JP5005093B2 - 電熱変換器および温度調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の電熱変換器に関する。

このような変換器は、しばしば、強大な熱負荷、例えば強大な温度ゆらぎ、膨張応力などに曝される。また、価格面での圧迫も存在する。

よって、本発明の課題は、強大な熱負荷に耐えられる低コストの電熱変換器を提供することである。

この課題は、本発明により、独立請求項に記載された特徴を有する電熱変換器によって解決される。

更なる有利な形態は、後続の請求項および以下の説明から推知できる。

本発明は、特に製造コスト、安全性及び寿命の点で特に有利である。

本発明は、基本的に、あらゆる種類の温度調節装置及びエアコンディショナ、特にクッション入りのあらゆる対象物、特に車両シート、シートサポート、車室内のパネルエレメント、サドル、又は、例えばオフィス設備のための温度調節装置及びエアコンディショナに適する。

エアコンディショナを備えた自動車の部分縦断面図である。 個々のコンポーネントが互いに点で結合された図１のエアコンディショナの電気変換器または温度調節装置の横断面図である。 波板状熱交換器を備えた第２実施形態の熱電変換器の縦断面図である。 セグメント分割型熱交換器を備えた第３実施形態の熱電変換器の斜視図である。 熱交換器としても役立つＵ字形ブリッジエレメントを備えた第４実施形態の熱電変換器の斜視図である。 ブリッジエレメントに多数の熱伝導リブを付けた第５実施形態の熱電変換器の斜視図である。 セラミック分配板と弾性分配板を備えた第６実施形態の熱電変換器の縦断面図である。 それぞれ異なる方向のリブが設けられた２つの波板状熱交換器を備えた第７実施形態の熱電変換器の斜視図である。

以下、本発明の詳細を説明する。ここで述べる実施形態は、本発明を理解し易くするものであるが、例示の性格を有するにすぎない。自明のことながら、本発明の枠内で述べた個々の特徴又は複数の特徴を省略、改変又は補足することもあり得る。また、様々な実施形態の特徴を互いに組み合わせることができることも自明である。本発明のコンセプトがほぼ実用化されていることが決定的である。ここで、“ほぼ”とは、所望の利益を認識可能な程度で実用化可能であることを意味する。これは特に、当該特徴が少なくとも５０％、９０％、９５％又は９９％満たされていることを意味することができる。

図１は車両１０００を示す。これは、例えば航空機、鉄道車両、船舶、又は自動車などであってよい。

車両１０００は、少なくとも１つの車内装置対象物１１００を備える。車内装置対象物とは、おおよそ車室内の利用者が接触し得るあらゆる構造部分、例えば車両用操縦装置１１２０、インストルメントパネル１１３０、アームレスト１１４０、ドアトリムパネル１１５０、シートサポート１１６０、ヒートカバー１１７０、天井１１８０、クッション４００、カバー５００又はシート１１１０と解される。

車内装置対象物１１００は、少なくとも１つのクッション４００及び／又は少なくとも１つのカバー５００を備えると好ましい。

車内装置対象物１１００は、少なくとも１つのエアコンディショナ１００を備えると好ましい。これは、例えば、車両の車室内の利用者が接触する面の温度調節／空気調節に役立つ。これは、少なくとも１つの温度調節装置１１０、少なくとも１つの空気案内装置１２０、及び／又は少なくとも１つの湿度調節装置１３０を備える。温度調節装置１４０とは、その周囲の温度を目標通り変化させるために利用できる装置、例えば、少なくとも１つの電気加熱抵抗器、ヒートポンプ、ペルチエ素子（Peltierelemente）及び／又は、例えばベンチレータのような空気移動装置、又は主にこれから作られた装置を含むあらゆる装置と解する。空気案内装置とは、例えば車載空調装置のような特定の面領域又は空間領域における空気組成又は空気流を空気交換のために目標通り変えるのに利用できる装置や、少なくとも部分的に通気性を持つ間隔媒質、間隔ニット及び／又は空調用インサートと解する。湿度調節装置１３０とは、特に上で挙げた温度調節装置１１０のような、その周囲の大気湿度の調節に役立つ装置や、活性炭繊維又は高分子超吸収体のような吸湿体と解する。

温度調節装置１１０は、少なくとも１つの接続線１１９を介して電源１５０に接続されている。

電熱変換器１１２は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する装置、及び／又は、電気エネルギーを使って２つの場所の間に温度落差を生じさせる装置である。その例としては、ペルチエ素子がある。

図２は、少なくとも２つの電気半導体モジュール２２０ａ〜ｆを有する電熱変換器１１２を備えた温度調節装置１１０を示す。一方の半導体エレメントは少なくとも部分的にＰドープされており、他方は少なくとも部分的にＮドープされている。これらは、ブリッジエレメント２００ａ〜ｇの間に交互にサンドイッチ状に配置されている。これにより、半導体モジュールの直列回路の中に電熱変換器１１２が形成される。この配置の中を電流が流れると、半導体モジュールの一方の側が冷たくなり、他方の側が熱くなる。

従って、低温側１１４は、電熱変換器１１２の作動時に冷却される側である。これは、製造上の制約から常に同じ側のままであっても、電流の流量に応じて転極可能であってもよい。

高温側１１５は、電熱変換器１１２の作動時に加熱される側である。

半導体モジュール２２０とブリッジエレメント２００ａ〜ｇの間の結合は、溶接、ろう付け、及び／又は、導電性接着剤での接着により形成されていてもよい。この結合は、全面的／大面積に、又は、部分的／点状に形成されてもよい。

接着には特に熱伝導接着剤が適している。ここで言う熱伝導接着剤とは、電熱変換器１１２から熱交換器１４０、１４１への伝熱損失を最小化するために熱を良く伝導し、少なくとも２つの対象物を少なくとも極僅かしか互いに付着させない物質のことである。例を挙げると、金属混合物を含んだ合成グリースをベースにしたシリコンフリーの熱伝導ペースト、例えば酸化亜鉛粒子などである。更なる例は、例えばエポキシ系の二成分接着剤である。更には、ＰＳＡ系接着剤が適している。接着剤は、液状接着剤として塗付してあってよい。しかしながら、これは例えば接着テープとして貼付してあってもよい。これは例えばカプトン（登録商標）からなる、導電性シートで強化された熱伝導性ＰＳＡ接着テープであってよい。また、ワックスや樹脂も考慮の対象になり、それが金属又は金属酸化物と混合されている時は特に考慮の対象になる。温度調節装置１１０のコンポーネント同士を接着する場合には、接着後もなお優れた弾性及び／又はクリープ性を呈する接着剤を使用すると好ましい。これにより、半導体モジュールは、割れ又は破断なしに熱膨張運動を実行できるだけのゆとりを得る。

また、スズ、銅、銀プリントペースト及び／又は導電性接着剤からなる導体板の形のブリッジエレメント２００を配置することも可能である。

電熱変換器１１２は、少なくとも低温側１１４又は高温側１１５に少なくとも１つの熱交換器１４０、１４１を備えると好ましい。これは、少なくとも応分に熱伝導性に優れた材料、例えばアルミニウム又は銅から作られていると好ましい。

この熱交換器によって、電熱変換器１１２の全部の半導体モジュール２２０を覆うことができる（図２）。これは、しかしながら、特定の半導体モジュールにだけ割り当てられるものであってもよい（図４）。その場合、複数の熱交換器が互いに間隔をあけて並置されると好ましい。これらは相対的に移動でき、互いに力をかけないので、熱応力を低減することができる。理想的な場合には、ブリッジエレメント２００ａ〜ｇと結合した半導体モジュール２２０の各対に、１つ（図５）又は複数（図６）の熱交換器１４０、１４１が割り当てられている。熱交換器は、図３に示した通りの波板状構造、及び／又は、図２に示した通りの冷却リブ、及び／又は、図５に示した通りのＵ字形アーチを備えていてよい。低温側の熱交換器１４０と高温側の熱交換器１４１は、同じ様式であっても異なる様式であってもよい。

半導体モジュール２２０とブリッジエレメント２００ａ〜ｇを熱交換器１４０、１４１から電気絶縁し、機械的荷重をより良く分配し、熱流量を均一化するために、少なくとも１つの熱交換器１４０、１４１と、少なくとも１つの半導体モジュール２２０または少なくとも１つのブリッジエレメント２００ａ〜ｇの間に、少なくとも１つの分配板１４５、１４６が設けてあってよい。高温側と低温側のいずれにも、同種又は異種の分配板１４５、１４６が配置してあってもよい。

少なくとも１つの分配板１４５、１４６は、セラミック材から作られていると好ましい。特に好ましいのはＤＢＣセラミックであり、その理由は当該材料が従来のセラミック材より堅牢であるからである。

また、少なくとも１つの分配板１４５、１４６が少なくとも応分にカプトンから作られていてもよい。この材料は熱伝導性に優れているが、電気絶縁性を有する。この性質により、電熱変換器１１２は、脆いセラミック材よりも大きく膨張することができる。

少なくとも１つの分配板１４６が、少なくとも１つの更なる（例えば第１の）分配板１４５の材料より弾性に優れた材料からなることが好ましい。これには、例えば非導電性ポリマーが適している。

本目的に合致するように、分配板１４５、１４６は一方の方向に曲がり、他方の方向には剛直である。これは、例えば、分配板を波板状に曲げたり反らせたりすることによって達成できる。この目的に合致するように、高温側の分配板と低温側の分配板は、互いに９０°ずらしてある（図８）。これにより、分配板が互いにかける膨張負荷がせいぜい極僅かであることが保証されている。本目的に合致するように、分配板１４５、１４６を金属化し、それに補助リブを付けるか、又は、弾性と伝導性に優れた充填材を詰めてもよい。特に、このタイプの場合は、補助の熱交換器１４０、１４１を省くことができ、その機能を分配板１４５、１４６に持たせることができる。

本目的に合致するように、半導体モジュール２２０は、分配板１４５、１４６のリブまたは凹凸構造に沿ってそれぞれ配置されている。これにより、熱の流れが改善され、応力が最小化される。

また、高温側だけ、又は低温側だけに分配板１４５、１４６が設けられていてもよい。これにより、同様に、高温側と低温側で異なる熱膨張から生じる熱応力が減じられる。

半導体モジュール２２０を周囲から確実に電気絶縁するため、これらの構造において、例えばポリマーフィルム及び／又は両面接着テープの形の絶縁層が、熱交換器１４０と半導体モジュール２２０の間に設けられていてよい。このような絶縁層は、同時にブリッジ装置を覆ってもよい。その場合、応力を予防するために、相異なるブリッジ装置の間の絶縁層が蛇行又は湾曲した形を呈することが推奨される。

しかし、ブリッジ装置ごとに独自の絶縁層が設けられていてもよい。両方の目的のためには、例えば吹き付け、刷り込み、擦り込み、スパッタリングなどにより誘導体被覆を施すことが得策である。材料成分として特に適しているのは、ペイント、エナメル、セメント、ゴムなどである。

少なくとも１つの電熱変換器１１２と、少なくとも１つの分配板１４５、１４６及び／又は熱交換器１４０、１４１の間には、少なくとも１つの結合ゾーン２３０が設けられていることが好ましい。ここで、電熱変換器１１２は、熱交換器１４０、１４１または分配板１４５、１４６と、又は、分配板１４５、１４６が他の両方のコンポーネントの少なくとも１つと結合している。

ここで、ブリッジエレメント２００ａ〜ｇの、熱交換器１４０、１４１及び／又は分配板１４５、１４６との結合は、ブリッジエレメント２００と半導体モジュール２２０の間の結合と同じ様式であってよい。この結合は、少なくとも応分に、合成樹脂、エポキシ接着剤及び／又はインジウムろうから作られていると好ましい。これらの材料は少なくともある程度まで電熱変換器１１２または熱交換器１４０、１４１の膨張を許容する。従って、熱交換器１４０、１４１が銅製で、分配板１４５、１４６がセラミック製である場合であっても、分配板１４５、１４６と電熱変換器１１２または熱交換器１４０、１４１の間に結合ゾーン２３０を大面積又は全面的に設けることが問題となる。

半導体モジュール２２０に熱膨張運動を追従させると同時に固定的な温度調節エレメントを得る機会を与えるために、以下、幾つかの異なる変形例について説明する。

半導体モジュール２２０の高温側が、その中心を中高に盛り上げる可能性を有し、低温側がその縁部域を少なくとも極僅かながら直立させ得ることが決定的である。そのためには、温度調節装置１１０及び／又は電熱変換器１１２の少なくとも２つのコンポーネントを互いに部分的にしか結合させないことが目的に合う。

変形例ａ）
半導体モジュール２２０の中心にある１点を、温度調節装置１１０の高温側のブリッジエレメントに接着固定する。その点が十分に小さければ、接着剤が硬く、弾力的でなくても、半導体モジュール２２０が高温側から遠ざかる方向に曲がることができる。接着ゾーン２３０は、中心に位置しても縁辺に位置してもよい。半導体モジュール２２０の基礎面積全体に占めるその面積の割合は、好ましくは７０％未満、好ましくは５５％未満、または３０％未満である。

高温側と向き合った低温側１１４では、半導体モジュール２２０を点状又は全面的にブリッジエレメントと接着する。しかし、この低温側領域では、半導体モジュールが全面的にセラミック板に固定されているのでなく、少なくとも部分的に、できればまったく固定されていないことが好ましい。それが個々の半導体モジュール２２０の間のゾーンでしかセラミック板と結合していないと最もよい。これにより、半導体モジュールエレメントの、低温側１１４の方を指すエッジは、互いに重なり合うように曲がる可能性を得、基礎面の内側領域は低温側１１４から浮き上がることができる。ブリッジエレメントは、例えばフォイル又はテキスタイル、例えばＰＵなどのポリマー及び／又は金属の成分で強化されていてもよい。

変形例ｂ）
半導体モジュール２２０を、高温側１１５でリング及び／又はフレームに接着する。その中心には扁平な窪みが存在するため、加熱／膨張時に半導体モジュール２２０がその中に盛り上がることができる。

低温側１１４では、半導体モジュール２２０は盛り上がった面の中心に位置するので、その面は縁辺に沿って一周するギャップを有する。これによって、半導体モジュール２２０には、冷えて収縮した領域を低温側１１４の方へと曲げられるような遊びが与えられる。ここで、リング、フレーム及び／又は盛り上がった面が少なくとも部分的にジャンパ素材、ろう付け金属、溶接金属又は焼結金属から、及び／又は、伝導性及び／又は熱伝導性の接着材から作られていると有利である。

変形例ｃ）
半導体モジュールの高温側を、エッジのみによって高温のセラミック板に接着固定する。半導体モジュールの低温側も、エッジのみによって低温のセラミック板に接着固定する。このとき、両方のエッジが、半導体モジュール２２０の互いに向き合った端に当たるようにする。すると、セラミック板を横方向と上方向に幾らか動かした時、半導体モジュール２２０に遊びが生じる。

温度調節装置１１０は、空気調節装置の中に設けられていることが好ましい。そこでは、第１の空気流が一方の側で温度調節装置１１０に沿って案内される。これにより、空気流は例えば熱を吸収する。加熱すると、この暖められた流れが利用者に送られる。第２の空気流は、互いに向き合った熱交換器１４０、１４１をかすめていく。そこで、この空気流は自らの熱エネルギーを熱交換器に向けて放出し、冷却される。冷却されると、この空気流は利用者に送られる。

１００ エアコンディショナ
１１０ 温度調節装置
１１２ 電熱変換器
１１４ 低温側
１１５ 高温側
１１９ 接続線
１２０ 空気案内装置
１３０ 湿度調節装置
１４０ 低温側の熱交換器
１４１ 高温側の熱交換器
１４５、１４６ 分配板
１５０ 電源
２００ａ〜ｇ ブリッジエレメント
２２０ａ〜ｆ 半導体モジュール
２３０ａ〜ｃ 結合ゾーン
４００ クッション
５００ カバー
１０００ 車両
１１００ 車内装置対象物
１１１０ シート
１１２０ ステアリングホイール
１１３０ インストルメントパネル
１１４０ アームレスト
１１５０ ドアトリムパネル
１１６０ シートサポート
１１７０ ヒートカバー
１１８０ 天井

Claims (5)

1. 少なくとも１つの半導体モジュール（２２０）を備え、少なくとも１つの低温側（１１４）および高温側（１１５）を備える電熱変換器（１１２）であって、
   前記変換器の作動時に生じる熱負荷を克服して機械的安定性を維持するために、前記半導体モジュール（２２０）の基礎面が部分的にのみ接着されることを特徴とする電熱変換器。
2. 請求項１に記載の少なくとも１つの電熱変換器（１１２）を備えることを特徴とする温度調節装置（１１０）。
3. 請求項１に記載の電熱変換器（１１２）及び請求項２に記載の少なくとも１つの温度調節装置（１１０）の少なくともいずれかを備えることを特徴とする空気調節装置。
4. 請求項２に記載の少なくとも１つの温度調節装置（１１０）及び請求項３に記載の空気調節装置の少なくともいずれかを備えることを特徴とするクッション（４００）。
5. 請求項２に記載の少なくとも１つの温度調節装置（１１０）、請求項３に記載の空気調節装置、及び請求項４に記載のクッション（４００）の少なくともいずれかを備えることを特徴とするシート（１１１０）、操縦装置（１１２０）、ドアトリムパネル（１１５０）、シートサポート（１１６０）、インストルメントパネル（１１３０）及び／又はアームレスト（１１４０）。

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