JPH07226538A

JPH07226538A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JPH07226538A
Application number: JP6052293A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamada; 兼二山田; Kazutoshi Nishizawa; 一敏西沢; Junta Mishima; 淳太三嶋; Eisaku Okawa; 英作大川
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、熱交換媒体である流体に対する伝
熱促進効果が向上されるようにして熱電変換装置を提供
することを目的とする。【構成】複数のＮ型熱電素子111 、112 、…とＰ型熱電
素子121 、122 、…を直線に沿って交互に配置し、吸熱
および放熱電極131 、132 、…、141 、142 、…を介し
て直列接続する。これらの電極131 、132 、…、141 、
142 、…は、それぞれ一体的に吸熱熱交換器151 、152
、…と放熱熱交換器161 、162 、…と一体的に構成さ
れるもので、この構造物は銅等の伝熱性の良好な金属板
の一端の背面相互を接合して電極構造体とすると共に、
その間で角管状体を構成して熱交換器部が形成されるよ
うにしているもので、この角管状部の対向するプレート
に対して、それぞれ内側に突設して多数の切り起こし片
271 、272 、…を形成して、熱交換促進部材が形成さ
れ、この管状部を空気流路とされるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｎ型半導体によって
構成されたＮ型熱電素子、およびＰ型半導体によって構
成されたＰ型熱電素子を用いて構成され、電気的に冷却
あるいは加熱動作が行われる熱電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子を直列
的に接続することによって、吸熱および加熱動作が行わ
れる装置としては、例えば特開平５−６３２４４号公報
に開示されるような熱電変換装置が知られている。この
熱電変換装置にあっては、それぞれ複数個のＮ型熱電素
子とＰ型熱電素子とを交互に直線的に配置し、その各熱
電素子の相互間を吸熱電極および放熱電極によって順次
直列接続し、その両端に直流電源を接続するように構成
する。そして、ＰＮ接合部におけるペルチェ効果を利用
して、吸熱電極部で吸熱作用が、また放熱電極部で放熱
作用が行われるようにしている。

【０００３】この場合、吸熱電極および放熱電極に対し
てそれぞれ一体的に吸熱熱交換器および放熱熱交換器を
構成し、これらの吸熱および放熱熱交換器を直線的に並
ぶＮ型およびＰ型熱電素子の両側に突設し、この部分で
例えば空気等の流体との熱交換が行われるようにしてい
る。この場合、熱交換効率が充分に向上されるようにす
るため、吸熱および放熱熱交換器をそれぞれ対向設定さ
れる一対の金属板によって構成し、この金属板の相互間
に波型に成形されたコルゲートフィンを取り付けるよう
にしている。

【０００４】すなわち、熱電素子の相互間に介在される
吸熱および放熱の電極をそれぞれ２枚の金属板を重ね合
わせるように構成すると共に、この２枚の金属板をそれ
ぞれ熱電素子の並ぶ方向の直角の方向に平行に突設し、
且つ所定の間隔で対向設定されるようにして熱交換器を
構成する。そして、この２枚の金属板の相互間にコルゲ
ートフィンを介在して、ロー付け等によって固定される
ようにする。したがって、その構成が複雑化して組み立
て工程が必然的に増大する。

【０００５】

【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、特に熱交換部分において組
み立て工数が効果的に軽減され、当然その構成部品数も
効果的に削減することができるようにした、吸熱さらに
加熱制御が行える熱電変換装置を提供しようとするもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る熱電変換
装置は、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子をこの順序に
したがって交互に複数個直線的に配置し、その各熱電素
子の相互間にそれぞれ電極を介在して全体が直列に電気
的に接続されるようにされ、前記各熱電素子間に配置さ
れる複数の電極それぞれから、前記直線に対して反対の
方向に交互に延出するように一体的に形成された熱交換
器を突設形成するようにした装置において、特に前記一
体的に構成される電極および熱交換器が、それぞれ一枚
の熱伝導性の良好な金属板を、一部が相互に接合される
ようにして管状に成形し、前記接合部が前記熱電素子相
互間に配置されて前記電極とされるようにすると共に、
管状成形部にその面にこれと交差する方向に多数の切り
起こし片を形成して熱交換部材が構成されるようにす
る。

【０００７】

【作用】この様に構成される熱電変換装置においては、
Ｎ型およびＰ型熱電素子の相互間にそれぞれ介在される
電極、およびこの電極と一体的に構成されるようになる
熱交換器が、１枚の熱伝導性の良好な金属板を折曲して
構成される。この場合、この金属板を例えば４辺形状に
折曲することによって、直線的に配置される熱電素子群
の両側に突設する吸熱および放熱の熱交換部分が構成さ
れるもので、金属板の簡単な成形加工によって、電極部
分を含む熱交換器が構成され、この熱交換器を熱電素子
との組み合わせで組み立てればよい。この場合、この熱
交換器を構成する金属板に対して多数の切り起こし片が
形成されているものであるため、この金属板と伝熱媒体
である空気との接触面積が効果的に増大され、特にコル
ゲートフィンを組み込むことなく、充分な熱交換効率が
得られる。

【０００８】

【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は熱電変換装置を側面から見た構成を示
しているもので、複数のＮ型半導体素子からなるＮ型熱
電素子111 、112 、…、および複数のＰ型半導体素子か
らなるＰ型熱電素子121 、122 、…を、１つの直線に対
応して直列的に交互に配置する。この交互に配置される
Ｎ型熱電素子111 、112 、…それぞれとＰ型熱電素子12
1 、122 、…それぞれとの間には、それぞれ吸熱電極13
1 、132 、…および放熱電極141 、142 、…が介在設定
され、それぞれロー付け等によって電気的に且つ機械的
に一体に結合されている。

【０００９】この放熱電極131 、132 、…および吸熱電
極141 、142 、…それぞれには、一体的にして、且つ熱
電素子111 、112 、…、121 、122 、…それぞれの並ぶ
直線の両側で反対側に延設されるようにして、吸熱熱交
換器151 、152 、…および放熱熱交換器161 、162 、…
が設けられる。

【００１０】図２はその１組の電極21（電極131 、132
、…および141 、142 、…に相当する）と熱交換器22
（熱交換器151 、152 …および161 、162 、…に相当す
る）の部分を取り出して示したもので、この電極21およ
び熱交換器22は、１枚の熱伝導性の良好な金属板23によ
って構成される。すなわち、この金属板23の両端縁部分
の裏面相互を重合して電極21が構成され、この重合され
た電極21部分が熱電素子241 と242 との間に介在され、
機械的に且つ電気的に接合される。また、この電極とさ
れる重合部分の相互間は断面４辺形状の管状体に成形さ
れるもので、熱電素子の並ぶ直線と直角の方向に延びる
一対の対向プレート25および26を有する構造とされる。

【００１１】この様に構成される熱交換器22において、
熱交換媒体とされる空気は、断面４辺形の管状体の中空
部を通過する方向に流れるもので、この管状の通路を形
成する対向する一対のプレート25および26の面には、そ
れぞれその対向面の内側に向けて多数の切り起こし片27
1 、272 、…が突設されている。すなわち、媒体である
空気との接触面積が増大され、通過する空気とプレート
25および26との熱交換効率が向上されるようにしてい
る。

【００１２】図１からも明らかなように、吸熱電極131
、132 、…それぞれと一体化される吸熱熱交換器151
、152 、…のそれぞれは、管状体を構成する一対のプ
レート25および26の背面部で対向される。そして、その
プレート25と26の背面の相互間は絶縁性の接着剤171 、
172 、…よって接合されて一体化される。同様に、放熱
電極141 、142 、…それぞれと一体化される放熱熱交換
器161 、162 、…それぞれの背面部も、絶縁性の接着剤
181 、…によって接合される。直線的に配置されたＮ型
熱電素子111 、112 、…およびＰ型熱電素子121 、122
、…の直列回路の両端にはそれぞれ電源端子19および2
0が設けられ、この端子19および20には例えば端子19が
正側に設定されるように、図では省略したが直流電源が
接続されるようにする。

【００１３】この様に構成される電極131 、132 、…、
141 、142 、…、およびこれらそれぞれと一体的に構成
される熱交換器151 、152 、…、161 、162 、…は、例
えば銅等の材料でなる板材を角管状に折曲成形して構成
して、空気等の被冷却流体等の媒体の流路が形成される
ようにしているもので、この流路の内側に伝熱促進のた
めに、ピン状態とした多数の切り起こし片271 、272 、
…がプレス加工によって直立形成される。この場合、切
り起こし片271 、272 、…それぞれの大きさや数は、要
求される熱交換量によって求められる。

【００１４】この実施例においては、熱伝導性の良好な
板材の両端部を裏面相互に接合して電極131 、132 、
…、141 、142 、…が形成されるようにしたが、図３で
示す実施例では、この板材の中央部分を２重に折り返し
て電極31とすると共に、その両側を折曲して管状体によ
る熱交換器32が形成されるようにする。この場合、この
熱交換器32の電極31と反対側の辺部で、この板材の両端
部が重ね合わされて、その相互間は衝合機構33によって
連結される。なお、この図では切り起こり片は省略して
示しているもので、図２と同様に形成される。

【００１５】図４はこの衝合機構33部分を取り出して示
したもので、板材の上側に重ねられる一方の端部341 に
開口331 が形成され、下側に重ねられる他方の端部342
に開口331 の位置に対応して衝合係止体332 が形成され
ている。そして、開口331 内に衝合係止体332 が衝合さ
れた状態で、この板材の弾性を利用して互いの衝合状態
が保持され、端部341 と342 が一体的に連結されるよう
にしている。したがって、例えばはんだ加工、かしめ加
工、スポット溶接等の他の加工工程を用いることなく、
この熱交換器32が組み立てられる。

【００１６】図５は熱交換のための切り起こし片の他の
例を示しているもので、図２で示した熱交換器22を構成
するプレート25(26)の面にウェーブ加工35を施して熱交
換部材が形成されるようにしている。この場合、このウ
ェーブが図５の（Ｂ）で示すようにオフセットさせるよ
うに、図６で取り出して示すようにプレート25をプレス
等によって加工すればよい。

【００１７】これまでの実施例においては、切り起こし
片が熱交換器を構成するプレートの一方の面、特に管状
体の内部に向けて突設するようにしているもので、特に
空気等の流体の通路がこの管状体の内部に形成されるよ
うにして、この管状体の背面は、図１で示したように絶
縁性の接着剤によって隣接する熱交換器と全面接合され
ている。

【００１８】図７に示す実施例にあっては、角管状の熱
交換器151 、152 、…および161 、162 、…それぞれを
構成する対向する一対のプレートの面に、内側に向けて
多数の切り起こし片401 、402 、…を形成すると共に、
外側に向けて多数の切り起こし片411 、412 、…を形成
する。この場合、図１で示したように熱交換器のそれぞ
れ背面部を隣接する熱交換器の背面に接合すると、外側
の切り起こし片411 、412 、…が障害となる。

【００１９】このため、この実施例では切り起こし片40
1 、402 、…さらに411 、412 、…の形成されるプレー
トの背面に、外側の切り起こし片411 、412 、…の高さ
を許容する凹み42および43を形成する。そして、この凹
み42および43の両端部において、すなわち角管状の上下
の両端部44および45において、隣接する熱交換器の相互
が絶縁性接着剤によって接合される。そして、この隣接
する熱交換器の対向する凹部42および43部分が、さらに
熱交換用の空気の流路として使用されるようになって、
熱交換面積がさらに拡大される。同時に、機械的な強度
が効果的に確保される。

【００２０】図８は第５の実施例に係る熱電変換装置を
示すもので、特に吸熱電極131 および放熱電極141 、14
2 部を示している。この実施例にあっては、特に（Ｂ）
図で示すように吸熱熱交換器151 を構成する金属板の両
端部、すなわち一対のプレートのそれぞれ先端部を、そ
の内側面と外側面とが重ね合わされるようにして突き合
わせ接合する。そして、その接合部を２つに折り返すこ
とによって４枚の板材が重ね合わされる吸熱電極131 が
構成されるようにしている。同様に、放熱電極141 、14
2 部も、放熱熱交換器を構成する一対のにプレートの先
端部、すなわち放熱熱交換器を構成する金属板の両端部
を突き合わせ接合することにより構成される。そして、
この様に構成された放熱電極141 、142 それぞれと吸熱
電極131との相互間に、Ｎ型熱電素子111 およびＰ型熱
電素子121 が介在されるようにする。

【００２１】この様に構成される熱電変換装置にあって
は、吸熱電極131 、132 、…および放熱電極141 、142
、…が、それぞれ２枚の板材を重ねてこれを２重に折
曲して構成するようにしたものであるため、厚く構成さ
れる。したがって、熱交換特性に影響する吸熱熱交換器
151 、152 、…および放熱熱交換器161 、162 、…を小
型化して低能力化することなく、組み込まれるＮ型熱電
素子111 、112 、…およびＰ型熱電素子121 、122 、…
をそれぞれ小型化して構成することができる。

【００２２】ここで使用される熱電素子（Ｎ型熱電素子
111 、112 、…およびＰ型熱電素子121 、122 、…）
は、図９で示すように長方形立方体によって構成され
る。この熱電素子において、吸熱電極および放熱電極で
挟まれる破線矢印で示す通電方向の長さをＬ、この通電
方向に垂直な断面積をＡとした場合、“Ｌ／Ａ”の比が
一定ならば、その出力特性が同一とされるものであり、
したがってこの“Ｌ／Ａ”の比を同一とすれば、全体的
に小型化してもその性能は変わらない。

【００２３】したがって、この熱電変換装置において使
用されるＮ型熱電素子111 、112 、…およびＰ型熱電素
子121 、122 、…を可能な限り小型化することによっ
て、素子材料費等の低減を図ることができる。また、こ
の様な性質を利用して通電方向に垂直な断面の面積Ａを
変えることなく、その縦横のアスペクト比を変えること
によって、外見によってＮ型およびＰ型の素子を判別で
きるようになる。

【００２４】この様に構成した場合において、吸熱およ
び放熱部における熱交換効率を良好にするため、特に２
枚の板材を２重に折曲して構成した電極部において熱伝
導を良好に保つ必要がある。この折り曲げ部を取り出し
て示した図８の（Ｂ）において、Ｎ型熱電素子111 およ
びＰ型熱電素子121 の接合部を構成する吸熱電極131部
で、プレートの折り曲げによる電極構造の合わせ面ａお
よびｂが熱的に良好な状態で接合される必要がある。プ
レートの折り曲げ成形時に、この合わせ面ａおよびｂに
隙間が生じないような成形が行われるようにするもので
あるが、もし隙間が生じた場合にはこの部分で熱伝導の
遮断部が形成されて、吸熱熱交換器151に対する吸熱熱
伝導が効率的に行われなくなる。

【００２５】この様な問題点に対処するためには、例え
ば合わせ面ａおよびｂに形成されるようになる隙間部分
に、はんだ等の熱伝導性の良好な金属を流し込み、金属
接合が行われるようにすると効果的である。

【００２６】例えば、図１０の（Ａ）に電極131 の折り
返し外側の面のプレートを展開してしめすように、合わ
せ面ａおよびｂの外側に設定されるプレート50の折り返
し線51に対応して、この折り返し線51に沿って細長い切
り欠き孔52を形成する。すなわち、この切り欠き孔52は
折り返し部外側の面に沿って開口され、合わせ面ａおよ
びｂが露出されるようになるもので、（Ｂ）図のように
電極131 が形成されるように折曲げ成形された状態で、
金属接合が要求される部分まではんだ浴へ漬け込み、切
り欠き孔52から合わせ面ａおよびｂ部分に、はんだが流
し込まれる。

【００２７】この様にすれば、切り欠き孔52から流入さ
れたはんだによって、プレートの折り返し成形部の内部
の接合面が、はんだにより金属接合されるようになっ
て、電極131 の全体が熱伝導の良好な状態とされる。ま
た、この様な切り欠き孔52を形成することにより、プレ
ス加工時においてスプリングバック力の低減が図れるよ
うになり、折曲げ成形した後の電極形状が安定に保たれ
る。

【００２８】さらに、電極形成のための折り返し折曲部
をはんだ浴に付けることによって、熱電素子111 や121
の電極131 に対する接合面に対しても、はんだメッキ効
果によりはんだ層を形成させることができ、したがって
熱電素子111 や121 のはんだ付け性も向上される。

【００２９】その他、プレートの折り返し接合部である
合わせ面ａおよびｂ部にはんだを流入させる手段とし
て、（Ａ）図で示すようにプレートを貫通する複数の穴
531 、532 、…を形成し、この穴531 、532 、…に対し
てペーストはんだ等を塗布し、熱電素子111 、121 のは
んだ付け時に、そのペーストはんだを同時にリフローし
て、そのはんだを合わせ面ａおよびｂに流入させるよう
にすることができる。この様にする場合、形成される穴
153 、154 、…それぞれの径とその数は、必要はんだ付
け面積と隙間の距離に基づいて計算される必要はんだ量
によって決定される。

【００３０】その他に、合わせ面ａおよびｂによる隙間
部分にはんだを流入させる手段として、予め接合される
熱電素子111 および121 の接合面に対してはんだメッキ
を厚く施し、電極131 に対して接合するに際して、この
はんだメッキ層を構成するはんだを合わせ面ａおよびｂ
に流し込むようにしてもよい。

【００３１】この様な場合には、図１０の（Ｂ）に示す
ように熱電素子111 および121 が接合される部分に対応
して、電極131 を構成する折り返しプレートの外側のプ
レートに、熱電素子111 および121 の接合される部位に
貫通する穴541 、542 を形成する。そして、この穴541
、542 それぞれの位置に対応して、はんだメッキ層を
形成した熱電素子111 および121 をはんだ接合すれば、
そのはんだメッキ層のはんだが溶けて穴541 、542 を介
して合わせ面ａおよびｂ部に流入される。この場合、熱
電素子111 および121 に形成されるはんだメッキ層の厚
さは、合わせ面ａおよびｂのはんだ付けに必要なはんだ
量により決定される。

【００３２】この様に吸熱電極131 、132 、…および放
熱電極141 、142 、…部分を、接合したプレートの折り
返しによって構成すると共に、特にその合わせ面部分を
はんだによって接合されるようにすると、２枚のプレー
トを合わせて形成したような場合に比較して倍以上の断
面積が設定されるようになる。したがって、これらの吸
熱電極131 、132 、…および放熱電極141 、142 、…そ
れぞれと、吸熱熱交換器151 、152 、…および放熱熱交
換器161 、162 、…それぞれとの間で発生する熱的な抵
抗を半分に低減することができ、さらに熱交換特性が改
善される。

【００３３】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る熱電変換装
置によれば、吸熱および放熱部における熱交換効率が効
果的に向上されるものであり、熱交換媒体である空気等
の流体との伝熱促進効果が効率的に発揮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る熱電変換装置を説明
する側面から見た構成図。

【図２】上記熱電変換装置の１つの熱交換器部分に対応
する部分を取り出して示した構成図。

【図３】熱交換器部分の第２の実施例を説明する斜視
図。

【図４】この熱交換部分の端部連結部を説明するもの
で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）図のｂ−ｂ線に対
応する断面図。

【図５】（Ａ）は第３の実施例を説明する熱電変換装置
の正面図、（Ｂ）は（Ａ）図のｂ−ｂ線部分の断面図。

【図６】上記実施例の熱交換部分を取り出して示す説明
図。

【図７】この発明の第４の実施例を説明する構成図。

【図８】（Ａ）はこの発明の第５の実施例の熱交換部分
を取り出して示す正面図、（Ｂ）は電極部の１つを取り
出して示す図。

【図９】この電極部に接合される熱電素子を説明する
図。

【図１０】（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれこの実施例に
よる電極部の折り返し部外側のプレートを展開して示す
図。

【符号の説明】

111 、112 、…Ｎ型熱電素子、121 、122 、…Ｐ型熱電
素子、131 、132 、…吸熱電極、141 、142 、…放熱電
極、151 、152 、…吸熱熱交換器、 161 、162 、…
放熱熱交換器、171 、172 、…、181 、182 、…絶縁性
接着剤、21…電極、22…熱交換器、23…金属板、241 、
242 …熱電素子、25、26…プレート、271 、272 、…切
り起こし片、50…プレート、51…折り返し線、 52…切
り欠き孔、531 、532 、…、541 、532 …穴。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大川英作愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子をこの
順序にしたがって交互に複数個直線的に配置し、その各
熱電素子の相互間にそれぞれ電極を介在して全体が直列
に電気的に接続されるようにされ、前記各熱電素子間に
配置される複数の電極それぞれから、前記直線に対して
反対の方向に交互に延出するように一体的に形成された
熱交換器を突設形成するようにした装置において、前記一体的に構成される電極および熱交換器は、それぞ
れ一枚の熱伝導性の良好な金属板を、一部に接合部を形
成した状態で角管状に成形し、前記接合部が前記熱電素
子相互間に配置されて前記電極とされるようにすると共
に、角管状成形部にその面に交差する方向に多数の切り
起こし片を形成して熱交換部材が構成されるようにした
ことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】前記熱伝導性良好な金属板の両端部を裏
面相互で重ね合わせて前記電極が形成されるようにする
と共に、その中間部分で４辺形管状体が形成されるよう
にした請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】前記熱伝導性良好な金属板の中間部分を
折り返して接合して前記電極が構成されるようにすると
共に、この電極構成部の両側部分はそのそれぞれの両端
部が重ねられるようにして４辺形管状に成形し、この管
状体の前記両端部は前記４辺形の一辺が形成されるよう
に衝合機構で結合されるようにした請求項１記載の熱電
変換装置。
【請求項４】前記熱交換器は、前記Ｎ型およびＰ型熱
電素子が並べられる直線に対して、その両側の反対の方
向に延びる一対のプレートを角管状体に構成すると共
に、前記プレートは前記電極に連続する第１の端部とそ
の反対側の端部でそれぞれ外側に突設成形してその間に
凹部が成形されるように構成され、この凹部に対応して
前記プレートの両面方向にこの凹部の深さ以内に突出す
る前記切り起こし片が形成されるようにした請求項１記
載の熱電変換装置。
【請求項５】前記熱交換器を構成する一枚の金属板
は、その両端部の内側面と外側面とを重ねて接合して連
結され、この接合部を折り返し成形して前記電極が形成
されるようにした請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項６】前記電極を形成する折り返し成形部を構
成する接合される合わせ面には、はんだ層が介在される
ようにした請求項５記載の熱電変換装置。
【請求項７】前記電極を形成する折り返し成形部を構
成する外側の金属板の折り返し線に対応する部分に、そ
の内側の金属板が露出される切り欠き孔が形成されるよ
うにした請求項５記載の熱電変換装置。
【請求項８】前記電極を形成する折り返し成形部を構
成する外側の金属板には、はんだ流入用の穴が複数個の
貫通するように形成されるようにした請求項５記載の熱
電変換装置。
【請求項９】前記電極を形成する折り返し成形部を構
成する外側の金属板には、熱電素子の接合部に対応して
穴が形成され、その穴の位置に対応した接合面にはんだ
メッキ層を形成した熱電素子がはんだ接合されるように
した請求項５記載の熱電変換装置。