JP7328664B2

JP7328664B2 - 熱電変換装置

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Publication number: JP7328664B2
Application number: JP2018189018A
Authority: JP
Inventors: 隆秀小林
Original assignee: Tex EG Co Ltd
Current assignee: Tex EG Co Ltd
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2038-10-04
Also published as: WO2020071313A1; JP2020057730A

Description

本発明は、例えば、冷蔵庫等の冷却ユニットとして利用される熱電変換装置に関する。

従来から、ペルチェ効果を利用した電子冷却システムが知られている。このような電子冷却システムでは、一般に、多数の熱電素子を集積して、吸放熱効率を向上させた熱電変換モジュール（ペルチェモジュール）が利用されている。

図５は、熱電変換モジュールの構造を説明するための図である。同図に示すように、熱電変換モジュール５００は、板状に並べられた複数のπ型熱電素子５１０（ｎ型半導体素子５１１及びｐ型半導体素子５１２の一端を金属電極５１３で接合したもの）によって構成されており、複数のπ型熱電素子５１０は、金属電極５２０によって、電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。同図に示した例では、矢印の方向（π型熱電素子のｎ側からｐ側へ向かう方向）に直流電流を流すと、上面側（π型熱電素子のｎｐ接合側）で吸熱が行われ、底面側で放熱が行われることになる。また、一般に、上面及び底面には、それぞれ、絶縁基板（例えば、セラミック基板）５３０が接合されており、吸熱面及び放熱面を形成している。なお、同図では、上面側の絶縁基板は省略してある。

このような熱電変換モジュールは、例えば、上面及び底面が吸熱側伝熱部材（例えば、伝熱ブロック）及び放熱側伝熱部材（例えば、放熱フィン）で挟持され、水分等の侵入を防ぐために周囲（側方）が合成樹脂製のケースで覆われた状態、すなわち、ユニット化された状態で使用される。

図６は、熱電変換ユニット（ペルチェユニット）の例を示す断面図である。同図に示すように、熱電変換ユニット６００は、伝熱ブロック６１０と、放熱フィン６２０と、ケース６３０とを備え、伝熱ブロック６１０と、放熱フィン６２０との間に、熱電変換モジュール６４０が挟持されている。

同図に示した熱電変換ユニット６００では、ケース６３０は、伝熱ブロック６１０と一体をなすように、インサート成形で形成されるが、ケース６３０の寸法には一定のばらつきが生じる。また、熱電変換モジュール６４０の厚さにも、製造上のばらつきが存在する。そのため、熱電変換ユニット６００の各構成部材６１０～６４０を組み付けた時に、伝熱ブロック６１０（又は放熱フィン６２０）と、熱電変換モジュール６４０との間に、不必要な隙間が生じることがあった。この場合、例えば、そのまま両者を熱伝導性接着剤で接着すると、両者を接着する接着層の厚みが大きくなってしまい、熱伝導性が悪くなることになる。

また、同図に示した熱電変換ユニット６００を冷蔵庫の冷却ユニットとして利用する場合、例えば、被冷却物である冷蔵室背面に、伝熱ブロック６１０がネジ留めされるが、このとき、熱電変換ユニット６００は片持ち梁状に支持されることとなる。そのため、冷蔵庫の運搬中等に生じた振動が熱電変換ユニット６００に伝わると、伝熱ブロック６１０を介して、熱電変換モジュール６４０に不均一な力（偏荷重）が加わることとなり、その結果、熱電変換モジュール６４０が破壊されるおそれがあった。

なお、特開２００３－１１４０８０号公報には、金属製の吸熱側熱導体と放熱側熱導体の間に熱電変換素子を挟持し、前記吸熱側熱導体を合成樹脂製の枠体の内側に配置した熱電変換装置であって、前記吸熱側熱導体の外周に枠体を一体にインサート成形したものが開示されている。

特開２００３－１１４０８０号公報

本発明の目的は、各構成部材の寸法のばらつきに対処することができると共に、運搬中の振動などによって生じる外力の熱電変換モジュールへの影響を緩和することが可能な熱電変換装置を提供することにある。

本発明に係る熱電変換装置は、複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、当該熱電変換モジュールに接触して熱を伝える伝熱部とを備えた熱電変換装置であって、前記伝熱部は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材を備え、前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置されており、変形可能な材料で構成されていることを特徴とする。

この場合において、前記第二の伝熱部材は、多数の気孔を有する多孔質材料によって構成されているようにしてもよい。この場合、前記気孔内には、熱伝導性物質が充填されているようにしてもよい。更に、この場合、前記熱伝導性物質は、熱伝導性グリースであってもよい。

また、以上の場合において、前記多孔質材料は、多孔質金属であってもよい。この場合、前記多孔質金属は、金属スポンジであってもよい。

また、以上の場合において、前記第一の伝熱部材は、前記第二の伝熱部材に当接しており、前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材が当接することで変形しているようにしてもよい。この場合、前記第一の伝熱部材の底面（第二の伝熱部材に対向する面）の大きさは、前記第二の伝熱部材の上面（第一の伝熱部材に対向する面）の大きさより小さいようにしてもよい。また、前記第一の伝熱部材の底面の大きさは、前記複数の熱電素子が存在する領域に対応するようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記第二の伝熱部材は、シート状の形状を有するようにしてもよい。また、前記伝熱部は、前記熱電変換モジュールの吸熱面に接触するようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースを更に備え、前記第一の伝熱部材は、前記ケースに対して固定されているようにしてもよい。この場合、前記熱電変換モジュールの放熱面に接触する放熱側伝熱部（例えば、放熱フィン）を更に備え、前記ケースは、前記放熱側伝熱部に固定されているようにしてもよい。

本発明によれば、各構成部材の寸法のばらつきに対処することが可能となる。また、伝熱部に加わる外力の影響が直接、熱電変換モジュールにまで及ぶのを防ぐことができるので、熱電変換モジュールが破壊されるのを防止することができ、熱電変換装置の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明による熱電変換ユニット１００の構成を説明するための正面図である。本発明による熱電変換ユニット１００の構成を説明するための平面図である。図２のＡ－Ａ断面図である。図３の熱電変換モジュール１４０の周辺を示す拡大断面図である。熱電変換モジュール５００の構造を説明するための図である。熱電変換ユニット６００の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

以下では、本発明による熱電変換装置としての熱電変換ユニット（ペルチェユニット）について説明する。本発明による熱電変換ユニットは、冷却システムに利用されるものであって、例えば、冷蔵庫や冷凍庫の冷却ユニットとして使用される。

図１～図４は、本発明による熱電変換ユニット（ペルチェユニット）の構成を説明するための図である。図１は正面図を示し、図２は平面図を示し、図３は、図２のＡ－Ａ断面図を示し、図４は、図３の熱電変換モジュール周辺の拡大断面図を示す。

図１に示すように、本発明による熱電変換ユニット１００は、伝熱部１１０と、放熱フィン１２０と、ケース１３０とを備える。更に、図３に示すように、伝熱部１１０と、放熱フィン１２０との間には、熱電変換モジュール１４０が挟持されている。

伝熱部１１０は、熱電変換モジュール１４０の一方の面（本実施形態では、吸熱面）に接触して熱を伝達する伝熱部材である。図３に示すように、本実施形態においては、伝熱部１１０は、２つの部材、すなわち、伝熱ブロック１１１と、伝熱シート１１２とによって構成されている。伝熱ブロック１１１と伝熱シート１１２とは、両者が接触した状態で使用され、伝熱シート１１２が、熱電変換モジュール１４０の一方の面（本実施形態では、吸熱面）に接触し、伝熱ブロック１１１が、被冷却物に固定（例えば、ネジ留め）される。伝熱ブロック１１１及び伝熱シート１１２の詳細については後述する。

放熱フィン１２０は、熱電変換モジュール１４０の他方の面（本実施形態では、放熱面）に接触して熱を伝達（放熱）する伝熱部材（放熱側伝熱部）であって、例えば、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）によって構成される。放熱フィン１２０と熱電変換モジュール１４０との接触面には、熱伝導性を高めるため、例えば、熱伝導性に優れた半固形状の物質である熱伝導性グリース（サーマルグリース）が塗布されている。放熱フィン１２０は、矩形状平板１２１と、その底面に取り付けられた多数のフィン１２２とによって構成されており、例えば、ファン（不図示）によって強制空冷される。

ケース１３０は、伝熱部１１０（伝熱シート１１２）及び放熱フィン１２０（矩形状平板１２１）によって挟持される熱電変換モジュール１４０の周囲（側方）を間隔をあけて覆い密閉空間を形成するものであって、例えば、熱伝導性が低く、耐水性を有し、ガス透過性が低い合成樹脂（例えば、ポリフェニレンスルフィド）で構成される。ケース１３０は、伝熱ブロック１１１の側面の大部分を覆うように、伝熱ブロック１１１の側面に沿って伸びる側壁部１３１と、放熱フィン１２０の上面の一部を覆うよう、放熱フィン１２０の上面に沿って外向きに伸びる張出部１３２とによって構成されており、断面が概ねＬ字状になるように形成される。ケース１３０は、例えば、伝熱ブロック１１１と一体をなすように、インサート成形によって形成され、張出部１３２が放熱フィン１２０（矩形状平板１２１）に固定（ネジ留め）される。

ケース１３０の張出部１３２の一辺には、図２に示すように、熱電変換モジュール１４０に直流電流を供給するためのタブ端子１３３が一組設けられている。タブ端子１３３と熱電変換モジュール１４０（の金属電極）とは、リード線１３４によって接続されている。

熱電変換モジュール１４０は、前述したように、板状に並べられた複数のπ型熱電素子によって構成されており、複数のπ型熱電素子は、金属電極によって、電気的には直列に、熱的には並列に接続されている。また、図４に示すように、上面側及び底面側の金属電極１４１，１４２には、それぞれ、絶縁基板（例えば、セラミック基板）１４３，１４４が接合されている。すなわち、金属電極１４１，１４２によって接合された複数の半導体素子１４５が、一対の絶縁基板１４３，１４４によって挟持されている。なお、簡単のため、図４では、リード線１３４及び放熱フィン１２０のフィン１２２は省略している。

次に、伝熱部１１０を構成する伝熱ブロック１１１及び伝熱シート１１２の詳細について説明する。

伝熱ブロック１１１は、伝熱シート１１２と接触して熱を伝達する伝熱部材であって、例えば、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）によって構成される。伝熱ブロック１１１は、概ね四角柱状の形状を有しており、ケース１３０からその一部が外部に露出して、当該伝熱ブロック１１１（の露出部分）に、被冷却物（例えば、冷蔵室）が接続される。

図３に示すように、伝熱ブロック１１１の底面（熱電変換モジュール１４０側の面）は、熱電変換モジュール１４０の放熱面より、やや小さくなるように形成されている。より具体的には、図４に示すように、熱電変換モジュール１４０を構成する半導体素子１４５が存在する範囲（領域）と同じ大きさを有するように形成されている。このように、伝熱ブロック１１１の底面の大きさを、半導体素子１４５が存在する領域の大きさに対応させることより、半導体素子１４５によって支持されていない絶縁基板１４３の縁部分が、伝熱ブロック１１１によって押されるのを防止することが可能となる。

伝熱シート１１２は、伝熱ブロック１１１及び熱電変換モジュール１４０と接触して熱を伝達する伝熱部材であって、熱伝導性が高く、変形可能な材料（例えば、多孔質金属）によって構成される。本実施形態においては、伝熱シート１１２は、多孔質金属の一種である金属スポンジ（例えば、ニッケルスポンジ）によって構成されている。伝熱シート１１２は、薄い平板状（シート状）の形状を有しており、ケース１３０内において、伝熱ブロック１１１と、熱電変換モジュール１４０との間に配置される。なお、組み付け時には、例えば、放熱フィン１２０上に載置された熱電変換モジュール１４０上に、伝熱シート１１２が載置され、更にその上に、伝熱ブロック１１１が載置される。

伝熱シート１１２の上面及び底面には、熱伝導性を高めるため、例えば、熱伝導性に優れた半固形状の物質である熱伝導性グリース（サーマルグリース）が塗布されている。本実施形態においては、組み付ける前に、例えば、へらを使って伸ばすことで、伝熱シート１１２の上面及び底面に熱伝導性グリースが塗り広げられる。へら等を使って、伝熱シート１１２の表面に熱伝導性グリースを塗り広げることによって、伝熱シート１１２の表面から内部に熱伝導性グリースが押し込まれることとなり、伝熱シート１１２を構成する金属スポンジの気孔内に熱伝導性グリースが充填されて、伝熱シート１１２自体の熱伝導性も向上することになる。できるだけ多くの気孔に熱伝導性グリースが充填されるよう、充分な量の熱伝導性グリースが塗布される。

伝熱シート１１２の上面及び底面は、熱電変換モジュール１４０の吸熱面（絶縁基板１４３）と同じサイズを有する。従って、伝熱シート１１２を熱電変換モジュール１４０の吸熱面（絶縁基板１４３）上に載置した際、熱電変換モジュール１４０の吸熱面（絶縁基板１４３の上面）の全領域が、伝熱シート１１２によって覆われることになる。伝熱シート１１２の厚さ（図４における上下方向の長さ）は、熱電変換ユニット１００の各構成部材を組み付けた際、伝熱ブロック１１１が伝熱シート１１２に当接するような寸法に設定される。すなわち、熱電変換ユニット１００の各構成部材を組み付けた際に形成される伝熱ブロック１１１と熱電変換モジュール１４０との間の隙間の大きさより、伝熱シート１１２の厚さが大きくなるように、各構成部材の寸法が決められる。例えば、熱電変換ユニット１００の各構成部材を組み付けた際に形成される伝熱ブロック１１１と熱電変換モジュール１４０との間の隙間の寸法が、製造上のばらつきを考慮すると、０．７～０．８ｍｍとなる場合、伝熱シート１１２の厚さは、０．８ｍｍより大きな寸法（例えば、１ｍｍ）に設定される。

熱電変換ユニット１００では、伝熱ブロック１１１が、ケース１３０に固定されているので、伝熱シート１１２の厚さを一定以上にすると、ケース１３０を放熱フィン１２０に対して固定した際、伝熱ブロック１１１が、熱電変換モジュール１４０上に載置された伝熱シート１１２に当接するようになり、その結果、伝熱シート１１２が変形すると共に、伝熱シート１１２が熱電変換モジュール１４０に押しつけられることになる。従って、ケース１３０や熱電変換モジュール１４０の寸法に製造上のばらつきがあったとしても、伝熱シート１１２の厚さを適当な値に設定していれば、伝熱ブロック１１１と伝熱シート１１２との間に隙間は生じなくなり、各構成部材の寸法のばらつきを吸収することが可能となる。

このように、熱電変換ユニット１００では、変形可能（圧縮可能）な伝熱シート１１２が適宜変形することによって、各構成部材の寸法のばらつきを吸収する。例えば、各構成部材の製造上のばらつきにより、伝熱ブロック１１１と熱電変換モジュール１４０との間の隙間の寸法が、最小で０．７ｍｍ、最大で０．８ｍｍとなる場合において、厚さ１ｍｍの伝熱シート１１２を使用したときは、当該伝熱シート１１２が、実際の隙間の寸法に応じて、元の厚さの７０～８０％の厚さ（０．７～０．８ｍｍ）にまで変形することで、各構成部材の寸法のばらつきを吸収する。

また、運搬中の振動等によって、伝熱ブロック１１１に外力が加わった場合でも、当該外力が直接、熱電変換モジュール１４０に伝わることはなく、変形可能な伝熱シート１１２によって吸収されるので、熱電変換モジュール１４０への外力の影響を緩和することが可能となる。つまり、運搬中の振動等によって、熱電変換モジュール１４０が破壊されるのを防止することが可能となり、熱電変換ユニット１００の信頼性を向上させることが可能となる。

また、前述したように、組み付けられた状態では、伝熱ブロック１１１と伝熱シート１１２とは当接することになるが、伝熱ブロック１１１の底面（伝熱シート１１２に対向する面）の大きさは、伝熱シート１１２の上面（伝熱ブロック１１１に対向する面）の大きさより小さくなっており、伝熱ブロック１１１が、伝熱シート１１２に対して押し付けられると、押し付けられた部分が変形して窪んだ状態となり、図４に示すように、伝熱ブロック１１１の一部（底面部）が、伝熱シート１１２に形成された窪み（凹部）に嵌まり込んだような状態となる。その結果、伝熱ブロック１１１の横方向（図４における左右方向）の動きが規制されることとなり、振動等によって、伝熱ブロック１１１が横方向にずれて、熱電変換モジュール１４０に不均一な力（偏荷重）が加わることを防止することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態においては、吸熱側伝熱部１１０を、伝熱シート１１２に当接する伝熱ブロック１１１と、伝熱ブロック１１１が当接することで適宜変形する伝熱シート１１２とで構成するようにしているので、ケース１３０や熱電変換モジュール１４０等の寸法にばらつきがあったとしても、伝熱ブロック１１１と伝熱シート１１２との間等に不必要な隙間が生じることを防止することが可能となる。また、伝熱ブロック１１１に外力が加わった場合でも、当該外力が熱電変換モジュール１４０に直接伝達されず、伝熱シート１１２で吸収されるので、振動等によって、熱電変換モジュール１４０が破壊されるのを防止することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、前述した実施形態では、伝熱シート１１２を、多孔質金属の一種である金属スポンジで構成するようにしていたが、熱伝導性が高く、変形可能な他の材料、例えば、カーボンスポンジや、グラファイト製熱伝導シート等で構成することも考えられる。

１００熱電変換ユニット
１１０伝熱部
１１１伝熱ブロック
１１２伝熱シート
１２０放熱フィン
１２１矩形状平板
１２２フィン
１３０ケース
１３１側壁部
１３２張出部
１３３タブ端子
１３４リード線
１４０熱電変換モジュール
１４１低温側電極
１４２高温側電極
１４３低温側絶縁基板
１４４高温側絶縁基板
１４５半導体素子
５００熱電変換モジュール
５１０ π型熱電素子
５１１ｎ型半導体素子
５１２ｐ型半導体素子
５１３，５２０金属電極
５３０絶縁基板
６００熱電変換ユニット
６１０伝熱ブロック
６２０放熱フィン
６３０ケース
６４０熱電変換モジュール

Claims

複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、
当該熱電変換モジュールの吸熱面に接触して熱を伝える伝熱部と
を備えた熱電変換装置であって、
前記伝熱部は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材を備え、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置されており、多数の気孔を有する変形可能な多孔質材料で構成されていて、前記気孔内には、熱伝導性物質が充填されており
前記第一の伝熱部材は、前記第二の伝熱部材に当接しており、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材が当接することで変形している
ことを特徴とする熱電変換装置。
前記熱伝導性物質は、熱伝導性グリースである
ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
前記多孔質材料は、多孔質金属である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
前記多孔質金属は、金属スポンジである
ことを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、
当該熱電変換モジュールに接触して熱を伝える伝熱部と
を備えた熱電変換装置であって、
前記伝熱部は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材を備え、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置されており、変形可能な材料で構成されていて、
前記第一の伝熱部材の底面の大きさは、前記第二の伝熱部材の上面の大きさより小さく、
前記第一の伝熱部材は、前記第二の伝熱部材に当接しており、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材が当接することで変形している
ことを特徴とする熱電変換装置。
複数の熱電素子を備えた熱電変換モジュールと、
当該熱電変換モジュールに接触して熱を伝える伝熱部と
を備えた熱電変換装置であって、
前記伝熱部は、第一の伝熱部材及び第二の伝熱部材を備え、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材と、前記熱電変換モジュールとの間に配置されており、変形可能な材料で構成されていて、
前記第一の伝熱部材の底面の大きさは、前記複数の熱電素子が存在する領域に対応し、
前記第一の伝熱部材は、前記第二の伝熱部材に当接しており、
前記第二の伝熱部材は、前記第一の伝熱部材が当接することで変形している
ことを特徴とする熱電変換装置。
前記第一の伝熱部材の底面の大きさは、前記第二の伝熱部材の上面の大きさより小さいことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記第一の伝熱部材の底面の大きさは、前記複数の熱電素子が存在する領域に対応する
ことを特徴とする請求項１～５及び７のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記第二の伝熱部材は、シート状の形状を有する
ことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記伝熱部は、前記熱電変換モジュールの吸熱面に接触する
ことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記熱電変換モジュールの周囲を覆うケースを更に備え、
前記第一の伝熱部材は、前記ケースに対して固定されている
ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記熱電変換モジュールの放熱面に接触する放熱側伝熱部を更に備え、
前記ケースは、前記放熱側伝熱部に固定されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の熱電変換装置。