JP2007043075A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力およびその成績係数を低下させることなく、装置の小型化が図れるとともに生産性の向上が図れる熱電変換装置を提供することにある。
【解決手段】Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子１２、１３と、この熱電素子１２、１３を複数対配列し、これらの熱電素子１２、１３を電気的に接続される熱電素子基板１０を一つまたは複数備え、電源電圧を一つまたは複数の熱電素子基板１０に直接印加する熱電変換装置であって、熱電素子基板１０は、電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子１２、１３に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成された。これにより、装置の小型化が図れる。
【選択図】図８

Description

本発明は、Ｎ型熱電素子、Ｐ型熱電素子からなる直列回路に直流電流を流通させることで吸熱、放熱が得られる熱電変換装置に関するものであり、特に、熱電素子モジュールに配設される複数対の熱電素子の最適形状および最適印加電圧に関する。

従来、この種の熱電変換装置として、例えば、所定個数のＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子を平面状に配設し、一対の各熱電素子の一方面に一方側電極素子を取付けるとともに、一対の各熱電素子の他方面に他方側電極素子を取付け、これらの熱電素子を電気的に直列接続してなる熱電素子モジュールを構成している。

さらに、その一方側電極素子および他方側電極素子の少なくとも一方に、各電極素子から伝熱される熱を吸熱、放熱するための熱交換部材を形成している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１２４５３１号公報

しかしながら、上記特許文献１のような装置では、全ての熱電素子が一方側電極素子もしくは他方側電極素子を介して電気的に直列接続されている。そのために、互いに隣り合う熱電素子、電極素子、および熱交換部材は、それぞれが電気的に絶縁された状態で配設されている。

言い換えれば、特許文献１では詳しくは記載されていないが、この種の装置では平面状に配設される複数対の熱電素子の平面面積に応じて装置の小型化が可能である。例えば、素子一対あたりの印加電圧を低減すれば熱電素子の素子対数を増加することができ、素子一対あたりの印加電圧を増加すれば熱電素子の素子対数を減少することができる。

つまり、一対あたりの印加電圧を増加させて素子対数を減少すると設置面積が減少できるが冷却能力および成績係数が低下してしまう。

さらに、この種の熱電素子モジュールは、小型の冷却装置や加熱装置に用いられるため、熱電素子、電極素子および熱交換部材などの構成部品は、複数個あり、かつ極小部品である。これにより、これらの構成部品を組み付けるときの製造工程における生産性が極めて低い問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、冷却能力およびその成績係数を低下させることなく、装置の小型化が図れるとともに生産性の向上が図れる熱電変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１１に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を一つまたは複数の熱電素子モジュール（１０）に直接印加する熱電変換装置であって、
熱電素子モジュール（１０）は、電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、吸熱能力およびその成績係数は、最大となる最適な一対の熱電素子（１２、１３）あたりの印加電圧が存在する。これは発明者らが研究により見出したものであって、上記０．０４Ｖ以上〜０．０８Ｖ未満の最適電圧範囲内であれば吸熱能力およびその成績係数が良好となる使用範囲で使用することができる。

しかも、これらの最適電圧範囲内のうち、その印加電圧を低減させると吸熱能力と成績係数とが最大となる。ところが、このようなときには素子対数が増加して装置の設置面積が増加するが、生産性の低下を防止できる範囲内で熱電素子（１２、１３）の体格を小さく形成することで、冷却能力およびその成績係数を低下させることことなく装置の小型化が図れる。

また、上記最適電圧範囲を電源電圧の定格条件によって求めたことにより、車両に搭載する冷却装置もしくは加熱装置として好適である。

請求項２に記載の発明では、Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を所定電圧に調整する電圧調整手段（２）を有し、電圧調整手段（２）を介して一つまたは複数の熱電素子モジュール（１０）に印加する熱電変換装置であって、
熱電素子モジュール（１０）は、電圧調整手段（２）の出力電圧が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、車両用電源では、車両用補機の負荷や環境条件により電源電圧が変動することで、その変動によって一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が変動するが、電圧調整手段（２）によって、常時最適な印加電圧を一対の熱電素子（１２、１３）に印加することができる。これにより、吸熱能力およびその成績係数が良好となる使用範囲で使用することができる。

請求項３に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧がより好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０７Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。この発明によれば、最適な印加電圧の上限を０．０７Ｖ未満とすることにより、上述した請求項１および請求項２よりも、より冷却能力およびその成績係数を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が最も好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０５Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。この発明によれば、最適な印加電圧の上限を０．０５Ｖ未満とすることにより、上述した請求項３よりも、より冷却能力およびその成績係数を向上させることができる。

請求項５に記載の発明では、Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を一つまたは複数の熱電素子モジュール（１０）に直接印加する熱電変換装置であって、
熱電素子モジュール（１０）は、熱電素子（１２、１３）をその熱電素子（１２、１３）に流れる電流の流れ方向に対して鉛直な断面積（ａ×ｂ）と、熱電素子（１２、１３）の高さ（ｈ）との比である素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が１．５以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、吸熱能力は、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が大きいほど吸熱能力が増加し、その成績係数は、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が小さいほど成績係数が増大する。そこで、本発明では素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の最適範囲を１．５以上、２．５未満とすることにより、冷却能力およびその成績係数を低下させることはない。

また、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の上限を２．５未満とすることにより、熱電素子（１２、１３）の高さ（ｈ）を製造面からの制約となる１ｍｍ以上にして、生産性の低下を防止しつつ、高い吸熱能力と高い成績係数を実現できる。

請求項６に記載の発明では、Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を所定電圧に調整する電圧調整手段（２）を有し、この電圧調整手段（２）を介して一つまたは複数の熱電素子モジュール（１０）に印加する熱電変換装置であって、
熱電素子モジュール（１０）は、熱電素子（１２、１３）をその熱電素子（１２、１３）に流れる電流の流れ方向に対して鉛直な断面積（ａ×ｂ）と、熱電素子（１２、１３）の高さ（ｈ）との比である素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が１．５以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、電圧調整手段（２）によって、常時最適な印加電圧を一対の熱電素子（１２、１３）に印加することができるため、より確実に冷却能力およびその成績係数を低下させることはない。さらに、より確実に生産性の低下を防止しつつ、高い吸熱能力と高い成績係数を実現できる。

請求項７に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、熱電素子（１２、１３）を素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）がより好ましくは２．０以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴としている。この発明によれば、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の下限を２．０以上とすることにより、上述した請求項５および請求項６より冷却能力の向上が図れる。

請求項８に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。この発明によれば、冷却能力およびその成績係数を低下させることなく、装置の小型化が図れるとともに生産性の向上が図れることができる。

請求項９に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、電圧調整手段（２）の出力電圧が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴としている。この発明によれば、より確実に冷却能力およびその成績係数を低下させることなく、より確実に装置の小型化が図れるとともに生産性の向上が図れることができる。

請求項１０に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）の一方面に互いに絶縁空間（Ｌ１、Ｌ２）を隔てて配設され、一対の熱電素子（１２、１３）に伝熱可能に接続された複数の吸熱熱交換部材（２２）と、
熱電素子モジュール（１０）の他方面に互いに絶縁空間（Ｌ１、Ｌ２）を隔てて配設され、一対の熱電素子（１２、１３）に伝熱可能に接続された複数の放熱熱交換部材（３２）とを有し、複数の吸熱熱交換部材（２２）側、および複数の放熱熱交換部材（３２）側のそれぞれに熱交換媒体が流通するように構成されており、
複数の吸熱熱交換部材（２２）および複数の放熱熱交換部材（３２）は、熱交換媒体の流れ方向に沿って形成される絶縁空間（Ｌ２）よりも熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に形成される絶縁空間（Ｌ１）の方が大きくなるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、絶縁空間（Ｌ２）を小さくすることで素子対数を増加させることができる。これにより、装置の小型化が図れる。なお、直交する方向に形成される絶縁空間（Ｌ１）には、吸熱熱交換部材（２２）および放熱熱交換部材（３２）の熱交換部が形成できる。

請求項１１に記載の発明では、熱電素子モジュール（１０）は、一対の熱電素子（１２、１３）を熱交換媒体の流れ方向に沿う奥行き方向に向けて電気的に直列接続するように配設しており、かつ熱交換媒体の流れ方向に沿う奥行き寸法（Ｗ２）よりも、熱交換媒体の流れ方向に対して直角方向となる幅寸法（Ｗ１）の方が大きくなるように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、奥行き寸法（Ｗ２）の方が小さいことで、熱交換媒体の流れ方向に対して直角方向に隣り合う熱電素子（１２、１３）間の電位差が大きくなるのを防止することができる。また、幅寸法（Ｗ１）側に素子対数を増加することができる。つまり、通風抵抗が低下する方向に素子対数を増加することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における熱電変換装置を図１ないし図９に基づいて説明する。図１は本実施形態における熱電変換装置の外観形状を示す平面図であり、図２は熱電変換装置の全体構成を示す図１に示すＡ−Ａ断面図である。また、図３は図２に示すＣ−Ｃ断面図であり、図４は図１に示すＢ−Ｂ断面図である。

本実施形態の熱電変換装置は、車両に搭載される冷却装置もしくは加熱装置に適用させた熱電変換装置であり、例えば、車両用のシートの着座部内と背当部内とにそれぞれ熱電変換装置を配設し、その熱電変換装置により冷却された冷風をシート表面から吹き出すシート空調装置に適用させている。

従って、本実施形態の熱電変換装置は、設置空間の狭い車両用のシート内に搭載できるように熱電変換装置の小型化を図っている。熱電変換装置は、図１ないし図４に示すように、熱電素子モジュールである熱電素子基板１０、吸熱側フィン基板２０、放熱側フィン基板３０、および一対のケース部材２８、３８から構成している。

熱電素子モジュールである熱電素子基板１０は、図２ないし図４に示すように、熱電素子の保持板である第１絶縁基板１１、Ｐ型、Ｎ型からなる熱電素子１２、１３、および電極部材１６から一体に構成している。

具体的には、平板状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる第１絶縁基板１１に、一対のＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを交互に略碁盤目状に複数対配列してなる熱電素子群を列設し、隣接する一対の熱電素子１２、１３の両端面に電極部材１６を接合して一体に構成している。

Ｐ型熱電素子１２はＢｉ−Ｔｅ系化合物からなるＰ型半導体により構成され、Ｎ型熱電素子１２はＢｉ−Ｔｅ系化合物からなるＮ型半導体により構成された極小部品である。なお、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３は、その上端面、下端面が第１絶縁基板１１よりも突き出すように形成されている。

電極部材１６は、平板状の銅材などの導電性金属から形成され、熱電素子基板１０に配列された熱電素子群のうち、隣接する一対のＰ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３を電気的に直列接続する電極である。

より具体的には、図２に示すように、上方に配置される電極部材１６は、隣接するＮ型熱電素子１３からＰ型熱電素子１２に向けて電流を流すための電極であり、下方に配置される電極部材１６は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に電流を流すための電極である。なお、電極部材１６は、熱電素子１２、１３の端面に予めペーストハンダなどをスクリーン印刷で薄く均一に塗っておいてから半田付けで接合される。

次に、吸熱側フィン基板２０は、複数個の吸熱熱交換部材２２を平板状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる保持板である第２絶縁基板２１に一体構成しており、放熱側フィン基板３０は、複数個の放熱熱交換部材３２を平板状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる保持板である第３絶縁基板３１に一体構成している。

そして、吸熱熱交換部材２２および放熱熱交換部材３２は、銅材などの導電性金属からなる薄肉の板材を用いて、図４に示すように、断面が略Ｕ字状からなり底部に平面状の吸熱、放熱電極部２５、３５を形成し、その電極部２５、３５から外方に延出された平面にルーバー状の熱交換部２６、３６を形成している。

また、この熱交換部２６、３６は、吸熱、放熱電極部２５、３５から伝熱される熱を吸熱、放熱するためのフィンであり、切り起こしなどの成形加工により電極部２５、３５と一体に形成している。そして、その吸熱、放熱電極部２５、３５の一端面が電極部材１６に接合するように、第２もしくは第３絶縁基板２１、３１に一体で構成している。

なお、吸熱熱交換部材２２および放熱熱交換部材３２は、第２もしくは第３絶縁基板２１、３１の一端面に、その吸熱、放熱電極部２５、３５の一端面が僅かに突き出す程度の位置に一体で構成している。つまり、電極部２５、３５の一端面が熱電素子基板１０に設けられた電極部材１６に接合したときに、その吸熱、放熱電極部２５、３５が電極部材１６側にはみ出さないように構成している。

さらに、互いに隣り合う吸熱熱交換部材２２、放熱熱交換部材３２同士は、互いに電気的に絶縁するように、所定の空間を設けて複数個略碁盤目状に第２、第３絶縁基板２１、３１に配設している。そして、上方に配置された電極部材１６に吸熱熱交換部材２２の吸熱電極部２５を接合するように配置し、下方に配置された電極部材１６に放熱熱交換部材３２の放熱電極部３５を接合するように配置している。

なお、図１および図２中に示す左右端に配設される熱電素子１２、１３の末端には、それぞれ端子２４ａ、２４ｂが設けられ、その端子２４ａ、２４ｂには、図示しない直流電源の正側端子を端子２４ａに接続し、負側端子を端子２４ｂに接続するようにしている。

これにより、上方側に配設される電極部材１６および吸熱熱交換部材２２は、隣接するＮ型熱電素子１３からＰ型熱電素子１２に電気的に接続するように複数個配設され、下方側に配設される電極部材１６および放熱熱交換部材３２は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に電気的に接続するように複数個配設されている。

因みに、端子２４ａから入力された直流電源は、図１中に示す左端のＰ型熱電素子１２から下方に配設された電極部材１６を介してＮ型熱電素子１３に直列的に流れ、次に、このＮ型熱電素子１３から上方に配設された電極部材１６を介してＰ型熱電素子１２に直列的に流れる。

このときに、ＰＮ接合部を構成する下方に配設された電極部材１６は、ペルチェ効果によって高温の状態となり、ＮＰ接合部を構成する上方に配設された電極部材１６は低温の状態となる。つまり、上方側に配置された熱交換部２６は吸熱熱交換部を形成して低温状態の熱が伝熱されて被冷却流体に接触され、下方側に設置された熱交換部３６は放熱熱交換部を形成して高温状態の熱が伝熱されて冷却流体に接触される。

言い換えると、図２に示すように、熱電素子基板１０を区画壁として、ケース部材２８、３８により、熱電素子基板１０の両側に送風通路を形成し、その送風通路に熱交換媒体である空気を流通することで、熱交換部２６，３６と空気とが熱交換され、熱電素子基板１０を区画壁として、上側の熱交換部２６で空気を冷却することができ、下側の熱交換部３６で空気を加熱することができる。

なお、本実施形態では、直流電源の正側端子を端子２４ａ側に接続し、負側端子を端子２４ｂ側に接続して端子２４ａに直流電源を入力させたが、これに限らず、直流電源の正側端子を端子２４ｂ側に接続し、負側端子を端子２４ａ側に接続して端子２４ｂに直流電源を入力させても良い。ただし、このときには、上方の吸熱熱交換部材２２が放熱熱交換部を形成し、下方の放熱熱交換部材３２が吸熱熱交換部を形成する。

ところで、以上の構成による熱電変換装置において、装置全体の小型化を図るために、特に、熱電素子基板１０に配設する複数対の熱電素子１２、１３の素子の形状、素子対数、熱電素子一対あたりの印加電圧を最適化させている。言い換えれば、車両用のシートのように、狭い設置空間に搭載できるように熱電変換装置の小型化を図るとともに、冷却能力およびその成績係数ＣＯＰの向上を図るようにしている。

ここで、上述した熱電素子１２、１３の素子の形状、素子対数、熱電素子一対あたりの印加電圧の最適化については発明者らの研究によって見出したので以下図５ないし図９に基づいて説明する。熱電変換装置の冷却能力は、ＮＰ接合部を構成する上方に配設された電極部材１６で発生する低温の状態の熱、つまり、吸熱量Ｑｃを求めることで良い。

この吸熱量Ｑｃは、具体的には、Ｑｃ＝（ペルチェ吸熱）−（ジュール熱損失）−（戻り熱損失）により求めることができる。より具体的には、ペルチェ吸熱＝ｎ・α・Ｉ・Ｔｃ、ジュール熱損失＝１／２・Ｉ^２・（ｎ・ｈ／（ａ・ｂ）・ρ）、戻り熱損失＝ｎ・（ａ・ｂ）／ｈ・λ・ΔＴであって、これらから算出することができる。

ここで、ｎ：素子対数、α：素子材料のゼーベック係数、Ｉ：電流、Ｔｃ：吸熱面の温度、ｈ：素子の高さ、ａ：素子の幅寸法、ｂ：素子の奥行寸法、ρ：素子材料の抵抗係数、λ：素子材料の熱伝導率、ΔＴ：吸放熱面の温度差である。

そして、図５は熱電素子一対あたりの印加電圧と吸熱能力比との関係を示す特性図であり、図６は熱電素子一対あたりの印加電圧と成績係数ＣＯＰとの関係を示す特性図である。また、図７は熱電素子一対あたりの印加電圧と素子対数との関係を示す特性図である。さらに、図８は熱電素子一対あたりの印加電圧と素子の最大許容寸法との関係を示す特性図である。

因みに、図５に示す吸熱能力比は上記吸熱量Ｑｃより求め、図６に示す成績係数ＣＯＰはＣＯＰ＝吸熱量Ｑｃ／消費電力によって求めている。また、この図５および図６に示す吸熱能力比、成績係数ＣＯＰは、熱電素子１２、１３をＢｉ−Ｔｅ系化合物の材料からなり、かつ、その素子の寸法（図１１参照）をａ＝１．５ｍｍ、ｂ＝１．５ｍｍ、ｈ＝１ｍｍとする形状のものを用いる。

なお、熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間に印加する電圧は、車両用電源から出力される定格条件で使用されるＤＣ１２Ｖの駆動電圧を印加し、その定格条件の駆動電圧による熱電素子一対あたりの印加電圧を求めている。

これにより、図５および図６に示す結果から、吸熱量Ｑｃおよび成績係数ＣＯＰがともに、最大になる最適電圧範囲の印加電圧が存在することを見出した。つまり、吸熱量Ｑｃと成績係数ＣＯＰを向上させるには、熱電素子一対あたりの印加電圧が好ましくは０．０１Ｖ以上、０．０８Ｖ未満の最適電圧範囲であれば良いことが分った。

また、特に、その印加電圧が下限である０．０１Ｖ近傍であれば吸熱量Ｑｃおよび成績係数ＣＯＰが最大値となることが分った。従って、最適印加電圧を最良の０．０１Ｖ程度とすると、吸熱量Ｑｃおよび成績係数ＣＯＰが高能力、高効率となる。

ところが、端子２４ａ、２４ｂ間に印加する定格条件の駆動電圧に対して、熱電素子一対あたりの印加電圧を０．０１Ｖ程度とすると、熱電素子基板１０内に配設する素子対数は、図７に示すように、１３００対数程度が必要となる。

これでは、熱電素子基板１０の体格が極めて大となる問題があった。つまり、限られた設置空間を有するシート内に搭載するためには、上記素子対数の熱電素子基板１０では、体格が大きすぎて搭載できないことが分った。

そこで、本発明では、シート内に搭載できる熱電素子基板１０の体格を予め一般的な所定（例えば、４０ｍｍ角程度）形状と設定して、この所定（例えば、４０ｍｍ角程度）の形状内に配設可能な熱電素子１２、１３の素子寸法とその素子対数を求めた。

具体的には、素子寸法を、第１絶縁基板１１内に組み付けるための組付性を低下させることのない大きさとして、１．０〜１．５ｍｍ程度以上とし、さらに、素子間の隙間を考慮して４０ｍｍ角の第１絶縁基板１１内に配設可能な素子対数は１３０対程度とした。

ところが、この１３０対程度の素子対数によると、図７および図８に示すように、熱電素子一対あたりの印加電圧が０．０９Ｖとなる。これは、上述したように、図５および図６に示す最適電圧範囲を外れてしまうことになる。

そこで、本実施形態では、端子２４ａ、２４ｂ間に印加する駆動電圧を、例えばＤＣ６Ｖに半減させることで、図８に示すように、熱電素子一対あたりの印加電圧が０．０５Ｖ以下となる。

この印加電圧であれば、図５および図６に示す最適電圧範囲内に収めることが可能である。従って、本実施形態では、素子寸法が１．５ｍｍ×１．５ｍｍ程度の熱電素子１２、１３を用いて、１３０対程度の素子対数を配設して熱電素子基板１０を構成する。そして、端子２４ａ、２４ｂ間にＤＣ６Ｖの駆動電圧を印加させることで、熱電素子一対あたりの印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０５Ｖ未満で印加することができる。

従って、熱電素子基板１０は、図８に示すように、熱電素子一対あたりの印加電圧が好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成すれば良い。また、これよりも、高能力、高効率を高めるためには、熱電素子一対あたりの印加電圧がより好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０７Ｖ未満、および熱電素子一対あたりの印加電圧が最も好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０５Ｖ未満となるように形成すれば良い。

なお、本実施形態では、熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間にＤＣ６Ｖの駆動電圧を印加させるように構成したが、これに限らず、図９に示すように、二つの熱電素子基板１０を電気的に直列接続させて、その端子２４ａ、２４ｂ間にＤＣ１２Ｖの駆動電圧を印加するように構成しても良い。これによれば、一つの熱電素子基板１０には、それぞれＤＣ６Ｖの駆動電圧が印加される。

また、以上の構成では、熱電素子基板１０の素子対数を１３０程度に配設したが、これに限らず、熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間に印加する駆動電圧をＤＣ４Ｖにして素子対数を少なくしても良い。ただし、この場合には３個の熱電素子基板１０を電気的に直列接続してその端子２４ａ、２４ｂ間にＤＣ１２Ｖの駆動電圧を印加するように構成しても良い。

なお、車両用電源には、上記ＤＣ１２Ｖ仕様の他にＤＣ２４Ｖ仕様もあるため、この場合には、一つの熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間に、例えば、定格条件のＤＣ１２Ｖの約数となる駆動電圧を印加するように複数（例えば、２個〜４個）の熱電素子基板１０を配設するようにしても良い。

次に、以上の構成による熱電素子基板１０の組み付け方法について説明する。まず、熱電素子１２、１３は、図３および図４に示すように、第１絶縁基板１１に設けられた基板穴にＰ型とＮ型を交互に略碁盤目状に複数個配列して熱電素子基板１０を一体に構成する。そして、熱電素子基板１０に隣接して配列された熱電素子１２、１３の両端面に電気的に直列接続するように複数個の電極部材１６を半田付けにより接合する。

これにより、熱電素子１２、１３および電極部材１６が一体に構成される。また、上方側に配設される電極部材１６がＮＰ接合部を形成し、隣接する熱電素子１２、１３を直列的に接続されるとともに、下方側に配設される電極部材１６がＰＮ接合部を形成し、隣接する熱電素子１２、１３を電気的に直列接続される。

なお、熱電素子１２、１３および電極部材１６は、半導体、電子部品などを制御基板に組み付けるための製造装置であるマウンター装置を用いて組み付けても良い。これによれば、熱電素子１２、１３の素子寸法が１．５ｍｍ×１．５ｍｍ程度以上であれば、容易に摘むことができるので生産性が低下することなく組付けができる。

以上の第１実施形態による熱電変換装置によれば、熱電素子基板１０は、電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、一対の熱電素子１２、１３に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成している。

これによれば、吸熱能力およびその成績係数ＣＯＰは、最大となる最適な一対の熱電素子１２、１３あたりの印加電圧が存在する。これは発明者らが研究により見出したものであって、上記０．０４Ｖ以上〜０．０８Ｖ未満の最適電圧範囲内であれば吸熱能力およびその成績係数が良好となる使用範囲で使用することができる。

しかも、これらの最適電圧範囲内のうち、その印加電圧を低減させると吸熱能力と成績係数とが最大となる。ところが、このようなときには素子対数が増加して装置の設置面積が増加する。

ところが、生産性の低下を防止できる範囲内で熱電素子１２、１３の体格を小さく形成することで、冷却能力およびその成績係数を低下させることことなく装置の小型化が図れる。また、上記最適電圧範囲を電源電圧の定格条件によって求めたことにより、車両に搭載する冷却装置もしくは加熱装置として好適である。

また、熱電素子基板１０が一対の熱電素子１２、１３に印加する印加電圧がより好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０７Ｖ未満となるように形成されたことにより、印加電圧の上限を０．０７Ｖ未満とすることで、上述したよりもより冷却能力およびその成績係数を向上させることができる。

さらに、熱電素子基板１０が一対の熱電素子１２、１３に印加する印加電圧が最も好ましくは０．０４以上、０．０５Ｖ未満となるように形成されたことにより、印加電圧の上限を０．０５Ｖ未満とすることで最も冷却能力およびその成績係数を向上させることができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、熱電素子基板１０を素子の形状、素子対数、熱電素子一対あたりの印加電圧を最適化して形成したが、これに限らず、熱電素子１２、１３の素子形状を最適化して形成しても良い。

具体的には、図１０に示すように、吸熱量Ｑｃは、素子の断面積（ａ×ｂ）／高さ（ｈ）が大きいほど増加する関係があり、その成績係数ＣＯＰは、素子の断面積（ａ×ｂ）／高さ（ｈ）が小さいほど増加する関係がある。なお、このときには、熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間にＤＣ６Ｖの駆動電圧を印加している。

本実施形態では、図１０に基づいて、熱電素子１２、１３の形状をその熱電素子１２、１３に流れる駆動電流の流れ方向に対して鉛直な断面積（ａ×ｂ）と、熱電素子１２、１３の高さ（ｈ）との比である素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）を最適化して熱電変換装置の小型化を図るようにしている。なお、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）のうち、ａは、図１１に示すように、熱電素子１２、１３の幅寸法であり、ｂは奥行寸法である。

そして、より具体的には、（１）吸熱量比が最大吸熱量Ｑｃの６５％以上を確保できること。（２）成績係数ＣＯＰが１以上確保できること。（３）素子の高さ（ｈ）が１ｍｍ以上確保できること。の３つの条件を満足する素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の最適範囲を求めている。ここで、（３）素子の高さ（ｈ）は、製造面における制約であり、高さ（ｈ）を１ｍｍ以上とすることで組付性が低下することはない。

これにより、（１）は素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が１．５以上であれば良い。（２）は素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が３．２未満であれば良い。（３）は素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が２．５以下であれば、吸熱量比が最大吸熱量Ｑｃの６５％以上を確保でき、かつ、成績係数ＣＯＰが１以上確保できる。

つまり、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が好ましくは１．５以上、２．５未満であり、より好ましくは２以上、２．５未満であると良い。これによって、冷却能力およびその成績係数をともに高い領域で実現できる。

また、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の上限を２．５未満とすることで、熱電素子１２、１３の高さ（ｈ）を製造面からの制約となる所定の高さ（例えば、１ｍｍ）以上にして、生産性の低下を防止しつつ、高い吸熱能力と高い成績係数を実現できる。さらに、素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）の下限を２．０以上とすることで吸熱量比が最大吸熱量Ｑｃの８０％以上を確保できる。

なお、以上の素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）に基づいて形成した熱電素子基板１０に第１実施形態で求めた熱電素子一対あたりの印加電圧の最適電圧範囲を組み合わせることで、より確実に冷却能力およびその成績係数を低下させることなく、装置の小型化が図れるとともに生産性の向上が図れることができる。

（第３実施形態）
以上の実施形態では、熱電素子基板１０の小型化について説明したが、これに限らず、熱電素子基板１０の上下に積層する吸熱側フィン基板２０および放熱側フィン基板３０においても、複数の吸熱熱交換部材２２および放熱熱交換部材３２を小型化となるように配設することが望ましい。

具体的には、図１２に示すように、吸熱側フィン基板２０および放熱側フィン基板３０には、熱交換媒体である空気の流れ方向に沿って形成される絶縁空間Ｌ２と熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に形成される絶縁空間Ｌ１を設けて、それぞれ吸熱熱交換部材２２、放熱熱交換部材３２が複数個配設される。

従って、絶縁空間Ｌ２よりも絶縁空間Ｌ１の方が大きくなるように、吸熱側フィン基板２０および放熱側フィン基板３０を形成することにより、絶縁空間Ｌ２を小さくすることで熱電素子対数を増加させることができる。これにより、装置の小型化が図れる。なお、直交する方向に形成される絶縁空間Ｌ１には、吸熱熱交換部材２２、放熱熱交換部材３２の熱交換部が形成できる。

（第４実施形態）
以上の第３実施形態では、吸熱側フィン基板２０および放熱側フィン基板３０を互いに隣り合う吸熱熱交換部材２２、放熱熱交換部材３２の間に形成される絶縁空間Ｌ１、Ｌ２を異なるように形成したが、これに限らず、熱電素子基板１０の外形が空気の流れ方向に沿う奥行き寸法Ｗ２よりも、空気の流れ方向に対して直角方向となる幅寸法Ｗ１の方が大きくなるように形成されていても良い。

具体的には、図１３に示すように、熱電素子１２、１３を空気の流れ方向に沿う奥行き方向に向けて電気的に直列接続するように第１絶縁基板１１に配設している。そして、熱電素子基板１０の外形を奥行き寸法Ｗ２よりも幅寸法Ｗ１の方が大きくなるように形成する。

これによれば、奥行き寸法Ｗ２の方が小さいことで、空気の流れ方向に対して直角方向に隣り合う熱電素子１２、１３間の電位差が大きくなるのを防止することができる。また、幅寸法Ｗ１側に素子対数を増加することができる。つまり、通風抵抗が低下する方向に素子対数を増加することができる。

（第５実施形態）
以上の実施形態では、一つまたは複数の熱電素子基板１０を電気的に直列接続させて、その端子２４ａ、２４ｂ間に車両用電源を直接印加するように構成したが、これに限らず、電源電圧を所定電圧に調整する 電圧調整手段であるＤＣ−ＤＣコンバータ２を有し、そのＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して熱電素子基板１０印加するように構成しても良い。

具体的には、図１４に示すように、車両用電源であるバッテリ１と熱電素子基板１０との間にＤＣ−ＤＣコンバータ２を設ける。そして、バッテリ１から出力される電源電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ２で所定電圧（例えば、ＤＣ６Ｖ）に調整して熱電素子基板１０の端子２４ａ、２４ｂ間に接続している。なお、このときの所定電圧が定格条件である。

以上の構成によれば、例えば、車両用電源は、車両用補機の負荷や環境条件により電源電圧が変動することで、その変動によって一対の熱電素子１２、１３に印加する印加電圧が変動するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２によって、常時最適な印加電圧を一対の熱電素子１２、１３に印加することができる。従って、吸熱能力およびその成績係数が良好となる使用範囲で使用することができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、本発明を車両に搭載されるシート空調装置に適用させたが、車両とは限らず、ペルチェ素子５２により送風空気を冷却もしくは加熱する冷却装置もしくは加熱装置に適用させても良い。

本発明の第１実施形態における熱電変換装置の外観形状を示す平面図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図である。 図２に示すＣ−Ｃ断面図である。 図１に示すＢ−Ｂ断面図である。 熱電素子一対あたりの印加電圧と吸熱能力比との関係を示す特性図である。 熱電素子一対あたりの印加電圧と成績係数ＣＯＰとの関係を示す特性図である。 熱電素子一対あたりの印加電圧と素子対数との関係を示す特性図である。 熱電素子一対あたりの印加電圧と素子の最大許容寸法との関係を示す特性図である。 本発明の第１実施形態の変形例における熱電素子基板１０の外観形状を示す平面図である。 本発明の第２実施形態における素子形状指数と吸熱能力比、成績係数ＣＯＰとの関係を示す特性図である。 熱電素子１２、１３の素子形状を説明する斜視図である。 本発明の第３実施形態における吸熱側フィン基板２０、放熱側フィン基板３０の外観形状を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における熱電素子基板１０の形状を示す模式図である。 本発明の第５実施形態における熱電素子基板１０の電気配線を示すブロック図である。

符号の説明

２…ＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整手段）
１０…熱電素子基板（熱電素子モジュール）
１２…Ｐ型熱電素子、熱電素子
１３…Ｎ型熱電素子、熱電素子
２２…吸熱熱交換部材
３２…吸熱熱交換部材

Claims (11)

1. Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの前記熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を一つまたは複数の前記熱電素子モジュール（１０）に直接印加する熱電変換装置であって、
   前記熱電素子モジュール（１０）は、前記電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする熱電変換装置。
2. Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの前記熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を所定電圧に調整する電圧調整手段（２）を有し、前記電圧調整手段（２）を介して一つまたは複数の前記熱電素子モジュール（１０）に印加する熱電変換装置であって、
   前記熱電素子モジュール（１０）は、前記電圧調整手段（２）の出力電圧が定格条件で使用されたときに、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする熱電変換装置。
3. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧がより好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０７Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電変換装置。
4. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が最も好ましくは０．０４Ｖ以上、０．０５Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電変換装置。
5. Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの前記熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を一つまたは複数の前記熱電素子モジュール（１０）に直接印加する熱電変換装置であって、
   前記熱電素子モジュール（１０）は、前記熱電素子（１２、１３）をその熱電素子（１２、１３）に流れる電流の流れ方向に対して鉛直な断面積（ａ×ｂ）と、前記熱電素子（１２、１３）の高さ（ｈ）との比である素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が１．５以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴とする熱電変換装置。
6. Ｐ型とＮ型とからなる一対の熱電素子（１２、１３）を複数対配列し、これらの前記熱電素子（１２、１３）が電気的に接続される熱電素子モジュール（１０）を一つまたは複数備え、電源電圧を所定電圧に調整する電圧調整手段（２）を有し、前記電圧調整手段（２）を介して一つまたは複数の前記熱電素子モジュール（１０）に印加する熱電変換装置であって、
   前記熱電素子モジュール（１０）は、前記熱電素子（１２、１３）をその熱電素子（１２、１３）に流れる電流の流れ方向に対して鉛直な断面積（ａ×ｂ）と、前記熱電素子（１２、１３）の高さ（ｈ）との比である素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）が１．５以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴とする熱電変換装置。
7. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記熱電素子（１２、１３）を前記素子形状指数（ａ×ｂ／ｈ）がより好ましくは２．０以上、２．５未満となるように形成されたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱電変換装置。
8. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記電源電圧の出力が定格条件で使用されたときに、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする請求項５または請求項７に記載の熱電変換装置。
9. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記電圧調整手段（２）の出力電圧が定格条件で使用されたときに、前記一対の熱電素子（１２、１３）に印加する印加電圧が０．０４Ｖ以上、０．０８Ｖ未満となるように形成されたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の熱電変換装置。
10. 前記熱電素子モジュール（１０）の一方面に互いに絶縁空間（Ｌ１、Ｌ２）を隔てて配設され、前記一対の熱電素子（１２、１３）に伝熱可能に接続された複数の吸熱熱交換部材（２２）と、
    前記熱電素子モジュール（１０）の他方面に互いに絶縁空間（Ｌ１、Ｌ２）を隔てて配設され、前記一対の熱電素子（１２、１３）に伝熱可能に接続された複数の放熱熱交換部材（３２）とを有し、前記複数の吸熱熱交換部材（２２）側、および前記複数の放熱熱交換部材（３２）側のそれぞれに熱交換媒体が流通するように構成されており、
    前記複数の吸熱熱交換部材（２２）および前記複数の放熱熱交換部材（３２）は、熱交換媒体の流れ方向に沿って形成される前記絶縁空間（Ｌ２）よりも熱交換媒体の流れ方向に対して直交する方向に形成される前記絶縁空間（Ｌ１）の方が大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
11. 前記熱電素子モジュール（１０）は、前記一対の熱電素子（１２、１３）を熱交換媒体の流れ方向に沿う奥行き方向に向けて電気的に直列接続するように配設しており、かつ熱交換媒体の流れ方向に沿う奥行き寸法（Ｗ２）よりも、熱交換媒体の流れ方向に対して直角方向となる幅寸法（Ｗ１）の方が大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の熱電変換装置。

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