JP2010021241A - 熱電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱熱電素子に熱交換器を固定するに際して、素子破壊を発生させない製造方法を提供する。
【解決手段】第1電極と第2電極とによって電気的に直列に接続された一対のp型熱電素子およびn型熱電素子を複数個備える熱電素子部20と、前記第1電極が接合される第1絶縁層が形成された第1面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第1面に投影した領域の内側に開口部が形成された第1穴と、を備える第1熱交換器31と、前記第2電極が接合される第2絶縁層が形成された第2面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第2面に投影した領域の内側に開口部が形成された第2穴と、を備える第2熱交換器32と、前記第1穴および前記第2穴に挿入され、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器とに対して前記第1面と前記第2面との間に前記熱電素子部を保持させる力を作用させる締結部40とによって熱電変換装置を構成する。
【選択図】図2
【解決手段】第1電極と第2電極とによって電気的に直列に接続された一対のp型熱電素子およびn型熱電素子を複数個備える熱電素子部20と、前記第1電極が接合される第1絶縁層が形成された第1面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第1面に投影した領域の内側に開口部が形成された第1穴と、を備える第1熱交換器31と、前記第2電極が接合される第2絶縁層が形成された第2面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第2面に投影した領域の内側に開口部が形成された第2穴と、を備える第2熱交換器32と、前記第1穴および前記第2穴に挿入され、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器とに対して前記第1面と前記第2面との間に前記熱電素子部を保持させる力を作用させる締結部40とによって熱電変換装置を構成する。
【選択図】図2
Description
本発明は熱電変換装置に関する。
従来、一対のp型熱電素子とn型熱電素子とが電気的に直列に接続されて形成された熱電素子部によって吸熱および放熱を行う各種の熱電変換装置が提案されている。例えば、基板を介してp型熱電素子およびn型熱電素子と熱交換器との熱的接触を確保し、あるいは、基板を省略するとともに絶縁層等を介してp型熱電素子およびn型熱電素子と熱交換器との熱的接触を確保し、さらにp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の周辺で複数個のネジ等によって熱交換器を固定することによって熱電変換装置を構成している(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−125238号公報
従来の技術においては、熱電変換装置の製造に非常に慎重な作業が要求されていた。
すなわち、従来の技術においては、複数のp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の周辺において複数のネジ(例えば矩形の4隅に配置された4個のネジ)を締めつけることによって当該複数のp型熱電素子およびn型熱電素子を挟む熱交換器を固定している。従って、各ネジを締めつける際には熱交換器が傾き、各ネジからp型熱電素子およびn型熱電素子に作用する力は各ネジの近傍に配置された局所的なp型熱電素子およびn型熱電素子に対して伝達され、他の位置に配置されたp型熱電素子およびn型熱電素子には伝達されないと言う状況が発生し得る。熱電素子は一般に脆い素材で構成され、過度の力が作用することによって容易に破損してしまうため、複数のネジによって熱電変換装置を組み上げる際に、極めて慎重にネジ締めを行う必要があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、容易に製造可能な熱電変換装置を提供することを目的とする。
すなわち、従来の技術においては、複数のp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の周辺において複数のネジ(例えば矩形の4隅に配置された4個のネジ)を締めつけることによって当該複数のp型熱電素子およびn型熱電素子を挟む熱交換器を固定している。従って、各ネジを締めつける際には熱交換器が傾き、各ネジからp型熱電素子およびn型熱電素子に作用する力は各ネジの近傍に配置された局所的なp型熱電素子およびn型熱電素子に対して伝達され、他の位置に配置されたp型熱電素子およびn型熱電素子には伝達されないと言う状況が発生し得る。熱電素子は一般に脆い素材で構成され、過度の力が作用することによって容易に破損してしまうため、複数のネジによって熱電変換装置を組み上げる際に、極めて慎重にネジ締めを行う必要があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、容易に製造可能な熱電変換装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため本発明においては、複数のp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面や第2面に投影した領域の内側に第1穴,第2穴が形成された第1熱交換器,第2熱交換器に対して、第1穴および第2穴に挿入される締結部を介して熱電素子部を保持させる力を作用させる。すなわち、第1熱交換器と第2熱交換器との間の熱電素子部には複数のp型熱電素子およびn型熱電素子が配置されるが、この配置範囲の投影領域内に第1穴および第2穴が形成され、これらの穴に挿入された締結部を介して第1熱交換器と第2熱交換器とが複数のp型熱電素子およびn型熱電素子に対して接合するように力を作用させる。
このため、締結部から見て局所的な方向にのみp型熱電素子およびn型熱電素子が配置されることはなく、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の外側にネジ等の締結部を配置して固定を行う場合と比較して、締結部から見て広範囲な方向にp型熱電素子およびn型熱電素子が配置されることになる。従って、局所的なp型熱電素子およびn型熱電素子に対して過度の力を作用させることなく締結部による前記第1熱交換器と前記第2熱交換器との固定を行うことができ、熱電変換装置を容易に製造することが可能である。
なお、本発明において、p型熱電素子およびn型熱電素子は電極および絶縁層を介して第1熱交換器と第2熱交換器とに挟まれる構成であり、アルミナ等の基板によってp型熱電素子およびn型熱電素子を挟んだモジュールを熱交換器に接触させる構成ではない。従って、本発明によればアルミナ等の基板を省略することができ、p型熱電素子およびn型熱電素子と熱交換器との間において熱が効果的に流れるように構成することができる。このため、本発明によれば、高効率の熱電変換装置を容易に製造することが可能である。
ここで、熱電素子部においては、一対のp型熱電素子およびn型熱電素子が第1電極と第2電極とによって電気的に直列に接続され、複数個のp型熱電素子およびn型熱電素子の対によって熱電変換を実施可能に構成されていればよい。すなわち、第1電極と第2電極とのいずれか一方が吸熱側の電極となり、他方が放熱側の電極となり、p型熱電素子とn型熱電素子とに電流を流すことによって吸熱および放熱を行うことができればよい。むろん、電極間に温度勾配を与えることによって電力を取り出しても良い。
また、熱電素子部は、p型熱電素子およびn型熱電素子を備えることによってp型熱電素子およびn型熱電素子のそれぞれにおいて熱電変換を行うように構成されていればよい。従って、典型的には第1電極および第2電極とp型熱電素子およびn型熱電素子によって構成される一組の構成単位(π型ユニット)の吸熱側と放熱側とが共通の向きになるように各構成単位が配置される。各構成単位同士が電気的に直列に接続されていても良い。
第1熱交換器,第2熱交換器において、第1絶縁層,第2絶縁層は第1電極,第2電極が接合されることにより、第1電極および第2電極から電流が第1熱交換器,第2熱交換器に流れることを防止するとともに第1電極および第2電極から熱が第1熱交換器,第2熱交換器に流れるように構成することができればよい。また、第1絶縁層は第1電極と接合し、第2絶縁層は第2電極と接合すれば良く、各接合においては絶縁層と電極とを予め一体不可分に形成しておいても良いし、他の手段(例えば、ネジ等の固定手段)によって熱的接触を確保しながら接合する構成であっても良い。
第1熱交換器,第2熱交換器の第1面,第2面は、当該第1熱交換器,第2熱交換器の外周を構成する面であれば良く、形状は限定されないが、p型熱電素子およびn型熱電素子に対応した形状とされる。例えば、p型熱電素子とn型熱電素子とに形成された平面部分に平面状の第1電極や第2電極を形成し、これらの電極および絶縁層を介して第1面および第2面に沿ってp型熱電素子およびn型熱電素子を並べて配置する構成においては、各p型熱電素子とn型熱電素子とに形成された平面部分に対応させて第1面および第2面を平面状に形成する構成を採用可能である。この場合、第1穴,第2穴を第1面,第2面に対して垂直な方向に延びるように形成することが好ましい。
さらに、第1熱交換器,第2熱交換器に形成される第1穴,第2穴は、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面,第2面に投影した領域の内側に形成されていればよい。すなわち、第1穴,第2穴に挿入される締結部が各穴に挿入された状態で、当該締結部がp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を貫くように各穴が形成されていればよい。ここで、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲は、p型熱電素子およびn型熱電素子の集合において最も外周側に位置するp型熱電素子あるいはn型熱電素子に接しながら熱電素子部を囲む境界によって定義することができる。
締結部は、第1熱交換器と第2熱交換器とに対して力を作用させ、第1面と第2面との間に熱電素子部を保持させることができればよい。例えば、締結部を介して第1熱交換器と第2熱交換器とを結合する構成によって、対向する第1面と第2面とを相対的に近づけるための力を作用させる構成等を採用可能である。この構成によれば、締結部から見て広い範囲にp型熱電素子およびn型熱電素子が存在する状態で当該締結部を介して第1熱交換器と第2熱交換器とに力を作用させることができる。従って、第1面および第2面からp型熱電素子およびn型熱電素子に作用する力を分散させることができる。
さらに、第1面および第2面からp型熱電素子およびn型熱電素子に作用する力をより確実に分散させるため、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面,第2面に投影した領域の内側で第1穴,第2穴の位置を調整しても良い。すなわち、第1面,第2面に平行な面内で締結部を中心として互いに逆側の位置にp型熱電素子やn型熱電素子が存在するように第1穴,第2穴の位置を調整すれば、締結部を中心として両側に支点が存在する状態で締結部による第1熱交換器,第2熱交換器の固定を行うことができる。従って、局所的なp型熱電素子およびn型熱電素子に対して過度の力が作用することを抑制しながら固定を行うことができる。
さらに、より具体的な構成例として、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面および第2穴のそれぞれに投影した領域の重心位置に第1穴および第2穴のそれぞれを形成する構成としても良い。この構成においては、締結部が配置範囲を第1面,第2面のそれぞれに投影した領域の重心を通ることになるため、締結部から見て広範囲にp型熱電素子およびn型熱電素子が配置されることとなり、局所的なp型熱電素子およびn型熱電素子に対して過度の力が作用することを極めて効果的に抑制することができる。なお、第1穴,第2穴は上述の重心位置にそれぞれ一個形成される構成であればよいが、他の位置においても別の第1穴,第2穴を形成する構成であっても良い。
さらに、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲において、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置密度が均等になるように構成してもよいし、配置密度が位置毎に異なるように構成してもよい。前者によれば、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲にて吸熱および放熱効率が均等になるように構成することができる。後者によれば、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲にて吸熱および放熱効率を位置毎に変動させることができる。
さらに、第1熱交換器と第2熱交換器との位置を決定するための位置決め機構によって、第1面と第2面との間に熱電素子部を保持する際の第1熱交換器と第2熱交換器との位置を規制しても良い。この構成によれば、正確に第1熱交換器と第2熱交換器の位置を決定することができ、締結部によって第1熱交換器と第2熱交換器とを固定する際の作業性が向上する。
さらに、第1面と第2面との間であって、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の外側にシール部を配置しても良い。この構成によれば、第1面と第2面との間から熱が流入し、あるいは流出することを抑制することができるため、熱電変換効率を向上させることができる。なお、本発明においては、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の外側にネジ等を配置する必要がないため、シール部の配置自由度が高く、容易にシール部を構成することができる。
さらに、締結部によって第1熱交換器と第2熱交換器とを相対的に固定する構成の例として、ネジ機構を採用しても良い。すなわち、第1穴,第2穴をネジ穴によって構成し、締結部を雄ネジによって構成すれば、雄ネジをネジ穴に挿入して締結することによって第1熱交換器と第2熱交換器とを容易に固定することが可能になる。
さらに、締結部は第1穴と第2穴とに挿入されるため、第1熱交換器と第2熱交換器とは締結部を介して間接的に連結されることになる。そこで、締結部を介して第1熱交換器と第2熱交換器との間で熱が移動しないようにするため、締結部を断熱性の素材で構成したり、締結部を断熱性の素材でコーティングしたりすることが好ましい。むろん、締結部の断熱性能が第1熱交換器および第2熱交換器と比較して高ければよいが、締結部の断熱性能が高いほど熱電変換装置の効率向上に寄与する。断熱性の素材としては、例えば、樹脂が挙げられる。すなわち、締結部を雄ネジにて構成する際に、当該雄ネジを樹脂製のネジとすることが可能であり、この構成によれば、一般に、熱伝導性の高い金属等によって構成される第1熱交換器と第2熱交換器との熱的接触を抑制することができる。
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
(1)熱電変換装置:
(1−1)熱交換器:
(1−2)熱電素子部:
(2)他の実施形態:
(1)熱電変換装置:
(1−1)熱交換器:
(1−2)熱電素子部:
(2)他の実施形態:
(1)熱電変換装置:
図1,図2は、本発明の一実施形態にかかる熱電変換装置10を示す図であり、本実施形態における熱電変換装置10は、熱電素子部20と第1熱交換器31および第2熱交換器32と締結部40とを備えている。なお、図1は、直方体の第1熱交換器31における第1面31aに対して垂直な方向から熱電変換装置10を眺めた上面図である。図2は、図1のA−A断面図であり、締結部40や第1熱交換器31を分離した状態で示している。
図1,図2は、本発明の一実施形態にかかる熱電変換装置10を示す図であり、本実施形態における熱電変換装置10は、熱電素子部20と第1熱交換器31および第2熱交換器32と締結部40とを備えている。なお、図1は、直方体の第1熱交換器31における第1面31aに対して垂直な方向から熱電変換装置10を眺めた上面図である。図2は、図1のA−A断面図であり、締結部40や第1熱交換器31を分離した状態で示している。
(1−1)熱交換器:
第1熱交換器31は、対面する2個の正方形を含む直方体からなる良熱伝導体であり、当該正方形の一方は第1絶縁層31bが形成される第1面31aとなる。本実施形態において第1熱交換器31は、銅やアルミニウムあるいはこれらの金属を含んだ良熱伝導体で構成され、対面する2個の正方形に挟まれた平板状の直方体で構成される。また、第1面31aに形成される第1絶縁層31bは、アルマイト被膜を形成したアルミニウムや樹脂(熱伝導性のあるフィラーを含んだエポキシやイミド等の樹脂)等によって構成される。本実施形態において、第1絶縁層31bは、第1面31aより小さな矩形状に形成される。また、第1熱交換器31における上述の正方形の中央(重心位置)には、対面する2個の正方形をこれらの正方形に垂直な向きに貫通するネジ穴(第1穴31c)が形成されている。当該第1穴31cに対しては、第1面31aと逆側の面から樹脂製の締結部(雄ネジ)40を挿入することが可能である。
第1熱交換器31は、対面する2個の正方形を含む直方体からなる良熱伝導体であり、当該正方形の一方は第1絶縁層31bが形成される第1面31aとなる。本実施形態において第1熱交換器31は、銅やアルミニウムあるいはこれらの金属を含んだ良熱伝導体で構成され、対面する2個の正方形に挟まれた平板状の直方体で構成される。また、第1面31aに形成される第1絶縁層31bは、アルマイト被膜を形成したアルミニウムや樹脂(熱伝導性のあるフィラーを含んだエポキシやイミド等の樹脂)等によって構成される。本実施形態において、第1絶縁層31bは、第1面31aより小さな矩形状に形成される。また、第1熱交換器31における上述の正方形の中央(重心位置)には、対面する2個の正方形をこれらの正方形に垂直な向きに貫通するネジ穴(第1穴31c)が形成されている。当該第1穴31cに対しては、第1面31aと逆側の面から樹脂製の締結部(雄ネジ)40を挿入することが可能である。
第2熱交換器32は、対面する2個の正方形を含む直方体と当該正方形の一方に接続された複数の放熱フィン32dとからなる良熱伝導体であり、正方形の他方は第2絶縁層32bが形成される第2面32aとなる。本実施形態において第2熱交換器32は、銅やアルミニウムあるいはこれらの金属を含んだ良熱伝導体で構成され、対面する2個の正方形に挟まれた平板状の直方体で構成される。また、第2面32aに形成される第2絶縁層32bは、アルマイト被膜を形成したアルミニウムや樹脂(熱伝導性のあるフィラーを含んだエポキシやイミド等の樹脂)等によって構成される。本実施形態において、第2絶縁層32bは、第2面32aより小さな矩形状に形成される。
また、第2熱交換器32における上述の正方形の中央(重心位置)には、対面する2個の正方形をこれらの正方形に垂直な向き貫通するネジ穴(第2穴32c)が形成されている。当該第2穴32cに対しては、第2面32a側から締結部40を挿入することが可能であり、締結部40を第1穴31c,第2穴32cに挿入して締めつけることによって第1熱交換器31の第1面31aと第2熱交換器32の第2面32aとを互いに近づけるように力を作用させることが可能である。
なお、放熱フィン32dは、第2面32bと逆側の正方形の複数箇所から当該正方形に対して垂直な方向に延びる直方体状の部位であり、放熱効率を高めるために形成されている。すなわち、本実施形態における熱電変換装置10においては、第1熱交換器31の第1面31aと逆側の正方形側で吸熱を行い、第2熱交換器32の放熱フィン32d側で放熱を行うように構成される。
(1−2)熱電素子部:
熱電素子部20は一対のp型熱電素子およびn型熱電素子を備える構成単位を複数個備え、当該熱電素子部20は第1絶縁層31bと第2絶縁層32bとの間に挟まれるように設置される。本実施形態において、熱電素子部20は、複数のp型熱電素子21pおよびn型熱電素子21nと、複数の第1電極21aおよび第2電極21bとを備えている。p型熱電素子21pとn型熱電素子21nとは直方体状に形成されており、一方側の端部に第1電極21aが接続され他方側の端部に第2電極21bが接続される。なお、本実施形態においては、第1絶縁層31b側の電極を第1電極21a、第2絶縁層32b側の電極を第2電極21bと呼んでいる。
熱電素子部20は一対のp型熱電素子およびn型熱電素子を備える構成単位を複数個備え、当該熱電素子部20は第1絶縁層31bと第2絶縁層32bとの間に挟まれるように設置される。本実施形態において、熱電素子部20は、複数のp型熱電素子21pおよびn型熱電素子21nと、複数の第1電極21aおよび第2電極21bとを備えている。p型熱電素子21pとn型熱電素子21nとは直方体状に形成されており、一方側の端部に第1電極21aが接続され他方側の端部に第2電極21bが接続される。なお、本実施形態においては、第1絶縁層31b側の電極を第1電極21a、第2絶縁層32b側の電極を第2電極21bと呼んでいる。
また、熱電素子部20において第1電極21aおよび第2電極21bは、p型熱電素子21pおよびn型熱電素子21nを電気的に直列に接続するように構成されている。すなわち、1つの第1電極21aには一対のp型熱電素子21pとn型熱電素子21nとが接続され、当該一対のp型熱電素子21pとn型熱電素子21nとのそれぞれは、異なる第2電極21bに接続される。
本実施形態においては、当該第1電極21aおよび第2電極21bによって電気的に直列に接続されたp型熱電素子およびn型熱電素子がさらに複数個電気的に直列に接続されて熱電素子部20が構成される。なお、本実施形態における熱電素子部20は、予め第2熱交換器32側に形成され、第2絶縁層32bと第2電極21bとが接合された状態で第1熱交換器31の第1絶縁層31bを第1電極21aに接触させながら締結部40を締めることによって第1絶縁層31bと第1電極21aとを接合させることになる。
すなわち、本実施形態においては、第2熱交換器32に形成された第2絶縁層32bの表面に銅等の金属パターンを形成することで予め第2電極21bを形成し、当該第2電極21bの表面にp型半導体を接合してp型熱電素子21pとし、当該第2電極21bの表面にn型半導体を接合してn型熱電素子21nとする。なお、本実施形態において、p型熱電素子21pおよびn型熱電素子21nは略同じ長さの素子であり、例えば、Bi,Sbからなる群から選択される少なくとも1種の元素と、Te,Seからなる群から選択される少なくとも1種の元素とによって(Bi,Sb)2(Te,Se)3の組成の合金を生成することによって製造する。すなわち、当該合金において元素の組成比を調整することによってp型あるいはn型の半導体を形成し、適宜、熱処理等を行うことによって熱電素子を製造する。
さらに、p型熱電素子21pとn型熱電素子21nとの端部に銅等の金属パターンを形成して第1電極21aを形成することで、図2に示すように第2熱交換器32と熱電素子部20とが接合された状態を得る。一方、第1熱交換器31においては、予め第1絶縁層31bを形成しておく。この状態において、熱電素子部20に第1絶縁層31bを接触させながら締結部40を第1穴31cおよび第2穴32cに挿入し、締め付けを行うと、第1熱交換器31と第2熱交換器32とに対して第1面31aと第2面32aとの間に熱電素子部20を保持させる力を作用させることができ、熱電変換装置10を製造することができる。
以上の構成によれば、直列接続されたp型熱電素子21pとn型熱電素子21nとに対して所定の方向の電流を流すことによって第1熱交換器31側から吸熱し、第2熱交換器32側から放熱する熱電変換を行うことができる。また、第1穴31cおよび第2穴32cは、それぞれ、第1面31aおよび第2面32aを構成する正方形の重心に位置し、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面31aおよび第2面32aに投影した領域の重心は、当該正方形の重心と共通である。従って、第1穴31cおよび第2穴32cの開口部は、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面31aおよび第2面32aに投影した領域の内側に位置する。
すなわち、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲は、p型熱電素子およびn型熱電素子の集合において最も外周側に位置するp型熱電素子およびn型熱電素子に接しながら熱電素子部20を囲む境界によって定義することができる。このため、本実施形態におけるp型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を、第1熱交換器31と第2熱交換器32とにて熱電素子部20を挟んだ状態における第1面31aおよび第2面32aに投影すると、図1に一点鎖線で示すような矩形の領域Rとなる。図1のように、第1面31aに垂直な方向から当該領域Rを眺めると、第1穴31c(および第2穴32c)は当該領域Rの内側で開口しているため、当該第1穴31cに締結部40を挿入した状態において締結部40の軸周りの広い範囲に渡ってp型熱電素子およびn型熱電素子が存在することになる。
従って、締結部40によって第1熱交換器31と第2熱交換器32とを固定するに際して、第1熱交換器31から熱電素子部20に作用する力が熱電素子部20の局部に作用することを防止することができる。特に、本実施形態において第1穴31cおよび第2穴32cは、図1に示す領域Rの重心に位置するため、締結部40の軸周りのほぼ全範囲にp型熱電素子およびn型熱電素子が存在することになる。従って、締結部40の軸周りのほぼ全範囲に渡るp型熱電素子およびn型熱電素子によって第1絶縁層31bを支えた状態で締結部40による第1熱交換器31と第2熱交換器32との結合を行うことができ、極めて効果的に第1熱交換器31から熱電素子部20に作用する力を分散させることができる。
さらに、本実施形態における締結部40は、上述のように樹脂によって構成されている。本実施形態において、当該締結部40は第1熱交換器および第2熱交換器と比較して断熱性能の高い樹脂である。すなわち、第1熱交換器31と第2熱交換器32とに熱勾配が生じたときに締結部40を介して第1熱交換器31から第2熱交換器32に熱が移動すると、熱電変換装置10による熱電変換効率が低下するため、当該熱の移動をできるだけ抑制するために断熱性能の高い樹脂によって締結部40が形成されている。
従って、高い熱電変換効率の熱電変換装置10を構成することができる。特に、本実施形態においては、上述の領域Rの重心に位置する第1穴31cおよび第2穴32cに締結部40を挿入する構成であり、吸熱および放熱を行うp型熱電素子およびn型熱電素子はその周囲に位置する。従って、締結部40が熱勾配の最も生じやすい熱電素子部20の略中央に位置することになるが、本実施形態のように断熱性能の高い樹脂によって締結部40を構成することにより、熱電変換効率を低下させることなく熱電変換装置10を構成することが可能である。
さらに、本実施形態においては、第1熱交換器31および第2熱交換器32を一個の締結部40にて固定できるように第1穴31cおよび第2穴32cが形成されている。従って、複数の締結部(例えば、矩形の4隅に配置された4個のボルトなど)によって第1熱交換器31と第2熱交換器32とを固定する必要はない。このため、第1熱交換器31と第2熱交換器32との間の熱流路となり得る締結部の数を抑制し、当該熱流を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、第1熱交換器31および第2熱交換器32を一個の締結部40にて固定できるため、熱の流路となる第1面31aおよび第2面32aのできるだけ広い範囲にp型熱電素子およびn型熱電素子を配置することが可能である。すなわち、正方形の第1面31aおよび第2面32aの周縁に締結部40を挿入する必要はないので、第1面31aおよび第2面32aの縁側にもp型熱電素子およびn型熱電素子を配置することができ、従来の熱電変換モジュールと比較して単位面積当たりに配置可能なp型熱電素子およびn型熱電素子の数を多くすることができ、熱電変換性能を向上することができる。
さらに、本実施形態においては、予め第2熱交換器32側に熱電素子部20を形成しておき、締結部40によって第1熱交換器31を締めつける構成としてある。従って、締結部40によって第1絶縁層31bと第1電極21aとが接合されるものの、締結部40が一般的に備える遊びの範囲で第1熱交換器31には第1面31aと平行な方向に移動する自由度がある。このため、熱電変換装置10の動作に伴って第1熱交換器31等に熱膨張が生じたとしても当該熱膨張に伴って熱電素子部20が破壊されることを防止することができる。
(2)他の実施形態:
本発明においては、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面および第2面に投影した領域の内側に開口部が形成された第1穴および第2穴に締結部を挿入することで第1熱交換器と第2熱交換器とを相対的に固定することができればよく、上述の実施形態以外にも種々の構成を採用可能である。例えば、上述の実施形態において、第1穴および第2穴は領域Rの内側で開口していれば良く、その位置が領域Rの重心以外の位置に形成されていても良い。
本発明においては、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面および第2面に投影した領域の内側に開口部が形成された第1穴および第2穴に締結部を挿入することで第1熱交換器と第2熱交換器とを相対的に固定することができればよく、上述の実施形態以外にも種々の構成を採用可能である。例えば、上述の実施形態において、第1穴および第2穴は領域Rの内側で開口していれば良く、その位置が領域Rの重心以外の位置に形成されていても良い。
すなわち、第1穴および第2穴に挿入される締結部40から見て広範囲(締結部40の軸周りに90度以上の範囲)にp型熱電素子およびn型熱電素子が存在するように構成すれば、締結部40によって第1熱交換器31と第2熱交換器32とを固定するに際して、第1熱交換器31から熱電素子部20に作用する力が熱電素子部20の局部に作用することを防止することができる。また、第1穴および第2穴は領域Rの内側で開口するのであれば、第1穴および第2穴のそれぞれが複数個存在しても良い。
さらに、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲において配置密度が位置毎に異なるよう構成してもよい。図3Aは、熱電素子部20以外の構成が図1,図2と同様の構成である熱電変換装置100を第1熱交換器31における第1面31aに対して垂直な方向から眺めた上面図である。また、図1,図2と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している。
図3Aに示す実施形態において、p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を第1面や第2面に投影した領域Rは図1と同様の領域となるが、本実施形態においては、当該領域Rにおける単位面積当たりのp型熱電素子およびn型熱電素子の配置密度が位置毎に異なる構成となっている。すなわち、図3Aに示すように、第1穴31cより紙面上方側におけるp型熱電素子およびn型熱電素子の配置密度は、第1穴31cより紙面下方側におけるp型熱電素子およびn型熱電素子の配置密度より大きくなっている。従って、熱電変換装置100において第1穴31cより紙面上方側においては、第1穴31cより紙面下方側よりも単位面積当たりの熱交換効率が大きい。
このため、位置毎に異なる熱交換効率であることが望まれる対象に対して適用可能な熱電変換装置を提供することが可能である。また、温度勾配のある対象に対して適用して温度勾配を抑制する熱電変換装置を提供することも可能になる。むろん、p型熱電素子およびn型熱電素子は図3Aに示す例に限らず種々の配置密度で配置することが可能である。
さらに、位置決め機構によって、第1面31aと第2面32aとの間に熱電素子部20を保持する際の第1熱交換器31と第2熱交換器32との位置を決定する構成を採用しても良い。図3Bは、当該位置決め機構以外の構成が図1,図2と同様の構成である熱電変換装置101を示している。当該図3Bも第1熱交換器における第1面に対して垂直な方向から眺めた上面図であり、図1,図2と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している
図3Bに示す実施形態において、第1熱交換器310および第2熱交換器320は第1熱交換器31および第2熱交換器32のそれぞれとほぼ同様な構成であるが、正方形を構成する第1面および第2面のいずれか一方において、当該正方形の4隅に位置決めピンが形成され、第1面および第2面の他方においてピン挿入穴が形成される。図3Bに示す例においては、第1熱交換器310において第1面に対して垂直な方向(図3Bの紙面に垂直な方向)に延びるピン挿入穴310aが形成されている。また、図示しない第2熱交換器320において第2面に対して垂直な方向(図3Bの紙面に垂直な方向)に延びる円柱状のピンが形成されている。
当該ピンの半径はピン挿入穴310aの半径より僅かに小さく、各ピンをピン挿入穴310aに挿入可能である。すなわち、締結部40を第1穴310cに挿入した状態で第1熱交換器310を第2熱交換器320に近づけるにあたり、第2熱交換器320に形成されたピンが第1熱交換器310に形成されたピン挿入穴310aに挿入されると、締結部40の先端が第2熱交換器320に形成された第2穴に挿入されるように構成されている。このため、締結部40によって第1熱交換器310および第2熱交換器320を固定する際に極めて容易に両者の位置を決定することが可能である。
さらに、熱電変換装置において熱変換効率の低下を抑制し、また、湿気,腐食性ガス等の外部からの流入を防止するためにシール部を備える構成に本発明を適用しても良い。図3Cは当該シール部以外の構成が図1,図2とほぼ同様の構成である熱電変換装置102を示している。当該図3Cは図2と同様の断面図であり、図1,図2と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している。
図3Cに示す実施形態において、第1熱交換器311および第2熱交換器321が構成する正方形(第1面,第2面)の周縁部においては、熱電素子部20の外側(p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲の外側)に断熱性の樹脂製のシール部311aが挟まれている。すなわち、シール部311aは、柔軟性のある素材で構成されており、締結部40によって第1熱交換器311を第2熱交換器321に対して近づけながら締めていくと、第1熱交換器311からシール部311aに対して当該シール部311aを弾性変形させる力が作用する。この結果、シール部311aが弾性変形し、第1熱交換器311と第2熱交換器321との間にて熱電素子部20と外部(シール部311aの外側)との熱的接触を抑制し、また、湿気,腐食性ガス等の外部からの流入を防止することが可能である。
なお、本実施形態において、締結部40を挿入するための第1穴,第2穴は、第1熱交換器311および第2熱交換器321が構成する正方形の周縁部ではなく当該正方形の重心に形成される。従って、締結部40がシール部311aと緩衝することはなく、締結部40を避けてシール部311aを配置する必要はない。このため、シール部311aを備える熱電変換装置であっても多数のp型熱電素子およびn型熱電素子を配置可能な配置範囲を確保することが可能であり、単位面積当たりの熱電変換効率が高い熱電変換装置を提供することが可能である。
さらに、締結部は第1熱交換器と第2熱交換器とを相対的に固定するための力を作用させることができれば良く、上述のようなネジに限られない。例えば、バネ等の弾性体によって締結部に対して一方に向けた力を作用させる構成とし、当該力に逆向きの力を作用させながら締結部を第1穴および第2穴に挿入し、当該逆向きの力を解除することによって締結部を第1熱交換器と第2熱交換器とに対してセットする構成を採用可能である。すなわち、当該セットの結果、締結部に対して一方に向けた力が作用し、当該力が第1熱交換器と第2熱交換器とに対して両者を互いに近づける力となるような機構を構成してもよい。
10…熱電変換装置、20…熱電素子部、21a…第1電極、21b…第2電極、21n…n型熱電素子、21p…p型熱電素子、31…第1熱交換器、31a…第1面、31b…第1絶縁層、31c…第1穴、32…第2熱交換器、32a…第2面、32b…第2絶縁層、32c…第2穴、32d…放熱フィン、40…締結部
Claims (6)
- 第1電極と第2電極とによって電気的に直列に接続された一対のp型熱電素子およびn型熱電素子を複数個備える熱電素子部と、
前記第1電極が接合される第1絶縁層が形成された第1面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第1面に投影した領域の内側に開口部が形成された第1穴と、を備える第1熱交換器と、
前記第2電極が接合される第2絶縁層が形成された第2面と、前記p型熱電素子およびn型熱電素子の配置範囲を前記第2面に投影した領域の内側に開口部が形成された第2穴と、を備える第2熱交換器と、
前記第1穴および前記第2穴に挿入され、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器とに対して前記第1面と前記第2面との間に前記熱電素子部を保持させる力を作用させる締結部と、
を備える熱電変換装置。 - 前記第1穴および前記第2穴のそれぞれは、前記配置範囲を前記第1面および前記第2面のそれぞれに投影した領域の重心位置に形成されている、
請求項1に記載の熱電変換装置。 - 前記熱電素子部において、前記p型熱電素子およびn型熱電素子は前記配置範囲において配置密度が位置毎に異なる、
請求項1または請求項2のいずれかに記載の熱電変換装置。 - 前記第1面と前記第2面との間に前記熱電素子部を保持する際の、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器との位置を決定するための位置決め機構を備える、
請求項1〜請求項3のいずれかに記載の熱電変換装置。 - 前記第1面と前記第2面との間であって、前記配置範囲の外側に配置されるシール部を備える、
請求項1〜請求項4のいずれかに記載の熱電変換装置。 - 前記第1穴と前記第2穴とはネジ穴であり、
前記締結部は樹脂製の雄ネジである、
請求項1〜請求項5のいずれかに記載の熱電変換装置。
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-
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- 2008-07-09 JP JP2008178850A patent/JP2010021241A/ja not_active Withdrawn
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