JP2012156169A

JP2012156169A - 熱電装置

Info

Publication number: JP2012156169A
Application number: JP2011011441A
Authority: JP
Inventors: Maki Morita; 真樹森田; Wataru Kadowaki; 渉門脇; Hisaya Yokomachi; 尚也横町; Motoaki Okuda; 元章奥田; Naoto Morisaku; 直人守作
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: WO2012098446A3; US20130291921A1; JP5596576B2; WO2012098446A2

Abstract

【課題】ボルト締結を行わずとも、伝熱グリース層への空気の混入を抑制することのできる熱電装置を提供する。
【解決手段】鉛直上側を冷却側とし、鉛直下側を加熱側とするように配置された熱電素子モジュール２の冷却側には、鉛直上方から順に、ＤＣ−ＤＣコンバーター４、吸熱交換器３、伝熱グリース層８を配置するとともに、その加熱側には、鉛直上方から順に、伝熱グリース層９、放熱交換器５、断熱層１０を配置するようにした。こうした熱電装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバーター４の自重により伝熱グリース層８，９に圧力がかかるようになるため、ボルト締結を行わずとも、伝熱グリース層８，９への空気の混入を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電素子のペルチェ効果により形成される温度差を利用して電子機器の冷却を行う熱電装置に関する。

車両における熱の有効利用を図るため、ゼーベック効果、ペルチェ効果、トムソン効果といった、熱電素子の熱と電気を関係づける現象を利用した熱電装置の車両への搭載が検討されている。

そして従来、そうした熱電装置として、特許文献１に記載の装置が提案されている。同文献に記載の熱電装置は、熱電素子のゼーベック効果により、排気の熱を電気に変換して、発電を行うものとなっている。この熱電装置は、排気管から順に、熱電素子モジュールの加熱部、熱電素子モジュールの冷却部、熱電素子の冷却部を冷却する水冷式のクーラー、熱電素子の出力を電力変換するＤＣ−ＤＣコンバーターが配設された構成となっている。

特開２００５−５１９５２号公報

ところで、排気管やクーラーと熱電素子モジュールとの接触熱抵抗を低減するため、これらの間に伝熱グリース層を設けることがある。ただし、伝熱グリース層に空気が混入すると、接触熱抵抗が大きくなり、熱電装置の効率が低下する。そこで、従来にあっては、ボルトの締結により圧力をかけることで、伝熱グリース層から空気を排除するようにしている。しかしながら、こうした場合には、熱電装置の設置に際してボルトを締結作業が必要となり、設置性が悪化する。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、ボルト締結を行わずとも、伝熱グリース層への空気の混入を抑制することのできる熱電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の熱電装置は、鉛直上側を冷却側とし、鉛直下側を加熱側とするように配置された熱電素子の冷却側に、鉛直上方から順に、冷却対象となる電子機器、吸熱交換器、伝熱グリース層を配置するようにしている。

上記構成では、電子機器の自重により伝熱グリース層に圧力がかかるようになる。そのため、ボルト締結を行わずとも、伝熱グリース層への空気の混入を抑制することができるようになる。

なお、電子機器としては、例えば請求項２によるようなＤＣ−ＤＣコンバーターなど、冷却を必要とする任意の車載電子機器を採用可能である。そして請求項３によるような、熱電素子の駆動電圧を調整するＤＣ−ＤＣコンバーターを電子機器とすることも可能である。

また請求項４によるように本発明の熱電装置は、熱電素子の加熱側に、鉛直上方から順に、伝熱グリース層、放熱交換器、断熱層が配置された構成とすることが可能である。
更に本発明の熱電装置を、請求項５によるような車両の熱電空調装置に設けられるものとして具体化することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る熱電装置の適用される熱電空調装置の全体構成を模式的に示す略図。同実施の形態の熱電装置の分解斜視構造を示す斜視図。同実施の形態の熱電装置の斜視構造を示す斜視図。同実施の形態の熱電装置の熱電モジュール及びその周辺の側部断面構造を示す断面図。同実施の形態の熱電装置の熱電モジュールの側部断面構造を示す断面図。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の熱電装置を具体化した一実施の形態を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。

本実施の形態の熱電装置１は、図１に示すような車両の熱電空調装置に設けられている。
熱電装置１は、熱電素子（ペルチェ素子）のペルチェ効果を利用して温度差を形成する熱電素子モジュール２を中心として形成されている。熱電素子モジュール２は、鉛直上側を冷却側とし、鉛直下側を加熱側とするように配置されている。熱電素子モジュール２の鉛直上側（冷却側）には、冷水が流れる吸熱交換器３が配置され、更にその上方には、熱電素子モジュール２の駆動電圧を調整するＤＣ−ＤＣコンバーター４が配設されている。一方、熱電素子モジュール２の鉛直下側（加熱側）には、温水が流れる放熱交換器５が設置されている。

吸熱交換器３は、冷水の熱を外気に放熱するラジエーター６との間で、冷水を循環する冷水回路を形成している。また放熱交換器５は、温水の熱で車室内に送風される空気を温めるヒーターコア７との間で、温水を循環する温水回路を形成している。

図２にその分解斜視構造を示すように、熱電装置１の熱電素子モジュール２の鉛直上側（冷却側）には、鉛直上方から順に、ＤＣ−ＤＣコンバーター４、吸熱交換器３、伝熱グリース層８が配置されている。また熱電素子モジュール２の鉛直下側（加熱側）には、鉛直上方から順に、伝熱グリース層９、放熱交換器５、断熱層１０が配置されている。そしてこれらを順に積層することで、図３に示すような熱電装置１が形成されている。

図４に示すように、熱電素子モジュール２は、伝熱グリース層８，９を間において、吸熱交換器３と放熱交換器５との間に挟み込まれた態様で配設されている。
図５に熱電素子モジュール２の側部断面構造を示すように、熱電素子モジュール２の熱電素子（ペルチェ素子）を構成するＰ型半導体１１ｐ、Ｎ型半導体１１ｎの鉛直上側（冷却側）は、はんだ１２を介して絶縁基板１３上に設けられた電極１４に接続されている。またＰ型半導体１１ｐ及びＮ型半導体１１ｎの鉛直下側（加熱側）は、はんだ１５を介して絶縁基板１６上に設けられた電極１７に接続されている。

次に、以上のように構成された熱電装置の作用を説明する。
熱電装置１の吸熱側には、冷水が常時流れる吸熱交換器３が配置されており、その上面に配置されたＤＣ−ＤＣコンバーター４がその冷水により冷却される。

一方、熱電装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバーター４により調整された駆動電圧により駆動して、その冷却側と加熱側との間に温度差を形成する。具体的には、熱電装置１は、その冷却側において吸熱交換器３を流れる冷水の熱から吸熱した熱を加熱側に伝達して、熱電装置１の加熱側に配置された放熱交換器５を流れる温水を加熱する。こうして加熱された温水は、ヒーターコア７に搬送され、その熱は車室内の暖房に使用される。

以上の本実施の形態の熱電装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態の熱電装置１では、鉛直上側を冷却側とし、鉛直下側を加熱側とするように配置された熱電素子モジュール２の冷却側に、鉛直上方から順に、ＤＣ−ＤＣコンバーター４、吸熱交換器３、伝熱グリース層８を配置している。また熱電素子モジュール２の加熱側に、鉛直上方から順に、伝熱グリース層９、放熱交換器５、断熱層１０を配置している。こうした本実施の形態の熱電装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバーター４の自重により伝熱グリース層８，９に圧力がかかるようになる。そのため、ボルト締結を行わずとも、伝熱グリース層８，９への空気の混入を抑制することができる。

（２）本実施の形態の熱電装置１では、熱電素子モジュール２の吸熱側の吸熱交換器３に常時冷水が流されており、その上面にＤＣ−ＤＣコンバーター４を配置するようにしている。そのため、車室内の空調のための熱交換と併せて、ＤＣ−ＤＣコンバーター４の冷却を行うことができる。

（３）本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバーター４の損失熱の一部を熱電素子モジュール２が吸熱するため、ラジエーター６に要求される冷却能力をその分低減することができる。そのため、ラジエーター６の小型化が可能となる。

（４）本実施の形態では、熱電素子モジュール２とＤＣ−ＤＣコンバーター４とが近接している。そのため、配線を短くすることができ、その分電気損失を低減することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、熱電素子モジュール２の加熱側に、鉛直上方から順に、伝熱グリース層９、放熱交換器５、断熱層１０を配置するようにしていたが、熱電素子モジュール２の加熱側の機器類や層の配置は、これに限らず適宜変更しても良い。いずれにせよ、熱電素子モジュール２の冷却側に、鉛直上方から順に、ＤＣ−ＤＣコンバーター４、吸熱交換器３、伝熱グリース層８が配置された構成となっていれば、ＤＣ−ＤＣコンバーター４の自重で伝熱グリース層８に圧力をかけ、空気の混入を抑制することができる。

・上記実施の形態では、冷却対象となる電子機器として、熱電素子モジュール２の駆動電圧を調整するＤＣ−ＤＣコンバーター４が設けられた構成となっていたが、それ以外の電子機器、例えばモーターの駆動電圧を調整するモーター用インバーターなどを冷却対象となる電子機器として設けた構成とすることも可能である。

・上記実施の形態では、本発明の熱電装置を車両の熱電空調装置に使用していたが、本発明の熱電装置は、それ以外の用途にも使用することができる。

１…熱電装置、２…熱電素子モジュール、３…吸熱交換器、４…ＤＣ−ＤＣコンバーター、５…放熱交換器、６…ラジエーター、７…ヒーターコア、８…伝熱グリース層、９…伝熱グリース層、１０…断熱層、１１ｐ…Ｐ型半導体、１１ｎ…Ｎ型半導体、１２…はんだ、１３…絶縁基板、１４…電極、１５…はんだ、１６…絶縁基板、１７…電極。

Claims

鉛直上側を冷却側とし、鉛直下側を加熱側とするように配置された熱電素子の冷却側に、鉛直上方から順に、冷却対象となる電子機器、吸熱交換器、伝熱グリース層が配置された
ことを特徴とする熱電装置。
前記電子機器は、ＤＣ−ＤＣコンバーターである
請求項１に記載の熱電装置。
前記ＤＣ−ＤＣコンバーターは、前記熱電素子の駆動電圧を調整する
請求項２に記載の熱電装置。
前記熱電素子の加熱側に、鉛直上方から順に、伝熱グリース層、放熱交換器、断熱層が配置された
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電装置。
当該熱電装置は、車両の熱電空調装置に設けられる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電装置。