ペルチェモジュール

【課題】冷却効率の低下を大幅に抑制するとともに、信頼性を高める。
【解決手段】複数個のＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２を交互に、かつ並列に配列しているとともに、これらのＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２の両端部をプリント基板３の配線パターン３ａと半田３ｂにより接合し、プリント基板３の所定位置に形成したスルーホール３ｃに放熱部材４の基部を収容するとともに、放熱部材４の基部を配線パターン３ａと半田３ｂにより接合している。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを並列状に配列し、これらの熱電素子を直列に接続して熱電素子群の一方の側を放熱側、他方の側を吸熱側としてなるとともに、少なくとも放熱側に放熱部材を設けてなるペルチェモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、熱電素子を用いて電気エネルギーと熱エネルギーとの間の変換を行えることが知られており、この変換処理を効率よく行わせるため、および十分な剛性、熱電素子間の確実な絶縁確保を実現するために、熱電素子の両面（発熱面および吸熱面）をセラミックで挟んでなる構成のペルチェモジュールを採用し、しかも、熱電素子の発熱面および吸熱面における熱交換を効率よく行わせるために、各面にシリコングリスを塗布して、放熱部材（ヒートシンク、水冷ジャケットなど）を接合した構成を採用することが提案され、実用化されている。
【０００３】具体的には、図１３、図１４に示すように、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを交互に並列に配列し、これらの熱電素子を直列に接続すべく電極板を設け、熱電素子の両側の電極板に接するようにセラミック板を設け、図１５から図１８に示すように、セラミック板の外面にシリコングリスを塗布してヒートヒートシンク、水冷ジャケットを接合した構成を採用している。
【０００４】この構成のペルチェモジュールを採用すれば、熱電素子に通電することにより達成される発熱および吸熱を、放熱部材により外部に対して有効に作用させることができ、例えば冷却装置として機能させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の構成のペルチェモジュールを採用した場合には、熱電素子の吸熱面および／または放熱面と放熱部材との間にセラミックおよびシリコングリスが介在しているので熱抵抗が大きくなり、熱的ロスが多くなるという不都合がある。さらに詳細に説明すると、ペルチェモジュールの駆動時に熱電素子の両端の温度差がΔＴｊ（＝Ｔｈｊ−Ｔｃｊ）であっても、ペルチェモジュールの両面（セラミックの外面）の温度差はΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｃ＜ΔＴｊ）となる。ここで、ペルチェモジュールの冷却性能は温度差ΔＴによって定まる。したがって、必要以上に温度差ΔＴｊを大きくしなければならず、温度差ΔＴｊを大きくしようとすれば、図１９に示すように、熱電素子への通電電流を増加させなければならず、この結果、大幅な冷却効率（ＣＯＰ）の低下を招いてしまう。
【０００６】また、熱電素子群はセラミックで両側から強固に固定されているのであるから、セラミックと熱電素子との線膨張率が異なることに起因して、温度変化が生じた場合に両者の接合部に機械的ストレス（熱応力）がかかり、信頼性が低下するという不都合もある。
【０００７】
【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、冷却効率の低下を大幅に抑制するとともに、信頼性を高めることができるペルチェモジュールを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１のペルチェモジュールは、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを並列状に配列してなる熱電素子群の一方の側、および他方の側をそれぞれプリント基板の配線パターンと電気的に接合してあるとともに、該当するプリント基板の配線パターンと放熱部材とを熱的に接合してあるものである。
【０００９】請求項２のペルチェモジュールは、前記プリント基板の基材には放熱部材の基部を受け入れるスルーホールが形成されてあり、スルーホールに基部が受け入れられた放熱部材とプリント基板の配線パターンとが半田によって接合されたものである。
【００１０】請求項３のペルチェモジュールは、前記プリント基板の基材には配線パターンと対応させて複数個のサーマルビアが形成されてあり、放熱部材の基部と対応するサーマルビアとが半田によって接合されたものである。
【００１１】請求項４のペルチェモジュールは、前記放熱部材が熱電素子群の電極を兼ねているものである。
【００１２】請求項５のペルチェモジュールは、前記放熱部材の先端部と熱的に結合された水冷ジャケットをさらに有しているものである。
【００１３】
【作用】請求項１のペルチェモジュールであれば、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを並列状に配列してなる熱電素子群の一方の側、および他方の側をそれぞれプリント基板の配線パターンと電気的に接合してあるとともに、該当するプリント基板の配線パターンと放熱部材とを熱的に接合してあるので、熱抵抗を小さくして熱交換効率を高めることができ、熱応力を小さくして信頼性を高めることができ、しかも、加工性が高いので簡単に任意の形状のものを製造することができるとともに、コストを低減することができる。
【００１４】請求項２のペルチェモジュールであれば、前記プリント基板の基材には放熱部材の基部を受け入れるスルーホールが形成されてあり、スルーホールに基部が受け入れられた放熱部材とプリント基板の配線パターンとが半田によって接合されているので、請求項１の作用に加え、スルーホールによって放熱部材の基部の固定を補助することができる。
【００１５】請求項３のペルチェモジュールであれば、前記プリント基板の基材には配線パターンと対応させて複数個のサーマルビアが形成されてあり、放熱部材の基部と対応するサーマルビアとが半田によって接合されているので、請求項１の作用に加え、放熱部材の形状の自由度を高めることができる。
【００１６】請求項４のペルチェモジュールであれば、前記放熱部材が熱電素子群の電極を兼ねているので、請求項３の作用に加え、電極を特別に設ける必要がなくなるので構成を簡素化できる。
【００１７】請求項５のペルチェモジュールであれば、前記放熱部材の先端部と熱的に結合された水冷ジャケットをさらに有しているので、請求項１から請求項４の何れかの作用に加え、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この発明のペルチェモジュールの実施の態様を詳細に説明する。
【００１９】図１はこの発明のペルチェモジュールの一実施態様を示す斜視図、図２は要部縦断面図、図３は透視斜視図である。
【００２０】このペルチェモジュールは、複数個のＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２を交互に、かつ並列に配列しているとともに、これらのＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２の両端部をプリント基板３の配線パターン３ａと半田３ｂにより接合している。そして、プリント基板３の所定位置に形成したスルーホール３ｃに放熱部材（吸熱フィン、または放熱フィン）４の基部を収容するとともに、放熱部材４の基部を配線パターン３ａと半田３ｂにより接合している。
【００２１】ここで、プリント基板３の配線パターン３ａは、図４に示すように、隣り合う１つずつのＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２の一方の端部を電気的に接続するように形成されている。そして、一方のプリント基板３の配線パターン３ａと、他方のプリント基板３の配線パターン３ａとが熱電素子１個分だけずれた位置に形成されている（図４中実線および破線参照）。また、スルーホール３ｃは配線パターン３ａの幅よりも小さく設定している。さらに、プリント基板３としては、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板（ＧＥ材）（ＦＲ−４、ＦＲ−５など）、紙フェノール（ＰＰ材）、紙エポキシ（ＰＥ材）などが例示できる。
【００２２】上記の構成のペルチェモジュールの作用は次の通りである。
【００２３】複数個のＰ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２は、両プリント基板３の配線パターン３ａによって互いに直列接続されているとともに、電流の流れる方向が互いに逆に設定されているのであるから、熱電素子群の一方の側が放熱側、他方の側が吸熱側になる。
【００２４】そして、この実施態様においては、セラミック板、シリコングリスが存在しなくなるので、熱抵抗が小さくなり、熱交換の効率がよくなる。したがって、従来のペルチェモジュールと同じ吸熱量を得るのに必要な温度差ΔＴｊが小さくなり、電流が少なくなり、冷却効率（ＣＯＰ）が大幅に改善される。熱抵抗等価回路を示す図１４を参照してさらに詳細に説明する。
【００２５】従来のペルチェモジュールで１０Ｗの吸熱量を得たい時に吸熱側温度を３０℃、放熱側温度を３０℃とするには、熱電素子の低温側温度を２０℃、高温側温度を５０℃に設定しなければならないと仮定する｛図１３中（ｂ）参照｝。この時のＣＯＰは、図２０から分かるように０．４である。この実施態様において吸熱側温度を３０℃、放熱側温度を３０℃とするには、熱電素子の低温側温度を２１℃、高温側温度を４２℃に設定すればよく｛図１３中（ａ）参照｝、この時のＣＯＰは、図２０から分かるように０．８である。したがって、熱抵抗によるロスが小さくなった上に、効率も大幅に改善されていることが分かる。
【００２６】また、熱電素子の材質であるＢｉＴｅの線膨張率が１８ｐｐｍ／℃であるのに対して、ＧＥ材の線膨張率が１０〜１３ｐｐｍ／℃、ＰＰ材の線膨張率が１７〜３５ｐｐｍ／℃、ＰＥ材の線膨張率が１２〜２４ｐｐｍ／℃であり、セラミック（線膨張率が５．４ｐｐｍ／℃）よりも線膨張率の差が小さく、しかも、従来のペルチェモジュールほどは強固に熱電素子を固定しないのであるから、接合部の熱応力が減少し、信頼性を高めることができる。ここで、ｐｐｍは１０^-6を示している。
【００２７】さらに、プリント基板３を用いているので、加工が簡単であり、しかも、放熱部材４も自動実装できるので、低コスト化が可能である。
【００２８】さらにまた、全体として長方形状（図９参照）など、任意の形状を採用することが可能である。
【００２９】図５はこの発明のペルチェモジュールの他の実施態様を示す斜視図、図６は要部縦断面図である。
【００３０】このペルチェモジュールが前記のペルチェモジュールと異なる点は、各側の放熱部材４の先端部を一体的に保持する補強板５をさらに設けた点のみである。
【００３１】したがって、この構成を採用した場合には、全ての放熱部材４を、その基部および先端部において安定に支持することができる。
【００３２】図７はこの発明のペルチェモジュールの他の実施態様を示す斜視図、図８は要部縦断面図である。
【００３３】このペルチェモジュールが図１、図２のペルチェモジュールと異なる点は、放熱側の放熱部材４の先端部を水冷ジャケット６に侵入させた点のみである。ただし、水冷ジャケット６は電気絶縁性材質で形成しておく。
【００３４】この構成を採用した場合には、放熱部材４の先端部を液体と接触させることにより熱交換をより高効率化することができる。また、液体の流路に放熱部材４が流れを妨げるように配置されているので、乱流促進による熱伝達の促進をはかることができる。
【００３５】なお、前記各ペルチェモジュールにおいて、Ｐ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２、および放熱部材４を角柱状に設定することが可能（図１０参照）であるほか、Ｐ型熱電素子１、Ｎ型熱電素子２、および放熱部材４を円柱状に設定することが可能（図１１参照）である。また、プリント基板３の各配線パターン３ａに対応させて複数個のサーマルビア３ｄ（小径のスルーホールに金属を埋め込んでなるもの）を形成し、これらのサーマルビア３ｄに対してコ字状の放熱部材４を半田により接合する構成を採用することが可能（図１２参照）である。
【００３６】
【発明の効果】請求項１の発明は、熱抵抗を小さくして熱交換効率を高めることができ、熱応力を小さくして信頼性を高めることができ、しかも、加工性が高いので簡単に任意の形状のものを製造することができるとともに、コストを低減することができるという特有の効果を奏する。
【００３７】請求項２の発明は、請求項１の効果に加え、スルーホールによって放熱部材の基部の固定を補助することができるという特有の効果を奏する。
【００３８】請求項３の発明は、請求項１の効果に加え、放熱部材の形状の自由度を高めることができるという特有の効果を奏する。
【００３９】請求項４の発明は、請求項３の効果に加え、電極を特別に設ける必要がなくなるので構成を簡素化できるという特有の効果を奏する。
【００４０】請求項５の発明は、請求項１から請求項４の何れかの効果に加え、熱交換効率をさらに高めることができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のペルチェモジュールの一実施態様を示す斜視図である。
【図２】同上の要部縦断面図である。
【図３】同上の透視斜視図である。
【図４】配線パターンどうしの関係およびスルーホールの関係を示す概略図である。
【図５】この発明のペルチェモジュールの他の実施態様を示す斜視図である。
【図６】同上の要部縦断面図である。
【図７】この発明のペルチェモジュールのさらに他の実施態様を示す斜視図である。
【図８】同上の要部縦断面図である。
【図９】この発明のペルチェモジュールのさらに他の実施態様を示す斜視図である。
【図１０】変形例の要部を示す斜視図である。
【図１１】他の変形例の要部を示す斜視図である。
【図１２】さらに他の変形例の要部を示す斜視図である。
【図１３】熱抵抗等価回路を示す図である。
【図１４】従来のペルチェモジュールの要部の構成を示す斜視図である。
【図１５】同上の側面図である。
【図１６】従来のペルチェモジュールの構成を示す斜視図である。
【図１７】同上の側面図である。
【図１８】従来のペルチェモジュールの構成を示す斜視図である。
【図１９】同上の側面図である。
【図２０】ペルチェ特性を示す図である。
【符号の説明】
１Ｐ型熱電素子２Ｎ型熱電素子
３プリント基板３ａ配線パターン
３ｂ半田３ｃスルーホール
３ｄサーマルビア４放熱部材
６水冷ジャケット

【特許請求の範囲】
【請求項１】Ｐ型熱電素子（１）とＮ型熱電素子（２）とを並列状に配列し、これらの熱電素子（１）（２）を直列に接続して熱電素子群の一方の側を放熱側、他方の側を吸熱側としてなるとともに、少なくとも放熱側に放熱部材（４）を設けてなるペルチェモジュールであって、熱電素子群の一方の側、および他方の側をそれぞれプリント基板（３）の配線パターン（３ａ）と電気的に接合してあるとともに、該当するプリント基板（３）の配線パターン（３ａ）と放熱部材（４）とを熱的に接合してあることを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２】前記プリント基板（３）の基材には放熱部材（４）の基部を受け入れるスルーホール（３ｃ）が形成されてあり、スルーホール（３ｃ）に基部が受け入れられた放熱部材（４）とプリント基板（３）の配線パターン（３ａ）とが半田（３ｂ）によって接合されてある請求項１に記載のペルチェモジュール。
【請求項３】前記プリント基板（３）の基材には配線パターン（３ａ）と対応させて複数個のサーマルビア（３ｄ）が形成されてあり、放熱部材（４）の基部と対応するサーマルビア（３ｄ）とが半田（３ｂ）によって接合されてある請求項１に記載のペルチェモジュール。
【請求項４】前記放熱部材（４）は熱電素子群の電極を兼ねている請求項３に記載のペルチェモジュール。
【請求項５】前記放熱部材（４）の先端部と熱的に結合された水冷ジャケット（６）をさらに有している請求項１から請求項３の何れかに記載のペルチェモジュール。

【図１】