JP2011021795A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率が高い熱交換器を提供することである。
【解決手段】熱電素子２１、２２を含む熱電モジュール２と、熱電モジュール２の片面又は両面に配設された伝熱フィン４と、熱電モジュール２と伝熱フィン４とを挟持するための弾性を有する挟持部材６とを備える。挟持部材６は、対向して設けられた挟持部６１と、挟持部６１を連結する連結部６２から成り、熱電モジュール２と伝熱フィン４とを挟持部６１により挟持する。挟持部材６は、所定の間隔に配置された複数の挟持部材６の連結部６２を互いに連結して一体に形成してもよい。少なくとも連結部６２に断熱材６４を備えることもできる。熱電素子２１、２２はペルチェ素子で構成することができる。伝熱フィン４はコルゲートフィンであってもよい。熱電モジュール２の伝熱フィンが配設された面と対向する面に熱交換媒体が通過する配管８を設けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

空気や冷媒などの流体を熱交換媒体として外部との間で熱交換を行う熱交換器が知られている。ペルチェ素子等の熱電素子を含む熱電モジュールを備えた熱交換器が流体を介して熱交換を行う場合、熱電モジュールの外面に熱交換用のフィンが設けられる。

例えば、熱交換用のフィンにヒートシンクを用いる方法が下記特許文献１に開示されている。ヒートシンクは、熱電モジュールとの接合面に熱伝導グリスを塗布して熱電モジュールに直接ネジ止めされる。この場合、熱交換器全体が大きく、重いものになってしまう。

熱交換器を小型軽量化するために、熱交換用のフィンにコルゲートフィンを用いる方法が下記特許文献２に開示されている。コルゲートフィンは、ネジ止めによる接合が困難であるため、通常は直接又は伝熱板を介して熱電モジュールに取付けされる。

コルゲートフィンや伝熱板は金属で形成されるため、溶接、ロウ付け、はんだ付け等により互いを接合することができる。熱電モジュールの接合面が金属である場合は、コルゲートフィン又は伝熱板と接合されたコルゲートフィンをこれと同様の方法で接合することができる。

しかし、通常は、熱電モジュールの外面には短絡が生じないようにセラミックス板等の絶縁材料が設けられる。セラミックス板と金属とは溶接、ロウ付け、はんだ付け等の方法により互いを接合することができないため、熱伝導性の接着剤等が用いられる。

接着剤は、熱伝導性を有するとしても金属と比較すると熱伝導率はおよそ１００分の１（１〜１０Ｗ／ｍＫ）程度であり、実際に使用する場合は大きな熱抵抗となってしまう。また、接合面あるいはコルゲートフィンとの熱膨張率の違いにより接着剤に亀裂や剥離が発生し、熱伝導率を低下させるおそれがある。

特開平９−１１３０５８号公報 特開２００７−９３１０６号公報

本発明の目的は、従来と比べて熱伝導率が高い熱交換器を提供することにある。

本発明の熱交換器は、熱電素子を含む熱電モジュールと、熱電モジュールの片面又は両面に配設された伝熱フィンと、熱電モジュールと伝熱フィンとを挟持するための弾性を有する挟持部材とを備えることを特徴とする。

挟持部材は、対向して設けられた挟持部と、挟持部を連結する連結部から成り、熱電モジュールと伝熱フィンとを挟持部により挟持する。挟持部材は、所定の間隔に配置された複数の挟持部材の連結部を互いに連結して一体に形成してもよい。連結部に断熱材を備えることもできる。

本発明の熱交換器は、伝熱フィンが波状に形成されたコルゲートフィンであることを特徴とする。熱交換器が小型軽量化される。

本発明の熱交換器は、熱電モジュールの伝熱フィンが配設された面と対向する面に熱交換媒体が通過する配管を設けてもよい。

本発明に係る熱交換器によれば、接着材等を用いることなく伝熱フィンを熱電モジュールに取付けることができる。熱電モジュールと伝熱フィンは熱伝導グリスのみを介して接合される。これにより、以下の効果を得ることができる。

第１に、伝熱フィンと熱電モジュールとの接合部の熱抵抗を非常に小さくすることができる。熱伝導グリスは非常に薄く塗布すればよく、熱抵抗の直接的な要因であった接着剤は不要である。これにより、熱交換器の熱伝導率を高めることができる。

第２に、伝熱フィンが熱電モジュールの接合面に対して完全には固定されていないため、熱応力を逃がすことができる。これにより、熱応力による破壊を防ぐことができる。

第３に、伝熱フィンの着脱を容易に行うことができる。熱電モジュールへのアクセスが容易であるため、例えば、不具合が生じた場合のメンテナンスを容易に行うことができる。

第４に、熱交換器の製造工程において接着剤を硬化させるための加熱や乾燥させるための時間を省くことができる。これにより、短時間で量産が可能となり生産効率を上げることができるため、製造コストを低減することができる。

本発明に係る熱交換器を示す模式図である。 （ａ）は挟持部材による伝熱フィンの取付け例を示す模式図である。（ｂ）は挟持部材による伝熱フィンの他の取付け例を示す模式図である。 （ａ）はコルゲートフィンの模式図である。（ｂ）は他の実施形態を示すコルゲートフィンの模式図である。 （ａ）は熱交換器を構成する部材であって、挟持部材を取付ける前の状態を示す模式図である。（ｂ）は挟持部材を取付け後の熱交換器を示す模式図である。 （ａ）は取付部材の側面を示す模式図である。（ｂ）は取付部材の正面を示す模式図である。 （ａ）は取付部材を取付けた熱交換器を示す模式図である。（ｂ）は挟持部材の間隔が異なる取付部材を取付けた熱交換器を示す模式図である。 （ａ）は取付部材を取付けた熱交換器の他の実施形態を示す模式図である。（ｂ）は挟持部材の間隔が異なる取付部材を取付けた熱交換器の他の実施形態を示す模式図である。 （ａ）は他の実施形態に係る取付部材の側面を示す模式図である。（ｂ）は他の実施形態に係る取付部材の斜視図である。（ｃ）は他の実施形態に係る取付部材の下面を示す模式図である。（ｄ）は他の実施形態に係る取付部材の正面を示す模式図である。 図８に示す取付部材を用いた熱交換器を示す模式図である。 他の実施形態に係る熱交換器の模式図である。 （ａ）は他の実施形態に係る熱交換器の模式図である。（ｂ）は更に他の実施形態に係る熱交換器の模式図である。

本発明に係る熱交換器について図面を用いて説明する。図面は模式的に示しており、実物とは異なる場合がある。

図１及び図２に示す熱交換器１０は、複数の熱電モジュール２と、熱電モジュール２の片面に配設された伝熱フィン４と、熱電モジュール２と伝熱フィン４とを挟持するための弾性を有する挟持部材６とを備える。複数の熱電モジュール２の伝熱フィン４が配設された面と対向する面には熱交換媒体が通過する配管８が設けられている。配管８を挟んで配置された熱電モジュール２及び伝熱フィン４が挟持部材６によって挟持されている。熱電モジュール２と伝熱フィン４との接触部には、熱伝導グリス（図示省略）が塗付されている。熱交換器１０は、空気や冷媒などの流体を熱交換媒体として熱電モジュール２と外部との間で熱交換を行う。

熱電モジュール２は、ペルチェ素子を含んで構成されている。即ち、異なる種類の熱電素子２１、２２を交互に配置し、隣り合う熱電素子２１、２２を電極２３で接続したものを基板２４で挟んで形成されている。熱電モジュール２の電極２３に直流電流を流すと、ペルチェ効果により一方の面が冷却され、他方の面が発熱する。電流の極性を逆転させると、冷却面と発熱面とが入れ替わる。

熱電素子２１、２２の材料としては、ｐ型及びｎ型の半導体素子などが挙げられる。電極２３の材料としては、銅、アルミニウム等の金属板が挙げられる。基板２４は、セラミックス板等の絶縁材料で形成するのが好ましいが、これに限定されない。例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂層を含むものでもよい。

熱電モジュール２の大きさ、形状は基板２４の大きさ、形状によって決められる。熱電素子２１、２２は基板２４上に納まる範囲内でアレイ状に配置され、電極２３と接続されている。熱電モジュール２の大きさは目的に応じて適宜選択できる。複数の熱電モジュール２を並列に組み合わせて用いてもよい。

伝熱フィン４は、波頂部４１と波底部４２とが交互に形成された波状のコルゲートフィンである。伝熱フィン４は、波頂部４１では山折りに、波底部４２では谷折りに薄板状部材を交互に折曲げて形成されている。伝熱フィン４の波頂部４１又は波底部４２が熱電モジュール２と接触する。接触部を介して熱電モジュール２の接触面と伝熱フィン４との間を熱が移動する。空気等の流体を媒体として外部と熱交換を行う。

伝熱フィン４の材料としては、アルミニウム等の熱伝導率が高い金属薄板を用いるのが好ましい。伝熱フィン４の幅、厚み、両端に位置する波頂部４１間の長さは、熱電モジュール２の接触面の面積や形状により適宜選択される。

伝熱フィン４はＸ方向（図１参照）に伸縮自在であるため、フィンピッチＰが可変である。フィンピッチＰは、隣り合う波頂部４１間又は波底部４２間の長さである。フィンピッチＰにより、伝熱フィン４と熱電モジュール２の接触部分、非接触部分の比率、及び熱電モジュール２の接触面における伝熱フィン４の密度が適宜調整される。

伝熱フィン４の形状は、図１に示すものに限定されない。例えば、図３（ａ）に示すコルゲートフィン４ａのように、矩形波状に形成してもよい。この場合、熱電モジュール２と接触する部分の面積を広くすることができる。これにより、熱伝導率を高めることができる。

図３（ｂ）に示すコルゲートフィン４ｂのように、コルゲートフィン４ａのフィンピッチＰを短くした台形波状に形成してもよい。この場合、熱電モジュール２と接触する部分の面積を広くすることができるとともに、熱電モジュール２の接触面の面積に対する伝熱フィン４の表面積を大きくすることができる。これにより、熱交換効率を高めることができる。

挟持部材６は門型に形成された部材である。図２（ａ）に示すように、挟持部材６は、対向して設けられた挟持部６１と、挟持部６１を連結する連結部６２とから成る。挟持部材６は弾性を有する。挟持部材６を通して外部に熱漏れが生じるのを防止するために、少なくとも連結部６２に必要に応じて断熱材６４（図５（ｂ）参照）を設けてもよい。挟持部材６は、挟持部６１が熱電モジュール２と接触する波底部４２の任意の位置を外側から押圧することで、配管８を挟んで配置された熱電モジュール２及び伝熱フィン４を挟持する。

挟持部材６の取付け方法は、図２（ａ）に示す方法に限定されない。図２（ｂ）に示すように、複数の挟持部材６を用いて対向する２方向から挟持する方法であってもよい。図示しないが、対向する２方向のうち、フィンピッチＰごとに異なる方向から交互に挟持する方法で取付けることもできる。挟持部材６の取付け方法は、熱電モジュール２や伝熱フィン４の形状等に応じて適宜選択すればよい。

挟持部材６の材料としては、鉄、ステンレス等の金属や、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、又はポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂などの樹脂材料が挙げられる。挟持部材６の材料は、挟持する側の面が、発熱面又は冷却面のいずれかによって適宜選択される。例えば、挟持する側の面が発熱面と冷却面の場合は、熱伝導率の低い樹脂が適しており、挟持する側の面が冷却面としてのみ使用される場合は、熱可塑性樹脂を材料とすることもできる。

配管８は、マイクロチャネルを用いるのが好ましい。マイクロチャネルとは、内部に複数の微小な流路を有する多孔扁平管のことをいう。熱交換媒体となる流体が複数の流路を通過する際に、熱電モジュール２の配管８に対向する側の面との間で熱交換を行う。配管８はこれに限定されず、熱交換媒体を通過させることができるものであればよい。

図４（ａ）に挟持部材６が取付けられる前の熱交換器１０を示す。なお、便宜上、伝熱フィン４に代えて矩形波状のコルゲートフィン４ａを用いて説明する。複数の熱電モジュール２は、一方の面がコルゲートフィン４ａの複数の波底部４２と接触し、他方の面が配管８と対向して配管８を挟むように配置されている。

コルゲートフィン４ａは、波頂部４１及び波底部４２の高さが完全に揃ったものが好ましい。しかし、実際のところは、製造誤差により微妙に高さが異なる。このような場合、熱電モジュール２に接触させたときに隙間４４ができてしまう。

本発明に係る熱交換器１０は、図４（ｂ）に示すように、熱電モジュール２とコルゲートフィン４ａとのそれぞれの接触部を挟持部材６によって挟持する。このため、コルゲートフィン４ａに多少の製造誤差があっても確実に熱電モジュール２に接触させることができる。接着剤を使用しないため、コルゲートフィン４ａは熱電モジュール２の接触面に対して可動である。これにより熱応力を逃がすことができる。

従来は、接着剤を用いて熱電モジュール２にコルゲートフィン４ａを接着し固定していた。しかし、接着剤は金属と比較して熱抵抗がかなり大きい。また、製造工程において接着剤を十分に硬化させなければ接触不良となってしまう。更に、熱応力によって接着剤に亀裂や剥離が生じた場合も接触不良となる可能性がある。これらはすべて熱伝導率を低下させる原因である。つまり、接着剤を用いること自体が熱伝導率を低下させる直接的な原因となっていた。

本発明の熱交換器１０によれば、接着剤を用いることなくコルゲートフィン４ａを取付けることができる。したがって、接着剤を用いたときに起こる上述した問題を生じさせることがない。熱交換器１０の熱交換率を高めることができる。

また、本発明の熱交換器１０によれば、コルゲートフィン４ａの着脱を容易に行うことができる。つまり、熱電モジュール２へのアクセスが容易である。したがって、例えば、不具合が生じた場合のメンテナンスを容易に行うことができる。

更に、本発明の熱交換器１０によれば，製造工程を簡素化でき、短時間で量産が可能である。したがって、生産効率が良く製造コストを低減することができる。

本発明の熱交換器１０は、その他の実施形態で実施することもできる。例えば、挟持部材６に代えて、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、所定の間隔に配置された複数の挟持部材６の連結部６２を連結部材６３で互いに連結して一体に形成した取付部材６ａを用いてもよい。隣り合う挟持部材６は距離ｄだけ離れて等間隔に配置されている。挟持部材６を通して外部に熱漏れが生じるのを防止するために、挟持部材６の連結部６２に必要に応じて断熱材６４を設けてもよい。

係る実施形態の熱交換器によれば、フィンピッチＰの調整を容易に行うことができる。具体的には、フィンピッチＰを隣り合う挟持部材６間の距離ｄにより決定することができる。熱電モジュール２に伝熱フィン４を取付けたときのフィンピッチＰと、取付部材６ａにおける隣り合う挟持部材６間の距離ｄとは略一致する。したがって、伝熱フィン４の波底部４２と取付部材６ａの挟持部６１の位相を一致させた後、これらを熱電モジュール２に取付ければ好ましいフィンピッチＰで取付けが行われたことになる。

伝熱フィン４と熱電モジュール２の接触部分、非接触部分の比率、及び熱電モジュール２の接触面における伝熱フィン４の密度などの必要条件に応じて、隣り合う挟持部材６間の距離ｄが異なる取付部材６ａを予め準備しておき、適宜選択して用いればよい。

図６に示すように、取付部材６ａ、６ｂを用いることによって、接触面の面積が同一の熱電モジュール２に対して異なるフィンピッチＰで伝熱フィン４を容易に取付けることができる。即ち、フィンピッチＰの調整が容易である。また、伝熱フィン４を容易に取り外すこともできる。

図７に示すように、伝熱フィン４が矩形波状のコルゲートフィン４ａの場合であっても、同様に取付部材６ａ、６ｃを用いることによって、フィンピッチＰの調整、及びコルゲートフィン４ａの着脱を容易に行うことができる。

また、挟持部材６に代えて、図８に示すように、板状部材８１に等間隔で切り込み８２を形成し、板状部材８１の面方向に対して互いに異なる方向に交互に曲げ加工して支持部８３、８４を形成した取付部材６ｄを用いてもよい。取付部材６ｄは弾性を有する。支持部８３、８４は、フィンピッチＰに対して２分の１ピッチだけ位相がずれている。

図９に示すように、取付部材６ｄは、支持部８３，８４がフィンピッチＰに対して２分の１ピッチだけ位相がずれて熱電モジュール２と接触するコルゲートフィン４ａの波底部４２を交互に異なる側から押圧する。その結果、取付部材６ｄ全体として配管８を挟んで配置された熱電モジュール２及び伝熱フィン４を挟持する。

図１０に示すように、熱交換器１０は、配管８の片側のみに配設された熱電モジュール２及び伝熱フィン４を挟持部材６によって挟持する形態で実施してもよい。図示しないが、挟持部材６に代えて、取付部材６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄなどを用いてもよい。

図１１に示すように、熱電モジュール２の間に配管８を設けない形態で実施してもよい。伝熱フィン４は、図１１（ａ）に示すように、熱電モジュール２の片面のみに設けてもよい。図１１（ｂ）に示すように、熱電モジュール２の両面に設けることもできる。図示しないが、伝熱フィン４の取付けに取付部材６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄなどを用いてもよい。

尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、又は変形を加えた態様でも実施できる。また、同一の作用又は効果が生じる範囲内で、何れかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良い。

２…熱電モジュール、４…伝熱フィン、４ａ…矩形波状のコルゲートフィン、４ｂ…台形波状のコルゲートフィン、６…挟持部材、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…取付部材、８…配管、１０…熱交換器、２１…熱電素子、２２…熱電素子、２３…電極、２４…基板、４１…波頂部、４２…波底部、４４…隙間、６１…挟持部、６２…連結部、６３…連結部材、６４…断熱材、８１…板状部材、８２…切り込み、８３、８４…支持部、Ｐ…フィンピッチ、ｄ…隣り合う挟持部材６間の距離、Ｘ…伝熱フィン４の伸縮方向。

Claims (6)

1. 熱電素子を含む熱電モジュールと、
   前記熱電モジュールの片面又は両面に配設された伝熱フィンと、
   前記熱電モジュールと前記伝熱フィンとを挟持するための弾性を有する挟持部材とを備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記挟持部材が、対向して設けられた挟持部と、前記挟持部を連結する連結部から成り、前記熱電モジュールと前記伝熱フィンとが前記挟持部により挟持されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 所定の間隔に配置された複数の前記挟持部材を備え、
   複数の前記挟持部材が、前記連結部を互いに連結して一体に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記挟持部材が、少なくとも前記連結部に断熱材を備えることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記伝熱フィンが、波状に形成されたコルゲートフィンであることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記熱電モジュールの前記伝熱フィンが配設された面と対向する面に熱交換媒体が通過する配管が設けられていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱交換器。
   
   

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