JPH07106640A - 熱電冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、例えばコンピュータ等の熱源を内
蔵した制御盤等の冷却を効率的に行わせる熱電冷却装置
を提供することを目的とする。 【構成】Ｎ型およびＰ型の熱電素子を直列に配置した熱
電冷却機111 、112 を備え、この冷却機111 、112 はそ
れぞれ吸熱フィン121 、122 と放熱フィン131 、132 が
熱伝導性の良好な仕切り壁14の両側に位置するように配
置される。この仕切り壁14の両面部には、第１の送風路
17および第２の送風路18が形成され、この各送風路17、
18の両側に吸熱フィン121 、122 および放熱フィン131
、132 が配置されるようにして、第１の送風機19によ
って制御盤内の高熱空気が仕切り壁14に当たって吸熱フ
ィン121 、122 部に導かれ、第２の送風機20によって外
気が仕切り壁14に当てられ、放熱フィン131 、132 部に
導かれるようにする。そして、吸熱フィン121 、122 を
通過した空気が制御盤内に導入されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、各種制御用のコンピ
ュータ等の熱源を内蔵する制御ボックス対して効果的に
応用できるようにした制御盤クーラに係るものであり、
特にＮ型およびＰ型半導体で構成される熱電素子を用い
た熱電冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】制御用のコンピュータ等を装備した制御
盤にあっては、コンピュータ本体部の発熱によって温度
が高くなる状況にあり、コンピュータを正常に作動させ
るためには、制御盤の設定された例えば密閉型の制御ボ
ックス内部を冷却する必要がある。制御ボックスの内部
を冷却する手段としては、通常に使用されている空調装
置等が応用されるものであるが、特に制御ボックスの内
部を効率的に冷却するには不適切であり、特に大型化す
る傾向にある。

【０００３】冷却装置として、例えば特開平５−６３２
４４号公報に示される熱電式の冷却装置が知られてい
る。この冷却装置は、Ｎ型およびＰ型の半導体素子を直
列接続し、その両端を直流電源に接続することによっ
て、半導体素子相互を接続する電極部に吸熱作用および
放熱作用を生ずるペルチェ効果を応用して構成される。
この熱電冷却装置にあっては、吸熱する電極に一体的に
結合された吸熱熱交換器、および放熱する電極に一体的
に設けられた放熱熱交換器を備えているもので、直流電
源の制御によって吸熱による冷却動作が制御される。し
たがって、密閉された制御ボックス内の冷却等に対して
効果的に応用可能なものであるが、特に制御盤に組み込
むに際して体格に制約を受けることで冷却能力に限界が
あり、適用される範囲が限定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、内部に熱を発生する制御用
コンピュータ等を内蔵した、例えば密閉型の制御ボック
スのような制御盤において、その内部の熱を効果的に放
出できるようにして、冷却効果が充分に発揮できるよう
にした熱電冷却装置を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る熱電冷却
装置は、それぞれ複数のＮ型熱電素子およびＰ型熱電素
子を交互に配置してそのそれぞれの相互間を吸熱電極お
よび放熱電極によって直列接続して構成された熱電素子
群、および前記吸熱電極および放熱電極に熱伝導良好な
状態で結合され、それぞれ反対の方向に向けて突設され
るようにした吸熱熱交換部材および放熱熱交換部材を含
み構成された熱電冷却機を備え、この熱電冷却機の前記
吸熱熱交換部材と放熱熱交換部材とを熱伝導性良好な材
料によって構成された仕切り壁によって仕切り、第１の
送風手段によって冷却対象部分からの空気を前記仕切り
壁に当てると共に、この空気を前記熱電冷却機の吸熱熱
交換部材部分を通って前記冷却対象部分に戻し、また第
２の送風手段によって外気を前記仕切り壁に当てると共
に、この外気が前記熱電冷却機の放熱熱交換部材部分を
介して外部に排出されるようにしている。

【０００６】

【作用】この様に構成される熱電冷却装置にあっては、
熱電冷却機を構成する直列接続したＮ型およびＰ型熱電
素子に直流電圧を印加することにより、吸熱熱交換部材
において周囲の熱を吸収すると共に、放熱熱交換部材に
おいて周囲に放熱するようになる。そして第１の送風手
段によって例えば制御ボックス内の熱した空気が吸熱熱
交換部材部を通過して前記制御ボックス内に戻されると
共に、第２の送風手段によって外気が放熱熱交換部材部
分に通過されるようになり、第１および第２の送風手段
で導入された空気が、仕切り壁部分において熱交換され
る。したがって、制御ボックス内の熱した空気が外気に
よって一旦冷却された後に、さらに吸熱熱交換部材によ
って冷却されて制御ボックス内に戻されるもので、制御
ボックス内の空気が効率よく冷却されて戻されるように
なる。このため、内部に熱を発生する制御用コンピュー
タ等を内蔵した、例えば密閉型の制御ボックスのような
制御盤において、特に体格を大きくすることになく内部
の熱を効果的に放出できるので、冷却効果が充分に発揮
されるようになる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１は熱電冷却装置10の断面構成を示したも
ので、第１のおよび第２の熱電冷却機111 および112 が
設けられる。この熱電冷却機111 および112 は、それぞ
れ反対方向に突設するようにして、吸熱熱交換器を構成
する吸熱フィン121 および122 と、放熱熱交換器を構成
する放熱フィン131 および132 を備えている。そして、
この吸熱フィン121および122 部分と、放熱フィン131
および132 部分を区画するようにして仕切り壁14が設定
されるもので、この仕切り壁14は板厚を薄くした熱伝導
性の良好な材料、例えば銅によって構成される。

【０００８】仕切り壁14の両側には、隔壁15および16に
よって第１の送風路17および第２の送風路18が形成され
るもので、このそれぞれの送風路17および18の両端部そ
れそれには、熱電冷却機111 および112 それぞれの吸熱
フィン121 と122 、および放熱フィン131 と132 が配設
される。隔壁15および16部分には、それぞれ仕切り壁14
の方向に向けて送風する第１の送風機19および第２の送
風機20が設けられている。そして、第１の送風機19によ
って導入された空気は、仕切り壁14に当たって第１の送
風路17を通り、吸熱フィン121 および122 を通過して排
出され、第２の送風機20によって導入された空気は、仕
切り壁14に当たって第２の送風路18を通り、放熱フィン
131 および132 を通過して排出されるようにしている。

【０００９】この様に構成される熱電冷却装置10は、例
えば制御用コンピュータを内蔵した図２で示すような制
御ボックス21に対して装備されるもので、熱電冷却装置
10はこの制御ボックス21の天井壁221 の部分、あるいは
側壁222 の部分に取り付けられる。この場合、仕切り壁
14で区画された第１の送風路17の両側が制御ボックス21
の内部に開口され、第２の送風路18の両側が外気に開放
されるようにする。ここで、制御ボックス21に取り付け
るに際して、仕切り壁14は冷却対象である制御ボックス
21の側壁を直接用いるようにすることもできる。もちろ
ん、図１で示した装置を、制御ボックス21の側壁の外側
に取り付けることのできるものであり、また側壁内部に
取り付けて、第２の送風路18の外気取り入れ口および排
出口のみを外部に開放するようにしてもよい。

【００１０】この熱電冷却装置10において、外気は第２
の送風機20によって取り込まれて仕切り壁14に当てら
れ、その後放熱フィン131 および132 部を通過して、こ
の放熱フィン131 および132 部の熱を奪って外気に放出
される。また、制御ボックス21内の空気は第１の送風機
19によって取り込まれて仕切り壁14に当たり、第１の送
風路17を通って吸熱フィン121 および122 部分を通過し
て制御ボックス21内に戻される。ここで、吸熱フィン12
1 および122 を通過するに際して、その通過空気の熱が
吸熱フィン121 および122 によって奪われ、この冷却さ
れた空気が制御ボックス21内に導入されて、その内部が
冷却される。

【００１１】図３は、この様にして熱電冷却装置10にお
いて使用される熱電冷却機11(111、112)の具体的な構成
例を示すもので、この冷却機11は熱電変換ユニット30を
備える。この熱電変換ユニット30は、それぞれ複数のＮ
型熱電素子311 、312 、…およびＰ型熱電素子321 、32
2 、を備え、これらのＮ型およびＰ型熱電素子311 、31
2 、…、321 、322 、…は１つの直線に沿って直列的に
交互に配置された熱電素子群を構成している。

【００１２】この交互に配置されたＮ型熱電素子311 、
312 、…およびＰ型熱電素子321 、322 、…のそれぞれ
の相互間には、吸熱電極板331 、332 、…および放熱電
極板341 、342 、…が介在され、そのぞれぞれの隣接す
る熱電素子との間は、それぞれ半田等の導電性ロー材ま
たは導電性接着剤によって一体的に結合され、電気的に
直列接続されている。そして、この熱電変換ユニット30
の両側にはそれぞれ端子351 および352 を設け、図示し
ない直流電源が接続されるようにする。具体的には、直
流電源の正側端子を端子351 に接続すると共に負側端子
を端子352 に接続して、Ｐ型熱電素子321 側から直流電
流が直列的に流されるようにする。

【００１３】熱電冷却機12を構成する熱電変換ユニット
30において、直列接続されたＮ型熱電素子311 、312 、
…それぞれからＰ型熱電素子321 、322 、…それぞれに
電流が流れるＮＰ接合部の吸熱電極板331 、332 、…部
分が、ペルチェ効果により低温とされる。またＰ型熱電
素子321 、322 、…それぞれからＮ型熱電素子311 、31
2 、…それぞれに電流が流れる、ＰＮ接合部の放熱電極
板341 、342 、…は高温の状態とされる。

【００１４】吸熱電極板331 、332 、…それぞれは、２
枚の熱伝導性の良好な金属板からなるプレート361 と36
2 を、電気的に接続された状態で貼り合わせることによ
り構成されている。同様に放熱電極板241 、242 、…そ
れぞれは、２枚の熱伝導性の良好な金属板からなるプレ
ート371 と372 とを、電気的に接続された状態で貼り合
わせることにより構成されている。

【００１５】図４は吸熱電極板331 、332 、…に対応す
るプレート361 と362 の部分を取り出し分解して示して
いるもので、放熱電極板341 、342 、…のプレート371
および372 の部分も同様に構成されている。すなわち、
Ｎ型熱電素子311 とＰ型熱電素子321 とに挟まれる吸熱
電極板331 を構成するプレート361 と362 は、それぞれ
熱電素子311 と321 との間に位置する電極部511 および
521 を備え、プレート361 および362 は電極部511 およ
び521 部それぞれから、熱電素子311 と321 の並ぶ方向
に直角の方向に延びるように設定される。そして、この
プレート361 および362 は、熱電素子列から少し離れた
位置で、それぞれ対接する面と直角の方向に、互いに反
対方向に向けて折曲され、それぞれ第１の折曲片512 お
よび522を形成している。

【００１６】この第１の折曲片512 および522 は、熱電
素子311 、321 の幅に相当する位置でさらに電極部511
および521 と平行な方向、すなわち熱電素子列から離れ
る方向に直角に折曲され、第２の折曲片513 および523
を形成している。そして、この第２の折曲片513 と523
のそれぞれ先端部には、互いに向き合う方向に折曲片51
4 および524 が形成されている。

【００１７】プレート361 と362 の電極部511 および52
1 の相互間は、例えば半田によって導電的に接合されて
吸熱電極板331 を構成するようになっているもので、こ
の吸熱電極板331 の両側にＮ型熱電素子311 およびＰ型
熱電素子321 が半田によって導電的に接合される。放熱
電極板341 部も同様に構成されるものであるため、それ
ぞれ複数のＮ型熱電素子311 、312 、…およびＰ型熱電
素子321 、322 、…は交互に配置されて電気的にも直列
接続されて、熱電変換ユニット30を構成するようにな
る。

【００１８】すなわち、この様に構成されるプレート36
1 と362 によって吸熱電極板331 、332 、…が構成さ
れ、またプレート371 と372 によって放熱電極板341 、
342 、…が構成されるようになるもので、外側に向けて
延長される第２の折曲片513 と523 部分が、熱交換器を
構成する吸熱フィン121 、122 とされる。同様にプレー
ト371 と372 の第２の折曲片に対応する部分で、放熱フ
ィン131 、132 が構成される。

【００１９】ここで、各吸熱電極板331 、332 、…をそ
れぞれ構成しているプレート361 と362 のそれぞれ背面
は、隣接する吸熱電極板のプレートの背面と対接される
ものであるが、その相互間は電気的に絶縁されるように
絶縁性の接着剤381 、382 、…によって一体的に接合さ
れる。同様に各放熱電極板341 、342 、…をそれぞれ構
成するプレート371 と372 の背面部は、絶縁性接着剤39
1 、392 、…で電気絶縁的に接合されている。

【００２０】各プレート361 と362 の第２の折曲片512
と522 は順次突き合わされ、またプレート371 と372 の
それぞれ第２の折曲片512 と522 に対応する部分も順次
突き合わされて、Ｎ型熱電素子311 、312 、…およびＰ
型熱電素子321 、322 、…の素子列の方向に平行に延び
る区画壁を形成するようになるもので、この区画壁の部
分が図１の仕切り壁14の両面に対接され、素子列部分が
仕切り壁14を貫通するようにして組み込まれる。吸熱フ
ィン121 、122 を構成するプレート361 と362の間、さ
ら放熱フィン131 、132 を構成するプレート371 と372
の間には、それぞれコルゲートフィン40および41が介在
されている。

【００２１】この様に構成される熱電冷却装置10におい
て、制御ボックス21内の高温の空気は、第１の送風機19
によって第１の送風路17内に吸い込まれ、仕切り壁14に
対して直接的に当てられた後、その方向を９０°変えて
吸熱フィン121 および122 の方向に向けられる。そし
て、この吸熱フィン121 および122 で熱が吸収されて冷
却された空気が、矢印で示すように制御ボックス21内に
戻される。また、外気は第２の送風機10によって第２の
送風路18内に導入され、仕切り壁14に当たった後に放熱
フィン131 および132 部に導かれて、この放熱フィン13
1 および132 を冷却した後に外気に放出される。

【００２２】通常、この様な熱電冷却装置を用いる場合
は、吸熱フィン121 および122 部分の吸熱効果によって
クーラとして機能させるもので、この吸熱フィン121 、
122部分の熱交換能力がクーラとしての能力とされた。
しかし、この図１で示すように構成することにより、制
御ボックス21内の熱せられた空気と外気とが、仕切り壁
14の両面に直接当てられるようになり、仕切り壁14を通
して制御ボックス21内の熱量の一部が外部に放出でき
る。ここで、制御ボックス21の壁面を通しての放熱機能
は従来から考えられているが、実施例で示したように仕
切り壁14に対して直接ボックス21内の高温空気および外
気を当てることにより強制対流熱伝達されるようにする
ことで、無風状態に比較して格段の放熱性能が確保でき
る。

【００２３】さらに、放熱フィン131 および132 部分
に、第２の送風機20によって発生された空気流が強制的
に流通されるものであるため、この放熱フィン131 およ
び132が強制冷却されるようになり、吸熱フィン121 お
よび122 の温度の上昇が効果的に抑制されて、吸熱効果
がより向上される。すなわち、冷却効果がより大きくさ
れるものであり、この熱電冷却装置の体格を小さくして
所定の冷却効果が得られるようになる。

【００２４】図５は第２の実施例を示すもので、熱電冷
却装置10の仕切り壁14が垂直の状態に設定されるように
する。したがって、この仕切り壁14の両面側に設定され
る第１および第２の送風路17および18も垂直の状態で設
定され、第１の送風路17の上方および下方の開口部に対
応して、熱電冷却機111 および112 のそれぞれ吸熱フィ
ン121 および122 が設定され、また第２の送風路18の上
方および下方の開口部に対応して、熱電冷却機111 およ
び112 のそれぞれ放熱フィン131 および132 がそれぞれ
設定されるようになる。

【００２５】そして、この垂直の状態設定される熱電冷
却装置10の重力方向下側に、連泡スポンジ23を配置する
もので、吸熱フィン121 および122 部分で凝縮された水
が連泡スポンジ23上に自然落下し、この連泡スポンジ23
に付着吸収される。この連泡スポンジ23に付着された水
分は、放熱側に向けて徐々に浸透され、第２の送風路18
の放熱風によって蒸発される。したがって、この様な冷
却装置において常に問題となるドレイン水の処理がこの
連泡スポンジ23部分で行われ、特別にドレイン水処理機
構を設置する必要がなくなる。

【００２６】図６で示す実施例においては、仕切り壁14
を貫通してヒートパイプ24を設けるようにしたもので、
このヒートパイプ24の両端部のそれぞれ熱交換部が、第
１の送風路17および第２の送風路18の内部に設定される
ようにする。

【００２７】この様に構成することによって、第１の送
風機19によって第１の送風路17内に導入されたれた、制
御ボックスからの高温空気がヒートパイプ24の下部の熱
交換部に当たり、このヒートパイプ24はボトムヒートと
される。このヒートパイプ24は、効率的に熱輸送する機
能を有するものであり、その下部で熱交換されて導入さ
れた高温は、このヒートパイプ24の上部に移送されて、
第２の送風機20によって導入された外気にさらされて冷
却され、結果として第１の送風路17の空気が冷却され
て、効率的に冷却された空気が第１の送風路17から送り
出されて、吸熱フィン121 および122 を介して制御ボッ
クス内に導入される。

【００２８】ここで、万一冷却対象である制御ボックス
の内部が外気温度よりも低くなった場合には、ヒートパ
イプ24は逆にトップヒートの状態となり、熱輸送効率が
低い状態とされ、このためヒートパイプ24を通して制御
ボックス内に侵入する熱が少なくされる。

【００２９】なお、図２においてこの熱電冷却装置10
の、例えば制御ボックス21に対する取り付け位置の例を
示したのであるが、一般的には高温の空気が溜まり易い
上部に設置すれば仕切り壁14の効果が大きい。しかし、
制御ボックス21において特に発熱量の大きい機器が内蔵
された場合には、この発熱量の大きい機器に近接して設
置するようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る熱電冷却装
置によれば、熱を発生する制御用コンピュータ等を内蔵
した、例えば密閉型の制御ボックスのような制御盤にお
いて、この制御盤に対して簡単に取り付けるようにする
ことで、制御ボックス内部の熱を効果的に放出できるよ
うになって、その冷却効果が充分に発揮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る熱電冷却装置を説明
するための断面構成図。

【図２】この冷却装置の取り付け状況を説明する図。

【図３】上記冷却装置を構成するための熱電冷却機を説
明するための側面から見た構成図。

【図４】上記熱電冷却機の１つの冷却部を取り出し分解
して示す図。

【図５】この発明の第２の実施例を説明する断面構成
図。

【図６】この発明の第３の実施例を説明する断面構成
図。

【符号の説明】

10…熱電冷却装置、11、111 、112 …熱電冷却機、121
、122 …吸熱フィン、131 、132 …放熱フィン、14…
仕切り壁、15、16…隔壁、17、18…第１および第２の送
風路、19、20…第１および第２の送風機、21…制御ボッ
クス、23…連泡スポンジ、24…ヒートパイプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ複数のＮ型熱電素子およびＰ型
   熱電素子を交互に配置してそのそれぞれの相互間を吸熱
   電極および放熱電極によって直列接続して構成された熱
   電素子群、および前記吸熱電極および放熱電極に熱伝導
   良好な状態で結合され、それぞれ反対の方向に向けて突
   設されるようにした吸熱熱交換部材および放熱熱交換部
   材を含み構成された熱電冷却機と、 この熱電冷却機の前記吸熱熱交換部材と放熱熱交換部材
   とを仕切るように設定された熱伝導性良好な材料によっ
   て構成された仕切り壁と、 冷却対象部分からの空気を前記仕切り壁に向けて当てる
   と共に、この空気を前記熱電冷却機の吸熱熱交換部材部
   分を通って前記冷却対象部分に戻す第１の送風手段と、 外気を導入し、前記仕切り壁に向けてこの外気を当てる
   と共に、この外気が前記熱電冷却機の放熱熱交換部材部
   分を介して外部に排出されるようにする第２の送風手段
   と、 を具備したことを特徴とする電熱冷却装置。
2. 【請求項２】 前記仕切り壁を挟んで設定される第１の
   送風手段による冷却対象部分からの空気導入部、および
   第２の送風手段による外気導入部の相互間に連通するよ
   うにしてヒートパイプが設定されるようにした請求項１
   記載の熱電冷却装置。