JP3560392B2 - 熱電変換装置 - Google Patents
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Description
【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、特にそれの熱電変換素子群を支持する基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の熱電変換装置を説明するための図である。同図に示すように、アルミナなどからなる放熱側基板１００の上に半田層１０１を介して放熱側電極１０２が設けられ、放熱側電極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。
【０００３】
このＰ型半導体層１０３とＮ型半導体層１０４とを接続するように吸熱側電極１０５が設けられ、さらにその上に半田層１０５を介してアルミナなどからなる吸熱側基板１０７が配置されている。
【０００４】
前記Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１０４は放熱側基板１００と吸熱側基板１０７の間に多数介在され、熱的ならびに構造的には並列に配置され、電気的には直列に配置されている。
【０００５】
【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欠点を有している。
【０００６】
本発明者らはこの問題点について鋭意検討した結果、熱電変換装置の基板に問題があることを見出した。
【０００７】
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。
【０００８】
【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、放熱側基板と、吸熱側基板と、前記放熱側基板と吸熱側基板の間に介在された熱電変換素子群を備えた熱電変換装置を対象とするものである。
【０００９】
そして前記放熱側基板ならびに吸熱側基板は電気絶縁薄膜を形成した金属板からなり、放熱側基板の厚さが吸熱側基板の厚さよりも薄くなっており、その薄い放熱側基板の上面側に扁平状の空間を介して供給孔を有する分散部材を配置し、その分散部材の供給孔から熱移動媒体を放熱側基板に向けて噴射して、その熱移動媒体の噴射圧力で薄い放熱側基板を熱電変換素子群に押圧することを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
図５は、電子冷却装置を例にとって説明した熱電変換装置のエネルギー収支の説明図である。図中の５０は電極、半田層ならびに半導体層からなる熱電変換素子群、５１は吸熱側基板、５２は放熱側基板である。
【００１１】
同図において例えば熱電変換素子群５０の低温側温度（Ｔｃ）を０〔℃〕、高温側温度（Ｔｈ）を夏場を考慮して４０〔℃〕、熱電変換素子群５０の低温側面における吸熱量を１０〔Ｗ〕、投入電力Ｐを４０〔Ｗ〕、熱電変換素子群５０の高温側面における放熱量を５０〔Ｗ〕という動作条件に設定したとする。また装置の総高を一定に保つために熱電変換素子群５０（半導体層、電極、半田層など）の厚さを一定にし、かつ吸熱側基板５１と放熱側基板５２の合計厚さを０．１２〔ｃｍ〕として、両基板とも一辺の長さは３〔ｃｍ〕の正方形とし、両基板には熱伝導率が０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕のアルミナセラミックを使用した。
【００１２】
（Ａ）従来のように吸熱側基板５１と放熱側基板５２の厚さをともに０．０６
〔ｃｍ〕として、合計で０．１２〔ｃｍ〕とした場合、
▲１▼．吸熱側基板５１の熱コンダクタンスは、
０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕×｛９〔ｃｍ２ 〕／０．０６〔ｃｍ〕｝＝１８〔Ｗ／℃〕
▲２▼．その熱抵抗Ｒｃは熱コンダクタンスの逆数であるから、
１／１８＝０．０５５６〔℃／Ｗ〕
▲３▼．吸熱側基板５１と熱電変換素子群５０の界面と吸熱側基板５１の外表面との温度差ΔＴｃは、
０．０５５６〔℃／Ｗ〕×１０〔Ｗ〕＝０．５５６〔℃〕
となる。
【００１３】
▲４▼．放熱側基板５２の熱コンダクタンスは吸熱側基板５１と同じで、
１８〔Ｗ／℃〕
▲５▼．その熱抵抗Ｒｈは０．０５５６〔℃／Ｗ〕
▲６▼．放熱側基板５２と熱電変換素子群５０の界面と放熱側基板５２の外表面との温度差ΔＴｈは、
０．０５５６〔℃／Ｗ〕×５０〔Ｗ〕＝２．７８〔℃〕
となる。
【００１４】
▲７▼．従って低温側の温度差ΔＴｃと高温側の温度差ΔＴｈの合計ΔＴは、
０．５５６＋２．７８＝３．３３６〔℃〕
となる。
【００１５】
（Ｂ）吸熱側基板５１の厚さを０．１〔ｃｍ〕とし、放熱側基板５２の厚さを
０．０２〔ｃｍ〕として、合計で０．１２〔ｃｍ〕とした場合、
▲１▼．吸熱側基板５１の熱コンダクタンスは、
０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕×｛９〔ｃｍ２ 〕／０．１〔ｃｍ〕｝＝１０．８〔Ｗ／℃〕
▲２▼．その熱抵抗Ｒｃは熱コンダクタンスの逆数であるから、
１／１０．８＝０．０９２６〔℃／Ｗ〕
▲３▼．吸熱側基板５１と熱電変換素子群５０の界面と吸熱側基板５１の外表面との温度差ΔＴｃは、
０．０９２６〔℃／Ｗ〕×１０〔Ｗ〕＝０．９２６〔℃〕
となる。
【００１６】
▲４▼．放熱側基板５２の熱コンダクタンスは、
０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕×｛９〔ｃｍ２ 〕／０．０２〔ｃｍ〕｝＝５４〔Ｗ／℃〕
▲５▼．その熱抵抗Ｒｈは、
１／５４＝０．０１８５〔℃／Ｗ〕
▲６▼．放熱側基板５２と熱電変換素子群５０の界面と放熱側基板５２の外表面との温度差ΔＴｈは、
０．０１８５〔℃／Ｗ〕×５０〔Ｗ〕＝０．９２５〔℃〕
となる。
【００１７】
▲７▼．従って低温側の温度差ΔＴｃと高温側の温度差ΔＴｈの合計ΔＴは、
０．９２６＋０．９２５＝１．８５１〔℃〕
となる。
【００１８】
（Ｃ）吸熱側基板５１の厚さを０．０２〔ｃｍ〕とし、放熱側基板５２の厚さ
を０．１〔ｃｍ〕として、合計で０．１２〔ｃｍ〕とした場合、
▲１▼．吸熱側基板５１の熱コンダクタンスは、
０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕×｛９〔ｃｍ２ 〕／０．０２〔ｃｍ〕｝＝５４〔Ｗ／℃〕
▲２▼．その熱抵抗Ｒｃは、
１／５４＝０．０１８５〔℃／Ｗ〕
▲３▼．吸熱側基板５１と熱電変換素子群５０の界面と吸熱側基板５１の外表面との温度差ΔＴｃは、
０．０１８５〔℃／Ｗ〕×１０〔Ｗ〕＝０．１８５〔℃〕
となる。
【００１９】
▲４▼．放熱側基板５２の熱コンダクタンスは、
０．１２〔Ｗ／ｃｍ・℃〕×｛９〔ｃｍ２ 〕／０．１〔ｃｍ〕｝＝１０．８〔Ｗ／℃〕
▲５▼．その熱抵抗Ｒｈは、
１／１０．８＝０．０９２６〔℃／Ｗ〕
▲６▼．放熱側基板５２と熱電変換素子群５０の界面と放熱側基板５２の外表面との温度差ΔＴｈは、
０．０９２６〔℃／Ｗ〕×５０〔Ｗ〕＝４．６３〔℃〕
となる。
【００２０】
▲７▼．従って低温側の温度差ΔＴｃと高温側の温度差ΔＴｈの合計ΔＴは、
０．１８５＋４．６３＝４．８１５〔℃〕
となる。
【００２１】
前述のように吸熱側基板５１と放熱側基板５２の厚さを等しくした（Ａ）の場合のΔＴは３．３３６〔℃〕、放熱側基板５２の厚さが吸熱側基板５１の厚さよりも薄くした（Ｂ）の場合のΔＴは１．８５１〔℃〕、反対に吸熱側基板５１の厚さが放熱側基板５２の厚さよりも薄くした（Ｃ）の場合のΔＴは４．８１５〔℃〕であり、結局、温度差ΔＴの大小関係は（Ｂ）＜（Ａ）＜（Ｃ）となる。
【００２２】
前述のようにＴｃとＴｈの間に４０〔℃〕の差がつくように４０Ｗの電気量を投入しているにもかかわらず、
（Ａ）の場合には、４０−３．３３６＝３６．６６４〔℃〕、
（Ｃ）の場合には、４０−４．８１５＝３５．１８５〔℃〕、
しか温度差はついていないことになる。これに対して
（Ｂ）の場合には、４０−１．８５１＝３８．１４９〔℃〕
もの差があり、結局、放熱側基板５２の外表面温度を一定にして、同じ４０Ｗの電気量を投入しても、従来装置の（Ａ）に較べて本発明の装置（Ｂ）では吸熱側基板５１の外表面温度を約１．５〔℃〕下げることができ、冷却効率が従来のものに比較して向上している。またこのことは、吸熱側基板５１と放熱側基板５２の外表面温度の条件が同じとすると、従来装置の（Ａ）に較べて本発明の装置（Ｂ）の方が冷却に消費される電気量が少なくて済み、省エネルギーの熱電変換装置が提供できることを意味する。
【００２３】
【実施例】
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断面図、図２は図１Ａ−Ａ線上の断面図である。
【００２４】
図１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（図示していないが吸熱側電極、放熱側電極、Ｎ型半導体層ならびにＰ型半導体層などから構成されている）と、放熱側基板４と、支持枠体５と、カバー部材６と、分散部材７とから主に構成されている。
【００２５】
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、必要に応じてファンを付設することができる。
【００２７】
前記吸熱側基板２と放熱側基板４は板厚が異なっており、表面にアルマイトなどの電気絶縁薄膜を形成したアルミニウムなどの金属板を基板材料に使用する場合、例えば吸熱側基板２の板厚を５〔ｍｍ〕、放熱側基板４の板厚を０．２〔ｍｍ〕にすることができる。なお、陽極酸化法によってアルマイトの絶縁薄膜を形成する場合、その絶縁薄膜に封孔処理しない方がアルマイト絶縁薄膜の表面に微細な凹凸が無数に形成されているから、熱電変換素子群３との接合性が良好である。
【００２８】
金属基板として例えば鉄（７０重量％）−ニッケル（３０重量％）合金基板などを使用することも可能であり、この合金基板の熱膨張係数は１×１０-7／℃と極めて低く、応力低減に効果がある。
【００２９】
特に放熱側基板４に板厚の薄い金属板を使用した場合、吸熱側基板２の熱収縮によく追従でき、吸熱側基板２−熱電変換素子群３−放熱側基板４間の応力の発生を緩和することができる。
【００３０】
なお、吸熱側基板２と放熱側基板４の合計厚みが一定の場合、放熱側基板４の板厚を薄くすることによりそれの機械的強度は小さくなるが、その分だけ吸熱側基板２の板厚を厚くすることが可能であるから、吸熱側基板２によって吸熱側基板２から放熱側基板４の間の機械的強度を所望の値に保持することができる。
【００３１】
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、各半導体層と各電極を接合する半田層から構成されている。
【００３２】
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。
【００３３】
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、給水管部８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。
【００３４】
分散部材７も合成樹脂で成形されており、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（図２参照）、前記凹部１２の中央部に１本ならびに外周部には等間隔に８本の垂直に貫通した供給孔１６ａ〜１６ｉが設けられている。
【００３５】
図１に示すように分散部材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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１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。
【００３８】
図３ならびに図４は本発明の第２実施例を示す図で、図３は放熱側基板の平面図、図４は図３Ｂ−Ｂ線上の拡大断面図である。
【００３９】
この実施例の場合、放熱側基板４は熱電変換素子群３（放熱側電極）と接合する表面に電気絶縁性の薄膜（例えばアルマイト薄膜 図示せず）を形成した金属基板（例えばアルミニウム板）からなり、図３に示すように熱電変換素子群３（放熱側電極）の取付け部分２２が放熱側基板４の中央部を基準にて四方に分割されている。また放熱側基板４の外周部付近には、例えば図１に示すカバー部材６の周壁１０の下端と接合する環状のシール部分２３が設けられている。
【００４０】
そして前記取付け部分２２とシール部分２３を除いた部分に、図４に示す如く断面形状が山形の屈曲部２４が形成されている。この屈曲部２４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２４は熱電変換素子群３側に向けて突出しても、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２４を十字状に形成したが、この屈曲部２４を例えば直線状に多数形成することも可能である。
【００４１】
図６は、本発明の第３実施例を説明するための熱電変換装置の断面図である。
【００４２】
この実施例で前記第１実施例の熱電変換装置（第１図参照）と相違する点は、放熱側基板４と支持枠体５とカバー部材６との関係である。
【００４３】
すなわち本実施例の場合は、放熱側基板４の周辺部がカバー部材６の内側に接着支持され、カバー部材６が支持枠体５に接着支持されて、支持枠体５がネジ
３０によって吸熱側基板２に取付けられている。図中の３１は支持枠体５のネジ止め部ならびに支持枠体５とカバー部材６の間に充填されたシール材である。
【００４４】
図７は、吸熱側基板ならびに放熱側基板の板厚を変化させた場合の応力の推移を示す特性図である。図７は一辺が４０〔ｍｍ〕の正方形で吸熱側基板ならびに放熱側基板ともアルミニウムからなり、放熱側基板の板厚を０．１〔ｍｍ〕＜曲線（ｃ）＞ならびに板厚を０．２〔ｍｍ〕＜曲線（ｄ）＞に固定して吸熱側基板の板厚を０．１〜１０〔ｍｍ〕に変化させた場合の、吸熱側基板と放熱側基板の間にかかる剪断応力の変化を測定した図である。なお、ＴｃとＴｈの温度差は３５〔℃〕とした。
【００４６】
図７の図中に示した横軸と平行な一点鎖線は、一辺が４〔ｍｍ〕で板厚が０．６〔ｍｍ〕の吸熱側基板５１と放熱側基板５２を使用した従来の熱電変換装置の剪断応力０．５３〔Ｋｇｆ／ｍｍ2 〕を示す直線である。
【００４７】
これらの図から明らかなように、セラミックならびに金属製の基板を用いた場合でも、本発明のように吸熱側基板よりも放熱側基板の板厚を薄くすることにより、従来の吸熱側基板と放熱側基板の板厚を同じくしたものよりも応力の発生を大幅に軽減することができる。
【００４８】
本発明の熱電変換装置は前述のように、放熱側基板の板厚を例えば０．１〜
０．５〔ｍｍ〕程度に薄くすることで前述のような効果は得られるが、放熱側基板自体の機械的強度が弱くなる。そのため図１に示すように例えば水などの熱移動媒体の噴射圧力で、あるいは（ならびに）構造的に放熱側基板を熱電変換素子群に押圧密着すると、安定した特性が得られる。
【００４９】
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、アルミナなどのセラミック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。
【００５０】
前記実施例では熱移動媒体を使用する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てはなく、熱移動媒体を使用しない熱電変換装置にも適用可能である。
【００５１】
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、本発明はこれに限定されるものてはなく、熱発電装置にも適用可能であり、また冷却と保温（加温）が切り換えが可能な熱電変換装置にも適用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は前述のように、放熱側基板と、吸熱側基板と、前記放熱側基板と吸熱側基板の間に介在された熱電変換素子群を備えた熱電変換装置において、前記放熱側基板ならびに吸熱側基板は電気絶縁薄膜を形成した金属板からなり、放熱側基板の厚さが吸熱側基板の厚さよりも薄くなっており、その薄い放熱側基板の上面側に扁平状の空間を介して供給孔を有する分散部材を配置し、その分散部材の供給孔から熱移動媒体を放熱側基板に向けて噴射して、その熱移動媒体の噴射圧力で薄い放熱側基板を熱電変換素子群に押圧することを特徴とするものであり、このように構成することにより高い熱電変換特性を有することができる。
【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断面図である。
【図２】図１Ａ−Ａ線上の断面図である。
【図３】本発明の第２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４】図３Ｂ−Ｂ線上の拡大断面図である。
【図５】本発明の熱電変換装置における作用を説明するための図である。
【図６】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。
【図７】本発明の熱電変換装置における吸熱側基板ならびに放熱側基板の板厚と応力との関係を示す特性図である。
【図８】従来の熱電変換装置の拡大断面図である。
【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
２１ 水
２２ 熱電変換素子群（放熱側電極）の取付け部分
２３ シール部分
２４ 屈曲部
５０ 熱電変換素子群
５１ 吸熱側基板
５２ 放熱側基板
Claims (2)
- 放熱側基板と、吸熱側基板と、前記放熱側基板と吸熱側基板の間に介在された熱電変換素子群を備えた熱電変換装置において、
前記放熱側基板ならびに吸熱側基板は電気絶縁薄膜を形成した金属板からなり、放熱側基板の厚さが吸熱側基板の厚さよりも薄くなっており、その薄い放熱側基板の上面側に扁平状の空間を介して供給孔を有する分散部材を配置し、その分散部材の供給孔から熱移動媒体を放熱側基板に向けて噴射して、その熱移動媒体の噴射圧力で薄い放熱側基板を熱電変換素子群に押圧することを特徴とする熱電変換装置。 - 請求項１記載において、前記電気絶縁薄膜がアルマイト絶縁薄膜からなり、そのアルマイト絶縁薄膜が封孔処理されておらず表面に微細な凹凸が形成されていることを特徴とする熱電変換装置。
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