(57)【要約】【課題】電源装置を設けることなく、冷却対象物の冷却、もしくは加熱対象物の加熱を行なう。【解決手段】ファン４を回転駆動するモータを、熱電変換モジュール２により変換発生される電力により駆動する。熱電変換モジュール２の下面２ｂに熱伝導材５を取り付け、熱伝導材５を熱源部７に接触するように取り付ける。熱源部７と熱電変換モジュール２の間の熱交換により、熱電変換モジュール２の上面２ａと下面２ｂの間に温度差が生じることで電力が発生し、この電力がファン４のモータに供給されて該ファン４が回転する。ファン４が回転することで、当該ファン４からの風が熱源部７に伝わる。よって熱源部７が有する熱の放熱が促進される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面を第１の熱交換面とし、他方の面を第２の熱交換面とし、前記第１の熱交換面と第２の熱交換面との間の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
この熱電変換モジュールから発生した電力を動力として回転するファンと
を備えたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記熱電変換モジュールの第１の熱交換面に放熱部材を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記熱電変換モジュールは、ビスマスおよびテルルを含む材料でなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記熱電変換モジュールは、第２の熱交換面を熱交換対象物と接触して取り付け、この第２の熱交換面と熱交換対象物との間の熱交換により第１の熱交換面と第２の熱交換面との間に温度差が生じて発電し、
前記ファンの回転によって発生する風を前記熱交換対象物に伝える構造としたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記熱電変換モジュールの第２の熱交換面と前記熱交換対象物との間に熱伝導部材を設けたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記熱伝導部材は、銅、アルミ、銀およびシリコンのうち少なくとも１種類の材料からなることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記熱伝導部材の形態が、板材、グリースおよびゲルの何れかであることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記熱伝導部材は、第１の熱伝導部材と、この第１の熱伝導部材と比較して熱伝導率が低い第２の熱伝導部材を組み合わせてなることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項９】
前記放熱部材の形態は、グリース、シート、ペースト、ゴムおよび板の何れかであることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
前記放熱部材の厚さが０．５ミリメートルから７ミリメートルの間であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項１１】
前記放熱部材は、シリコン、アルミナ、シリカ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、マグネシアおよび酸化亜鉛のうち、少なくとも１種類の材料からなることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項１２】
前記シリカは、溶融シリカ、結晶性シリカおよび球状シリカのうち何れかの形態であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換装置。
【請求項１３】
前記熱電変換モジュールの第１の熱交換面と前記熱交換対象物とは、磁石、挟み込み、溶接、ハンダ付けまたはろう付けにより取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項１４】
前記熱交換対象物は、配電盤の筐体であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項１５】
前記熱交換対象物は、コンプレッサの筐体であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項１６】
前記熱交換対象物は、コンピュータの中央処理装置であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項１７】
前記熱交換対象物は、液晶表示装置の液晶パネルであることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気，電子機器等において発熱する部分を冷却、または冷えた部分を加熱する熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、熱電変換素子は、直流電流により冷却または放熱を起こすペルチェ効果を利用した局部的な冷却システムに使用されている。熱電変換素子のもう一つの利用形態として、一方の面と他方の面との温度差により電気を発生するゼーベック効果を用いた発電システムとしての利用が考えられている。
【０００３】
現状の、熱電変換素子を複数組み合わせた熱電変換モジュールの主要用途の１つとして、パーソナルコンピュータ等の電子機器等におけるＣＰＵ（中央演算装置）の発熱部分の冷却が挙げられる。近年、ＣＰＵは、その高性能化に伴って発熱量が増大しているので、このＣＰＵを直接冷却する目的で熱電変換モジュールが使われる。ここでは、熱電変換モジュールの冷却面をＣＰＵに密着させ、同モジュールの発熱面を放熱器やヒートシンクと密着させる。そして、ＣＰＵの発熱量に応じて、熱電変換モジュールへの通電量を制御してＣＰＵの冷却を行なうものである。（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５３３９１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、熱電変換モジュールのペルチェ効果を利用して冷却対象物の冷却、もしくは加熱対象物の加熱を行なう際には、熱電変換素子に電力を供給するための電源装置が必要である。したがって、冷却対象物を常に冷却する目的で、冷却対象物を備えた機器に熱電変換素子を予め搭載する場合には、当該機器が大型化してしまうなどの問題が生ずる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、かかる問題を解決し、電源装置を設けることなく、冷却対象物の冷却、もしくは加熱対象物の加熱を行なうことが可能になる熱交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】
【０００６】
すなわち、本発明に係わる熱交換装置は、一方の面を第１の熱交換面とし、他方の面を第２の熱交換面とし、前記第１の熱交換面と第２の熱交換面との間の温度差により発電する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールから発生した電力を動力として回転するファンとを備えたことを特徴とする。
【０００７】
このような熱交換装置を用いれば、熱電変換モジュールの第１の熱交換面と第２の熱交換面との温度差により発電する熱電変換モジュールからの電力によりファンが回転するので、外部からの電源を供給することなく、ファンからの風の作用により、熱交換対象物にかかる熱交換を促進することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係わる熱交換装置では、第１の熱交換面と第２の熱交換面との温度差により発電する熱電変換モジュールからの電気を動力としてファンが回転するので、付近に熱交換対象物を設ければ、外部電源を用いることなく熱交換対象物の冷却または加熱を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面により本発明の実施形態について説明する。  
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態にしたがった冷却装置を冷却対象物に設置した状態を示す図である。  
図１に示した冷却装置１は、熱電変換モジュール２とファン４を備える。ファン４は、図示しないモータにより回転駆動される。熱電変換モジュール２の電圧出力は、配線６を介して、ファン４のモータの電源端子と電気的に接続される。
【００１０】
熱電変換モジュール２は、上面（第１の熱交換面）２ａと下面（第２の熱交換面）２ｂとの間に温度差が生じた際に発電する。熱電変換モジュール２の下面２ｂには熱伝導材５が取り付けられる。熱電変換モジュール２の上面２ａには放熱材料（放熱部材）３が取り付けられる。ファン４は、支持部材８を介して、放熱材料３の上に取り付けられる。熱電変換モジュール２と空気との熱交換のために放熱材料３を用いると、放熱フィンを用いた場合と比較して、冷却装置１全体の体積を少なくすることができる。
【００１１】
熱電変換モジュール２を構成する熱電変換素子の主成分は、ビスマスとテルルである。ビスマスとテルルを主成分とした熱電変換モジュール２は、摂氏２００度以下の温度条件下で使用する場合に適する。
【００１２】
図１に示すように、冷却装置１は、熱電変換モジュール２の下面２ｂに取り付けられた熱伝導材５が熱源部７に接触するように取り付けられる。熱源部７は、冷却装置１による冷却対象物である。熱伝導材５は、熱源部７に対し、例えば磁石、ねじ止め、挟み込み、溶接、ハンダ付けおよびロウ付けのうち何れかの手法により取り付けられる。前述した手法のうち、ねじ止めにより熱伝導材５を熱源部７に取り付けた際は、熱源部７が有する熱が、ねじに集中して移動することになり、熱交換の効率が悪い。一方、ねじ止め以外の各手法により熱伝導材５を熱源部７に取り付ければ、ねじ止めにより取り付けた場合と比較して、熱源部７が有する熱が特定の箇所に集中することがないので、熱交換の効率が良くなる。
【００１３】
図１に示した冷却装置１は、熱源部７から発生した熱を熱電変換モジュール２が吸熱して電気に変換し、その電気によりファン４を駆動させる。冷却装置１では、熱源部７からの熱を原動力としてファン４を駆動し、このファン４の羽根の回転により発生した風が熱源部７に伝わることで、当該熱源部７をより冷却することができる。
【００１４】
熱源部７は、自然放熱の作用、及び熱電変換モジュール２と放熱材料３による吸熱作用により、その熱量が消費される。また、ファン４により発生した風の自然対流により、熱源部７が有する熱の空気中への放熱が促進される。図２に、図１に示した冷却装置１のファン４が回転した際に発生する風の方向９を示す。また、熱源部７及び冷却装置１が、図示しない筐体に収められている場合には、ファン４から発生した風が筐体内で還流することにより、ファン４から発生した風が熱源部７に達し易くなるので、熱源部７の冷却効果が向上する。
【００１５】
図１に示した放熱材料３の形態は、グリース、シート、ペースト、ゴムまたは板の何れかであることが望ましい。放熱材料３を前述したような形態とすれば、この放熱材料３と熱電変換モジュール２との密着性が向上する。
【００１６】
また、放熱材料３の厚さは０．５ミリメートル以上で、かつ７ミリメートル以下であることが望ましい。放熱材料３の厚さが０．５ミリメートル未満であると当該放熱材料３による放熱効果が小さくなる。また、放熱材料３の厚さが７ミリメートルを超える場合には、熱源部７に対する放熱効果は変化しなくなる。
【００１７】
放熱材料３の主成分はシリコン、アルミナ、シリカ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、マグネシアおよび酸化亜鉛のうち何れか、もしくは２種類以上を組み合わせた材料から構成される。これらの材料を放熱材料３の主成分として用いれば、他の部材と比較して熱電変換モジュール２からの放熱効率が向上し、ひいては熱源部７が有する熱の放熱効率が向上する。また、放熱材料３の主成分として、前述したシリカを用いる場合、このシリカは溶融シリカ、結晶性シリカおよび球状（アモルファス）シリカの何れの形態であっても同様の放熱効果を示す。
【００１８】
図３に、図１に示した熱源部７に冷却装置１を取り付けない場合の当該熱源部７の温度と、熱源部７に冷却装置１を取り付けた場合の当該熱源部７の温度との比較を示す。  
図３に示すように、熱源部７に対し冷却装置１を設置することで、冷却装置１を設置しない場合と比較して、熱源部７の温度を３０％低減できる。加えて、図１に示した冷却装置１は、空冷用ファンを駆動させるための外部電源を必要としない。このため、外部電源を搭載した冷却装置と比較して、その体積を小さくすることが可能となる。
【００１９】
図１に示した冷却装置１が備えるファン４は、図２に示したような、ファン４を、当該ファン４の回転方向が熱電変換モジュール２の平板方向に沿うように設置する形態に限らず、図４に示すように、当該ファン４の回転方向が、熱電変換モジュール２の平板方向に対して垂直になるように設置する形態でも良い。図４は、図１に示した冷却装置１におけるファン４の設置位置を変更した例を示す図である。また、ファン４からの風の向き９が、熱電変換モジュール２や放熱材料３に対する吹き付け方向であっても逆方向であっても熱源部７の冷却効果は同様である。
【００２０】
図１に示したように、冷却装置１と熱源部７との接触部、つまり熱電変換モジュール２の下面２ｂに熱伝導材５を設けた事で、熱源部７と熱電変換モジュール２の間の熱伝導の応答性が向上する。これは、熱源部７の温度が経時変化する場合に特に有効である。熱伝導材５は、銅、アルミ、銀およびシリコンのうち何れかを主成分とすれば、熱伝導性が向上し、また、加工性が良くなる。また、熱伝導材５の形態を、板材、グリースまたはゲルとすれば、当該熱伝導材５と熱源部７との密着性が向上する。
【００２１】
図５および図６は、熱伝導材５の平面構成を示す図である。ここに一例を示すように、図１に示した熱伝導材５は熱源部７から熱電変換モジュール２への熱容量を調整するために、高熱伝導材料５ａと、この高熱伝導材料５ａよりも熱伝導率が低い低熱伝導材料５ｂの組合せから構成したものを用いる。
【００２２】
これにより、例えば、熱源部７から熱電変換モジュール２に移動した熱が、放熱材料３から外部に放熱しきれずに留まってしまうような場合であっても、熱源部７から熱電変換モジュール２間の熱交換の程度を抑制的に変化させることができるので、前述した熱電変換モジュール２内での熱の滞留を防ぐことが出来る。
【００２３】
以上のように、第１の実施形態にしたがった冷却装置では、熱源部７が有する熱が熱電変換モジュール２に吸熱されて伝導し、この熱電変換モジュール２の上面２ａと下面２ｂの間で温度差が生ずることにより発生した電力によりファン４を回転し、このファン４の回転により熱源部７がさらに冷却されるので、外部電源を設ける必要無しに、冷却対象物のより効率的な冷却を行なうことが出来る。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態に係る冷却装置１の構成は、図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その細部の図示および説明は省略する。第２の実施形態では、冷却装置１を配電盤に取り付ける。
【００２５】
図７（ａ）は、図１に示した冷却装置１を配電盤に取り付けた例を示す断面図である。図７（ｂ）は、図１に示した冷却装置１を配電盤に取り付けた例を、図７（ａ）に示した矢印Ａの視点からみた図である。
【００２６】
図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第２の実施形態にしたがった冷却装置１は、配電盤１１およびこの配電盤１１の筐体である配電盤カバー１２を冷却対象としており、冷却装置１を、熱電変換モジュール２の下面２ｂが配電盤１１および配電盤カバー１２に接触するようにそれぞれ取り付ける。配電盤１１は壁面１４に取り付けられ、開閉ノブ１３を有する。
【００２７】
図７（ａ）および（ｂ）では、冷却装置１を配電盤１１および配電盤カバー１２に取り付けた例を示したが、これらの何れか一方のみに取り付けてもそれぞれの冷却対象物に対する冷却効果が得られる。従来技術であると、配電盤の冷却には、新たに空冷用のファンを取り付け、このファンの電源を設けるために、新たな電源設置工事が必要であったが、冷却装置１は熱源を原動力とするために、電源を設ける必要は無く、経済性および設備性の観点から有効である。
【００２８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第３の実施形態に係る冷却装置１の構成は、図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その細部の図示および説明は省略する。第３の実施形態では、冷却装置１をコンプレッサに取り付ける。
【００２９】
図８（ａ）は、図１に示した冷却装置１をコンプレッサ２１に取り付けた例を示す図である。図８（ｂ）は、図１に示した冷却装置１をコンプレッサ２１に取り付けた例を図８（ａ）に示した矢印Ｂの視点からみた図である。
【００３０】
図８（ａ）および（ｂ）に示すように、第３の実施形態にしたがった冷却装置１は、コンプレッサ２１を冷却対象としており、熱電変換モジュール２の下面２ｂが熱伝導材５および取り付け台２３を介してコンプレッサ２１に接触するように取り付けられる。コンプレッサ２１の上部からはダクト２２が延出する。
【００３１】
冷却装置１を用いてコンプレッサ２１を冷却することで、当該コンプレッサ２１の寿命を長くすることが可能となり、かつ、空冷用ファンを駆動するための外部電源および電源回路が不要であるため、経済性および設備性の観点から有効である。
【００３２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、第４の実施形態に係る冷却装置１の構成は、図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その細部の図示および説明は省略する。第４の実施形態では、冷却装置１をパーソナルコンピュータのＣＰＵ（中央演算装置）に取り付ける。
【００３３】
図９は、図１に示した冷却装置１をＣＰＵ３１に取り付けた例を示す図である。図９に示すように、第４の実施形態にしたがった冷却装置１は、パーソナルコンピュータのＣＰＵ３１を冷却対象としており、熱電変換モジュール２の下面２ｂが熱伝導材５を介してＣＰＵ３１に接触するように取り付ける。ＣＰＵ３１は、パーソナルコンピュータの基板３２上に取り付けられ、ＣＰＵ３１および基板３２は、パーソナルコンピュータの筐体３３内に搭載される。
【００３４】
冷却装置１を用いてＣＰＵ３１を冷却することで、当該ＣＰＵ３１の安定して動作させることが可能となり、かつ、空冷用ファンを駆動させるための外部電源および電源回路が不要であるため、経済性の観点から有効である。加えて、ＣＰＵ３１および基板３２は、筐体３３に覆われており、冷却装置１のファン４が回転して発生した風の自然対流により、熱源であるＣＰＵ３１、およびこのＣＰＵ３１からの熱が移動している基板３２が短時間で空冷される。
【００３５】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、第５の実施形態に係る冷却装置１の構成は、図１に示したものと基本的にほぼ同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その細部の図示および説明は省略する。第５の実施形態では、冷却装置１を液晶表示装置の液晶パネルに取り付ける。
【００３６】
図１０（ａ）は、図１に示した冷却装置１を取り付ける液晶表示装置４１を示す正面図である。図１０（ｂ）は、図１に示した冷却装置１を液晶表示装置４１に取り付けた例を図１０（ａ）に示した矢印Ｃの視点からみた図である。
【００３７】
図１０（ｂ）に示すように、第５の実施形態にしたがった冷却装置１は、液晶表示装置４１の液晶パネル４２を冷却対象としており、熱電変換モジュール２の下面２ｂが、熱伝導材５を介して、液晶表示装置４１内の液晶パネル４２の裏側に接触するように取り付ける。
【００３８】
冷却装置１を用いて液晶パネル４２を冷却することで、液晶表示装置４１内の温度上昇を防ぐことが出来、かつ、空冷用ファンを駆動させるための外部電源および電源回路が不要であるため、経済性の観点から有効である。
【００３９】
以上説明した、各実施形態にしたがった冷却装置１では、熱源部７つまり発熱体を冷却していたが、この冷却装置１は、発熱体に限らず、加熱装置として冷体物の加熱にも用いることができる。具体的には、熱電変換モジュール２の下面２ｂを、熱伝導材５を介して冷体物に接触させれば、熱電変換モジュール２と冷体物の間の熱移動により、熱電変換モジュール２の下面２ｂと上面２ａとの間に温度差が生じ、ファン４のモータに電力が供給され、当該ファン４が回転する。ファン４の回転により生じた風が冷体物の周囲に還流することで冷体物と空気の間の熱交換が促進される。
【００４０】
なお、この発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態にしたがった冷却装置の構成を示す図。
【図２】図１に示した冷却装置におけるファンの回転による風の向きを示す図。
【図３】図１に示した熱源部に冷却装置を取り付けない場合の当該熱源部の温度と、熱源部に冷却装置を取り付けた場合の当該熱源部の温度との比較を示す図。
【図４】図１に示した冷却装置におけるファンの設置位置を変更した例を示す図。
【図５】図１に示した熱伝導材の平面構成を示す図（その１）。
【図６】図１に示した熱伝導材の平面構成を示す図（その２）。
【図７】図１に示した冷却装置を配電盤に取り付けた例を示す図。
【図８】図１に示した冷却装置をコンプレッサに取り付けた例を示す図。
【図９】図１に示した冷却装置をＣＰＵ（中央演算装置）に取り付けた例を示す図。
【図１０】図１に示した冷却装置を液晶表示装置に取り付けた例を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１…冷却装置、２…熱電変換モジュール、３…放熱材料、４…ファン、５…熱伝導材、５ａ…高熱伝導材料、５ｂ…低熱伝導材料、６…配線、７…熱源部、８…支持部材、９…風の方向、１１…配電盤、１２…配電盤カバー、１３…開閉ノブ、１４…壁面、２１…コンプレッサ、２２…ダクト、２３…取り付け台、３１…ＣＰＵ、３２…基板、３３…筐体、４１…液晶表示装置、４２…液晶パネル。
【図１】
2005136212.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005136212.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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