JP3228784B2

JP3228784B2 - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP3228784B2
Application number: JP14165192A
Authority: JP
Inventors: 日出男渡辺; 一成酒井; 弘房手塚
Original assignee: 株式会社エコ・トゥエンティーワン
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 2001-11-12
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JPH05335629A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば冷蔵庫、エアコ
ン、冷水機などの熱電変換装置に係り、特に熱電変換素
子を使用した熱電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換素子のうち、電気エネルギーを
投入して所定のものを冷却する素子は電子冷却素子ある
いはペルチェ素子と称され、例えばコンパクトな冷蔵庫
などの電子冷却装置に使用されている。

【０００３】図１２ないし図１４はこの種の冷蔵庫を説
明するためのもので、図１２は冷蔵庫の縦断面図、図１
３はその冷蔵庫の均熱板上での電子冷却素子の取付状態
を示す側面図、図１４はその電子冷却素子の拡大断面図
である。

【０００４】冷蔵庫は図１２に示すように、ウレタン樹
脂などの断熱材からなる冷蔵庫本体１と、同じく断熱材
からなり前記冷蔵庫本体１の上方開口部を開閉する蓋部
材２と、その冷蔵庫本体１の内側に収容されたアルミニ
ウム製の内箱３とを備えている。

【０００５】前記冷蔵庫本体１の側面の一部が切除され
て均熱板４が挿入され、その均熱板４の一端が前記内箱
３の外側面に接触している。この均熱板４の外側面に１
つにモジュール化された電子冷却素子群５が取り付けら
れ、さらにこの電子冷却素子群５の外側面には放熱用の
フィン６が固着されており、図示していないがこのフィ
ン６の近傍には周囲の空気を強制的に循環させるための
ファンが設けられている。

【０００６】前記電子冷却素子群５は図１４に示すよう
に、アルミナなどからなり所定の広さを有する下側絶縁
基板７の上に吸熱側電極８が形成され、その吸熱側電極
８の上にＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１１とがそれ
ぞれ形成されている。このＰ形半導体層１０とＮ形半導
体層１１とを接続するように発熱側電極１２が形成さ
れ、さらにその上にアルミナなどからなり所定の広さを
有する上側絶縁基板１３が設けられている。Ｐ形半導体
層１０とＮ形半導体層１１は一対になって下側絶縁基板
７と上側絶縁基板１３との間に多数対並列に介在されて
いるとともに、電気的には直列に接続されて電子冷却素
子群を構成している。

【０００７】この電子冷却素子群５に所定の電流を流す
ことにより、絶縁基板７側の方が吸熱され、それにより
均熱板４を介して内箱３ならびにその内側が冷却され
る。一方、絶縁基板１３側は発熱するから、前記フィン
６ならびにファンによって外部へ放熱されることにより
熱移動が起こる仕組みになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従
来のこの種の電子冷却装置では、冷却効率が悪く、一定
の電気エネルギーを投入した割りには冷却側の温度は下
がらず、また、冷却側の温度を一定値以下にするには電
気消費量が大となるなどの欠点を有している。

【０００９】本発明者はこの点について鋭意検討した結
果、電子冷却素子群５の配置上に問題があることを見出
した。すなわち、従来の電子冷却装置は図１３に示すよ
うに、均熱板４（フィン６）のほぼ中央部にモジュール
化した電子冷却素子群５が１つ配置されているために、
均熱板４−電子冷却素子群５−フィン６の冷却系上での
熱交換効率が悪いことを解明した。

【００１０】すなわち、均熱板４（フィン６）のほぼ中
央部は電子冷却素子群５が接しているため熱交換効率は
良好であるが、均熱板４（フィン６）の周辺にいくに従
って熱交換効率が低下する。従って、均熱板４の周辺端
部に伝わってきた熱は電子冷却素子群５に吸熱されにく
く、さらにフィン６の周辺はほとんど放熱に寄与してい
ない。

【００１１】このように従来の電子冷却装置では熱交換
効率が悪いから、それを補うためにフィン６の羽根の高
さを高くしなければならず、そのためにフィン６の製造
コストが高くつく。

【００１２】また従来の電子冷却装置では、電子冷却素
子群５が図１４に示すような構成になっているため、均
熱板４と下側絶縁基板７の界面、下側絶縁基板７と吸熱
側電極８の界面、吸熱側電極８と半導体層１０、１１の
界面、半導体層１０、１１と発熱側電極１２の界面、発
熱側電極１２と上側絶縁基板１３の界面ならびに上側絶
縁基板１３とフィン６の界面の合計６個所の界面におい
て熱伝導が低下する。さらにそれに加えて、前記下側絶
縁基板７および上側絶縁基板１３自体の熱抵抗により、
吸熱効率ならびに放熱効率が低下する。

【００１３】さらに、アルミナセラミック等からなる絶
縁基板７、１３を使用するからそれ自体に反りなどの変
形が生じ、電極８、１２、均熱板４ならびにフィン６と
の密着性が低下し、その間の熱抵抗が大となる。

【００１４】さらにまた、アルミナセラミック等からな
る絶縁基板７、１３は機械的に脆いため、製造過程など
の取扱時に欠けや割れを生じ、生産性が悪いなどの欠点
も有している。

【００１５】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、効率が高く、安価でコンパクトな熱電変換
装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、均熱部材などの熱導部材と放熱フィンな
どのフィン部材との間に電子冷却素子群などの熱電変換
素子群を介在し、その熱電変換素子群に通電する熱電変
換装置において、前記熱導部材ならびにフィン部材の少
なくともいずれか一方の前記熱電変換素子群と対向する
側がアルミニウムから構成され、その熱電変換素子群と
対向する面にアルマイト層が設けられ、そのアルマイト
層に形成された微孔に封止剤を浸透させ、アルマイト層
の表面に封止剤の被膜を形成し、その封止剤の被膜と前
記熱電変換素子群との間に、無機フィラーを分散、保持
したシリコーングリース層が介在されていることを特徴
とするものである。

【００１７】

【作用】本発明は前述のように、熱導部材ならびにフィ
ン部材の少なくともいずれか一方の熱電変換素子群と対
向する側がアルミニウムから構成され、その熱電変換素
子群と対向する面にアルマイト層が設けられているか
ら、従来のセラミックからなる絶縁基板に比べて熱伝導
性が良い。さらにそのアルマイト層に形成された微孔に
封止剤を浸透させることにより、アルマイト層内の空気
層が減少するから熱伝導性がさらに良好となる。また前
記アルマイト層の表面に封止剤の被膜を形成することに
より、シリコーングリース層とのなじみが良好となり、
熱伝導性がさらに良くなる。

【００１８】また熱交換効率が高いことから、フィン部
材における羽根の高さを従来のものよりも低くすること
が可能で、そのために装置全体がよりコンパクトにで
き、しかもコストの低減が図れる。

【００１９】なお、吸、放熱効率の向上を図るために、
熱導部材（フィン部材）面に対して熱電変換素子を個別
に全体的に分散、配置して、それらの素子を電気的に接
続することも考えられる。

【００２０】しかしそうすれば、構造が非常に複雑にな
り、組み立て作業が煩雑であることから、コストが高と
つき、実用的でない。

【００２１】これに対して本発明のように、熱電変換素
子を複数個接続して熱電変換素子群を構成し、その熱電
変換素子群を分散するように取り付ければ、前述のもの
に比較して製造が簡単で、しかもコストが安価である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図とともに説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る冷蔵庫の縦断面図、
図２はその冷蔵庫の均熱板上での電子冷却素子群の取付
状態を示す側面図、図３はその電子冷却素子群の拡大断
面図、図４はその電子冷却素子群の拡大斜視図である。

【００２３】従来と同様に冷蔵庫は図１に示すように、
ウレタン樹脂などの断熱材からなる冷蔵庫本体１と、同
じく断熱材からなり前記冷蔵庫本体１の上方開口部を開
閉する蓋部材２と、その冷蔵庫本体１の内側に収容され
たアルミニウム製の内箱３とを備えている。

【００２４】前記冷蔵庫本体１の側面の一部が切除され
てアルミニウム製あるいは銅製の均熱板４が挿入され、
その均熱板４の一端が前記内箱３の外側面に密接してい
る。この内箱３と均熱板４との接触により、両者が均熱
部材として機能する。

【００２５】この均熱板４の外側面に１つのモジュール
化された電子冷却素子群１５が取り付けられ、さらにこ
の電子冷却素子群１５の外側面にはアルミニウム製ある
いは銅製のフィン６が取り付けられており、図示してい
ないがこのフィン６には多数の羽根が設けられ、フィン
６の近傍には周囲の空気を強制的に循環させるためのフ
ァンが設けられている。

【００２６】前記電子冷却素子群１５は図３ならびに図
４に示すように、所定の間隔をおいて配置された吸熱側
電極８と、その上に形成された例えばバルク状あるいは
膜状（厚膜または薄膜）のＰ形半導体層１０ならびに例
えばバルク状あるいは膜状（厚膜または薄膜）のＮ形半
導体層１１と、このＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１
１とを接続する発熱側電極１２とから構成され、多数の
Ｐ形半導体層１０とＮ形半導体層１１とが並列に配置さ
れ、電気的には図４に示すように直列に接続されてい
る。

【００２７】このように本実施例では、アルミナセラミ
ック等からなる絶縁基板は使用されておらず、一方の面
に吸熱側電極８が、他方の面に発熱側電極１２が露呈し
ている。

【００２８】図５ならびに図６は電子冷却素子群１５の
変形例を示す図で、電子冷却素子群１５に機械的強度を
付与するとともに、電極間の接触を確実に防止するため
に、図５の場合は吸熱側電極８、８の間、ならびに放熱
側電極１２、１２の間に電気絶縁性を有する接着剤層１
６が形成されている。また図６の場合は、さらにＰ形半
導体層１０とＮ形半導体層１１の間までも接着剤層１６
が形成されている。

【００２９】この接着剤層１６には、例えばシリコーン
系やエポキシ系などの有機化合物単独、あるいは例えば
シリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの無機化合物もしくは
銀、銅、アルミニウムなどの金属微粉末からなるフイラ
ーを適量混入した有機化合物などが使用される。

【００３０】図２に示すように本実施例の場合、均熱板
４の上にそれの長手方向に沿って４個の電子冷却素子群
１５が所定の間隔をあけて取り付けられている。図３に
示すように各電子冷却素子群１５と均熱板４との間、な
らびに各電子冷却素子群１５とフィン６との間には、高
熱伝導性のシリコーングリース層１７が形成されてい
る。このシリコーングリース層１７は、ベースオイルに
対して例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの無機化
合物もしくは銀、銅、アルミニウムなどの金属微粉末か
らなるの微細状のフイラー（平均粒径１０μｍ以下のも
の）を５０重量％以上添加したものが好適である。この
ようにフイラーを高い含率で分散、保持したシリコーン
グリース層１７の熱伝導率は６．０×１０^-3ｃａｌ／ｃ
ｍ・ｓｅｃ・℃以上と高く、一般のシリコーングリース
の３×１０^-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃に比較すると、
熱伝導率が１桁以上も高い。またこのシリコーングリー
ス層１７は、−５５〜２００℃までの広い温度範囲にわ
たって良好な弾性と接着性を保持している。

【００３１】前記均熱板４ならびにフィン６はアルミニ
ウム、銅あるいはその複合材から構成される。均熱板４
ならびにフィン６がアルミニウムあるいはアルミニウム
−銅複合材の場合、前記電子冷却素子群１５と対向する
面にはアルマイトからなる電気絶縁層１８が形成され
る。

【００３２】アルマイトは通常、陽極酸化法などによっ
て形成されるが、図７に示すように電気絶縁層１８（ア
ルマイト層）の表面から深部に向けて微孔１９が無数に
形成される。このように微孔１９が無数に形成されても
電気絶縁層１８の絶縁性はほとんど低下することはない
が、微孔１９がそのままの状態で残っていると、均熱板
４（フィン６）と電子冷却素子群１５との間に実質的に
空気層が形成されたことになり、そのために熱抵抗が極
端に高くなり、熱伝導性が悪い。

【００３３】そのため本実施例では、前記微孔１９に有
機化合物などの封止剤２０を浸透させて熱伝導性を改善
している。このを封止剤２０によって微孔１９の全体が
埋っている方が好ましいが、封止剤２０が微孔１９中に
ある程度浸透することにより、実質的に空気層が減少し
て、熱伝導性の改善効果は認められる。

【００３４】図に示すように、電気絶縁層１８（アルマ
イト層）の表面に封止剤２０の被膜を形成すればシリコ
ーングリース層１７とのなじみが良好となり、さらに熱
伝導性が良くなる。

【００３５】なお、この電気絶縁層１８（アルマイト
層）の厚さは、３〜２０μｍ程度あれば電気絶縁性上十
分である。

【００３６】前記均熱板４ならびにフィン６として銅を
使用する場合、それらと電子冷却素子群１５との間に二
酸化ケイ素、アルミナまたは酸化クロムなどの無機化合
物の微粒子を含んだ２０μｍ程度の電気絶縁層１８を形
成すればよい。

【００３７】図９ないし図１１は、均熱板４の変形例を
示す図である。図９の場合は均熱板４は側面形状がＴ字
形をしており、図１０の場合は均熱板４は側面形状が台
形をしており、さらに図１１の場合は内箱３の周囲を取
り囲むように平面形状が環状あるいはコ字形、Ｌ字形を
している。いずれの変形例においても、内箱３に対する
接触面積（伝熱面積）を可及的に増大するように配慮さ
れている。

【００３８】前記実施例では、絶縁基板を使用しない
で、電極が露呈したスケルトンタイプの電子冷却素子群
を使用して、絶縁基板による弊害を除去した例について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
絶縁基板を付設した電子冷却素子群を使用することもで
きる。この場合、絶縁基板としてアルミナセラミックス
の代わりに窒化アルミニウムを使用することもできる。
アルミナセラミックスの熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫ程度で
あるのに対して窒化アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ
／ｍＫ程度で、絶縁基板の熱抵抗が１／１０になり、有
利である。

【００３９】また前記実施例では、所定の間隔をおいて
電子冷却素子群を直線状に配置したが、例えば所定の間
隔をおいて電子冷却素子群を千鳥状に配置するなど、他
の配置例を採用してもよい。

【００４０】さらに前記実施例では、均熱板と内箱とを
別にしたが、内箱の側壁の一部を肉厚にして、均熱板を
一体化した内箱を使用することも可能である。

【００４１】さらに前記実施例では、内箱の一方の側面
に均熱板等を配置したが、内箱の対向する両側面にそれ
ぞれ均熱板等を配置することもできる。

【００４２】前記実施例のように絶縁基板を使用しない
で、電極が露呈したスケルトンタイプの電子冷却素子群
を使用すると、熱抵抗が従来のものに比較して低くな
り、冷却効率を４５〜６０％向上することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、熱導部
材ならびにフィン部材の少なくともいずれか一方の熱電
変換素子群と対向する側がアルミニウムから構成され、
その熱電変換素子群と対向する面にアルマイト層が設け
られているから、従来のセラミックからなる絶縁基板に
比べて熱伝導性が良い。さらにそのアルマイト層に形成
された微孔に封止剤を浸透させることにより、アルマイ
ト層内の空気層が減少するから熱伝導性がさらに良好と
なる。また前記アルマイト層の表面に封止剤の被膜を形
成することにより、シリコーングリース層とのなじみが
良好となり、熱伝導性がさらに良くなる。

【００４４】また熱交換効率が高いことから、フィン部
材における羽根の高さを従来のものよりも低くすること
が可能で、そのために装置全体が５０％程度コンパクト
にでき、しかもコストの低減が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る冷蔵庫の縦断面図であ
る。

【図２】その冷蔵庫の均熱板上での電子冷却素子群の取
付状態を示す側面図である。

【図３】その電子冷却素子群の拡大断面図である。

【図４】その電子冷却素子群の拡大斜視図である。

【図５】その電子冷却素子群の変形例を示す拡大斜視図
である。

【図６】その電子冷却素子群の変形例を示す拡大斜視図
である。

【図７】アルマイト表面の微孔を示す拡大断面図であ
る。

【図８】本発明の実施例に係るアルマイト表面を示す拡
大断面図である。

【図９】均熱板の変形例を示す側面図である。

【図１０】均熱板の変形例を示す側面図である。

【図１１】均熱板の変形例を示す斜視図である。

【図１２】従来の冷蔵庫の縦断面図である。

【図１３】その冷蔵庫の均熱板上での電子冷却素子群の
取付状態を示す側面図である。

【図１４】その電子冷却素子群の拡大断面図である。

【符号の説明】

１冷蔵庫本体２蓋部材３内箱４均熱板６フィン８吸熱側電極１０Ｐ形半導体層１１Ｎ形半導体層１２発熱側電極１５電子冷却素子群１６接着剤層１７シリコーングリース層１８電気絶縁層２０封止剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−153995（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−5548（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−11688（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱導部材とフィン部材との間に熱電変換
素子群を介在し、その熱電変換素子群に通電する熱電変
換装置において、前記熱導部材ならびにフィン部材の少なくともいずれか
一方の前記熱電変換素子群と対向する側がアルミニウム
から構成され、その熱電変換素子群と対向する面にアル
マイト層が設けられ、そのアルマイト層に形成された微
孔に封止剤を浸透させ、アルマイト層の表面に封止剤の
被膜を形成し、その封止剤の被膜と前記熱電変換素子群との間に、無機
フィラーを分散、保持したシリコーングリース層が介在
されていることを特徴とする熱電変換装置。