JP3468204B2 - ペルチェ冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数のペルチェ
素子を直列接続してなる熱電モジュールと熱交換器とを
含むペルチェ冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、複数のペルチェ素子を直列接
続してなる熱電モジュールと熱交換器とを含むペルチェ
冷却装置が提案され、各種の用途において使用されるよ
うになってきている。

【０００３】この場合において、熱電モジュールを効率
よく利用するためには、熱電モジュールの排熱側電極の
熱を効率よく逃がし、吸熱側電極に外部の熱を効率よく
伝えることが要求される。ただし、熱電モジュールの各
電極は、外部から電気的に絶縁されていなければならな
い。

【０００４】図１６は従来の熱電モジュールの一例を示
す要部縦断面部である。

【０００５】この熱電モジュールは、複数のペルチェ素
子３１を所定間隔毎に配置するとともに、隣り合う１対
のペルチェ素子３１の一方の端部どうしを電気的に接続
する電極３２を設けて全てのペルチェ素子３１を互いに
直列接続し、一方の側に位置する複数の電極３２を半田
３３を介してセラミックス板３４に接続し、他方の側に
位置する複数の電極３２を半田３３を介してセラミック
ス板３４に接続した構成を有している。もちろん、セラ
ミックス板３４を直接に熱交換器に接続する。

【０００６】図１７は従来の熱電モジュールの他の例を
示す要部縦断面部である。

【０００７】この熱電モジュールはスケルトン熱電モジ
ュールと呼ばれるものであり、図の熱電モジュールと異
なり、セラミックス板を有していないので、一方の側に
位置する複数の電極３２を熱伝導性絶縁シート３５を介
して熱交換器３６に接続する。

【０００８】さらに、アルミニウムからなる熱交換器の
表面にアルマイト皮膜を形成し、このアルマイト皮膜を
介してスケルトン熱電モジュールを接続する構成も提案
されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１６に示す構成の熱
電モジュールを採用すれば、熱電モジュールの各電極３
２をセラミックス板３４によって外部から電気的に絶縁
することができる。しかし、吸熱側の全ての電極３２、
排熱側の全ての電極３２がそれぞれ固定されているの
で、熱応力によってペルチェ素子が破壊してしまう危険
性がある。また、電極３２と熱交換器との間にセラミッ
クス板３４が介在しているので、両者の間の熱抵抗を十
分には小さくすることができず、この熱電モジュールを
冷却のために使用する場合における冷却性能を十分には
高めることができない。

【００１０】図１７に示すスケルトン熱電モジュールを
採用した場合には、セラミックス板を有していないの
で、セラミックス板に起因する不都合の発生を防止する
ことができる。しかし、この場合にも、電極３２と熱交
換器３６との間に熱伝導性絶縁シート３５が介在してお
り、この熱伝導性絶縁シート３５の熱伝導性が十分には
高くないのみならず、電極３２、熱交換器３６と熱伝導
性絶縁シート３５との接触抵抗も十分には小さくないの
であるから、電極３２と熱交換器３６との間の熱抵抗を
十分には小さくすることができず、この熱電モジュール
を冷却のために使用する場合における冷却性能を十分に
は高めることができない。

【００１１】アルマイト皮膜を介してスケルトン熱電モ
ジュールを接続する構成を採用した場合には、アルマイ
ト皮膜の機械的強度が余り高くないので、アルマイト皮
膜が剥離し、絶縁性が破壊されてしまうという不都合が
ある。

【００１２】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、熱電モジュールと熱交換器との間の熱抵
抗を十分に小さくし、かつ十分な絶縁性を確保して冷却
性能を高めることができ、しかも構造を簡単化すること
ができるペルチェ冷却装置を提供することを目的として
いる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１のペルチェ冷却
装置は、複数のペルチェ素子を直列接続してなるスケル
トン熱電モジュールと熱交換器とを含むものであって、
熱交換器のスケルトン熱電モジュールに対向する面に固
体絶縁物をパターン状に設けるとともに、固体絶縁物ど
うしの間に液状絶縁物を収容してスケルトン熱電モジュ
ールを接続したものである。

【００１４】請求項２のペルチェ冷却装置は、複数のペ
ルチェ素子を直列接続してなるスケルトン熱電モジュー
ルと熱交換器とを含むものであって、熱交換器の一方の
面に、液状絶縁物を充填してなる多孔絶縁体を介してス
ケルトン熱電モジュールを接続したものである。

【００１５】請求項３のペルチェ冷却装置は、複数のペ
ルチェ素子を直列接続してなるスケルトン熱電モジュー
ルと熱交換器とを含むものであって、熱交換器の一方の
面にアルマイト層および保護層からなるアルマイト塗装
複合皮膜を設け、このアルマイト塗装複合皮膜に対して
スケルトン熱電モジュールを接続したものである。

【００１６】請求項４のペルチェ冷却装置は、スケルト
ン熱電モジュールの吸熱側および排熱側に対してそれぞ
れ熱交換器が接続されたものである。

【００１７】

【作用】請求項１のペルチェ冷却装置であれば、複数の
ペルチェ素子を直列接続してなるスケルトン熱電モジュ
ールと熱交換器とを接続するに当たって、熱交換器のス
ケルトン熱電モジュールに対向する面に固体絶縁物をパ
ターン状に設けるとともに、固体絶縁物どうしの間に液
状絶縁物を収容してスケルトン熱電モジュールを接続し
ているので、固体どうしの接触面積を小さくし、残余の
部分は固体と液体との接触にして熱抵抗を小さくし、ひ
いては冷却効率を高めることができる。

【００１８】請求項２のペルチェ冷却装置であれば、複
数のペルチェ素子を直列接続してなるスケルトン熱電モ
ジュールと熱交換器とを接続するに当たって、熱交換器
の一方の面に、液状絶縁物を充填してなる多孔絶縁体を
介してスケルトン熱電モジュールを接続しているので、
固体どうしの接触面積を小さくし、残余の部分は固体と
液体との接触にして熱抵抗を小さくし、ひいては冷却効
率を高めることができる。

【００１９】請求項３のペルチェ冷却装置であれば、複
数のペルチェ素子を直列接続してなるスケルトン熱電モ
ジュールと熱交換器とを接続するに当たって、熱交換器
の一方の面にアルマイト層および保護層からなるアルマ
イト塗装複合皮膜を設け、このアルマイト塗装複合皮膜
に対してスケルトン熱電モジュールを接続しているの
で、アルマイト塗装複合皮膜の厚みを十分に小さくする
ことによって十分な絶縁を確保できるとともに、熱抵抗
を小さくすることができ、ひいては冷却効率を高めるこ
とができる。

【００２０】請求項４のペルチェ冷却装置であれば、ス
ケルトン熱電モジュールの吸熱側および排熱側に対して
それぞれ熱交換器が接続されているので、スケルトン熱
電モジュールの吸熱側に外部の熱を効率よく伝えること
ができるとともに、スケルトン熱電モジュールの排熱側
の熱を効率よく逃がすことができ、冷却効率を一層高め
ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この
発明のペルチェ冷却装置の実施の態様を詳細に説明す
る。

【００２２】図１はこの発明のペルチェ冷却装置の一実
施態様を示す一部切欠斜視図であり、図２は要部を拡大
して示す縦断面図である。

【００２３】このペルチェ冷却装置は、複数のペルチェ
素子を直列接続してなるスケルトン熱電モジュール１
と、このスケルトン熱電モジュール１の吸熱側および排
熱側にそれぞれ接続された熱交換器２とを有している。
なお、スケルトン熱電モジュール１は、吸熱側の全ての
電極のみを半田を介してセラミックス板に接続してなる
ものである。また、熱交換器２は、アルミニウムなどか
らなる空冷タイプのものであるが、水冷タイプのもので
あってもよい。

【００２４】そして、排熱側の熱交換器２のスケルトン
熱電モジュール１と対向する面に互いに平行な複数の固
体絶縁物３を設け（図３参照）、固体絶縁物３どうしの
間隙に液状絶縁物４を収容し、この状態でスケルトン熱
電モジュール１を押圧することにより熱交換器２とスケ
ルトン熱電モジュール１との接続を達成している。ここ
で、固体絶縁物３としては、熱伝導性絶縁ゴム、セラミ
ックス、樹脂、接着剤、ガラスなどが例示できる。ま
た、液状絶縁物４としては、熱伝導性絶縁グリースなど
のグリース、トランスオイルなどのオイル、シリコン系
のゲル状絶縁物などのゲル状ポリッシング材などが例示
できる。

【００２５】なお、前記固体絶縁物３の高さは、例え
ば、１００μｍ程度に設定している。また、固体絶縁物
３どうしの間隔は任意に設定することが可能である。た
だし、熱抵抗を考慮すれば固体絶縁物３どうしの間隔を
大きくすることが好ましく、逆に、機械的強度、絶縁性
を考慮すれば固体絶縁物３どうしの間隔を小さくするこ
とが好ましい。したがって、両者の兼ね合いを考慮して
固体絶縁物３どうしの間隔を設定すればよい。

【００２６】上記の構成のペルチェ冷却装置の作用は次
のとおりである。

【００２７】スケルトン熱電モジュール１と熱交換器２
とは、固体絶縁物３を介して接続されているとともに、
固体絶縁物３が存在していない箇所においては液状絶縁
物４を介して熱的に接続されている。したがって、固体
絶縁物３を介して接続されている部分では熱抵抗が比較
的大きいにも拘わらず、液状絶縁物４を介して熱的に接
続されている部分では熱抵抗が十分に小さいことにな
り、全体として、スケルトン熱電モジュール１と熱交換
器２との間の熱抵抗を小さくすることができる。また、
固体絶縁物３によってスケルトン熱電モジュール１と熱
交換器２との間隙を十分に保つことができるので、スケ
ルトン熱電モジュール１の電極どうしの十分な絶縁を確
保することができる。

【００２８】この結果、スケルトン熱電モジュール１の
排熱側の電極からの排熱をスムーズに行って排熱側の電
極の温度を低下させることができ、ひいては、吸熱量に
対する吸熱側と排熱側との温度差を小さくしてスケルト
ン熱電モジュール１による冷却効率を高めることができ
る。

【００２９】また、スケルトン熱電モジュールの各電極
は拘束されていないのであるから、熱膨脹によって各ペ
ルチェ素子にかかる応力を小さくすることができ、温度
変化やスケルトン熱電モジュールのオン・オフの繰り返
しにも殆ど影響を受けず、安定性を高めることができ
る。

【００３０】上記の実施態様においては、固体絶縁物３
を互いに平行に（縞状に）設けているが、図４に示すよ
うに、各固体絶縁物のサイズを小さくし、複数行、複数
列に配列することが好ましく、液状絶縁物４の存在割合
を大きくして熱抵抗をより小さくすることができる。ま
た、各固体絶縁物のサイズを図４の固体絶縁物よりも長
く設定するとともに、斜め方向に整列させることも可能
である（電極との関係を示す図５参照）。さらに、各固
体絶縁物の形状を円形に設定し、斜め方向に整列させる
こと（図６参照）、固体絶縁物の形状を円形に設定し、
スケルトン熱電モジュールの四隅部に対応させて配置す
ること（図７参照）、固体絶縁物の形状を方形枠形に設
定すること（図８参照）、固体絶縁物の形状を熱交換器
２の一辺とほぼ等しい長さの長尺形に設定し、１対の固
体絶縁体をスケルトン熱電モジュールの互いに対向する
辺に対応させて配置すること（図９参照）が可能であ
る。さらにまた、図１０に示すように、スケルトン熱電
モジュールの電極と熱交換器との間に固体絶縁体粒子を
配置することも可能である。

【００３１】また、上記の実施態様においては、スケル
トン熱電モジュール１の排熱側と対応する熱交換器との
接続部のみに、固体絶縁物３および液状絶縁物４を介在
させる構造を採用しているが、図１１に示すように、排
熱側の全ての電極のみを半田を介してセラミックス板に
接続してなるスケルトン熱電モジュール１の吸熱側と対
応する熱交換器との接続部に適用することが可能である
ほか、何れの側の電極もセラミックス板と接続していな
いスケルトン熱電モジュール１の吸熱側および排熱側と
それぞれ対応する熱交換器との接続部に適用することも
可能である。

【００３２】図１２はこの発明のペルチェ冷却装置の他
の実施態様を示す一部切欠斜視図であり、図１３は要部
を拡大して示す縦断面図である。

【００３３】このペルチェ冷却装置が図１のペルチェ冷
却装置と異なる点は、固体絶縁物３に代えて多孔絶縁物
１３を採用した点のみである。

【００３４】ただし、多孔絶縁物１３の孔のサイズは、
スケルトン熱電モジュール１の電極のサイズよりも小さ
く設定することが好ましく、該当する側の全ての電極を
抑えることができる。具体的には、絶縁物からなる格子
状の枠を多孔絶縁物として採用し、この枠の内部空間に
液状絶縁物を充填する構成を採用してもよく、また、絶
縁性の繊維で織られた布に液状絶縁物を含浸させてなる
構成を採用してもよい。

【００３５】したがって、この実施態様を採用した場合
には、複数の固体絶縁物を配置する場合と比較して１つ
の多孔絶縁体１３を配置するだけでよいから製造作業を
簡素化することができるほか、図１の実施態様と同様の
作用を達成することができる。

【００３６】図１４はこの発明のペルチェ冷却装置のさ
らに他の実施態様の要部を示す縦断面図である。

【００３７】このペルチェ冷却装置が図１のペルチェ冷
却装置と異なる点は、固体絶縁物３および液状絶縁物４
に代えて、アルマイト層（厚みが１０μｍ程度）２３ａ
および塗装膜２３ｂからなるアルマイト塗装複合皮膜２
３を採用した点、およびアルマイト塗装複合皮膜２３と
スケルトン熱電モジュール１とを熱伝導グリースを介し
て接続した点のみである。なお、このアルマイト塗装複
合皮膜２３の作製は、アルミニウムからなる熱交換器の
表面にアルマイト処理を施してアルマイト層２３ａを形
成した後に、水溶性アクリル、メラミン樹脂塗料を塗布
し、もしくは電着塗装を行うことにより達成することが
できる。ここで、塗装膜２３ｂの厚みはアルマイト層２
３ａとほぼ等しい厚みに設定することが好ましく、低い
熱抵抗の実現およびアルマイト層２３ａの十分な保護を
達成することができる。

【００３８】したがって、この実施態様を採用した場合
には、アルマイト層２３ａの熱抵抗が著しく低いことに
起因して、スケルトン熱電モジュール１と熱交換器２と
の間の熱抵抗を十分に低くすることができ、ひいては冷
却性能を高めることができる。

【００３９】図１５はアルマイト層のみを形成したペル
チェ冷却装置、図１４の実施態様のペルチェ冷却装置、
図１の実施態様のペルチェ冷却装置、図１７のペルチェ
冷却装置の熱抵抗（℃／Ｗ）−風量（ｍ³／ｍｉｎ）特
性を示す図である。

【００４０】なお、図１５中Ａがアルマイト層のみを形
成したペルチェ冷却装置を、図１５中Ｂが図１４の実施
態様のペルチェ冷却装置を、図１５中Ｃが図１の実施態
様のペルチェ冷却装置を、図１５中Ｄが図１８のペルチ
ェ冷却装置を、それぞれ示している。

【００４１】また、熱交換器として、図１４のペルチェ
冷却装置以外は、１００×１００×２５ｍｍの黒色アル
マイト処理が施されたアルミニウム製の櫛型ヒートシン
クを採用し、熱伝導グリースを塗布している。

【００４２】図１５から分かるように、図１７のペルチ
ェ冷却装置の熱抵抗が最も高く、アルマイト層のみを形
成したペルチェ冷却装置の熱抵抗が最も低く、残余のペ
ルチェ冷却装置のうちでは図１４のペルチェ冷却装置の
熱抵抗が低い。

【００４３】したがって、単に熱抵抗のみに着目すれ
ば、アルマイト層のみを形成したペルチェ冷却装置が最
も好ましいが、剥離に起因する不都合が発生するのであ
るから、図１４の実施態様のペルチェ冷却装置、または
図１の実施態様のペルチェ冷却装置を採用することが好
ましい。

【００４４】

【発明の効果】請求項１の発明は、固体どうしの接触面
積を小さくし、残余の部分は固体と液体との接触にして
熱抵抗を小さくし、ひいては冷却効率を高めることがで
きるという特有の効果を奏する。

【００４５】請求項２の発明は、固体どうしの接触面積
を小さくし、残余の部分は固体と液体との接触にして熱
抵抗を小さくし、ひいては冷却効率を高めることができ
るという特有の効果を奏する。

【００４６】請求項３の発明は、アルマイト塗装複合皮
膜の厚みを十分に小さくすることによって、十分な絶縁
を確保できるとともに、熱抵抗を小さくすることがで
き、ひいては冷却効率を高めることができるという特有
の効果を奏する。

【００４７】請求項４の発明は、スケルトン熱電モジュ
ールの吸熱側に外部の熱を効率よく伝えることができる
とともに、スケルトン熱電モジュールの排熱側の熱を効
率よく逃がすことができ、冷却効率を一層高めることが
できるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のペルチェ冷却装置の一実施態様を示
す一部切欠斜視図である。

【図２】同上の要部を拡大して示す縦断面図である。

【図３】熱交換器に配置された固体絶縁物の一例を示す
平面図である。

【図４】熱交換器に配置された固体絶縁物の他の例を示
す平面図である。

【図５】固体絶縁物のさらに他の配置例をスケルトン熱
電モジュールの電極と共に示す平面図である。

【図６】熱交換器に配置された固体絶縁物のさらに他の
例を示す平面図である。

【図７】熱交換器に配置された固体絶縁物のさらに他の
例を示す平面図である。

【図８】熱交換器に配置された固体絶縁物のさらに他の
例を示す平面図である。

【図９】熱交換器に配置された固体絶縁物のさらに他の
例を示す平面図である。

【図１０】熱交換器に配置された固体絶縁物のさらに他
の例を示す縦断面図である。

【図１１】スケルトン熱電モジュールの排熱側と対応す
る熱交換器との接続部のみに、固体絶縁物および液状絶
縁物を介在させる構造のペルチェ冷却装置を示す概略側
面図である。

【図１２】この発明のペルチェ冷却装置の他の実施態様
を示す一部切欠斜視図である。

【図１３】要部を拡大して示す縦断面図である。

【図１４】この発明のペルチェ冷却装置のさらに他の実
施態様の要部を示す縦断面図である。

【図１５】アルマイト層のみを形成したペルチェ冷却装
置、図１４の実施態様のペルチェ冷却装置、図１の実施
態様のペルチェ冷却装置、図１７のペルチェ冷却装置の
熱抵抗（℃／Ｗ）−風量（ｍ³／ｍｉｎ）特性を示す図
である。

【図１６】従来の熱電モジュールの一例を示す要部縦断
面部である。

【図１７】従来の熱電モジュールの他の例を示す要部縦
断面部である。

【符号の説明】

１ スケルトン熱電モジュール ２ 熱交換器 ３ 固体絶縁物 ４ 液状絶縁物 １３ 多孔絶縁物 ２３ アルマイト塗装複合皮膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/30 F25B 21/02 H01L 35/32

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のペルチェ素子を直列接続してなる
   スケルトン熱電モジュール（１）と熱交換器（２）とを
   含むペルチェ冷却装置であって、 熱交換器（２）のスケルトン熱電モジュール（１）に対
   向する面に固体絶縁物（３）をパターン状に設けるとと
   もに、固体絶縁物どうしの間に液状絶縁物（４）を収容
   してスケルトン熱電モジュール（１）を接続してあるこ
   とを特徴とするペルチェ冷却装置。
2. 【請求項２】 複数のペルチェ素子を直列接続してなる
   スケルトン熱電モジュールと熱交換器とを含むペルチェ
   冷却装置であって、 熱交換器の一方の面に、液状絶縁物を充填してなる多孔
   絶縁体を介してスケルトン熱電モジュールを接続してあ
   ることを特徴とするペルチェ冷却装置。
3. 【請求項３】 複数のペルチェ素子を直列接続してなる
   スケルトン熱電モジュールと熱交換器とを含むペルチェ
   冷却装置であって、 熱交換器の一方の面にアルマイト層および保護層からな
   るアルマイト塗装複合皮膜を設け、このアルマイト塗装
   複合皮膜に対してスケルトン熱電モジュールを接続して
   あることを特徴とするペルチェ冷却装置。
4. 【請求項４】 スケルトン熱電モジュールの吸熱側およ
   び排熱側に対してそれぞれ熱交換器が接続されている請
   求項１から請求項３の何れかに記載のペルチェ冷却装
   置。