(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の熱電素子モジュールの集熱面および放熱面への設置にあたり、集熱面、放熱面の製作誤差や熱変形などによる不均一の影響を受けることなく個々の熱電素子モジュールを良好な状態で設置する方法の提供。【解決手段】表面に集熱面を有する高温部材と、高温部材から離間した位置に配置され表面に放熱面を有する低温部材と、高温部材の集熱面上に行列状に設置された複数の熱電素子モジュール１と、熱電素子モジュール上に一端が配置され他端が低温部材の放熱面上に延在する熱伝達シート１４と、熱伝達シートを各熱電素子モジュール毎に高温部材上に固定する固定用治具１５とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に集熱面を有する高温部材と、前記高温部材から離間した位置に配置され表面に放熱面を有する低温部材と、前記高温部材の集熱面上に行列状に設置された複数の熱電素子モジュールと、前記熱電素子モジュール上に一端が配置され他端が前記低温部材の放熱面上に延在する熱伝達シートと、前記熱伝達シートを前記各熱電素子モジュール毎に前記高温部材上に固定する固定用治具とを具備することを特徴とする熱電素子装置。
【請求項２】
前記熱伝達シートは、前記行列状に配置された複数の熱電素子モジュールの各行毎に配置された帯状熱伝達シートであることを特徴とする請求項１記載の熱電素子装置。
【請求項３】
前記熱伝達シートは、前記行列状に配置された複数の熱電素子モジュールの全面を覆う幅広状熱伝達シートであることを特徴とする請求項１記載の熱電素子装置。
【請求項４】
前記固定用治具は断熱性ボルトによって前記高温部材に固定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電素子装置。
【請求項５】
前記断熱性ボルト全体が断熱性材料にて形成されていることを特徴とする請求項４記載の熱電素子装置。
【請求項６】
前記断熱性ボルトの中間部が断熱性材料にて形成されていることを特徴とする請求項４記載の熱電素子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ効果を利用した熱電素子装置の放熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子モジュールは、複数のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体から構成されており、熱エネルギを電気エネルギに、または電気エネルギを熱エネルギに変換することができる素子モジュールである。そして、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体を交互に規則的に格子状に配置し、各々の熱電半導体の両端部分を電気的に直列になるように接続する。
【０００３】
熱エネルギを電気エネルギに変換する場合を例に説明すると、低温部と高温部の温度差によるゼーベック効果により発電を行う熱電素子発電において、大きな電力を発電する場合には、単体の熱電素子モジュールの起電力が限られているため、複数の熱電素子モジュールを設置する必要がある。例えば、既存の一般的な平面寸法４ｃｍ×４ｃｍの熱電素子モジュールを温度差４０Ｋ程度で使用する場合には、単位モジュールあたりの起電力が約０．３Ｗであり１０Ｗ程度の発電を確保する場合には約３５個のモジュールを設置することが必要となる。
【０００４】
図５は従来の熱電素子装置の設置例を示したもので、図５（ａ）は要部平面図、図５（ｂ）は要部断面図である。この例においては、高温チャンバ７の集熱面５及び低温チャンバ８の放熱面６の間に熱電素子モジュール１を平面的に格子状に並べて設置し、接触加圧治具１３にて熱電素子モジュール１と集熱面５と放熱面６間に点線矢印で示した接触圧力１１を加え、熱伝導の向上を図っている。
【０００５】
これにより、高温チャンバ７の熱が集熱面５から熱電素子モジュール１に入熱し、さらに熱電素子モジュール１から熱が低温チャンバ８の放熱面６から放熱されることにより熱電素子モジュール１に温度差が発生し発電がなされる。
【０００６】
しかしながら、図５の構成においては集熱面５ならびに放熱面６の設置面積が大きく、集熱面５、放熱面６の歪みが発生する可能性がある。さらに、熱や接触圧にばらつきが生じたり、一部の熱電素子モジュール１と集熱面５、放熱面６との間に隙間が生じる。この結果、熱伝達性にばらつきが生じるとともに、熱電素子モジュール１に印加される局部応力によって熱電素子モジュール１が破損することも考えられる。これらを防止するためには集熱面５、放熱面６の歪みを防止しなければならず、製作精度の向上、熱変形への対応、点線矢印で示した接触圧１１の均一化が求められ、コスト増加につながることとなる。
【０００７】
このような問題点に対し、熱電素子モジュールの高温部と集熱面及び熱電素子モジュールの低温部と放熱面とのそれぞれの間に緩衝材としてシリコンゴムシートなどの熱伝達シートを介在させ、集熱面、放熱面の歪みや変形に対応するようにした構成も知られている（特許文献１を参照）。しかしながら、緩衝材として熱伝達シートによって集熱面、放熱面の歪みや変形に対応可能とするためには、シートに相当な厚みが必要であり、熱伝達シート自身の熱伝導率が一般的なシリコン製の熱伝達シートの場合で約２〜６Ｗ／ｍ・Ｋ程度であることから、効率的な熱伝達が困難となり、結果的に発電効率の低下につながる。
【０００８】
また、熱電素子ブロックの放熱面と離れた位置のヒートシンク間を熱伝導シートで連結する構成も知られている（特許文献２を参照）。このような構成とすることによって、熱電素子ブロックとヒートシンクを同一体として装着する必要がなく、熱電素子ブロックを狭い領域に配置することを可能とした。しかしながら、熱伝導シートと熱電素子ブロックならびに熱伝導シートとヒートシンク間のそれぞれの接続は接着剤によってなされており、接着剤として熱伝導率の良好な材料を利用するとしても十分な熱的結合がなされないおそれがある。
【特許文献１】特開平９−１８１３６１号公報
【特許文献２】特開２００４−７９８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した各種問題点に鑑み、複数の熱電素子モジュールの集熱面および放熱面への設置にあたり、集熱面、放熱面の製作誤差や熱変形などによる不均一の影響を受けることなく個々の熱電素子モジュールを良好な状態で設置することを可能とした熱電素子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る熱電素子装置は、表面に集熱面を有する高温部材と、前記高温部材から離間した位置に配置され表面に放熱面を有する低温部材と、前記高温部材の集熱面上に行列状に設置された複数の熱電素子モジュールと、前記熱電素子モジュール上に一端が配置され他端が前記低温部材の放熱面上に延在する熱伝達シートと、前記熱伝達シートを前記各熱電素子モジュール毎に前記高温部材上に固定する固定用治具とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に係る熱電素子装置は、熱伝達シートが、行列状に配置された複数の熱電素子モジュールの各行毎に配置された帯状熱伝達シートであることを特徴とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に係る熱電素子装置は、熱伝達シートが、行列状に配置された複数の熱電素子モジュールの全面を覆う幅広状熱伝達シートであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４に係る熱電素子装置は、固定用治具が断熱性ボルトによって前記高温部材に固定されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５に係る熱電素子装置は、断熱性ボルト全体が断熱性材料にて形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６に係る熱電素子装置は、断熱性ボルトの中間部が断熱性材料にて形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る熱電素子装置によれば、同一面に行列状に複数の熱電素子モジュールを設置した場合に、集熱面および放熱面の凹凸などに影響を受けることなく熱電変換を効率的に行うことが可能となった。特に、熱伝達シートを各熱電素子モジュール毎に固定用治具によって強固に熱結合することにより、個々の熱電素子モジュールの適切な設置状況を設定・管理可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１〜図３は本発明の第１の実施形態を説明する図であるが、図１は上面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。熱電素子モジュールに温度差を供給するための高温チャンバ７と低温チャンバ８は離間して配置されており、複数の熱電素子モジュール１は高温チャンバ７上に熱的結合をもって配置されている。熱電素子モジュール１は格子状に配置されていて、図の例では横方向すなわち各行に６個の熱電素子モジュール１が配置され、縦方向すなわち各列に４個の熱電素子モジュール１が配置されており、各行間ならびに列間は等間隔すなわち平行に形成されている。
【００１８】
各熱電素子モジュール１の高温部２と高温チャンバ７の集熱面５との間は熱伝導グリス１２を介して熱的に接続されている。そして、熱電素子モジュール１の低温部３には例えば柔軟性があり熱伝導率の高いシリコンゴムからなる熱伝達シートが熱的に結合されている。この熱伝達シートは格子状に配置されている熱電素子モジュール１の各行毎に帯状熱伝達シート１４が結合されており、この帯状熱伝導シート１４は高温チャンバ７から低温チャンバ８の上面すなわち放熱面６へ延在している。帯状熱伝達シート１４は、図１に示すように各行毎に熱電素子モジュール１上から低温チャンバ８上へ達している。この結果、熱電素子モジュール１の低温部３から放熱すべき熱は図の点線矢印２１で示した熱伝達方向へ伝達されることになる。
【００１９】
このように帯状熱伝達シート１４が熱電素子モジュール１上ならびに低温チャンバ８上に設置されるが、単に熱伝導率の良好な接着剤で接続するのみでは十分な熱結合が期待できないことから、本発明においてはさらに強固に熱結合がなされるように構成したものである。すなわち、帯状熱伝達シート１４の上面から固定用治具１５で圧着することにより、帯状熱伝達シート１４と熱電素子モジュール１ならびに低温チャンバ８とのより強固な熱結合を可能とした。
【００２０】
固定用治具１５は、各熱電素子モジュール１単位に分割して固定することにより最も放熱を要する熱電素子モジュール１の上面すなわち低温部３により一層強固に熱結合がなされる。各熱電素子モジュール１毎に結合された固定用治具１５は、それぞれ各熱電素子モジュール１の上端ならびに下端を２個の固定用ボルト１９によって高温チャンバ７へ達するように螺合される。また、帯状熱伝達シート１４の低温チャンバ８の上面すなわち放熱面６上にあっても、固定用治具１５は図１のごとく熱電素子モジュール１上に設けた固定用治具１５と同様に分割された形状であって、各々上下４個の固定用ボルト１９によって、低温チャンバ８へ螺合され強固に熱結合がなされている。
【００２１】
このようにして、帯状熱伝達シート１４を固定用治具１５によってすべての熱電素子モジュール１上に強固に結合したことによって、熱電素子モジュール１が設置された集熱面５に製作誤差や熱変形などにより凹凸が生じていた場合であっても、帯状熱伝達シート１４に柔軟性があるため、すべての熱電素子モジュール１に対して熱的接触を確保することが可能となった。また、帯状熱伝達シート１４は面方向に高い熱伝導率を持ち、かつ各固定用治具１５によって強固に結合されているため、効率的に低温チャンバ８の放熱面６の全面にわたり均一に熱伝達を可能とした。
【００２２】
なお、帯状熱伝達シート１４を熱電素子モジュール１の上面に固定用ボルト１９によって固定する場合には、図２に示すように各固定用ボルト１９は高温チャンバ７に達するように螺合することになる。従って、固定用ボルト１９を通常の熱伝導性の良好なステンレスなどの金属製の部材では、発電に供すべき高温チャンバ７の熱を固定用ボルト１９から無駄に放熱してしまうことになる。
【００２３】
このため、固定用ボルト１９としては熱伝導率の低い材料からなる断熱性ボルト１７を用いることが好ましい。この断熱性ボルト１７としては、図２に説明の都合上同一図面に構成の異なる２種類の断熱性ボルトを並べて示してある。図の右側のボルトは全体が断熱性材料から形成されたいわゆる断熱性ボルト１７である。また、図の左側の固定用ボルト１９はボルトの中間部のみ断熱スペーサ１６が設けられており、他の部分は熱伝導率の高い材料から構成されている。この場合であっても高温チャンバ７の熱を固定用ボルト１９を介して放熱することを防止することが可能である。なお、帯状熱伝達シート１４を低温チャンバ８の放熱面６上へ固定する固定ボルト１９は、断熱性ボルトなどを使用する必要がなく、通常の熱伝導率の高い材料からなるボルトによって問題はない。
【００２４】
このように、行毎に配列されている熱電素子モジュール１に対応するように帯状の熱伝達シートを利用し、各熱電素子モジュール１に固定用治具１５によって強固に熱結合することにより、各熱電素子モジュールの熱を速やかに低温チャンバ８へ伝達することを可能とした。特に、帯状熱伝達シート１４を各熱電素子モジュール１毎に分割された固定用治具１５によって個々固定したことによって、より一層熱的結合を強固なものとすることが可能となった。
【００２５】
次に、図４を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。すなわち、この例では熱伝達シートとして幅広熱伝達シート１８を利用したものである。なお、この場合であっても前述の例と同様に熱電素子モジュール１毎に固定用治具１５によって断熱性ボルトを利用して熱結合を行うことは同じである。このように幅広熱伝達シート１８を利用することによって、帯状熱伝達シート１４の場合と異なり、全ての熱電素子モジュール１全面を一枚のシートで覆うことなり工程の簡素化を図る際によい。ただし、全面を覆うことから、帯状熱伝達シートの場合と面方向の熱伝達特性を考慮して帯状シートを利用するか、幅広シートを利用するかを選択することが好ましい。
【００２６】
また、熱伝達シートとしては、シリコンゴムなどのほかに炭素系素材を利用することも可能である。一般に炭素繊維（炭素繊維を編みこみ布状としたものも含む）、カーボングラファイト、カーボンナノチューブ（シート状に形成したものを含む）などの炭素系素材は特定の方向（例えば、繊維方向、シートの面方向など）に対しての熱伝導率が高く、熱伝達シートして適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための上面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するための上面図。
【図５】従来の熱電素子装置の設置例を示した図。
【符号の説明】
【００２８】
１…熱電素子モジュール、２…高温部、３…低温部、５…集熱面、６…放熱面、７…高温チャンバ、８…低温チャンバ、１２…熱伝導グリス、１４…帯状熱伝達シート、１５…固定用治具、１６…断熱スペーサ、１７…断熱性ボルト、１８…幅広熱伝達シート、１９…固定用ボルト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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