JPH1054624A

JPH1054624A - 熱電冷却装置

Info

Publication number: JPH1054624A
Application number: JP21241396A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tajima; 誠田島
Original assignee: Calsonic Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ペルチェ素子を用いた熱電冷却装
置に関し、吸熱および放熱性能を従来より大幅に向上す
ることを目的とする。【解決手段】ｐ型熱電半導体３３とｎ型熱電半導体３
１とを間隔を置いて交互に直列に配置するとともに、前
記ｐ型熱電半導体３３とｎ型熱電半導体３１との間に吸
熱用ヒートパイプユニット３９の導電部４１と放熱用ヒ
ートパイプユニット４３の導電部４５を交互に介装し、
前記吸熱用ヒートパイプユニット３９のヒートパイプ４
７と放熱用ヒートパイプユニット４３のヒートパイプ５
１とを逆方向に突出して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ素子を用
いた熱電冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、ペルチェ素子を用いたスポットク
ーラ等の熱電冷却装置が開発されている。一般に、ペル
チェ素子は、２種の金属を直列に結合し、直流電流を流
すと、一方の接合部では熱を吸収し、他方の接合部では
熱を発生するというペルチェ効果を用いた素子であり、
２種の素子にはｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が使用
される。

【０００３】図６は、ペルチェ素子を用いた熱電冷却装
置の原理を示すもので、ｎ型熱電半導体１１とｐ型熱電
半導体１３とが直列に配置され、端部のｎ型熱電半導体
１１側から電流が流れている。そして、電流がｎ型熱電
半導体１１からｐ型熱電半導体１３へ流れる接合面電極
１５と、ｐ型熱電半導体１３からｎ型熱電半導体１１に
流れる接合面電極１７とが、それぞれ同一側に位置する
ように配列されている。

【０００４】これにより、端部のｎ型熱電半導体１１側
から電流を流すと、ｎ型熱電半導体１１からｐ型熱電半
導体１３へ流れる接合面電極１５側が吸熱側となり、ｐ
型熱電半導体１３からｎ型熱電半導体１１に流れる接合
面電極１７側が発熱側となり電気的冷凍サイクルが形成
される。しかしながら、上述した吸熱側の接合面電極１
５および発熱側の接合面電極１７は、それぞれ電気的に
絶縁する必要があり、ペルチェ素子の成績係数（ＣＯ
Ｐ）を向上するために、例えば、図７に示すように、ヒ
ートシンク１９を接合する場合にも、セラミック等から
なる電気絶縁板２３を介装する必要があり、またその接
合に接着剤，熱伝導性グリース２５等を使用するため、
熱抵抗が大きくなり成績係数の低下の原因となってい
る。

【０００５】なお、図７は、吸熱側の接合面電極１５お
よび発熱側の接合面電極１７を拡大して示すもので、ヒ
ートシンク２１側では電気的な絶縁が不要であるため、
電気絶縁板２３の介装が行われていない。一方、一般
に、ヒートシンク１９，２１には、フィン１９ａ，２１
ａ付きのヒートシンクが使用されるが、この場合には、
フィン１９ａ，２１ａの熱伝導率が熱抵抗となり、フィ
ン１９ａ，２１ａを長く延ばして放熱面積を増加しても
性能の向上には限界がある。

【０００６】そこで、近時、図８に示すように、ｎ型熱
電半導体１１とｐ型熱電半導体１３との間にプレートフ
ィン２７，２９を直接介装し、プレートフィン２７，２
９を接合面電極として電気絶縁板を無くし、熱抵抗を改
善した熱電冷却装置が提案されている。そして、この熱
電冷却装置では、吸熱側のプレートフィン２７と放熱側
のプレートフィン２９とを逆方向に突出して配置し、各
プレートフィン２７，２９にコルゲートフィン２８を接
合して吸熱および放熱面積を拡大しており、ペルチェ素
子の成績係数が改善されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の熱電冷却装置では、プレートフィン２７，２
９を介してコルゲートフィン２８に熱が伝達されるた
め、熱流速に制限があり、プレートフィン２７，２９お
よびコルゲートフィン２８の面積を増大しても吸熱ある
いは放熱性能に限界があるという問題があった。

【０００８】本発明は、かかる従来の問題を解決するた
めになされたもので、吸熱および放熱性能を従来より大
幅に向上することができる熱電冷却装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の熱電冷却装置
は、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを間隔を置いて
交互に直列に配置するとともに、前記ｐ型熱電半導体と
ｎ型熱電半導体との間に吸熱用ヒートパイプユニットの
導電部と放熱用ヒートパイプユニットの導電部を交互に
介装し、前記吸熱用ヒートパイプユニットのヒートパイ
プと放熱用ヒートパイプユニットのヒートパイプとを逆
方向に突出してなることを特徴とする。

【００１０】請求項２の熱電冷却装置は、請求項１記載
の熱電冷却装置において、前記吸熱用ヒートパイプユニ
ットおよび放熱用ヒートパイプユニットは、導電材料か
らなる扁平長尺状の多穴管プレートの長手方向の中央を
折曲して、折曲部の両側に、所定間隔を置いて平行に一
対の多穴管コンテナ部を形成するとともに、前記一対の
多穴管コンテナ部の端部を、冷媒用タンクに連結してな
ることを特徴とする。

【００１１】請求項３の熱電冷却装置は、請求項２記載
の熱電冷却装置において、前記吸熱用ヒートパイプユニ
ットおよび放熱用ヒートパイプユニットは、コルゲート
フィンを介して複数積層され、隣接する吸熱用ヒートパ
イプユニットおよび放熱用ヒートパイプユニットの間に
電気絶縁体が介装されていることを特徴とする。請求項
４の熱電冷却装置は、請求項２または３記載の熱電冷却
装置において、前記ヒートパイプユニットの一対の多穴
管コンテナ部の間にコルゲートフィンを配置してなるこ
とを特徴とする。

【００１２】（作用）請求項１の熱電冷却装置では、ｎ
型熱電半導体からｐ型熱電半導体に電流が流れる位置に
吸熱用ヒートパイプユニットの導電部が直接介装され、
ｐ型熱電半導からｎ型熱電半導体に電流が流れる位置に
放熱用ヒートパイプユニットの導電部が直接介装され
る。

【００１３】そして、吸熱用ヒートパイプユニット側を
流れる空気等の流体の熱が吸熱用ヒートパイプユニット
のヒートパイプを介してペルチェ素子に迅速に吸熱さ
れ、一方、ペルチェ素子からの熱が放熱用ヒートパイプ
ユニットのヒートパイプを介して放熱用ヒートパイプユ
ニット側を流れる空気等の流体に迅速に放熱される。請
求項２の熱電冷却装置では、導電材料からなる扁平長尺
状の多穴管プレートの長手方向の中央を折曲することに
より、折曲部の両側に、所定間隔を置いて平行に一対の
多穴管コンテナ部が形成される。

【００１４】また、一対の多穴管コンテナ部の端部が、
冷媒用タンクに連結され吸熱用ヒートパイプユニットお
よび放熱用ヒートパイプユニットが形成される。請求項
３の熱電冷却装置では、吸熱用ヒートパイプユニットお
よび放熱用ヒートパイプユニットがコルゲートフィンを
介して複数積層される。また、隣接する吸熱用ヒートパ
イプユニットおよび放熱用ヒートパイプユニットの間に
電気絶縁体が介装され相互の絶縁が行われる。

【００１５】請求項４の熱電冷却装置では、吸熱用ヒー
トパイプユニットおよび放熱用ヒートパイプユニットの
一対の多穴管コンテナ部の間にコルゲートフィンが配置
される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図面に示す
実施形態について説明する。

【００１７】図１は、本発明の熱電冷却装置の第１の実
施形態を示しており、この熱電冷却装置では、ｎ型熱電
半導体３１とｐ型熱電半導体３３とが間隔を置いて交互
に直列に配置されている。そして、図の右端のｎ型熱電
半導体３１にはプラス電極３５が接続され、左端のｐ型
熱電半導体３３にはマイナス電極３７が接続されてい
る。

【００１８】ｎ型熱電半導体３１からｐ型熱電半導体３
３に電流が流れる位置には、吸熱用ヒートパイプユニッ
ト３９の導電部４１が直接介装され、ｐ型熱電半導体３
３からｎ型熱電半導体３１に電流が流れる位置には、放
熱用ヒートパイプユニット４３の導電部４５が直接介装
されている。吸熱用ヒートパイプユニット３９の導電部
４１には、図の下方に向けて吸熱用ヒートパイプ４７が
突設され吸熱側熱交換部４９が形成されている。

【００１９】また、放熱用ヒートパイプユニット４３の
導電部４５には、図の上方に向けて放熱用ヒートパイプ
５１が突設され放熱側熱交換部５３が形成されている。
吸熱用ヒートパイプ４７および放熱用ヒートパイプ５１
には、それぞれフィン５５が配置されている。吸熱用ヒ
ートパイプ４７の冷媒には、吸熱側熱交換部４９を通過
する空気等の流体の温度により沸騰し、ｎ型熱電半導体
３１の接合部３１ａの温度で凝縮する冷媒が選択されて
いる。

【００２０】また、放熱用ヒートパイプ５１の冷媒に
は、ｐ型熱電半導体３３の接合部３３ａの温度で沸騰
し、放熱側熱交換部５３を通過する空気等の流体の温度
により凝縮する冷媒が選択されている。上述した熱電冷
却装置では、ｎ型熱電半導体３１からｐ型熱電半導体３
３に向けて電流を流し、吸熱側熱交換部４９に空気等の
流体を流すと、フィン５５を介して吸熱用ヒートパイプ
４７の冷媒が沸騰し、潜熱で空気等の流体が冷却され
る。

【００２１】そして、沸騰した冷媒は、ｎ型熱電半導体
３１の接合部３１ａの温度で凝縮し、吸熱用ヒートパイ
プ４７の先端に環流される。一方、この時同時に、ｐ型
熱電半導体３３の接合部３３ａに導電部４５を介して接
合される放熱用ヒートパイプ５１の底部が加熱され冷媒
が沸騰し、沸騰した冷媒は、放熱用ヒートパイプ５１の
先端部でフィン５５を介して放熱側熱交換部５３を流れ
る空気等の流体により冷却され放熱用ヒートパイプ５１
の底部に環流される。

【００２２】そして、このような環流サイクルが、吸熱
用ヒートパイプ４７および放熱用ヒートパイプ５１に生
ずることにより、ｎ型熱電半導体３１の接合部３１ａの
温度と吸熱用ヒートパイプ４７のフィン５５の付け根の
温度、および、ｐ型熱電半導体３３の接合部３３ａの温
度と放熱用ヒートパイプ５１のフィン５５の付け根の温
度とが殆ど同じになる。

【００２３】すなわち、熱抵抗が極めて小さくなり、フ
ィン５５の面積増大分に比例して、吸熱および放熱性能
を向上することが可能になり、成績係数を従来より大幅
に改善することができる。図２ないし図４は、本発明の
熱電冷却装置の第２の実施形態を示しており、これらの
図において符号６１は吸熱用ヒートパイプユニットを、
符号６３は放熱用ヒートパイプユニットを示している。

【００２４】これ等の吸熱用ヒートパイプユニット６１
および放熱用ヒートパイプユニット６３は、アルミニウ
ムのクラッド材からなるコルゲートフィン６５を介して
水平方向に多数積層され、吸熱側熱交換部６７および放
熱側熱交換部６９が形成されている。隣接する吸熱用ヒ
ートパイプユニット６１および放熱用ヒートパイプユニ
ット６３の間には、電気絶縁板７１が介装されている。

【００２５】図５は吸熱用ヒートパイプユニット６１お
よび放熱用ヒートパイプユニット６３の詳細を示してお
り、符号７３は、扁平長尺状の多穴管プレートを示して
いる。この多穴管プレート７３は、例えば、アルミニウ
ム等の熱伝導性の良好な金属により形成されている。ま
た、この多穴管プレート７３は、押し出し成形により形
成され、図４に示すように、幅方向に所定間隔を置い
て、複数の管路７３ａが形成されている。

【００２６】この管路７３ａの内面には、微小な凹凸か
らなる図示しないウイックが形成されている。多穴管プ
レート７３の長手方向の中央は、Ｕ字状に折曲され、折
曲部７３ｃの両側に、所定間隔を置いて平行に一対の多
穴管コンテナ部７３ｄが形成されている。

【００２７】この一対の多穴管コンテナ部７３ｄの端部
は、ろう材７５を介して相互に当接され、冷媒用タンク
７７のタンク本体７９に形成される連結穴７９ａに嵌挿
されている。タンク本体７９は、アルミニウムからな
り、タンク本体７９の両側は、アルミニウムからなるパ
ッチエンド８１，８３により密閉されている。

【００２８】一側のパッチエンド８１には、作動液であ
る冷媒を供給するための作動液供給パイプ８４が開口さ
れている。一対の多穴管コンテナ部７３ｄの間には、コ
ルゲートフィン８５が配置されている。また、一対の多
穴管コンテナ部７３ｄの端部の外側には、アルミニウム
からなるプレート８７がろう付けされている。

【００２９】このプレート８７の表面は、ニッケルメッ
キした後に半田メッキされており、これと同様にニッケ
ルメッキした後に半田メッキされたｎ型熱電半導体３１
またはｐ型熱電半導体３３が接合される。そして、この
第２の実施形態の熱電冷却装置では、第１の実施形態の
熱電冷却装置と異なり多穴管コンテナ部７３ｄの端部が
直接導電部とされる。

【００３０】上述した熱電冷却装置では、先ず、一対の
多穴管コンテナ部７３ｄの間にコルゲートフィン８５を
挿入し、一対の多穴管コンテナ部７３ｄの端部に板状の
ろう材７５を挿入した状態で、一対の多穴管コンテナ部
７３ｄの端部をパッチエンド８１，８３の嵌挿されたタ
ンク本体７９の連結穴７９ａに嵌挿し、この状態で一対
の多穴管コンテナ部７３ｄの端部の外側にプレート８７
およびコルゲートフィン６５を当接し、これ等を熱処理
炉内で一体ろう付けすることにより、図５に示した吸熱
用ヒートパイプユニット６１および放熱用ヒートパイプ
ユニット６３が製造される。

【００３１】そして、次に、吸熱用ヒートパイプユニッ
ト６１および放熱用ヒートパイプユニット６３のコルゲ
ートフィン６５の間に電気絶縁板７１を配置し、プレー
ト８７にｎ型熱電半導体３１およびｐ型熱電半導体３３
を交互に配置し、さらに、両端に電極３５．３７を配置
して、図２に示したように吸熱用ヒートパイプユニット
６１および放熱用ヒートパイプユニット６３を積層し、
この状態で熱処理炉内において半田メッキを溶融するこ
とにより吸熱用ヒートパイプユニット６１および放熱用
ヒートパイプユニット６３がｎ型熱電半導体３１および
ｐ型熱電半導体３３を介して相互に半田付けされ図２に
示した形状の熱電冷却装置が製造される。

【００３２】なお、半田の融点は、ろう材の融点より充
分に低温であるため、半田付けによるろう付けへの影響
はない。そして、最後に、パッチエンド８１の作動液供
給パイプ８４に形成される冷媒注入口８４ａから、アセ
トン，フレオン等の冷媒が冷媒用タンク７７内に所定量
注入され、この後、冷媒注入口８４ａから冷媒用タンク
４３および多穴管コンテナ部７３ｄ内が真空引きされ、
作動液供給パイプ８４の冷媒注入口８４ａを封止するこ
とにより熱電冷却装置が製造される。

【００３３】上述した熱電冷却装置では、扁平長尺状の
多穴管プレート７３の長手方向の中央を折曲し、折曲部
７３ｃの両側に、一対の多穴管コンテナ部７３ｄを形成
するようにしたので、１部品により一対の多穴管コンテ
ナ部７３ｄを得ることができる。また、多穴管コンテナ
部７３ｄの一側に折曲部７３ｃが形成されるため多穴管
コンテナ部７３ｄを密閉するための蓋部材が不要にな
る。

【００３４】また、上述した熱電冷却装置では、一対の
多穴管コンテナ部７３ｄが折曲部７３ｃおよび冷媒用タ
ンク７７を介してループ状に形成されるため、吸熱用ヒ
ートパイプユニット６１および放熱用ヒートパイプユニ
ット６３の剛性が非常に高いものになる。さらに、上述
した熱電冷却装置では、吸熱用ヒートパイプユニット６
１および放熱用ヒートパイプユニット６３をコルゲート
フィン６５を介して複数積層したので、熱交換効率を向
上することができる。

【００３５】また、吸熱用ヒートパイプユニット６１お
よび放熱用ヒートパイプユニット６３の一対の多穴管コ
ンテナ部７３ｄの間にコルゲートフィン８５を配置した
ので、熱交換効率をより向上することができる。なお、
上述した熱電冷却装置は、スポットクーラ、携帯用のク
ーラ等に使用できることは勿論、制御盤等の筺体内の冷
却等、各種の簡便な冷却に広く使用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の熱電冷却
装置では、吸熱用ヒートパイプユニット側を流れる空気
等の流体の熱が吸熱用ヒートパイプユニットのヒートパ
イプを介してペルチェ素子に迅速に吸熱され、一方、ペ
ルチェ素子からの熱が放熱用ヒートパイプユニットのヒ
ートパイプを介して放熱用ヒートパイプユニット側を流
れる空気等の流体に迅速に放熱されるため、吸熱および
放熱性能を従来より大幅に向上することができる。

【００３７】請求項２の熱電冷却装置では、導電材料か
らなる扁平長尺状の多穴管プレートの長手方向の中央を
折曲し、折曲部の両側に、一対の多穴管コンテナ部を形
成するようにしたので、１部品により一対の多穴管コン
テナ部を得ることができる。また、多穴管コンテナ部の
一側に折曲部が形成されるため多穴管コンテナ部を密閉
するための蓋部材が不要になる。

【００３８】さらに、一対の多穴管コンテナ部が折曲部
および冷媒用タンクを介してループ状に形成されるた
め、吸熱用ヒートパイプユニットおよび放熱用ヒートパ
イプユニットの剛性が非常に高いものとなる。請求項３
の熱電冷却装置では、吸熱用ヒートパイプユニットおよ
び放熱用ヒートパイプユニットをコルゲートフィンを介
して複数積層したので、熱交換効率を向上することがで
きる。

【００３９】また、隣接する吸熱用ヒートパイプユニッ
トおよび放熱用ヒートパイプユニットの間に電気絶縁体
を介装したので、相互の絶縁を確実に行うことができ
る。請求項４の熱電冷却装置では、吸熱用ヒートパイプ
ユニットおよび放熱用ヒートパイプユニットの一対の多
穴管コンテナ部の間にコルゲートフィンを配置したの
で、熱交換効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電冷却装置の第１の実施形態を示す
説明図である。

【図２】本発明の熱電冷却装置の第２の実施形態を示す
正面図である。

【図３】図２の側面図である。

【図４】図２の断面図である。

【図５】図２の吸熱用ヒートパイプユニットおよび放熱
用ヒートパイプユニットを示す分解斜視図である。

【図６】ペルチェ素子の原理を示す説明図である。

【図７】従来の熱電冷却装置を示す説明図である。

【図８】従来の熱電冷却装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

３１ｎ型熱電半導体３３ｐ型熱電半導体３９，６１吸熱用ヒートパイプユニット４１，４５導電部４３，６３放熱用ヒートパイプユニット４７吸熱用ヒートパイプ５１放熱用ヒートパイプ６５，８５コルゲートフィン７１電気絶縁板７３多穴管プレート７３ｃ折曲部７３ｄ多穴管コンテナ部７７冷媒用タンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型熱電半導体（３３）とｎ型熱電半導
体（３１）とを間隔を置いて交互に直列に配置するとと
もに、前記ｐ型熱電半導体（３３）とｎ型熱電半導体
（３１）との間に吸熱用ヒートパイプユニット（３９，
６１）の導電部（４１）と放熱用ヒートパイプユニット
（４３，６３）の導電部（４５）を交互に介装し、前記
吸熱用ヒートパイプユニット（３９，６１）のヒートパ
イプ（４７）と放熱用ヒートパイプユニット（４３，６
３）のヒートパイプ（５１）とを逆方向に突出してなる
ことを特徴とする熱電冷却装置。
【請求項２】請求項１記載の熱電冷却装置において、前記吸熱用ヒートパイプユニット（３９，６１）および
放熱用ヒートパイプユニット（４３，６３）は、導電材
料からなる扁平長尺状の多穴管プレート（７３）の長手
方向の中央を折曲して、折曲部（７３ｃ）の両側に、所
定間隔を置いて平行に一対の多穴管コンテナ部（７３
ｄ）を形成するとともに、前記一対の多穴管コンテナ部
（７３ｄ）の端部を、冷媒用タンク（７７）に連結して
なることを特徴とする熱電冷却装置。
【請求項３】請求項２記載の熱電冷却装置において、前記吸熱用ヒートパイプユニット（３９，６１）および
放熱用ヒートパイプユニット（４３，６３）は、コルゲ
ートフィン（６５）を介して複数積層され、隣接する吸
熱用ヒートパイプユニット（３９，６１）および放熱用
ヒートパイプユニット（４３，６３）の間に電気絶縁体
（７１）が介装されていることを特徴とする熱電冷却装
置。
【請求項４】請求項２または３記載の熱電冷却装置に
おいて、前記吸熱用ヒートパイプユニット（３９，６１）および
放熱用ヒートパイプユニット（４３，６３）の一対の多
穴管コンテナ部（７３ｄ）の間にコルゲートフィン（８
５）を配置してなることを特徴とする熱電冷却装置。