JP4277325B2

JP4277325B2 - 熱変換装置

Info

Publication number: JP4277325B2
Application number: JP11884598A
Authority: JP
Inventors: 寿浩稲吉; 正人板倉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JPH11312828A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｐ型およびＮ型の熱電素子対を用い、ペルチェ効果を利用して冷却または加温を行う熱変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一面が加熱面となり他面が冷却面となる熱電素子対を有し、加熱面に当接する第１熱交換器と冷却面に当接する第２熱交換器とを備え、第１および第２熱交換器とによって熱電素子対を挟み込んだ状態でネジを用いて狭着させているものが知られており、例えば、このような装置は実開昭５５−１２６１７７号公報に開示されている。
【０００３】
一般的に、熱変換装置に用いられる熱電素子（Ｐ型、Ｎ型のペルチェ素子）はビスマステルルから成っているが、この材料は外力に対して極めて弱い。このため、熱交換器を熱電素子対に当接させる場合には、当接力を適度に加減し、熱交換器への組み付け後においても、熱電素子対に対して過大な外力が加わらないよう、対策が必要になってくる。
【０００４】
上述した公報に示される熱変換装置は、第１熱交換器と第２熱交換器とを単にネジによって締結しているため、熱交換器に荷重がかかると、ネジは第１熱交換器と第２熱交換器とが相対的に近接することを抑制できない。つまり、第１熱交換器と第２熱交換器とを第１熱交換器と第２熱交換器とが対向する方向において支持されていないことから、この熱交換器に作用する荷重の略全荷重が、熱交換器を介して熱電素子対に作用するものとなり、壊れてしまうことが起こり得る。
【０００５】
そこで、このような問題点を解決するために、特開平９−３２１３４８号公報では、熱電素子対の加熱面に当接する第１熱交換器を有する第１ケース体と冷却面に当接する第２熱交換器を有する第２ケース体を備え、第１ケース体と第２ケース体を上下方向に移動しないように固めて固定し、外力に対しての対策がなされたものが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、後者に示す公報では、第１熱変換器と第１ケース体とを気密的に締結する方法としてＯリングとネジが用いられており、この場合には、Ｏリングとネジが必要になってくる。また、第１熱変換器にはＯリングの設置や何ケ所かのネジ孔加工、ネジ締め工程が必要となり、コスト的にアップしてしまうものとなる。
【０００７】
そこで、本発明は、コストアップすることなく、外力を受けても熱電素子対が破損しない構造とすることを技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を解決するため、一面が加熱面となり他面が冷却面となる熱電素子対を有し、加熱面に当接した第１熱交換器に対して設けられる第１ケース体と、冷却面に当接した第２熱交換器に対して設けられる第２ケース体とを備え、両ケース体を固定手段により固定した熱変換装置において、前記第１熱交換器と前記第１ケース体は支持部により支持され、前記第２熱変換器は被冷却物に取り付けられると共に断熱材で囲まれて配設され、前記第１ケース体と前記断熱材との間に保護部材を配設することで前記第２熱変換器と前記断熱材とで形成される空間を外気と遮断したことである。
【０００９】
上記の構成により、前記第２熱変換器は被冷却物に取り付けられると共に断熱材で囲まれて配設され、前記第１ケース体と前記断熱材との間に保護部材を配設することで前記第２熱変換器と前記断熱材とで形成される空間を外気と遮断した空間とすれば、前記第２熱変換器の冷却面への結露が防止される。
【００１３】
この場合、保護部材はスポンジを用いれば、安価な材質により第２熱変換器冷却面への水分の侵入が防止されるものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における熱変換装置１の断面図である。この熱変換装置１はＰ型熱電素子２とＮ型熱電素子３とから成る熱電素子対４と、熱伝導部材から成る第１および第２熱交換器５，６と、第１熱交換器５に対して設けられた第１ケース体７と、第２熱交換器６に対して設けられた第２ケース体８とを備えもっている。
【００１６】
Ｐ型熱電素子２とＮ型熱電素子３は、それぞれ図１に示す水平方向に交互に配設されており、同一方向を向くＰ型熱電素子２の一面（図１に示す上面）とＮ型熱電素子３の一面（図１に示す上面）とが、銅板から成り表面にニッケルメッキが施された第１電極板１０に対して電気的に接続されている。また同様に、同一方向を向くＰ型熱電素子２の他面（図１に示す下面）とＮ型熱電素子３の他面（図１に示す下面）とが銅板から成り表面にニッケルメッキが施された第２電極板１１に対して電気的に接続されており、Ｐ型熱電素子２とＮ型熱電素子３は、順次π型に直列接続されている。
【００１７】
第１ケース体７は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ樹脂）等から成り立っており、開口部７ｂを備えた平板部７ａと下方向に向けて突出する枠状の突状部７ｃとから構成される。外形は、上部にフランジ形状を備える枠形状をしている。第１熱交換器５は放熱部材（例えば、アルミ等）から成り、フランジ部５ａを外周底面にもち、いくつもの放熱フィン５ｂを備えている。第１ケース体７の第１熱交換器５を支持する支持部３０の第１熱交換器５を支持する面（境界面）２９において、シール性のある接着剤１３により第１熱交換器５と第１ケース体７は固定される。この場合、第１熱交換器５を支持する第１ケース体７を樹脂により成形したので、第１熱交換器５と同じ材質で第１ケース体を一体で作るよりも安価となり、軽量化が可能となる。また、支持部３０の境界面２９に用いる接着剤１３において、シール性のある接着剤を用いることで、第１ケース体７の開口部７ｂの一面が気密的に接着されるものとなる。このとき、接着剤１３にエポキシ樹脂系のものを用いれば、シリコン系の接着剤よりも接着強度が強く、しかも、シール性を確実に保った状態で安価な方法に接着することができる。
【００１８】
一方、第２ケース体８は下方にフランジ部８ａを備えもつ枠状をしたものであり、第２熱交換器６は下側に平板状部６ａをもち中央部に凸状部６ｂをもつ。第２熱交換器６に第２ケース体８が第２熱交換器６の凸状部６ｂをその枠内に囲むよう設けられると共に、第２熱交換器６の平板状部６ａ上面と第２ケース体８のフランジ部８ａとが上下方向で当接するように設置されており、凸状部６ｂの外周と第２ケース体８の内面とで形成される空間は、エポキシ樹脂系の接着剤が充填される充填部となる。
【００１９】
熱電素子対４は、図１に示す下面において凸状部６ｂの上面に熱伝導性の良い膜状の絶縁材を介して固定される。この場合、絶縁材そのものに接着剤を用いて熱電素子対４と第２熱交換器６との組み付けを行っても良い。
【００２０】
また、熱変換素子４に電力を供給するため、電極板３８，３９に対してリード線１５、１６、内部リード線１９、２０が設けられており、リード線１５は電極板３８の１７の位置で、また、リード線１６は電極板３９の１８の位置で、共に半田付けされ電極板３８，３９に電気的に固定されている。この電極板３８，３９から第２電極板１１にはそれぞれ内部リード線１９，２０を介して電力が供給される。この場合、第２ケース体８の側面部から電極板３８，３９が突出するようインサート成形により成形されており、リード線１５，１６により外部電源から電源が供給されるようになっている。
【００２１】
第１ケース体７に接着剤１３により固定された第１熱交換器５は、絶縁材および熱伝導性グリスを介して熱電素子対４の上面に当接され、第１ケース体７の突状部７ｃの先端部分が、第２ケース体８の開口された枠内にかかるようにし、第２電極板１１が凸状部６ｂに当接させた状態で第２熱交換器６に組み付けられる。
【００２２】
この状態の基で、充填部にエポキシ樹脂系の接着剤２３が充填される。この場合、第２ケース体８と第２熱交換器６とが接着剤２３により接着固定されると共に、第１ケース体７と第２ケース体８とが接着剤２３により接着固定され、接着剤２３は充填部内において硬化する。
【００２３】
このようにすることで、第１熱交換器５と第１ケース体７とが接着剤１３により気密的に結合され、第２熱交換器６と第２ケース体８とが接着剤２３により気密的に結合される。また、同時にリード線１９、２０の一部が接着剤２３により気密性が保持され、ケース９内は密閉されるものとなる。
【００２４】
熱変換装置１の組み付けにおいて、第１熱交換器５及び第２熱交換器６を熱電素子対４に当接させて、第１熱交換器５を備えた第１ケース体７と第２熱交換器６を備えた第２ケース体８とを接着剤２３により固定し、硬化させるようにしたことから、過大な荷重が両者間に作用しても接着剤２３により抑制され、熱電素子対４に組み付けによる過大な荷重が作用することはない。
【００２５】
つまり、第１および第２ケース体７、８に対して第１および第２熱交換器５、６を互いに近接させる荷重が作用した場合であっても、第１ケース体７と第２ケース体８とは接着剤２３により固定されているため、第１熱交換器５と第２熱交換器６とが相対的に近接することが接着剤２３により抑制できる。
【００２６】
熱変換装置１は充填部に充填された接着剤２３内に突出する突状部７ｃを備えることにより、第１ケース体７と第２ケース体８とが接着剤２３を介して第１ケース体７の突状部７ｃに対向する第２ケース体８の枠状側部とが係合する関係となることから、第１および第２ケース体７，８、第１および第２熱交換器５，６が、熱電素子対４に対してずれる方向に荷重が作用した場合、第１および第２熱交換器５，６、第１ケース体７と第２ケース体８とが熱電素子対４に相対的にずれることを接着剤２３により強固に抑制している。
【００２７】
次に、熱変換装置１の作動について説明する。外部電源からリード線１５，１６および内部リード線１９，２０を介して熱電素子対４に電力が供給されると、Ｐ型熱電素子２、Ｎ型熱電素子３に第１および第２電極板１０，１１を介して電流が流れる。通電により電流が流れると、ペルチェ効果によって熱電素子対４の上面（図１に示す上側）が加熱面となるとともに熱電素子対４の下面（図１に示す下側）が冷却面となる。つまり、熱変換装置１は、第１電極板１０を介して第１熱交換器５において加熱作用を発生させ、第２電極板１１を介して第２熱交換器６において冷却作用を発生させるものとなる。
【００２８】
上記したように、この熱交換装置１では第１および第２熱交換器５，６に対して荷重が作用しても、熱電素子対４と硬化した接着剤２３とに荷重が分散されることから、全荷重が熱電素子対４に作用することがなくなり、熱電素子対４の破損が防止できる。
【００２９】
また、ケース９は接着剤２３により、熱電素子対４が配設される内部空間部分を、ケース９外部から密閉する構成とされていることから、熱電素子対４に結露が発生することがなく、結露によって電気的短絡が生じて熱電素子対４が破損することがない。
【００３０】
更に、接着剤１３は第１熱交換器５と第１ケース体７とを気密的に接合することから、第１熱交換器５と第１ケース体７との接続用の部材を何ら必要とせず、しかも、第１熱交換器５と第１ケース体７との間でシール部材が必要なくなることから、従来に比べ工程が低減され、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
（第２実施形態）
図２は、熱変換装置１の第２実施形態を示しており、主に第１実施形態と異なる部分について説明を行う。図２において、第１熱交換器５は第１実施形態と外側の形状は同じであるが、下面中央には１つのネジ孔５ｃを有している。
【００３２】
一方、第２熱交換器６もまた第１実施形態と基本的には同じ形状を成すが、中央にはネジ２４とワッシャー２６が挿入される段付の挿入孔６ｃ（第１熱交換器側が小径孔となる）が設けられている。
【００３３】
第１ケース体７と第１熱交換器５に関しては、シール性のあるエポキシ樹脂系の接着剤１３により、第１ケース体７の平板部７ａの上面側開口部７ｂを塞ぐようにして境界面２９が気密的に接着される。第２熱交換器６には第２ケース体８が、第２熱交換器６の凸状部６ｂをその枠内に囲むようにするとともに、第２熱交換器６の平板状部６ａの上面と第２ケース体８のフランジ部８ａとが当接するようにして設置される。
【００３４】
一方、熱電素子対４は、ネジ孔５ｃの両側に1組ずつ電気的に接続された状態で分割されて設けられている。尚、この場合、複数組の熱電素子対を用いることも可能である。このような熱電素子対４は、第２ケース体８が設置された第２熱交換器６の凸状部６ｂの絶縁材を介して接着固定される。熱電素子対４への電力の供給に関しては、第１実施形態と同じ方法を取っている。
【００３５】
第１熱交換器５を備えた第１ケース体７が、第１熱交換器５が絶縁材および熱伝導性グリスを介して熱電素子対４の上面に当接され、突状部７ｃの先端側部分が第２ケース体８の枠内で充填部内に収納されるようにして、第２ケース体８が配置され、熱電素子対４が固定された第２熱交換器６に組み付けられた後、第２熱交換器６の挿入孔６ｃにワッシャ２６およびネジ２４が挿入孔６ｃに挿入される。この場合、ネジ２４のネジ部がワッシャ２６と挿入孔６ｃの小径部とを貫通し、熱電素子対４が配設されている空間を通り、第１熱変換器５のネジ孔５ｃに到達するようにしている。ネジ頭はワッシャ２６を介して挿入孔６ｃの段部に当接して、ネジ２４がネジ孔５ｃに螺合する。
【００３６】
充填部にはエポキシ樹脂系の接着剤２３が充填され、第２ケース体８と第２熱交換器６とが接着剤２３により固定され、第１ケース体７と第２ケース体８とが接着剤２３により固定される。この場合、接着剤２３は充填部１４内において硬化する。挿入孔６ｃには、シール材２５としてシリコンゴム、ＮＢＲのゴム栓等が気密的に圧入されることで気密性が保てるようになっている。
【００３７】
第２実施形態においては、ワッシャ２６により第１熱交換器５と第２熱交換器６とに熱電素子対４に対して、熱電素子対４が破損することなく、熱電素子対４と熱交換器５、６との当接が確実とされるよう適正な圧接力がかけられる。この場合、接着剤２３が充填硬化されることにより、第１ケース体７と第２ケース体８との接着剤２３による接着固定は、この適正な圧接力を保持する接続とされる。
【００３８】
また、シリコンゴム２５が充填されることにより、ケース９内の気密性は保たれる。その他の効果は、第１実施形態１と同じである。
【００３９】
（第３実施形態）
図３に第３実施形態を示し、この実施形態においては第１熱変換器５と第１ケース体７との境界面２９にアンカー効果を得るアンカー溝２７およびノッチ状の溝２８を形成したことを特徴としている。接着剤１３は一般的に気泡（空気）を含んでいるため、接着剤硬化時に接着剤１３の中に含まれる気泡を外部に放出するノッチ状の溝２８を設けた。この溝２８は第１ケース体７の境界面２９内に形成されており、第１ケース体７の開口形状に沿った環状形状を成すノッチ状の溝２８がここでは３つ程形成されている。尚、溝２８が設けられる個数はこれに限定されない。また、それぞれの溝２８は互いに連通するよう第１ケース体７の外周へと通じる放射溝を４つもち（図示せず）、接着剤内部に存在する気泡をノッチ状の溝２８から放射溝へと導き、大気中に放出できるようになっている。
【００４０】
また、第１熱交換器５の第１ケース体７との境界面２９にはアンカー溝２７が形成されており、このアンカー溝２７により上下または左右方向の剥離を防止し、第１熱交換器５と第１ケース体７との接着強度を向上させている。
【００４１】
（第４実施形態）
図４は、第４実施形態を示しており、第１実施形態に示される熱変換装置１の吸熱を行う面（平板状部６ａ）を被冷却物３３に取り付けた図である。第１実施形態の構成を成す熱変換装置１は、被冷却物３３の周囲に配設された断熱材３１との間に配設されている。この場合、第２熱変換器６の平板状部６ａは被冷却物３３に当接した状態で固定され、熱電素子対４に通電されたときには吸熱を行い被冷却物３３を冷やす。
【００４２】
一般的に、断熱材３１に覆われた被冷却物３３に取り付ける場合には、第２熱交換器６の冷却面（第２熱変換器６の表面）の結露を防止するために、冷却面と外気とを遮断する構造にする。
【００４３】
外気を遮断せずに、第２熱変換器６の表面に外気が触れると第２熱変換器６の吸熱作用により表面に結露が発生するものとなる。このように結露が発生すると、断熱材３１に囲まれた冷却空間４０に水分が溜まってゆき、冷却空間４０に溜まった水分により、冷却効果が低下してしまう。
【００４４】
ここでは図４に示すように、外気との遮断および接着剤１３の剥離を防止する目的として保護部材としてスポンジ３４、３５を用いている。スポンジは断熱材３１と第１ケース体７との間に配設されており、スポンジ３４，３５の反発力を利用して外気と断熱材３１により形成された第２熱変換器６の表面が露出している空間（冷却空間）４０とを遮断する。
【００４５】
スポンジ３４，３５の配設される位置は、第２熱交換器６の表面が外気に直接ふれない位置に配設されれば良く、第1ケース体７と第１熱変換器５との接着面が剥離しない位置に配設することが可能である。
【００４６】
応用例として、上記に示す熱変換装置１を熱変換装置１の冷却作用によってこの貯蔵室用容器、即ち貯蔵室及び内蔵物を冷却するレジャー用クーラーボックスに適用した場合、クーラーボックスの貯蔵室用容器を熱伝導部材であるアルミニウム等で形成し、この貯蔵室用容器に熱変換装置１の第２熱交換器６の図２中下面を当接させ、貯蔵室用容器及び熱変換装置１をクーラーボックスの本体ケース内に配設する構成をとる。
【００４７】
このような構成のレジャー用クーラーボックスに熱変換装置１が使用される場合、このクーラーボックスを積んだ車両が悪路を走行することによってクーラーボックスに振動等が加えられたり、最悪の場合クーラーボックスを落としてしまうことによって、本体ケースを介して熱交換器５、６ひいてはケース体７、８に荷重が作用しても上記理由から熱電素子対４が破損することが防止できる。
【００４８】
【発明の効果】
一面が加熱面となり他面が冷却面となる熱電素子対を有し、加熱面に当接した第１熱交換器に対して設けられる第１ケース体と、冷却面に当接した第２熱交換器に対して設けられる第２ケース体とを備え、両ケース体を固定手段により固定した熱変換装置において、第１熱交換器と第１ケース体は支持部により支持され、支持部における第１熱変換器と第１ケース体の境界面をシール性のある接着剤により接合したことにより、従来のようなシール部材およびネジは必要なくなる。よって、従来に比べ加工および組付け工程が少なくなり、接着剤という安価な方法によりシール性を保った状態で固定ができ、コスト的に安価となる。
【００４９】
この場合、境界面をアンカー効果を得る形状にすれば、接着強度が向上する。
【００５０】
また、接着剤はエポキシ樹脂系のものを用いれば、接着強度を向上させることができ、シール性の良い接着が安価で行える。
【００５１】
第２熱変換器を被冷却物に取り付ける場合、熱交換装置は被冷却物の周囲に配設された断熱材との間に配設され、第１ケース体と断熱材との間に、冷却面への水分の侵入を防止する保護部材を配設するようにすれば、保護部材は接着面を剥離させることなく、冷却面への水分の侵入が防止される。
【００５２】
この場合、保護部材はスポンジを用いれば、安価な材質により接着面の剥離が防止され、水分の侵入が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における熱変換装置の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態における熱変換装置の断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態における熱変換装置の断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態における熱変換装置の断面図である。
【符号の説明】
１熱変換装置
４熱電素子対
５第１熱交換器
５ｂ放熱フィン
６第２熱交換器
７第１ケース体
８第２ケース体
１３接着剤
２３接着剤（固定手段）
２４ネジ（固定部材）
２９境界面
３０支持部
３１断熱材
３３被冷却物
３４，３５スポンジ（保護部材）
４０冷却空間

Claims

一面が加熱面となり他面が冷却面となる熱電素子対を有し、前記加熱面に当接した第１熱変換器に対して設けられる第１ケース体と、前記冷却面に当接した第２熱変換器に対して設けられる第２ケース体とを備え、前記両ケース体を固定手段により固定した熱変換装置において、
前記第１熱交換器と前記第１ケース体とは支持部により支持され、前記第２熱変換器は被冷却物に取り付けられると共に断熱材で囲まれて配設され、前記第１ケース体と前記断熱材との間に保護部材を配設することで前記第２熱変換器と前記断熱材とで形成される空間を外気と遮断したことを特徴とする熱変換装置。
前記保護部材はスポンジである請求項１に記載の熱変換装置。