JP2013089821A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】高性能で搭載性に優れるとともに、低コスト化も実現可能な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】実施例の熱電変換モジュールは、第1、2基板1、3をそれぞれ有する第1〜3サブモジュールA〜Cと、第1、2ハウジング13、15とを備えている。第1ハウジング13はポリアミド系樹脂によって得られている。第1ハウジング13には、第1流路13aと装着孔13b〜13dとが形成されている。各装着孔13b〜13dには各第1基板1が各々装着され、各装着孔13b〜13dの各内周面13eと各第1基板1の外周面1eとの間には、それぞれシール材19が設けられている。一方、第2ハウジング15はアルミによって得られている。第2ハウジング15には第2流路15aが形成されており、第2流路15aには第2コルゲートフィン11が設けられている。第2ハウジング15の外周面15bには、各第2基板3が接合されている。
【選択図】図1
【解決手段】実施例の熱電変換モジュールは、第1、2基板1、3をそれぞれ有する第1〜3サブモジュールA〜Cと、第1、2ハウジング13、15とを備えている。第1ハウジング13はポリアミド系樹脂によって得られている。第1ハウジング13には、第1流路13aと装着孔13b〜13dとが形成されている。各装着孔13b〜13dには各第1基板1が各々装着され、各装着孔13b〜13dの各内周面13eと各第1基板1の外周面1eとの間には、それぞれシール材19が設けられている。一方、第2ハウジング15はアルミによって得られている。第2ハウジング15には第2流路15aが形成されており、第2流路15aには第2コルゲートフィン11が設けられている。第2ハウジング15の外周面15bには、各第2基板3が接合されている。
【選択図】図1
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、素子側面を有し、互いに対向する一対の基板と、各素子側面にそれぞれ電極を介して接続された複数個の熱電変換素子とを備えている。
この熱電変換モジュールでは、例えば、各熱電変換素子が生じさせるペルチェ効果により、一方の基板側で吸熱又は放熱を生じさせ、他方の基板側では、一方の基板側とは反対となる放熱又は吸熱を生じさせることが可能となっている。このような各基板間における熱の移動を利用することにより、この熱電変換モジュールでは、熱交換媒体等を冷却又は加熱することが可能となる。このため、熱電変換モジュールは、熱交換媒体を利用した各種の冷却装置や空調装置等に採用されつつある。また、このような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。
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、例えば、基板において素子側面の裏側となる面にフィンが設けられ得る。この際、上記のような目的から、フィンには金属等の伝熱材料が用いられ、基板とフィンとは加熱によって接合され得る。
しかし、フィンを基板に対して接合する際、フィンや基板は高温に曝され、その後にそれらが常温に戻ることで、基板には熱変形が生じ易い。この際、応力負荷によって熱電変換素子に損傷が生じ易くなる問題がある。
そこで、各基板及びフィンを各々小さくすることで、熱変形を小さくし、応力負荷を低減させることが考えられる。しかし、この場合、各基板に熱電変換素子を多く設けることができないことから、吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果が低減し、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、小型の基板を複数枚組み合わせることにより、全体としての熱伝変換素子の数の減少を抑制し、熱電変換モジュールの性能低下を補う構成が採用され得る。しかしながら、基板の枚数を増加させた場合、個々の基板同士の取り回しが困難となる。
また、熱交換媒体として流体を採用する場合、流体による熱電変換素子の漏電や劣化を防止するため、シール材による気密性の確保が求められる。この場合、複数枚の基板毎にシール材を設ける必要があることから、熱電変換モジュール全体が大型化し、冷却装置や空調装置における熱電変換モジュールの搭載性が低下する問題も生じる。さらに、各基板には、シール材を設けるためのスペースが必要となることから、各基板を十分に小型化することができず、各熱電変換モジュールの製造コストも増加する問題も生じることとなる。
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るとともに、低コスト化も実現可能な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、複数個の熱電変換素子が電極を介して接続された素子側面と、該素子側面の裏側に位置し、フィンが接合されたフィン側面と、該素子側面の外周と該フィン側面の外周とを繋ぐ外周面とを有する複数枚の基板と、
熱交換媒体が流通可能な流路が内部に形成されているとともに、該流路と連通する複数の装着孔が形成されたハウジングとを備え、
各前記基板は、各前記フィンが前記流路内に位置しているとともに、前記基板の前記外周面と前記装着孔の内周面との間にシール部材が設けられた状態で
該装着孔に各々装着されていることを特徴とする(請求項1)。
熱交換媒体が流通可能な流路が内部に形成されているとともに、該流路と連通する複数の装着孔が形成されたハウジングとを備え、
各前記基板は、各前記フィンが前記流路内に位置しているとともに、前記基板の前記外周面と前記装着孔の内周面との間にシール部材が設けられた状態で
該装着孔に各々装着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、フィン側面にフィンが接合された各基板が各々装着孔に装着されることより、各フィンが流路内に位置している。このため、この熱電変換モジュールでは、流路内を流通する熱交換媒体に対す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。
また、この熱電変換モジュールでは、各基板が各々装着孔に装着されることで、ハウジングと各基板とが一体化されている。このため、この熱電変換モジュールでは、複数の基板を備えつつも、各基板同士の取り回しが容易となっている。
さらに、この熱電変換モジュールでは、シール材により、流路がハウジングの外部に対して封止されるため、熱交換媒体による熱電変換素子の漏電や劣化等が防止される。この際、この熱電変換モジュールでは、各基板の各外周面と各装着孔の各内周面との間にシール材が設けられることで、シール材による気密性が確保されるため、シール材の使用量を低減することが可能となる。ここで、基板の外周面とは、素子側面の外周とフィン側面の外周とを繋ぐ面であり、基板の厚みとなる部分である。このように、各基板の各外周面にシール材が設けられることから、この熱電変換モジュールでは、例えば、各基板のフィン側面等に対し、シール材を設けるためのスペースを別途設ける必要がない。このため、この熱電変換モジュールでは、各基板を十分に小型化させることが可能となる。
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とともに、低コスト化も実現可能である。
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。また、シール材としては、各種のコーキング材の他、液状ガスケットやOリング等を採用することができる。
また、各フィン側面と各フィンとは、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、各基板と各フィンとが強固に接合される。また、はんだ等による接合に比較して、ろう付けによる接合は、薬品等による耐腐食性が高くなる。これらのため、ろう付けによって各フィン側面と各フィンとを接合することで、熱電変換モジュールの耐久性を高くすることが可能となる。また、この場合、上記のLLCのように熱交換媒体として採用可能な液体の種類を増加させることが可能となる。また、各フィン側面に対し、複数のフィンを接合させても良い。
一方、電極と熱電変換素子との接続には、はんだ付け等を採用することができる。特に、ろう付けと比較して、はんだ付けは低温で行われることから、電極と熱電変換素子との接続に際し、各基板における熱変形が低減されるため、好適である。
また、本発明の熱電変換モジュールでは、各熱電変換素子を挟んだ他方側にも、上記の各基板、各フィン及びハウジングがそれぞれ設けられる構成としても良い。
特に、本発明の熱電変換モジュールにおいて、上記の各基板はそれぞれ第1基板であり、上記の電極は第1電極であり、上記の素子側面は第1素子側面であり得る。また、上記のフィンは第1フィンであり、上記のフィン側面は第1フィン側面であり、上記のハウジングは第1ハウジングであり、上記の流路は第1流路であり得る。そして、本発明の熱電変換モジュールは、第1素子側面と反対側の面であって、各熱電変換素子が第2電極を介して接続された第2素子側面と、第2素子側面の裏側に位置する第2フィン側面とを有する複数枚の第2基板を備え得る。また、第2熱交換媒体が流通可能な第2流路が内部に形成された第2ハウジングとを備え得る。そして、各第2基板は第2ハウジングの外周面に装着され、第2流路内には、第2ハウジングにおける外周面の裏面に装着された第2フィンが設けられていることが好ましい(請求項2)。
この場合、各第1基板の各第1素子側面と、各第2基板の各第2素子側面とが対向し、各熱電変換素子が各第1基板と各第2基板との間に配置されることとなる。そして、この熱電変換モジュールでは、第2流路内に第2フィンが設けられている。より具体的に説明すると、この第2フィンは第2ハウジングにおける外周面の裏面に装着されている。これにより、各第2基板側においても、第2熱交換媒体に対する吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果が高くなり、熱電変換モジュールがより高性能となる。
また、この熱電変換モジュールでは、各第2基板が第2ハウジングの外周面に装着されていることから、各第2基板同士の取り回しも容易となっている。
第2熱交換媒体については、上記のように、液体を採用することが可能である他、気体を採用することも可能である。また、第2熱交換媒体は、第1熱交換媒体と同一であっても良く、異なっていても良い。
さらに、この熱電変換モジュールにおいて、第2ハウジングは金属材料からなり得る。そして、各第2基板の各第2フィン側面と第2ハウジングとは熱的に接合されていることが好ましい(請求項3)。
この場合、各第2基板と第2ハウジングと間において、シール材が不要となる。これにより、各第2基板においてもシール材を設けるためのスペースが不要となり、各第2基板の小型化を実現できる。このため、熱電変換モジュールの製造コストの増加を抑制することが可能となる。
また、第2フィン側面と第2ハウジングとが熱的に接合されることにより、各第2基板側において、第2熱交換媒体に対する吸熱及び放熱の効果又は受熱の効果がより高くなり、熱電変換モジュールがより高性能となる。さらに、第2ハウジングが金属材料で得られることにより、第2ハウジングにおける耐熱性や耐薬品性も高くなる。
各第2フィン側面と第2ハウジングの外周面とは、直接接合され得る他、例えば金属板等を介して間接的に接合されても良い。ここで、各第2フィン側面と第2ハウジングの外周面との接合は、ろう付けによって行うことが可能である他、はんだ付け等によっても行うことが可能である。
また、第1ハウジングは樹脂材料からなることが好ましい(請求項4)。上記のように、第2ハウジングを金属材料で得た場合、第2熱交換媒体に対する吸熱等の効果を高くできる一方、加熱された第2熱交換媒体が第2流路内を流通することで、第2ハウジングが熱変形し易くなる。このため、応力負荷により各熱電変換素子に損傷が生じ易くなることが懸念される。そこで、金属材料よりも弾性変形し易い樹脂材料によって、第1ハウジングを得ることで、第1ハウジング自体の弾性変形によって、第2ハウジングの熱変形を吸収することが可能となり、応力負荷による各熱電変換素子の損傷を防止することが可能となる。
また、樹脂材料であることから、第1ハウジングを容易に得ることが可能となる。ここで、樹脂材料としては、上記のように弾性変形が可能である他、耐熱性や耐薬品性が高いことが望ましい。これらの条件を満たす樹脂材料としては、例えば、ポリアミド系樹脂等を挙げることができる。なお、樹脂材料には、繊維強化樹脂等も含まれる。
本発明の熱電変換モジュールにおいて、シール材は弾性変形可能な材料からなることが好ましい(請求項5)。この場合、第1ハウジングが得られる材料の如何を問わず、シール材自身の弾性変形によって、第2ハウジングの熱変形を吸収することが可能となる。このため、例えば、第1ハウジングが金属材料によって得られた場合であっても、シール材自身の弾性変形により第1、2ハウジングにおけるそれぞれの熱変形を吸収することが可能となる。一方、上記のように、第1ハウジングが樹脂材料で得られた場合には、第1ハウジングにおける弾性変形と、シール材における弾性変形とにより、第2ハウジングの熱変形をより好適に吸収することが可能となる。このため、応力負荷による各熱電変換素子の損傷をより好適に防止することが可能となり、熱電変換モジュールがより高性能となる。
シール材は、単に弾性変形が可能であるだけでなく、各第1、2ハウジングと同様に、耐熱性や耐薬品性が高いことがより望ましい。このようなシール材としては、例えばシリコーン樹脂等を挙げることができる。
また、第1基板は、セラミック基板と、セラミック基板において少なくとも第1フィン側面となる面に、セラミック基板と一体に接合された金属箔とからなり得る。そして、第2基板は、セラミック基板と、セラミック基板において少なくとも第2フィン側面となる面に、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6)。この場合、セラミック基板により、各第1基板及び各第2基板における絶縁性が好適に確保される。また、第1、2基板にそれぞれ設けられた金属箔によって、各第1フィン側面では、各第1フィンとの接合が容易となり、各第2フィン側面では、第2ハウジングの外周面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。
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とともに、低コスト化も実現可能である。
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
(実施例)
図1に示すように、実施例の熱電変換モジュールは、第1、2基板1、3と、第1、2電極5a、5bと、複数個の熱電変換素子7と、第1、2コルゲートフィン9、11と、第1、2ハウジング13、15とを備えている。この熱電変換モジュールにおいて、第1、2基板1、3はそれぞれ三枚ずつ設けられている。また、第1コルゲートフィン9は三枚設けられており、第2コルゲートフィン11は一枚設けられている。
図1に示すように、実施例の熱電変換モジュールは、第1、2基板1、3と、第1、2電極5a、5bと、複数個の熱電変換素子7と、第1、2コルゲートフィン9、11と、第1、2ハウジング13、15とを備えている。この熱電変換モジュールにおいて、第1、2基板1、3はそれぞれ三枚ずつ設けられている。また、第1コルゲートフィン9は三枚設けられており、第2コルゲートフィン11は一枚設けられている。
また、この熱電変換モジュールにおいて、一対の第1、2基板1、3と、第1、2電極5a、5bと、複数個の熱電変換素子7と、第1コルゲートフィン9とが組み合わさることにより、集合体としてのサブモジュールを形成している。上記のように、この熱電変換モジュールでは、第1、2基板1、3及び第1コルゲートフィンが三枚ずつ設けられていることから、この熱電変換モジュールは、第1〜3サブモジュールA〜Cの三個を備えている。これらの第1〜3サブモジュールA〜Cは、いずれも同一の構成である。以下、第1サブモジュールAを例にして、各構成について詳細に説明する。
図2に示すように、第1サブモジュールAにおける第1、2基板1、3は、同一形状の正方形に形成されて得られている。第1基板1は、第1素子側面1aと、第1素子側面1aの裏側に位置する第1フィン側面1bと、第1素子側面1aと、第1素子側面1aの裏側に位置する第1フィン側面1bと、第1素子側面1aの外周と第1フィン側面1bの外周とを繋ぐ外周面1eとを有している。また、第2基板3も、第2素子側面3aと、第2素子側面3aの裏側に位置する第2フィン側面3bと、第2素子側面3aの外周と第2フィン側面3bの外周とを繋ぐ外周面3eとを有している。第1素子側面1aには電極5aが設けられており、第2素子側面3aには電極5bが設けられている。各電極5a、5bには、複数個の熱電変換素子7が接続されている。つまり、第1基板1と第2基板3とは、互いの間に複数個の熱電変換素子7を挟んだ状態で、第1素子側面1aと第2素子側面3aとを対向させた状態で配置されている。
各第1、2基板1、3は、それぞれ窒化アルミからなる第1、2セラミック基板1c、3cと、各第1、2セラミック基板1c、3cの一面、すなわち、各第1、2フィン側面1b、3bにろう付けによって接合された第1、2アルミ箔1d、3dとからなる。これらの各第1、2アルミ箔1d、3dは、エッチング加工によってそれぞれ第1、2セラミック基板1c、3cよりも極僅かに小さい相似形に形成されている。なお、各第1、2アルミ箔1d、3dについて、それぞれ第1、2セラミック基板1c、3cと同一の形状とすることもできる。
第1、2電極5a、5bは、それぞれ複数個のアルミ片が各第1、2素子側面1a、3aにろう付けによって接合されることで形成されている。なお、これらの各アルミ片は、アルミの板がエッチング加工されることによって得られている。
各熱電変換素子7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7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7は、それぞれの端面で第1電極5a及び第2電極5b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、第1基板1と第2基板3との間において、それぞれ格子状に配置されるとともに、第1電極5aと、第2基板3側の電極5b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7は、第1基板1及び第2基板3によって熱的に並列に接続された状態となっている。
また、図1に示すように、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第2電極5bにはワイヤ17a〜17dがはんだ付けにより接合されている。このワイヤ17a〜17dにより、第1〜3サブモジュールA〜C同士が電気的に接続されている。なお、ワイヤ17a、17dの各一端は、それぞれ図示しない制御装置に対して電気的に接続されている。
図3に示すように、各第1コルゲートフィン9は、アルミの板が略クランク状の波型形状にプレス加工されることにより形成されている。このような波型形状に形成されることにより、各第1コルゲートフィン9には、複数の谷部9aと山部9bとが一方向に繰り返されて形成されている。
各谷部9aは、第1フィン側面1b、すなわち、第1アルミ箔1dの表面と平行な状態となっており、各山部9bは第1フィン側面1bに立設された状態となっている。そして、各谷部9aの裏面側と第1アルミ箔9dの表面とがろう付けされることにより、第1フィン側面1bに第1コルゲートフィン9が接合されている。この第1コルゲートフィン9が第1フィンに相当する。なお、第1フィンについては、第1コルゲートフィン9に限らず、例えば、第1フィン側面1bで略垂直に立設される板状部を有するものであっても良い。
図1に示すように、第1ハウジング13は、ポリアミド系樹脂によって得られている。この第1ハウジング13の内部には、第1熱交換媒体としての水が流通可能な第1流路13aが形成されている。この第1流路13aの上流側(同図に示す白色矢印参照)は、図示しない第1流入口と連通している。一方、第1流路13aの下流側は、図示しない第1流出口と連通している。これにより、水は第1流路13a内を同図の白色矢印方向に流通することが可能となっている。また、この第1ハウジング13には、第1流路13aに連通、すなわち、第1流路13aと第1ハウジング13の外部とを繋ぐ装着孔13b〜13dが三箇所に形成されている。これらの各装着孔13b〜13dは、第1基板1よりも僅かに大きく形成されている。
各装着孔13b〜13dには、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第1基板1がそれぞれ装着されている。これにより、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第1コルゲートフィン9がそれぞれ第1流路13a内に位置した状態となるとともに、各第1セラミック基板1c及び各第1アルミ箔1dの各外周面、すなわち、各第1基板1の外周面1eと、各装着孔13b〜13dの各内周面13eとがそれぞれ対向した状態となる。
各第1基板1の外周面1eと各装着孔13b〜13dの各内周面13eとの間には、それぞれシリコーン樹脂製のコーキング材からなるシール材19が充填されている。これらの各シール材19により、第1ハウジング13の外部に対して、第1流路13aが封止されている。このシール材19は、図3示すように、各第1アルミ箔1dの表面の一部を覆う状態で充填されている。
図1に示すように、第2ハウジング15は、アルミによって得られている。この第2ハウジング15の内部には、第2熱交換媒体としてのLLCが流通可能な第2流路15aが形成されている。この第2流路15aの上流側(同図に示す白色矢印参照)は、図示しない第2流入口と連通している。一方、第2流路15aの下流側は、図示しない第2流出口と連通している。これにより、LLCは第2流路15a内を同図の白色矢印方向に流通することが可能となっている。
また、第2ハウジング15の外周面15bには、三箇所にパンチングプレート21a〜21cの一面側がろう付けにより接合されている。これらのパンチングプレート21a〜21cは、それぞれアルミの板に対して複数個の孔が形成されることで得られている。また、各パンチングプレート21a〜21cの他面側には、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第2基板3のフィン側面3b、より具体的には、各第2アルミ箔3dの表面がろう付けにより接合されている。これにより、第2ハウジング15と各第2基板3とが熱的に接合された状態となっている。なお、各パンチングプレート21a〜21cを介さずに、第2ハウジング15の外周面15bと各アルミ箔3dの表面とを直接接合させても良い。
第2コルゲートフィン11は、第2流路15a内に配置されている。図3に示すように、第2コルゲートフィン11は、第1コルゲートフィン9と同様、アルミの板が略クランク状の波型形状にプレス加工されて得られており、複数の谷部11aと山部11bとが一方向に繰り返されて形成されている。また、第2コルゲートフィン11の全長は、第1コルゲートフィン9の全長よりも長く形成されている。
第2コルゲートフィン11における各谷部11aの裏面側と、第2ハウジング15の内周面15c、つまり、第2ハウジング15の外周面15bの裏面となる面とは、ろう付けにより接合されている。これにより、第2流路内15a内において、第2コルゲートフィン11は、第1〜3サブモジュールA〜C間に亘って配置された状態となっている。つまり、図1に示すように、LLCの流通方向において、第1サブモジュールAと第2サブモジュールBとの間となる位置と、第2サブモジュールBと第3サブモジュールCとの間となる位置とにも、第2コルゲートフィン11が配置された状態となっている。この第2コルゲートフィン11が第2フィンに相当する。なお、第2フィンについても、第2コルゲートフィン11に限らず、例えば、第2流路15a内で略垂直に立設される板状部を有するものであっても良い。
以上のように構成された熱電変換モジュールでは、例えば、各熱電変換素子7におけるペルチェ効果を利用することによって、水とLLCとの間において熱の移動を行うことが可能となっている。
第1流路13a内を流通する水の冷却を行う(水の熱をLLCに移動させる)場合、制御装置は、各熱電変換素子7の第1基板1側が吸熱となり、各熱電変換素子7の第2基板3側が放熱となるように、各第1、2電極5a、5bに対して通電を行う。これにより、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第1基板1側では、第1流路13a内の水から吸熱を行うとともに、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第2基板3側では、第2流路15a内のLLCに対して放熱を行う。こうして、第1流路13a内を流通する水の冷却に冷却が行われるとともに、第2流路15a内を流通するLLCの加熱が行われる。
第2流路15a内を流通するLLCの冷却を行う(LLCの熱を水に移動させる)場合もほぼ同様である。つまり、制御装置は、各第1、2電極5a、5bに対し、上記の水の熱をLLCに移動させる場合とは反対方向で通電を行う。これにより、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第2基板3側では、第2流路15a内のLLCから吸熱を行い、LLCの冷却が行われることとなる。一方、第1〜3サブモジュールA〜Cにおける第1基板1側では、第1流路13a内の水に対して放熱を行うことから、水は加熱されることとなる。
この熱電変換モジュールでは、各第1フィン側面1b(第1アルミ箔1d)に第1コルゲートフィン9がそれぞれ接合された各第1基板1が、各々装着孔13b〜13dに装着されることより、各第1コルゲートフィン9が第1流路13a内に位置している。また、第2コルゲートフィン11が第2流路15a内に位置している。これらのため、この熱電変換モジュールでは、第1流路13a内を流通する水及び第2流路15a内を流通するLLCに対する吸熱及び放熱の効果が高くなっている。
特に、この熱電変換モジュールでは、第2ハウジング15がアルミによって得られており、各第2基板3の各第2フィン側面3bと第2ハウジング15とは熱的に接合されている。このため、各第2基板3側において、LLCに対する吸熱及び放熱の効果がより高くなっている。また、第2ハウジング15における耐熱性や耐薬品性も高くなっている。
また、この熱電変換モジュールでは、各第1基板1が各々装着孔13b〜13dに装着されるとともに、各第2基板3が各パンチングプレート21a〜21cを介して各々第2ハウジング15の外周面15bに接合装されることで、第1、2ハウジング13、15と第1〜3サブモジュールA〜Cとが一体化されている。このため、この熱電変換モジュールでは、第1〜3サブモジュールA〜Cの三個を備えつつも、第1〜3サブモジュールA〜C同士の取り回しが容易となっている。
さらに、この熱電変換モジュールでは、各シール材19により、第1流路13aが第1ハウジング13の外部に対して封止されるため、水による熱電変換素子7の漏電や劣化等が防止される。この際、この熱電変換モジュールでは、各第1基板1の各外周面1eと各装着孔13b〜13dの各内周面13eとの間にシール材19が設けられることで、シール材19による気密性が確保されるため、シール材19の使用量を低減することが可能となっている。また、各第1基板1の各外周面1e、すなわち、各第1基板1における厚み部分にシール材19が設けられることから、この熱電変換モジュールでは、例えば、各第1基板1のフィン側面1b等に対し、シール材19を設けるためのスペースを別途設ける必要がない。このため、この熱電変換モジュールでは、各第1基板1を十分に小型化させることが可能となる。なお、上記のように、各第2基板3は、各第1基板1と同一形状であることから、各第2基板3についても小型化されることとなる。
ここで、この熱電変換モジュールにおいては、シール材19を充填する際、図3に示すように、各第1アルミ箔1dの表面の一部もシール材19によって覆わせている。各第1アルミ箔1dの表面は、各第1セラミック基板1cと比較してより平滑となっていることから、各第1アルミ箔1dの表面に対し、各シール材19が好適に接着されることとなる。このため、この熱電変換モジュールでは、各シール材19による上記の機密性の確保が十分に高くなっている。
そして、この熱電変換モジュールでは、第1ハウジング15がポリアミド系樹脂によって得られており、シール材19がシリコーン樹脂によって得られている。これらのため、第1ハウジング15及びシール材19がそれぞれ弾性変形し易くなっている。上記のように、この熱電変換モジュールでは、第2ハウジング15がアルミで得られているため、LLCに対する吸熱等の効果を高くできる一方、加熱されたLLCが第2流路15a内を流通することで、第2ハウジング15が熱変形し易くなる。このため、応力負荷により各熱電変換素子7に損傷が生じ易くなることが懸念される。この点、この熱電変換モジュールでは、アルミよりも弾性変形し易いポリアミド系樹脂やシリコーン樹脂によって、第1ハウジング13やシール材19を得ることで、第1ハウジング13自体や各シール材19自体の弾性変形によって、第2ハウジング15の熱変形を吸収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、応力負荷による各熱電変換素子7の損傷を好適に防止することが可能となっている。また、ポリアミド系樹脂やシリコーン樹脂によって、第1ハウジング13やシール材19を得ることで、第1ハウジング13やシール材19における耐熱性や耐薬品性も高くなっている。
したがって、この熱電変換モジュールは、高性能で搭載性に優れているとともに、低コスト化も実現可能である。
特に、各第1基板1は、第1セラミック基板1cと、第1セラミック基板1cの一面(第1フィン側面1bとなる面)に第1セラミック基板1cと一体に接合された第1アルミ箔1dとからなる。一方、各第2基板3は、第2セラミック基板3cと、第2セラミック基板3cの一面(第2フィン側面3bとなる面)に第2セラミック基板3cと一体に接合された第2アルミ箔3dとからなる。このため、各第1、2セラミック基板1c、3cにより、各第1基板1及び各第2基板3における絶縁性が好適に確保されている。また、これらの第1、2基板1、3にそれぞれ設けられた第1、2アルミ箔1d、3dによって、各第1フィン側面1bでは、各第1コルゲートフィン9との接合が容易となり、各第2フィン側面3bでは、パンチングプレート21a〜21cとの接合、すなわち、第2ハウジング15の外周面15bとの接合が容易となっている。
ここで、第1、2基板1、3について、上記のような構成とした場合、例えばセラミック基板のみによって第1、2基板1、3を構成した場合と比較して、高性能となる反面でその製造コストが上昇してしまう。しかし、この熱電変換モジュールでは、上記のように各第1、2基板1、3を十分に小型化させることが可能であるため、各第1、2基板1、3の製造コストの上昇を抑制しつつ、各第1、2基板1、3の性能を高くすることが可能となっている。
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、各熱電変換素子7におけるゼーベック効果を利用することにより、実施例の熱電変換モジュールよって発電を行うこともできる。この場合、第1流路13a内を流通する水や第2流路15a内を流通するLLCから受熱を行うこととなる。
また、実施例の熱電変換モジュールについて、四個以上のサブモジュールを設けることができる。さらに、実施例の熱電変換モジュールにおいて、サブモジュールを二個以下とすることもできる。
また、第2ハウジング15について、第一ハウジング13と同様に、第2流路15aと第2ハウジング15の外部とを繋ぐ装着孔を三箇所に設ける構成とすることができる。この場合、各装着孔に第2基板3を各々装着させた状態で、各第2アルミ箔3dと各装着孔の内周面とをろう付け等によって接合させることにより、第2ハウジング15と第1〜3サブモジュールA〜Cとを一体化させることができる。なお、この場合、第2コルゲートフィン11は、第1コルゲートフィン9と同様に三枚設けられ、各第2基板3の第2フィン側面3b(第2アルミ箔3d)に各2コルゲートフィン11が各々接合されることが好ましい。
さらに、各第1フィン側面1bに複数の第1コルゲートフィン9が接合される構成とすることができる。この場合、第1フィン側面1bにおける第1コルゲートフィン9同士のオフセット量は任意に設定することができる。同様に、第2流路15a内に複数の第2コルゲートフィン11が接合される構成とすることもできる。
また、第2コルゲートフィン11について、第1コルゲートフィン9と同一の構成とするとともに、第2ハウジング15について、第1ハウジング13と同一の構成とすることができる。この場合、第2ハウジングもポリアミド系樹脂によって得られるとともに、上記の装着孔が設けられることとなる。さらに、各装着孔の内周面と各第2基板3の外周面3eとの間にもシール材19が設けられ、各第2コルゲートフィンが第2流路内に位置することとなる。つまり、この場合の熱電変換モジュールは、各熱電変換素子7を挟んで第1ハウジング13側と第2ハウジング側とが対称の形状となる。
本発明は、熱電変換素子のペルチェ効果を利用したバッテリの冷却装置や各種の冷却装置の他、空調装置等に利用可能であるとともに、熱電変換素子のゼーベック効果を利用した発電装置等に利用可能である。
1…第1基板(基板)
1a…第1素子側面(素子側面)
1b…第1フィン側面(フィン側面)
1c…第1セラミック基板(セラミック基板)
1d…第1アルミ箔(金属箔)
1e…外周面
3…第2基板
3a…第2素子側面
3b…第2フィン側面
3c…第2セラミック基板(セラミック基板)
3d…第2アルミ箔(金属箔)
5a…第1電極(電極)
5b…第2電極(電極)
7…熱電変換素子
9…第1コルゲートフィン(フィン、第1フィン)
11…第2コルゲートフィン(第2フィン)
13…第1ハウジング(ハウジング)
13a…第1流路(流路)
13b〜13d…装着孔
15…第2ハウジング
15a…第2流路
15b…外周面
19…シール材
1a…第1素子側面(素子側面)
1b…第1フィン側面(フィン側面)
1c…第1セラミック基板(セラミック基板)
1d…第1アルミ箔(金属箔)
1e…外周面
3…第2基板
3a…第2素子側面
3b…第2フィン側面
3c…第2セラミック基板(セラミック基板)
3d…第2アルミ箔(金属箔)
5a…第1電極(電極)
5b…第2電極(電極)
7…熱電変換素子
9…第1コルゲートフィン(フィン、第1フィン)
11…第2コルゲートフィン(第2フィン)
13…第1ハウジング(ハウジング)
13a…第1流路(流路)
13b〜13d…装着孔
15…第2ハウジング
15a…第2流路
15b…外周面
19…シール材
Claims (6)
- 複数個の熱電変換素子が電極を介して接続された素子側面と、該素子側面の裏側に位置し、フィンが接合されたフィン側面と、該素子側面の外周と該フィン側面の外周とを繋ぐ外周面とを有する複数枚の基板と、
熱交換媒体が流通可能な流路が内部に形成されているとともに、該流路と連通する複数の装着孔が形成されたハウジングとを備え、
各前記基板は、各前記フィンが前記流路内に位置しているとともに、前記基板の前記外周面と前記装着孔の内周面との間にシール部材が設けられた状態で
該装着孔に各々装着されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 各前記基板はそれぞれ第1基板であり、
前記電極は第1電極であり、
前記素子側面は第1素子側面であり、
前記フィンは第1フィンであり、
前記フィン側面は第1フィン側面であり、
前記ハウジングは第1ハウジングであり、
前記流路は第1流路であり、
前記第1素子側面と反対側の面であって、各前記熱電変換素子が第2電極を介して接続された第2素子側面と、該第2素子側面の裏側に位置する第2フィン側面とを有する複数枚の第2基板と、
第2熱交換媒体が流通可能な第2流路が内部に形成された第2ハウジングとを備え、
各前記第2基板は前記第2ハウジングの外周面に装着され、
前記第2流路内には、該第2ハウジングにおける該外周面の裏面に装着された第2フィンが設けられている請求項1記載の熱電変換モジュール。 - 前記第2ハウジングは金属材料からなり、
各前記第2基板の各前記第2フィン側面と該第2ハウジングとは熱的に接合されている請求項2記載の熱電変換モジュール。 - 前記第1ハウジングは樹脂材料からなる請求項3記載の熱電変換モジュール。
- 前記シール材は弾性変形可能な材料からなる請求項3又は4記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1基板は、セラミック基板と、該セラミック基板において少なくとも前記第1フィン側面となる面に、該セラミック基板と一体に接合された金属箔とからなり、
前記第2基板は、該セラミック基板と、該セラミック基板において少なくとも前記第2フィン側面となる面に、該セラミック基板と一体に接合された該金属箔とからなる請求項2乃至5のいずれか1項記載の熱電変換モジュール。
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JP2011230150A JP2013089821A (ja) | 2011-10-19 | 2011-10-19 | 熱電変換モジュール |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2011
- 2011-10-19 JP JP2011230150A patent/JP2013089821A/ja active Pending
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