JP3560391B2 - 熱電変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子冷却装置あるいは熱発電装置などの熱電変換装置に係り、特にそれの熱移動媒体として水や不凍液などの液体を使用した熱電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１ならびに図２２は従来の熱電変換装置を説明するための図で、図２１は熱電変換装置の一部を断面した平面図、図２２は図２１のＸ−Ｘ線上の断面図である。
【０００３】
図２１に示すようにアルミナなどのセラミックからなる吸熱側絶縁基板１００と放熱側絶縁基板１０１との間に、電極ならびにＰ形，Ｎ形半導体層からなる熱電変換素子群１０２が介在されている。
【０００４】
前記吸熱側絶縁基板１００の外表面には、吸熱フィンなどが付設された吸熱部材１０３が取りつけられている。前記放熱側絶縁基板１０１の外表面には、その基板１０１側に向けて開口した流路形成部材１０４が取りつけられている。この流路形成部材１０４の内側には、熱移動媒体である水１０５を放熱側絶縁基板１０１の外表面に沿って一方の端部から他方の端部に向けて蛇行状に流すための仕切板からなる流路形成部材１０４が設けられている。また、流路形成部材１０４の一方の端部近くには供給管１０７が、他方の端部近くには排出管１０８が、それぞれ取り付けられている。
【０００５】
前記熱電変換素子群１０２に所定の電流を流すとともに、前記供給管１０７から水１０５を流路形成部材１０４に流入せしめる。そして吸熱部材１０３によって吸収した熱は吸熱側絶縁基板１００ならびに熱電変換素子群１０２を介して放熱側絶縁基板１０１に伝達され、前述の水１０５をその放熱側絶縁基板１０１の外表面に沿って蛇行状に流すことにより基板１０１の熱を吸収し、その水１０５を排出管１０８から系外へ排出させることにより、吸熱部材１０３側が冷却される。
【０００６】
この関連技術として、例えば特表平６−５０４３６１号公報、特開平５−３２２３６６号公報、特開平５−３４３７５０号公報などが挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来の熱電変換装置ではまだ十分に高い熱電変換能力を得ることができないという問題点を有している。
【０００８】
本発明者らはこの問題点について鋭意検討した結果、熱電変換装置の特に熱移動媒体の流し方に問題があることを解明した。すなわち従来の熱電変換装置では、熱移動媒体が絶縁基板の表面に沿って単に蛇行状に流れるだけであるから、熱移動媒体と絶縁基板との間の熱コンダクタンスが低く、そのために十分な熱電変換能力を得ることができないことを見出した。
【０００９】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、十分に高い熱電変換能力を有する性能的に優れた熱電変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決すための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、Ｎ型半導体層ならびにＰ型半導体層を有する熱電変換素子群と、その熱電素子群を支持する吸熱側基板ならびに放熱側基板とを有する熱電変換装置において、前記吸熱側基板と放熱側基板は共に金属板からなり、前記熱電変換素子群と接する側に電気絶縁薄膜が形成され、放熱側基板の板厚が吸熱側基板の板厚よりも薄くなっており、前記放熱側基板の半導体支持側と反対側の面に対して液状熱移動媒体を衝突するように、前記液状熱移動媒体を供給する供給手段を設け、その供給手段の熱移動媒体供給経路上に、上流側から下流側に向けて扁平状の第１空間と、複数の供給孔と、前記放熱側基板のほぼ全面に臨む扁平状の第２空間とが連通するように設けられて、前記第１空間に流入した液状熱移動媒体が各供給孔から分散した状態で基板の面に向けて噴射され、基板面に衝突した液状熱移動媒体が第２空間で拡散されること特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
従来の熱電変換装置は基体（基板）の表面に沿って液状熱移動媒体を流して、基体と液状熱移動媒体の間で熱の移動を行っていた。これに対して本発明は、基体の面に対して液状熱移動媒体を衝突させるもので、液状熱移動媒体の基体と接す状態が確実に乱流となっているため、熱の移動が効率的になされ、そのために装置全体としての熱交換能力が高められる。
【００１２】
【実施例】
本発明の具体的な実施例を説明する前に、この熱移動媒体を使用した熱電変換装置の性能改善に関する本発明者の全般的な知見について説明する。
【００１３】
熱移動媒体を使用した熱電変換装置の性能を向上する方策に、
〔Ｉ〕基板の熱抵抗の低減、
〔ＩＩ〕熱移動媒体の流し方の改善、
などが挙げられる。
【００１４】
▲１▼．前者の基板の熱抵抗を下げる有効な手段として、従来のアルミナなどによるセラミック製の絶縁基板の代わりに、熱抵抗の低い例えばアルマイト層を形成したアルミニウム基板のように絶縁薄膜を有する金属基板を使用する方法がある。具体的にはアルミニウム基板の表面に陽極酸化法によってアルマイト被膜を形成する方法、あるいはアルミニウム基板の表面にアルミニウムを溶射してその後アルマイト層に変成する方法などがある。
【００１５】
しかし、放熱側基板も吸熱側基板も同じような肉厚のものを使用すると、金属基板はセラミック基板に較べて熱による膨張、収縮の割合がはるかに大きいから、放熱側基板−放熱側電極−Ｐ，Ｎ半導体層−吸熱側電極−吸熱側基板の系において熱応力にともなう剪断応力が増加して、信頼性の問題を発生する。
【００１６】
▲２▼．これを解決するために、一方の基板（例えば吸熱側基板）は通常のように肉厚にしておき、他方の基板（例えば放熱側基板）は前記吸熱側基板よりも十分に薄くして、すなわち放熱側基板と吸熱側基板の間で厚みに差を設けることにより、その放熱側基板を吸熱側基板の熱変形に追従できるようにして、前記系内の熱応力の発生を軽減することができる。
【００１７】
ところが、基板が薄くなることで、Ｐ，Ｎ半導体層の占有密度（基板総面積に対するＰ，Ｎ半導体層の断面積の総和の比率）が小さいときには逆に熱抵抗の増加を招く恐れがある。
【００１８】
▲３▼．そこでＰ，Ｎ半導体層の占有密度が小さいときには、基板は薄いままの状態で電極の面積を相対的に広げ、有効伝熱面積を維持することにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。
【００１９】
一方、前記熱移動媒体の流し方については、熱電変換装置の全体的なシステムとしてみたとき、例えば媒体を移動させるために必要な動力の少ない投入電力で高い熱交換能力が得られるように改善する必要がある。
【００２０】
▲４▼．そして高い熱交換能力を得る一手段として、構造的に改良して有効伝熱面積の増加を図ることが得策である。
【００２１】
▲５▼．また高い熱交換能力を得る他の手段として、熱伝達係数を高くすることが考えられ、そのためには媒体を移動させる投入電力を一定にした場合、熱移動媒体の流路内での流動圧損を下げ、熱移動媒体の流量、すなわち熱移動量を増す方法が得策である。本発明は、主にこの▲５▼項の技術に関するものである。
【００２２】
次に本発明の実施例を図とともに説明する。図１は電子冷却装置として用いる熱電変換装置の斜視図、図２はその熱電変換装置の断面図、図３は図２Ａ−Ａ線上の断面図、図４ならびに図５はカバー部材の平面図ならびに断面図、図６は分散部材の平面図、図７は図６Ｂ−Ｂ線上の断面図である。
【００２３】
図１ならびに図２に示すように、熱電変換装置は被冷却側に接する吸熱部材１と、吸熱側基板２と、熱電変換素子群３（図２参照）と、放熱側基板４（図２参照）と、支持枠体５と、カバー部材６と、分散部材７（図２参照）とから主に構成されている。
【００２４】
前記吸熱部材１は、図示していないが内部に多数の吸熱フィンを有しており、必要に応じてファンを付設することができる。
【００２５】
前記吸熱側基板２ならびに放熱側基板４は共に例えばアルミニウムなどの金属板からなり、熱電変換素子群３と接する側の表面に例えばアルマイトなどの電気絶縁薄膜が形成されている。陽極酸化法によってアルマイトの絶縁膜を形成する場合、その絶縁薄膜に封孔処理しない方が、熱電変換素子群３との接合性が良好である。電気絶縁膜は、この他に溶射などで形成することも可能である。
【００２６】
図２に示すように吸熱側基板２と放熱側基板４は板厚が異なっており（本実施例の場合は吸熱側基板２の板厚：５ｍｍ，放熱側基板４の板厚：０．２ｍｍ 吸熱側基板２≫放熱側基板４）、板厚の薄い方の基板が厚い方の基板の熱収縮（熱膨張）によく追従できるようになっており、それによって吸熱側基板２−熱電変換素子群３−放熱側基板４間の熱応力の発生を緩和している。
【００２７】
前記熱電変換素子群３は、図示していないが周知のように吸熱側電極と、放熱側電極と、両電極の間に多数配置されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とから構成されており、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層は構造的ならびに熱的に並列に配置されているが、電気的には前記電極を介して直列に接続されている。
【００２８】
前記支持枠体５は合成樹脂で成形され、放熱側基板４を支持するとともに、基端は前記吸熱側基板２に取りつけられている。
【００２９】
前記カバー部材６は合成樹脂で成形されており、上部に垂直方向に延びた給水管部８と排水管部９とが一体に設けられ、そして給水管部８の方はカバー部材６のほぼ中央に、排水管部９はカバー部材６の周縁近くに、それぞれ配置されている。カバー部材６の下半分には下方に向けて開口した周壁１０が設けられ、その内側に空間１１が形成され、そこに前記分散部材７が設置されている。
【００３０】
分散部材７も合成樹脂で成形されており、図６に示すように上面の略中央に円形の凹部１２が形成され、それを取り囲むように壁部１３が設けられている。分散部材７の外周部でかつその厚さ方向のほぼ中間位置につば部１４が設けられ、つば部１４の四隅に比較的径大の排出穴１５が形成されている。
【００３１】
また前記凹部１２の中央部に１本ならびに外周部に等間隔に８本の垂直に貫通した供給孔１６ａ〜１６ｉが設けられており、中央部の供給孔１６ａは他の供給孔１６ｂ〜１６ｉよりも若干径大となっている。
【００３２】
図２に示すようにこの分散部材７をカバー部材６の空間１１内に挿入して、分散部材７の壁部１３の上面をカバー部材６の内面に、分散部材７のつば部１４の外周面をカバー部材６の周壁１０の内面に、それぞれ接着することにより、分散部材７がカバー部材６内で位置決め固定される。そしてカバー部材６の内面と分散部材７の上面の間に扁平状の第１空間１７が、また周壁１０と壁部１３とつば部１４に囲まれて排水管９に連通した四角の枠形の排水路１８が、それぞれ形成される。
【００３３】
そしてカバー部材６の周壁１０の下面を放熱側基板４に接着することにより、分散部材７の下面と放熱側基板４の上面との間に１〜３ｍｍ程度の隙間の狭い扁平状の第２空間１９と、その周囲に四隅の排水穴１５に連通した集水路２０が形成される。
【００３４】
図２に示すように熱移動媒体である水２１を中央の給水管部８から供給すると第１空間１７で一斉に拡がり、９個の各供給孔１６ａ〜１６ｉから放熱側基板４の平面に向けて勢いよく噴射する。放熱側基板４に衝突して放熱側基板４の熱を奪った水２１は隙間の狭い第２空間１９で拡散し、その周囲の集水路２０で集められ、近くの排出穴１５から排水路１８を経て排水管部９から系外へ排出される。排出された水２１は図示しないラジエタ−または自然放冷で冷却され、循環系統を通って再利用される。
【００３５】
図８は第２実施例を示す図で、この例では排出管部９がカバー部材６の周壁１０に設けられ、集水路２０（図２参照）で集められた水２１が排出管部９から直接排水される。
【００３６】
図９は第３実施例を示す図で、この例では分散部材７の下面に多数の管体２２が一体に設けられ、その管体２２の孔が供給孔１６となっており、また管体２２と管体２２の間の隙間が集水路２０となっている。
【００３７】
図１０は第４実施例を示す図で、この例では分散部材７の下面で供給孔１６の近くに水２１の流れを案内するガイド部２３が突設されており、ガイド部２３の形状は彎曲していても直線状でもよく、分散部材７の中央部側から周囲の集水路２０側に向けて延びている。
【００３８】
図１１は第５実施例を示す図で、この例では分散部材７の中央部側から周囲の集水路２０側に向けて延びたスリット状の供給孔１６が複数本設けられている。
【００３９】
図１２は第６実施例を示す図で、この例ではスリット状の４本の供給孔１６が集水路２０とほぼ平行に延びている。
【００４０】
図１３は第７実施例を示す図で、この例では分散部材７の下面に複数の突出部２４が設けられ、その突出部２４に１本もしくは複数本の供給孔１６が穿設されて、突出部２４と突出部２４の間に集水路２０が形成されている。
【００４１】
図１４は第８実施例を示す図で、この例では前述のような複数本の供給孔１６は形成されておらず、中央部に垂直に垂下した給水管部８を有する上部材２５と、排水管部９を有する下部材２６との組み合わせで分散部材７が構成されている。
【００４２】
そして前記上部材２５と放熱基板４の間に隙間の狭い扁平状の第２空間１９が形成され、上部材２５の中央突出部分と下部材２６の内周の間に集水路２０が形成されている。
【００４３】
図１５は第９実施例を示す図で、この例では給水管部８が分散部材７の側面から中央部下面に向けて延びており、放熱基板４と衝突した水は分散部材７の中央部上面から排出されるようになっている。
【００４４】
図１６は第１０実施例を示す図で、前述の各実施例では供給孔１６あるいは給水管部８が放熱基板４の面に対してほぼ垂直に配置されていたが、この例では供給孔１６あるいは給水管部８が放熱基板４の面に対して傾斜して設けられており、この傾斜により水２１の流れ方向が一定となり、スムーズに流れて圧損の低減に寄与している。
【００４５】
図１７ならびに図１８は第１１実施例を示す図で、この例では放熱基板４に対する熱電変換素子群３の取付け領域２７が放熱基板４の中央部を基準にて四方に分割され、その取付け領域２７と取付け領域２７の間に断面形状が山形の屈曲部２８が形成されている。この屈曲部２８は図に示すようにリブ状に連続していても、断続的なものでもよく、また屈曲部２８は熱電変換素子群３側に向けて突出しても、反対に熱電変換素子群３とは反対側に向けて突出してもよい。なお、本実施例では屈曲部２８を十字状に形成したが、この屈曲部２８を多数形成することも可能である。
【００４６】
図１９は第１２実施例を示す図で、この例では放熱側基板４の熱電変換素子群３の取付け面とは反対側の面に、例えば金網、エキスバンデットメタル、パンチングメタルなどの開口率が大きくて薄い多孔性熱伝導体２９がスポット溶接などによって取付けられている。
【００４７】
前記第１１実施例ならびに第１２実施例のように、放熱側基板４に屈曲部２８を形成したり、あるいは多孔性熱伝導体２９を取りつけることにより、放熱側基板４の表面近傍における水２１の流れが乱流となり、そのため放熱側基板４に対する水２１の熱吸収効率が高くなる。
【００４８】
なお、前記屈曲部２８ならびに多孔性熱伝導体２９は、放熱基板４の周辺のシール部分までは延びていない。
【００４９】
前記実施例では熱移動媒体として水を使用したが、本発明はこれに限られるものではなく、水以外に例えば不凍液など他の液体を使用することもできる。
【００５１】
前記実施例では放熱側基体に熱移動媒体を接触させる場合について説明したが、前述の実施例に基づいて吸熱側基体に熱移動媒体を接触させることも可能である。
【００５２】
前記実施例では電子冷却装置の場合について説明したが、本発明は熱発電装置にも適用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
図２０は熱コンダクタンス特性で、同図の横軸に給水ポンプへの一定量の投入電力で熱電変換装置に流れる水の流量（圧損ΔＰ×流速Ｇｗ）を、縦軸に熱コンダクタンスを、それぞれとっている。図中の△印の曲線は図２に示す本発明の実施例の熱電変換装置、■印の曲線は図１４に示す本発明の実施例の熱電変換装置、◆印の曲線は図１５に示す本発明の実施例の熱電変換装置、〇印の曲線は図２１、図２２に示す従来の熱電変換装置の特性である。
【００５４】
従来の熱電変換装置は図２２に示すように供給管１０７から排出管１０８にかけての水１０５の流路が狭く、しかも複数回蛇行して距離が長いことから、水１０５の圧損が大きい。また水１０５が放熱側絶縁基板１０１の表面と平行になってほぼ層流状態で流れているため、放熱側絶縁基板１０１から水１０５への熱伝達が余り良くないことから、〇印の曲線に示すように熱コンダクタンスが小さい。
【００５５】
これに較べて本発明の各実施例のものは、放熱側基板４の伝熱面に対して水２１を衝突するように供給して放熱側基板４から熱を奪い取るようになっており、しかも水２１の流路長が従来のものに比較して短く、圧損が小さいことから、熱コンダクタンスが大きく、優れた特性を有している。
【００５６】
本発明は前述したように、基体の面に対して液状熱移動媒体を衝突させるもので、液状熱移動媒体の基体と接する状態が確実に乱流となっているため、熱の移動が効率的になされ、その結果、装置全体としての熱交換能力が高められ、性能的に優れている。
【００５７】
また前記実施例のように、基体として電気絶縁薄膜を有する金属基体を使用すると、アルミナなどの基体に較べて熱抵抗が極端に少ないから、さらに熱交換能力が高められる。
【００５８】
さらに前記実施例のように、供給手段の基体と対向する側にその基体のほぼ全面に臨む空間が形成されて、基体の面に衝突した液状熱移動媒体がこの空間で拡散されるようにすれば、液状熱移動媒体が基体の表面近傍において広い領域にわたって素早く拡散するため、圧損が少なくなり、さらに熱交換能力が高められる。
【００５９】
さらにまた前記実施例のように、供給手段の熱移動媒体衝突経路上に、上流側から下流側に向けて扁平状の第１空間と、複数の供給孔と、前記基体のほぼ全面に臨む扁平状の第２空間とが連通するように設けられ、前記第１空間に流入した液状熱移動媒体が各供給孔から分散した状態で基体の面に向けて噴射され、基体面に衝突した液状熱移動媒体が第２空間で拡散されるように構成すれば、熱移動媒体の基体までの距離を従来のものに比較して短く、しかも圧損を低くおさえることができるから、さらに熱交換能力が高められるなどの利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る熱電変換装置の斜視図である。
【図２】その熱電変換装置の縦断面図である。
【図３】図２Ａ−Ａ線上の断面図である。
【図４】その熱電変換装置に用いるカバー部材の平面図である。
【図５】そのカバー部材の断面図である。
【図６】その熱電変換装置に用いる分散部材の平面図である。
【図７】図６Ｂ−Ｂ線上の断面図である。
【図８】本発明の第２実施例に係るカバー部材の断面図である。
【図９】本発明の第３実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした底面図である。
【図１０】本発明の第４実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした底面図である。
【図１１】本発明の第５実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした底面図である。
【図１２】本発明の第６実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした底面図である。
【図１３】本発明の第７実施例に係る熱電変換装置の一部を断面にした底面図である。
【図１４】本発明の第８実施例に係る熱電変換装置の断面図である。
【図１５】本発明の第９実施例に係る熱電変換装置の断面図である。
【図１６】本発明の第１０実施例に係る熱電変換装置の供給孔（給水管部）の一部拡大断面図である。
【図１７】本発明の第１１実施例に係る熱電変換装置に用いる放熱側基板の平面図である。
【図１８】その放熱側基板の一部拡大断面図である。
【図１９】本発明の第１２実施例に係る熱電変換装置に用いる放熱側基板の断面図である。
【図２０】各熱電変換装置の熱コンダクタンス特性図である。
【図２１】従来の熱電変換装置の縦断面図である。
【図２２】図２１Ｘ−Ｘ線上の断面図である。
【符号の説明】
１ 吸熱部材
２ 吸熱側基板
３ 熱電変換素子群
４ 放熱側基板
５ 支持枠体
６ カバー部材
７ 分散部材
８ 給水管部
９ 排水管部
１０ 周壁
１１ 空間
１２ 凹部
１３ 壁部
１４ つば部
１５ 排出穴
１６ 供給孔
１７ 第１空間
１８ 排水路
１９ 第２空間
２０ 集水路
２１ 水
２２ 管体
２３ ガイド部
２４ 突出部
２５ 上部材
２６ 下部材
２７ 取付け領域
２８ 屈曲部
２９ 多孔質体

Claims (1)

1. Ｎ型半導体層ならびにＰ型半導体層を有する熱電変換素子群と、
   その熱電素子群を支持する吸熱側基板ならびに放熱側基板とを有する熱電変換装置において、
   前記吸熱側基板と放熱側基板は共に金属板からなり、前記熱電変換素子群と接する側に電気絶縁薄膜が形成され、放熱側基板の板厚が吸熱側基板の板厚よりも薄くなっており、
   前記放熱側基板の半導体支持側と反対側の面に対して液状熱移動媒体を衝突するように、前記液状熱移動媒体を供給する供給手段を設け、
   その供給手段の熱移動媒体供給経路上に、上流側から下流側に向けて扁平状の第１空間と、複数の供給孔と、前記放熱側基板のほぼ全面に臨む扁平状の第２空間とが連通するように設けられて、
   前記第１空間に流入した液状熱移動媒体が各供給孔から分散した状態で基板の面に向けて噴射され、基板面に衝突した液状熱移動媒体が第２空間で拡散されることを特徴とする熱電変換装置。

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