JP4015435B2 - 熱電素子を用いた加熱および冷却デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
熱電素子を使って加熱および冷却を行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、熱電モジュールを使ったヒートポンプで加熱または冷却する装置ではＣＯＰを上げる方法として、熱電モジュールの絶縁プレートに接合されている放熱器および吸熱器の能力を上げる方法が使われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱電モジュールを使った加熱および冷却デバイスのＣＯＰは、熱電モジュールに結合された放熱器や吸熱器の能力と熱電モジュール自体のＣＯＰによって決まる。ところが熱電モジュールのＣＯＰはその低温サイドと高温サイドの温度差によって変化する。従来の熱電モジュールを使った加熱および冷却デバイスでは熱電モジュールの低温サイドと高温サイドの温度差は使用環境で決まってしまうのでＣＯＰを上げるために前記温度差を制御することはできなかった。
【０００４】
さらに、熱電モジュールはその低温サイドと高温サイド間に温度差があるため熱応力を発生する。この熱応力が熱電素子、接合部、絶縁プレートに繰り返しかかると破損することがよくあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
熱電モジュールをヒートポンプとして使った場合、図４に示すように低温サイドと高温サイドの温度差が低いほどＣＯＰが高い。一方、熱電モジュールを多段にして負荷を分担し、各段の部分熱電モジュール４にそれぞれ電極をつけて電気的に独立させ、さらに各絶縁プレートに温度センサーを取り付けた構造とすれば、部分熱電モジュール４に流す電流を各絶縁プレートの温度をもとにして個別に制御できる。そこで、電流を制御して、各部分熱電モジュール４の低温サイドと高温サイドの温度差を、高いＣＯＰを得られる温度差にすればエネルギー効率の良い加熱または冷却を行うことができる。
【０００６】
本発明の多段熱電モジュールはその低温サイドと高温サイド間の温度差を各部分熱電モジュールに分散しているため発生する熱応力も小さくすることができる。そして各部分熱電モジュールと絶縁プレートの接着を半田付けなどの固着方法ではなく、相対的な動きを許すメカニカルな接合とすればさらに熱応力を軽減することができ、熱応力による破損を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１、２、３、５は本発明の実施例を説明する図である。本発明の多段熱電モジュール８（図２、図５）は、Ｐ型半導体熱電素子１とＮ型半導体熱電素子２が導電ブリッジ３にて接合されている部分熱電モジュール４が絶縁プレート６を介して多段に結合されている。各段の部分熱電モジュールは電気的に絶縁されており、それぞれ電極７が付けられている。そして絶縁プレート６には温度センサ５が取りつけられている。各段の部分熱電モジュール４の電極７、および絶縁プレート６の温度センサ５は制御機９に接続されている。制御機９は各部分熱電モジュール４に電気を供給する電源と制御部からなる。制御部は部分熱電モジュールの高温サイドと低温サイドの温度差が所定の温度差になるように部分熱電モジュール４に供給する電流を制御する。
【０００８】
図５に示す多段熱電モジュール８は熱応力低減を特に考慮した、本発明に使用する多段熱電モジュールの一例で、部分熱電モジュール４の高温サイドと低温サイドに絶縁プレート６を半田付けしたものをさらに結合した多段熱電モジュールである。１段目部分熱電モジュールと２段目部分熱電モジュールはスプリングを介してボルトで結合されている。したがって、それぞれの部分熱電モジュールは互いにスライド可能で、その結果熱応力を低減できる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の多段熱電モジュールは電気的に独立した部分熱電モジュールを多段にしているため、各部分熱電モジュールの電流を制御することでＣＯＰの高い温度差で熱電モジュールを使うことができる。
【００１０】
また本発明の多段熱電モジュールは一段当りの低温サイドと高温サイド間の温度差を低くすることができ、その結果熱応力を低くすることができる。また各部分熱モジュール間や絶縁プレートと部分熱電モジュール間の接合をメカニカルなものにすることでさらに熱応力を低減することができる。その結果熱応力による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、熱電素子を用いた加熱および冷却デバイスの一例である。
【図２】本発明に使用する多段熱電モジュールの一例の側面図である。
【図３】本発明の熱電モジュールに使う部分熱電モジュールの一例である。
【図４】通常の熱電モジュールにおけるＣＯＰ値と温度差の関係
【図５】本発明に使用する、特に熱応力を考慮した多段熱電モジュールの一例の側面図である。
【符号の説明】
１ Ｐ型半導体の熱電素子
２ Ｎ型半導体の熱電素子
３ 導電ブリッジ
４ 部分熱電モジュール
５ 温度センサー
６ 絶縁プレート
７ 電極
８ 多段熱電モジュール
９ 制御機
１０ 放熱器
１１ 吸熱器
１２ スプリング
１３ ボルト、ナット
【発明の属する技術分野】
熱電素子を使って加熱および冷却を行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、熱電モジュールを使ったヒートポンプで加熱または冷却する装置ではＣＯＰを上げる方法として、熱電モジュールの絶縁プレートに接合されている放熱器および吸熱器の能力を上げる方法が使われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱電モジュールを使った加熱および冷却デバイスのＣＯＰは、熱電モジュールに結合された放熱器や吸熱器の能力と熱電モジュール自体のＣＯＰによって決まる。ところが熱電モジュールのＣＯＰはその低温サイドと高温サイドの温度差によって変化する。従来の熱電モジュールを使った加熱および冷却デバイスでは熱電モジュールの低温サイドと高温サイドの温度差は使用環境で決まってしまうのでＣＯＰを上げるために前記温度差を制御することはできなかった。
【０００４】
さらに、熱電モジュールはその低温サイドと高温サイド間に温度差があるため熱応力を発生する。この熱応力が熱電素子、接合部、絶縁プレートに繰り返しかかると破損することがよくあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
熱電モジュールをヒートポンプとして使った場合、図４に示すように低温サイドと高温サイドの温度差が低いほどＣＯＰが高い。一方、熱電モジュールを多段にして負荷を分担し、各段の部分熱電モジュール４にそれぞれ電極をつけて電気的に独立させ、さらに各絶縁プレートに温度センサーを取り付けた構造とすれば、部分熱電モジュール４に流す電流を各絶縁プレートの温度をもとにして個別に制御できる。そこで、電流を制御して、各部分熱電モジュール４の低温サイドと高温サイドの温度差を、高いＣＯＰを得られる温度差にすればエネルギー効率の良い加熱または冷却を行うことができる。
【０００６】
本発明の多段熱電モジュールはその低温サイドと高温サイド間の温度差を各部分熱電モジュールに分散しているため発生する熱応力も小さくすることができる。そして各部分熱電モジュールと絶縁プレートの接着を半田付けなどの固着方法ではなく、相対的な動きを許すメカニカルな接合とすればさらに熱応力を軽減することができ、熱応力による破損を防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１、２、３、５は本発明の実施例を説明する図である。本発明の多段熱電モジュール８（図２、図５）は、Ｐ型半導体熱電素子１とＮ型半導体熱電素子２が導電ブリッジ３にて接合されている部分熱電モジュール４が絶縁プレート６を介して多段に結合されている。各段の部分熱電モジュールは電気的に絶縁されており、それぞれ電極７が付けられている。そして絶縁プレート６には温度センサ５が取りつけられている。各段の部分熱電モジュール４の電極７、および絶縁プレート６の温度センサ５は制御機９に接続されている。制御機９は各部分熱電モジュール４に電気を供給する電源と制御部からなる。制御部は部分熱電モジュールの高温サイドと低温サイドの温度差が所定の温度差になるように部分熱電モジュール４に供給する電流を制御する。
【０００８】
図５に示す多段熱電モジュール８は熱応力低減を特に考慮した、本発明に使用する多段熱電モジュールの一例で、部分熱電モジュール４の高温サイドと低温サイドに絶縁プレート６を半田付けしたものをさらに結合した多段熱電モジュールである。１段目部分熱電モジュールと２段目部分熱電モジュールはスプリングを介してボルトで結合されている。したがって、それぞれの部分熱電モジュールは互いにスライド可能で、その結果熱応力を低減できる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の多段熱電モジュールは電気的に独立した部分熱電モジュールを多段にしているため、各部分熱電モジュールの電流を制御することでＣＯＰの高い温度差で熱電モジュールを使うことができる。
【００１０】
また本発明の多段熱電モジュールは一段当りの低温サイドと高温サイド間の温度差を低くすることができ、その結果熱応力を低くすることができる。また各部分熱モジュール間や絶縁プレートと部分熱電モジュール間の接合をメカニカルなものにすることでさらに熱応力を低減することができる。その結果熱応力による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、熱電素子を用いた加熱および冷却デバイスの一例である。
【図２】本発明に使用する多段熱電モジュールの一例の側面図である。
【図３】本発明の熱電モジュールに使う部分熱電モジュールの一例である。
【図４】通常の熱電モジュールにおけるＣＯＰ値と温度差の関係
【図５】本発明に使用する、特に熱応力を考慮した多段熱電モジュールの一例の側面図である。
【符号の説明】
１ Ｐ型半導体の熱電素子
２ Ｎ型半導体の熱電素子
３ 導電ブリッジ
４ 部分熱電モジュール
５ 温度センサー
６ 絶縁プレート
７ 電極
８ 多段熱電モジュール
９ 制御機
１０ 放熱器
１１ 吸熱器
１２ スプリング
１３ ボルト、ナット
Claims (2)
- Ｐ型半導体熱電素子およびＮ型半導体熱電素子を導電ブリッジによって接続した部分熱電モジュールを温度センサを取りつけた絶縁プレートを介して多段に接合した多段熱電モジュールで、各段の部分熱電モジュール間は電気的に絶縁され、それぞれの部分熱電モジュールに電極が付けられている多段熱電モジュールと、各段の部分熱電モジュールに流す電流を、前記温度センサによって測定した前記絶縁プレートの温度をもとにして個別に制御して各部分熱電モジュールの低温サイドと高温サイドの温度差を指示された温度差となるように制御する制御機とを持ち、各段の部分熱電モジュールの高温面と低温面の温度差を制御することによって各部分熱電モジュールに負荷を分担し、それによって各部分熱電モジュールを高いＣＯＰで運転し、負荷を分担しない場合に比べて高いエネルギー効率で加熱および冷却を行えることを特徴とする加熱および冷却デバイス。
- 前記熱電モジュールに発生する熱応力を緩和するために、前記部分熱電モジュール間および前記絶縁プレートと前記部分熱電モジュール間の全接触部または一部の接触部がスライド可能なことを特徴とした前記多段熱電モジュールを持つ請求項１記載の加熱および冷却デバイス
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| JP2002037466A JP4015435B2 (ja) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | 熱電素子を用いた加熱および冷却デバイス |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2002037466A JP4015435B2 (ja) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | 熱電素子を用いた加熱および冷却デバイス |
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