JPH1194393A

JPH1194393A - 熱電冷却装置

Info

Publication number: JPH1194393A
Application number: JP9262318A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakajo; 康之中條; Katsuhiko Onoe; 勝彦尾上; Yuuma Horio; 裕磨堀尾; Toshiharu Hoshi; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】十分に高い冷却効率を得ることができる熱電
素子冷却装置を提供する。【解決手段】熱電素子の放熱側に放熱側絶縁基板を挟ん
で箱型の形状を有する冷却部１０が配置されており、そ
の箱形状の高さ方向の中央部には冷却部１０内を２分す
る水平仕切り板１７が配置されている。また、第１側板
１１と第２側板１２との間を４分する３枚の垂直仕切り
板１８が配置されている。更に、水平仕切り板１７の下
方に形成された４つの空間の夫々の内部には、第３側板
の外部から挿入された噴出管１９が設けられている。こ
の噴出管１９の端部は閉じられており、下部には複数個
のノズル穴が管軸に沿って穿設されている。この噴出管
１９には液状冷却媒体が第３側板１３の外部から供給さ
れ、この液状冷却媒体はノズル穴から放熱側絶縁基板に
噴出され、放熱側絶縁基板に衝突する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はペルチェ効果を有す
る熱電素子により冷凍庫等を冷却する熱電冷却装置に関
し、特に、冷却効率の向上を図った熱電冷却装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】種類が異なる２物質を接合させ、２箇所
の接合部を有する回路を構成し、一方の接合部を高温に
加熱し、他方の接合部を低温に冷却すると、接合部の温
度差に基づく起電力が発生する。この現象をゼーベック
効果という。

【０００３】また、同様に接合させた２物質に直流電流
を流すと、一方の接合部で熱を吸収し、他方の接合部で
熱を発生する。この現象をペルチェ効果という。

【０００４】更に、均質な物質に温度勾配を設け、この
温度勾配がある方向に電流を流すと、この物質内で熱の
吸収又は発生がある。この現象をトムソン効果という。

【０００５】これらのゼーベック効果、ペルチェ効果及
びトムソン効果は熱電効果といわれる可逆反応であり、
ジュール効果及び熱伝導等の非可逆現象と対比される。
これらの可逆過程及び非可逆過程を組み合わせて、電子
冷熱等に利用されている。

【０００６】従来、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装
置が使用されている。そして、冷却効率を高めるため液
状冷却媒体として水又は不凍液等を使用する熱電冷却装
置が提案されている（特表平６−５０４３６１号公
報）。図５は特表平６−５０４３６１号公報に記載され
た熱電冷却装置の冷却部を示す模式的断面図である。こ
の公報に記載された熱電冷却装置においては、ペルチェ
効果を有する熱電素子１１２が２枚の絶縁基板１１３に
より挟持されている。そして、両絶縁基板１１３の外表
面にはマニホールド１１４が配設されている。マニホー
ルド１１４には、絶縁基板１１３と平行に外壁１２２が
設けられており、更に、絶縁基板１１３の全周にわたっ
て外壁１２２と絶縁基板１１３とを連結する周縁壁１２
４が設けられている。外壁１２２、周縁壁１２４及び絶
縁基板１１３により形成された空間内には仕切り板１２
６乃至１３８が配設されており、蛇行する流路１２０が
形成されている。そして、流路１２０の両端部には流路
１２０への入口１１６又は流路１２０からの出口１１８
が設けられている。入口１１６から送入された液状冷却
媒体は流路１２０内を乱流を起こしながら流れ、出口１
１８から送出される。

【０００７】このように構成された従来の熱電冷却装置
においては、熱電素子１１２に電流を流すと同時に、入
口１１６に液状冷却媒体を送入する。熱電素子１１２に
電流が流されると、ペルチェ効果により、熱電素子１１
２を挟持する一方の絶縁基板１１３では熱が発生し、他
方の絶縁基板１１３では熱が吸収される。熱電素子１１
２の吸熱側の絶縁基板１１３では、入口１１６から送入
された液状冷却媒体が絶縁基板１１３に熱を奪われて、
出口１１８から送出される。一方、熱電素子１１２の放
熱側の絶縁基板１１３では、入口１１６から送入された
液状冷却媒体が絶縁基板１１３から発生した熱を吸収し
て、出口１１８から送出される。このようにして、吸熱
側に送入された液状冷却媒体が冷却されることにより、
吸熱側の入口１１６及び出口１１８に連結された系が冷
却される。一方、発熱側の入口１１６及び出口１１８に
連結された系に送られた熱は適切な方法で放散される。

【０００８】しかし、この従来の熱電冷却装置において
は、液状冷却媒体が絶縁基板１１３の表面に沿って層流
となって流れやすいため、熱抵抗が大きく冷却効率が悪
い。

【０００９】そこで、絶縁基板の表面に液状冷却媒体を
確実に乱流を起こして流すことができる熱電冷却装置が
提案されている（特開平９−１８０５９号公報）。図６
は特開平９−１８０５９号公報に記載された熱電冷却装
置の冷却部を示す模式的断面図である。この公報に記載
された熱電冷却装置においては、熱電素子２０１が設け
られており、その下に吸熱側基板２０２が配設されてい
る。また、熱電素子２０１上には吸熱側基板２０２より
薄い放熱側基板２０４が配設されている。そして、放熱
側基板２０４を支持する支持枠体２０５が吸熱側基板２
０２上に設けられている。更に、放熱側基板２０４の上
方には放熱側基板２０４と平行にカバー部材２０６が配
設されている。そして、放熱側基板２０４とカバー部材
２０６とを連結する周壁２１０が設けられている。ま
た、カバー部材２０６の中央部は穿設され、そこに給水
管２０８が設けられている。カバー部材２０６の周縁部
も穿設され、そこに排水管２０９が設けられている。カ
バー部材２０６、周壁２１０及び放熱側基板２０４によ
り形成された空間には、この空間を２分する分散部材２
０７が配設されている。一方の空間２１１には給水管２
０８が連結されており、他方の空間２１２には排水管２
０９が連結されている。更に、分散部材２０７には複数
個の供給孔２１６が放熱側基板２０４に対して垂直な方
向に設けられている。

【００１０】このように構成された従来の熱電冷却装置
においては、熱電素子２０１に電流を流すと同時に、給
水管２０８に水２２１を送入する。熱電素子２０１に電
流が流されると、ペルチェ効果により、放熱側基板２０
４では熱が発生し、吸熱側基板２０２では熱が吸収され
る。給水管２０８に送入された水２２１は空間２１１内
に一斉に拡がり、供給孔２１６から放熱側基板２０４に
向けて噴出し、放熱側基板２０４に衝突する。これによ
り、水２２１は放熱側基板２０４から熱を奪い、空間２
１２内で拡散した後、排水管２０９から排出される。

【００１１】この従来の熱電冷却装置においては、水２
２１が放熱側基板２０４に噴出されているので、確実に
乱流が起こり冷却効率が特表平６−５０４３６１号公報
に記載されたものよりも大きい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−１８０５９号公報に記載された熱電冷却装置におい
ても十分な冷却効率が得られないという問題点がある。

【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、十分に高い冷却効率を得ることができる熱
電冷却装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電冷却装
置は、ペルチェ効果を有する熱電素子と、この熱電素子
の放熱面に対向するように配置された複数個のノズル
と、このノズルに液状冷却媒体を供給して前記ノズルか
ら冷却媒体を噴出させることにより熱電素子を冷却させ
る冷却媒体供給手段と、前記ノズルから噴出された熱電
素子冷却後の液状冷却媒体に接してこれから抜熱する熱
交換部とを有することを特徴とする。

【００１５】本発明においては、ペルチェ効果により熱
電素子から放出された熱はノズルから噴出された液状冷
却媒体に伝達される。更に、熱交換部が設けられている
ので、熱電素子を冷却した後の液状冷却媒体は熱交換部
によって抜熱される。このため、熱交換率が高くなり、
冷却効率が向上する。

【００１６】なお、前記熱交換部は、２０℃における熱
伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であるフィンを有
し、このフィンはファンによる強制空冷又は自然空冷に
より冷却されることが望ましい。熱交換部に２０℃にお
ける熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であるフィン
を配置することにより、熱電素子から放出された熱がこ
のフィン中を伝達され、より熱交換率が向上する。

【００１７】また、前記ノズルは噴出管に複数個の孔を
穿設することにより形成されており、このように構成さ
れた複数個の噴出管が収納された容器と、この容器内を
各噴出管を区画するように仕切る仕切り板と、を有し、
前記冷却媒体供給手段は、液状冷却媒体を各噴出管に分
岐供給すると共に、各仕切り板により仕切られた室から
排出された液状冷却媒体を集めて回収することが望まし
い。

【００１８】噴出管に複数個の孔を穿設することにより
前記ノズルを形成し、このように構成された複数個の噴
出管を容器に収納し、各噴出管を区画するようにこの容
器内を仕切り板により仕切ることにより、ノズルから噴
出された液状冷却媒体が熱電素子を冷却し抜熱された後
に、相互に干渉することなく、よどみを形成することな
く回収される。このため、熱電素子がほぼ均一に冷却さ
れると共に、液状冷却媒体の圧力損失が低減される。従
って、冷却効率が向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本願発明者等が前記課題を解決す
るため、鋭意実験研究を重ねた結果、特開平９−１８０
５９号公報に記載された熱電冷却装置の冷却部におい
は、複数個の供給孔２１６から噴出された水の全てが同
一面に沿って拡散しているため、放熱側基板２０４に衝
突した水が空間２１２内に滞留し、相互に干渉して放熱
側基板２０４上によどみが形成されて十分な冷却効率が
得られていないことを見出した。更に、前述のいずれの
従来例においても、水等の液状冷却媒体に伝達された熱
を外部、例えば大気中に放出するために、熱交換器を液
状冷却媒体の経路中に設ける必要がある。この場合、熱
電素子から発生した熱は循環する液状冷却媒体のみを介
して熱交換器に伝達されているので、熱交換率が低い。
そこで、本発明においては、熱電冷却装置に熱電素子を
冷却した後の液状冷却媒体を冷却する熱交換部を設ける
ことにより、熱電冷却装置の構造を熱電素子から発生し
た熱を液状冷却媒体及び熱交換部を介して外部に放出す
る構造とする。

【００２０】以下、本発明の実施例に係る熱電冷却装置
について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図
１は本発明の実施例に係る熱電冷却装置を示す模式的断
面図である。本実施例においては、ペルチェ効果を有す
る熱電素子６がその放熱側に配置された放熱側絶縁基板
５ａとその吸熱側に配置された吸熱側絶縁基板５ｂとに
挟まれて熱電モジュール１が形成されている。また、熱
電素子６の吸熱側には吸熱側絶縁基板５ｂを挟んで熱伝
導ブロック２が配置されている。そして、熱電モジュー
ル１及び熱伝導ブロック２と接する断熱材３により、熱
伝導ブロック２を壁部の一部とするチャンバ４が形成さ
れている。なお、チャンバ４の内壁７はアルミニウム、
アルミニウム合金、銅又は銅合金等の金属により形成さ
れている。このチャンバ４の内部が熱伝導ブロック２を
介して熱電モジュール１により冷却される。なお、熱伝
導ブロック２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅
又は銅合金等の熱伝導率が高い金属から構成されてい
る。また、断熱材３は、例えば発泡ウレタンから構成さ
れる。

【００２１】また、熱電素子６の放熱側には放熱側絶縁
基板５ａを挟んで冷却部１０が配置されている。図２は
冷却部を示す模式的斜視図であり、図３は冷却部を示す
模式的底面図である。冷却部１０は、相互に平行な第１
側板１１及び第２側板１２、相互に平行な第３側板１３
及び第４側板１４並びにこれらの側板に対して直交する
上板１５からなる箱型の形状を有する。そして、箱形状
の高さ方向の中央部には第１側板１１、第２側板１２及
び第３側板１３に接し第４側板１４近傍まで延出し冷却
部１０内を２分する水平仕切り板１７が配置されてい
る。そして、第３側板１３及び第４側板１４の上板１５
側とは逆側の端部から上板１５と水平仕切り板１７との
中間部まで水平仕切り板１７に対して垂直に延出し第１
側板１１と第２側板１２との間を４分する３枚の垂直仕
切り板１８が配置されている。更に、水平仕切り板１７
の下方に形成された４つの空間の夫々の内部には、第３
側板の外部から挿入された噴出管１９が設けられてい
る。この噴出管１９の端部は閉じられており、下部には
複数個のノズル２０が管軸に沿って穿設されている。ま
た、４本の噴出管１９は第３側板１３の外部で１本の配
管３１から分岐されたものである。この噴出管１９には
液状冷却媒体が第３側板１３の外部から分岐供給され、
この液状冷却媒体はノズル２０から放熱側絶縁基板５ａ
に噴出され、放熱側絶縁基板５ａに衝突する。

【００２２】一方、水平仕切り板１７の上方に形成され
た空間内部には、上板１５の外部から延出する例えば７
枚のフィン２１が垂直仕切り板１８に対して平行に設け
られている。なお、フィン２１のうち、第１側板１１側
から２、４及び６番目に位置するものは垂直仕切り板１
８に当接している。こうして水平仕切り板１７の上方に
形成された４つの空間には配管が連結されており、これ
らの配管は１本の配管３２に集められている。垂直仕切
り板１８及びフィン２１は熱伝導率が高い金属から構成
されている。

【００２３】そして、配管３１及び３２はポンプ２２に
連結されている。液状冷却媒体はポンプ２２から配管３
１を介して冷却部１０に送り出され、配管３２を介して
ポンプ２２に送り返される。

【００２４】また、フィン２１の上方にはフィン２１に
送風するファン２３が設けられている。

【００２５】このように構成された熱電冷却装置におい
ては、熱電モジュール１に電流を流すと同時に、ポンプ
２２を作動させる。熱電モジュール１に電流が流れる
と、ペルチェ効果により、吸熱側絶縁基板５ｂを介して
熱伝導ブロック２が冷却されるため、チャンバ４内が冷
却される。一方、冷却部１０内には、ペルチェ効果によ
り、放熱側絶縁基板５ａを介して熱が放出される。

【００２６】ポンプ２２が作動すると、液状冷却媒体が
配管３１を介して噴出管１９に供給され、ノズル２０か
ら放熱側絶縁基板５ａに向けて噴出され、放熱側絶縁基
板５ａに衝突する。これにより、熱電モジュール１から
発生した熱が放熱側絶縁基板５ａに衝突した液状冷却媒
体に伝達される。また、垂直仕切り板１８が放熱側絶縁
基板５ａに当接しているので、放熱側絶縁基板５ａ中の
熱は直接垂直仕切り板１８にも伝達される。その後、液
状冷却媒体は水平仕切り板１７の上方に形成された空間
内に送られ、垂直仕切り板１８及びフィン２１と接触す
る。これにより、液状冷却媒体は熱伝導率が高い垂直仕
切り板１８及びフィン２１により抜熱され、冷却され
る。そして、冷却された液状冷却媒体は配管３２を介し
てポンプ２２へと送り戻され、上述の経路を循環する。

【００２７】一方、放熱側絶縁基板５ａ又は液状冷却媒
体から垂直仕切り板１８又はフィン２１へと伝達された
熱はフィン２１中を伝わって上板１５の外部まで伝達さ
れる。そして、ファン２３により強制空冷され、大気中
へと放出される。こうして、チャンバ４内の熱は大気中
へと放出される。

【００２８】本実施例においては、冷却部１０自体が熱
電素子６を冷却した後の液状冷却媒体を冷却する熱交換
部を有しており、熱電モジュール１から発生した熱は液
状冷却媒体だけでなく、垂直仕切り板１８及びフィン２
１をも介して大気中に放出される。このため、熱交換率
が向上し、この結果、熱電冷却装置の冷却効率が向上す
る。また、冷却部１０内の流路が複数個に区画されてお
り、これに沿って液状冷却媒体が冷却部１０から配管３
２に滞りなく排出される。従って、液状冷却媒体の圧力
損失が低減され、冷却部１０内によどみが形成されにく
く、熱電モジュール１の放熱側絶縁基板５ａが均一に冷
却される。このため、本実施例における冷却部１０の熱
交換率は高く、熱電冷却装置の冷却効率が向上する。

【００２９】なお、熱交換部はアルミニウム、アルミニ
ウム合金、銅又は銅合金等の２０℃における熱伝導率が
１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上のフィンを有していることが
望ましい。フィンの２０℃における熱伝導率が１００
（Ｗ／ｍ・Ｋ）未満であると、熱電素子から発生した熱
が完全にはこのフィンに伝達されないことがある。従っ
て、熱交換部は２０℃における熱伝導率が１００（Ｗ／
ｍ・Ｋ）以上のフィンを有していることが望ましい。

【００３０】また、フィンの向きは垂直仕切り板１８に
対して平行であることに限定されない。フィンが垂直仕
切り板１８に対して垂直な方向に向けられていても良好
な熱交換率が得られ、冷却効率が向上する。。

【００３１】本実施例においては、ファン２３を使用し
て強制空冷によりフィン２１中の熱を放出したが、ファ
ンを使用せずに、自然空冷により熱を放出してもよい。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、その特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。

【００３３】実施例１として図１に示す熱電冷却装置を
使用し、比較例２として図５に示す冷却部を有する熱電
冷却装置を使用し、比較例３として図６に示す冷却部を
有する熱電冷却装置を使用して熱コンダクタンス特性を
調査した。

【００３４】熱コンダクタンスの測定では、熱電モジュ
ールが配置された位置にヒータを配置し、このヒータを
その電圧を制御することにより一定の発熱量で加熱し
た。そして、ヒータと冷却部との接触部分における温度
を熱電対により測定した。このとき、冷却部内の圧力損
失及び冷却媒体の流量をポンプの出力の増減により調節
した。

【００３５】この結果を図４に示す。図４は横軸に水の
圧力損失と流量との積を取り、縦軸に熱コンダクタンス
特性をとって両者の関係を示すグラフ図である。なお、
図４において、○は実施例１を示し、▲は比較例２を示
し、■は比較例３を示す。

【００３６】熱コンダクタンスは高いほど冷却効率が高
いことを示す。図４に示すように、比較例１の熱コンダ
クタンス特性は、比較例２及び３と比して、極めて良好
である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ペルチェ効果により熱電素子から放出された熱はノズル
から噴出された液状冷却媒体に伝達され、更に、熱交換
部によって抜熱される。このため、熱交換率を高くし、
冷却効率を向上させることができる。また、熱交換部に
２０℃における熱伝導率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上で
あるフィンを配置することにより、熱電素子から放出さ
れた熱にこのフィン中を伝達させ、より熱交換率を向上
させることができる。更に、噴出管に複数個の孔を穿設
することにより前記ノズルを形成し、このように構成さ
れた複数個の噴出管を容器に収納し、各噴出管を区画す
るようにこの容器内を仕切り板により仕切ることによ
り、ノズルから噴出された液状冷却媒体を熱電素子冷却
後に相互に干渉することなく、よどみを形成することな
く回収することができる。このため、放熱側絶縁基板を
均一に冷却することができると共に、液状冷却媒体の圧
力損失を低減し、冷却効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱電冷却装置を示す模式
的断面図である。

【図２】冷却部を示す模式的斜視図である。

【図３】冷却部を示す模式的底面図である。

【図４】横軸に水の圧力損失と流量との積を取り、縦軸
に熱コンダクタンス特性をとって両者の関係を示すグラ
フ図である。

【図５】特表平６−５０４３６１号公報に記載された熱
電冷却装置の冷却部を示す模式的断面図である。

【図６】特開平９−１８０５９号公報に記載された熱電
冷却装置の冷却部を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１；熱電モジュール、２；熱伝導ブロック、３；断
熱材、４；チャンバ、５ａ；放熱側絶縁基板、５
ｂ；吸熱側絶縁基板、６；熱電素子、７；内壁、
１０；冷却部、１１；第１側板、１２；第２側板、
１３；第３側板、１４；第４側板、１５；上板、
１７；水平仕切り板、１８；垂直仕切り板、１
９；噴出管、２０；ノズル、２１；フィン、２
２；ポンプ、２３；ファン、３１、３２；配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星俊治静岡県浜松市中沢町10番１号ヤマハ株式会社内

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と、この
熱電素子の放熱面に対向するように配置された複数個の
ノズルと、このノズルに液状冷却媒体を供給して前記ノ
ズルから冷却媒体を噴出させることにより熱電素子を冷
却させる冷却媒体供給手段と、前記ノズルから噴出され
た熱電素子冷却後の液状冷却媒体に接してこれから抜熱
する熱交換部とを有することを特徴とする熱電冷却装
置。
【請求項２】前記熱交換部は、２０℃における熱伝導
率が１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であるフィンを有し、こ
のフィンはファンによる強制空冷又は自然空冷により冷
却されることを特徴とする請求項１に記載の熱電冷却装
置。
【請求項３】前記ノズルは噴出管に複数個の孔を穿設
することにより形成されており、このように構成された
複数個の噴出管が収納された容器と、この容器内を各噴
出管を区画するように仕切る仕切り板と、を有し、前記
冷却媒体供給手段は、液状冷却媒体を各噴出管に分岐供
給すると共に、各仕切り板により仕切られた室から排出
された液状冷却媒体を集めて回収することを特徴とする
請求項１又は２に記載の熱電冷却装置。