JP3369349B2 - 熱電変換装置 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
- F25B2321/025—Removal of heat
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電子冷蔵庫用電
子冷却装置、除湿装置あるいは空気調和装置（エヤーコ
ンディショナー）などに用いる熱電変換装置に関するも
のである。
子冷却装置、除湿装置あるいは空気調和装置（エヤーコ
ンディショナー）などに用いる熱電変換装置に関するも
のである。
【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、ペルチェ素子ある
いは電子冷却素子と称され、例えばコンパクトなクール
ボックスなどに使用されており、フロンなどの冷媒を用
いない冷却技術として注目されている。
入して所定のものを冷却する素子は、ペルチェ素子ある
いは電子冷却素子と称され、例えばコンパクトなクール
ボックスなどに使用されており、フロンなどの冷媒を用
いない冷却技術として注目されている。
【０００３】従来の電子冷却素子は、図５６に示すよう
に、アルミナなどからなる吸熱側絶縁基板１００の上に
吸熱側半田層１０１を介して吸熱側電極１０２が設けら
れ、その吸熱側電極１０２の上にＰ型半導体層１０３と
Ｎ型半導体層１０４とがそれぞれ配置されている。
に、アルミナなどからなる吸熱側絶縁基板１００の上に
吸熱側半田層１０１を介して吸熱側電極１０２が設けら
れ、その吸熱側電極１０２の上にＰ型半導体層１０３と
Ｎ型半導体層１０４とがそれぞれ配置されている。
【０００４】このＰ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４とを接続するように放熱側電極１０５が設けられ、
さらにその上に放熱側半田層１０６を介してアルミナな
どからなる放熱側絶縁基板１０７が配置されている。
０４とを接続するように放熱側電極１０５が設けられ、
さらにその上に放熱側半田層１０６を介してアルミナな
どからなる放熱側絶縁基板１０７が配置されている。
【０００５】前記Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４は吸熱側絶縁基板１００と放熱側絶縁基板１０７の
間に多数並列に介在されて、電気的には直列に接続され
ている。
０４は吸熱側絶縁基板１００と放熱側絶縁基板１０７の
間に多数並列に介在されて、電気的には直列に接続され
ている。
【０００６】この電子冷却素子に所定方向の電流を流す
ことにより、吸熱側絶縁基板１００側で吸熱が起こり、
その周囲が冷却される。
ことにより、吸熱側絶縁基板１００側で吸熱が起こり、
その周囲が冷却される。
【０００７】一方、放熱側絶縁基板１０７側で放熱が起
こるから、放熱フィンなどにより外部へ放熱することに
より熱移動が起こる仕組みになっている。
こるから、放熱フィンなどにより外部へ放熱することに
より熱移動が起こる仕組みになっている。
【０００８】
（Ａ）この電子冷却素子の吸熱量は、従来は次のような
式で表わされていた。
式で表わされていた。
【０００９】
Ｑab＝ｎＳＴc Ｉ−（1 ／2)Ｉ2 Ｒ−Ｋ・ΔＴ
Ｑab：吸熱量 〔Ｗ〕
ｎ：半導体素子数 〔個〕
Ｓ：ゼーベック係数 〔Ｖ／Ｋ〕
ＴC ：半導体の低温側温度 〔Ｋ〕
Ｉ：電子冷却素子に流す電流値 〔Ａ〕
Ｒ：電子冷却素子の内部抵抗 〔Ω〕
Ｋ：電子冷却素子の熱貫流率 〔Ｗ／Ｋ〕
しかしながら、これは定性的考察から導出された式であ
り、素子内の温度分布が直線的であるという仮定に立脚
した考え方である。しかも、電子冷却素子のみを捕らえ
ての熱計算であって、電子冷却素子を含むシステム全体
（例えば電子冷蔵庫というシステム）としての性能評価
を可能とするものではなかった。
り、素子内の温度分布が直線的であるという仮定に立脚
した考え方である。しかも、電子冷却素子のみを捕らえ
ての熱計算であって、電子冷却素子を含むシステム全体
（例えば電子冷蔵庫というシステム）としての性能評価
を可能とするものではなかった。
【００１０】（Ｂ）また電子冷却素子の性能指数Ｚと冷
却成績係数の最大値φmax との関係は、次式で与えられ
ていた。
却成績係数の最大値φmax との関係は、次式で与えられ
ていた。
【００１１】
φmax ＝〔ＴC ／２−ΔＴ／（Ｚ・ＴC ）〕／ＴH （３０）
φmax ：冷却成績係数の最大値
ＴC ：半導体の低温側温度 〔Ｋ〕
ＴH ：半導体の高温側温度 〔Ｋ〕
Ｚ：半導体の性能指数
Ｚ＝Ｓ2 σ／ｋ
Ｓ：ゼーベック係数
σ：電気伝導度
ｋ：熱伝導度
ΔＴ：半導体の低温側と高温側の温度差 〔Ｋ〕
この（３０）式に基づき図５７に示すように、熱電冷却
とその他冷却方式との成績係数の比較も行われている
〔電気学会技術報告（II部）第４３号参照〕。なお、同
図において圧縮式、吸収式ならびにダイレクトドライブ
ヒートポンプ（ＤＤＨＰ）式の成績係数と、それらの凝
縮温度と蒸発温度が電子冷却素子の高低接合部温度と等
価とみなして比較されている。
とその他冷却方式との成績係数の比較も行われている
〔電気学会技術報告（II部）第４３号参照〕。なお、同
図において圧縮式、吸収式ならびにダイレクトドライブ
ヒートポンプ（ＤＤＨＰ）式の成績係数と、それらの凝
縮温度と蒸発温度が電子冷却素子の高低接合部温度と等
価とみなして比較されている。
【００１２】しかし同図は電子冷却素子が単体としてと
り得る、即ち無限大の熱交換を前提にした場合の冷却成
績係数の理論値上限を示すにとどまり、電子冷却素子を
含むシステム全体の性能評価を可能とするものではなか
った。
り得る、即ち無限大の熱交換を前提にした場合の冷却成
績係数の理論値上限を示すにとどまり、電子冷却素子を
含むシステム全体の性能評価を可能とするものではなか
った。
【００１３】（Ｃ）従来の電子冷却装置は、前述の通り
アルミナなどのセラミック製絶縁基板１００，１０７を
使用しているため、基板自体の熱抵抗が大きい。
アルミナなどのセラミック製絶縁基板１００，１０７を
使用しているため、基板自体の熱抵抗が大きい。
【００１４】またフィンなどの吸熱側熱導体（図示せ
ず）−吸熱側絶縁基板１００，吸熱側絶縁基板１００−
吸熱側半田層１０１，吸熱側半田層１０１−吸熱側電極
１０２，吸熱側電極１０２−Ｐ型半導体層１０３とＮ型
半導体層１０４，Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４−放熱側電極１０５，放熱側電極１０５−放熱側半
田層１０６，放熱側半田層１０６−放熱側絶縁基板１０
７，放熱側絶縁基板１０７−フィンなどの放熱側熱導体
（図示せず）などの接触界面の接触熱抵抗や、吸熱側な
らびに放熱側熱導体自体の熱抵抗などが数多く存在する
から、半導体素子内部の温度差は必要以上に大きくな
り、そのために冷却性能、冷却成績係数が大巾に減少し
て、実際には図５７の上限理論値の約５０％程度または
それ以下である。
ず）−吸熱側絶縁基板１００，吸熱側絶縁基板１００−
吸熱側半田層１０１，吸熱側半田層１０１−吸熱側電極
１０２，吸熱側電極１０２−Ｐ型半導体層１０３とＮ型
半導体層１０４，Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４−放熱側電極１０５，放熱側電極１０５−放熱側半
田層１０６，放熱側半田層１０６−放熱側絶縁基板１０
７，放熱側絶縁基板１０７−フィンなどの放熱側熱導体
（図示せず）などの接触界面の接触熱抵抗や、吸熱側な
らびに放熱側熱導体自体の熱抵抗などが数多く存在する
から、半導体素子内部の温度差は必要以上に大きくな
り、そのために冷却性能、冷却成績係数が大巾に減少し
て、実際には図５７の上限理論値の約５０％程度または
それ以下である。
【００１５】（Ｄ）また従来、例えば電子冷蔵庫を設計
する場合、電子冷却素子を製造しているデバイスメーカ
側では各種寸法の電子冷却素子を多種多様に製造してお
り、一方、電子冷蔵庫を設計するユーザ側ではデバイス
メーカ側から適当な寸法の電子冷却素子を購入し、その
既製の電子冷却素子を使用して他の構成部材との関係で
電子冷却素子に流す電流値などを計算していた。
する場合、電子冷却素子を製造しているデバイスメーカ
側では各種寸法の電子冷却素子を多種多様に製造してお
り、一方、電子冷蔵庫を設計するユーザ側ではデバイス
メーカ側から適当な寸法の電子冷却素子を購入し、その
既製の電子冷却素子を使用して他の構成部材との関係で
電子冷却素子に流す電流値などを計算していた。
【００１６】このように従来の熱計算では、例えば電子
冷蔵庫というシステムにおいて全体を１つの熱の移動
（流れ）としてとらえるという設計思想はなく、前述の
ようにデバイスメーカ側では電子冷却素子単体としての
熱計算をして各種寸法の電子冷却素子を製作し、一方、
ユーザ側では既製の電子冷却素子から適当なものを選択
して別に熱計算をしているから、電子冷蔵庫というシス
テムにおいてそれを最も効率的に稼働させるために必要
な電子冷却素子という設計思想はなく、結局、効率面に
おいてシステム（用途）に合致した熱電変換装置を提供
することができなかった。
冷蔵庫というシステムにおいて全体を１つの熱の移動
（流れ）としてとらえるという設計思想はなく、前述の
ようにデバイスメーカ側では電子冷却素子単体としての
熱計算をして各種寸法の電子冷却素子を製作し、一方、
ユーザ側では既製の電子冷却素子から適当なものを選択
して別に熱計算をしているから、電子冷蔵庫というシス
テムにおいてそれを最も効率的に稼働させるために必要
な電子冷却素子という設計思想はなく、結局、効率面に
おいてシステム（用途）に合致した熱電変換装置を提供
することができなかった。
【００１７】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、高い成績係数（Coefficient of performan
ce：ＣＯＰ）が確実に得られ、しかもシステム設計が容
易な熱電変換装置を提供することにある。
点を解消し、高い成績係数（Coefficient of performan
ce：ＣＯＰ）が確実に得られ、しかもシステム設計が容
易な熱電変換装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、同じ厚さで多数並設されて電気的に直列
に接続されたＰ型半導体層ならびにＮ型半導体層と、そ
れら半導体層の吸熱側に配置された吸熱側熱導体と、そ
れら半導体層の放熱側に配置された放熱側熱導体と、前
記Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層に通電する給電手
段とを備えた熱電変換装置を対象とするものである。
め、本発明は、同じ厚さで多数並設されて電気的に直列
に接続されたＰ型半導体層ならびにＮ型半導体層と、そ
れら半導体層の吸熱側に配置された吸熱側熱導体と、そ
れら半導体層の放熱側に配置された放熱側熱導体と、前
記Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層に通電する給電手
段とを備えた熱電変換装置を対象とするものである。
【００１９】そして前記半導体層の厚さに基づいてその
半導体層に通電する電流密度を設定する、すなわち前記
半導体層の厚さが薄い場合は前記電流密度を高く設定
し、半導体層の厚さが厚い場合は前記電流密度を低く設
定したことを特徴とするものである。
半導体層に通電する電流密度を設定する、すなわち前記
半導体層の厚さが薄い場合は前記電流密度を高く設定
し、半導体層の厚さが厚い場合は前記電流密度を低く設
定したことを特徴とするものである。
【００２０】
【作用】本発明は、半導体層の厚さとそれに通電する電
流密度とＣＯＰの３者の間に相関関係があることを解明
し、それに基づいて半導体層の厚さが薄い場合はそれに
通電する電流密度を高く設定し、半導体層の厚さが厚い
場合は前記電流密度を低く設定することにより、ＣＯＰ
が０．６以上のものを確実に得ることができ、効率の良
い熱電変換装置の提供が可能となる。
流密度とＣＯＰの３者の間に相関関係があることを解明
し、それに基づいて半導体層の厚さが薄い場合はそれに
通電する電流密度を高く設定し、半導体層の厚さが厚い
場合は前記電流密度を低く設定することにより、ＣＯＰ
が０．６以上のものを確実に得ることができ、効率の良
い熱電変換装置の提供が可能となる。
【００２１】また本発明は、半導体層の厚さとそれに通
電する電流密度とＣＯＰとの関係を把握することによ
り、熱電変換装置として目標のＣＯＰを得るために必要
な半導体層の厚さと電流密度が簡単に分かるから、シス
テム設計が簡便となり、経済性を考慮した設計が可能と
なる。
電する電流密度とＣＯＰとの関係を把握することによ
り、熱電変換装置として目標のＣＯＰを得るために必要
な半導体層の厚さと電流密度が簡単に分かるから、シス
テム設計が簡便となり、経済性を考慮した設計が可能と
なる。
【００２２】
【実施例】図５は、熱電変換装置の概略構成を示すブロ
ック図である。同図に示すよう熱電変換装置は、電子冷
却素子と、電子冷却素子の両側にそれぞれ接合された吸
熱側熱導体（図面に向かって左側の熱導体）ならびに放
熱側熱導体（図面に向かって右側の熱導体）から構成さ
れており、ペルチェ効果を用いて図面に向かって左側か
ら吸熱され右側で熱が放出される仕組みになっている。
ック図である。同図に示すよう熱電変換装置は、電子冷
却素子と、電子冷却素子の両側にそれぞれ接合された吸
熱側熱導体（図面に向かって左側の熱導体）ならびに放
熱側熱導体（図面に向かって右側の熱導体）から構成さ
れており、ペルチェ効果を用いて図面に向かって左側か
ら吸熱され右側で熱が放出される仕組みになっている。
【００２３】このような構成において、電子冷却素子の
断面積を単位断面積（１〔ｃｍ2 〕）とし、前記熱導体
も半導体の単位断面積に相当する熱コンダクタンス（吸
熱側をΚC ，放熱側をＫH ）をとる。
断面積を単位断面積（１〔ｃｍ2 〕）とし、前記熱導体
も半導体の単位断面積に相当する熱コンダクタンス（吸
熱側をΚC ，放熱側をＫH ）をとる。
【００２４】同図において、ｘ軸方向の夫々の位置の温
度を以下とすると、 χ＝−ＬC では ＴC χ＝Ｏ では Ｔ０ χ＝Ｌ では ＴＬ χ＝ＬH では ＴH 定常状態の熱伝導方程式は、 κ（ｄ2 Τ／ｄχ2 ）＝Ｊ・〔ｄ（αＴ）／ｄχ〕−Ｊ2 ／σ−ｄκ／ｄχ・ ｄΤ／ｄχ （１） 熱流密度ＪQ （χ）は、 ＪQ （χ）＝αＪΤ−κ（ｄΤ／ｄχ） （２） ここに κ：熱伝導率〔Ｗ／（ｃｍ・ｄｅｇ）〕 α：ゼーベック係数〔Ｖ／ｄｅｇ〕（ｎ形で負，ｐ形で
正） σ：導電率〔Ｓ／ｃｍ〕 Ｊ：電流密度〔Ａ／ｃｍ2 〕（ｎ形で負） （１）式で、 αΤ＝−（βＴ＋｜ΕF ／ｑ｜） （３） （β＝２ｋB ／｜ｑ｜，ΕF ：フェルミエネルギー，ｋ
B ：ボルツマン定数，ｑ：電子の電荷量）とし、κ，σ
を一定とすると次の線形微分方程式になる。
度を以下とすると、 χ＝−ＬC では ＴC χ＝Ｏ では Ｔ０ χ＝Ｌ では ＴＬ χ＝ＬH では ＴH 定常状態の熱伝導方程式は、 κ（ｄ2 Τ／ｄχ2 ）＝Ｊ・〔ｄ（αＴ）／ｄχ〕−Ｊ2 ／σ−ｄκ／ｄχ・ ｄΤ／ｄχ （１） 熱流密度ＪQ （χ）は、 ＪQ （χ）＝αＪΤ−κ（ｄΤ／ｄχ） （２） ここに κ：熱伝導率〔Ｗ／（ｃｍ・ｄｅｇ）〕 α：ゼーベック係数〔Ｖ／ｄｅｇ〕（ｎ形で負，ｐ形で
正） σ：導電率〔Ｓ／ｃｍ〕 Ｊ：電流密度〔Ａ／ｃｍ2 〕（ｎ形で負） （１）式で、 αΤ＝−（βＴ＋｜ΕF ／ｑ｜） （３） （β＝２ｋB ／｜ｑ｜，ΕF ：フェルミエネルギー，ｋ
B ：ボルツマン定数，ｑ：電子の電荷量）とし、κ，σ
を一定とすると次の線形微分方程式になる。
【００２５】
κ（ｄ2 Ｔ／ｄχ2 ）＝βＪ0 ｄΤ／ｄχ−Ｊ0 2 ／σ，Ｊ0 ＝−Ｊ（４）
この一般解は、
Τ＝κ／（β2 σ）＋Ｊ0 χ／（βσ）−Ｃ1 κ／（βＪ0 ）＋
Ｃ2 ｅｘｐ（βＪ0 χ／κ） （５）
Ｃ1 ，Ｃ2 は積分定数、また（２）式は、
ＪQ （χ）＝−αＪ0 Τ−κＪ0 ／（βσ）−
Ｃ2 βＪ0 ｅｘｐ（βＪ0 χ／κ） （６）
パッシブな熱導体部の方程式は、
κ（ｄ2 Τ／ｄχ2 ）＝０ （７）
ＪQ （χ）＝−κ（ｄＴ／ｄχ） （８）
であり、一般解はＣ3 およびＣ4 を積分定数として、
Τ＝Ｃ3 χ＋Ｃ4 （９）
ＪQ （χ）＝−κＣ3 （10）
境界条件を代入する。−ＬC ≦χ≦０ではκ＝κC とし
て、 Ｔ＝（Τ0 −ΤC ）χ／ＬC ＋Τ0 （11） ＪQ （０）＝κC （ΤC −Τ0 ）／ＬC （12） Ｌ≦χ≦ＬH ではκ＝κH として、 Τ＝｛（ΤH −ＴL ）χ−ΤH Ｌ＋ＴL ＬH ｝／（ＬH −Ｌ） （13） ＪQ （Ｌ）＝κH （ΤL −ＴH ）／（ＬH −Ｌ） （14） ０≦χ≦Ｌでは、 Τ0 ＝κ／（β2 σ）−Ｃ1 κ／（βＪ0 ）＋Ｃ2 （15） ＴL ＝κ／（β2 σ）＋Ｊ0 Ｌ／（βσ）−Ｃ1 κ／（βＪ0 ）＋ Ｃ2 ｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ） （16） ＪQ （０）＝−〔αＴ0 ＋κ／（βσ）＋Ｃ2 β〕×Ｊ0 吸熱量 （17） ＪQ （Ｌ）＝−Ｊ0 ｛αＴL ＋κ／（βσ）＋Ｃ2 βｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ）｝ （18） 前記（15），（16）より、 Β＝１／｛ｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ）−１｝とすると、 Ｃ2 ＝Β｛ΤL −Τ0 −Ｊ0 Ｌ／（βσ）｝ Ｃ1 ＝βＪ0 ／κ｛κ／（β2 σ）＋Ｃ2 −Τ0 ｝ （19） いま、 Ｆ0 ＝（−α＋Ββ）Ｊ0 ＋κC ／ＬC Ｇ0 ＝κC ＴC ／ＬC ＋Ｊ0 〔κ／（βσ）−ＢＪ0 Ｌ／σ〕 ＦL ＝｛−α−β（１＋Β）｝Ｊ0 −κH ／（ＬH −Ｌ） ＧL ＝−κH ＴH ／（ＬH −Ｌ）＋Ｊ0 ｛κ／（βσ）− Ｊ0 Ｌ（１＋Β）／σ｝ （20） とすると、以下のように電子冷却素子両端の温度が求ま
る。
て、 Ｔ＝（Τ0 −ΤC ）χ／ＬC ＋Τ0 （11） ＪQ （０）＝κC （ΤC −Τ0 ）／ＬC （12） Ｌ≦χ≦ＬH ではκ＝κH として、 Τ＝｛（ΤH −ＴL ）χ−ΤH Ｌ＋ＴL ＬH ｝／（ＬH −Ｌ） （13） ＪQ （Ｌ）＝κH （ΤL −ＴH ）／（ＬH −Ｌ） （14） ０≦χ≦Ｌでは、 Τ0 ＝κ／（β2 σ）−Ｃ1 κ／（βＪ0 ）＋Ｃ2 （15） ＴL ＝κ／（β2 σ）＋Ｊ0 Ｌ／（βσ）−Ｃ1 κ／（βＪ0 ）＋ Ｃ2 ｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ） （16） ＪQ （０）＝−〔αＴ0 ＋κ／（βσ）＋Ｃ2 β〕×Ｊ0 吸熱量 （17） ＪQ （Ｌ）＝−Ｊ0 ｛αＴL ＋κ／（βσ）＋Ｃ2 βｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ）｝ （18） 前記（15），（16）より、 Β＝１／｛ｅｘｐ（βＪ0 Ｌ／κ）−１｝とすると、 Ｃ2 ＝Β｛ΤL −Τ0 −Ｊ0 Ｌ／（βσ）｝ Ｃ1 ＝βＪ0 ／κ｛κ／（β2 σ）＋Ｃ2 −Τ0 ｝ （19） いま、 Ｆ0 ＝（−α＋Ββ）Ｊ0 ＋κC ／ＬC Ｇ0 ＝κC ＴC ／ＬC ＋Ｊ0 〔κ／（βσ）−ＢＪ0 Ｌ／σ〕 ＦL ＝｛−α−β（１＋Β）｝Ｊ0 −κH ／（ＬH −Ｌ） ＧL ＝−κH ＴH ／（ＬH −Ｌ）＋Ｊ0 ｛κ／（βσ）− Ｊ0 Ｌ（１＋Β）／σ｝ （20） とすると、以下のように電子冷却素子両端の温度が求ま
る。
【００２６】
Ｄ＝Ｆ0 ＦL ＋（βＪ0 ）2 Β（１＋Β）
Τ0 ＝（ＦL Ｇ0 ＋ΒβＪ0 ＧL ）／Ｄ
ＴL ＝｛Ｆ0 ＧL −（１＋Β）βＪ0 Ｇ0 ｝／Ｄ （21）
入力電力密度Ｐは、
Ｐ＝Ｊ0 2 Ｌ／σ＋｜α｜Ｊ0 （ＴL −Τ0 ） （22）
ＣＯＰは、
ＣＯＰ＝ＪQ （０）／Ｐ （23）
として必要な諸量が求められる。
【００２７】前記（５）式より求めた温度が実際の値と
整合するか確認した。半導体のチップは、３×３〔ｍｍ
2 〕の断面積を有し、高さが１０〔ｍｍ〕のものをπ
（パイ）型に組み、電流密度をＪ＝４４．４〔Ａ／ｃｍ
2 〕として半導体の側面の温度を赤外線検出方式による
非接触式温度計で測定した。
整合するか確認した。半導体のチップは、３×３〔ｍｍ
2 〕の断面積を有し、高さが１０〔ｍｍ〕のものをπ
（パイ）型に組み、電流密度をＪ＝４４．４〔Ａ／ｃｍ
2 〕として半導体の側面の温度を赤外線検出方式による
非接触式温度計で測定した。
【００２８】使用した半導体の物性などの条件は、下記
の通りである。
の通りである。
【００２９】
ゼーベック係数 ２０５〔μＶ／Κ〕
熱伝導率 ０．０１１５〔Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）〕
電気伝導度 ６００〔Ｓ／ｃｍ〕
ΚC ０．１〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕
ΚH １〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕
ΤC ４．１８〔℃〕
ΤH ３５〔℃〕
この比較結果を図６に示す。図中の実線は前記（５）式
に基づいてシミュレーションした電子冷却素子内の温度
分布、黒丸は実測値であり、本理論は実測値とよく一致
していることが分かる。
に基づいてシミュレーションした電子冷却素子内の温度
分布、黒丸は実測値であり、本理論は実測値とよく一致
していることが分かる。
【００３０】なお、前述のモデルにおいてΚC ならびに
ΚH は、次のように定義される。 ΚC ，ΚH ：吸熱側ならびに放熱側の両側に設けられる
熱導体のそれぞれの熱コンダクタンスであり、電子冷却
素子の半導体の単位断面積当たりのコンダクタンスを言
う。例えば、吸熱側半導体の低温側と外気との間でフィ
ン全体としてコンダクタンスが５〔Ｗ／℃〕の場合で、
半導体層の総断面積が２〔ｃｍ2 〕の時は、ΚC は（５
／２＝）２．５〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕となる。
ΚH は、次のように定義される。 ΚC ，ΚH ：吸熱側ならびに放熱側の両側に設けられる
熱導体のそれぞれの熱コンダクタンスであり、電子冷却
素子の半導体の単位断面積当たりのコンダクタンスを言
う。例えば、吸熱側半導体の低温側と外気との間でフィ
ン全体としてコンダクタンスが５〔Ｗ／℃〕の場合で、
半導体層の総断面積が２〔ｃｍ2 〕の時は、ΚC は（５
／２＝）２．５〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕となる。
【００３１】熱電変換装置のシステムで使用される効率
はＣＯＰであり、このＣＯＰは前記（２３）式に示され
ているように入力電力Ｐに対する冷却部の吸熱量ＪQ の
割合で定義される〔ＣＯＰ＝ＪQ ／Ｐ〕。
はＣＯＰであり、このＣＯＰは前記（２３）式に示され
ているように入力電力Ｐに対する冷却部の吸熱量ＪQ の
割合で定義される〔ＣＯＰ＝ＪQ ／Ｐ〕。
【００３２】冷媒としてフロンガスを使用したコンプレ
ッサ式で容積が９０〔リットル〕の通常の家庭用電気冷
蔵庫において、冷蔵庫の周囲温度が３０〔℃〕の夏場の
過激な条件においては、平均で入力電力は７０．５
〔Ｗ〕、吸熱量は４２．３〔Ｗ〕であるから、成績係数
ＣＯＰは４２．３／７０．５＝０．６となる。なお、冷
蔵庫の周囲温度が１５℃の冬場においては平均吸熱量は
１９．９〔Ｗ〕と低く夏場の半分以下であり、入力電力
も少なくてよいから、過激な条件である夏場のＣＯＰ＝
０．６以上を目標にすればよい。
ッサ式で容積が９０〔リットル〕の通常の家庭用電気冷
蔵庫において、冷蔵庫の周囲温度が３０〔℃〕の夏場の
過激な条件においては、平均で入力電力は７０．５
〔Ｗ〕、吸熱量は４２．３〔Ｗ〕であるから、成績係数
ＣＯＰは４２．３／７０．５＝０．６となる。なお、冷
蔵庫の周囲温度が１５℃の冬場においては平均吸熱量は
１９．９〔Ｗ〕と低く夏場の半分以下であり、入力電力
も少なくてよいから、過激な条件である夏場のＣＯＰ＝
０．６以上を目標にすればよい。
【００３３】従ってこの電子冷却装置において成績係数
ＣＯＰが０．６以上あれば、フロンガス使用のコンプレ
ッサ式電気冷蔵庫の代替冷却システムとして使用するこ
とが可能である。またこの代替冷却システムにより、フ
ロンレスが可能になるとともに、冷蔵庫の小型、軽量、
低騒音などが図れるという特長を有している。
ＣＯＰが０．６以上あれば、フロンガス使用のコンプレ
ッサ式電気冷蔵庫の代替冷却システムとして使用するこ
とが可能である。またこの代替冷却システムにより、フ
ロンレスが可能になるとともに、冷蔵庫の小型、軽量、
低騒音などが図れるという特長を有している。
【００３４】半導体を得る方法として、一方向に冷間圧
縮して焼結する通常の焼結法、プラズマ焼結法、等方等
圧で圧縮した後に焼結する方法、ゾーンメルト法、高温
雰囲気で圧縮しながら焼結する方法などが好適であり、
これらの方法で製造される半導体の性能指数Ｚは２．５
×１０-3〔／Ｋ〕以上である。
縮して焼結する通常の焼結法、プラズマ焼結法、等方等
圧で圧縮した後に焼結する方法、ゾーンメルト法、高温
雰囲気で圧縮しながら焼結する方法などが好適であり、
これらの方法で製造される半導体の性能指数Ｚは２．５
×１０-3〔／Ｋ〕以上である。
【００３５】半導体の厚さｔ（平均値）は、後述の実験
例で示しているように約０．０３〜０．５〔ｃｍ〕のも
のが好適である。この厚さｔの下限値ならびに上限値は
厳密なものではないが、約０．０３〔ｃｍ〕よりも薄い
と半導体の製造時あるいは取扱時等にクラックや欠けな
どが生じ易くなり、一方、約０．５〔ｃｍ〕よりも厚く
なるとコスト高になり好ましくない。
例で示しているように約０．０３〜０．５〔ｃｍ〕のも
のが好適である。この厚さｔの下限値ならびに上限値は
厳密なものではないが、約０．０３〔ｃｍ〕よりも薄い
と半導体の製造時あるいは取扱時等にクラックや欠けな
どが生じ易くなり、一方、約０．５〔ｃｍ〕よりも厚く
なるとコスト高になり好ましくない。
【００３６】次に本発明の具体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熱電変換装置を使用
した電子冷蔵庫の概略断面図、図２はその熱電変換装置
の一部拡大断面図、図３はその熱電変換装置に使用する
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。
る。図１は本発明の一実施例に係る熱電変換装置を使用
した電子冷蔵庫の概略断面図、図２はその熱電変換装置
の一部拡大断面図、図３はその熱電変換装置に使用する
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。
【００３７】電子冷蔵庫は図１に示すように、発泡ウレ
タン樹脂などの断熱材からなる箱体１と、同じく断熱材
からなり前記箱体１の側部で開閉するドア部２とを備え
ている。その箱体１の上部背面の一部に、本発明の実施
例に係る熱電変換装置３が装着されている。
タン樹脂などの断熱材からなる箱体１と、同じく断熱材
からなり前記箱体１の側部で開閉するドア部２とを備え
ている。その箱体１の上部背面の一部に、本発明の実施
例に係る熱電変換装置３が装着されている。
【００３８】この熱電変換装置３は図２に示すように、
吸熱体４と、放熱フィン６と、その吸熱体４と放熱フィ
ン６の間に介在された電子冷却素子群５と、支持体７
と、フアン８から主に構成されている。
吸熱体４と、放熱フィン６と、その吸熱体４と放熱フィ
ン６の間に介在された電子冷却素子群５と、支持体７
と、フアン８から主に構成されている。
【００３９】前記吸熱体４はアルミニウムからなり、箱
体１側との接触面積を広くとるために両側にフランジ部
９が設けられ、中央部に電子冷却素子群５を取り付ける
台形部１０が形成されている。放熱フィン６からの対
流、輻射による熱流の戻りを可及的に少なくするため、
吸熱体４は所定の高さＨを有し、前記フランジ部９と放
熱フィン６のフランジ部１１が離れている。
体１側との接触面積を広くとるために両側にフランジ部
９が設けられ、中央部に電子冷却素子群５を取り付ける
台形部１０が形成されている。放熱フィン６からの対
流、輻射による熱流の戻りを可及的に少なくするため、
吸熱体４は所定の高さＨを有し、前記フランジ部９と放
熱フィン６のフランジ部１１が離れている。
【００４０】放熱フィン６側にはフランジ部１１が設け
られ、フランジ部１１のフアン８側には金属板をジグザ
グ状に折り曲げた羽根１２が立設されて、十分な放熱面
積を確保している。
られ、フランジ部１１のフアン８側には金属板をジグザ
グ状に折り曲げた羽根１２が立設されて、十分な放熱面
積を確保している。
【００４１】前記電子冷却素子群５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１３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１４ならびにＮ
形半導体層１５と、このＰ形半導体層１４とＮ形半導体
層１５とを接続する放熱側電極１６とから構成されてい
る。多数のＰ形半導体層１４とＮ形半導体層１５とが図
３に示すように同じ厚さで並列に配置され、電気的には
図４に示すように直列に接続されている。
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１３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１４ならびにＮ
形半導体層１５と、このＰ形半導体層１４とＮ形半導体
層１５とを接続する放熱側電極１６とから構成されてい
る。多数のＰ形半導体層１４とＮ形半導体層１５とが図
３に示すように同じ厚さで並列に配置され、電気的には
図４に示すように直列に接続されている。
【００４２】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１３が、他方の面に放熱側電極１６が露呈
している。
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１３が、他方の面に放熱側電極１６が露呈
している。
【００４３】各電子冷却素子群５と吸熱体４との間、な
らびに各電子冷却素子群５と放熱フィン６との間には図
３に示すように、高熱伝導性のシリコーングリース層１
７が形成されている。
らびに各電子冷却素子群５と放熱フィン６との間には図
３に示すように、高熱伝導性のシリコーングリース層１
７が形成されている。
【００４４】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１０〔μ
ｍ〕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×
１０-3〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕以上と高く、
一般のシリコーングリースの３×１０-4〔ｃａｌ／（ｃ
ｍ・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
性と粘着性を保持している。
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１０〔μ
ｍ〕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×
１０-3〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕以上と高く、
一般のシリコーングリースの３×１０-4〔ｃａｌ／（ｃ
ｍ・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
性と粘着性を保持している。
【００４５】前記吸熱体４ならびに放熱フィン６の少な
くとも前記電子冷却素子群５と対向する面には、アルマ
イトからなる極薄い（例えば３〜２０〔μｍ〕程度）電
気絶縁層１８が形成される。
くとも前記電子冷却素子群５と対向する面には、アルマ
イトからなる極薄い（例えば３〜２０〔μｍ〕程度）電
気絶縁層１８が形成される。
【００４６】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、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が無数に形成される。このよう
に微孔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、微孔がそのままの状態
で残っていると、吸熱体４，放熱フィン６と電子冷却素
子群５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。
て形成されるが、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が無数に形成される。このよう
に微孔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、微孔がそのままの状態
で残っていると、吸熱体４，放熱フィン６と電子冷却素
子群５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。
【００４７】そのため本実施例では、前記微孔に例えば
酢酸ニッケルなどの封止剤を浸透させて熱伝導性を改善
している。この封止剤によって微孔の全体が埋っている
方が好ましいが、封止剤が微孔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。また、電気絶縁層１８（アルマイト
層）の表面に封止剤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。
酢酸ニッケルなどの封止剤を浸透させて熱伝導性を改善
している。この封止剤によって微孔の全体が埋っている
方が好ましいが、封止剤が微孔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。また、電気絶縁層１８（アルマイト
層）の表面に封止剤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。
【００４８】なお、シリコーングリース層１７の代わり
に熱伝導性の良い接着剤、例えば東レダウコーニング社
製のシリコーン系伝熱用ゲル｛熱伝導率が例えば１．８
×１０-3〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕｝などの熱
伝導用充填物を介在することも可能である。
に熱伝導性の良い接着剤、例えば東レダウコーニング社
製のシリコーン系伝熱用ゲル｛熱伝導率が例えば１．８
×１０-3〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅｃ・℃）〕｝などの熱
伝導用充填物を介在することも可能である。
【００４９】図２に示すように、吸熱体４と放熱フィン
６との間で挟持された電子冷却素子群５の周囲はシール
剤層１９で気液密にシールされている。このシール剤に
は例えばエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹
脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系などが使
用可能であり、本実施例の場合は中空状のガラス微粒子
を２０〜６５〔重量％〕（好ましくは３０〜６０〔重量
％〕）均一に分散したエポキシ系樹脂が使用される。こ
の中空状のガラス微粒子は２０〜１３０〔μｍ〕の径を
有し、壁厚は０．５〜２〔μｍ〕、平均粒子比重は０．
１〜０．４で、中空状ガラス微粒子を含有したエポキシ
系樹脂は熱伝導率が１×１０-4〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅ
ｃ・℃）〕と非常に低い。
６との間で挟持された電子冷却素子群５の周囲はシール
剤層１９で気液密にシールされている。このシール剤に
は例えばエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹
脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系などが使
用可能であり、本実施例の場合は中空状のガラス微粒子
を２０〜６５〔重量％〕（好ましくは３０〜６０〔重量
％〕）均一に分散したエポキシ系樹脂が使用される。こ
の中空状のガラス微粒子は２０〜１３０〔μｍ〕の径を
有し、壁厚は０．５〜２〔μｍ〕、平均粒子比重は０．
１〜０．４で、中空状ガラス微粒子を含有したエポキシ
系樹脂は熱伝導率が１×１０-4〔ｃａｌ／（ｃｍ・ｓｅ
ｃ・℃）〕と非常に低い。
【００５０】図２に示すように吸熱体４のフランジ部９
と放熱フィン６のフランジ部１１との間にはハニカム構
造をした、例えばはっ水処理した紙、合成樹脂、セラミ
ックなどからなる実質的に殆ど弾性をもたない剛性で熱
伝導性の悪い支持体７が介在されている。そして支持体
７とフランジ部９，１１との間は接着剤２０によって一
体に連結されている。この接着剤２０としてはエポキシ
系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹脂、ポリエステル系
樹脂、ゴム系などが使用可能であり、本実施例の場合は
エポキシ系樹脂が用いられている。
と放熱フィン６のフランジ部１１との間にはハニカム構
造をした、例えばはっ水処理した紙、合成樹脂、セラミ
ックなどからなる実質的に殆ど弾性をもたない剛性で熱
伝導性の悪い支持体７が介在されている。そして支持体
７とフランジ部９，１１との間は接着剤２０によって一
体に連結されている。この接着剤２０としてはエポキシ
系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹脂、ポリエステル系
樹脂、ゴム系などが使用可能であり、本実施例の場合は
エポキシ系樹脂が用いられている。
【００５１】図７ないし図３３は、図２に示した熱電変
換装置においてＫC と半導体層に通電する電流密度を種
々変えて、ＣＯＰが０．６以上になる領域を実験で求め
た図である。
換装置においてＫC と半導体層に通電する電流密度を種
々変えて、ＣＯＰが０．６以上になる領域を実験で求め
た図である。
【００５２】なおこれらの実験においては、下記の条件
は全て一定とした。 半導体の材質 Ｂｉ−Ｔｅ系材料 半導体（チップ）１つの大きさ 縦、横とも０．１４〔ｃｍ〕 半導体（チップ）の使用個数 １０１６〔個（５０８対）〕 ゼーベック係数（Ｓ） ２０５〔μＶ／ｄｅｇ〕 電気伝導度（σ） １０２０〔Ｓ／ｃｍ〕 熱伝導率（κ） 0.0144〔Ｗ／（ｃｍ・ｄｅｇ）〕 半導体の性能指数（Ｚ） ３．０×１０-3〔／Ｋ〕 吸熱側温度（庫内温度）（ＴC ） ５〔℃〕 放熱側温度（外気温度）（ＴH ） ３０〔℃〕 図７ないし図１１は、放熱側熱コンダクタンスＫH を吸
熱側熱コンダクタンスＫC の０．５３倍にして吸熱側の
熱交換性能を高めた熱電変換装置（以下、Ａタイプと略
称する）において、半導体（チップ）の厚さｔを０．０
３〔ｃｍ〕（図７）、０．０８〔ｃｍ〕（図８）、０．
１６〔ｃｍ〕（図９）、０．３〔ｃｍ〕（図１０）、
０．５〔ｃｍ〕（図１１）にして、半導体断面積１〔ｃ
ｍ2 〕当たりの吸熱側熱導体の熱コンダクタンス
（ＫC ）と、半導体に通電する電流密度（Ｊ）との関係
を実験で求め、そのうちでＣＯＰが０．６以上になる領
域を斜線で示した図である。
は全て一定とした。 半導体の材質 Ｂｉ−Ｔｅ系材料 半導体（チップ）１つの大きさ 縦、横とも０．１４〔ｃｍ〕 半導体（チップ）の使用個数 １０１６〔個（５０８対）〕 ゼーベック係数（Ｓ） ２０５〔μＶ／ｄｅｇ〕 電気伝導度（σ） １０２０〔Ｓ／ｃｍ〕 熱伝導率（κ） 0.0144〔Ｗ／（ｃｍ・ｄｅｇ）〕 半導体の性能指数（Ｚ） ３．０×１０-3〔／Ｋ〕 吸熱側温度（庫内温度）（ＴC ） ５〔℃〕 放熱側温度（外気温度）（ＴH ） ３０〔℃〕 図７ないし図１１は、放熱側熱コンダクタンスＫH を吸
熱側熱コンダクタンスＫC の０．５３倍にして吸熱側の
熱交換性能を高めた熱電変換装置（以下、Ａタイプと略
称する）において、半導体（チップ）の厚さｔを０．０
３〔ｃｍ〕（図７）、０．０８〔ｃｍ〕（図８）、０．
１６〔ｃｍ〕（図９）、０．３〔ｃｍ〕（図１０）、
０．５〔ｃｍ〕（図１１）にして、半導体断面積１〔ｃ
ｍ2 〕当たりの吸熱側熱導体の熱コンダクタンス
（ＫC ）と、半導体に通電する電流密度（Ｊ）との関係
を実験で求め、そのうちでＣＯＰが０．６以上になる領
域を斜線で示した図である。
【００５３】図１２ないし図１６は、放熱側熱コンダク
タンスＫH を吸熱側熱コンダクタンスＫC の２．６７倍
にした熱電変換装置（以下、Ｂタイプと略称する）にお
いて、半導体の厚さｔを０．０３〔ｃｍ〕（図１２）、
０．０８〔ｃｍ〕（図１３）、０．１６〔ｃｍ〕（図１
４）、０．３〔ｃｍ〕（図１５）、０．５〔ｃｍ〕（図
１６）にして、吸熱側熱導体の熱コンダクタンス
（ＫC ）と、半導体に通電する電流密度（Ｊ）との関係
を求め、そのうちでＣＯＰが０．６以上になる領域を斜
線で示した図である。
タンスＫH を吸熱側熱コンダクタンスＫC の２．６７倍
にした熱電変換装置（以下、Ｂタイプと略称する）にお
いて、半導体の厚さｔを０．０３〔ｃｍ〕（図１２）、
０．０８〔ｃｍ〕（図１３）、０．１６〔ｃｍ〕（図１
４）、０．３〔ｃｍ〕（図１５）、０．５〔ｃｍ〕（図
１６）にして、吸熱側熱導体の熱コンダクタンス
（ＫC ）と、半導体に通電する電流密度（Ｊ）との関係
を求め、そのうちでＣＯＰが０．６以上になる領域を斜
線で示した図である。
【００５４】図１７ないし図２１は、放熱側熱コンダク
タンスＫH を吸熱側熱コンダクタンスＫC の１３．４倍
にして放熱側の熱交換性能を高めた熱電変換装置（以
下、Ｃタイプと略称する）において、半導体の厚さｔを
０．０３〔ｃｍ〕（図１７）、０．０８〔ｃｍ〕（図１
８）、０．１６〔ｃｍ〕（図１９）、０．３〔ｃｍ〕
（図２０）、０．５〔ｃｍ〕（図２１）にして、吸熱側
熱導体の熱コンダクタンス（ＫC ）と、半導体に通電す
る電流密度（Ｊ）との関係を求め、そのうちでＣＯＰが
０．６以上になる領域を斜線で示した図である。
タンスＫH を吸熱側熱コンダクタンスＫC の１３．４倍
にして放熱側の熱交換性能を高めた熱電変換装置（以
下、Ｃタイプと略称する）において、半導体の厚さｔを
０．０３〔ｃｍ〕（図１７）、０．０８〔ｃｍ〕（図１
８）、０．１６〔ｃｍ〕（図１９）、０．３〔ｃｍ〕
（図２０）、０．５〔ｃｍ〕（図２１）にして、吸熱側
熱導体の熱コンダクタンス（ＫC ）と、半導体に通電す
る電流密度（Ｊ）との関係を求め、そのうちでＣＯＰが
０．６以上になる領域を斜線で示した図である。
【００５５】例えば図７において明らかなように、半導
体の厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕のものを使用し、その熱
電変換装置のＫC が６〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕であって
も、電流密度が２００〔Ａ／ｃｍ2 〕であるとＣＯＰは
０．６未満であるが、電流密度を４００〜８００〔Ａ／
ｃｍ2 〕に高めるとＣＯＰは確実に０．６以上となり、
電流密度をさらに高くするとＣＯＰは０．６未満とな
る。
体の厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕のものを使用し、その熱
電変換装置のＫC が６〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕であって
も、電流密度が２００〔Ａ／ｃｍ2 〕であるとＣＯＰは
０．６未満であるが、電流密度を４００〜８００〔Ａ／
ｃｍ2 〕に高めるとＣＯＰは確実に０．６以上となり、
電流密度をさらに高くするとＣＯＰは０．６未満とな
る。
【００５６】また図７と図８とを比較すると、半導体の
厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕から０．０８〔ｃｍ〕に厚く
なると、ＫC が６〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕のものにおい
ても、電流密度を２００〔Ａ／ｃｍ2 〕にすることによ
りＣＯＰは確実に０．６以上になる。
厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕から０．０８〔ｃｍ〕に厚く
なると、ＫC が６〔Ｗ／（℃・ｃｍ2 ）〕のものにおい
ても、電流密度を２００〔Ａ／ｃｍ2 〕にすることによ
りＣＯＰは確実に０．６以上になる。
【００５７】前述のＡ，Ｂ．ＣのタイプによってＣＯＰ
が０．６以上になる領域（斜線部分）の位置は多少異な
るが、半導体の厚さｔが厚くなるに従って、ＣＯＰが
０．６以上になる領域が、電流密度を低くしても得られ
る傾向にあり、半導体の厚さｔと電流密度とＣＯＰの間
に相関関係があることが分かる。
が０．６以上になる領域（斜線部分）の位置は多少異な
るが、半導体の厚さｔが厚くなるに従って、ＣＯＰが
０．６以上になる領域が、電流密度を低くしても得られ
る傾向にあり、半導体の厚さｔと電流密度とＣＯＰの間
に相関関係があることが分かる。
【００５８】前述の図７ないし図２１は、ＣＯＰが０．
６以上になる領域を求めた特性図であるが、次に説明す
る図２２ないし図４３は、Ｂタイプの熱電変換装置にお
いて、ＣＯＰが０．６以上になる領域を求めた特性図で
ある。
６以上になる領域を求めた特性図であるが、次に説明す
る図２２ないし図４３は、Ｂタイプの熱電変換装置にお
いて、ＣＯＰが０．６以上になる領域を求めた特性図で
ある。
【００５９】図２２ないし図２４は、半導体の厚さｔが
０．０３〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２２）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図２
３）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図２４）を示してい
る。
０．０３〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２２）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図２
３）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図２４）を示してい
る。
【００６０】図２５ないし図２８は、半導体の厚さｔが
０．０８〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２５）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図２
６）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図２７）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図２８）を示している。
０．０８〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２５）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図２
６）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図２７）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図２８）を示している。
【００６１】図２９ないし図３３は、半導体の厚さｔが
０．１６〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２９）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図３
０）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図３１）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図３２）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図３３）を示している。
０．１６〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上
の領域（図２９）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図３
０）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図３１）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図３２）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図３３）を示している。
【００６２】図３４ないし図３８は、半導体の厚さｔが
０．３〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上の
領域（図３４）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図３
５）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図３６）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図３７）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図３８）を示している。
０．３〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上の
領域（図３４）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図３
５）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図３６）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図３７）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図３８）を示している。
【００６３】図３９ないし図４３は、半導体の厚さｔが
０．５〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上の
領域（図３９）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図４
０）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図４１）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図４２）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図４３）を示している。
０．５〔ｃｍ〕のものを使用し、ＣＯＰが０．７以上の
領域（図３９）、ＣＯＰが０．８以上の領域（図４
０）、ＣＯＰが０．９以上の領域（図４１）、ＣＯＰが
１．０以上の領域（図４２）、ＣＯＰが１．１以上の領
域（図４３）を示している。
【００６４】これらの各図から明らかなように、ＣＯＰ
の値が徐々に高くなるに従って、斜線部分の領域が狭く
なるとともに、ＫC の値も制限される。
の値が徐々に高くなるに従って、斜線部分の領域が狭く
なるとともに、ＫC の値も制限される。
【００６５】図４４ないし図４８は、半導体の性能指数
（Ｚ）を種々変えた場合における、半導体の厚さｔと電
流密度との関係を求め、ＣＯＰが０．６以上の領域を斜
線で示した特性図であり、図４４はＺが２．５×１０-3
〔／Ｋ〕、図４５はＺが２．７×１０-3〔／Ｋ〕、図４
６はＺが３．０×１０-3〔／Ｋ〕、図４７はＺが３．５
×１０-3〔／Ｋ〕、図４８はＺが４．０×１０-3〔／
Ｋ〕の場合の特性図である。
（Ｚ）を種々変えた場合における、半導体の厚さｔと電
流密度との関係を求め、ＣＯＰが０．６以上の領域を斜
線で示した特性図であり、図４４はＺが２．５×１０-3
〔／Ｋ〕、図４５はＺが２．７×１０-3〔／Ｋ〕、図４
６はＺが３．０×１０-3〔／Ｋ〕、図４７はＺが３．５
×１０-3〔／Ｋ〕、図４８はＺが４．０×１０-3〔／
Ｋ〕の場合の特性図である。
【００６６】なお各図中の○印はＡタイプ、×印はＣタ
イプのものを示し、半導体の厚さｔが比較的厚い場合は
タイプの差はほとんどないが、半導体の厚さｔが薄くな
ると少しはタイプの差がでる。
イプのものを示し、半導体の厚さｔが比較的厚い場合は
タイプの差はほとんどないが、半導体の厚さｔが薄くな
ると少しはタイプの差がでる。
【００６７】これらの図から明らかなように、半導体の
厚さｔとＣＯＰが０．６以上の領域を得るために必要な
電流密度との間には相関関係があり、半導体の厚さｔが
例えば０．３〔ｃｍ〕，０．５〔ｃｍ〕のように比較的
厚い場合には電流密度は低い範囲で規制する必要があ
り、一方、半導体の厚さｔが例えば０．０３〔ｃｍ〕，
０．０８〔ｃｍ〕，０．１６〔ｃｍ〕のように比較的薄
い場合には電流密度は高い範囲で規制する必要がある。
厚さｔとＣＯＰが０．６以上の領域を得るために必要な
電流密度との間には相関関係があり、半導体の厚さｔが
例えば０．３〔ｃｍ〕，０．５〔ｃｍ〕のように比較的
厚い場合には電流密度は低い範囲で規制する必要があ
り、一方、半導体の厚さｔが例えば０．０３〔ｃｍ〕，
０．０８〔ｃｍ〕，０．１６〔ｃｍ〕のように比較的薄
い場合には電流密度は高い範囲で規制する必要がある。
【００６８】これを具体例を用いて説明すると、例えば
図４６に示されているようにＺが３．０×１０-3〔／
Ｋ〕でその半導体の厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕の熱電変
換装置では、電流密度を３１０〜１１００〔Ａ／ｃ
ｍ2 〕の範囲に規制することによりＣＯＰを０．６以上
にすることができる。また同じＺ値を有する半導体でも
半導体の厚さｔが０．３〔ｃｍ〕になると、電流密度を
３１〜１２０〔Ａ／ｃｍ2 〕の範囲に規制することによ
りＣＯＰを０．６以上にすることができる。
図４６に示されているようにＺが３．０×１０-3〔／
Ｋ〕でその半導体の厚さｔが０．０３〔ｃｍ〕の熱電変
換装置では、電流密度を３１０〜１１００〔Ａ／ｃ
ｍ2 〕の範囲に規制することによりＣＯＰを０．６以上
にすることができる。また同じＺ値を有する半導体でも
半導体の厚さｔが０．３〔ｃｍ〕になると、電流密度を
３１〜１２０〔Ａ／ｃｍ2 〕の範囲に規制することによ
りＣＯＰを０．６以上にすることができる。
【００６９】図４４ないし図４８をそれぞれ比較すると
明らかなように、半導体の厚さｔに対する適正な電流密
度の範囲は、Ｚの値によって多少異なっているから、熱
電変換装置を設計する際に個々にＺの値ならびに半導体
の厚さｔによって、通電すべき電流密度の値を選択すれ
ばよい。
明らかなように、半導体の厚さｔに対する適正な電流密
度の範囲は、Ｚの値によって多少異なっているから、熱
電変換装置を設計する際に個々にＺの値ならびに半導体
の厚さｔによって、通電すべき電流密度の値を選択すれ
ばよい。
【００７０】図４９は本発明の第２実施例に係る熱電変
換装置の概略構成図である。同図に示されているように
電子冷却素子群５の片面（上面）に、ベース板２１の上
に無数のピンフィンからなる吸熱側フィン２２が接合さ
れ、電子冷却素子群５の他の片面（下面）に、ベース板
２１の上に無数のピンフィンからなる放熱側フィン２３
が接合されている。電子冷却素子群５は前記第１実施例
と同じ構成になっており、電子冷却素子群５とベース板
２１の間には前述と同様のシリコーングリースまたは伝
熱用ゲルが介在されている（図示せず）。
換装置の概略構成図である。同図に示されているように
電子冷却素子群５の片面（上面）に、ベース板２１の上
に無数のピンフィンからなる吸熱側フィン２２が接合さ
れ、電子冷却素子群５の他の片面（下面）に、ベース板
２１の上に無数のピンフィンからなる放熱側フィン２３
が接合されている。電子冷却素子群５は前記第１実施例
と同じ構成になっており、電子冷却素子群５とベース板
２１の間には前述と同様のシリコーングリースまたは伝
熱用ゲルが介在されている（図示せず）。
【００７１】吸熱側フィン２２は吸熱側ダクト２４に覆
われ、吸熱側フアン２５によって吸熱側フィン２２の軸
方向に沿って空気が強制的に送られるようになってい
る。一方、放熱側フィン２３は放熱側ダクト２６に覆わ
れ、放熱側フアン２７によって放熱側フィン２３の周囲
空気が強制的に吸引されるようになっている。
われ、吸熱側フアン２５によって吸熱側フィン２２の軸
方向に沿って空気が強制的に送られるようになってい
る。一方、放熱側フィン２３は放熱側ダクト２６に覆わ
れ、放熱側フアン２７によって放熱側フィン２３の周囲
空気が強制的に吸引されるようになっている。
【００７２】前記ピンフィンのピン径，ピンピッチなら
びにピンの高さを適宜選択することにより所望の伝熱面
積が得られる。
びにピンの高さを適宜選択することにより所望の伝熱面
積が得られる。
【００７３】図５０ならびに図５１は、本発明の第３実
施例に係る熱電変換装置の断面図ならびに側面図であ
る。図５０に示すように電子冷却素子群５はヒートパイ
プの板状受熱部２７にシリコーングリースまたは伝熱用
ゲル（図示せず）を介して取り付けられている。受熱部
２７にはヒートパイプの蒸発側連絡管２８ａと凝縮側側
連絡管２８ｂとが接続されており、連絡管２８ａ，２８
ｂの他端は斜めに配置されたヒートパイプのフィン付き
放熱部２９に接続されている。内部にウィックを形成し
たヒートパイプ中には例えばアルコールなどの易揮発性
の作動媒体が封入され、作動媒体の蒸発と凝縮を繰り返
すことにより、電子冷却素子群５からの熱を吸収して放
散することができる。
施例に係る熱電変換装置の断面図ならびに側面図であ
る。図５０に示すように電子冷却素子群５はヒートパイ
プの板状受熱部２７にシリコーングリースまたは伝熱用
ゲル（図示せず）を介して取り付けられている。受熱部
２７にはヒートパイプの蒸発側連絡管２８ａと凝縮側側
連絡管２８ｂとが接続されており、連絡管２８ａ，２８
ｂの他端は斜めに配置されたヒートパイプのフィン付き
放熱部２９に接続されている。内部にウィックを形成し
たヒートパイプ中には例えばアルコールなどの易揮発性
の作動媒体が封入され、作動媒体の蒸発と凝縮を繰り返
すことにより、電子冷却素子群５からの熱を吸収して放
散することができる。
【００７４】受熱部２７ならびに放熱部２９などはダク
ト３０に覆われ、ダクト３０の下部には冷却ブロワ３１
が配置され、空気を矢印Ｘ方向に送風している。なお、
３２は電子冷却素子群５の吸熱側に向けて送風する庫内
ファンである。
ト３０に覆われ、ダクト３０の下部には冷却ブロワ３１
が配置され、空気を矢印Ｘ方向に送風している。なお、
３２は電子冷却素子群５の吸熱側に向けて送風する庫内
ファンである。
【００７５】前記ヒートパイプとしてフレキシブルなも
のを用いれば、電子冷却素子群５に加わる衝撃、振動を
軽減することができる。
のを用いれば、電子冷却素子群５に加わる衝撃、振動を
軽減することができる。
【００７６】図５２は、本発明の第４実施例に係る熱電
変換装置の断面図である。この実施例の場合、多数配列
されたＰ形半導体層１４とＮ形半導体層１５との間に吸
熱側熱導体を兼ねた吸熱電極３２と、放熱側熱導体を兼
ねた放熱電極３３の基部とが交互にそれぞれ挟持されて
いる。
変換装置の断面図である。この実施例の場合、多数配列
されたＰ形半導体層１４とＮ形半導体層１５との間に吸
熱側熱導体を兼ねた吸熱電極３２と、放熱側熱導体を兼
ねた放熱電極３３の基部とが交互にそれぞれ挟持されて
いる。
【００７７】同図に示すように吸熱電極３２は吸熱側ダ
クト３４側に、放熱電極３３は放熱側ダクト３５側に向
けてそれぞれ突出しており、電極３２，３３の中間位置
には通気用の開口３６が形成されている。
クト３４側に、放熱電極３３は放熱側ダクト３５側に向
けてそれぞれ突出しており、電極３２，３３の中間位置
には通気用の開口３６が形成されている。
【００７８】なおこの第４実施例のような構成で流体
（気体または液体）が紙面に向けて垂直に流れる場合、
前記電極３２，３３に開口３６を設けなくてもよい。
（気体または液体）が紙面に向けて垂直に流れる場合、
前記電極３２，３３に開口３６を設けなくてもよい。
【００７９】図５３は、本発明の第５実施例に係る熱電
変換装置の断面図である。この実施例は空気調和装置
（エアコン）の例を示しており、隔壁３６内には第１電
子冷却素子群３７ａと第２電子冷却素子群３７ｂとが所
定の間隔をおいて設置されている。
変換装置の断面図である。この実施例は空気調和装置
（エアコン）の例を示しており、隔壁３６内には第１電
子冷却素子群３７ａと第２電子冷却素子群３７ｂとが所
定の間隔をおいて設置されている。
【００８０】第１電子冷却素子群３７ａの室内側には第
１吸熱フィン３８ａが、第２電子冷却素子群３７ｂの室
内側には第２吸熱フィン３８ｂが、シリコーングリース
層または伝熱用ゲル（図示せず）を介して接続されてい
る。
１吸熱フィン３８ａが、第２電子冷却素子群３７ｂの室
内側には第２吸熱フィン３８ｂが、シリコーングリース
層または伝熱用ゲル（図示せず）を介して接続されてい
る。
【００８１】また、第１電子冷却素子群３７ａの室外側
には第１放熱フィン３９ａが、第２電子冷却素子群３７
ｂの室外側には第２放熱フィン３９ｂが、シリコーング
リース層または伝熱用ゲル（図示せず）を介して接続さ
れている。
には第１放熱フィン３９ａが、第２電子冷却素子群３７
ｂの室外側には第２放熱フィン３９ｂが、シリコーング
リース層または伝熱用ゲル（図示せず）を介して接続さ
れている。
【００８２】このように第１電子冷却素子群３７ａと第
１吸熱フィン３８ａと第１放熱フィン３９ａとで構成さ
れる第１熱電変換装置４０ａと、第２電子冷却素子群３
７ｂと第２吸熱フィン３８ｂと第２放熱フィン３９ｂと
で構成される第２熱電変換装置４０ｂが空気の流れに沿
って２段に配置されている。なお、必要に応じて段数を
増やすことが可能であるが、熱コンダクタンスの高いも
のを使用すれば１段でも可能である。
１吸熱フィン３８ａと第１放熱フィン３９ａとで構成さ
れる第１熱電変換装置４０ａと、第２電子冷却素子群３
７ｂと第２吸熱フィン３８ｂと第２放熱フィン３９ｂと
で構成される第２熱電変換装置４０ｂが空気の流れに沿
って２段に配置されている。なお、必要に応じて段数を
増やすことが可能であるが、熱コンダクタンスの高いも
のを使用すれば１段でも可能である。
【００８３】前記第１熱電変換装置４０ａのＣＯＰが
４．７、吸熱量が１２０〔Ｗ〕、投入電力が２５．５
〔Ｗ〕に、第２熱電変換装置４０ｂのＣＯＰが２．１、
吸熱量が２４０〔Ｗ〕、投入電力が１１４．３〔Ｗ〕
に、それぞれ設計されている。よって空気調和装置（エ
アコン）としての総合ＣＯＰは、下記の式より２．５８
となる。
４．７、吸熱量が１２０〔Ｗ〕、投入電力が２５．５
〔Ｗ〕に、第２熱電変換装置４０ｂのＣＯＰが２．１、
吸熱量が２４０〔Ｗ〕、投入電力が１１４．３〔Ｗ〕
に、それぞれ設計されている。よって空気調和装置（エ
アコン）としての総合ＣＯＰは、下記の式より２．５８
となる。
【００８４】総合ＣＯＰ＝（１２０＋２４０）／（２
５．５＋１１４．３）＝２．５８本実施例において室外
４２ならびに第１熱電変換装置４０ａの第１吸熱フィン
３８ａに吸引される空気４１ａの温度が共に３０〔℃〕
である場合、第１吸熱フィン３８ａを通過して排出され
る空気４１ｂの温度は５〔℃〕下がって２５〔℃〕とな
り、その空気４１ｂが第２吸熱フィン３８ｂを通過して
排出される空気４１ｃの温度はさらに１０〔℃〕下がっ
て１５〔℃〕となる。
５．５＋１１４．３）＝２．５８本実施例において室外
４２ならびに第１熱電変換装置４０ａの第１吸熱フィン
３８ａに吸引される空気４１ａの温度が共に３０〔℃〕
である場合、第１吸熱フィン３８ａを通過して排出され
る空気４１ｂの温度は５〔℃〕下がって２５〔℃〕とな
り、その空気４１ｂが第２吸熱フィン３８ｂを通過して
排出される空気４１ｃの温度はさらに１０〔℃〕下がっ
て１５〔℃〕となる。
【００８５】図５４は、本発明の第６実施例に係る熱電
変換装置の断面図である。この実施例は熱電変換装置を
電子冷蔵庫用冷却装置に適用した例で、吸熱側に吸熱側
フィン５０と吸熱側ファン５１が配置されている。一
方、放熱側には放熱側熱伝達部５２と、その放熱側熱伝
達部５２から離れた位置に配置されて伝達された熱を効
率良く大気に放出するラジエータ５３と、内部に例えば
水などからなる循環液（図示せず）を充填した循環系５
４と、前記ラジエータ５３の付近に配置されたファン５
５とが設けられている。ラジエータ５３とファン５５と
は大気中に露出しており、前記循環系５４の一端は放熱
側熱伝達部５２に接続され、他端はラジエータ５３に接
続されている。図中の５６は電子冷却素子群で、前記吸
熱側フィン５０と放熱側熱伝達部５２の間に介在されて
いる。
変換装置の断面図である。この実施例は熱電変換装置を
電子冷蔵庫用冷却装置に適用した例で、吸熱側に吸熱側
フィン５０と吸熱側ファン５１が配置されている。一
方、放熱側には放熱側熱伝達部５２と、その放熱側熱伝
達部５２から離れた位置に配置されて伝達された熱を効
率良く大気に放出するラジエータ５３と、内部に例えば
水などからなる循環液（図示せず）を充填した循環系５
４と、前記ラジエータ５３の付近に配置されたファン５
５とが設けられている。ラジエータ５３とファン５５と
は大気中に露出しており、前記循環系５４の一端は放熱
側熱伝達部５２に接続され、他端はラジエータ５３に接
続されている。図中の５６は電子冷却素子群で、前記吸
熱側フィン５０と放熱側熱伝達部５２の間に介在されて
いる。
【００８６】本実施例では放熱側にラジエータとファン
などを設けたが、吸熱側にラジエータとファンなどを設
けることも可能であり、その場合には循環液として不凍
液やその他の低温で凍結しない液体を用いる必要があ
る。
などを設けたが、吸熱側にラジエータとファンなどを設
けることも可能であり、その場合には循環液として不凍
液やその他の低温で凍結しない液体を用いる必要があ
る。
【００８７】このように熱導体が放熱または吸熱を助長
するラジエータを有することにより、さらに高い熱交換
性能を発揮することができる。
するラジエータを有することにより、さらに高い熱交換
性能を発揮することができる。
【００８８】前記第２〜６実施例の場合も前記第１実施
例と同様に、半導体層の厚さが薄いと電流密度を高く
し、半導体層の厚さが厚いと電流密度を低くしている。
例と同様に、半導体層の厚さが薄いと電流密度を高く
し、半導体層の厚さが厚いと電流密度を低くしている。
【００８９】前記実施例では各半導体層を接続する電極
と熱導体との間に熱導性の高いシリコーングリースある
いは伝熱用ゲルを介在して、電極が熱導体に対して変位
可能な構造となっているが、例えばアルミナ、窒化アル
ミニウム、表面に絶縁膜を形成した金属板などの電気絶
縁性を有する基板に前記電極を半田付けなどによって固
定して、その基板と半導体層との間において電極を挟持
することも可能である。
と熱導体との間に熱導性の高いシリコーングリースある
いは伝熱用ゲルを介在して、電極が熱導体に対して変位
可能な構造となっているが、例えばアルミナ、窒化アル
ミニウム、表面に絶縁膜を形成した金属板などの電気絶
縁性を有する基板に前記電極を半田付けなどによって固
定して、その基板と半導体層との間において電極を挟持
することも可能である。
【００９０】前記実施例では熱電変換装置の用途として
電子冷蔵庫ならびに空気調和装置（エアコン）の場合に
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、例えば除湿装置など他の熱電変換装置の用途にも
適用可能である。
電子冷蔵庫ならびに空気調和装置（エアコン）の場合に
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、例えば除湿装置など他の熱電変換装置の用途にも
適用可能である。
【００９１】
【効果】図５５は、本発明の第１実施例に係る電子冷蔵
庫と、従来の圧縮式電気冷蔵庫の冷却性能を比較して示
す図である。
庫と、従来の圧縮式電気冷蔵庫の冷却性能を比較して示
す図である。
【００９２】この性能試験は、容量が６０〔リッター〕
の冷蔵庫中に５００〔ミリリッター〕のビール瓶を１０
〔本〕入れ、庫外（周囲）の温度が３０〔℃〕の条件で
ビールの冷え具合をテストしたものである。
の冷蔵庫中に５００〔ミリリッター〕のビール瓶を１０
〔本〕入れ、庫外（周囲）の温度が３０〔℃〕の条件で
ビールの冷え具合をテストしたものである。
【００９３】図中の曲線Ｘ，Ｙは本発明の実施例に係る
電子冷蔵庫、曲線Ｚは従来の圧縮式電気冷蔵庫の冷却曲
線である。なお、曲線Ｘのものは使用した半導体チップ
の数が５１２個で、消費電力が１０６〔Ｗ〕、曲線Ｙの
ものは使用した半導体チップの数が同数で、消費電力が
４８〔Ｗ〕の電子冷蔵庫である。
電子冷蔵庫、曲線Ｚは従来の圧縮式電気冷蔵庫の冷却曲
線である。なお、曲線Ｘのものは使用した半導体チップ
の数が５１２個で、消費電力が１０６〔Ｗ〕、曲線Ｙの
ものは使用した半導体チップの数が同数で、消費電力が
４８〔Ｗ〕の電子冷蔵庫である。
【００９４】この図から明らかなように、本発明の実施
例に係る電子冷蔵庫は従来の圧縮式電気冷蔵庫に比べて
優れた冷却性能を有していることが立証される。
例に係る電子冷蔵庫は従来の圧縮式電気冷蔵庫に比べて
優れた冷却性能を有していることが立証される。
【００９５】本発明は、半導体層の厚さとそれに通電す
る電流密度とＣＯＰの３者の間に相関関係があることを
解明し、それに基づいて半導体層の厚さが薄いとそれに
通電する電流密度を高くし、半導体層の厚さが厚いと前
記電流密度を低く調整することにより、ＣＯＰが０．６
以上のものを確実に得ることができ、効率の良い熱電変
換装置の提供が可能となる。
る電流密度とＣＯＰの３者の間に相関関係があることを
解明し、それに基づいて半導体層の厚さが薄いとそれに
通電する電流密度を高くし、半導体層の厚さが厚いと前
記電流密度を低く調整することにより、ＣＯＰが０．６
以上のものを確実に得ることができ、効率の良い熱電変
換装置の提供が可能となる。
【００９６】また本発明は、半導体層の厚さとそれに通
電する電流密度とＣＯＰとの関係を把握することによ
り、熱電変換装置として目標のＣＯＰを得るために必要
な半導体層の厚さと電流密度が簡単に分かるから、シス
テム設計が簡便となり、経済性を考慮した設計が可能と
なる。
電する電流密度とＣＯＰとの関係を把握することによ
り、熱電変換装置として目標のＣＯＰを得るために必要
な半導体層の厚さと電流密度が簡単に分かるから、シス
テム設計が簡便となり、経済性を考慮した設計が可能と
なる。
【図１】本発明の第１実施例に係る熱電変換装置を使用
した電子冷蔵庫の概略断面図である。
した電子冷蔵庫の概略断面図である。
【図２】その熱電変換装置の一部拡大断面図である。
【図３】その熱電変換装置に使用する電子冷却素子群の
拡大断面図である。
拡大断面図である。
【図４】その熱電変換装置に使用する電子冷却素子群の
斜視図である。
斜視図である。
【図５】その熱電変換装置の概略構成を示すブロック図
である。
である。
【図６】その熱電変換装置におけるシュミレーションと
実測の温度分布を比較して示す特性図である。
実測の温度分布を比較して示す特性図である。
【図７】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度との
関係を示す特性図である。
関係を示す特性図である。
【図８】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度との
関係を示す特性図である。
関係を示す特性図である。
【図９】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度との
関係を示す特性図である。
関係を示す特性図である。
【図１０】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１１】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１２】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１３】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１４】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１５】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１６】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１７】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１８】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図１９】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２０】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２１】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２２】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２３】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２４】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２５】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２６】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２７】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２８】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図２９】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３０】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３１】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３２】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３３】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３４】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３５】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３６】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３７】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３８】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図３９】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４０】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４１】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４２】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４３】その熱電変換装置におけるＫC と電流密度と
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４４】その熱電変換装置における半導体の厚さと電
流密度との関係を示す特性図である。
流密度との関係を示す特性図である。
【図４５】その熱電変換装置における半導体の厚さと電
流密度との関係を示す特性図である。
流密度との関係を示す特性図である。
【図４６】その熱電変換装置における半導体の厚さと電
流密度との関係を示す特性図である。
流密度との関係を示す特性図である。
【図４７】その熱電変換装置における半導体の厚さと電
流密度との関係を示す特性図である。
流密度との関係を示す特性図である。
【図４８】その熱電変換装置における半導体の厚さと電
流密度との関係を示す特性図である。
流密度との関係を示す特性図である。
【図４９】本発明の第２実施例に係る熱電変換装置の断
面図である。
面図である。
【図５０】本発明の第３実施例に係る熱電変換装置の断
面図である。
面図である。
【図５１】その熱電変換装置の側面図である。
【図５２】本発明の第４実施例に係る熱電変換装置の断
面図である。
面図である。
【図５３】本発明の第５実施例に係る熱電変換装置の断
面図である。
面図である。
【図５４】本発明の第６実施例に係る熱電変換装置の断
面図である。
面図である。
【図５５】本発明の熱電変換装置（電子冷蔵庫）と従来
の圧縮式電気冷蔵庫の冷却性能を示す特性図である。
の圧縮式電気冷蔵庫の冷却性能を示す特性図である。
【図５６】従来の熱電変換装置の一部拡大断面図であ
る。
る。
【図５７】各種冷却装置の温度差と成績係数との関係を
示す特性図である。
示す特性図である。
３ 熱電変換装置
４ 吸熱体
５ 電子冷却素子群
６ 放熱フィン
８ ファン
１２ 羽根
１３ 吸熱側電極
１４ Ｐ型半導体層
１５ Ｎ型半導体層
１６ 放熱側電極
１７ シリコーングリース層
１８ 電気絶縁層
２１ ベース板
２２ 吸熱側フィン
２３ 放熱側フィン
２５ 吸熱側ファン
２７ 受熱部
２９ 放熱部
３１ 冷却ブロワ
３２ 吸熱電極
３３ 放熱電極
３７ａ 第１電子冷却素子群
３７ｂ 第２電子冷却素子群
３８ａ 第１吸熱フィン
３８ｂ 第２吸熱フィン
３９ａ 第１放熱フィン
３９ｂ 第２放熱フィン
４０ａ 第１熱電変換装置
４０ｂ 第２熱電変換装置
５０ 吸熱側フィン
５１ 吸熱側ファン
５２ 放熱側熱伝達部
５３ ラジエータ
５４ 循環系
５５ ファン
５６ 電子冷却素子群
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 久野 文雄
神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地
７号 株式会社サーモボニック内
(72)発明者 手塚 弘房
神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地
７号 株式会社サーモボニック内
(72)発明者 木谷 文一
神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地
７号 株式会社サーモボニック内
(56)参考文献 特開 平８−236820（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 35/32
F25B 21/02
H01L 35/30
Claims (8)
- 【請求項１】 同じ厚さで多数並設されて電気的に直列
に接続されたＰ型半導体層ならびにＮ型半導体層と、 それら半導体層の吸熱側に配置された吸熱側熱導体と、 それら半導体層の放熱側に配置された放熱側熱導体と、 前記Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層に通電する給電
手段とを備えた熱電変換装置において、 前記半導体層の厚さに基づいてその半導体層に通電する
電流密度を設定したことを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項２】 請求項１記載において、前記各半導体層
を接続する電極と前記熱導体との間に、フィラーを含有
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。 - 【請求項３】 請求項１記載において、前記各半導体層
を接続する電極が電気絶縁性を有する基板に固定され
て、その基板と半導体層との間において挟持されている
熱電変換装置。 - 【請求項４】 請求項２記載において、前記熱導体のシ
リコーングリース層と対向する面に薄い電気絶縁膜が形
成されていることを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項５】 請求項１記載において、前記熱導体がフ
ィンを有し、そのフィンに対して強制的に送風するファ
ンが設けられていることを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項６】 請求項５記載において、前記フィンがヒ
ートパイプであることを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項７】 請求項１記載において、前記熱導体が熱
の移動を助長するラジエータを有していることを特徴と
する熱電変換装置。 - 【請求項８】 請求項１記載において、前記熱電変換装
置が電子冷蔵庫用電子冷却装置であって、その電子冷蔵
庫の外気温度が３０〔℃〕で、電子冷蔵庫の庫内温度が
５〔℃〕のときの成績係数（ＣＯＰ）が０．６以上であ
ることを特徴とする熱電変換装置。
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