JPH1084139A - 熱電変換装置 - Google Patents
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Abstract
れた熱電変換装置を提供する。 【解決手段】 N型半導体層ならびにP型半導体層を支
持する基体の半導体層支持面と反対側の面に対して液状
熱移動媒体21を衝突するように、前記液状熱移動媒体
21を前記半導体層支持面に供給する供給手段6、7を
設けたことを特徴とする。
Description
熱発電装置などの熱電変換装置に係り、特にそれの熱移
動媒体として水や不凍液などの流体を使用した熱電変換
装置に関する。
装置を説明するための図で、図26は熱電変換装置の断
面図、図27は図26のX−X線上の断面図である。
ックからなる吸熱側絶縁基板100と放熱側絶縁基板1
01との間に、電極ならびにP形,N形半導体層からな
る熱電変換素子群102が介在されている。
吸熱フィンなどが付設された吸熱部材103が取りつけ
られている。前記放熱側絶縁基板101の外表面には、
その基板101側に向けて開口した流路形成部材104
が取り付けられている。この流路形成部材104の内側
には、熱移動媒体である水105を放熱側絶縁基板10
1の外表面に沿って一方の端部から他方の端部に向けて
蛇行状に流すための仕切板からなる流路形成部材104
が設けられている。また、流路形成部材104の一方の
端部近くには供給管107が、他方の端部近くには排出
管108が、それぞれ取り付けられている。
流すとともに、前記供給管107から水105を流路形
成部材104に流入せしめる。そして吸熱部材103に
よって吸収した熱は吸熱側絶縁基板100ならびに熱電
変換素子群102を介して放熱側絶縁基板101に伝達
され、前述の水105をその放熱側絶縁基板101の外
表面に沿って蛇行状に流すことにより基板101の熱を
吸収し、その水105を排出管108から系外へ排出さ
せることにより、吸熱部材103側が冷却される。
04361号公報、特開平5−322366号公報、特
開平5−343750号公報などが挙げられる。
熱電変換装置ではまだ十分に高い熱電変換能力を得るこ
とができないという問題点を有している。
した結果、熱電変換装置の特に熱移動媒体の流し方に問
題があることを解明した。すなわち従来の熱電変換装置
では、熱移動媒体が絶縁基板の表面に沿って単に蛇行状
に流れるだけであるから、熱移動媒体と絶縁基板との間
の熱コンダクタンスが低く、そのために十分な熱電変換
能力を得ることができないことを見出した。
点を解消し、十分に高い熱電変換能力を有する性能的に
優れた熱電変換装置を提供することにある。
め、本発明は、N型半導体層ならびにP型半導体層を支
持する、例えば電気絶縁薄膜を有する金属板などからな
る基体の半導体層支持面と反対側の面に対して、例えば
水や不凍液などの液状熱移動媒体を例えばほぼ垂直に衝
突するように前記液状熱移動媒体を供給する、例えば分
散部材などを備えた供給手段を設けたことを特徴とする
ものである。
板)の表面に沿って液状熱移動媒体を流して、基体と液
状熱移動媒体の間で熱の移動を行っていた。これに対し
て本発明は、基体の面に対して液状熱移動媒体を衝突さ
せるもので、液状熱移動媒体の基体と接す状態が確実に
乱流となっているから、熱の移動が効率的になされ、そ
のために装置全体としての熱交換能力が高められる。
この熱移動媒体を使用した熱電変換装置の性能改善に関
する本発明者の全般的な知見について説明する。
を向上する方策に、〔I〕基板の熱抵抗の低減、〔II〕
熱移動媒体の流し方の改善、などが挙げられる。
段として、従来のアルミナなどによるセラミック製の絶
縁基板の代わりに、熱抵抗の低い例えばアルマイト層を
形成したアルミニウム基板のように絶縁薄膜を有する金
属基板を使用する方法がある。具体的にはアルミニウム
基板の表面に陽極酸化法によってアルマイト被膜を形成
する方法、あるいはアルミニウム基板の表面にアルミニ
ウムを溶射してその後アルマイト層に変成する方法など
がある。
うな肉厚のものを使用すると、金属基板はセラミック基
板に較べて熱による膨張、収縮の割合がはるかに大きい
から、放熱側基板−放熱側電極−P,N半導体層−吸熱
側電極−吸熱側基板の系において熱応力にともなう剪断
応力が増加して、信頼性の問題を発生する。
(例えば吸熱側基板)は通常のように肉厚にしておき、
他方の基板(例えば放熱側基板)は前記吸熱側基板より
も十分に薄くして、すなわち放熱側基板と吸熱側基板の
間で厚みに差を設けることにより、その放熱側基板を吸
熱側基板の熱変形に追従できるようにして、前記系内の
熱応力の発生を軽減することができる。
半導体層の占有密度(基板総面積に対するP,N半導体
層の断面積の総和の比率)が小さいときには逆に熱抵抗
の増加を招く恐れがある。
さいときには、基板は薄いままの状態で電極の面積を相
対的に広げ、有効伝熱面積を維持することにより、熱抵
抗の増加を抑制することができる。
は、熱電変換装置の全体的なシステムとしてみたとき、
例えば媒体を移動させるために必要な動力の少ない投入
電力で高い熱交換能力が得られるように改善する必要が
ある。
して、構造的に改良して有効伝熱面積の増加を図ること
が得策である。
して、熱伝達係数を高くすることが考えられ、そのため
には媒体を移動させるための投入電力を一定にした場
合、熱移動媒体の流路内での流動圧損を下げるととも
に、熱移動媒体の流量、すなわち熱移動量を増す方法が
得策である。本発明は、主にこの項の技術に関するも
のである。
する。図1は例えば冷蔵庫、冷凍庫、保冷庫などの電子
冷却装置として用いる熱電変換装置の斜視図、図2はそ
の熱電変換装置の断面図、図3は図2A−A線上の断面
図、図4ならびに図5はカバー部材の平面図ならびに断
面図、図6は分散部材の平面図、図7は図6B−B線上
の断面図である。
装置は被冷却側に接する吸熱部材1と、吸熱側基板2
と、熱電変換素子群3(図2参照)と、放熱側基板4
(図2参照)と、支持枠体5と、カバー部材6と、分散
部材7(図2参照)とから主に構成されている。
に多数の吸熱フィンを有しており、必要に応じてファン
を付設することができる。
共に例えばアルミニウムなどの金属板からなり、熱電変
換素子群3と接する側の表面に例えばアルマイトなどの
電気絶縁薄膜が形成されている。陽極酸化法によってア
ルマイトの絶縁膜を形成する場合、その絶縁薄膜に封孔
処理しない方が、熱電変換素子群3との接合性が良好で
ある。電気絶縁膜は、この他に溶射などで形成すること
も可能である。
板4は板厚が異なっており(本実施の形態の場合は吸熱
側基板2の板厚:5mm,放熱側基板4の板厚:0.2
mmで、吸熱側基板2≫放熱側基板4の関係にある)、
板厚の薄い方の基板が厚い方の基板の熱収縮(熱膨張)
によく追従でき、それにより吸熱側基板2−熱電変換素
子群3−放熱側基板4間の熱応力の発生を緩和してい
る。
が周知のように吸熱側電極と、放熱側電極と、両電極の
間に多数配置されたP型半導体層とN型半導体層とから
構成されており、P型半導体層とN型半導体層は構造的
ならびに熱的に並列に配置されているが、電気的には前
記電極を介して直列に接続されている。この熱電変換素
子群3は、1段であっても複数段(カスケード構造)で
あってもよい。
熱側基板4を支持するとともに、基端は前記吸熱側基板
2に取り付けられている。
上部に垂直方向に延びた給水管部8と排水管部9とが一
体に設けられ、給水管部8の方はカバー部材6のほぼ中
央に、排水管部9はカバー部材6の周縁近くに、それぞ
れ配置されている。カバー部材6の下半分には下方に向
けて開口した周壁10が設けられ、その内側に空間11
が形成され、そこに前記分散部材7が設置されている。
図6に示すように上面の略中央に円形の凹部12が形成
され、それを取り囲むように壁部13が設けられてい
る。分散部材7の外周部でかつその厚さ方向のほぼ中間
位置につば部14が設けられ、つば部14の四隅に比較
的径大の排出穴15が形成されている。
部に等間隔に8本の垂直に貫通した噴射孔16a〜16
iが設けられ、中央部の噴射孔16aは他の噴射孔16
b〜16iよりも若干径大となっている。
部材6の空間11内に挿入して、分散部材7の壁部13
の上面をカバー部材6の内面に、分散部材7のつば部1
4の外周面をカバー部材6の周壁10の内面に、それぞ
れ接着することにより、分散部材7がカバー部材6内で
位置決め固定される。そしてカバー部材6の内面と分散
部材7の上面の間に扁平状の第1空間17が、また周壁
10と壁部13とつば部14に囲まれて排水管9に連通
した四角の枠形の排水路18が、それぞれ形成される。
熱側基板4に接着することにより、分散部材7の下面と
放熱側基板4の上面との間に1〜3mm程度の隙間の狭
い扁平状の第2空間19と、その周囲に四隅の排水穴1
5に連通した集水路20が形成される。
を中央の給水管部8から供給すると第1空間17で一斉
に拡がり、9個の各噴射孔16a〜16iから放熱側基
板4の平面に向けて勢いよくほぼ垂直方向に噴射する。
放熱側基板4に衝突して放熱側基板4の熱を奪った水2
1は隙間の狭い第2空間19で拡散し、その周囲の集水
路20で集められ、近くの排出穴15から排水路18を
経て排水管部9から系外へ排出される。排出された水2
1は図示しないラジエタ−または自然放冷で冷却され、
循環系統を通って再利用される。
排出管部9がカバー部材6の周壁10に設けられ、集水
路20(図2参照)で集められた水21が排出管部9か
ら直接排水される。
分散部材7の下面に多数の管体22が一体に設けられ、
その管体22の孔が噴射孔16となっており、また管体
22と管体22の間の隙間が集水路20となっている。
は分散部材7の下面で噴射孔16の近くに水21の流れ
を案内するガイド部23が突設されており、ガイド部2
3の形状は彎曲していても直線状でもよく、分散部材7
の中央部側から周囲の集水路20側に向けて延びてい
る。
は分散部材7の中央部側から周囲の集水路20側に向け
て延びたスリット状の噴射孔16が複数本設けられてい
る。
はスリット状の4本の噴射孔16が集水路20とほぼ平
行に延びている。
は分散部材7の下面に複数の突出部24が設けられ、そ
の突出部24に1本もしくは複数本の噴射孔16が穿設
されて、突出部24と突出部24の間に集水路20が形
成されている。
は前述のような複数本の噴射孔16は形成されておら
ず、中央部に垂直に垂下した給水管部8を有する上部材
25と、排水管部9を有する下部材26との組み合わせ
で分散部材7が構成されている。
隙間の狭い扁平状の第2空間19が形成され、上部材2
5の中央突出部分と下部材26の内周の間に集水路20
が形成されている。
は給水管部8が分散部材7の側面から中央部下面に向け
て延びており、放熱基板4と衝突した水は分散部材7の
中央部上面から排出されるようになっている。
各実施例では噴射孔16あるいは給水管部8が放熱基板
4の面に対してほぼ垂直に配置されていたが、この例で
は噴射孔16あるいは給水管部8が放熱基板4の面に対
して傾斜して設けられており、この傾斜により水21の
流れ方向が一定となり、スムーズに流れて圧損の低減に
寄与している。
す図で、この例では放熱基板4に対する熱電変換素子群
3の取付け領域27が放熱基板4の中央部を基準にて四
方に分割され、その取付け領域27と取付け領域27の
間に断面形状が山形の屈曲部28が形成されている。こ
の屈曲部28は図に示すようにリブ状に連続していて
も、断続的なものでもよく、また屈曲部28は熱電変換
素子群3側に向けて突出しても、反対に熱電変換素子群
3とは反対側に向けて突出してもよい。なお、本実施例
では屈曲部28を十字状に形成したが、この屈曲部28
を多数形成することも可能である。
では放熱側基板4の熱電変換素子群3の取付け面とは反
対側の面に、例えば金網、エキスバンデットメタル、パ
ンチングメタルなどの開口率が大きくて薄い多孔性熱伝
導体29がスポット溶接などによって取付けられてい
る。
ように、放熱側基板4に屈曲部28を形成したり、ある
いは多孔性熱伝導体29を取りつけることにより、放熱
側基板4の表面近傍における水21の流れが乱流とな
り、そのため放熱側基板4に対する水21の熱吸収効率
が高くなる。
導体29は、放熱基板4の周辺のシール部分までは延び
ていない。
す図で、図20は熱電変換装置の断面図、図21は分散
部材の底面図である。熱電変換装置は被冷却側に接する
吸熱部材1と、ブロック状の吸熱側基板2と、熱電変換
素子群3と、放熱側基板4と、支持枠体5と、カバー部
材6と、分散部材7とから主に構成されている。
共に例えばアルミニウムなどの金属板からなり、熱電変
換素子群3と接する側の表面に例えばアルマイトなどの
電気絶縁薄膜が陽極酸化法などによって形成されてい
る。
熱側基板4を支持するとともに、基端は前記吸熱側基板
2にピン30により位置決めされ、接着剤31で固着さ
れている。
給水管部8と排水管部9とが一体に設けられ、給水管部
8の方はカバー部材6のほぼ中央に、排水管部9はカバ
ー部材6の周縁近くに、それぞれ配置されている。カバ
ー部材6には下方に向けて開口した周壁10が設けら
れ、その内側に前記分散部材7が設置され、周壁10の
下端はOリング32を介して放熱側基板4の周辺と液密
に接着されている。
に壁部13が立設され、底面部33には噴射孔34を有
する噴射ノズル35が多数等間隔に下方を向いて突出し
ている。
とにより、カバー部材6と分散部材7の間に扁平状の第
1空間17が、分散部材7と放熱側基板4の間に扁平状
の第2空間19が、また分散部材7の外側には排水路1
8が、それぞれ形成される。
の表面近くまで延びており、噴射ノズル35と放熱側基
板4の隙間は約1〜3mm程度である。
8から供給すると第1空間17で一斉に拡がり、各噴射
ノズル35から放熱側基板4の平面に向けて勢いよくほ
ぼ垂直方向に噴射する。放熱側基板4に衝突して放熱側
基板4の熱を奪った水21は隙間の狭い第2空間19で
拡散し、前記集水路20で集められ、排水管部9から系
外へ排出される。排出された水21は図示しないラジエ
タ−または自然放冷で冷却され、循環系統を通って再利
用される。
られた補強リブ、37は断熱層、38は吸熱側基板2と
熱電変換素子群3の間に介在された熱伝導率が大きくし
かも弾性を有する薄膜である。
す図で、図22は熱電変換装置の断面図、図23は放熱
側基板4の平面図である。この実施例で前記第13実施
例と相違する点は、図22に示されているように放熱側
基板4の表面に多数の凹凸部39を一体に形成し、分散
部材7の噴射ノズル35が各凹凸部39と対向している
点である。この実施例に係る凹凸部39は個別に独立し
た凹部を多数有しているが、溝状の凹部を設けることも
できる。いずれにしてもノズル35から噴射された水2
1はこの凹凸部39に衝突して砕かれながら、放熱側基
板4の熱を効果的に奪い取ることができる。
板4を使用した熱電変換装置(点線)と、図22に示す
ように表面に多数の凹凸部39を有する吸熱側基板4を
使用した熱電変換装置(実線)との、水21の流速と熱
コンダクタンスとの関係を図24に示す。
m、孔の数は24個、噴射ノズル35と吸熱側基板4の
隙間は2mmとした。また熱コンダクタンスhAは、下
式によって求めた。
衝突せしめる水21の流速を上げれば熱コンダクタンス
は高くなるが、特に表面に多数の凹凸部39を有する吸
熱側基板4を使用した熱電変換装置(実線)の方が高い
熱コンダクタンスを有し、性能的に優れていることが分
かる。
したが、本発明はこれに限られるものではなく、水以外
に例えば不凍液など他の液体を使用することもできる。
が、本発明はこれに限られるものではなく、例えばアル
ミナなどのセラミックや窒化アルミニウムなどを使用す
ることもできる。
接触させる場合について説明したが、前述の実施例に基
づいて吸熱側基体に熱移動媒体を接触させることも可能
である。
て説明したが、本発明は熱発電装置にも適用可能であ
る。
図の横軸に給水ポンプへの一定量の投入電力で熱電変換
装置に流れる水の流量(圧力損失ΔP×流速Gw)を、
縦軸に熱コンダクタンスを、それぞれとっている。図中
の曲線Aは図2に示す本発明の実施例の熱電変換装置、
曲線Bは図14に示す本発明の実施例の熱電変換装置、
曲線Cは図15に示す本発明の実施例の熱電変換装置、
曲線Dは図20に示す本発明の実施例の熱電変換装置、
曲線Eは図22に示す本発明の実施例の熱電変換装置、
曲線Fは図26、図27に示す従来の熱電変換装置の特
性である。
供給管107から排出管108にかけての水105の流
路が狭く、しかも複数回蛇行して距離が長いことから、
水105の圧損が大きい。また水105が放熱側絶縁基
板101の表面と平行になってほぼ層流状態で流れるた
め、放熱側絶縁基板101から水105への熱伝達が余
り良くないことから、曲線Fに示すように熱コンダクタ
ンスがもっとも小さい。
線A〜E)は、放熱側基板4の伝熱面に対して水21を
衝突するように供給して放熱側基板4から熱を奪い取る
ようになっており、しかも水21の流路長が従来のもの
に比較して短く、圧損が小さいことから、熱コンダクタ
ンスが大きく、優れた熱コンダクタンス特性を有してい
る。
て液状熱移動媒体を衝突させるもので、液状熱移動媒体
の基体と接する状態が確実に乱流となっているため、熱
の移動が効率的になされ、その結果、装置全体としての
熱交換能力が高められ、性能的に優れている。
縁薄膜を有する金属基体を使用すると、アルミナなどの
基体に較べて熱抵抗が極端に少ないから、さらに熱交換
能力が高められる。
対向する側にその基体のほぼ全面に臨む空間が形成され
て、基体の面に衝突した液状熱移動媒体がこの空間で拡
散されるようにすれば、液状熱移動媒体が基体の表面近
傍において広い領域にわたって素早く拡散するため、圧
損が少なくなり、さらに熱交換能力が高められる。
媒体衝突経路上に、上流側から下流側に向けて扁平状の
第1空間と、複数の噴射孔と、前記基体のほぼ全面に臨
む扁平状の第2空間とが連通するように設けられ、前記
第1空間に流入した液状熱移動媒体が各噴射孔から分散
した状態で基体の面に向けて噴射され、基体面に衝突し
た液状熱移動媒体が第2空間で拡散されるように構成す
れば、熱移動媒体の基体までの距離を従来のものに比較
して短く、しかも圧損を低くおさえることができるか
ら、さらに熱交換能力が高められるなどの利点を有して
いる。
基体の表面に対してほぼ垂直に衝突するように構成され
ておれば、熱移動媒体による熱の輸送が効率的に行なわ
れる。
持面と反対側の面の付近まで延びる噴射ノズルが供給手
段に多数設けられておれば、さらに熱移動媒体による熱
の輸送が効率的に行なわれる。
層支持面と反対側の面に液状熱移動媒体が衝突する凹凸
部が形成されておれば、図24の結果から明らかなよう
に高い熱コンダクタンスを有し、性能的にさらに優れた
熱電変換装置を提供することができる。
図である。
である。
ある。
である。
を断面にした底面図である。
部を断面にした底面図である。
部を断面にした底面図である。
部を断面にした底面図である。
部を断面にした底面図である。
面図である。
面図である。
噴射孔(給水管部)の一部拡大断面図である。
用いる放熱側基板の平面図である。
用いる放熱側基板の断面図である。
断面図である。
図ある。
断面図である。
面図ある。
第13実施例に係る熱電変換装置の水の流速と熱コンダ
クタンスとの関係を示す特性図である。
の熱電変換装置の熱コンダクタンス特性図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 N型半導体層ならびにP型半導体層を支
持する基体の半導体層支持面と反対側の面に対して液状
熱移動媒体を衝突するように、前記液状熱移動媒体を前
記半導体層支持面に噴射する供給手段を設けたことを特
徴とする熱電変換装置。 - 【請求項2】 請求項1記載において、前記基体が半導
体層支持面に電気絶縁薄膜を有する金属基体であること
を特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項3】 請求項1記載において、前記供給手段の
前記基体と対向する側にその基体のほぼ全面に臨む空間
が形成されて、基体の面に衝突した前記液状熱移動媒体
がこの空間で拡散されることを特徴とする熱電変換装
置。 - 【請求項4】 請求項1記載において、前記供給手段の
熱移動媒体衝突経路上に、上流側から下流側に向けて扁
平状の第1空間と、複数の噴射孔と、前記基体のほぼ全
面に臨む扁平状の第2空間とが連通するように設けら
れ、 前記第1空間に流入した液状熱移動媒体が各噴射孔から
分散した状態で基体の面に向けて噴射され、基体面に衝
突した液状熱移動媒体が第2空間で拡散されることを特
徴とする熱電変換装置。 - 【請求項5】 請求項1記載において、前記液状熱移動
媒体が前記基体の表面に対してほぼ垂直に衝突するよう
に構成されていることを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項6】 請求項1記載において、前記基体の半導
体層支持面と反対側の面の付近まで延びる噴射ノズルが
前記供給手段に多数設けられていることを特徴とする熱
電変換装置。 - 【請求項7】 請求項1記載において、前記基体の半導
体層支持面と反対側の面に液状熱移動媒体が衝突する凹
凸部が形成されていることを特徴とする熱電変換装置。 - 【請求項8】 請求項7記載において、前記凹凸部が前
記供給手段の噴射孔に対向して形成されていることを特
徴とする熱電変換装置。
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