JP2012243879A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高性能で搭載性に優れた熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】実施例の車両用空調装置における熱電変換モジュール１は、モジュール本体１００を有している。このモジュール本体１００は、複数の第１、２基板１１、１３と、複数の電極１５ａ、１５ｂと、複数の熱電変換素子１７と、第１フィン１９と、複数の第２フィン２１とを備えている。各第１、２基板１１、１３は、それぞれセラミック基板１１ａ、１３ａと、アルミ箔１１ｃ、１３ｃとで構成されている。第１フィン１９は基部１９ａと複数の板状部１９ｂとを有しており、各第２フィン２１もそれぞれ複数の板状部２１ｂを有している。基部１９ａと各板状部１９ｂとは直接接合されている。また、この基部１９ａと、各第１基板１１におけるアルミ箔１１ｃの各外面とが接合され、各第２基板１３におけるアルミ箔１３ｃ各外面と、各第２フィン２１の各板状部２１ｂとが直接接合されている。
【選択図】図５

Description

本発明は熱電変換モジュールに関する。

特許文献１に従来の熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールは、図１に示すように、互いに対向する内面９１ａ、９２ａと、互いに背向する外面９１ｂ、９２ｂとを有する第１基板９１及び第２基板９２を備えている。また、この熱電変換モジュールは、第１基板９１及び第２基板９２の各内面９１ａ、９２ａにそれぞれ設けられた複数の電極９３ａ、９３ｂと、各電極９３ａ、９３ｂによって電気的に直列に接続される複数の熱電変換素子９４とを備えている。

この熱電変換モジュールでは、例えば、各熱電変換素子９４が生じさせるペルチェ効果により、第１基板９１側で吸熱又は放熱を生じ、第２基板９２側で第１基板９１側とは反対の放熱又は吸熱を生じることが可能となっている。このため、このような熱電変換モジュールは、第１基板９１側と第２基板９２側との間における熱の移動を利用した熱交換媒体等の冷却又は加熱手段として、空調装置等に採用されつつある。また、この熱電変換モジュールは、ゼーベック効果により、温度差に基づく発電を行うことも可能である。

また、特許文献２に開示されているように、このような熱電変換モジュールでは、吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果を高める目的から、第１基板９１や第２基板９２の外面９１ｂ、９２ｂに対し、第１、２フィン９５、９６が設けられ得る。この際、同文献では、第１、２基板９１、９２の各外面９１ｂ、９２ｂに対し、伝熱材料であるアルミで得られた第１、２フィン９５、９６をろう付けによって直接接合することが開示されている。

特開２００２−１１１０７９号公報 特開２００７−１７３３０１号公報

発明者等の知見によれば、第１、２基板９１、９２に対し、第１、２フィン９５、９６をそれぞれ直接接合させることによって、熱電変換モジュールにおける吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果をより高めることが可能となる。しかし、ＣＡＥ解析等による発明者等の確認によれば、第１、２フィン９５、９６をそれぞれろう付けする際、第１、２基板９１、９２や第１、２フィン９５、９６は高温に曝される。そして、その後にそれらが常温に戻ることで、図１の実線矢印に示すように、第１、２基板９１、９２には熱変形が生じることとなる。この際、応力負荷によって熱電変換素子９４に損傷が生じ易くなる問題がある。

そこで、第１、２基板９１、９２及び第１、２フィン９５、９６を小さくすることで、熱変形を小さくして応力負荷を低減させることが考えられる。しかし、第１、２基板９１、９２を小型化した場合、各内面９１ａ、９２ａに熱電変換素子９４を多く設けることができなくなり、熱電変換モジュールの性能が低下してしまう。また、第１、２フィン９５、９６を小型化した場合には、吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果が低減してしまうことから、やはり熱電変換モジュールの性能が低下してしまうこととなる。

このため、熱電変換モジュールを複数個組み合わせることにより、個々の熱電変換モジュールの性能低下を補う方法が採用され得る。しかしながら、熱電変換モジュールの数を増加させた場合、個々の熱電変換モジュールに対する配線等の取り回しが困難となり、空調装置や発電装置における各熱電変換モジュールの搭載性が低下する問題が生じる。特に、搭載スペースに制限がある車両等に対し、これらの空調装置や発電装置を搭載する場合には、上記の問題が顕著となる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能で搭載性に優れた熱電変換モジュールを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の熱電変換モジュールは、対向して配置される複数の第１基板及び第２基板と、
各該第１基板及び各該第２基板の対向する各内面にそれぞれ設けられた複数の電極と、
各該電極によって電気的に接続される複数の熱電変換素子とを備え、
各前記第１基板の各外面には、伝熱材料からなるベースプレートが熱的に接合され、
該ベースプレートの該外面には、該伝熱材料からなる第１フィンが熱的に接合され、
各該第２基板の外面には、該伝熱材料からなる第２フィンが熱的に接合され、
該第２フィンは、該第２基板の各該外面に直接接合されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の熱電変換モジュールでは、第１、２基板がそれぞれ複数設けられることから、熱電変換モジュール全体として多くの熱電変換素子を配置することが可能となる。また、この熱電変換モジュールでは、各第２基板の各外面に対し、それぞれ第２フィンが直接接合されることから、各第２基板側では、第２フィンによる吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果が高くなる。この際、各第２基板を小さく形成すれば、それに伴って各第２フィンも小さく成形することが可能であるため、各第２フィンを各第２基板に接合したことによる各第２基板の熱変形を小さくすることができる。このため、この熱電変換モジュールでは、各熱電変換素子における応力負荷を低減させることが可能となる。

さらに、この熱電変換モジュールでは、複数の第１、２基板に対してベースプレートが共通化されるため、熱電変換モジュールの取り回しも容易となっている。また、このベースプレートに対しても第１フィンが熱的に接合されるため、第１フィンによる各第１基板側における吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果も向上している。

したがって、本発明の熱電変換モジュールは、高性能で搭載性に優れている。

各第２基板と各第２フィンとは、ろう付けによる接合が可能である他、はんだ等による接合も可能である。ここで、ろう付けによる接合は、はんだ等による接合の場合と比較して、各第２基板と各第２フィンとが強固に接合される。このため、各第２基板と各第２フィンとを接合する方法として、ろう付けを採用することで、熱電変換モジュールの耐久性をより高くすることが可能となる。

第１、２フィンを構成する伝熱材料は、第１、２基板を構成する材料よりも伝熱性が高いことが好ましく、かつ、加工が容易であることが好ましい。このような条件を満たす伝熱材料としては、アルミや銅等の金属が挙げられる。また、第１、２フィンは、それぞれ伝熱材料及び形状が同一でも良く、異なっていても良い。

第１基板及び第２基板は、セラミック基板と、セラミック基板の少なくとも一面にセラミック基板と一体に接合された金属箔とからなることが好ましい（請求項２）。この場合、第１、２基板では、セラミック基板により絶縁性が確保されるとともに、金属箔によって、ベースプレートや第２基板との接合が容易となる。なお、セラミック基板は、例えば窒化アルミ等で得ることができ、金属箔は、例えばアルミ箔や銅箔等によって得ることができる。

第１フィンはベースプレートの外面に対し間接的に接合されても良い。しかし、本発明の熱電変換モジュールにおいて、第１フィンは、ベースプレートの外面に直接接合されていることが好ましい（請求項３）。この場合、第１フィンによる吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果を高くすることができる。ベースプレートの外面に第１フィンを接合する方法としては、上記のろう付けによる接合の他、はんだ等による接合が挙げられる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、ベースプレートの外面側に設けられる第１ハウジングと、第２基板の外面側に設けられる第２ハウジングとを有するケースを備え得る。また、第１ハウジング内には、第１ハウジングとベースプレートとの間で、第１熱交換媒体を流通可能な第１空間が形成され得る。さらに、第２ハウジング内には、第２ハウジングと第２基板との間で、第２熱交換媒体を流通可能な第２空間が形成され得る。そして、ベースプレートと第２基板との間において熱電変換素子が配置される空間、第１空間及び第２空間は、それぞれシール材により密閉されていることが好ましい（請求項４）。

この場合、熱電変換モジュールは、各第１、２空間内を流通する第１、２熱交換媒体との間で熱の移動が可能となり、また、第１、２熱交換媒体から受熱することで発電を行うことが可能となる。

さらに、このケースでは、シール材によって、ベースプレートと第２基板との間において熱電変換素子が配置される空間と、第１空間と、第２空間とがそれぞれ密閉されるため、第１、２熱交換媒体によって熱電変換素子が劣化したり、漏電等したりし難くなっている。この際、ケース内に収納された複数個のペルチェモジュールにおいて、第１基板と第２基板との組み合わせが個々に独立している場合には、各第１、２基板に毎にシール材を設けるスペースが必要となる。このため、第１、２ハウジングが大型化し、ケースが大型化する問題がある。これに対し、この熱電変換モジュールでは、複数の第１、２基板に対してベースプレートが共通化されているため、シール材を設けるスペースを少なくすることが可能となっている。このため、この熱電変換モジュールでは、第１、２ハウジングを小型化でき、ケースを小型化することが可能となる。

第１、２熱交換媒体としては、液体である水やロングライフクーラント（ＬＬＣ）等の冷却液を採用できる他、空気等の気体を採用することもできる。この際、第１熱交換媒体と第２熱交換媒体とは同一でも良く、異なっていても良い。また、シール材としては、液状ガスケットやＯリング等を採用することができる。

第１、２フィンは、種々の形状を採用することができ、例えば、ペースプレートや第２基板の各外面に立設される複数の板状部を有するものであっても良い。第１、２フィンの具体例としては、伝熱材料である金属板等が波型形状に曲げ加工されて得られたコルゲートフィンを挙げることができる。この場合、曲げ加工によって、ペースプレートや第２基板の外面に立設した状態となる部分が板状部とされる。また、第１、２フィンは、ペースプレートや第２基板と接合される基部を有していても良い。なお、第１、２フィンは互いに同一の形状であっても良く、異なる形状であっても良い。

特に、本発明の熱電変換モジュールにおいて、第１フィンは、第１基板の外面と平行な基部と、基部に立設される複数の板状部とからなり得る。また、ベースプレートは基部とされ得る。そして、基部と各板状部とは、ろう付けされていることが好ましい（請求項５）。

この場合、第１フィンを容易に得ることが可能となる。また、ベースプレートが第１フィンの基部とされるため、各第１基板側における吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果を高くすることが可能となる。また、ろう付けにより基部、すなわち、ベースプレートと各板状部とが接合されているため、ベースプレートと各板状部とが強固に接合されることとなる。この際、ろう付けによる接合箇所は、はんだ等による接合箇所と比較して薬品等に対する耐腐食性も高くなっている。これらのため、第１フィンの耐久性が高くなる。さらに、第１熱交換媒体の選択の幅も広くすることが可能となる。

このように、ベースプレートと各板状部とがろう付けされる場合、第１熱交換媒体は、ロングライフクーラントであることが好ましい（請求項６）。この場合、エンジン等の冷却に用いられているＬＬＣを第１熱交換媒体に利用できるため、空調装置や発電装置の一部として本発明の熱電変換モジュールを車両に搭載する場合に、第１熱交換媒体を別途に用意する必要がなくなる。このため、熱電変換モジュールの搭載性が向上するとともに、空調装置や発電装置、ひいてはこれらを搭載する車両の製造コストの削減が可能となる。

また、ＬＬＣは、凍結防止、防錆及び高沸点特性等を図るため、水に対して各種の薬品が混入されることで得られている。この点、上記のように、第１フィンでは、ベースプレートと各板状部とがろう付けされているため、ＬＬＣを採用した場合であっても、第１フィンが劣化され難くなっている。

第１フィンにおける各板状部を構成する伝熱材料と、ベースプレートを構成する材料とは同一でも良く、異なる材料であっても良い。また、上記のように、ベースプレートが基部とされる場合、第１フィンを構成するベースプレートと各板状部とは、異なる伝熱材料から得られても良い。しかし、本発明の熱電変換モジュールにおいて、ベースプレート及び各板状部は、同種の伝熱材料からなることが好ましい（請求項７）。

この場合、ベースプレートと各板状部とが同種の伝熱材料から得られることで、ベースプレートと各板状部とで線熱膨張係数がほぼ等しくなる。また、各板状部の剛性に応じてベースプレートの剛性を高くすることが可能となる。これらのため、ベースプレートと各板状部とを接合することによって生じる各第１基板の熱変形を低減させることが可能となる。

ここで伝熱材料が同種であるとは、ベースプレート及び各板状部をそれぞれ合金によって得る場合、ベースプレートを構成する合金と各板状部を構成する合金とで、各合金における各金属の構成比率が完全に一致していることが望ましい。しかし、それら各金属の構成比率が完全に一致していなくても、ベースプレートと各板状部との間における線熱膨張係数や剛性に関し、上記の効果を得られる程度に構成比率が一致している関係にあれば、同種の伝熱材料とすることができる。

また、ベースプレートと第１基板とは、はんだによって接合されていることが好ましい（請求項８）。この場合、はんだによる接合は、ろう付けによる接合と比較して低温で行われることから、ベースプレートと各第１基板とを接合する際、ベースプレート及び各第１基板のそれぞれがより熱変形し難くなる。このため、この熱電変換モジュールでは、各熱電変換素子の応力負荷をより低減させることが可能となる。なお、ベースプレートと第１基板とがはんだによって接合される場合であっても、上記のように、ベースプレートと各板状部とは、ろう付けにより接合されているため、第１フィン自体の耐久性は高くなっている。

本発明の熱電変換モジュールにおいて、第１フィンは、ベースプレートの外面において、各第１基板及び各第２基板同士の間となる位置にも設けられていることが好ましい（請求項９）。この場合、第１基板の外面側により多くの第１フィンが設けられるため、第１基板側では、第１フィンによる吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果がより向上することとなる。このため、熱電変換モジュールの性能がより高くなる。

また、第１ハウジング及び第２ハウジングには、それぞれ第１空間及び２空間に向かって立設された仕切り部が設けられ得る。そして、各仕切り部により、第１空間及び第２空間には、第１熱交換媒体及び第２熱交換媒体を一方通行でそれぞれ流通させる流路が形成されていることが好ましい（請求項１０）。

この場合、各仕切り部により、第１熱交換媒体が第１流路内を複雑に流通するとともに、第２熱交換媒体が第２流路内を複雑に流通することとなる。このため、熱電変換モジュールは、第１、２熱交換媒体からより効率よく熱を移動させることが可能となるとともに、第１、２熱交換媒体からより効率よく受熱することも可能となる。このため、熱電変換モジュールが高性能となり、ひいては、この熱電変換モジュールを備えた空調装置や発電装置の性能が高くなる。

仕切り部は、例えば、第１、２ハウジングの一部を変形させることで設けても良く、また、第１、２ハウジングに別部材を取り付けることによって設けても良い。また、仕切り部は、第１、２熱交換媒体の流通方向に沿うように設けても良く、第１、２熱交換媒体の流通方向に直交する方向に設けても良い。さらに、方向が異なる複数の仕切り部を組み合わせて設けても良い。

本発明の熱電変換モジュールは、高性能で搭載性に優れている。

従来の熱電変換モジュールを示すＣＡＥ解析断面図である。 実施例の車両用空調装置を示す模式構造図である。 実施例の車両用空調装置に係り、熱電変換モジュールを示す斜視図である。 実施例の車両用空調装置に係り、熱電変換モジュールを示す分解斜視図である。 実施例の車両用空調装置に係り、熱電変換モジュールを示す図３におけるＶ−Ｖ’方向の部分拡大断面図である。 実施例の車両用空調装置に係り、熱電変換モジュールを示す図３におけるＶＩ−ＶＩ’方向の断面図である。

以下、本発明の熱電変換モジュールを車両用空調装置に具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

（実施例）
実施例の車両用空調装置は、図２に示すように、熱電変換モジュール１と、ラジエータ３と、エンジン４と、室内用熱交換器５とを備えている。

熱電変換モジュール１は、図３に示すような外観を呈している。図４に示すように、熱電変換モジュール１は、モジュール本体１００と、ケース２００とを有している。ケース２００は、第１ハウジング７と、第２ハウジング９とで構成されている。そして、モジュール本体１００は、第１ハウジング７と第２ハウジング９との間に収納されている。なお、図４では、構成の理解を容易にするため、第２ハウジング９の表裏を逆転させた状態で図示している。また、後述の図５では、第１、２ハウジング７、９の図示を省略している。図５及び図６では、モジュール本体１００や第１、２ハウジング７、９等の形状を一部簡略化して図示している。

図５に示すように、モジュール本体１００は、第１、２基板１１、１３と、電極１５ａ、１５ｂと、複数の熱電変換素子１７と、第１、２フィン１９、２１とを備えている。このモジュール本体１００は、第１、２基板１１、１３をそれぞれ複数枚有しており、各第１、２基板１１、１３には、それぞれ複数の電極１５ａ、１５ｂが設けられている。また、各第１基板１１と各第２基板１３との間に、各熱電変換素子１７が配置されている。

第１、２基板１１、１３は同一の正方形に形成されている。各第２基板１３は、熱変形した際における各熱電変換素子１７の応力負荷が小さくなるように、小型化されている。第１、２基板１１、１３は、それぞれ窒化アルミが同一の正方形に成形されたセラミック基板１１ａ、１３ａと、セラミック基板１１ａ、１３ａの各外面１１ｂ、１３ｂに接合されたアルミ箔１１ｃ、１３ｃとで構成されている。セラミック基板１１ａとアルミ箔１１ｃと、セラミック基板１３ａとアルミ箔１３ｃとは、それぞれろう付けにより一体となっている。つまり、第１基板１１の外面とはこのアルミ箔１１ｃの外面を意味し、第２基板１３の外面とはこのアルミ箔１３ｃの外面を意味する。なお、これらのアルミ箔１１ｃ、１３ｃが金属箔に相当する。

また、各第１基板１１と各第２基板１３とは、それぞれ対向して配置されている。各第１、２基板１１、１３の各内面１１ｄ、１３ｄには、アルミ板からなる上記の電極１５ａ、１５ｂがそれぞれろう付けにより接合されている。第１、２ハウジング７、９内にモジュール本体１００が収納されることにより、これら各電極１５ａ、１５ｂは、図４に示す電源ユニット８と電気的に接続されるようになっている。

図５に示すように、各熱電変換素子１７はビスマス・テルル系の合金等によって得られた公知のｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子からなる。これらの各熱電変換素子１７は同一形状の角柱形状をなしている。また、各熱電変換素子１７は、それぞれの端面で第１基板１１側の電極１５ａ及び第２基板１３側の電極１５ｂとはんだによって接合されている。これにより、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とは、各第１基板１１と各第２基板１３との間において、それぞれ格子状に配置されるとともに、各第１基板１１側の電極１５ａと、第２基板１３側の電極１５ｂとによって電気的に直列に接続される。こうして、各熱電変換素子１７は、各第１基板１１及び各第２基板１３によって熱的に並列に接続された状態となっている。

図６に示すように、第１フィン１９は、第１基板１１の外面と平行な基部１９ａと、基部１９ａに立設された複数の板状部１９ｂとで構成されている。各板状部１９ｂは、アルミ板が波型形状に曲げ加工されて得られたコルゲートフィンが採用されている。図５に示すように、各板状部１９ｂは、後述するＬＬＣの流通方向（同図中の実線矢印参照。）に沿った方向、すなわち、第１フィン１９の延長方向において、各第１基板１１及び各第２基板１３同士の間となる位置Ａにも設けられている。

基部１９ａは各板状部１９ｂと同種のアルミ板からなる。この基部１９ａは、複数の第１基板１１を接合可能なように、一辺が他辺よりも長尺とされた長方形状に形成されている（図４参照）。また、基部１９ａの一端には、切り欠き部１９ｄが形成されている。この基部１９ａはベースプレートとして機能する。

図５に示すように、上記の各板状部１９ｂと基部１９ａの外面１９ｃとは、ろう付けにより直接接合されている。また、基部１９ａと各第１基板１１とは、はんだ付けによって接合されている。より詳細には、基部１９ａの外面１９ｃと各板状部１９ｂとをろう付けにより接合した後、基部１９ａと各第１基板１１における各アルミ箔１１ｃとをはんだ付けによって接合している。なお、各板状部１９ｂは、基部１９ａの外面で個々に立設する複数のアルミ板等で構成されても良い。

図６に示すように、各第２フィン２１は、各第２基板１３の各外面と平行な平行部２１ａと、曲げ加工により、各第２基板１３の各外面に立設する複数の板状部２１ｂとで構成されている。各第２フィン２１は、第１フィン１９と同様、アルミ板が波型形状に曲げ加工されて得られたコルゲートフィンが採用されている。各第２フィン２１は、小型に形成された各第２基板１３の形状に応じて小型化されており、各第２フィン２１の延長方向は、第１フィンの延長方向よりも短く形成されている。これらの各第２フィン２１は、第１フィン１９と異なり、曲げ加工により形成された上記の各平行部２１ａと、各第２基板１３における各アルミ箔１３ｃとがろう付けにより直接接合されている。なお、各板状部２１ｂについても、各第２基板１３の各外面１３ｂで個々に立設する複数のアルミ板等で構成されても良い。

図４に示すように、第１ハウジング７は長方形に形成されており、その内部には基部１９ａと協働して第１空間７ａが形成されている。また、第１ハウジング７には、この第１空間７ａ内に突出するように、仕切り部７ｂが底面から垂直に凸設されている。この仕切り部７ｂにより、第１空間７ａ内には、第１熱交換媒体としてのＬＬＣが実線矢印方向に一方通行で流通可能な第１流路７ｃが形成されている。第１流路７ｃの最上流部分には、第１流路７ｃと連通する第１流入口７ｄが設けられており、その最下流部分には、第１流路７ｃと連通する第１流出口７ｅが設けられている。

また、第１ハウジング７の内部には、基部１９ａの切り欠き部１９ｄ係合する係止部７ｆが形成されているとともに、基部１９ａを設置可能な水平部７ｇが形成されている。さらに、第１ハウジング７には、電源ユニット８が取り付けられている。この電源ユニット８は、図示しない制御装置及びバッテリに電気的に接続される。電源ユニット８の構成は公知であり、その構成に関する詳細な説明を省略する。

第２ハウジング９も、第１ハウジング９とほぼ同様の構成であり、長方形に形成され、その内部には第２基板１３の外面と協働して第２空間９ａが形成されている。また、第２ハウジング９にも、第２空間９ａ内に突出するように、仕切り部９ｂが底面から垂直に凸設されている。この仕切り部９ｂにより、第２空間９ａ内には、第２熱交換媒体としての水が破線矢印方向に一方通行で流通可能な第２流路９ｃが形成されている。第２流路９ｃの最上流部分には、第２流路９ｃと連通する第２流入口９ｄが設けられており、その最下流部分には、第２流路９ｃと連通する第２流出口９ｅが設けられている。

これらのモジュール本体１００、第１ハウジング７及び第２ハウジング９を組み付けることにより、図３に示す熱電変換モジュール１が得られる。具体的には、図４に示すように、切り欠き部１９ｄと係止部７ｆとを係合させた状態で、水平部７ｇに基部１９ａを設置し、第１ハウジング７の内部にモジュール本体１００を位置させる。この状態で、図６に示すように、第１ハウジング７と第２ハウジング９とを接着して接合させる。この際、第１ハウジング７と第２ハウジング９との間、第１ハウジングと基部１９ａとの間及び第２ハウジング９と各第２基板１３との間には、シール材としてのガスケット２３が設けられる。これにより、基部１９ａと第２基板１３との間において熱電変換素子１７が配置される空間Ｂ（以下、第３空間Ｂという。）と、第１空間７ａと、第２空間９ａとがそれぞれ密閉される。なお、ガスケット２３に替えてＯリング等を採用することもできる。

こうして、この熱電変換モジュール１では、第１流路７ｃ内に第１フィン１９が位置し、第２流路９ｃ内に各第２フィン２１がそれぞれ位置することとなる。

図２に示すように、ラジエータ３には、流入口３ａ及び流出口３ｂが設けられている。このラジエータ３は、内部をＬＬＣが流通可能に構成されており、ラジエータ３内のＬＬＣと車外の空気との間で熱交換を行うことが可能となっている。また、ラジエータ３の近傍には、電動ファン３ｃが設けられている。電動ファン３ｃは、図示しない制御装置と電気的に接続されている。

エンジン４は、駆動源として駆動されて車両を走行させる。エンジン４には図示しないウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケット内を流通するＬＬＣによりエンジン４を冷却したり、暖機したりすることが可能となっている。エンジン４には、ウォータジャケットと連通する流入口４ａ及び流出口４ｂが設けられている。なお、エンジン４の構成は公知であり、その構成に関する詳細な説明を省略する。また、エンジン４に替えて、駆動源としてモータ等を採用することもできる。

室内用熱交換器５には、流入口５ａ及び流出口５ｂが設けられている。この室内用熱交換器５は車室内に設けられており、内部を水が流通可能に構成され、室内用熱交換器５内の水と車室の空気との間で熱交換を行うことが可能となっている。また、室内用熱交換器５の近傍には、電動ファン５ｃが設けられている。電動ファン５ｃは、図示しない制御装置と電気的に接続されている。

ラジエータ３の流出口３ｂとエンジン４の流入口４ａとは、配管２５によって接続されている。また、エンジン４の流出口４ｂと第１ハウジング７の第１流入口７ｄとは、配管２６によって接続されている。さらに、第１ハウジング７の第１流出口７ｅとラジエータ３の流入口３ａとは、配管２７によって接続されている。これらの各配管２５〜２７内にもＬＬＣが流通しており、ＬＬＣは熱電変換モジュール１、ラジエータ３及びエンジン４の間を循環可能になっている。また、配管２７には第１電動ポンプＰ１が設けられている。第１電動ポンプＰ１は、図示しない制御装置に電気的に接続されている。なお、配管２５と配管２６との間には、エンジン４の他にバッテリ等を併設しても良く、エンジン４に替えてバッテリ等を設けても良い。また、第１電動ポンプＰ１は、配管２５又は配管２６に設けられても良い。

室内用熱交換器５の流出口５ｂと第２ハウジング９の第２流入口９ｄとは、配管２８によって接続されている。第２ハウジング９の第２流出口９ｅと室内用熱交換器５の流入口５ａとは、配管２９によって接続されている。これらの各配管２８、２９内にも水が流通しており、水は熱電変換モジュール１と室内用熱交換器５との間を循環可能になっている。また、配管２９には第２電動ポンプＰ２が設けられている。第２電動ポンプＰ２は、図示しない制御装置に電気的に接続されている。なお、第２電動ポンプＰ２は、配管２８に設けられても良い。

これらのように構成されたこの車両用空調装置では、熱電変換モジュール１における各熱電変換素子１７のペルチェ効果を利用することにより、以下のようにして、車室の空調としての暖房運転及び冷房運転を行う。

（暖房運転）
この場合、制御装置は、電動ファン３ｃ、５ｃ及び第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２をそれぞれ作動させる。これにより、配管２５〜２７内でＬＬＣが実線矢印方向で循環するとともに、配管２８、２９内で水が同じく実線矢印方向で循環する。この状態において、制御装置は、図６に示すように、各第１基板１１側が吸熱面となり、各第２基板１３側が放熱面となるように、熱電変換モジュール１、より具体的にはモジュール本体１００に対して電流を印加する。

これにより、図２及び図６に示すように、配管２６及び第１流入口７ｄを介して第１流路７ｃ内を流通するＬＬＣに対して、モジュール本体１００の各第１基板１１側は吸熱を行うとともに、配管２８及び第２流入口９ｄを介して第２流路９ｃ内を流通する水に対して、各第２基板１３側では放熱を行う。

この際、この車両用空調装置では、図２に示すように、熱電変換モジュール１よりもＬＬＣの流通方向の上流側にエンジン４が配置されているため、第１流路７ｃ内を流通するＬＬＣは、駆動中のエンジン４によって、十分に加熱された状態となっている。このため、モジュール本体１００の各第１基板１１側では、より多くの熱を吸熱できるとともに、各第２基板１３側では、より多くの熱を放熱することが可能となっている。

こうして、各第２基板１３側からの放熱を受けて加熱された水（温水）は、第２流出口９ｅから流出し、配管２９及び流入口５ａを経由して、室内用熱交換器５内に至る。そして、室内用熱交換器５がこの温水と車室の空気とで熱交換を行い、車室の空気を加熱する。この加熱により暖められた空気が電動ファン５ｃを介して車室に供給され、車室の暖房が行われる。

一方、各第１基板１１側からの吸熱を受けた第１流路７ｃ内のＬＬＣは、第１流出口７ｅから流出し、配管２７及び流入口３ａを経由して、ラジエータ３内に至る。そして、ラジエータ３がＬＬＣと車外の空気とで熱交換を行う。これにより、ＬＬＣの余熱は電動ファン３ｃを介して車外に放出され、ＬＬＣは冷却される。

（冷房運転）
この場合も暖房運転と同様、制御装置は、電動ファン３ｃ、５ｃ及び第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２をそれぞれ作動させる。そして、この状態において、制御装置は、図６に示すように、各第１基板１１側が放熱面となり、各第２基板１３側が吸熱面となるように、モジュール本体１００に対して電流を印加する。

これにより、図２及び図６に示すように、第２流路９ｃ内を流通する水に対して、各第２基板１３側は吸熱を行うとともに、第１流路７ｃ内を流通するＬＬＣに対して、各第１基板１１側は放熱を行う。こうして、各第２基板１３側からの吸熱を受けて冷却された水（冷水）が室内用熱交換器５内に至り、車室の空気と熱交換を行い、車室の空気を冷却する。この冷却された空気が電動ファン５ｃを介して車室に供給され、車室の冷房が行われる。

一方、各第１基板１１側からの放熱を受けて加熱された第１流路７ｃ内のＬＬＣは、第１流出口７ｅから流出して、ラジエータ３内に至る。そして、車外の空気と熱交換を行うことで冷却される。

また、冷房運転時には、制御装置は第１電動ポンプＰ１の制御を行い、ラジエータ３→熱電変換モジュール１→エンジン４の順でＬＬＣを循環させることもできる。この場合、ラジエータ３が熱電変換モジュール１よりもＬＬＣの流通方向の上流側となるため、ラジエータ３によって冷却されたＬＬＣが熱電変換モジュール１の第１流路７ｃ内を流通することとなる。このため、モジュール本体１００の各第１基板１１側では、より多くの熱をＬＬＣに対して放熱することが可能となる。このため、モジュール本体１００の各第２基板１３側では、第２流路９ｃ内の水からより多くの熱を吸熱することが可能となり、より低い温度の空気を車室内に供給することが可能となる。

図５に示すように、この熱電変換モジュール１におけるモジュール本体１００では、第１、２基板１１、１３がそれぞれ複数設けられていることから、モジュール本体１００全体として多くの熱電変換素子１７を配置することが可能となっている。また、このモジュール本体１００では、各第２基板１３の各外面となるアルミ箔１３ｃに対し、それぞれ第２フィン２１が直接接合されることから、各第２基板１３側では、第２流路９ｃ内の水に対し、第２フィン２１による吸熱及び放熱の効果が高くなっている。この際、各第２基板１３が小さく形成されていることから、それに伴って各第２フィン２１も小さく成形されており、各第２フィン２１を各第２基板１３に接合したことによる各第２基板１３の熱変形が小さくなっている。このため、モジュール本体１００では、各熱電変換素子１７における応力負荷を低減させることが可能となっている。

さらに、このモジュール本体１００では、複数の第１、２基板１１、１３に対して第１フィン１９の基部１９ａ（ベースプレート）が共通化されているため、モジュール本体１００の取り回しも容易となっている。また、この基部１９ａに対しても各板状部１９ｂが直接接合されて第１フィン１９が得られている。さらに、各板状部１９ｂは、それらの延長方向において、各第１基板１１及び各第２基板１３同士の間となる位置Ａにも設けられている。これらのため、第１流路７ｃ内のＬＬＣに対し、第１フィン１９による各第１基板１１側における吸熱及び放熱の効果も高くなっている。

特に、このモジュール本体１００では、基部１９ａ及び各板状部１９ｂが同種のアルミから得られており、基部１９ａと各板状部１９ｂとはろう付けにより接合されている。このように、基部１９ａと各板状部１９ｂとが共にアルミで得られていることで、基部１９ａと各板状部１９ｂとで線熱膨張係数がほぼ等しくなっている。また、各板状部１９ｂの剛性に応じて基部１９ａの剛性が高くなっている。これらのため、基部１９ａと各板状部１９ｂとを接合することによって生じる各第１基板１１の熱変形を低減させることが可能となっている。さらに、基部１９ａと各板状部１９ｂとがろう付けによって接合されることで、基部１９ａと各板状部１９ｂとが強固に接合されるとともに、ろう付けによる接合箇所における耐腐食性も高くなっている。このため、第１流路７ｃを流通するＬＬＣによっても第１フィン１９は劣化され難くなっている。

そして、このモジュール本体１００では基部１９ａと各第１基板１１の各外面における各アルミ箔１１ｃとがはんだによって接合されている。はんだによる接合は、ろう付けによる接合と比較して低温で行われることから、基部１９ａと各第１基板１１とを接合、すなわち、第１フィン１９と各第１基板１１とを接合する際に、基部１９ａ及び各第１基板１１のそれぞれがより熱変形し難くなる。このため、このモジュール本体１００では、第１フィン１９と各第１基板１１との接合によって生じる各熱電変換素子１７の応力負荷も低減される。なお、上記のように、基部１９ａと各板状部１９ｂとは、ろう付けにより接合されているため、第１フィン１９自体の耐久性は高くなっている。

また、図６に示すように、この熱電変換モジュール１は、第１、２ハウジング７、９からなるケース２００内に上記のモジュール本体１００が収納されることで構成されている。これにより、この熱電変換モジュールでは、第１流路７ｃ内を流通するＬＬＣと第２流路９ｃ内を流通する水との間で熱の移動を行うことが可能となっている。

さらに、この熱電変換モジュール１では、ガスケット２３によって、第１空間７ａと、第２空間９ａと、第３空間Ｂとがそれぞれ密閉されている。このため、ＬＬＣや水よって各熱電変換素子１７が劣化したり、漏電等したりし難くなっている。この際、この熱電変換モジュール１におけるモジュール本体１００では、上記のように、複数の第１、２基板１１、１３に対して基部１９ａが共通化されているため、ガスケット２３を設けるスペースを少なくすることが可能となっている。このため、この熱電変換モジュール１では、第１、２ハウジング７、９を小型化することが可能となっており、ケース２００を小型化することが可能となっている。

したがって、この熱電変換モジュール１は、高性能で搭載性に優れており、ひいては、この熱電変換モジュール１を備えた車両用空調装置が高性能となるとともに、車両に対する優れた搭載性を発揮する。

特に、この車両用空調装置では、第１熱交換媒体としてＬＬＣを採用し、熱電変換モジュール１は、ＬＬＣに対して吸熱又は放熱を行うことが可能となっている。このように、エンジン４等の冷却に用いられているＬＬＣを利用することで、この車両用空調装置や、その一部として熱電変換モジュール１を車両に搭載する場合に、第１熱交換媒体を別途に用意する必要がない。このため、車両用空調装置及び熱電変換モジュール１の搭載性が向上するとともに、この車両用空調装置、ひいてはこれを搭載する車両の製造コストの削減も可能となっている。

また、第１ハウジング７及び第２ハウジング９には、それぞれ第１空間７ａ及び２空間９ａに向かって立設された仕切り部７ｂ、９ｂが設けられている。そして、各仕切り部７ｂ、９ｂにより、第１空間７ａ及び第２空間９ａには、ＬＬＣ及び水を一方通行でそれぞれ流通させる第１、２流路７ｃ、９ｃが形成されている。

このため、各仕切り部７ｂ、９ｃにより、ＬＬＣが第１流路７ｃ内を複雑に流通するとともに、水が第２流路９ｃ内を複雑に流通することとなる。このため、熱電変換モジュール１において、モジュール本体１００は、ＬＬＣ及び水から効率よく熱を移動させることが可能となっている。このため、熱電変換モジュール１が高性能となり、ひいては、この熱電変換モジュール１を備えた車両用空調装置の性能が高くなっている。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、モジュール本体１００において、第１フィン１９の各板状部１９ｂと、各第２フィン２１の各板状部２１ｂとを互いに異なる形状で構成することもできる。

本発明は、熱電変換素子のペルチェ効果を利用した車両用空調装置又は建物用空調装置等の他、熱電変換素子のゼーベック効果を利用した車両用発電装置又は建物用発電装置等に広く利用可能である。

１…熱電変換モジュール
７…第１ハウジング
７ａ…第１空間
７ｂ…仕切り部
７ｃ…第１流路
９…第２ハウジング
９ａ…第２空間
９ｂ…仕切り部
９ｃ…第１流路
１１…第１基板
１１ａ…セラミック基板
１１ｃ…アルミ箔（金属箔）
１１ｄ…内面
１３…第２基板
１３ａ…セラミック基板
１３ｃ…アルミ箔（金属箔）
１３ｄ…内面
１５ａ、１５ｂ…電極
１７…熱電変換素子
１９…第１フィン
１９ａ…基部（ベースプレート）
１９ｂ…板状部
１９ｃ…外面
２１…第２フィン
２３…ガスケット（シール材）
１００…モジュール本体
２００…ケース
Ｂ…第３空間（空間）

Claims (10)

1. 対向して配置される複数の第１基板及び第２基板と、
   各該第１基板及び各該第２基板の対向する各内面にそれぞれ設けられた複数の電極と、
   各該電極によって電気的に接続される複数の熱電変換素子とを備え、
   各前記第１基板の各外面には、伝熱材料からなるベースプレートが熱的に接合され、
   該ベースプレートの該外面には、該伝熱材料からなる第１フィンが熱的に接合され、
   各該第２基板の外面には、該伝熱材料からなる第２フィンが熱的に接合され、
   該第２フィンは、該第２基板の各該外面に直接接合されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記第１基板及び前記第２基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の少なくとも一面に該セラミック基板と一体に接合された金属箔とからなる請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記第１フィンは、前記ベースプレートの外面に直接接合されている請求項１又は２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記ベースプレートの前記外面側に設けられる第１ハウジングと、前記第２基板の該外面側に設けられる第２ハウジングとを有するケースを備え、
   前記第１ハウジング内には、該第１ハウジングと前記ベースプレートとの間で、第１熱交換媒体を流通可能な第１空間が形成され、
   前記第２ハウジング内には、該第２ハウジングと前記第２基板との間で、第２熱交換媒体を流通可能な第２空間が形成され、
   前記ベースプレートと該第２基板との間において前記熱電変換素子が配置される空間、前記第１空間及び前記第２空間は、それぞれシール材により密閉されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
5. 前記第１フィンは、前記第１基板の前記外面と平行な基部と、該基部に立設される複数の板状部とからなり、
   該ベースプレートは該基部とされ、
   該基部と各該板状部とは、ろう付けされている請求項４記載の熱電変換モジュール。
6. 前記第１熱交換媒体は、ロングライフクーラントである請求項５記載の熱電変換モジュール。
7. 前記ベースプレート及び各前記板状部は、同種の前記伝熱材料からなる請求項５又は６項記載の熱電変換モジュール。
8. 前記ベースプレートと前記第１基板とは、はんだによって接合されている請求項５乃至７のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
9. 前記第１フィンは、前記ベースプレートの前記外面において、各前記第１基板及び各前記第２基板同士の間となる位置にも設けられている請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
10. 前記第１ハウジング及び前記第２ハウジングには、それぞれ前記第１空間及び前記２空間に向かって立設された仕切り部が設けられ、
    各該仕切り部により、該第１空間及び該第２空間には、前記第１熱交換媒体及び前記第２熱交換媒体を一方通行でそれぞれ流通させる流路が形成されている請求項４乃至９のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。

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