JPH07326800A - 熱電冷却素子及びこれを用いた熱電冷却装置 - Google Patents

熱電冷却素子及びこれを用いた熱電冷却装置

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JPH07326800A
JPH07326800A JP6120159A JP12015994A JPH07326800A JP H07326800 A JPH07326800 A JP H07326800A JP 6120159 A JP6120159 A JP 6120159A JP 12015994 A JP12015994 A JP 12015994A JP H07326800 A JPH07326800 A JP H07326800A
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JP
Japan
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semiconductor thin
type semiconductor
thermoelectric cooling
thin plate
thin plates
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Withdrawn
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JP6120159A
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English (en)
Inventor
Masanori Kogo
正▲徳▼ 古後
Yasunori Tanji
雍典 丹治
Takeshi Masumoto
健 増本
Minoru Kuboki
實 久保木
Takejiro Kaneko
武次郎 金子
Risaburo Sato
利三郎 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
Tokin Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱剪断応力に起因した欠陥を解消することの
できる熱電冷却装置を提供すること。 【構成】 一対の対向壁を有する導電性の熱伝達管11
の前記対向壁の一方の外面にN型半導体薄板12−N
を、他方の外面にはP型半導体薄板12−Pを設けて対
向させた半導体素子対を含む熱電冷却素子1を複数個用
いる。これら複数個の熱電冷却素子を、冷媒流通用のメ
インパイプ2の外周に前記N型半導体薄板と前記P型半
導体薄板とが交互に並ぶように配列する。そして、各熱
電冷却素子における一対の前記N型半導体薄板と前記P
型半導体薄板との直列接続体を、前記メインパイプを間
にした互いに反対側の位置で交互に順に電気的に直列接
続することにより、すべての前記N型半導体薄板と前記
P型半導体薄板とが交互になる状態で直列接続されるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はペルチェ効果を利用して
電気エネルギーを熱エネルギーに変換する素子を使用し
た熱電冷却素子及びこれを用いた熱電冷却装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】冷凍冷蔵庫、空調機器等の冷却媒体とし
て利用されているクロロフロロカーボン(CFCs:通
称フロン)の製造は、1995年以降、禁止される事が
国際会議で決定された。その結果、冷凍冷蔵庫、空調機
器等の業界は、上記フロンに代わる新しい冷却媒体、或
いは新しい冷却システムの開発をしなければならなくな
った。
【0003】熱電冷却方式による冷却装置は、環境に対
して非常にクリーンであり、地球環境を汚染しないとい
うことから、最近フロンを使用する冷凍冷蔵庫、空調機
器等の代替品の一つとして非常に有望視されている。
【0004】(Bi,Sb)2 (Te,Se)3 半導体
化合物が最も優れた熱電冷却特性を示す事は古くからよ
く知られており、ここ40年間近く、室温近傍でこれを
凌駕する特性をもつ材料は未だ発見されていない。現在
も、上記化合物組成をもつ素子が熱電冷却モジュールに
使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の熱電冷却モジュ
ールは、N型半導体板とP型半導体板とをそれらの一方
の面で接続したπ字型の接続構造を採っており、この構
造は多くの半田接合点を持っていることから、熱剪断応
力によって破壊し易いという欠陥をもっている。また、
従来の熱電冷却モジュールは、モジュールの表面から熱
を平面的に一様に吸収する構造を採っているため、冷却
能力に制約がある。
【0006】以上のような問題点に鑑み、本発明の主た
る課題は、従来のような熱剪断応力に起因した欠陥を解
消することのできる熱電冷却素子及びこれを用いた熱電
冷却装置を提供することにある。
【0007】本発明の他の課題は、従来のような平面的
な熱吸収構造によらない熱吸収構造による熱電冷却装置
を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、一対の
対向壁を有する導電性の熱伝達管の前記対向壁の一方の
外面にN型半導体薄板を、他方の外面にはP型半導体薄
板を設けて対向させた半導体素子対を含むことを特徴と
する熱電冷却素子が得られる。
【0009】本発明によればまた、上記熱電冷却素子を
複数個、冷媒流通用のパイプの外周に、前記N型半導体
薄板と前記P型半導体薄板とが交互に並ぶように配列す
ると共に、各熱電冷却素子における一対の前記N型半導
体薄板と前記P型半導体薄板との直列接続体を、前記パ
イプを間にした互いに反対側の位置で交互に順に電気的
に直列接続することにより、すべての前記N型半導体薄
板と前記P型半導体薄板とが交互になる状態で直列接続
されるようにしたことを特徴とする熱電冷却装置が得ら
れる。
【0010】本発明によれば更に、一対の対向壁を有す
る冷媒流通用のパイプの前記対向壁の外面側にそれぞ
れ、N型半導体薄板とP型半導体薄板とを交互に配列
し、隣接しあう前記N型半導体薄板と前記P型半導体薄
板とをそれらの内面側及び外面側において交互に電気的
に接続することにより、前記一対の対向壁のそれぞれの
側における前記N型半導体薄板と前記P型半導体薄板と
を交互に直列接続し、かつ前記一対の対向壁のそれぞれ
の側における前記N型半導体薄板と前記P型半導体薄板
との直列接続体を直列に接続したことを特徴とする熱電
冷却装置が得られる。
【0011】なお、いずれの発明においても、前記各半
導体薄板の断面積Sと板厚Lの比A(=S/L)は、2
以上であることが望ましい。
【0012】
【作用】n個の熱電冷却素子から成る熱電冷却装置(あ
るいは熱電冷却モジュール)を使用する冷却システムを
考えると、n個の熱電冷却素子の表面からの最大吸熱量
C MAX は次の数式1で与えられる。
【0013】
【数1】
【0014】ここにおいて、α:半導体素子材のゼーベ
ック係数、σ:電気伝導率、A(=S/L):半導体薄
板形状比(半導体薄板の断面積Sと半導体薄板厚Lとの
比)、κ:熱伝導率、ΔT:素子両端の温度差、TCJ
熱電冷却素子の低温側表面温度である。
【0015】上記数式1から明らかなように、n個の熱
電冷却素子の表面からの最大吸熱量qC MAX は、物性定
数であるα、κ及びσによって定まる項と、熱電冷却素
子の構造で決まるA及びnによって定まる項と、任意に
外的条件として与えられるΔT及びTCJによって定まる
項との3つの項によって決定される。したがって、半導
体素子材の化合物組成が決定されている時、n個の熱電
冷却素子表面からの最大吸熱量qC MAX をできるだけ大
きくするには、ΔTを可能な限り小さく、Aを大きくと
り得るような構造をもつ熱電冷却装置を設計すればよ
い。
【0016】そこで、熱電冷却素子を複数個、N型半導
体薄板とP型半導体薄板とが交互に並ぶように一列に配
列して、すべてのN型半導体薄板及びP型半導体薄板を
電気的に直列に接続し、しかも一列に並んだ複数個の熱
伝達管により冷媒流通用のメインパイプを包むように構
成して、直列に接続したN型半導体薄板とP型半導体薄
板に直流電流を流すと、メインパイプ内の冷媒はペルチ
ェ効果に基づき、冷却される。
【0017】しかも、メインパイプ内を流れる冷媒は、
メインパイプの一方の流入口から他方の流出口に移動す
るに従って、次第に冷却能力を高める。この冷媒をメイ
ンパイプを通して断熱室に移動させ、その断熱室の熱を
奪うように構成することにより、冷凍冷蔵庫や冷凍庫と
しての機能を果たさせることができる。
【0018】
【実施例】図1を参照して、熱電冷却素子1は、断面四
角形の導電性材料であって熱伝導率の良好な材料による
熱伝達管11の一対の対向壁の外面にそれぞれ、N型半
導体薄板12−N、P型半導体薄板12−Pを固着し、
N型半導体薄板12−N、P型半導体薄板12−Pの外
側には更に電極板13,14を設けて成る。その結果、
N型半導体薄板12−NとP型半導体薄板12−Pとは
熱伝達管11を介して直列接続されることとなる。
【0019】図2は、この熱電冷却素子1を複数個用い
て冷媒流通用のメインパイプ2と共に熱電冷却装置を構
成した例を示している。図2において、複数の熱電冷却
素子1を、隣接する半導体薄板の導電型が交互に逆導電
性になるように、絶縁材15を介してメインパイプ2の
外周に配列固定する。複数の熱電冷却素子1の電気的接
続は、隣接しあうN型半導体薄板12−NとP型半導体
薄板12−Pとをその外面側において金属接合板16で
接続することにより行われる。特に、この金属接合板1
6がメインパイプ2を間にして交互に反対側に位置する
ようにして接続することにより、すべてのN型半導体薄
板12−NとP型半導体薄板12−Pとが交互になる状
態で直列接続されるようになっている。
【0020】言い換えれば、各熱電冷却素子における一
対のN型半導体薄板12−NとP型半導体薄板12−P
との直列接続体が金属接合板16により順に直列接続さ
れるようになっている。最外側のP型半導体薄板12−
Pに設けられた電極板13とN型半導体薄板12−Nに
設けられた電極板14には直流電源(図示せず)が接続
され、すべてのN型半導体薄板12−NとP型半導体薄
板12−Pとの直列接続体に直流電流が流される。その
結果、メインパイプ2内の冷媒は、各熱電冷却素子によ
り順に冷却され、冷却度が高められてゆくので、冷媒は
メインパイプ2の一方の流入口から他方の流出口へ移動
するに従い、冷却能力が高められることとなる。
【0021】図3は熱電冷却装置の他の例を示し、N型
半導体薄板12−NとP型半導体薄板12−Pとを金属
接合板20を介してセラミック製のメインパイプ2外面
に固着し、隣接しあうN型半導体薄板12−NとP型半
導体薄板12−Pとの外面側の電気的な接続も金属接合
板21により行うようにしている。
【0022】すなわち、図3では、一対の対向壁を有す
る冷媒流通用のメインパイプ2の前記対向壁の外面側に
それぞれ、N型半導体薄板12−NとP型半導体薄板1
2−Pとを交互に配列し、隣接しあうN型半導体薄板1
2−NとP型半導体薄板12−Pとをそれらの内面側及
び外面側において金属接合板20、21により交互に電
気的に接続している。このことにより、前記一対の対向
壁のそれぞれの対向壁におけるすべてのN型半導体薄板
12−NとP型半導体薄板12−Pとが直列接続され
る。しかも、メインパイプ2の一端側において前記一対
の対向壁のそれぞれの側の金属接合板20を短絡接続す
ることにより、前記一対の対向壁のそれぞれの対向壁に
おけるN型半導体薄板12−NとP型半導体薄板12−
Pとの直列接続体が直列に接続される。メインパイプ2
の他端側においては、一方の対向壁の金属接合板20に
電源の+側が、他方の対向壁の金属接合板20には−側
が接続されている。
【0023】なお、いずれの実施例においても、半導体
薄板の材料としては、既に良く知られているBi2 Te
3 系化合物の焼結板を用いた。その化合物の組成は次の
通りである。
【0024】P型半導体化合物:Bi0.5 Sb1.5 Te
3 +0.05wt%Pb N型半導体化合物:Bi2 Te2.7 Se0.3 +0.20
wt%S 熱電冷却素子の冷却効率を上げるためには、前述した通
り、ΔTを可能な限り小さくし、Aを1より可能な限り
大きくする事が好ましい。本実施例では、半導体薄板の
断面積Sと板厚Lとの比A=S/Lを3.9とした。そ
の結果、熱電冷却素子表面温度−30℃を得た。
【0025】なお、図3の実施例では、メインパイプ2
の2対の対向壁の一方の対にN型半導体薄板12−Nと
P型半導体薄板12−Pとを配列しているが、他方の対
にも同様にN型半導体薄板12−NとP型半導体薄板1
2−Pとを配列することで、更に冷却能力を向上させる
ことができる。
【0026】
【発明の効果】本発明による新しい構造の冷却方式を採
用する事によって、冷媒の冷却能力を、使用する熱電冷
却素子の冷却能力の限界まで上げる事が可能になった。
この構造を採る事によって、熱電冷却方式による実用型
の大型冷凍冷蔵庫の製造が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による熱電冷却素子を示した図であり、
図aは正面図、図bは縦断面図である。
【図2】図1に示された熱電冷却素子を使用した熱電冷
却装置を示した図であり、図aは正面図、図bは縦断面
図である。
【図3】本発明による熱電冷却装置の他の例を示した図
であり、図aは正面図、図bは縦断面図である。
【符号の説明】
1 熱電冷却素子 2 メインパイプ 11 熱伝達管 12−N N型半導体薄板 12−P P型半導体薄板 13、14 電極板 15 絶縁材 16、20、21 金属接合板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹治 雍典 宮城県仙台市太白区郡山六丁目7番1号 株式会社トーキン内 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目8番22号 (72)発明者 久保木 實 宮城県仙台市泉区加茂4丁目6番3号 (72)発明者 金子 武次郎 宮城県仙台市青葉区旭ヶ丘3丁目13番8号 (72)発明者 佐藤 利三郎 宮城県仙台市青葉区八幡3丁目7−15

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の対向壁を有する導電性の熱伝達管
    の前記対向壁の一方の外面にN型半導体薄板を、他方の
    外面にはP型半導体薄板を設けて対向させた半導体素子
    対を含むことを特徴とする熱電冷却素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の熱電冷却素子において、
    前記各半導体薄板の断面積Sと板厚Lの比A(=S/
    L)が、2以上であることを特徴とする熱電冷却素子。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の熱電冷却素子を複数個、
    冷媒流通用のパイプの外周に、前記N型半導体薄板と前
    記P型半導体薄板とが交互に並ぶように配列すると共
    に、各熱電冷却素子における一対の前記N型半導体薄板
    と前記P型半導体薄板との直列接続体を、前記パイプを
    間にした互いに反対側の位置で交互に順に電気的に直列
    接続することにより、すべての前記N型半導体薄板と前
    記P型半導体薄板とが交互になる状態で直列接続される
    ようにしたことを特徴とする熱電冷却装置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の熱電冷却装置において、
    前記各半導体薄板の断面積Sと板厚Lの比A(=S/
    L)が、2以上であることを特徴とする熱電冷却装置。
  5. 【請求項5】 一対の対向壁を有する冷媒流通用のパイ
    プの前記対向壁の外面側にそれぞれ、N型半導体薄板と
    P型半導体薄板とを交互に配列し、隣接しあう前記N型
    半導体薄板と前記P型半導体薄板とをそれらの内面側及
    び外面側において交互に電気的に接続することにより、
    前記一対の対向壁のそれぞれの側における前記N型半導
    体薄板と前記P型半導体薄板とを交互に直列接続し、か
    つ前記一対の対向壁のそれぞれの側における前記N型半
    導体薄板と前記P型半導体薄板との直列接続体を直列に
    接続したことを特徴とする熱電冷却装置。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の熱電冷却装置において、
    前記各半導体薄板の断面積Sと板厚Lの比A(=S/
    L)が、2以上であることを特徴とする熱電冷却装置。
JP6120159A 1994-06-01 1994-06-01 熱電冷却素子及びこれを用いた熱電冷却装置 Withdrawn JPH07326800A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6332458B1 (en) 1997-05-23 2001-12-25 Hitachi, Ltd. Ignition coil unit for engine and engine provided with plastic head cover

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6332458B1 (en) 1997-05-23 2001-12-25 Hitachi, Ltd. Ignition coil unit for engine and engine provided with plastic head cover
US6571784B2 (en) 1997-05-23 2003-06-03 Hitachi, Ltd. Ignition coil for use in engine and engine having plastic cylinder head cover
EP1878910A2 (en) 1997-05-23 2008-01-16 Hitachi, Ltd. Ignition coil for use in engine

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