JP2924369B2 - ヒートポンプデバイス - Google Patents
ヒートポンプデバイスInfo
- Publication number
- JP2924369B2 JP2924369B2 JP30441891A JP30441891A JP2924369B2 JP 2924369 B2 JP2924369 B2 JP 2924369B2 JP 30441891 A JP30441891 A JP 30441891A JP 30441891 A JP30441891 A JP 30441891A JP 2924369 B2 JP2924369 B2 JP 2924369B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- current
- pump device
- heat pump
- thermoelectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はペルチェ効果を利用し、
電気的に冷房もしくは暖房を行う、空調装置に有用な熱
電デバイスに関する。
電気的に冷房もしくは暖房を行う、空調装置に有用な熱
電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気を熱に変換するヒートポンプ
デバイスの基本構成は、図４に示すように電流端子を兼
ねた金属板１４ａ、１４ｂおよび金属板１５によって熱
電材料であるＮ型半導体もしくはＰ型の半導体１６、１
７を挟持し、金属板１４ａ、１４ｂに電圧を印可して半
導体１６、１７に電流を通ずることによりペルチェ効果
による発熱によって金属板を加熱または冷却するもので
ある。
デバイスの基本構成は、図４に示すように電流端子を兼
ねた金属板１４ａ、１４ｂおよび金属板１５によって熱
電材料であるＮ型半導体もしくはＰ型の半導体１６、１
７を挟持し、金属板１４ａ、１４ｂに電圧を印可して半
導体１６、１７に電流を通ずることによりペルチェ効果
による発熱によって金属板を加熱または冷却するもので
ある。
【０００３】このような従来のヒートポンプデバイスで
は、熱電材料である半導体１６、１７の性能指数によっ
て決まる熱電効率に限界があるので、さらに高い効率を
有する熱電デバイスとして、特開昭５７−１９８９８９
号公報や実開昭６３−１２００６０号公報に開示されて
いるように蓄熱剤を組み合わせる構成や、図５に示すよ
うに非定常状態を利用した構成のヒートポンプデバイス
が提案されている。
は、熱電材料である半導体１６、１７の性能指数によっ
て決まる熱電効率に限界があるので、さらに高い効率を
有する熱電デバイスとして、特開昭５７−１９８９８９
号公報や実開昭６３−１２００６０号公報に開示されて
いるように蓄熱剤を組み合わせる構成や、図５に示すよ
うに非定常状態を利用した構成のヒートポンプデバイス
が提案されている。
【０００４】このヒートポンプデバイスは図５に示すよ
うに、まず吸熱側として基台１８ａ上にバルク状の熱電
材料１９と、電極と熱交換フィンを兼ねた銅プレート２
０を電気的に接続し、同様に放熱側としては吸熱側と対
向する形で熱電材料２１、銅プレート２２とを電気的に
接続して構成されている。さらに基台部１８ｂには駆動
モーター２３を取り付けることによって、両方の熱電材
料の端面２４の接続、切り離しが容易にできるようにな
っている。
うに、まず吸熱側として基台１８ａ上にバルク状の熱電
材料１９と、電極と熱交換フィンを兼ねた銅プレート２
０を電気的に接続し、同様に放熱側としては吸熱側と対
向する形で熱電材料２１、銅プレート２２とを電気的に
接続して構成されている。さらに基台部１８ｂには駆動
モーター２３を取り付けることによって、両方の熱電材
料の端面２４の接続、切り離しが容易にできるようにな
っている。
【０００５】この熱電デバイスに、まず端面２４が互い
に当接した状態で電流を流すと、それぞれの熱電材料の
銅プレート界面にペルチェ熱が発生する。通電直後の熱
電材料内部が熱的定常状態に達する前に、駆動モーター
２３によって吸熱側と放熱側の熱電材料を端面２４で切
り離すことによって互いに断熱すると、熱伝導によるペ
ルチェ熱のロスを抑制し高い効率を得ることができるよ
う構成されている。
に当接した状態で電流を流すと、それぞれの熱電材料の
銅プレート界面にペルチェ熱が発生する。通電直後の熱
電材料内部が熱的定常状態に達する前に、駆動モーター
２３によって吸熱側と放熱側の熱電材料を端面２４で切
り離すことによって互いに断熱すると、熱伝導によるペ
ルチェ熱のロスを抑制し高い効率を得ることができるよ
う構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようない
わゆる非定常デバイスでは、通電時に熱電材料１９、２
１と銅プレート２０、２２との界面において局所的に温
度が上昇あるいは低下し、熱電材料である半導体１９、
２１の両端面間の温度差は定常デバイスに比して非常に
大きくなる。その結果、熱電材料である半導体１９、２
１間の熱伝導によるペルチェ熱のロスを少なくしたにも
かかわらず、デバイス全体の効率はあまり高くならなか
った。また、通電、切り離しの１サイクルの冷却出力は
熱電材料である半導体の熱容量に依存するのであまり大
きく設定することはできないという問題があった。
わゆる非定常デバイスでは、通電時に熱電材料１９、２
１と銅プレート２０、２２との界面において局所的に温
度が上昇あるいは低下し、熱電材料である半導体１９、
２１の両端面間の温度差は定常デバイスに比して非常に
大きくなる。その結果、熱電材料である半導体１９、２
１間の熱伝導によるペルチェ熱のロスを少なくしたにも
かかわらず、デバイス全体の効率はあまり高くならなか
った。また、通電、切り離しの１サイクルの冷却出力は
熱電材料である半導体の熱容量に依存するのであまり大
きく設定することはできないという問題があった。
【０００７】本発明はこのような課題を解決するもの
で、熱効率の高い非定常デバイスを提供することを目的
とするものである。
で、熱効率の高い非定常デバイスを提供することを目的
とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、従来の構成の非定常熱電デバイスの
電流流入部と電流流出部の熱電材料に対して、その外側
に熱伝導率の大きい材料を熱リザーバーとして配設する
ことによってデバイス全体の効率を高めるようにしたも
のである。また、熱リザーバーとして、ペルチェ熱発生
部と十分に高い熱接触性を有する潜熱蓄熱材を配設して
全体の熱容量を大きくすることによって、冷却出力を大
きくするようにしたものである。
るために本発明は、従来の構成の非定常熱電デバイスの
電流流入部と電流流出部の熱電材料に対して、その外側
に熱伝導率の大きい材料を熱リザーバーとして配設する
ことによってデバイス全体の効率を高めるようにしたも
のである。また、熱リザーバーとして、ペルチェ熱発生
部と十分に高い熱接触性を有する潜熱蓄熱材を配設して
全体の熱容量を大きくすることによって、冷却出力を大
きくするようにしたものである。
【０００９】
【作用】この構成によれば、熱リザーバーの配設によ
り、電流流入部と電流流出部において発生したペルチェ
熱は速やかに熱伝導度の大きい熱リザーバーへ移動する
ので、通電中に熱電材料の両端面間の温度差が必要以上
に大きくなることはない。その結果熱電材料の両端面間
の温度差による熱起電力に逆らって通電するための余分
な電力を抑制でき、全体の効率を高めることができる。
り、電流流入部と電流流出部において発生したペルチェ
熱は速やかに熱伝導度の大きい熱リザーバーへ移動する
ので、通電中に熱電材料の両端面間の温度差が必要以上
に大きくなることはない。その結果熱電材料の両端面間
の温度差による熱起電力に逆らって通電するための余分
な電力を抑制でき、全体の効率を高めることができる。
【００１０】また、この熱リザーバーに潜熱蓄熱材を用
いることによって熱リザーバーの熱容量を大きくし、通
電時の電流量を大きくすることができるので冷却出力と
効率をさらに高めることができることとなる。
いることによって熱リザーバーの熱容量を大きくし、通
電時の電流量を大きくすることができるので冷却出力と
効率をさらに高めることができることとなる。
【００１１】
【実施例】以下に本発明の一実施例のヒートポンプデバ
イスを図面を参照しながら説明する。図１、図２に本実
施例のヒートポンプデバイスの構成を示す。図に示すよ
うに、まず吸熱側の熱電材料として基台１ａ上にＢｉ2
Ｔｅ3−Ｓｂ2Ｔｅ3合金でできたＰ型半導体（厚さ３ｍ
ｍ）２と、電極として用いた銅プレート（厚さ０．５ｍ
ｍ）３を電気的に接続した。さらに銅プレートには熱リ
ザーバーとして銅ブロック（厚さ６ｍｍ）４を設け、そ
の上にに熱交換フィン５を設けた。また、基台１ａ上に
設けた送風ファン６によって熱交換フィン５に送風し、
熱交換効率を上げた。放熱側も同様に吸熱側と対向する
形でＰ型半導体７、銅プレート８、銅ブロック９、熱交
換フィン１０を構成した。基台１ｂには駆動モーター１
１を取り付けることによって、吸熱側半導体２と放熱側
半導体７の接続、切り離しが容易にできるように構成し
た。
イスを図面を参照しながら説明する。図１、図２に本実
施例のヒートポンプデバイスの構成を示す。図に示すよ
うに、まず吸熱側の熱電材料として基台１ａ上にＢｉ2
Ｔｅ3−Ｓｂ2Ｔｅ3合金でできたＰ型半導体（厚さ３ｍ
ｍ）２と、電極として用いた銅プレート（厚さ０．５ｍ
ｍ）３を電気的に接続した。さらに銅プレートには熱リ
ザーバーとして銅ブロック（厚さ６ｍｍ）４を設け、そ
の上にに熱交換フィン５を設けた。また、基台１ａ上に
設けた送風ファン６によって熱交換フィン５に送風し、
熱交換効率を上げた。放熱側も同様に吸熱側と対向する
形でＰ型半導体７、銅プレート８、銅ブロック９、熱交
換フィン１０を構成した。基台１ｂには駆動モーター１
１を取り付けることによって、吸熱側半導体２と放熱側
半導体７の接続、切り離しが容易にできるように構成し
た。
【００１２】つぎに、上記のように構成したヒートポン
プデバイスの動作を説明する。まず、図１に示すよう
に、吸熱側半導体２と放熱側半導体７とを接続した状態
で１０Ａ／ｃｍ2の電流を吸熱側半導体２から放熱側半
導体７の方向に流した。つぎに、図２に示すように通電
後３秒経た時、駆動モーター１１によって吸熱側と放熱
側の半導体２、７を端面から切り離すことによって互い
に断熱した。雰囲気温度を２０℃とした場合、切り離し
後約１５秒経て、それぞれの半導体内部で熱的に平衡状
態に達した後温度測定すると、吸熱側半導体２は１６．
０℃、放熱側半導体７は２３．５℃となっており、冷却
効率（Ｃ．Ｏ．Ｐ）は約７．５であった。つぎに電流を
３０Ａ／ｃｍ2とし、約０．４秒間パルス的に流し、電
流パルスと同期して半導体の接続、切り離しを行なう
と、平衡に達した後では吸熱側半導体２が１６．５℃、
放熱側半導体７が２６．０℃となっていた。この時の効
率を、従来の熱リザーバーとしての銅ブロックを設けな
い構成の非定常熱電デバイスと比べると、約１．３倍に
向上していた。
プデバイスの動作を説明する。まず、図１に示すよう
に、吸熱側半導体２と放熱側半導体７とを接続した状態
で１０Ａ／ｃｍ2の電流を吸熱側半導体２から放熱側半
導体７の方向に流した。つぎに、図２に示すように通電
後３秒経た時、駆動モーター１１によって吸熱側と放熱
側の半導体２、７を端面から切り離すことによって互い
に断熱した。雰囲気温度を２０℃とした場合、切り離し
後約１５秒経て、それぞれの半導体内部で熱的に平衡状
態に達した後温度測定すると、吸熱側半導体２は１６．
０℃、放熱側半導体７は２３．５℃となっており、冷却
効率（Ｃ．Ｏ．Ｐ）は約７．５であった。つぎに電流を
３０Ａ／ｃｍ2とし、約０．４秒間パルス的に流し、電
流パルスと同期して半導体の接続、切り離しを行なう
と、平衡に達した後では吸熱側半導体２が１６．５℃、
放熱側半導体７が２６．０℃となっていた。この時の効
率を、従来の熱リザーバーとしての銅ブロックを設けな
い構成の非定常熱電デバイスと比べると、約１．３倍に
向上していた。
【００１３】切り離した吸熱側および放熱側の銅ブロッ
クは、熱交換フィンよって大気などの被冷却物、あるい
は被加熱物と十分に熱交換した後、再び接続、通電、切
り離しを繰り返した。さらに熱リザーバーとして用いる
銅ブロックの厚みとデバイス全体の効率の関係を、従来
の銅ブロックを設けない構成の非定常熱電デバイスと比
較して調べた。同じ温度差をつけた場合、銅ブロックを
厚くするとともに効率は高くなるが、厚さ６ｍｍを越え
ると効率が低くなった。この結果、用いる熱電半導体の
性能指数、形状、流す電流の電流密度および通電時間に
よって決まる最適な厚みが存在することがわかった。
クは、熱交換フィンよって大気などの被冷却物、あるい
は被加熱物と十分に熱交換した後、再び接続、通電、切
り離しを繰り返した。さらに熱リザーバーとして用いる
銅ブロックの厚みとデバイス全体の効率の関係を、従来
の銅ブロックを設けない構成の非定常熱電デバイスと比
較して調べた。同じ温度差をつけた場合、銅ブロックを
厚くするとともに効率は高くなるが、厚さ６ｍｍを越え
ると効率が低くなった。この結果、用いる熱電半導体の
性能指数、形状、流す電流の電流密度および通電時間に
よって決まる最適な厚みが存在することがわかった。
【００１４】つぎに図３に示す構成で、熱リザーバーの
容量を大きくしてデバイスの効率と出力を大きくする試
みを行った。吸熱側の銅プレート３に熱的に接触させて
銅発泡体１２を配設した。銅発泡体１２はその内部に直
径１００〜５００ミクロンの連続気泡を含み、本実施例
ではその連続気泡部に潜熱蓄熱材として融点が１５℃の
パラフィンを充填して用いた。このような銅発泡体を用
いることにより、潜熱蓄熱材と熱電半導体との熱交換を
迅速に行うことが可能となる。また、潜熱蓄熱材に特有
の課題、すなわち過冷却、過昇温の現象を防止すること
ができた。一方の放熱側の銅発泡体１３には潜熱蓄熱材
として融点２４℃のパラフィンを充填した。これら両方
の銅発泡体の厚みは約５ｍｍであった。このような潜熱
蓄熱材を配した非定常デバイスに流す電流の密度と通電
時間を変化させて実験を行った結果、１サイクル（接
続、通電、切り離し）で得られる冷却出力を従来の非定
常デバイスの約３倍に増大することができた。
容量を大きくしてデバイスの効率と出力を大きくする試
みを行った。吸熱側の銅プレート３に熱的に接触させて
銅発泡体１２を配設した。銅発泡体１２はその内部に直
径１００〜５００ミクロンの連続気泡を含み、本実施例
ではその連続気泡部に潜熱蓄熱材として融点が１５℃の
パラフィンを充填して用いた。このような銅発泡体を用
いることにより、潜熱蓄熱材と熱電半導体との熱交換を
迅速に行うことが可能となる。また、潜熱蓄熱材に特有
の課題、すなわち過冷却、過昇温の現象を防止すること
ができた。一方の放熱側の銅発泡体１３には潜熱蓄熱材
として融点２４℃のパラフィンを充填した。これら両方
の銅発泡体の厚みは約５ｍｍであった。このような潜熱
蓄熱材を配した非定常デバイスに流す電流の密度と通電
時間を変化させて実験を行った結果、１サイクル（接
続、通電、切り離し）で得られる冷却出力を従来の非定
常デバイスの約３倍に増大することができた。
【００１５】
【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなように
本発明によれば、非定常熱電デバイスの電流流入部と電
流流出部の熱電材料に対して、その外側に熱伝導率の大
きい材料を熱リザーバーとして配設することによって、
デバイス全体の効率を高めるようにしたものである。ま
た、熱リザーバーとして、ペルチェ熱発生部と十分に高
い熱接触性を有する潜熱蓄熱材を配設して全体の熱容量
を大きくすることによって、熱的非定常状態を用いるヒ
ートポンプデバイスの熱効率を１．３倍に、１サイクル
あたりの冷却出力を約３倍に増大することができる。
本発明によれば、非定常熱電デバイスの電流流入部と電
流流出部の熱電材料に対して、その外側に熱伝導率の大
きい材料を熱リザーバーとして配設することによって、
デバイス全体の効率を高めるようにしたものである。ま
た、熱リザーバーとして、ペルチェ熱発生部と十分に高
い熱接触性を有する潜熱蓄熱材を配設して全体の熱容量
を大きくすることによって、熱的非定常状態を用いるヒ
ートポンプデバイスの熱効率を１．３倍に、１サイクル
あたりの冷却出力を約３倍に増大することができる。
【図１】本発明の一実施例のヒートポンプデバイスの通
電時の構成を示す断面図
電時の構成を示す断面図
【図２】同ヒートポンプデバイスの切り離し時の構成を
示す断面図
示す断面図
【図３】同潜熱蓄熱材を用いたヒートポンプデバイスの
構成を示す断面図
構成を示す断面図
【図４】従来のヒートポンプデバイスの構成を示す断面
図
図
【図５】同熱的非定常状態を用いたヒートポンプデバイ
スの構成を示す断面図
スの構成を示す断面図
１ａ，１ｂ 基台 ２、７ Ｐ型半導体 ３、８ 銅プレート ４、９ 銅ブロック ５、１０ 熱交換フィン ６ 送風ファン １１ 駆動モーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中桐 康司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 21/02
Claims (2)
- 【請求項１】 ペルチェ効果を有する熱電材料に電流を
通じ、熱電材料内部が熱的定常状態に達する前に、熱電
材料の電流流入部と電流流出部とを断熱する構成のヒー
トポンプデバイスであって、前記電流流入部または前記
電流流出部のいずれか、または両方の前記熱電材料の外
側に、前記熱電材料より熱伝導率の大きい材料を熱リザ
ーバーとして配設してなるヒートポンプデバイス。 - 【請求項２】 電流流入部または電流流出部のいずれ
か、または両方の熱電材料の外側に配設する熱リザーバ
ーとして、潜熱蓄熱材を備えた請求項１記載のヒートポ
ンプデバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30441891A JP2924369B2 (ja) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | ヒートポンプデバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30441891A JP2924369B2 (ja) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | ヒートポンプデバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05172424A JPH05172424A (ja) | 1993-07-09 |
| JP2924369B2 true JP2924369B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=17932763
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30441891A Expired - Fee Related JP2924369B2 (ja) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | ヒートポンプデバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2924369B2 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08510600A (ja) * | 1993-05-25 | 1996-11-05 | インダストリアル リサーチ リミテッド | ペルティエ装置 |
| KR970002797B1 (ko) * | 1994-04-27 | 1997-03-11 | 한국과학기술연구원 | 열전냉각식 음료수 캔쿨러 |
| US5966941A (en) * | 1997-12-10 | 1999-10-19 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric cooling with dynamic switching to isolate heat transport mechanisms |
| US5867990A (en) * | 1997-12-10 | 1999-02-09 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric cooling with plural dynamic switching to isolate heat transport mechanisms |
| US6384312B1 (en) | 2000-12-07 | 2002-05-07 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric coolers with enhanced structured interfaces |
| US6403876B1 (en) | 2000-12-07 | 2002-06-11 | International Business Machines Corporation | Enhanced interface thermoelectric coolers with all-metal tips |
| US6608250B2 (en) | 2000-12-07 | 2003-08-19 | International Business Machines Corporation | Enhanced interface thermoelectric coolers using etched thermoelectric material tips |
| US6467275B1 (en) | 2000-12-07 | 2002-10-22 | International Business Machines Corporation | Cold point design for efficient thermoelectric coolers |
| US6597544B2 (en) | 2000-12-11 | 2003-07-22 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric microcoolers for cooling write coils and GMR sensors in magnetic heads for disk drives |
| US6588217B2 (en) | 2000-12-11 | 2003-07-08 | International Business Machines Corporation | Thermoelectric spot coolers for RF and microwave communication integrated circuits |
| US6712258B2 (en) | 2001-12-13 | 2004-03-30 | International Business Machines Corporation | Integrated quantum cold point coolers |
| US6494048B1 (en) | 2002-04-11 | 2002-12-17 | International Business Machines Corporation | Assembly of quantum cold point thermoelectric coolers using magnets |
-
1991
- 1991-11-20 JP JP30441891A patent/JP2924369B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05172424A (ja) | 1993-07-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3347977B2 (ja) | 液体循環型熱電冷却・加熱装置 | |
| JP2924369B2 (ja) | ヒートポンプデバイス | |
| WO2004061982A1 (ja) | 熱電変換材料を利用した電子部品の冷却装置 | |
| WO2004001865A1 (ja) | 熱電素子とそれを用いた電子部品モジュールおよび携帯用電子機器 | |
| JPH0539966A (ja) | ヒートポンプデバイス | |
| JPS6213097A (ja) | 電気的構成部材の熱伝導用冷却配置 | |
| JPH06151979A (ja) | 熱電装置 | |
| US3183121A (en) | Thermoelectric generator with heat transfer and thermal expansion adaptor | |
| JP3087813B2 (ja) | 温度制御装置及び方法 | |
| JPS6113348B2 (ja) | ||
| JP2563524B2 (ja) | 熱電装置 | |
| JPH08335723A (ja) | 熱・電気変換装置 | |
| KR20070051308A (ko) | 반도체 냉각 시스템 및 그 제조공정 | |
| JPH08306965A (ja) | 発電用熱電変換モジュール | |
| JP4325026B2 (ja) | 冷却装置及び電子機器 | |
| JPH0159748B2 (ja) | ||
| JP3175039B2 (ja) | 熱電変換モジュール、積層型熱電変換装置、熱電発電用サブユニット、および発電システム | |
| US2977400A (en) | Thermoelements and devices embodying them | |
| JP3590325B2 (ja) | 電子部品等冷却装置 | |
| CN220776346U (zh) | 散热装置 | |
| CN214674831U (zh) | 一种基于半导体制冷片散热的双定子圆筒型直线电机 | |
| JPH02130878A (ja) | 熱電装置 | |
| JPH05172425A (ja) | 冷温水供給装置 | |
| THIRUMURUGAN et al. | DESIGN AND DEVELOPMENT OF FOOD DELIVERY BOX | |
| JP3172502B2 (ja) | ペルチェモジュールを用いた冷却機，加熱機，温度調整機，発電機などの熱電変換機並びにペルチェモジュールを用いた冷却機並びにペルチェモジュールを用いた加熱機並びにペルチェモジュールを用いた発電機 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |