JP5499239B2 - 熱電変換装置 - Google Patents
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そして、前記熱電変換素子群の中央部位から前記吸熱側熱導体の前記枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みDが、前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで前記枠体によって拘束されない前記枠内凸部の積層部の厚みLの半分の+20%〜−40%の範囲に規制され、
かつ前記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撥水性シール剤層で覆い、前記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水蒸気遮断シール剤層で覆ったことを特徴とするものである。
さらに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撥水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水蒸気遮断シール剤層で覆うことにより、枠体内部、すなわち熱電変換素子群の周囲の防湿効果を維持して、長期にわたって信頼性が確保できる熱電変換装置を提供することができる。
次に本発明の実施例を図面とともに説明する。図1は本発明の第1実施例に係る熱電変換装置の概略構成図、図2はその熱電変換装置の熱電変換素子群付近の拡大断面図である。
図3は、各部品の材質と厚みと熱膨張係数をまとめて表した図である。図中のPPSはポリフェニレンサルファイド、GFはガラス繊維である。なお、放熱側熱導体枠内凸部3ならびに吸熱側熱導体枠内凸部11としては銅やマグネシウムなども使用可能であるが、加工性や価格などの点でアルミニウムが好適である。
本実施例では電気絶縁性のためにアルミナなどのセラミックス基板13、18を使用しているが、他の絶縁手段を利用してセラミックス基板を用いない場合もある。
材 質 熱伝導度(W/m・K)
熱導体 アルミニウム 120〜130
応力緩和層 シリコーン弾性体 1
次に熱電変換装置の動作条件について説明する。
一般的な冷蔵庫の条件(a:冷蔵庫動作条件)は、外気25℃のときに庫内を5℃に冷却する条件であり、このとき熱電変換装置の吸熱側熱導体1は0℃前後、放熱側熱導体基部4は40℃前後となり、吸熱側熱導体枠内凸部11においても0℃前後、放熱側熱導体枠内凸部3においても40℃前後になっている。そしてこの温度の中間領域は図1に示すように熱電変換素子群2の厚さ方向のほぼ中央の温度境界線21であり、それを境にして吸熱側が低温、放熱側が高温となる。
図4は、これらの動作条件と各部品の温度をまとめて表した図である。
熱電変換装置は、常温(25℃)で組み立てるので、その状態を基準に冷却、加温動作時の内部の膨張・収縮による変移量を計算する。
変移量は、部品の熱膨張係数と、当該部品の積層方向(変移方向)の厚みと、部品の動作時の温度から25℃を引いた温度差に基づいて、下式により計算する。
変移量=〔部品の熱膨張係数〕×〔部品の変移方向の厚み〕×〔温度差(到達温度−25℃)〕
枠体5の変移量は、吸熱側熱導体1ならびに放熱側熱導体基部4と強固に接合しているので、ほぼ同等温度と見てよい。また、冷却と加温の中間温度領域は、前述のように熱電変換素子群2の厚み方向の中央部位とした。
a:冷蔵庫条件(吸熱側熱導体枠内凸部11:0℃、放熱側熱導体枠内凸部3:40℃)
熱電変換素子群2の厚み方向の中央部位が冷却と加温の境界領域となり、熱電変換素子群2の上下両端部が0℃/40℃とみなせる。従って、吸熱側熱導体枠内凸部11、吸熱側セラミックス基板13ならびに吸熱側電極15は0℃、放熱側電極17、放熱側セラミックス基板18ならびに放熱側熱導体枠内凸部3は40℃として計算する。
吸熱側枠体部分の変移量Y1=〔枠体の熱膨張係数〕×〔枠体の厚み1/2〕×〔吸熱側の温度差(動作部温度−25℃)〕
加温側枠体部分の変移量Y2=〔枠体の熱膨張係数〕×〔枠体の厚み1/2〕×〔加温側の温度差(動作部温度−25℃)〕
そして前記〔内部の変移量X〕から〔枠体の変移量Y〕を差し引いた〔トータル変移量Z〕を計算し、その計算結果の値がマイナスなら熱電変換素子群に対して引き剥がしの応力が発生し、計算結果の値がプラスなら熱電変換素子群に対して圧縮の応力が発生することになる。
〔トータル変移量Z〕=〔内部の変移量X〕−〔枠体の変移量Y〕
熱電変換装置の組み立て状態から前記内部の変移量Xの吸収量は、伝熱性能の観点から応力緩和層の膜厚の±10%程度であり、実際の厚みに換算すると±3μm程度である。
(a)枠体の積層方向の膨張係数を、20〜30ppm/℃とする。
(b)内部の枠体に拘束されない積層部の厚みLは25mm以下、好ましくは15mm以下とする。
(c)熱電変換素子群の中央部位から吸熱側熱導体の端面までの厚みDは、積層部厚みLの半分(L/2)の+20%〜−40%の範囲とする。
(d)枠体の積層方向の膨張係数と、内部熱導体の膨張係数をほぼ等しくする。
ことである。
熱電変換装置の動作条件:外気25℃、庫内0℃。熱導体A(吸熱側熱導体枠内凸部11)0℃、熱導体B(放熱側熱導体枠内凸部3)40℃とする
前記熱導体A部(吸熱側熱導体枠内凸部11)と熱導体B部(放熱側熱導体枠内凸部3)の寸法条件を種々変えて変移量を求めた。
前記熱導体A部(吸熱側熱導体枠内凸部11)と全厚みLの半分の比率K=(A+1/2C)/(L/2)−1と変移量の関係を求めた。
第3の相違点は、放熱側熱導体基部4の下方に放熱フィン24が一体に取り付けられている。
そのため枠体5の周壁8を通しての隙間29からの熱の洩れがあり、熱電変換装置の性能の低下を招く。
このように隙間29からの熱の洩れを阻止するとともに、前記変移量を±3μm以内に確実に収めるために、前記積層部の厚みLを8〜25mm、好ましくは8〜15mmの範囲内に規制するとよい。
前述した熱電変換素子群2の厚さ方向中央の温度境界線21を断熱層28の内側に位置する構成は、前記第1〜3実施例においても同様に適用できることである。
硬さ:48(ショアA)
伸び:100%
引張りせん断接着強さ:2.10N/mm2
T形剥離接着強さ:1.20N/mm2
硬さ:42(ショアA)
破断時伸び:220%
破断強度:1.8N/mm2
線膨張率:2.1×10−4
(材料組合例1)
撥水性シール剤層36 :シリコーンエラストマー
水蒸気遮断シール剤層37:弾性エポキシ樹脂
(材料組合例2)
撥水性シール剤層36 :ブチルゴム
水蒸気遮断シール剤層37:弾性エポキシ樹脂
(材料組合例3)
撥水性シール剤層36 :シリコーンエラストマー
水蒸気遮断シール剤層37:ブチルゴム
(材料組合例4)
撥水性シール剤層36 :ブチルゴム
水蒸気遮断シール剤層37:ブチルゴム
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5の機械的結合を、吸熱側熱導体1に対して枠体5をインサートモールドするとともに、係合溝34と突出部22とで緊密な係合を行なう。その上でゴム弾性を有するシール剤層36,37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。
本実施例では図19に示すように、放熱側熱導体枠内凸部3と放熱側熱導体基部4の間にも前記応力緩和層19が形成されている。
Claims (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、合成樹脂からなる枠体を前記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、その枠体内に前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体の一部である枠内凸部を収納して、前記枠体の端部を前記放熱側熱導体の外周部と連結した熱電変換装置において、
前記熱電変換素子群の中央部位から前記吸熱側熱導体の前記枠体によって拘束されない部分の端面までの厚みDが、前記吸熱側熱導体と熱電変換素子群と放熱側熱導体のうちで前記枠体によって拘束されない前記枠内凸部の積層部の厚みLの半分の+20%〜−40%の範囲に規制され、
かつ前記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撥水性シール剤層で覆い、前記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水蒸気遮断シール剤層で覆ったことを特徴とする熱電変換装置。
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