(57)【要約】【課題】  接合部からの熱を均等に伝熱するように電極部材と熱交換部材とを構成させることで、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる熱電変換装置を実現する。【解決手段】  第１絶縁基板１１にＰ型、Ｎ型の熱電素子１２、１３を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板１０と、隣接して配列されたＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを電気的に接続する電極部材２０と、この電極部材２０から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材２５とを備え、電極部材２０は、隣接して配列された熱電素子１２、１３の両端に直列的に接続するように構成され、熱交換部材２５は、電極部材２０と熱電素子１２、１３の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材２０に構成した。これにより、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料からなる第１絶縁基板（１１）に、Ｐ型熱電素子（１２）およびＮ型熱電素子（１３）を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板（１０）と、
前記熱電素子基板（１０）に隣接して配列された前記Ｐ型熱電素子（１２）と前記Ｎ型熱電素子（１３）とを電気的に接続するために平板状に形成された電極部材（２０）と、
前記電極部材（２０）に伝熱可能に結合され、前記電極部材（２０）から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材（２５）とを備え、
前記電極部材（２０）は、隣接して配列された前記Ｐ型熱電素子（１２）と前記Ｎ型熱電素子（１３）との両端に直列的に接続するように構成され、
前記熱交換部材（２５）は、前記電極部材（２０）と前記熱電素子（１２、１３）の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように前記電極部材（２０）に構成したことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記熱交換部材（２５）は、前記電極部材（２０）の一端面から直交する外方向に延出する、棒状からなるピン部材（２５ｂ）もしくは薄肉の平板状からなるプレート部材（２５ａ）のいずれか一方の形状で形成し、その一端を前記電極部材（２０）の一端面に複数個、伝熱可能に結合したことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
棒状の絶縁材料からなる第１固定部材（２１ａ）が設けられ、
前記熱交換部材（２５）は、一端側および他端側の少なくとも一方に前記第１固定部材（２１ａ）により隣り合う個々の前記熱交換部材（２５）相互が電気的に絶縁された状態で固定する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。
【請求項４】
平板状の絶縁材料からなる第２固定部材（２１ｂ）が設けられ、
前記熱交換部材（２５）は、一端側および他端側の少なくとも一方に前記第２固定部材（２１ｂ）により隣り合う個々の前記熱交換部材（２５）相互が電気的に絶縁された状態で固定する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、隣接する熱電素子に接続する電極部材に設けられる熱交換部材の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱電変換装置として、例えば、特許文献１に示すように、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子をこの順序で複数組直列に接続して熱電素子群を構成し、この熱電素子群を吸熱電極部材および放熱電極部材で直列接続するとともに、上記熱電素子群の一方に突設して吸熱電極部材それぞれに吸熱熱交換部材を結合し、さらに熱電素子群の他方に突設して放熱電極部材それぞれに放熱熱交換部材を結合し、それぞれ吸熱熱交換部および放熱熱交換部を構成している。
【０００３】
そして、これらの熱交換部をそれぞれ構成する各熱交換部材は、熱電素子群の並ぶ方向に沿って折曲される第１の折曲片および熱電素子の並ぶ方向とほぼ直角曲げられる第２の折曲片を備え、隣接する第２の折曲片の相互は電気的に絶縁して固定することにより、吸熱熱交換部と放熱熱交換部とを区画する壁を有するように構成している。これにより、吸熱電極部材および放熱電極部材からの熱を効率的に取り出して熱交換効率が良好となるとともに、区画壁が形成されることで吸熱部と放熱部との分離が容易にできる構造を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３１６６２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１によれば、吸熱熱交換部材（または、放熱熱交換部材）は、熱の発生源であるＮＰ接続部（または、ＮＰ接続部）となる吸熱電極部材（放熱電極部材）から延長された第２の折曲片の立ち上がり部位に設けられている。つまり、吸熱電極部材（放熱電極部材）で発生した熱を第２の折曲片に伝熱させ、その伝熱した熱を第２の折曲片の先端側から末端側にかけて吸熱熱交換部材（または、放熱熱交換部材）で熱交換するようにしている。
【０００５】
従って、装置の小型化のために第２の折曲片を延長して吸熱熱交換部材（または、放熱熱交換部材）の放熱面積を増加するようにすると、先端側の吸熱熱交換部材（または、放熱熱交換部材）と末端側の吸熱熱交換部材（または、放熱熱交換部材）とにおいて、伝熱される熱の温度ムラが発生することで、一概に放熱面積を増加しても熱交換効率の低下を招くことで装置の小型化を図ることができない問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、接合部からの熱を均等に伝熱するように電極部材と熱交換部材とを構成させることで、熱交換効率を低下させることなく、かつ装置の小型化が図れる熱電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項４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、絶縁材料からなる第１絶縁基板（１１）に、Ｐ型熱電素子（１２）およびＮ型熱電素子（１３）を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成された熱電素子基板（１０）と、この熱電素子基板（１０）に隣接して配列されたＰ型熱電素子（１２）とＮ型熱電素子（１３）とを電気的に接続するために平板状に形成された電極部材（２０）と、この電極部材（２０）に伝熱可能に結合され、電極部材（２０）から伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部材（２５）とを備え、
電極部材（２０）は、隣接して配列されたＰ型熱電素子（１２）とＮ型熱電素子（１３）との両端に直列的に接続するように構成され、熱交換部材（２５）は、電極部材（２０）と熱電素子（１２、１３）の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材（２０）に構成したことを特徴としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、熱交換面積を増加させても熱交換部材（２５）に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止が図れることで、熱交換効率を低下させることはなく装置の小型化が図れる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、熱交換部材（２５）は、電極部材（２０）の一端面から直交する外方向に延出する、棒状からなるピン部材（２５ｂ）もしくは薄肉の平板状からなるプレート部材（２５ａ）のいずれか一方の形状で形成し、その一端を電極部材（２０）の一端面に複数個、伝熱可能に結合したことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、具体的には、ピン部材（２５ｂ）もしくはプレート部材（２５ａ）のいずれかで形成することで、熱交換面積を必要以上に増加することができるとともに、接合部からの熱をじかに熱交換部材（２５）に分散して伝熱させることができる。これにより、熱交換部材（２５）に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止ができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、棒状の絶縁材料からなる第１固定部材（２１ａ）が設けられ、熱交換部材（２５）は、一端側および他端側の少なくとも一方に第１固定部材（２１ａ）により隣り合う個々の熱交換部材（２５）相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、熱交換面積を増加することで熱交換部材（２５）の板厚が薄くなることで剛性が低下するが、棒状の第１固定部材（２１ａ）で熱交換部材（２５）を固定することにより、隣り合わせとなる、例えば、プレート部材（２５ａ）などが変形などで接触することはない。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、平板状の絶縁材料からなる第２固定部材（２１ｂ）が設けられ、熱交換部材（２５）は、一端側および他端側の少なくとも一方に第２固定部材（２１ｂ）により隣り合う個々の熱交換部材（２５）相互が電気的に絶縁された状態で固定することを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、例えば、ピン部材（２５ｂ）もしくはプレート部材（２５ａ）に見合う断面形状の溝部などを第２固定部材（２１ｂ）に形成することで、第２固定部材（２１ｂ）で熱交換部材（２５）を確実に固定および一体構成ができる。これにより、個々の熱交換部材（２５）が第２固定部材（２１ｂ）に相互間で接触なきように固定できる。
【００１５】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（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および図２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全体構成を示す模式図、図２は図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
本実施形態の熱電変換装置は、図１および図２に示すように、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３を交互に複数個配列してなる熱電素子基板１０と、その基板１０に隣接して配列されたＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを電気的に接続する複数個の電極部材２０と、その電極部材２０から伝熱する熱を吸熱、放熱する複数個の熱交換部材２５とから構成している。
【００１８】
まず、熱電素子基板１０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、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３を交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して一体構成にしたものである。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１３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。
【００１９】
なお、熱電素子基板１０は、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３を第１絶縁基板１１に略碁盤目状に配列するように基板穴（図示せず）を一体成形で形成している。このときに、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３の両端は、絶縁基板１１よりも上端面、下端面が外方に突き出すように形成している。
【００２０】
そして、電極部材２０は、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Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３を電気的に接続する電極部であり、例えば、銅材などの導電性金属からなる板材で平板状に形成している。そして、熱電素子基板１０に対して、上方側に配置される電極部材２０は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に電流を流すように、複数個碁盤目状に配設され、熱電素子基板１０に対して、下方側に配置される電極部材２０は、隣接するＮ型熱電素子１３からＰ型熱電素子１２に電流を流すように、複数個碁盤目状に配設されている。
【００２１】
なお、電極部材２０と隣接する熱電素子１２、１３の端面とは半田付けにより接合される。さらに、それぞれの電極部材２０の一端面には、直交する外方向に延出する複数個（本実施形態では、例えば６個）に積層したプレート部材２５ａが設けられている。このプレート部材２５ａは薄肉の伝熱性良好な銅材などの金属材料の板材からなり、断面がＬ字状に形成され、下端面が電極部材２０の一端面に半田付けにより接合されるようにしている。
【００２２】
また、図中に示す２１ａは、隣り合うプレート部材２５ａの相互間を接触させないように固定する部材である。つまり、図示しないがプレート部材２５ａに形成された固定穴にこの第１固定部材を貫通させて串状に差し込むことで、複数個のプレート部材２５ａが第１固定部材２１ａに一体構成される。
【００２３】
ところで、上記第１固定部材２１ａは、棒状の絶縁材料（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）から形成されており、図中に示すように、プレート部材２５ａの一端側および他端側に設けて固定させることで、隣り合う熱交換部材２５の相互間を電気的に絶縁された状態で固定も併せて行なうことができる。
【００２４】
また、熱電素子１２、１３の上方側に配設される電極部材２０および熱交換部材２５は、Ｐ型からＮ型に電流が流れるように接続し、熱電素子１２、１３の下方側に配設される電極部材２０は、Ｎ型からＰ型に電流が流れるように接続している。そして、図中に示す左右端に配設される電極部材２０には、それぞれ端子部２４ａ、２４ｂが設けられている。
【００２５】
そして、その端子部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。そして、図１に示すように、熱電素子基板１０に配設された左端からＰ型熱電素子１２、Ｎ型熱電素子１３、Ｐ型熱電素子１２の順に電気的に接続するように複数個配設されて、奥行き方向に列設して碁盤目状に構成される。
【００２６】
また、熱電素子１２、１３の両端がそれぞれ電極部材２０で電気的に接続されることで、端子部２４ａから入力された直流電源は、図中に示す左端のＰ型熱電素子１２から上方側の電極部材２０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から下方側の電極部材２０を介してＰ型熱電素子１２に直列的に流れる。
【００２７】
このときに、ＮＰ接合部を構成する下方側の電極部材２０は、ペルチェ効果によって低温の状態となり、ＰＮ接合部を構成する上方側の電極部材２０は高温の状態となる。これにより、上方側に配設される複数個の熱交換部材２５は、高温側となる電極部材２０より高温の状態の熱が伝熱され、言い換えれば放熱熱交換部が形成されて冷却流体が接触される。
【００２８】
一方、下方側に配設される熱交換部材２５は、冷温側となる電極部材２０より低温の状態が伝熱され、言い換えれば吸熱熱交換部が形成されて被冷却流体が接触される。そこで、熱電素子基板１０を区画壁として区画して、上方側、下方側にそれぞれ図示しないケース部材で空気通路を形成して、それぞれの空気通路に空気を流通させると、熱交換部材２５と空気とが熱交換され、上方側の熱交換部材２５で空気を加熱することができ、下方側の熱交換部材２５で空気を冷却することができる。
【００２９】
次に、以上の構成による熱電変換装置の組み付け方法について説明する。熱電素子基板１０は、熱電素子１２、１３を第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一体に構成する。なお、このときは、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製造してもよい。
【００３０】
そして、この熱電素子基板１０に隣接して配列された熱電素子１２、１３の両端に直列的に接続するように電極部材２０を碁盤目状に配置して半田付けにより接合する。これにより、上方側に配設される電極部材２０が隣接して配列されたＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３と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２０が隣接して配列されたＮ型熱電素子１３とＰ型熱電素子１２とを直列的に接続される。
【００３１】
次に、プレート部材２５ａを複数個積層して並べ、これに第１固定部材２１ａを串状に差し込んでプレート部材２５ａと第１固定部材２１ａとを一体に構成する。これにより、複数個の熱交換部材２５が第１固定部材２１ａに固定される。そして、一体構成された複数個の熱交換部材２５を電極部材２０の一端面にそれぞれのプレート部材２５ａの先端が電極部材２０の一端面に接するように設置させる。そして、その後電極部材２０の一端面とプレート部材２５ａの先端とを半田付けにより接合させる。
【００３２】
そして、上方側、下方側を図示しないケース部材により空気経路を形成するように組み付けることで、上方側に放熱熱交換部が形成され、下方側に吸熱熱交換部が形成されて、これに空気を流通させることで冷風、温風を得ることが可能となる。これにより、電極部材２０で生ずる熱が均等に個々のプレート部材２５ａに分散される。従って、熱交換部での温度ムラの防止が図れることで熱交換効率を低下することはない。
【００３３】
なお、本実施形態では、図示しない直流電源の正側端子を端子部２４ａ側に接続し、負側端子を端子部２４ｂ側に接続して端子部２４ａに直流電源を入力させたが、これに限らず、図示しない直流電源の正側端子を端子部２４ｂ側に接続し、負側端子を端子部２４ａ側に接続して端子部２４ｂに直流電源を入力させるように構成しても良い。
【００３４】
ただし、このときは、上方側にＰＮ接合部が形成されることで上方側に吸熱熱交換部が形成され、下方側にＮＰ接合部が形成されることで下方側に放熱熱交換部が形成される。つまり、隣接して配列された熱電素子１２、１３に流す電流の流れ方向を切り替えることで冷却もしくは加熱を切り替えることができる。因みに、この種の熱電変換装置として、半導体や電気部品などの発熱部品の冷却用や暖房装置などの加熱用に用いられる。
【００３５】
なお、本実施形態では、プレート部材２５ａを平板状に形成したが、これに限らず、平面部に切り起こしなどの加工を加えてルーバー、オフセットフィンなどで、さらに熱伝達率を拡大しても良い。これによれば熱交換部の小型化が図れる。
【００３６】
以上の第１実施形態による熱電変換装置によれば、熱交換部材２５を電極部材２０と熱電素子１２、１３の端面とが接続する接合面近傍より、その接合面で生じた熱を複数に分けて伝熱するように電極部材２０に構成したことにより、熱交換部材２５に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止が図れることで、熱交換効率を低下させることはなく装置の小型化が図れる。
【００３７】
具体的には、熱交換部材２５を電極部材２０の一端面から直交する外方向に延出する形状のプレート部材２５ａを形成して、その一端を電極部材２０の一端面に伝熱可能に複数個に分けて接合したことにより、熱交換面積を必要以上に増加することができるとともに、接合部からの熱をじかに熱交換部材２５に分散して伝熱させることができる。これにより、熱交換部材２５に均等の熱が伝熱されることで熱交換部の温度ムラの防止ができる。
【００３８】
また、棒状の第１固定部材２１ａを設け、複数個のプレート部材２５ａとを一体構成したことにより、熱交換面積を増加することでプレート部材２５ａが薄肉に形成されることで剛性が低下するが、第１固定部材２１ａで固定できるため変形などで接触することはない。さらに、隣り合わせとなる熱交換部材２５は電気的に絶縁させることができる。
【００３９】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、複数個のプレート部材２５ａを棒状からなる第１固定部材２１ａにより一体に構成させたが、これに限らず、図３に示すように、平板状の絶縁材料からなる第２固定部材２１ｂを設け、この第２固定部材２１ｂに複数個のプレート部材２５ａを固定させるようにして一体に構成しても良い。
【００４０】
具体的には、プレート部材２５ａの一端側と末端側との２箇所を第２固定部材２１ｂにより固定させる。つまり、一端側の第２固定部材２１ｂには、プレート部材２５ａが貫通するように図示しない基板穴を形成し、その基板穴にプレート部材２５ａを固定させる。そして、一端側の第２固定部材２１ｂには、プレート部材２５ａの末端が嵌め合うように図示しない溝部を形成し、その溝部にプレート部材２５ａの末端を嵌めて固定する。
【００４１】
なお、第２固定部材２１ｂは、例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂、もしくはＰＥＴ樹脂などの絶縁材料で形成している。これにより、第２固定部材２１ｂで熱交換部材２５を第１実施形態よりも確実に固定および一体構成ができる。従って、プレート部材２５ａ相互間が接触なきように第２固定部材２１ｂで固定できる。
【００４２】
また、複数個のプレート部材２５ａが第２固定部材２１ｂで一体構成されることで、熱電素子１２、１３の両端に接合された電極部材２０に、複数個の熱交換部材２５を組付ける組付け工程における組付性の向上が図れる。さらに、プレート部材２５ａの末端側に設けた第２固定部材２１ｂを、図３に示すように、空気通路を形成するケース部材と兼用させても良い。
【００４３】
また、図４に示すように、プレート部材２５ａの一端側に配設される第２固定部材２１ｂに、電極部材２０が一体に構成させても良い。つまり、第２固定部材２１ｂに、電極部材２０が嵌合する基板穴を形成して、電極部材２０を第２固定部材２１ｂに一体構成させて、一体構成された電極部材２０に複数個のプレート部材２５ａおよび第１固定部材２１ａを配設し、これらを一体に構成しても良い。
【００４４】
（第３実施形態）
以上の実施形態では、熱交換部材２５を薄肉のＬ字状からなるプレート部材２５ａで構成したが、これに限らず、図５に示すように、棒状からなるピン部材２１ｂで構成しても良い。そして、ピン部材２１ｂの下端面が電極部材２０の一端面に半田付けにより接合されるようにしている。なお、この場合には、平板状の第２固定部材２１ｂに電極部材２０が一体に構成するようにすると良い。
【００４５】
これによれば、プレート部材２５ａよりもピン部材２１ｂの方が剛性を高めることができるため、ピン部材２１ｂの他端側に第１固定部材２１ａもしくは第２固定部材２１ｂを不要とすることができる。従って、簡素な構造で熱交換部材２５を電極部材２０に配設できる。
【００４６】
なお、本実施形態では、電極部材２０の一端面にピン部材２１ｂを当接させて接合するように構成したが、図６に示すように、ピン部材２１ｂを電極部材２０に差し込んで接合するようにしても良い。これによれば、ピン部材２１ｂが電極部材２０に確実に結合できる。
【００４７】
また、電極部材２０を、図６に示すように、第２固定部材２１ｂの一端面に配置するように一体に構成しても良い。さらに、ピン部材２１ｂの他端側に第２固定部材２１ｂを設けて、空気通路を形成するケース部材と兼用させても良い。
【００４８】
（他の実施形態）
以上の実施形態では、プレート部材２５ａもしくはピン部材２１ｂを一つの電極部材２０に６個ずつ接合させて熱交換部材２５を形成したが、６個に限定するものではなく、電極部材２０で発生した熱が均等に分散するように形成すると良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態の変形例における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態の変形例における熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…熱電素子基板
１１…第１絶縁基板
１２…Ｐ型熱電素子
１３…Ｎ型熱電素子
２０…電極部材
２１ａ…第１固定部材
２１ｂ…第２固定部材
２５…熱交換部材
２５ａ…プレート部材
２５ｂ…ピン部材
【図１】
2006108253.tif 000003
【図２】
2006108253.tif 000004
【図３】
2006108253.tif 000005
【図４】
2006108253.tif 000006
【図５】
2006108253.tif 000007
【図６】
2006108253.tif 000008