JPH08288558A - 熱電変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電変換器を構成する部品点数の削減が図ら
れ組付け性が向上した、例えば電子冷凍装置等に使用さ
れる熱電変換器を提供すること。 【構成】 Ｎ型半導体の熱電素子(14)とＰ型半導体の熱
電素子(15)とが交互にかつ直列的に配設されて成る熱電
素子群と、互いに隣接しこれら熱電素子(14,15)を、直
列的に配設された電極板(16,17) を有し、その端部に有
する熱交換用のプレート(11,12、 21,22、 31,32) とを
複数組備え、更にこの熱電素子(14)およびもう１つの熱
電素子(15)の接合され相対向して配設される複数組の熱
交換用プレート(11,12,,,)の間には、熱伝導手段として
の１枚のコルゲートフィン(41)がその熱電素子の配列方
向に架け渡されて延在し、電気的に絶縁接合されて３つ
の熱交換器(10,20,30)から成るユニットが多数個積層さ
れた構成の熱電変換器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の半導体によって
成る熱電変換素子を用いた電子冷凍装置等を構成する熱
電変換器に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、電子冷凍装置等を構成する熱電変換
器は、Ｎ型半導体またはＰ型半導体によって構成される
熱電変換素子が採用されている。例えば、既に出願され
公開されている特開平５−６３２４４号公報にはこのよ
うな従来の熱電変換装置の基本的構成が詳しく示されて
いる。

【０００３】従来技術としては熱交換器として使用され
る一例として、例えば電子冷凍器があげられる。しかし
この従来のような構造では、素子の一個一個に対して熱
交換器が各々１つずつ必要であるという理由により、装
置全体の大能力化を行う為にそれらの素子数を増加させ
る必要が生じ、それに伴い必要な部品点数も増加し、そ
の結果として装置自体の組付け性を著しく悪化させてし
まう。また、素子数を増やすとそれを構成するユニット
の積層方向に装置の体格が極めて大きくなってしまうと
いう不具合があった。

【０００４】よって、複数の熱電変換器の小型化および
効率化に伴って、装置自体の組付け作業工程およびその
所要時間の軽減を望む傾向にある。その為には、所期の
熱交換効率等の基本性能を損なわずに熱電変換器の構成
部品数を少なくしたいという要望があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、以上
のような従来の熱電変換器に鑑み成されたものであり、
本発明の目的は、熱電変換器を構成する部品点数の削
減、および部品の形状の改良によって組付け性の向上が
図られた、例えば、電子冷凍装置等に使用されるような
熱電変換器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し目的
を達成するために、本発明では次のような手段を講じて
いる。すなわち、本発明の熱電変換器にあっては、大能
力化に伴う部品点数の増加に対し、複数個の電子冷凍器
を並列配置した状態に着目して、複数の熱交換器に対し
て１枚のコルゲートフィンを渡す構造を採用したもので
ある。例えば、３つの熱交換器に対して１枚のコルゲー
トフィンを熱交換用のプレート間に架け渡して共通化す
る。

【０００７】具体的には、複数の電子冷凍器を縦列に配
設させ、異なる複数種類の熱電素子が交互にかつ直列的
に配設されて成る熱電素子群と、互いに隣接し前記熱電
素子を、直列的に配設された電極板をその端部に有する
熱交換手段とを設け、前記熱電素子の接合される相対向
して配設された複数組の前記熱交換手段の間には、１枚
のコルゲートフィンが前記熱電素子の配列方向に渡って
延在させ、しかも絶縁性接着剤によって電気的に絶縁接
合されて熱交換ユニットを構成する。

【０００８】また、前記熱交換ユニットを前記電極を介
し複数組を電気的に直列に接続して電子冷凍装置として
構成する。更に、熱交換ユニットの熱電素子と熱交換プ
レートとの隙間には断熱手段となる真空断熱材を挿入し
充填する。

【０００９】

【作用】このような手段を講じたことで構成された本発
明の熱電変換器は、次のような作用を奏する。すなわ
ち、２種類の半導体的機能を有する複数の熱電素子を交
互にかつ直列的に配設して熱電素子群を構成し、熱交換
手段として互いに対向かう２枚から成る熱交換用のプレ
ートは２つの前記熱電素子に挟まれ、しかも組を成す前
記熱交換手段の間には前記熱電素子群の配列方向に１枚
で成る複数組のプレート間を渡って延在するコルゲート
フィンが介在されているため、例えば３組のプレートを
有する１つの熱交換ユニットで共通な連続する１枚のコ
ルゲートフィンを共用できる。

【００１０】その結果、従来の熱交換器の各熱交換ユニ
ットそれぞれに必ず１つずつ必要だったコルゲートフィ
ンの総数が、この共用できる構成によってこの場合従来
の１／３に減少する。よって、組立作業行程もその分削
減される。

【００１１】また、熱電変換器として組み立てる際に
は、プレートの上方平面を垂直に平板化したので、コル
ゲートフィンの上方からの挿入が容易になり、よって組
付け性を著しく向上させる。

【００１２】また、この構造によれば、隣接するプレー
ト間の渡し部分に相当するコルゲートフィン分だけ表面
積が従来構造に比べて増加し、その結果、その分だけ熱
伝達性能が向上する。

【００１３】更に、同一ユニットにおいて共通一体なコ
ルゲートフィンか存在していることから、ユニットとし
ての体格強度も向上する。また、真空断熱部材は熱交換
手段と熱電素子群との間隙を充填すると共に、熱伝導を
防止して熱効率を向上させる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の熱電変換器に関する実施例
について図１〜図３を参照しながら説明する。 （第１実施例）図１の斜視図には、本実施例に係わる熱
電変換器１００の要部の構成が組立図的に示されてい
る。

【００１５】図示のように、平板をほぼ直角に屈曲させ
その一方の端部をさらに直角に曲げることで段差のある
平行な二面を有する形状のプレート１１と１２を用意す
る。これらのプレート１１，１２は２枚で１組を成し対
称形である。また、各プレートの端部にはそれぞれ電極
板１６，１７を有し、これらの電極板１６，１７は、例
えばＮ型熱電素子１４およびＰ型熱電素子１５の２種類
の熱電素子に挟まれている。同様にプレート２１と２
２、およびプレート３１と３２も、図示しない熱電素子
によってその電極板近傍を挟まれ、これら同形状の３枚
のプレートが配列された方向に熱電素子群として配置さ
れている。

【００１６】つまり、これらの異なる２種類の熱電素子
は、上述のプレートの電極板１６，１７を挟持する方向
と直角な方向に交互に配列された熱電素子群を形成して
いる。

【００１７】また、この熱電素子群の並ぶ方向には、鋭
角に多重に折り曲げられて成る１枚の折曲げ板としての
コルゲートフィン４１が、これら対向する１組のプレー
ト１１，１２の間に挟時される構造で１組の熱交換器１
０を構成している。このコルゲートフィン４１は熱伝導
性の高い例えば銅板を波型に折曲げて全体を成し、その
表面には熱交換効率の向上の為に無数のルーバが所定の
パターンで形成されている。

【００１８】同様にして、プレート２１と２２およびプ
レート３１と３２の各組も、図示のように配列され熱交
換器２０，３０を構成している。つまり、これら熱交換
器１０，２０，３０の対向するそれぞれの２枚のプレー
トの間には、１枚から成るコルゲートフィン４１がこれ
ら３組共通に架け渡されていることが図１からもわか
る。

【００１９】このような構造は、いわゆる「直列積層構
造」の一種であり吸熱熱交換器１０１が構成されてい
る。また、本発明の熱電変換器１００の全体としては、
上述の吸熱熱交換器１０１と同様な構造の放熱熱交換器
１０２（不図示）が、熱電素子群を境界として反対側に
構成されている。（但し、本発明の全体図は、後述の図
３に類似する基本構造である。） 本実施例は、熱電変換器１００の大能力化に伴う部品点
数の増加に対して、部品設計の初めから例えば複数個の
熱電変換器１００としての電子冷凍器( 不図示) を、並
列に配置した状態の場合の特徴に着目して、この熱電変
換器１００複数の各熱交換器１０，２０，３０に対して
１枚のコルゲートフィン４１を架け渡す構造を採用した
点に構造的な特徴がある。

【００２０】具体的には、複数の電子冷凍器を縦列に配
設させ、各熱交換器１０，２０および３０をそれぞれに
構成するプレート部１１，１２と、２１，２２と、３
１，３２の上部をその上方に向かって垂直かつ直線的平
行に組み込むと、これらのプレート部１１，１２と、２
１，２２と、３１，３２は個々に熱交換器１０，２０，
３０を形成する。

【００２１】またこれらの熱交換器１０，２０，３０
を、各熱交換器間は電気的に絶縁されている必要がある
ことから、電気的絶縁効果のある熱伝導性の高い絶縁性
接着剤１３，２３，３３を、プレート１１，１２，２
１，２２，３１，３２の各々の内側に塗布した後、この
１枚のコルゲートフィン４１をこれらの形成する間隙に
渡して相互に接着させる。

【００２２】本実施例の効果としては、次のような効果
がある。すなわち、熱電素子１４の接合される相対した
複数個の熱交換用のプレート１１，１２間と、２１，２
２間と、３１，３２間に、共通な１枚のコルゲートフィ
ン４１を電気的に絶縁接合して、熱電交換ユニット１
０，２０，３０を構成するような構造によれば、これら
プレート１１，１２，２１，２２，３１，３２の特徴的
形状として、熱電素子１４に対向し隣接する電極板を成
す端部とは反対側の端部は、熱電変換器１００の本体と
して設置されると図１における上方に向かって垂直に立
設され、そのプレート面は平面である故に、配列された
複数組のプレートが組み付けられた後であっても、コル
ゲートフィン４１を上方から降下させることで、このフ
ィンの組み込まれるべき所定の間隙に容易に挿間し収納
することが可能である。その結果、これらの構成部品、
特に熱伝導手段としてのコルゲートフィンの形状的のこ
の改良により、熱電変換器１００の本体としての組付け
性において、その制作工程順序の柔軟性と共にその組立
工法の自由度をも提供できる。

【００２３】（第２実施例）図２には、前述の図１中の
熱電変換器１００の全体像が斜視図で示されている。図
示の熱電変換器１００は、例えば電子冷凍器を構成する
本発明の熱交換器１０，２０，３０から成る各ユニット
を多数組積層してほぼ立方体を成している。

【００２４】この構造の特徴は、従来構造であった電子
冷凍器を３列に縦列配置した構造に代わって、３つの熱
交換器１０，２０，３０を一体に構成しているところに
在る。これら熱交換器１０，２０，３０としての機能す
る電子冷凍器の各ユニットは、それぞれ電気的に直列に
相互接続されており、そして、所定のプレートの外側面
には、直列の最前のユニットと最後のユニットのそれぞ
れのプレート外側に突出してそれぞれ取着された１組の
電極５１，５２を有している。

【００２５】また、各熱交換器１０，２０，３０を構成
する共通の１枚のコルゲートフィン４１( 図１参照)
は、電子冷凍器で互いに対向するこれら熱交換器間で、
その１枚のフィン４１が共有されている。

【００２６】また、上記の熱交換器１０，２０，３０か
ら成る多数の各ユニットを、図２のように積層して吸熱
熱交換器１０１および放熱熱交換器１０２から成る立体
を構成し、各ユニットを互いに電気的に直列に接続した
接続の両端には、１組の電極５１，５２を備えて１台の
電子冷凍装置の冷凍器として全体が構成されている。

【００２７】本実施例の効果は、例えば、上述のような
多数のユニットが積層されて成る吸熱熱交換器１０１ま
たは放熱熱交換器１０２において、１枚のコルゲートフ
ィン４１を３つの熱交換器１０，２０，３０で共有する
この構成によって、熱電変換器１００全体として必要と
される全部のコルゲートフィンの部品点数がこの場合従
来構造の１／３に減少する。また同時に、例えば電子冷
凍装置として完成するまでの工数に関わる組付け性が大
幅に向上するので、総工費および作業自体の難易度を削
減することも可能である。

【００２８】また、このような特徴を持つユニットによ
る積層構造によれば、図示のような電子冷凍器の複数列
化配置を行った場合でも、所期の性能を損なうことな
く、同様またはそれ以上の熱交換効率を発揮し、しかも
従来よりも強固な直列積層構造を提供することが可能と
なる。

【００２９】（第３実施例）図３の断面拡大図は、本実
施例の熱電変換器１００の要部の構成を断面図で示して
いる。図示の断面図は、上記の吸熱熱交換器１０１また
は放熱熱交換器１０２の各ユニットを構成する熱電素子
群と熱交換用のプレート１１，１２，２１，２２，３
１，３２の隙間に断熱効果を有する真空断熱材６１が挿
入され、その空間の一部が充填されている状態を示して
いる。

【００３０】例えば、前述した構造と同様な基本構造を
成す電子冷凍器の場合、熱電素子１４，１５の接合部位
の近傍において発生する熱損失を防止するために、断面
が楕円または円形で少なくともコルゲートフィン４１の
長手方向の長さ尺度の大きさであり、しかも例えば「ひ
も状」で空気を抜いた状態の所定の程度に柔軟性のある
素材から成る真空断熱材６１を、図示のような熱電素子
群とプレートとの間に生ずる隙間に挿入することで隣接
する部位の相対位置を固定している。

【００３１】前述の実施例の効果としては、つぎのもの
があげられる。すなわち、上述のような隙間に断熱効果
を有する部材を充填するこの構造によって、複数個の電
子冷凍器を多数配列して一体に組付ける場合には特に有
効である。すなわち、複数個が互いに接合された熱電素
子１４，１５の電極板１６，１７の部位から伝わる熱
と、温度差から生ずる空気の還流または対流による熱損
失を防止する。この真空断熱材６１はまた、隣接する各
部位の位置関係を固定化するとともに、構造的にも全体
としての剛性をある程度高めることができる。

【００３２】また次に、図３に示すようにコルゲートフ
ィン４１の渡し部分に機能的な吸熱熱交換器１０１と放
熱熱交換器１０２とを空間的に分離して仕切るため、図
示のような仕切り板７１を、熱電素子群の位置を境界と
して吸熱熱交換器１０１と、放熱熱交換器１０２との間
に平面的に敷設することも有効である。つまり、その上
下にそれぞれ配設される関係の放熱側熱交換器１０１お
よび吸熱側熱交換器１０２を、この仕切り板７１によっ
て上下の二つに分離し隔離する。

【００３３】この効果としては、多数の熱交換器を配列
して一体に構成した熱電変換器１００において、各々吸
熱側および放熱側の熱交換器間での相互の熱的交流を空
間的に遮断し、装置全体としての熱損失を効率的に防止
することがあげられる。

【００３４】（変形実施例）なお、以上に示した説明図
は、本発明の熱電変換器１００の構造を示すためのもの
であり、実際の使用時においては、熱が上方へ拡散容易
となるように、放熱熱交換器１０２を上方側に、一方の
吸熱熱交換器１０１を下方側に設置して運用されてもよ
い。

【００３５】また、採用される断熱材は真空断熱材に限
らず、所定の断熱効果を有してある程度の変形をも許容
し得る部材であればよい。上述本発明に関する本発明の
熱電変換器に関する実施例としては、以上に述べた実施
例以外にも、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変
形実施が可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上、本発明によれば、従来の熱電変換
器では熱交換器を構成するユニット毎に必ず１つずつ必
要であったコルゲートフィンの総数量が激減して、部品
点数の削減が図られる。

【００３７】また、基本的構成要素であるこのコルゲー
トフィン４１の数の減少と共に、挿入を容易にしたこと
により、組付け性が著しく向上する。同様な理由で、取
り替え修理等の作業も便利となる。

【００３８】また、隣接する熱交換器との間にある渡し
部分のコルゲートフィンの分だけ従来より面積が増加す
るので、その分だけの熱伝達性能が向上できる。更に、
複数の熱交換器に共通で一体構造を図るコルゲートフィ
ンであることから、例えば冷凍装置自体の体格強度も向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係わる熱電変換器の構
造を示す斜視図。

【図２】 本発明の第２実施例に係わる熱電変換器の全
体構成を示す斜視図。

【図３】 本発明の第３実施例に係わる熱電変換器の要
部の構成を示す拡大断面図。

【符号の説明】

１０…熱交換器、１１〜１２…プレート、１３…絶縁性
接着剤、１４〜１５…熱電素子、１６〜１７…電極板、
２０…熱交換器、２１〜２２…プレート、２３…接着剤
塗布面、３０…熱交換器、３１〜３２…プレート、３３
…接着剤塗布面、４１…コルゲートフィン、５１〜５２
…電極、６１…円形断面の直空断熱材、７１…仕切り
板、１００…熱電変換器、１０１…放熱熱交換器、１０
２…吸熱熱交換器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる複数種類の熱電素子が交互にかつ
   直列的に配設されて成る熱電素子群と、 互いに隣接し前記熱電素子を直列的に配設された端部に
   有する熱交換手段と、を具備し、 前記熱電素子の接合される相対向して配設された複数組
   から成る前記熱交換手段の間には、１つの熱伝導手段が
   前記熱電素子の配列方向に渡って延在し、電気的に絶縁
   接合されて複数の熱電交換器ユニットを構成しているこ
   とを特徴とする熱電変換器。
2. 【請求項２】 複数組の前記熱電交換ユニットを１組の
   電極を介して、電気的に直列に接続し電子冷凍装置とし
   て構成されることを特徴とする、請求項１記載の熱電変
   換器。
3. 【請求項３】 前記熱電交換ユニットの前記熱電素子と
   前記熱交換手段との隙間には、挿入され充填された真空
   断熱手段を更に有していることを特徴とする請求項１記
   載の熱電変換器。
4. 【請求項４】 前記熱交換手段は、平板片が略直角に屈
   曲され一方の端部が更に略直角に屈曲されることで断差
   のついた近似的に平行な２面を有するプレートであり、 前記熱伝導手段は、熱伝導性を有する薄板材が波型に折
   り曲げられ、表面には無数のルーバが形成されているコ
   ルゲートフィンであることを特徴とする請求項１記載の
   熱電変換器。