JPH07260287A

JPH07260287A - 熱電素子の冷却構造

Info

Publication number: JPH07260287A
Application number: JP7548994A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yamamoto; 克彦山本; Kenichi Kaneko; 健一金子; Yukihiro Ando; 幸広安藤; Tomio Oguma; 富雄小熊
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】【目的】水冷方式によるペルチェ素子の冷却において、
冷却水の使用量を増加させることなく冷却能力を高める
ことのできるペルチェ素子の冷却構造の提供。【構成】ペルチェ効果を有する熱電素子の発熱側を冷却
する放熱体を有し、該放熱体に供給口と排出口を備え、
該熱電素子の発熱側表面に直接接する冷却空間を前記放
熱体に区画形成し、該冷却空間内を流れる冷媒流によっ
て該熱電素子の発熱側を直接冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒流を用いて発熱面
を冷却する熱電素子の冷却構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ペルチェ効果を有する電子冷却素子の一
般的な構成を図１１に示す。Ｐ形半導体Ｓ１とＮ形半導
体Ｓ２を金属Ａを介して結合し、金属Ａと接続されてい
ないＰ形半導体Ｓ１及びＮ形半導体Ｓ２の一端にそれぞ
れ金属Ｂを結合し、各金属Ｂに直流電源端子を接続して
閉回路を構成する。

【０００３】この閉回路に電流が流れると金属Ａでは吸
熱、各金属Ｂでは発熱が起こる。そして、各金属Ｂの部
分を冷水等で冷却すると金属Ａの部分で低温が得られ
る。この金属Ａで得られた低温からファン等を用いて冷
風を発生することができ、小型化に適しているため狭い
室内や局所的な冷房装置に利用されている。また、吸熱
と発熱の効果は可逆的で、素子に流す電流の向きを変え
ると熱の発生と吸収が逆になり、小型の冷暖房装置とし
て各種の用途に応用できる。

【０００４】従来、水冷方式によってペルチェ素子を冷
却した装置が、例えば、実開昭６３−１９０３７４号公
報に開示されている。図１２は、この従来例のトレイの
冷房装置の断面図であり、これを第１の従来例とする。
同図において、便器の水洗をする水タンク２の上部にペ
ルチェ素子８が配され、このペルチェ素子８の放熱側よ
り突設した一次側フィン９を水タンク内の水に接触さ
せ、ペルチェ素子８の吸熱側より突設した二次側フィン
１０は水面に接触させず、送風ファン１４によって導入
された風をこの二次側フィン１０に通して送出すること
により冷風を得ている。

【０００５】また、水冷方式によるペルチェ素子の冷却
が、例えば、実開平３−４３７３９号公報に開示されて
いる。図１３にこの第２の従来例の縦断面図を示す。同
図において、制御盤１の一部開口面外壁２ａに開口３を
密封するよう放熱体４が取り付けられ、放熱体４の内面
には熱電素子５の発熱面５ａが固定され、熱電素子５の
吸熱面５ｂに冷却フィン６ａを多数備えた冷却体６が固
定される。

【０００６】そして、放熱体４の内部には水を通す水路
１０が全体に亘って設けられ、給水管１２及び排水管１
４を通して冷却層１６内の冷却水がポンプ１５によって
還流され、放熱体４の発熱面５ａが冷却水によって間接
的に冷却される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記第１の従来例によ
る冷却方式においては、ペルチェ素子の放熱を行うに際
してタンク内の水を利用すると共に一次側フィンを介し
てペルチェ素子の冷却を行っているため、冷却能力が低
く、ペルチェ素子の吸熱能力を十分に引き出せないとい
う問題点があった。

【０００８】また、冷却能力を上げるにはペルチェ素子
の放熱面をより冷却することが必要となるが、前記第２
の従来例においては、注入する水量を増加させることで
放熱面の冷却を高める必要があり、冷却水の使用量が増
加するという問題点を有していた。

【０００９】従って、本発明は、上記従来技術の有する
技術的課題を解決するため、水冷方式によるペルチェ素
子の冷却において、冷却水の使用量を増加させることな
く冷却能力を高めることのできるペルチェ素子の冷却構
造を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明における熱電素子の冷却構造においては、ペ
ルチェ効果を有する熱電素子の発熱側を冷却する放熱体
を有し、該放熱体に供給口と排出口を備え、該熱電素子
の発熱側表面に直接接する冷却空間を前記放熱体に区画
形成し、該冷却空間を流れる冷媒流によって該熱電素子
の発熱側を直接冷却する。

【００１１】そして、熱電素子の発熱面を均一に冷却す
るために、前記熱電素子の設置の向きに応じて、穴径の
異なる前記供給口及び前記排出口を形成すること、前記
供給口及び前記排出口の位置を変えて配置すること、前
記冷却空間の内壁に溝を形成すること、の少なくともい
ずれか一を適用することが好ましい。

【００１２】熱電素子の発熱面を均一に冷却する実施態
様として、前記熱電素子が縦又は斜めに設置される場合
には、前記放熱体の上下の位置に設けられた排出口にお
いて、上部に設けられた排出口の穴径が、下部に設けら
れた排出口の穴径より大きいことが好ましい。また、前
記熱電素子の上下方向の中央部に対応する該放熱体の外
側の位置に設けられた供給口が、上部及び下部の前記排
出口の中間点より上側に設けられることが好ましい。

【００１３】さらに、上記実施態様として、特に、前記
熱電素子が横方向に設置される場合には、次の態様が好
ましい。即ち、前記冷却空間に冷却水を注入する１つの
供給口を、前記熱電素子の略中央に対応する該放熱体の
外側の位置に設け、前記冷却空間から冷却水を排出する
複数の排出口を、前記熱電素子の周辺部に対応する該放
熱体の外側の位置であって該供給口を中点として略点対
称の位置にそれぞれ設ける。また、前記熱電素子におい
て、該熱電素子の配置された位置に対向する前記冷却空
間の内壁の供給口から排出口に至る間に、冷却水の導水
路となる複数の溝が形成されることが好ましい。

【００１４】また、本発明における熱電素子の冷却構造
の他の態様においては、前記熱電素子の配置された位置
に対応する位置の前記冷却空間における水流方向に交差
する面の断面積が、前記供給口の穴径の断面積より小さ
いことを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明によれば、熱電素子（ペルチェ素子）の
放熱側を直接に冷媒流、例えば冷却水で冷却しているの
で、従来と比較して冷却能力を高めることができる。ま
た、一般的に、ペルチェ素子は、多数の素子が接続され
て構成されており、ペルチェ素子の能力を最大限に引き
出すには、多数の素子の全てを均一に冷却することが必
要である。本発明の請求項２〜６においては、この点に
着目し、ペルチェ素子の発熱面全体を冷却水で直接的且
つ均一に冷却することにより冷却能力を高め、ペルチェ
素子の吸熱能力を最大限に引き出している。

【００１６】また、冷却能力を上げるにはペルチェ素子
の発熱面を積極的に冷却することにより対応できる。本
発明の請求項７の記載によれば、発熱面に接する冷却空
間の断面積を供給口の穴径の断面積より小さくしてい
る。これにより、発熱面と接する水路内の流速を高める
ことができ冷却能力を向上させることができる。

【００１７】なお、本発明で用いられる冷媒流は、液体
でもよいし、また気体でもよい。

【００１８】

【実施例】

【第１の実施例】本発明の実施例について図面を参照し
て以下に説明する。図１は本発明における第１の実施例
を示す縦断面図である。これは、ペルチェユニットが縦
又は斜めに設置された場合の水冷方式における、上下に
配置された排出口の穴径及び供給口の配置に係るもので
ある。

【００１９】図１において、ペルチェユニット１はペル
チェ素子２とペルチェ素子２の吸熱面２ａに接して固定
された吸熱フィン３とから構成され、ペルチェ素子２の
放熱面２ｂには放熱体４が接して配され、放熱体４にペ
ルチェユニット１が固定される。

【００２０】放熱体４の内部には、ペルチェ素子２の放
熱面２ｂ全体に水が直接接触するよう水路７が設けら
れ、ペルチェ素子２の上下方向の中央部に対応する位置
より少し上の位置に複数個の供給口５、そして供給口５
から上下方向に離れて複数個の上部排出口６ａと下部排
出口６ｂがそれぞれ設けられている。なお、ペルチェ素
子２と放熱体４との接触部は水が漏れないよう密封する
ことが好ましく、後述する実施例においても同様であ
る。

【００２１】図２に、図１における放熱体の給排水面を
表す正面図を示す。同図において、供給口５は、ペルチ
ェ素子２の上下方向の中央線２ｃより上側へ所定の距離
ずらして横一列に例えば３個配設され、上下部の排出口
６ａ，６ｂは、放熱効果が最大に得られるよう供給口５
から上下に離れると共に、供給口５と排出口６ａの距離
は、供給口５と排出口６ｂの距離より短くなるよう配置
され、それぞれ横一列に例えば３個ずつ配設されてい
る。そして、上部排出口６ａの穴径は下部排出口６ｂの
穴径より大きく形成される。

【００２２】上記の構成から本実施例では、上下部の排
出口６ａ，６ｂの穴径に差があり上部排出口６ａが下部
排出口６ｂより径が大きい。この結果、ペルチェユニッ
ト１の放熱面２ｂが垂直に設置されていても上下の流路
抵抗を同一にすることができ、放熱面の水流が均一にな
る。また、供給口５の位置がペルチェ素子２の上下方向
の中央線２ｃより上側に設定されているため、上部排出
口６ａに水が流れ易くなり同様に上下の流路抵抗を同一
にできる。

【００２３】本実施例によりペルチェ素子の放熱面は均
一に冷却され、しかも放熱面に直接冷却水が当たるため
冷却能力が向上し、ペルチェ素子の吸熱能力を高めるこ
とができる。

【００２４】

【第２の実施例】図３は、本発明における第２の実施例
を示す縦断面図である。これは、ペルチェユニットを特
に横に設置した場合に係るものである。なお、第１の実
施例と同一の機能要素には同一の参照番号を付す。以下
の実施例においても同様である。ペルチェ素子２の放熱
面２ｂの全体に冷却水が接触するよう水路７が設けられ
た放熱体４を備えている。ペルチェ素子２の吸熱面２ａ
側には吸熱フィン３が取り付けられている。

【００２５】図４は、図３に示された放熱体の給排出口
面を示す底面図である。放熱体４には、ペルチェ素子２
の中央部に冷却水が当たるよう供給口５を形成し、供給
口５を中心として放射状且つ点対称になる位置であって
放熱面２ｂの端部に相当する位置に、例えば８個から成
る排出口６を形成する。

【００２６】この実施例においては、供給口５から注入
された冷却水は放熱面２ｂの中央部に当り、放射状且つ
点対称の位置にある排出口６から排水される。これによ
り、放熱面２ｂは均一に冷却され、第１の実施例と同様
にペルチェ素子の吸熱能力の向上が図られる。

【００２７】

【第３の実施例】図５は、本発明における第３の実施例
を示す分解斜視図である。ペルチェユニットを横に設置
し、ペルチェ素子の放熱面に冷却水を直接当て、供給口
より注入された冷却水を水路に形成された溝に沿って流
し、放熱面全体を均一に冷却する構造に係るものであ
る。

【００２８】ペルチェ素子２の放熱面２ｂ（図６参照）
の全体に冷却水が接触するよう水路７が設けられた放熱
体４を有し、水路７の内側の底面７ａにはペルチェ素子
２と対向する位置であってペルチェ素子２の放熱面２ｂ
に対応する大きさの形状の溝８、例えば曲線状又はらせ
ん状の溝８が形成される。

【００２９】図６に、図５の縦断面図を示す。供給口５
から注入された冷却水は区画形成された水路７を通り排
出口６より排水される。この時、放熱体４に形成された
溝８が導水路の作用を為し、冷却水は溝８に沿って流れ
る。このため、溝８に対向している放熱面２ｂが重点的
且つ均一に冷却される。これにより、上記と同様にペル
チェ素子の吸熱能力の向上が図られる。

【００３０】

【第４の実施例】図７は、本発明における第４の実施例
を示す分解斜視図である。本実施例は、供給口より注入
された水を受皿に形成された溝に沿って流し、ペルチェ
素子の放熱面全体を均一に、且つ間接的に冷水で冷却す
る構造に係るものである。

【００３１】図８に、第４の実施例の縦断面図を示す。
同図において、吸熱フィン３に取り付けられたペルチェ
素子２の発熱面２ｂが、放熱の役割を為す受皿９の底面
９ａに接して配されている。受皿９の内側の側面９ｂに
は蓋部１０が嵌合し、受皿９と蓋部１０の間に冷却水の
水路７が区画形成される。受皿９の内側の底面９ｃに
は、溝８例えば曲線状又はらせん状の溝が設けられ、こ
の溝８はペルチェ素子２に対応する位置に配され、ペル
チェ素子２の冷却効果が上がる大きさの形状で形成され
る。そして、蓋部１０には、溝８に冷却水が流せる位置
に供給口５と排出口６のそれぞれの突起部５ａ，６ａが
設けられている。

【００３２】図８は受皿９と蓋部１０を嵌合した状態を
示しており、供給口５から注入された冷却水は区画形成
された水路７を通り排出口６より排出される。そして、
受皿９の内側の底面９ｃに形成された溝８が導水路の作
用を為し、冷却水は溝８に沿って流れる。このため、溝
８に対応して配されているペルチェ素子２を重点的に冷
却することができると共に、放熱面２ｂの全体が均一に
冷却される。

【００３３】この実施例においては冷却水がペルチェ素
子２の放熱面２ｂに直接当たらないが、溝８により放熱
面２ｂが重点的且つ均一に冷却されるので高い放熱効果
を有する。また、溝の形成のみで良いため、放熱フィン
より製作が簡単となる。なお、受皿９は、放熱効果を高
めるためにアルミニューム又はダイキャスト等の金属で
形成されることが好ましい。

【００３４】

【第５の実施例】図９は、本発明における第５の実施例
を示す縦断面図である。この実施例は冷却水の流速に係
るものである。ペルチェ素子２の放熱面２ｂの全体に冷
却水が接触するよう水路７が設けられた放熱体４を有し
ている。放熱体４には、放熱面２ｂの一端部に冷却水が
当たるよう供給口５が設けられ、また、放熱面２ｂの他
端部側から冷却水が排出されるよう排出口６が設けられ
ている。なお、ペルチェ素子２の吸熱面２ａ側には吸熱
フィン３が取り付けられている。

【００３５】図１０に、図９におけるＥ−Ｅ線の断面図
を示す。本実施例においては、図１０に示す放熱面２ｂ
の水路７における水流方向に交差する面の断面積Ｓ１
を、給水路５の穴径の断面積Ｓ２より小さく区画形成し
ている。断面積に差を設けることにより、放熱面２ｂに
おける水流の流速が高められ放熱効果が向上し、ペルチ
ェ素子２の吸熱能力を最大限に引き出すことが可能にな
る。

【００３６】なお、本発明に係る冷却構造を有する冷却
装置は、例えばトイレ又は台所等の水を使用する場所で
の利用に適している。また、使用する冷却水は、水又は
不凍液等をポンプ等で還流してもよいし、水道水をその
まま用いてもよい。また、本発明における放熱体４は、
樹脂で成形してもよいし金属で成形してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における熱
電素子の冷却構造においては、熱電素子の放熱側を冷却
水等の冷媒流で直接的に冷却しているので、冷却能力を
高めることができ、熱電素子の吸熱能力を向上させるこ
とができる。

【００３８】さらに、本発明においては、熱電素子の発
熱面全体を冷却水で直接且つ均一に冷却している。この
ため、冷却能力が向上し冷却水の使用量を増加させるこ
となく熱電素子の吸熱能力を十分に引き出すことがで
き、冷却水の無駄を省くことができると共に消費電力の
低減が図られる。

【００３９】本発明における請求項３及び４において
は、熱電素子を縦又は斜めに設置した場合に適し、上部
の排出口の穴径を下部の排出口の穴径より大きくしたこ
とにより流路抵抗が均一になり発熱面を均一に冷却でき
る。また、注入された冷却水が容易に上部から排出でき
るため、給水圧が低い場合に特に有利である。請求項５
及び６においては、特に、熱電素子を横に設置した場合
に適しており、簡単な構造で発熱面を均一に冷却でき
る。

【００４０】また、本発明における熱電素子の冷却構造
においては、冷却空間の断面積を供給口の断面積より小
さくしたことにより、発熱面と接する冷却空間内の冷媒
流の流速を高めることができる。これにより、注入すべ
き水量を増加せずに冷却能力を高めることができ、熱電
素子の吸熱能力を十分に引き出すことができるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施例を示す縦断面図で
ある。

【図２】図１における給排出口面を示す正面図である。

【図３】本発明における第２の実施例を示す縦断面図で
ある。

【図４】図３における給排出口面を示す底面図である。

【図５】本発明における第３の実施例を示す分解斜視図
である。

【図６】図５における断面図である。

【図７】本発明における第４の実施例を示す分解斜視図
である。

【図８】図７における断面図である。

【図９】本発明における第５の実施例を示す縦断面図で
ある。

【図１０】図９のＥ−Ｅ線における断面図である。

【図１１】ペルチェ素子の動作説明図である。

【図１２】第１の従来例を示す説明図である。

【図１３】第２の従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ペルチェユニット２ペルチェ素子（熱電素子）２ａ吸熱面２ｂ放熱面（発熱面）３吸熱フィン４放熱体５供給口６排出口７水路（冷却空間）８溝（導水路）９受皿１０蓋部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小熊富雄愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペルチェ効果を有する熱電素子の発熱側を
冷却する放熱体を有し、該放熱体に供給口と排出口を備
え、該熱電素子の発熱側表面に直接接する冷却空間を前
記放熱体に区画形成し、該冷却空間内を流れる冷媒流に
よって該熱電素子の発熱側を直接冷却する熱電素子の冷
却構造。
【請求項２】前記熱電素子の設置の向きに応じて、穴径
の異なる前記供給口及び前記排出口を形成すること、前
記供給口及び前記排出口の位置を変えて配置すること、
前記冷却空間の内壁に溝を形成すること、の少なくとも
いずれか一を適用し前記熱電素子の発熱側表面を均一に
冷却することを特徴とする請求項１記載の熱電素子の冷
却構造。
【請求項３】縦又は斜めに設置された前記熱電素子にお
いて、前記冷却空間に冷媒流を注入する１又は複数の前
記供給口を、前記熱電素子の上下方向の中央部に対応す
る該放熱体の外側の位置に設け、該冷却空間の冷媒流を
排出する１又は複数の前記排出口を、前記熱電素子の上
下方向の両端部に対応する該放熱体の外側の位置にそれ
ぞれ設け、上部に設けられた前記排出口の穴径が、下部
に設けられた前記排出口の穴径より大きいことを特徴と
する請求項１記載の熱電素子の冷却構造。
【請求項４】前記供給口が、上部及び下部の前記排出口
の中間点より上側に設けられることを特徴とする請求項
３記載の熱電素子の冷却構造。
【請求項５】前記熱電素子において、前記冷却空間に冷
媒流を注入する１つの供給口を、前記熱電素子の略中央
に対応する該放熱体の外側の位置に設け、前記冷却空間
から冷媒流を排出する複数の排出口を、前記熱電素子の
周辺部に対応する該放熱体の外側の位置であって該供給
口を中点として略点対称の位置にそれぞれ設けたことを
特徴とする請求項１記載の熱電素子の冷却構造。
【請求項６】前記熱電素子において、該熱電素子の配置
された位置に対向する前記冷却空間の内壁の供給口から
排出口に至る間に、冷媒流の導水路となる複数の溝が形
成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子
の冷却構造。
【請求項７】前記熱電素子の配置された位置に対応する
位置の前記冷却空間における冷媒流の流れる方向に交差
する面の断面積が、前記供給口の穴径の断面積より小さ
いことを特徴とする請求項１記載の熱電素子の冷却構
造。