JP5019392B2 - 電子冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気冷蔵庫などに用いる電子冷却装置に係り、特に吸熱側熱導体や熱電変換素子群などを合成樹脂の成形体からなる枠体内に収納する構造の電子冷却装置に関するものである。

電子冷却装置は、装置の動作時に片側が冷却状態、もう一方の片側が加熱状態になるため、両方の温度差や熱サイクルの繰り返しで、装置内部に大きなストレスが生じて破損する問題がある。また、冷却部に外部から水分が侵入すると、それが熱電変換素子群の電極や半導体の近傍で凝縮して結露し、電解腐食を起こして電子冷却装置の性能が劣化するという問題がある。

図４は、特開平１１−１８６６１７号公報に記載されている電子冷却装置の断面図である。図中の１０１は吸熱側熱導体、１０２は熱電変換素子群、１０３は放熱側熱導体、１０４は枠体、１０５は水冷ジャケット、１０６は分散部材、１０７は硬化型接着剤層、１０８は柔軟性接着剤層である。

枠体１０４の内側に吸熱側熱導体１０１が挿入され、両者の隙間にエポキシ樹脂などの硬化型接着剤が注入、硬化されて硬化型接着剤層１０７が形成され、吸熱側熱導体１０１と枠体１０４は硬化型接着剤層１０７によって固定されている。
特開平１１−１８６６１７号公報

図４の構造では、金属からなる吸熱側熱導体１０１と合成樹脂からなる枠体１０４とを固く接着するためにエポキシ樹脂からなる硬化型接着剤層１０７が使用されている。ところで、エポキシ樹脂は活性水素を有するフェノールノボラック樹脂などを硬化剤として用いて硬化反応を行った場合、硬化反応後にエポキシ基１個当たり１個の２級アルコール性水酸基を生成する。この水酸基は高い親水性を有していることから、硬化型接着剤層１０７自体が高い吸湿性をもっており、硬化型接着剤層１０７による防湿効果は期待できない。

また、金属からなる吸熱側熱導体１０１と硬化型接着剤層１０７の接着では、水の存在が接着強度を弱める１つの要因となる。これは接着剤よりも金属の方が水に濡れ易いことが起因しており、水の存在で吸熱側熱導体１０１と硬化型接着剤層１０７の接着面が破壊される。

さらに、硬化型接着剤層１０７は吸熱側熱導体１０１や枠体１０４との接合面で固化するときの残留応力が大きく、水分が含まれている状況下で熱サイクルを繰り返していると吸熱側熱導体１０１や枠体１０４と硬化型接着剤層１０７の界面で剥離を生じ、さらに水分の侵入が起こり易くなり、そのために電子冷却装置の性能が低下するという欠点を有している。

さらにまた図４の構造では、吸熱側熱導体１０１と枠体１０４の狭い隙間には空気があり、その空気と置換しながら接着剤を注入する必要があり、接着剤の注入作業が非常に煩雑である。またこのようなことから接着剤を規定量注入することが難しかったり、接着剤層の中に気泡が残り、そのために十分な防湿効果が得られず、電子冷却装置の性能が低下する。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、耐久性に優れ、性能的に安定した電子冷却装置を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、熱電変換素子群を介して吸熱側熱導体と放熱側熱導体を対向して設け、合成樹脂の成形体からなる枠体内に少なくとも前記吸熱側熱導体を配置して、その吸熱側熱導体と枠体を一体にする電子冷却装置において、
前記枠体を吸熱側熱導体の外周部にインサートモールドで一体に形成して、その枠体と吸熱側熱導体の接合部の大気と接する外側部分を非極性材料のシール剤からなる非極性シール剤層で覆い、枠体と吸熱側熱導体の接合部の前記外側部分とは反対の内側部分を極性材料で硬化しない軟質シール剤からなる極性非硬化型シール剤層で覆ったことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は前記請求項１に記載の発明において、
前記非極性材料のシール剤がシリコーンエラストマー、ポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムのグループから選択されたシール剤で、前記極性材料で硬化しない軟質シール剤がエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂のグループから選択されたシール剤であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は前記請求項１に記載の発明において、
前記吸熱側熱導体と枠体の接合部に係合溝とそれに嵌り合う突状からなる結合部が形成され、その結合部の大気と接する外側に前記非極性シール剤層が設けられ、前記結合部の内側に前記極性非硬化型シール剤層が設けられていることを特徴とするものである。

本発明は前述のように構成されており、耐久性（防湿性）に優れ、性能的に安定した電子冷却装置を提供することができる。

本発明の一実施例を図面とともに説明する。図１は本発明の実施例に係る電子冷却装置の一部を断面にした斜視図、図２はその電子冷却装置の吸熱側熱導体と枠体の結合体の一部を断面にした斜視図、図３はその電子冷却装置の放熱フィンベースと枠体の結合部の拡大断面図である。

アルミニウムからなるブロック状の吸熱側熱導体１の外周には枠体２がインサートモールドにより一体に形成されて、両者で結合体３を構成している（図２参照）。枠体２はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂の成形体からなり、放熱フィンベース４の外周部と連結される水平方向に延びた基端部５と、その基端部５の内側に吸熱側熱導体１の外周面に沿って四方から立ち上がった立ち上がり部６と、前記基端部５の内周部と立ち上がり部６の下端部とを連結する連結部７とを有している。

図２に示すように、前記基端部５には所定の間隔をおいて複数のネジ孔８が貫通、形成されている。前記立ち上がり部６の上面９は吸熱側熱導体１の上面１０よりも若干下の位置にあって、立ち上がり部６の上面９と吸熱側熱導体１の周面の隅に角部１１が形成されている。

吸熱側熱導体１の厚さ方向のほぼ中間位置には、吸熱側熱導体１の全周に沿って水平方向に延びた係合溝１２が１条あるいは複数条予め形成されている。枠体２をインサートモールドするときに溶融した合成樹脂の一部がこの係合溝１２内にも充填され、樹脂が冷却固化することにより枠体２の内周部に突条１３が一体に形成される。そして係合溝１２とそこに入り込んで形成された突条１３との係合により、吸熱側熱導体１と枠体２が機械的に強固に結合される。

連結部７の内周部には吸熱側熱導体１の下部付近を取り囲むように下方に向
けて開口した凹部１４が設けられ、この凹部１４の上面は吸熱側熱導体１の底面よりも若干上位置にあることから、吸熱側熱導体１の下部周囲に連続した溝状のシール剤溜め部１５が形成されている。

図２に示す結合体３の前記角部１１、すなわち吸熱側熱導体１と枠体２の接合部の大気と接する外側部分の全周に沿って、非極性材料からなるシール剤を塗布して非極性シール剤層１８を形成する。非極性材料からなるシール剤としては、例えばシリコーンエラストマー（例えば信越化学社製シリコーンＲＴＶゴム ＫＥ４８９０，ＫＥ３８４０）、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムなどが用いられる。

また、前記シール剤溜め部１５の全周に沿って極性材料からなり硬化しないでゴム弾性を有する柔軟な軟質シール剤を注入して極性非硬化型シール剤層１９を形成する。この明細書で記述する硬化しないでゴム弾性を有する柔軟な非硬化型シール剤層は、架橋反応に伴う硬化は生じておらず、ＪＩＳ Ｋ６２５３で分類されて中硬度以下のゴム弾性を有するもので、通常、硬度表示でタイプＡまたはショアＡもしくはデュロメータＡと表示されるもの、あるいはそれ以下のゴム硬度を有するものである。一方、図４で示した硬化型接着剤層１０７のゴム硬度は、ショアＤに分類される高硬度のもので、本発明で用いる硬化しないでゴム弾性を有する柔軟なシール剤とは性状、性質が全く異なっている。

極性非硬化型のシール剤としては、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂などが用いられる。前記エポキシ系樹脂としは、エポキシ樹脂を主成分とする例えばシリコーン変性エポキシ樹脂、アクリル変性エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂などを挙げることができる。前記アクリル系樹脂としは、例えばアクリル樹脂を主成分とするシリコーン変性アクリル樹脂、ウレタン変性アクリル樹脂、エポキシ変性アクリル樹脂などを挙げることができる。ウレタン系樹脂としは、ウレタン樹脂を主成分とする例えばシリコーン変性ウレタン樹脂、アクリル変性ウレタン樹脂、エポキシ変性ウレタン樹脂などを挙げることができる。

シリコーン変性エポキシ樹脂（セメダイン社製ＰＭ１６５）の諸特性は下記の通りである。
硬さ：４８（ショアＡ）
伸び：１００％
引張りせん断接着強さ：２．１０Ｎ／ｍｍ^２
Ｔ形剥離接着強さ：１．２０Ｎ／ｍｍ^２

シリコーン変性アクリル樹脂（セメダイン社製スーパーＸ）の諸特性は下記の通りである。
硬さ：４２（ショアＡ）
破断時伸び：２２０％
破断強度：１．８Ｎ／ｍｍ^２
線膨張率：２．１×１０^−４

前述のシリコーンエラストマーなどは非極性材料であるため強い疎水性（撥水性）を有し、吸熱側熱導体１と枠体２の接合部からの水分の侵入を阻止するのに有効である。ところが、非極性材料は自由体積（隙間）が大きく、シール剤層内での水蒸気の透過度が高い。

硬化型エポキシ樹脂は、強い極性をもっているため吸湿性を有している。この吸湿性を抑えるためエポキシ樹脂を例えばシリコーン、アクリル、ウレタンなどで変性したものがあるが、吸湿性は残る。とこがこの変性エポキシ樹脂は、自由体積（隙間）が小さいためシール剤層内での水蒸気の透過度が低いという特長を有している。

本発明は、非極性材料からなるシール剤と極性材料からなるシール剤を組み合わせて使用することにより、前述の両者の欠点を互いに補いながら、両者の利点を発揮するものである。ここで極性材料からなるシール剤として硬化型接着剤を使用すると、接着剤層は吸熱側熱導体や枠体との接合面で固化するときの残留応力が大きく、水分が含まれている状況下で熱サイクルを繰り返していると吸熱側熱導体や枠体と固まった接着剤層の界面で剥離を生じ、そこから水分の侵入が起こり易い。

このような弊害を排除するため本発明では、吸熱側熱導体１と枠体２の機械的接合を、吸熱側熱導体１に対して枠体２をインサートモールドするとともに、係合溝１２と突条１３の係合で行う。その上で硬化しないでゴム弾性を有する軟質シール剤を用いて極性非硬化型シール剤層１９を形成することにより、硬化による残留応力の発生を回避した。

本実施例では係合溝１２と突条１３の係合部を間にして、その係合部の外側に非極性シール剤層１８が設けられ、係合部の内側に極性非硬化型シール剤層１９が設けられている。そのため外部から侵入しようとする水分をまず強い疎水性（撥水性）を有する非極性シール剤層１８で阻止し、さらに非極性シール剤層１８ならびに枠体２の一部を透過する水蒸気を自由体積が小さい極性非硬化型シール剤層１９で阻止することにより、熱電変換素子群１６が収納されている枠体２の内部で高い防湿効果を得ることができる。

またこれらシール剤層１８，１９は図４に示すように狭い隙間に注入して形成するものでないから、作業が簡便であり、気泡を含まず、規定量のシール剤を装填することができ、シール効果が確実に発揮できる。

電子冷却装置では吸熱側熱導体１が配置されている冷却部側で結露が起こり易いため、吸熱側熱導体１と枠体２の接合部に機械的な結合部と、非極性シール剤層１８と、極性非硬化型シール剤層１９の３つの手段を併設することで、より防湿効果を高めて、耐久性を向上することができる。

図１に示すように、吸熱側熱導体１の下側でかつ枠体２の内側には、熱電変換素子群１６を介して板状の放熱側熱導体１７が配置され、この状態で枠体２のネジ孔８からネジ２０を螺挿して、枠体２を放熱フィンベース４上で位置決めする。吸熱側熱導体１の下面から基端部５の下面までの距離は、熱電変換素子群１６と放熱側熱導体１７の合計の厚さよりも若干短く設計されている。基端部５の内周と放熱側熱導体１７の外周の間にはシール剤などは介在されておらず、隙間が設けられている。

本実施例では図３に示すように、放熱フィンベース４と枠体基端部５の位置決めを複数本のネジ２０で行い、しかも両者の接合面の大気と接する外周部に非極性材料からなる非極性シール剤層２１を形成し、その内側に極性材料からなり硬化しないでゴム弾性を有する軟質の極性非硬化型シール剤層２２を形成している。前記シール剤は、装置の組み立て時に予め枠体基端部５あるいは放熱フィンベース４に塗布されている。放熱フィンベース４と枠体基端部５の接合部にも非極性シール剤層２１と極性非硬化型シール剤層２２を併設すれば、この接合部からの水分の侵入も有効に阻止することができる。

本実施例では図１に示すように、放熱フィンベース４と放熱側熱導体１７の接合面には熱伝導性の良好な弾性膜２３が介在されている。図示していないが吸熱側熱導体１と熱電変換素子群１６との界面、熱電変換素子群１６と放熱側熱導体１７との界面にも弾性膜２３が介在されている。また放熱フィンベース４の外側には多数の放熱フィン２４が一体に設けられている。

前記合成樹脂製の枠体２は、熱電変換素子群１６に対する応力の緩和を主目的に用いられている。

本実施例では図１に示すように、吸熱側熱導体１に係合溝１２を形成し、枠体２に突条１３を設けたが、反対に吸熱側熱導体に突条を形成し、枠体に係合溝を設けることもできる。

図５は、本発明の他の実施例に係る電子冷却装置の一部拡大断面図である。この実施例の場合同図に示すように、吸熱側熱導体１の非極性シール剤層１８と接する周面に予めアンカー溝２５を形成して、非極性シール剤を塗布してその一部をアンカー溝２５内に入り込ませて、吸熱側熱導体１に対する非極性シール剤層１８のアンカー効果を発揮している。アンカー溝２５の断面形状は、Ω型や凹型などがある。

本発明の実施例に係る電子冷却装置の一部を断面にした斜視図である。 その電子冷却装置の吸熱側熱導体と枠体の結合体の一部を断面にした斜視図である。 その電子冷却装置の放熱フィンベースと枠体の結合部の拡大断面図である。 従来提案された電子冷却装置の断面図である。 本発明の他の実施例に係る電子冷却装置の一部拡大断面図である。

符号の説明

１．．．吸熱側熱導体
２．．．枠体
３．．．結合体
４．．．放熱フィンベース
５．．．基端部
６．．．立ち上がり部
７．．．連結部
８．．．ネジ孔
９．．．上面
１０．．．上面
１１．．．角部
１２．．．係合溝
１３．．．突条
１４．．．凹部
１５．．．シール剤溜め部
１６．．．熱電変換素子群
１７．．．放熱側熱導体
１８．．．非極性シール剤層
１９．．．極性非硬化型シール剤層
２０．．．ネジ
２１．．．非極性シール剤層
２２．．．極性非硬化型シール剤層
２３．．．弾性膜
２４．．．放熱フィン
２５．．．アンカー溝

Claims (3)

1. 熱電変換素子群を介して吸熱側熱導体と放熱側熱導体を対向して設け、合成樹脂の成形体からなる枠体内に少なくとも前記吸熱側熱導体を配置して、その吸熱側熱導体と枠体を一体にする電子冷却装置において、
   前記枠体を吸熱側熱導体の外周部にインサートモールドで一体に形成して、その枠体と吸熱側熱導体の接合部の大気と接する外側部分を非極性材料のシール剤からなる非極性シール剤層で覆い、枠体と吸熱側熱導体の接合部の前記外側部分とは反対の内側部分を極性材料で硬化しない軟質シール剤からなる極性非硬化型シール剤層で覆ったことを特徴とする電子冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子冷却装置において、
   前記非極性材料のシール剤がシリコーンエラストマー、ポリオレフィン系樹脂のホットメルト、ブチルゴムのグループから選択されたシール剤で、前記極性材料で硬化しない軟質シール剤がエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂のグループから選択されたシール剤であることを特徴とする電子冷却装置。
3. 請求項１に記載の電子冷却装置において、
   前記吸熱側熱導体と枠体の接合部に係合溝とそれに嵌り合う突状からなる結合部が形成され、その結合部の大気と接する外側に前記非極性シール剤層が設けられ、前記結合部の内側に前記極性非硬化型シール剤層が設けられていることを特徴とする電子冷却装置。

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