WO1998010474A1 - Convertisseur thermoelectrique - Google Patents

Description

明 細 害 熱電変換装置

⁵ 技術分野

本発明は、 電子冷却装置あるいは熱発電装置などの熱電変換装置 に係り、 特にそれの熱移動媒体として水や不凍液などの流体を使用 した熱電変換装置に関する。

^{1 0} 背景技術

図 2 2ならびに図 2 3 は従来の熱電変換装置を説明するための図 で、 図 2 2 は熱電変換装置の断面図、 図 2 3 は図 2 2 の X— X線上 の断面図である。

図 2 2に示すようにアルミ ナなどのセラ ミ ッ クからなる吸熱側絶

^{1 5} 緣基板 1 0 0 と放熱側絶緣基板 1 0 1 との間に、 電極ならびに P形 , N形半導体屠からなる熟電変換素子群 1 0 2が介在されている。 前記吸熱側絶縁基板 1 0 0 の外表面には、 吸熱フ ィ ンなどが付設 された吸熱部材 1 0 3が取り付けられている。 前記放熱側絶緣基板 1 0 1 の外表面には、 その基板 1 0 1側に向けて開口した流路形成 ^z ° 部材 1 0 4が取り付けられている。 この流路形成部材 1 0 4の内側 には、 熱移動媒体である水 1 0 5を基板 1 0 1 の外表面に沿って一 方'の端部から他方の端部に向けて蛇行状に流すために連続した流路 が形成されている。 流路形成部材 1 0 4の一方の端部近く に供給管 1 0 7が、 他方の端部近く に排出管 1 0 8が、 それぞれ取り付けら

^{2 5} れている。

熱電変換素子群 1 0 2に所定の電流を流すとともに、 供袷管 1 0 7から水 1 0 5を流路形成部材 I 0 4に流し込む。 そして吸熱部材 1 0 3によって吸収した熱は吸熱側铯緣基板 1 0 0ならびに熱電変 換素子群 1 0 2を介して放熱脷絶緣基板 1 0 1 に伝達され、 水 1 0 5 をその基板 1 0 1 の外表面に沿って蛇行状に流すこ とにより基板 1 0 1 の熱を吸収し、 その水 1 0 5を排出管 1 0 8から系外へ排出 させることにより、 吸熱部材 1 0 3側が冷却される。

この闋連技術と して、 例えば特表平 6 - 5 0 4 3 6 1 号公報、 特 開平 5 — 3 2 2 3 6 6号公報、 特開平 5 — 3 4 3 7 5 0号公報など が挙げられる。

ところで、 この ½来の熱電変換装置ではまだ十分に高い熱電変換 能力を得ることができないという問題点を有している。

本 ¾明者らはこの問題点について検討した結果、 熱電変換装置の 特に熱移動媒体の流し方に問題があることを解明した。 すなわち従 来の熱電変換装置では、 熱移動媒体が絶緣基板の表面に ½つて単に 蛇行状に流れるだけであるから、 熱移動媒体と絶緣基板との間の熱 コ ンダクタ ンスが低く、 そのために十分な熱電変換能力を得るこ と ができないことを見出した。

本発明の目的は、 このよ うな従来技術の欠点を解消し、 十分に高 ぃ熱電変換能力を有する性能的に優れた熱電変換装置を提供するこ とにある。

発明の開示

前記目的を達成するため、 請求項 1 の発明は、 N型半導体展なら びに P型半導体層を支持する、 例えば電気絶緣薄膜を有する金]!板 などからなる基体の半導体展支持面と反対側の面に対して、 例えば 水や不凍液などの液状熱移動媒体を例えばほぼ垂直に衝突するよう に前記液伏熱移動媒体を供給する、 例えば分散部材などを備えた供 辁手段を設けたことを特徴とする。

請求項 2の発明は、 請求項 1記載の熱電変換装置において、 前記 基体が半導体 JS支持面に電気絶緣薄膜を有する金]!基体であるこ と を特徴とする。

請求項 3の発明は、 請求項 1 15載の熱電変換装置において、 前記 供袷手段の前記基体と対向する側にその基体のほぼ全面に臨む空間 が形成されて、 基体の面に衝突した前記液状熱移動媒体がこの空間 で拡散されるこ とを特徴とする。

請求項 4の発明は、 請求項 1記載の熱電変換装置において、 前記 供袷手段の熱移動媒体衝突 g路上に、 上流側から下流 (則に向けて馬 平状の第 1 空間と、 複数の噴射孔と、 前記基体のほぼ全面に臨む扁 平伏の第 2空間とが連通するように設けられ、 前記第 1 空間に流入 した液状熱移動媒体が各噴射孔から分散した状態で基体の面に向け て噴射され、 基体面に衝突した液状熱移動媒体が第 2空間て拡散さ 。 れるこ とを特徴とする。

請求項 5 の発明は、 請求項 1記載の熱電変換装 aにおいて、 前記 液状熱移動媒体が前記基体の表面に対してほぼ垂直に衝突するよう に構成されているこ とを特徴とする。

請求項 6 の発明は、 請求項 1記載の熱電変換装置において、 前記 基体の半導体層支持面と反対側の面の付近まで延びる噴射ノ ズルが 前記拱 -手段に多数設けられていることを特徴とする。

請求項 7 の発明は、 請求項 1記載の熱電変換装置において、 前記 基体の半導体展支持面と反対側の面に液状熱移動媒体が衝突する凹 凸部が形成されているこ とを特徴とする。

²。 請求項 8 の発明は、 請求項 7記載の熱電変換装置において、 前記 凹凸部が前記供袷手段の噴射孔に対向して形成されているこ とを特 徴とする。

請求項 9 の発明は、 N型半導体 Sならびに P型半導体層を支持す る基体と、 その基体の半導体層支持面と反対側の面に対して液状熱 " 移動媒体を噴射する噴射孔を形成した噴射ノ ズルを多数設けた分散 部材とを所定の隙間を介して対向し、

その分散部材の噴射ノ ズルの近傍に、 前記基体の半導体餍支持面 と反対側の面に噴射した液状熱移動媒体を前記反対 Mの面から逃が すための逃げ用凹部を設けたことを特徴とする。 請求項 1 0 の発明は、 請求項 9記載の熱電変煥装置において、 前 記基体の半導 ί本層支待面と反対側の面に多数の凹凸を形成したこ と を特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1 は本発明の第 1実施例に係る熱電変換装置の斜視図である。 図 2 はその熱電変換装置の縦断面図である。 図 3 は図 2 Α - Α線上 の断面図である。 図 4 はその熟電変換装置に用いる力バー部材の平 面図である。 図 5 そのカバ一部材の断面図である。 図 6 はその熱電 変換装置に用いる分散部材の平面図である。 図 7 は図 6 B - B線上 の断面図である。 図 8 は本発明の第 2宾施例に係る力バー部材の断 面図である。 図 9 は本発明の第 3寞施咧に係る熱電変換装置の一部 を断面にした底面図である。 図 1 0 は本発明の第 4実施 1に係る熱 電変換装置の一部を断面にした底面図である。 図 1 1 は本 ¾明の第 5実施例に係る熱電変換装置の断面図である。 図 1 2 は本発明の第 6実施 I列に係る熱電変換装置の噴射孔 （袷水管部） の一部拡大断面 図である。 図 1 3 は本発明の第 7寞施例に係る熱電変換装置に用い る放熱側基板の平面図である。 図 1 4 はその放熱側基板の一部拡大 断面図である。 図 1 5 は本発明の第 8実施例に係る熱電変換装置に 用いる放熱側基板の断面図である。 図 1 6 は本発明の第 9宾施例に 係る熱電変換装置の断面図である。 図 1 7 はその熱電変換装置に使 用する分散部材の底面図ある。 図 1 8 は本発明の第 1 0実施例に係 る熱電変換装置の断面図てある。 図 1 9 はその熱電変換装置に使用 する放熱側基板の平面図ある。 図 2 0 は本 ¾明の第 9実施洌に係る 熱電変換装置と第 1 0実施 に係る熱電変換装置の水の流速と熱コ ンダクタ ンスとの関係を示す特性図である。 図 2 1 は本 ¾明の各実 施例に係る熱電変換装置と従来の熱電変換装置の熱コ ンダク タ ンス 特性図である。 図 2 2 は従来の熱電変換装置の縦断面図である。 図 2 3 は図 2 2 X - X線上の断面図である。 発明を実施するための最良の形態

従来の熱電変換装置は基体 （基板） の表面に沿って液伏熱移動媒 体を流して、 基体と液状熱移動媒 の間で熱の移動を行っていた。 これに対して本発明は、 基体の面に対して液状熱移動媒体を衝突さ せるもので、 液状熱移動媒体の基体と接す状態が ¾宾に乱流となる から、 熱の移動が効率的になされ、 そのために装置全体と しての熟 交換能力が高められる。

本発明の具体的な実施例を説明する前に、 この熱移動媒体を使用 した熱電変換装置の性能改善に関する本発明者の全般的な知見につ いて説明する。

この種熱電変換装置の性能を向上する方策に、

〔 I 〕 基板の熱抵抗の低減、

〔I I〕 熱移動媒体の流し方の改善、

などが挙げられる。

① . 前者の基板の熱抵抗を下げる有効な手段と して、 従来のアル ミ ナなどによるセラ ミ ッ ク製絶緣基板の代わりに、 熱抵抗の低い例 えばアルマイ ト展を形成したアルミ ニウ ム基板のよ うに絶緣薄膜を 有する金]！基板を使用する方法がある。 具体的にはアルミ 二ゥム基 板の表面に陽極酸化法によってアルマイ ト被膜を形成する方法、 あ るいはアルミ ニゥム基板の表面にアルミ ニゥムを'溶射してその後ァ ルマイ ト ¾に変成する方法などがある。

しかし、 放熱側基板も吸熱厠基板も同じような肉厚のものを使用 すると、 金]!基板はセラ ミ ッ ク基板に較べて熱による膨張、 収縮の 割合がはるかに大きいから、 放熱側基板 -放熱 M電極一 P , N半導 体层 -吸熱側電極 -吸熱側基板の系において熱応力にともなう剪断 応力が增加して、 信頼性の問題を発生する。

② . これを解決するために、 一方の基板 （冽えば吸热厠基扳） ' 通常のように肉厚にしておき、 他方の基板 （^えば放熱測基 は 前記吸熱则基板より も十分に薄く して、 すなわち放熱 L 基板と吸熱 側基板の間で厚みに差を設けるこ とによ り、 その放熱側基板を吸熱 側基板の熱変形に追従できるよ うにして、 前記系内の熱応力の発生 を軽減する こ とができ る。

ところが、 基板が薄く なることで、 P , N半導体層の占有密度 （ 基板総面積に対する P , N半導体層の断面積の総和の比率） が小さ いときには逆に熟抵抗の增加を招く恐れがある。

③. そこで P , N半導体層の占有密度が小さいときには、 基板は 薄いままの状^で電極の面積を相対的に広げ、 有効伝熱面積を維持 するこ とによ り、 熱抵抗の増加を抑制するこ とができ る。

一方、 前記熱移動媒体の流し方については、 熱電変換装置の全体 的なシステムと してみたとき、 例えば媒体を移動させるために必要 な動力の少ない投入電力で高い熱交換能力が得られるよ うに改善す る必要がある。

④. そして高い熱交換能力を得る一手段と して、 構造的に改良し て有効伝熱面積の増加を図るこ とが得策である。

⑤. また高い熱交換能力を得る他の手段と して、 熱伝達係数を高 く することが考えられ、 そのためには媒体を移動させるための投入 電力を一定にした場合、 熱移動媒体の流路内での流動圧損を下げる とともに、 熱移動媒体の流量、 すなわち熱移動量を増す方法が ί尊策 である。 本発明は、 主にこの⑤項の技術に関するものである。

次に本発明の実施の形恝を図とともに説明する。 図 1 は例えば冷 蔵庫、 冷凍庫、 保冷庫などの電子冷却装置と して用いる熱電変換 ¾ 置の斜視図、 図 2 はその熱電変換装置の断面図、 図 3 は図 2 Α - A 線上の断面図、 図 4ならびに図 5 はカバー部材の平面図ならびに断 面図、 図 6 は分散部材の平面図、 図 7 は図 6 B _ B綠上の断面図で ある。

図 1 ならびに図 2 に示すように、 熱電変換装置は被冷却 ίΜに接す る吸熱部材 1 と、 吸熱则基板 2 と、 熱電変換素子群 3 (図 2参照） と、 放熱 M基板 4 (図 2参照） と、 支持枠体 5 と、 カバー部材 6 と 、 分散部材 7 (図 2参照） とから主に構成されている。

前記吸熱部材 1 は、 図示していないが ί列えば容器状をしており、 必要に応じて内側に多数の吸熱フ イ ンとファ ンを付設する こ とがで さ る。

前記吸熱側基板 2ならびに放熱側基板 4は共に例えばア ルミ 二ゥ ムなどの金属板からなり、 熱電変換素子群 3 と接する側の表面に例 えばア ルマイ トなどの電気 $色緣薄膜が形成されている。 陽極酸化法 によってア ルマ イ トの絶緣膜を形成する場合、 その絶緣薄膜に封孔 処理しない方が、 熱電変換素子群 3 との接合性が良好である。 電気 絶縁膜は、 この他に溶射などで形成するこ と も可能である。

図 2 に示すように吸熱側基板 2 と放熱側基板 4は板厚が異なつて おり （本実施の形態の場合は吸熱側基板 2 の板厚 ： 5 m m , 放熱側 基板 4の板厚 ： 0 . 2 m mで、 吸熱側基板 2 >放熱厠基板 4の関係 にある） 、 板厚の薄い方の基板が厚い方の基板の熱収縮 （熱膨張） によ く追従でき、 それにより吸熱側基板 2 -熱電変換素子群 3一放 熱側基板 4間の熱応力の発生を緩和している。

前記熱電変換素子群 3 は、 図示していないが周知のように吸熱側 電極と、 放熱側電極と、 両電極の間に多数配置された P型半導体屠 と N型半導体雇とから構成されており、 P型半導体層と N型半導体 展は構造的ならびに熱的に並列に配置されているか、 電気的には前 記電極を介して直列に接続されている。 この熱電変換素子群 3 は、 1段であっても複数段のカスケ一ド構造であってもよい。

前記支持枠体 5 は合成樹脂で成形され、 放熱厠基板 4を支持する とともに、 基端は前記吸熟側基板 2に取り付けられている。

前記カバー部材 6 は合成樹脂で成形され、 図 5に示すように上部 に垂直方向に延びた袷水管部 8 と排水管部 9 とが一体に設けられ、 給水管部 8の方はカバ一部材 6 のほぼ中央に、 排水管部 9 はカバー 郜材 6 の周緣近く に、 それぞれ配置されている。 カバー部材 6の下 3

半分には下方に向けて開口した周壁 1 0が設けられ、 その内 i則に空 間 1 1 が形成され、 そこに前記分散部材 7 が設置されている。 分散部材 7 も合成樹脂で成形されており、 図 6 に示すよ うに上面 の略中央に円形の凹部 1 2が形成され、 それを取り囲むように壁部

5 1 3が設けられている。 分散部材 7 の外周部でかつその厚さ方向の ほぼ中間位置につば部 1 4が設けられ、 つば部 1 4の四隅に比較的 径大の排出穴 1 5が形成されている。

前記凹部 1 2 の中央部に 1本ならびに外周部に等間隔に 8本の垂 直に貫通した噴射孔 1 6 a 1 6 i が設けられ、 中央部の噴射孔 1

^{1 0} 6 a は他の喰射孔 1 6 b 1 6 i より も若干径大となつている。

図 2 に示すよ うにこの分散部材 7 をカバー部材 6内に挿入して、 分散部材 7 の壁部 1 3 の上面をカバー部材 6 の内面に、 分散部材 7 のつば部 1 4の外周面をカバ一部材 6 の周壁 1 0 の内面に、 それぞ れ接着するこ とにより、 分散部材 Ί がカバー部材 6内で位置決め固

' ⁵ 定される。 そ してカバ一部材 6 の内面と分散部材 7 の上面の間に扁 平状の第 1空間 1 7 力 また周壁 1 0 と壁部 1 3 とつば部 1 4に囲 まれて排水管 9 に連通した四角の枠形の排水路 1 8力く、 それぞれ形 成される。

そしてカバ一部材 6 の周壁 1 0 の下面を放熱側基板 4に接着する ことにより、 分散部材 7 の下面と放熱側基板 4の上面との間に 1 3 m m程度の隙間の狭い扁平状の第 2空間 1 9 と、 その周面に四隅 の排水穴 1 5 に連通した集水路 2 0が形成される。

図 2 に示すように熱移動媒体である水 2 1を中央の給水管部 8か ら供袷すると第 1 空間 1 7で一斉に拡がり、 9個の各噴射孔 1 6 a ^{2 5} 1 6 i から放熱側基板 4の平面に向けて勢いよ く ほぼ垂直方向に 噴射する。 放熱側基板 4に衝突して放熱側基板 4の熱を奪った水 2 1 は隙間の狭い第 2空間 1 9で拡散し、 その周囲の集水路 2 0で集 められ、 近く の排出穴 1 5から排水路 1 8を経て排水管部 9から系 外へ排出される。 排出された水 2 1 は図示しないラ ジェタ ーまたは 自然放冷で冷却され、 循環系統を通って再利用される。

図 8 は第 2実施例を示す図で、 この例では排出管部 9 が力バ ー部 材 6 の周壁 1 0 に設けられ、 集水路 2 0 (図 2参照） で集められた 水 2 1 が排出管部 9から直接排水される。

図 9 は第 3実施例を示す図で、 この例では分散部材 7 の下面に多 数の管体 2 2がー体に設けられ、 その管体 2 2の孔が噴射孔 1 6 と なっており、 また管体 2 2 と管体 2 2の間の隙間が集水路 2 0 とな つている。

図 1 0 は第 4実施例を示す図で、 この例では分散部材 7 の中央部 側から周囲の集水路 2 0側に向けて延びたス リ ッ ト状の噴射孔 1 6 が複数本設けられている。

図 1 1 は第 5実施例を示す図で、 この例では中央部に垂直に垂下 した給水管部 8 を有する上部材 2 5 と、 排水管部 9を有する下部材 2 6 との組み合わせで分散部材 7が構成されている。

そして前記上部材 2 5 と放熱基板 4の間に隙間の狭い扁平状の第 2 空間 1 9が形成され、 上部材 2 5 の中央突出部分と下部材 2 6 の 内周の間に集水路 2 0が形成さ ている。

図 1 2 は第 6実施例を示す図で、 前述の各実施例では噴射孔 1 6 あるいは袷水管部 8が放熱基板 4の面に対してほぼ垂直に配置され ていたが、 この例では噴射孔 1 6あるいは袷水管部 8が放熱基板 4 の面に対して傾斜して設けられており、 この傾斜により水 2 1 の流 れ方向が一定となり、 スム一ズに流れて圧損の低減に寄与している 図 1 3ならびに図 1 4は第 7実施例を示す図で、 この^では放熱 基板 4に対する熱鼋変換素子群 3 の取付け領域 2 7 が放熱基板 4 の 中央部を基準にて四方に分割され、 その取付け領域 2 7 と取付け領 域 2 7 の間に断面形状が山形の屈曲部 3が形成されている。 この 屈曲部 2 8 は図に示すように リ ブ状に連続していても、 断続的なも のでもよ く 、 また屈曲部 2 8 は ¾電変換素子群 3剮に向けて突出し ても、 反対に熟電変換素子群 3 とは反対側に向けて突出してもよい 。 なお、 本実施^では屈曲部 2 8 を十字伏に形成したが、 この屈曲 115 2 8を多数形成するこ とも可能である。

図 1 5 は第 8実施咧を示す図で、 この例では放熱厠基板 4 の熱"！ ⁵ 変換素子群 3 の取付け面とは反対側の面に、 冽えば金網、 エキスバ ンデフ ト メ タル、 ノ、 ·ンチ ングメ タルなどの開口率が大き く て薄い多 孔性熱伝導体 2 9がスポつ ト ;^; 接などにより取付けられている。 前記第 7実施例ならびに第 8寞施例のように、 放熟側基板 4に屈 曲部 2 8を形成したり、 あるいは多孔性熱伝導体 2 9を取りつける '。 こ とによ り、 放熱側基板 4の表面近傍における水 2 1 の流れが乱流 となり、 そのため放熱側基板 4に対する水 2 1 の熱吸収効率が高く なる。

なお、 前記屈曲部 2 8 ならびに多孔性熱伝導体 2 9 は、 放熟基板 4の周辺のシール部分までは延びていない。

1 ⁵ 図 1 6ならびに図 1 7 は第 9実施咧を示す図で、 図 1 6 は熱電変 換装置の断面図、 図 1 7 は分散部材の底面図である。 前記支待枠体 5 は放熱側基板 4を支持すると と もに、 基端は吸熱 M基板 2 にビン 3 0 によ り位置決めされ、 接着剤 3 1 で固着されている。

カバー部材 6 には下方に向けて開口した周壁 1 0が設けられ、 そ 0 の内側に分散部材 Ίが設置され、 周壁 1 0 の下端は〇 リ ング 3 2を ふク rして放熱刨基板 4の周辺と液密に接着されている

分散部材 7 の底面部 3 3 には噴射孔 3 4を有する噴射ノ ズル , 3 5 が多数等間隔に下方を向いて突出し、 各噴射ノ ズル 3 5 の周囲には 逃げ用 03部 0が形成され、 この逃げ用凹部 4 0 は互いに連通して 排出路 1 8 に繋がっている。 なお、 図 1 7ては図面が 35雑になるた め、 噴射孔 3 4 , 噴射ノ ズル 3 5 の大部分を省略している。

分散部材 7をカバー部材 6内に装着する こ とによ り、 カバ一部 材 6 と分散部材 7 の間に扁平状の第 1 空間 1 7力 分散部材 7 と放 熱側基板 4 の間に扁平状の第 2空間 1 9力 <、 また分 ¾部材 7 の外側 には排水路 1 8 力 それぞれ形成される。 また噴射ノ ズル 3 5の下 端は放熱側基板 4の表面近く まで延びており、 噴射ノ ズル 3 5 と放 熱側基板 4 の隙間は約 1 〜 3 m m程度である。

熱移動媒体である水 2 1 を中央の袷水管部 8から洪袷すると第 1 ⁵ 空間 1 7で一斉に拡がり、 各噴射ノ ズル 3 5から放熱 L 基板 4 の平 面に向けて勢いよ く ほば垂直方向に噴射する。 放熱制基板 4に衝突 して放熱側基板 4の熱を奪った水 2 1 は、 その衝突の反発力により 直ちに逃げ用凹部 4 0側に移行して放熱側基板 4 の表面から離れ、 また次の新しい低温の水 2 1 が放熱側基板 4 と衝突するという動作 '。 が連続して り返される。 熱を奪った水 2 1 は逃げ用凹部 4 0を通 つて集水路 2 0 て集められ、 排水管部 9から系外へ排出され、 冷却 後に再利用される。

なお図中の 3 6 は支持枠体 5 に一体に設けられた補強リ ブ、 3 7 は断熱展、 3 8 は吸熱側基板 2 と熱電変換素子群 3 の間に介在され ^{1 5} た熱伝導率が大き く しかも弾性を有する例えばフ ィ ラーを混入した シ リ コー ン樹脂などからなる薄膜である。

図 1 8ならびに図 1 9 は第 1 0実施例を示す図で、 図 1 8 は熱電 変換装置の断面図、 図 1 9 は放熱 M基板 4の平面図である。 この宾 施例で前記第 9実施咧と相違する点は、 図 1 8に示されているよう

Z 0 に放熱側基板 4の表面に多数の Π3凸部 3 9を一体に形成し、 分散節 材 7 の噴射ノ ズル 3 5が各凹凸部 3 9 と対向している点である。 な お、 図 1 9では図面が繁雑になるため、 凹凸部 3 9 ならびにそれと 対向する噴射ノ ズル 3 5 の大部分を省略している。

この実施例に係る凹凸部 3 9 は個別に独立した囬部を多数有して いるが、 多数の溝状の凹部を設け、 1つの溝溝状 ΕΠ部に対して複数 の噴射ノ ズル 3 5の先端部を挿入させるこ ともできる。 いずれにし てもノ ズル 3 5から噴射された水 2 1 はこの凹凸部 3 9 に衝突して 砕かれながら、 放熱側基板 4の熱を効果的に奪い取るこ とができ る 図 1 6に示すよ うに表面が平坦な吸熱側基板 4を使用した熟 I変 換装蘆 （点線） と、 図 1 8に示すように表面に多数の凹凸部 3 9を 有する吸热则基板 4を使用した熱電変換装置 （宾線） との、 水 2 1 の流速と熱コ ンダクタ ンスとの閤係を図 2 0に示す。

5 なお両装置の噴射孔 3 4の孔搔は 1. 2 mm、 孔の数は 2 4個、 噴射ノ ズル 3 5と吸熱側基板 4の隙間は 2 m mとした。 また熟コ ン ダクタ ンス h Aは、 下式によって求めた。

A = Q/ {T j - (T i n + T o u t ) / 2 } 〔W /て〕 ただし Q： 発熱量 （投入電気量）

1⁰ T j ： 基板温度

T i n :水入口温度

T o u t :水出口温度

この図から明らかなように、 両装置とも吸熱側基板 4に衝突せし める水 2 1の流速を上げれば熱コ ンダクタ ンスは高く なるが、 特に ¹⁵ 表面に多数の CD凸部 3 9を有する吸熱側基板 4を使用した熱電変換 装置 （実線） の方が高い熱コ ンダク タ ンスを有し、 性能的に gれて いることが分かる。

前記実施例ては熱移動媒体と して水を使用したが、 本発明はこれ に限られるものではなく、 水以外に例えば不凍液など他の液体を使 ²⁰ 用することもでき る。

前記実施例では金属製の基板を使用したが、 本癸明はこれに限ら れるものではな く、 例えばアルミ ナなどのセラ ミ ッ クゃ窒化アルミ ニゥムなどを使用することもできる。

前記実施例では放熱側基体に熱移動媒体を接触させる場合につい

Z 5

て説明したが、 前述の寞施例に基づいて吸熱 ffl基体に熱移動媒体を 接触させることも可能である。

前記実施例では電子冷却装置の場合について説明したが、 '本発明 は熟発電装置にも適用可能てある。

図 2 1は熱コ ンダクタ ンス特性図で、 同図の横軸に給水ボ ンブへ の一定量の投入電力で熱電変換装置に流れる水の流量 （圧力損失 Δ P X流速 G w ) を、 縦軸に熱コ ンダクタ ンスを、 それぞれとってい る。 図中の曲線 Aは図 2に示す本発明の寞施例の熱電変換装置、 曲 線 Bは図 1 1 に示す本 ¾明の実施 ί列の熱電変換装置、 曲線 Cは図 1

⁵ 6 に示す本発明の実施例の熱電変換装置、 曲線 Dは図 1 8 に示す本 発明の実施例の熱電変換装置、 ©線Eは図 2 2、 図 2 3 に示す従来 の熱電変換装置の特性である。

従来の熱電変換装置は図 2 3に示すように供袷管 1 0 7から排出 管 1 0 8にかけての水 1 0 5 の流路が狭く、 しかも複数回蛇行して

^{1 0} 距離が县いこ とから、 水 1 0 5 の圧損が大きい、 また水 1 0 5が放 熱側絶緣基板 1 0 1 の表面と平行になってほほ' )！流状^で流れるた め、 放熱側絶緣基板 1 0 1 から水 1 0 5 への熱伝達が余り良く ない こ とから、 曲線 Εに示すよ うに熱コ ンダクタ ンスがもっとも小さい

^{1 5} これに較べて本発明の各実施例のもの （曲線 A〜D ) は、 放熱側 基板 4の伝熱面に対して水 2 1 を衝突するように供,袷して放熱厠基 板 4から熱を奪い取るようになつており、 しかも水 2 1 の流路县が 従来のものに比較して短く、 圧損が小さいこ とから、 熱コ ンダクタ ンスが大き く、 優れた熱コ ンダクタ ンス特性を有している。

Z 0 産業上の利用可能性

本発明は前述したように、 基体の面に対して液伏熱移動媒体を衝 突させるもので、 液状熱移動媒体の基体と接する状《が確実に乱流 となっているため、 熱の移動が効率的になされ、 その結果、 装置全 体としての熱交換能力が高められ、 性能的に優れている。

請求項 2記載のように、 基体として電気絶緣薄膜を有する金属基 体を使用すると、 アルミ ナなどの基体に較べて熱抵抗が極端に少な いから、 さ らに熱交換能力が高められる。

請求項 3記載のよ う に、 供袷手段の基体と対向する厠にその基体 のほぼ全面に臨む空間が形成されて、 基体の面に衝突した液状熱移 動媒体がこの空間で拡散されるようにすれば、 液状熱移動媒体が基 体の表面近 f旁において広い領域にわたって素早く 拡散するため、 圧 損が少な く なり、 さ らに熱交換能力が高められる。

請求項 4記載のよ うに、 供袷手段の熱移動媒体衝突袋路上に、 上 流側から下流 Wに向けて扁平状の第 1 空間と、 複数の噴射孔と、 前 記基体のほぼ全面に臨む扁平状の第 2空間とが連通するように設け られ、 前記第 1 空間に流入した液状熱移動媒体が各噴射孔から分散 した状怒で基体の面に向けて噴射され、 基体面に衝突した液状熱移 動媒体が第 2空間で拡散されるよう に構成すれば、 熱移動媒体の基 体までの距離を従来のものに比較して短く、 しかも圧損を低く おさ えるこ とができ るから、 さ らに熱交換能力が高められるなどの利点 を有している。

請求項 5記載のように、 液状熱移動媒体が基体の表面に対してほ ほ'垂直に衝突するように構成されておれば、 熱移動媒体による熱の 輪送が効率的に行なわれる。

請求項 6記載のように、 基体の半導体餍支持面と反対側の面の付 近まで延びる噴射ノ ズルが供給手段に多数設けられておれば、 さ ら に熱移動媒体による熱の輸送が効率的に行なわれる。

請求項 7、 8記載のように、 基体の半導体展支持面と反対側の面 に液状熱移動媒体が衝突する凹凸部が形成されておれば、 図 2 4の 結果から明らかなように高い熱コ ンダクタ ンスを有し、 性能的にさ らに優れた熱電変換装置を提供するこ とができる。

請求項 9、 1 0記載のように、 液状熱移動媒体を基体に対して噴 射せしめる分散部材の各噴射孔の近傍に逃げ用凹部を形成するこ と により、 使用済の熱移動媒体を基体表面からいち早く逃がすことが できるため、 熱の移動が効率的になされ、 その結果、 装置全体とし ての熱交換能力が高められ、 性能的に優れている。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . N型半導体尾ならびに P型半導 ί本屠を支持する基 ί本の半導体層 支待面と反対側の面に対して液状熱移動媒体を衝突するよ うに、 前 記液状熟移動媒体を前記半導体層支持面に噴射する供袷手段を設け たこ とを特徵とする熱電変換装置。

2 . 請求項 1 記載において、 前記基体が半導体層支持面に電気絶緣 薄膜を有する金属基体であるこ とを特徴とする熱電変換装置。

3 - 請求項 1 記載において、 前記供給手段の前記基体と対向する则 にその基体のほぼ全面に臨む空間が形成されて、 基体の面に衝突し た前記液状熱移動媒体がこの空間で拡散されることを特徵とする熱 電変換装置。

4 . 請求項 1記載において、 前記供給手段の熱移動媒体衝突経路上 に、 上流側から下流脚に向けて扁平状の第 1 空間と、 複数の噴射孔 と、 前記基体のほぼ全面に臨む扁平状の第 2空間とが連通するよう に設けられ、

前記第 1 空間に流入した液状熱移動媒体が各噴射孔から分散した 状^で基体の面に向けて噴射され、 基体面に衝突した液状熱移動媒 体が第 2空間で拡散されるこ とを特徴とする熱電変換装置。

5 . 請求項 1記載において、 前記液状熱移動媒沐が前記基体の表面 に対してほぼ垂直に衝突するように構成されていることを特徴とす る熱電変換装置。

6 . 請求項 1 記載において、 前記基体の半導体展支持面と反対側の 面の付近まで延びる噴射ノ ズルが前記供袷手段に多数設けられてい ることを特徴とする熱電変換装置。

7 . 請求項 1 記載において、 前記基体の半導体層支持面と反対側の 面に液状熟移動媒体が衝突する凹凸部が形成されているこ とを特徴 とする熟電変換装置。

8 . 請求項 7記載において、 前記凹凸部が前記供給手段の噴射孔に 対向して形成されているこ とを特徴とする熱電変換装置。

9 . N型半導沐 ¾ならびに P型半導 (本層を支待する基体と、 その基 体の半導体 II支持面と反対側の面に対して液状熱移動媒体を噴射す る噴射孔を形成した噴射ノ ズルを多数設けた分散部材とを所定の隙 間を介して対向し、

その分散部材の噴射ノ ズルの近傍に、 前記基体の半導 i* Jl支待面 と反対側の面に噴射した液状熱移動媒体を前記反対側の面から逃が すための逃げ用凹部を設けたことを特徴とする熟電変換装置。

1 0 . 請求項 9記載において、 前記基 ί本の半導体層支持面と反対側 の面に多数の凹凸を形成したことを特徴とする熱電変換装置。