JPH02303076A - 熱電装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はベルチェ効果を利用し　電気的に冷房もしくは
暖房を行う空調装置　もしくはゼーベック効果により温
度差を用いて発電を行う発電装置に用いる熱電装置の改
良及びその制御方法に関すも 従来の技術 従来　熱を電気に変換し　もしくは電気を熱に変換する
熱電装置（友　第４図に示す採番−基板７上において、
金属板１及び金属板２によってＰ型下導体４もしくはＮ
型の半導体３を挟み込んだ素子を電気的に直列もしくは
並列に結合することによって構成し　両側の金属板１、
２の温度差により発電を行−入　もしくは電圧を与え電
流を通することにより冷紙　加熱を行うものである。な
叙５、６ｈ金属板１、２のそれぞれの端子であも発明が
解決しようとする課題 一般に熱電素子では、　その効率はある電流値に対して
極大値を持つ。このような熱電素子を複数個電気的に接
合して冷却出力もしくは加熱出力を得ようとするとき、
負荷が一定の場合は問題がない力（負荷が変動する場合
には電流量を変化させて出力を変える必要があるたべ　
効率が最大となる電流値を常に維持することは困難であ
も　つまり、素子効率を最大値に維持したまま、複数の
熱電素子によって構成される熱電装置を動作させようと
すると、負荷にあわせて素子数を変化させる必要がある
が、　第４図に示すような熱電装置ではそれが不可能で
あっ旭　つまり、従来の熱電装置で１よ　このような理
由から公称効率に対して実際の使用時の効率が非常に低
いという問題があっ九また　このような従来の熱電装置
でζ友　第４図にみられるようへ　半導体３、４を金属
板１または２に電気的かつ熱的に接合させ、セラミック
等の基板７に張り付けて保持され　半導体３、４と金属
板ｌ、　２間の接合は一般に半田を用いて行われていも
　しかしなが収　大面積で一定の出力を持つ熱電装置を
構成しようとすると、金属板ｌ、２を長くする必要があ
り、重量が増加すると共く基板７の反り等の理由から半
田と半導体３、４がはずれ易くなり、信頼性が低くなる
という問題があっ九 その上　高温雰囲気と低温雰囲気が、　金属板１と２、
比較的薄い空気恩　および基板７を挟んで接しているの
で漏れ熱量が大きく、効率を悪化させるという問題もあ
っ九 また　このような構成において伝熱面積を増加させるた
めに（よ　新たに基板７但ｔ　もしくはその反対側番へ
　放熱フィンを接合する必要があるが、接合面が限られ
ている為フィン効率が悪化するばかりでなく、接触抵抗
による効率の低下が生じるという問題もありへ 本発明１よ　ごれらの従来技術の問題点に鑑へ各々の熱
電素子を流れる電流値を、効率が最大の値に近い値に維
持できる一定値に保ったまま、負荷変動に対して、素子
数を増減させ、常に高い効率を維持できる熱電装風　及
びその制御方法を提供することを目的とし　また高温雰
囲気から低温雰囲気への漏れ熱量が少なく、大面積熱電
装置を構成することが容易な熱電装置及びその制御方法
を提供することを目的とするものであム課題を解決する
ための手段 本発明による熱電装置は上記の課題を解決するために　
複数の熱電素子からなる熱電素子群を電気的に並列に接
合すると共に負荷に応じて、各熱電素子群へ流れる電流
を制御できる構成としたことを特徴とすも また　電流制御をオンオフ制御として、熱電素子群の数
を変化させるとともに　電流が流れる熱電素子群には常
にそれを構成する各熱電素子の効率が最大値となるよう
に電流値を保つことを特徴とすも また　それらの制御のための電気回路もしくは半導体を
、基板上に予めパターニングされた電極配線上に設（す
、かつ熱電素子群をコルゲート状に構成し　基板の電極
パターン上にある貫通孔へ挿入するという手段も用いも 作　　　用 上記構成の熱電装置及びその制御方法によって得られる
作用は次の通りである。

１、負荷に応じて各熱電素子群に対して流す電流を制御
することにより従来と比べ著しく性能が良くなム　とく
に各熱電素子の効率が最大となるように電流を流し　熱
電素子の数を変化させて負荷への対応を図ることにより
、常に最大効率近くの性能が得られる。

２、基板上に電極パターンを作成し　熱電素子群をその
電極パターン上に接合しているために大面積で低負荷の
場合や小面積で高負荷の場合にも製作が容易であり、形
状や負荷に対する自由度が高３、コルゲート状の熱電素
子群を基板を貫通した孔に挿入して支えることにより、
大面積化が容易であり、かつ軽く構成でき、さらに基板
を断熱壁し　低温側雰囲気と高温側雰囲気を分離するこ
とにより、高温側から低温側への熱の漏れを少なくでき
も ４、熱電素子群を設置する基板上に整流同区　電流制御
のための半導体もしくは回路を設けることにより非常に
コンパクトにできも ５、整流同区　電流制御回路等を熱電素子群によって加
熱される側に設置する、ことにより、これら電気回路に
より発生するジュール熱による暖房効率や冷房効率の低
下が少なくできも 実施例 以下、本発明の実施例を図面により説明すも第１図は本
発明の一実施例における熱電装置の制御回路の概略構成
を示したものである。

第１図において、最少１個の熱電素子からなる複数の熱
電素子群８ζよ　電気的に並列に接合され整流回路９に
より直流化された電流が流れも　各熱電素子群８へは各
熱電素子群８が最大効率となる一定の電流を流し　かつ
それぞれの熱電素子群８に通する電極配線上にスイッチ
ング回路ｌＯ１がそれぞれ設けられており、制御回路１
１からの制御信号により各熱電素子群８に流れる電流の
制御をそれぞれ行なう。

この制御回路１１は動作する熱電素子群８からの熱電出
力と、加熱もしくは冷却すべき負荷とが均衡を保つよう
に制御を行う。つまり負荷が熱電出力より大きい時には
動作する熱電素子群８の数を増加させ、負荷が熱電出力
より小さいときには動作する熱電素子群８の数を減少さ
せも　このスイッチング回路１０は単なるリレーでもよ
い力（薄膜で形成したトランジスターでもよ（℃この様
な構成と制御方法によって、従来と異なり、個々の熱電
素子群８もしくは熱電素子数を負荷に合わせて増減させ
ることができるた八　各熱電素子に流す電流値を変化さ
せることなく、各熱電素子の効率が最大となる一定値に
設定したままで、出力を制御できる。そのため負荷に対
して効率は常に最大値を維持することができ、非常にラ
ンニングコストの低い冷却もしくは加熱のできる熱電装
置を得ることができるのであム 第２図ζ上　本発明の他の実施例における熱電装置の正
面図であム 本実施例において、断熱材でつくられた基板１２の上に
は銅膜によって電極配線１３が形成されていも　外部の
電源を接続する両電極端子１７．１７間の電極配線１３
上には３個１組の熱電素子群１４が２１１．　２個のス
イッチング回路１５、および１個の整流回路１６が電気
的に接続されていも　つまり電極端子１７から加えられ
る交番電流は整流回路１６によって整流されて直流に変
換されも　この直流電流については　どちらか一方のス
イッチング回路１５が外部からの信号でオンまたはオフ
の制御がなされる。スイッチング回路１５がオンの場合
に（よ　電流は熱電素子群１４へ流れ込み基板１２の表
裏にて加肱　及び冷却を行なう。このスイッチング回路
１５は本実施例ではＴＰＴを用ｔ＼　外部からの信号に
て制御を行っている。また本実施例では３個の熱電素子
群１４を直列に接続した１組のものに対して１個のスイ
ッチング回路１５を設けている力（これは第１図に示し
た例のよう鳳　各熱電装置群１４とスイッチング回路を
１対として設けてもよ（−つまり、本実施例では、　両
電極端子１７、１７間で２つの並列の熱電回路を構成し
　それぞれの熱電回路に１つのスイッチング回路１５を
接続しているが、　熱電素子群１４の数については自由
に設定してもよ（〜また整流回路１６については基板１
２上に設けてもよいし設けなくともよ− 第３図は前記熱電素子群１４をより詳細に示したもので
あも　つまりこの熱電素子群１４は銅板１８の間にＮ型
半導体１９とＰ型半導体２０を挟み込んで作られており
、コルゲート状をなしていも　この熱電素子群１４は基
板１２上にメッキされた銅の電極配線１３と半田付され
ていも　この熱電素子群１４へ流す電流によって半導体
１９または２０と銅板１８の界面の一方で発熱し　一方
で吸熱すも　また本実施例では電極配線１３側で発熱が
生じるように構成しているのて　電極配線１３、スイッ
チング回路１５、整流回路１６から放熱されるジュール
熱は高温側へ放出され　加熱効率もしくは冷却効率を向
上させも　またこの熱電素子群１４には遮熱板２１を設
置す、熱電素子群１４の保操　および高温側から低温側
への熱の漏れを低減していも 本実施例で（よ　基板１２を断熱壁として構成しかつ銅
板を用いた薄い熱電素子群１４を用いているので、非常
に軽く、かつ断熱性に優れた熱電装置とすることができ
へ　まな電極配線１３を予め基板１２上にメッキして製
作し　熱電素子群１４を別に製作して半田接合する方法
を用いるので、容易に製作でき、かつ大面積　大出力の
熱電装置を構成することができも また冷却側と発熱側の放熱量に応じて、銅板１８の長さ
を変化させれば　経済法　効率面からみて最適な放熱状
態が実現できも もちろん本発明によるこの構成を有する熱電素子はゼー
ベック効果によって熱源の熱を電気に変換する際にも使
用が可能であり、その場合にも同様な効果を生じること
はいうまでもな（℃　ただその際には整流同区　スイッ
チング同区　電極配線等１友　低温雰囲気側に設けも 発明の詳細 な説明したよう番ζ　本発明による熱電装置（友１個も
しくは複数個の熱電素子群に通する電極配線上に電流制
御回路を設けて、負荷に応じて動作する熱電素子の個数
を変化させ、動作する熱電素子に４よ　その最大効率を
生じるように電流を流すことができるものであり、また
熱電素子はコルゲート状とし　予め電気配線された基板
上に設置し且つその配線上にスイッチング回路等を設け
ることにより、以下のような効果を奏すも １、各熱電素子を最大効率に保ったままその個数を制御
して、負荷に対応するものであるのて　負荷に係わらず
最大効率に近い効率を得ることができも ２、非常に大面積の熱電装置を簡単な工程で安価に量産
できも ３、伝熱面積が広く取れるため外部負荷との間の温度差
が小さくなり放熱効率が向上すも４、高温側と低温側を
断熱壁によって分離し　かつジュール熱を発生する電気
回路を高温側に設置しているのて　総合的な冷却もしく
は加熱性能が向上すも つまり、本発明を実施すること弘　非常に強固で軽重　
かつ経済性に富へ　しかも冷却もしくは加熱硅能の高い
大面積の熱電装置を実現することができるものであａ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における熱電装置の制御回路
は　第２図は本発明の他の実施例における熱電装置の正
面医　第３図は第２図の熱電装置群の詳細斜視は　第４
図は従来の熱電装置の斜視図であも ａ、　　１４．、、熱電素子法Ｑ、　　１６．、、整流
回路１代１５、　、　、スイッチング同区　１１．、、
制御回！　　１２０．、基板、１３．、、重金配線　１
８．、、銅板　１代　２０．　、　、半導俟代理人の氏
名　弁理士　粟野重孝　はか１名第　１　図 第２図 １７８碇蝶迂

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体を金属によって挟み込んだ構成を有する複
   数個の熱電素子を、互いに電気的に接合された複数の熱
   電素子群に分割し、前記各熱電素子群を電気的に並列に
   接合すると共に前記各熱電素子群に流す電流を制御する
   手段を設けたことを特徴とする熱電装置。
2. （２）各熱電素子群は、同一個数の熱電素子が電気的に
   直列に接合されている請求項１記載の熱電装置。
3. （３）基板上に複数の熱電素子群と各熱電素子群に流す
   電液を制御する半導体素子を配置し、前記熱電素子群及
   び前記半導体素子を前記基板上に予めパターニングされ
   た金属電極によって接合した請求項１記載の熱電装置。
4. （４）熱電素子群が、湾曲した金属板とＰ型及びＮ型の
   半導体とからなるコルゲート状の構成を有し、この熱電
   素子群を基板を貫通した孔に挿入してなる請求項３記載
   の熱電装置。
5. （５）複数の熱電素子によって構成された複数の熱電素
   子群に流す電流の制御をオン、オフ制御とし、負荷の大
   小に応じて電流を流す前記熱電素子群の数を変化させる
   ことを特徴とする熱電装置の制御方法。
6. （６）熱電素子群を構成する熱電素子へ流す電流値が、
   前記熱電素子の効率をほぼ最大にする一定値である請求
   項５記載の熱電装置の制御方法。
7. （７）交流を直流に変換する電気回路と、複数の熱電素
   子によって構成された複数の熱電素子群に流れる電流の
   制御を行う半導体もしくは電気回路とを、前記熱電素子
   群が設置された基板面上に配設したことを特徴とする熱
   電装置。
8. （８）交流を直流に変換する電気回路と、熱電素子群へ
   通する電流を制御する半導体もしくは電気回路とを、熱
   電素子群により加熱される側の基板面上に配設した請求
   項７記載の熱電装置。