JPH10163537A

JPH10163537A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JPH10163537A
Application number: JP8320247A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Momoi; 義宣桃井; Hisao Seto; 学雄瀬戸
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換基板の膨張、収縮においても熱電素子
の電気的接合部分に応力が加わらない、組立のし易い熱
電変換装置を提供すること。【解決手段】対向する略平板状の２つの熱交換基板１
１、１２と、この熱交換基板１１、１２間に圧接し並設
されるＰ型及びＮ型の１対の半導体にて形成される熱電
素子２と、熱交換基板１１、１２上に設けられて熱電素
子２のＰ型及びＮ型のものを直列に連結し接合する電極
３１、３２とを備える熱電変換装置において、熱電素子
２を、球状に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ペルチェ効果を利用して電気エネ
ルギーを熱に変換したり、ゼーベック効果を利用し熱を
電気エネルギーに変換する熱電変換装置がある。この熱
電変換装置は、温度調節器、可搬型の保冷庫あるいは小
型の除湿器等に使用されるペルチェ素子がよく知られて
いる。ペルチェ素子は、例えば図６、図７に示すよう
に、対向する略平板状の２つのアルミナセラミック等の
セラミック材料にて形成された熱交換基板１１、１２
と、この熱交換基板１１、１２間に圧接し並設されるＰ
型及びＮ型の１対の半導体にて形成される熱電素子２
と、熱交換基板１１、１２上に設けられて熱電素子のＰ
型及びＮ型のものを直列に連結し接合する電極３とを備
えて構成されている。

【０００３】上記のペルチェ素子は、熱交換基板１１、
１２上に接着剤等にて固定されている電極３上に、半田
等の接合材５にて熱電素子３を接合して製造されてい
る。そして、端子４、４間に直流電流を通電すると、一
方の熱交換基板１１が低温に、他方の熱交換基板１２が
高温になって、それぞれ、熱交換基板１１は吸熱を、熱
交換基板１２が放熱を行う。

【０００４】アルミナセラミック材料による上記の熱交
換基板１１、１２は、高温のものは熱膨張するとともに
低温のものは熱収縮している。そして、熱電素子２には
この熱膨張及び熱収縮によって応力が加わることとな
り、長期間の使用においては、この熱膨張と熱収縮とが
繰り返されて、熱電素子２と電極３との接合部分にクラ
ックを発生することがあった。その結果、このクラック
にて熱電素子２の導通が成されなくなって故障に至るこ
とが問題となっていた。そして、本発明者らはこの問題
対策として、図８に示すように、例えば熱電素子２と電
極３とのそれぞれの接合面Ｐ１、Ｐ２を球面とし、熱交
換基板１１、１２が熱膨張及び熱収縮しても熱電素子２
が摺動することにて応力の加わることのない構造を提案
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の球面
を有する熱電素子２は、電極３と接する面のみを球面形
状としたもので方向性を有したものである。従って、熱
交換基板１１、１２上に設置するときに球面状の形状を
確認しながら作業を行う必要があり、組立に手間を要す
るものであった。

【０００６】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、熱交換基板の膨張、収縮
においても熱電素子の電気的接合部分に応力が加わらな
い、組立のし易い熱電変換装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の熱電変換装置は、対向する略平板状
の２つの熱交換基板と、この熱交換基板間に圧接し並設
されるＰ型及びＮ型の１対の半導体にて形成される熱電
素子と、前記熱交換基板上に設けられて熱電素子のＰ型
及びＮ型のものを直列に連結し接合する電極とを備える
熱電変換装置において、前記熱電素子は、球状に形成さ
れたものとしている。これにより、熱電素子が方向性の
無いものとなる。

【０００８】また、請求項２記載の熱電変換装置は、請
求項１記載の電極は、前記熱電素子との当接部が凹状に
形成されたこととしている。これにより、熱電素子が所
定位置に保持し得るものとなる。

【０００９】また、請求項３記載の熱電変換装置は、請
求項２記載の当接部を、前記熱交換基板の少なくとも一
方のものが中央から外縁に向けて長い長溝として形成し
ている。これにより、熱電素子の電極との少なくとも一
方の当接部が中央から外縁に向けて長い長溝にて保持さ
れる。

【００１０】また、請求項４記載の熱電変換装置は、請
求項３記載の長溝を、前記熱交換基板の外縁側のものを
中央側のものより長く形成している。これにより、外縁
側に配設される熱電素子が中央側の熱電素子よりも長い
長溝にて保持される。

【００１１】また、請求項５記載の熱電変換装置は、請
求項３又は４記載の長溝を、前記熱電素子とは該長溝の
短手方向側面矢視にて底面の一点で接触し得る幅寸法を
もって形成している。これにより、熱電素子が長溝の一
点にて保持される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱電変換装置の第
１の実施の形態を図１乃至図４に基づいて、第２の実施
の形態を図５に基づいて、それぞれ説明する。

【００１３】［第１の実施の形態］図１は、第１の実施
の形態の、熱電変換装置であるペルチェ素子の要部であ
る熱電素子の設置状態を示す説明図である。図２は、同
上の電極を示す斜視図で、（ａ）は下面側電極、（ｂ）
は上面側電極を示す。図３は、同上の電極パターンを示
す平面図で、（ａ）は下面側熱交換基板、（ｂ）は上面
側熱交換基板を示す。図４は、同上の概略構成図であ
る。

【００１４】この熱電変換装置は、電気エネルギーを熱
に変換して吸熱及び放熱を行うペルチェ素子で、対向す
る略平板状の２つの熱交換基板１１、１２と、この熱交
換基板１１、１２間に圧接し並設されるＰ型及びＮ型の
１対の半導体にて形成される熱電素子２と、熱交換基板
１１、１２上に設けられて熱電素子２のＰ型及びＮ型の
ものを直列に連結し接合する電極３１、３２とを備えて
いる。

【００１５】熱交換基板１１、１２は、後述する電極３
１、３２を設けるとともに熱電素子２からの熱を外部へ
放出したり、あるいは外部からの熱を吸収し熱電素子２
へ伝達するためのもので、例えば、アルミナセラミック
等の熱伝達率の良好な材料により、焼結等にて、略四角
状に形成されている。この熱交換基板１１、１２は、図
４に示すように、外縁側の所定の箇所にて、例えばボル
ト６等の締め付け手段を用いてばね７を介して締め付け
るため、ボルト６が貫挿されるための貫挿穴ｈが形成さ
れ、周囲の空気との間にて熱交換が効率よく行われるよ
うに、適宜フィン形状をもって形成されている。熱交換
基板は、図４に示すように、ばね７などの弾性体の一端
が一方の熱交換基板１１に当接して介在させることに
て、熱交換基板１１、１２によって後述する熱伝素子２
を所定の押圧力にて押圧するよう、所定の締め付けトル
クでボルト６が締め付けられる。そして、一方の熱交換
基板が低温に、他方の熱交換基板が高温になって、それ
ぞれ低温のものは吸熱を行うとともに高温のものが放熱
を行う。

【００１６】電極３１、３２は、後述する熱電素子２へ
直流電流を通電するためのもので、例えば、銅箔材料な
どによる薄板材料にて、熱交換基板１１、１２の対向面
に所定間隔にて、Ｐ型及びＮ型の１対の半導体による熱
電素子２を直列に配設して連結するパターン形状に形成
され、シリコン系接着剤等の、弾性を有するとともに熱
伝達率の良好な接着剤にて熱交換基板１１、１２の対向
面に接着されている。このものの電極３１、３２は、上
記のように熱交換基板をばねにて押圧して熱電素子を所
定位置に保持し得るように、エッチング加工等にて、例
えば、下面側の電極３２は円形球面の凹状に、上面側の
電極３１は長溝３１ａ、すなわち長円状の凹状をもって
形成され、また、この長溝３１ａは、熱交換基板１１，
１２の中央から外縁に向けての熱収縮及び熱膨張におけ
る寸法変化を吸収するために、図３（ｂ）に示すよう
に、中央から外縁に向けて長い長溝として形成されてい
る。また、さらに、この長溝３１ａの長さは、熱交換基
板１１，１２の外縁側のものほど大きい前記寸法変化を
効果的に吸収するために、外縁側のものを中央側のもの
より長くして、図１に示すように、長溝と熱電素子とが
該長溝の短手方向側面矢視にて溝の両縁と底面との三点
において接触する幅寸法ｗ１をもって形成されている。
なお、この電極３１の周縁側の始端と終端のものには、
外部配線との接続のための端子４、４が半田付け等にて
固着されている。

【００１７】熱電素子２は、例えばＢｉ−Ｔｅ系の半導
体素子で、例えば焼結等にて所定の大きさの球状に形成
されている。この熱電素子２は、直流電流を通電するこ
とにて前記の熱交換基板１１、１２の一方のものが発熱
するとともに他方のものが吸熱するように、熱交換基板
１１、１２間に、Ｐ型及びＮ型のものが交互に配設され
ることにて電極３１、３２によって直列に交互に連結さ
れる。なお、この熱電素子２と電極３１、３２との接合
は、球面側である電極３２とは球面どうし、長溝側であ
る電極３１とは三点による点接合となる。従って、電極
３１との接合部には電気的及び熱的な接合を安定に行う
ために、導電と伝熱を兼ねて適宜導電性グリス等が塗布
される。

【００１８】以上説明した熱電変換装置の組立は、ま
ず、下側の円形球状の電極３２を有する熱交換基板１２
の電極上の所定の位置に、熱電素子２のＰ型及びＮ型の
ものを、上側の熱交換基板１１、１２との間にて直列に
連結し接合されるように所定箇所に配設する。次いで、
上側の熱交換基板１１を熱電素子２の上面に裁置したの
ち、貫挿穴ｈにばね７を介在させるとともにボルト６を
貫挿し、所定の締め付けトルクにて締め付ける。そし
て、図示していない、端子に直流電流を通電すると、一
方の熱交換基板が低温に、他方の熱交換基板が高温にな
って、それぞれ低温のものは吸熱を、高温のものが放熱
を行う。そして、電極３１、３２と熱電素子２とは、熱
交換基板１１、１２を介してばね７にて所定の押圧力に
て押圧されて接合しているので、熱交換基板１１，１２
の熱収縮及び熱膨張においても球状に形成された熱電素
子２が回動し、従って応力の加わらないこととなる。

【００１９】以上説明した熱電変換装置によると、熱電
素子２が球状に形成されており、従って方向性の無いも
のとなるので熱交換基板１２上への配設が容易となり、
以て、組立のし易いものとなる。また、熱電素子２が所
定位置に保持し得るものとなるので、より組立がし易く
なる。また、熱電素子２が少なくとも一方が長溝３１ａ
の凹所にて保持されるので、大きな熱収縮及び熱膨張に
おける寸法変化が長溝３１ａの寸法余裕にて吸収でき、
以て、長寿命が達成される。また、外縁側に配設される
熱電素子が中央側の熱電素子よりも長い長溝にて保持さ
れるので、熱交換基板１１，１２の熱収縮及び熱膨張に
よる寸法変位の大きさに合わせて溝の長さを設定するこ
とにて電極を形成して熱電素子２をより多く配設出来
る。

【００２０】［第２の実施の形態］図５は、第２の実施
の形態の熱電変換装置である、ペルチェ素子の熱電素子
の設置状態を示す説明図である。

【００２１】このペルチェ素子は、電極３１の形状のみ
が第１の実施の形態と異なるもので、他の構成部材は第
１の実施の形態のものと同一であり、同一部分の詳細な
説明は省略する。

【００２２】このものの電極３１は、熱交換基板１１、
１２の成型時の内部応力ひずみ等にて熱収縮及び熱膨張
にてひねり方向の寸法変化が生じた場合においても安定
した圧接状態を維持するために、第１の実施の形態のも
のの長溝３１ａと熱電素子２とが長溝３１ａの短手方向
側面矢視にて底面の一点において接触する幅寸法をもっ
て形成している。詳しくは、このものの電極３１は、長
溝３１ａが、図１に示す幅寸法Ｗ１より大きい幅寸法Ｗ
２をもって形成されている。従って、電極３１と熱電素
子２とは見かけ上１点にて接触して押圧され接合してい
る。その結果、電極３１と熱電素子２との接合部分が、
熱交換基板１１，１２の熱収縮及び熱膨張においても、
球状に形成された熱電素子２が長溝３１ａの幅方向の寸
法余裕にて回動することにてひねり方向の寸法変化を吸
収でき、ひねり方向の寸法変化があっても熱電素子２に
過大な応力の加わらないこととなる。

【００２３】以上説明した熱電変換装置によると、熱電
素子２が長溝３１ａの一点にて保持されるので、熱収縮
及び熱膨張における熱交換基板１１、１２のひねり方向
の寸法変化が吸収でき、以て、より長寿命が達成され
る。

【００２４】なお、以上説明した熱電変換装置におい
て、電極は凹状を有するとともに一方を長溝のものと
し、さらに熱交換基板の外縁側のものを中央側のものよ
り長い長さにて形成したものとして説明したが、本発明
はそのもののみに限定するものでなく、凹所の無いもの
を圧接状態にて保持するのみであっても良く、また、凹
所が長溝でないものであっても良い。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載の熱電変換装置は、熱電素
子が方向性の無いものとなるので、熱交換基板上への配
設が容易となり、以て、組立のし易いものとなる。

【００２６】また、請求項２記載の熱電変換装置は、請
求項１記載のものの効果に加え、熱電素子が所定位置に
保持し得るものとなるので、より組立がし易くなる。

【００２７】また、請求項３記載の熱電変換装置は、請
求項２記載のものの効果に加え、熱電素子が少なくとも
一方が長溝の凹所にて保持されるので、大きな熱収縮及
び熱膨張における寸法変化が吸収でき、以て、長寿命が
達成される。

【００２８】また、請求項４記載の熱電変換装置は、請
求項３記載のものの効果に加え、外縁側に配設される熱
電素子が中央側の熱電素子よりも長い長溝にて保持され
るので、熱交換基板の熱収縮及び熱膨張による寸法変位
の大きさに合わせて溝の長さを設定することにて電極を
形成し熱電素子をより多く配設出来る。

【００２９】また、請求項５記載の熱電変換装置は、請
求項３又は４記載のものの効果に加え、熱電素子が長溝
の一点にて保持されるので、熱収縮及び熱膨張における
熱交換基板のひねり方向の寸法変化が吸収でき、以て、
より長寿命が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の熱電変換装置であ
るペルチェ素子の要部である熱電素子の設置状態を示す
説明図である。

【図２】同上の電極を示す斜視図で、（ａ）は下面側電
極、（ｂ）は上面側電極を示す。

【図３】同上の電極パターンを示す平面図で、（ａ）は
下面側熱交換基板、（ｂ）は上面側熱交換基板を示す。

【図４】同上の概略構成図である。

【図５】第２の実施の形態の熱電変換装置である、ペル
チェ素子の熱電素子の設置状態を示す説明図である。

【図６】従来例の構成図である。

【図７】従来例の熱電素子の設置状態を示す説明図であ
る。

【図８】他の従来例の熱電素子の設置状態を示す説明図
である。

【符号の説明】

１１、１２熱交換基板２熱電素子３１、３２電極３１ａ長溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する略平板状の２つの熱交換基板
と、この熱交換基板間に圧接し並設されるＰ型及びＮ型
の１対の半導体にて形成される熱電素子と、前記熱交換
基板上に設けられて熱電素子のＰ型及びＮ型のものを直
列に連結し接合する電極とを備える熱電変換装置におい
て、前記熱電素子は、球状に形成されたものであることを特
徴とする熱電変換装置。
【請求項２】前記電極は、前記熱電素子との当接部が
凹状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の熱電
変換装置。
【請求項３】前記当接部は、前記熱交換基板の少なく
とも一方のものが中央から外縁に向けて長い長溝として
形成されたことを特徴とする請求項２記載の熱電変換装
置。
【請求項４】前記長溝は、前記熱交換基板の外縁側の
ものを中央側のものより長く形成されたことを特徴とす
る請求項３記載の熱電変換装置。
【請求項５】前記長溝は、前記熱電素子とは該長溝の
短手方向側面矢視にて底面の一点で接触し得る幅寸法を
もって形成されたことを特徴とする請求項３又は４記載
の熱電変換装置。