。しかし、４個の熱電モジュール１１のＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の合計数は６４個と多くなっている。

図９（ｂ），（ｃ）に示すように、各熱電モジュール１１は周囲にパッキン２４が一体に形成されている。そして、図９（ｂ）に示すように、パッキン２４を介して第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の間に挟持された状態で取り付けられている。熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側には凸部２１ａが第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５内に突出するように形成されている。各熱電モジュール１１同士は図示しない電極端子を介して直列に接続されている。そして、全ての熱電モジュール１１に同時に同じ電流が供給される。

この実施形態においては、第１の実施形態の（１）〜（５）と同様な効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（１０）複数の熱電モジュール１１がパッキン２４を介してそれぞれ独立に第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の間に取り付けられて、熱交換器全体の熱電モジュール１１が構成されている。したがって、熱交換器に必要なＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の数が多数になる場合、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の数がさほど多くない熱電モジュール１１を必要な数用いることで熱交換器を構成することができる。そのため、熱電モジュール１１の製造コスト、ひいては熱交換器の製造コストを低減することができる。また、いずれかの熱電モジュール１１に不具合が発生した場合、その熱電モジュール１１のみを交換することにより簡単に対処することができる。熱交換器が故障した場合、どの熱電モジュール１１に不具合が発生したのかは、各熱電モジュール１１の端子間の電圧値あるいは端子間に流れる電流値を検出することで確認する。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 凸部２１ａの形状は直方体に限らず、例えば、図１０（ａ）に示すように、三角柱状に形成したり、図１０（ｂ）に示すように、略鋸刃状に形成したり、凸部２１ａの長さを変更したり、異なる形状や長さの異なる凸部２１ａが混在するように設けてもよい。熱交換が効率良く行われる凸部２１ａの形状や長さ等は、第１の流体１２や第２の流体１４の物性（例えば、粘度）や流速により変化するため、適切な乱流が発生し易い形状や長さ等を実験で確認して、その形状や長さあるいは配置箇所を設定するのが好ましい。

〇 第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の通路の形状や長さは、熱電モジュール１１の発熱量や冷媒の物性（例えば、粘度）や流速により変化するため、適切な乱流が発生し易い形状や長さ等を実験で確認して、その形状や長さ等を設定するのが好ましい。

○ 熱電モジュール１１は放熱側及び吸熱側の両方に凹凸が設けられた構成に限らず、少なくとも放熱側に凹凸が設けられていればよい。放熱側で発生する熱量は、吸熱側で吸熱される熱量のほぼ４倍になるため、放熱側の熱交換を効率良く行うことで熱交換器として必要な要求を満たすことが容易になる。

○ 第１の流体１２及び第２の流体１４は絶縁性の液体に限らず、絶縁性の気体（例えば、空気）や導電性の液体であってもよい。導体性の液体の場合は、電極１８，１９の第１の流体１２及び第２の流体１４に接触する面に絶縁被膜を形成する必要がある。

○ 凸部２１ａは電気絶縁材２１の一部が延出した状態で形成された構成に限らず、電気絶縁材２１と別に形成したものを後から接着してもよい。この場合、電極１８，１９をＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７に接続した後、凸部２１ａを電極１８，１９と交差するように電気絶縁材２１に接合すれば、凸部２１ａと電極１８，１９とを交差する状態で支障なく設けることができ、凸部２１ａを設ける位置の自由度が大きくなる。

〇 第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５には第１の流体１２及び第２の流体１４が同じ方向に流される必要はなく、第１の流体通路１３に流れる第１の流体１２の方向及び第２の流体通路１５に流れる第２の流体１４の方向が逆方向（対向流）であってもよい。

○ 第３の実施形態のようにＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の端面を一平面上に配置せずに熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側に凹凸を設ける構成は、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７を１列ずつ交互にその端面の位置が変化する状態で電気絶縁材２１により結合された構成に限らない。例えば、１列の半分ずつが交互にその端面の位置が変化する状態や、１個ずつあるいは２個ずつが交互にその端面の位置が変化する状態に設けてもよい。

○ 第３の実施形態において、各Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７を接合する電気絶縁材２１は、必ずしも凸部２３と対応する位置まで形成しなくてもよい。

○ Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の端面を一平面上に配置せずに熱電モジュール１１の放熱側及び吸熱側に凹凸を設ける場合、Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７として長さの異なるものを２種類ずつ設けて構成してもよい。

○ 熱電モジュール１１を構成するＰ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７のマトリックス状の配置は行数と列数が同じに限らず、行数と列数が異なっていてもよい。

○ Ｐ型熱電半導体素子１６及びＮ型熱電半導体素子１７の形状は四角柱状に限らず、例えば、他の角柱状や円柱状であってもよい。
○ 第４の実施形態に限らず、他の実施形態の場合においても、熱電モジュール１１として周囲にパッキン２４が設けられ、パッキン２４を介して第１の流体通路１３及び第２の流体通路１５の間に取り付けられる構成を採用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記電気絶縁材の前記第１の流体通路内に突出されている部分は、Ｐ型熱電半導体素子及びＮ型熱電半導体素子を接合する部分と一体に形成されている。

（２）請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記電気絶縁材の前記第１の流体通路内に突出されている部分は、Ｐ型熱電半導体素子及びＮ型熱電半導体素子を接合する部分と別に形成されたものが接着された構成である。

１１…熱電モジュール、１２…第１の流体、１３…第１の流体通路、１３ｂ，１５ｂ…流路、１４…第２の流体、１５…第２の流体通路、１６…Ｐ型熱電半導体素子、１７…Ｎ型熱電半導体素子、１８，１９…電極、２１…電気絶縁材、２１ａ，２３…凸部。

Claims (4)

1. 複数のＰ型熱電半導体素子と複数のＮ型熱電半導体素子とが電極を介して電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された構成の熱電モジュールを備えた熱交換器であって、
   前記熱電モジュールの放熱側には第１の流体が流れる第１の流体通路が設けられ、前記熱電モジュールの吸熱側には第２の流体が流れる第２の流体通路が設けられ、前記熱電モジュールは放熱側の電極及び吸熱側の電極が前記第１の流体通路及び前記第２の流体通路にそれぞれ露出し、かつ前記第１の流体通路及び前記第２の流体通路間の流体の移動を阻止可能に前記Ｐ型熱電半導体素子及びＮ型熱電半導体素子が高分子材料製の電気絶縁材で接合されており、前記電極は平板で形成され、前記熱電モジュールの少なくとも放熱側には、前記電極に凸部を形成せずに凹凸が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記凹凸は、前記電気絶縁材の一部を前記放熱側に設けられた電極より前記第１の流体通路内に突出させることにより形成されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記電気絶縁材の一部は少なくとも前記第１の流体通路に複数の流路を形成するように突出されている請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記凹凸は、前記複数のＰ型熱電半導体素子及び複数のＮ型熱電半導体素子をその端面の位置が異なる平面上に位置するように前記電気絶縁材で接合されることにより形成されている請求項１に記載の熱交換器。

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