JP2594871B2 - Thermoelectric cooler and freezer - Google Patents
Thermoelectric cooler and freezerInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は,耐熱絶縁板上にN型及
びP型半導体対を形成し,これを熱電気変換モジュール
とし,熱エネルギーを電気エネルギーに(ゼーベック効
果)又電気エネルギーを熱エネルギーに変換する(ペル
チェ効果)装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a pair of N-type and P-type semiconductors on a heat-resistant insulating plate and using them as a thermoelectric conversion module to convert thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and thermal energy. The present invention relates to a device for converting energy (Peltier effect).
【0002】[0002]
【従来の技術】ゼーベック効果及びペルチェ効果を原理
とした熱電気変換素子対をユニット化した熱電気変換モ
ジュールの開発は古くからなされている。2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion module in which thermoelectric conversion element pairs are unitized based on the Seebeck effect and the Peltier effect has been developed for a long time.
【0003】従来の熱電気変換モジュールは,図7で示
すように,N型及びP型半導体チップ100,101を
互いに隣合うように配列し,この半導体チップ列の隣合
う一対を両端が互い違いに接続されるように,低熱源側
素子接合金属102及び高熱側素子接合金属103で夫
々半田104を介して接合し,更に,接合された接合金
属102,103の両端を耐熱性絶縁薄板105によっ
て,銀ろう106を介して挟み込んで,平板状に組み立
てられている。この熱電気変換モジュールの熱電対素子
は,電気的に直列に且つ熱的には並列に配列されてい
る。尚,図中で符号107aは放熱板107を構成する
放熱フィンである。ここ数十年間,このような熱電気変
換モジュールの基本構造は,殆ど変化していない。とこ
ろで,電気的エネルギーを熱エネルギーに変換する(ペ
ルチェ効果)の場合(カスケード方式)には,このよう
な平板型熱電気変換モジュールを階段状に複数枚重ね
て,冷却能率を上げるように構成されているものもあ
る。In a conventional thermoelectric conversion module, as shown in FIG. 7, N-type and P-type semiconductor chips 100 and 101 are arranged so as to be adjacent to each other. In order to be connected, the low-heat-source-side element bonding metal 102 and the high-heat-side element bonding metal 103 are bonded via solder 104, respectively, and both ends of the bonded bonding metals 102 and 103 are connected by a heat-resistant insulating thin plate 105. It is assembled in a flat plate shape with the silver solder 106 interposed therebetween. The thermocouple elements of the thermoelectric conversion module are arranged electrically in series and thermally in parallel. In the figure, reference numeral 107a denotes a radiating fin constituting the radiating plate 107. In recent decades, the basic structure of such a thermoelectric conversion module has hardly changed. By the way, in the case of converting electric energy to heat energy (Peltier effect) (cascade method), it is configured to increase the cooling efficiency by stacking a plurality of such plate-type thermoelectric conversion modules in a stepwise manner. Some are.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】前述した様な構造を有
する従来の熱電気変換モジュールを使用する際に,熱電
対の両端に大きな温度差を与えるためには,図7で示す
ように,放熱フィン107aを一端に有する熱電気変換
モジュールの数倍から数十倍も大きい体積を持つ放熱板
を,このモジュールの低熱源側に取り付けなければなら
ない。又,前述したカスケード方式が取り入れられる場
合でも,重ね合わされる熱電気変換モジュールの段数に
は,物理的に限界があった。When a conventional thermoelectric conversion module having the above-described structure is used, in order to provide a large temperature difference between both ends of the thermocouple, as shown in FIG. A heat sink having a volume several times to several tens times larger than that of the thermoelectric conversion module having the fin 107a at one end must be attached to the low heat source side of this module. Further, even when the cascade method described above is adopted, the number of stacked thermoelectric conversion modules is physically limited.
【0005】そこで,本発明の一つの技術的課題は,熱
電子冷却用に使用される熱電気変換モジュール構造の欠
陥を取り除き,前述したカスケード方式による場合の冷
却能力の限界について,技術的に解決するように,カス
ケード方式によらない新規の小型な熱電気変換モジュー
ルを用いることで小型化された熱電子変換装置を提供す
ることにある。Therefore, one technical problem of the present invention is to eliminate the defect of the thermoelectric conversion module structure used for thermoelectric cooling and to technically solve the limitation of the cooling capacity in the cascade method described above. Accordingly , it is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion device that is miniaturized by using a new small thermoelectric conversion module that does not use the cascade method.
【0006】本発明のもう一つの技術的課題は,前記熱
電子冷却装置を用いることで小型化された冷凍庫を提供
することにある。Another technical object of the present invention is to provide a freezer that is downsized by using the thermoelectric cooling device.
【0007】[0007]
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明によれば,熱電気
変換モジュールを複数枚重ね合わせ,電気的に直列に配
置し,該重ね合わされた熱電気変換モジュールの中心部
に,円管状の低熱源部を形成した熱電子冷却装置であっ
て,前記熱電気変換モジュールの各々は,一枚の耐熱性
絶縁板の中心部及びこの中心部の周囲に夫々形成された
リング状の第1の金属膜及び半リング状の一対の第2の
金属膜と,前記第1及び第2の金属膜間に対向形成され
た半リング状のN型及びP型半導体厚膜とを備え,前記
耐熱性絶縁板上の前記第1及び第2の金属膜,及び前記
N型及びP型半導体厚膜は,スクリーン印刷法で積層形
成され,前記第2の金属膜を前記N型及びP型半導体厚
膜の夫々の電極端子とし,前記N型半導体厚膜及び前記
P型半導体厚膜を前記第1の金属膜を介して接合して熱
電対を構成していることを特徴とする熱電子冷却装置が
得られる。According to the present invention, a thermoelectric generator is provided.
Multiple conversion modules are superimposed and electrically connected in series.
And the center of the superposed thermoelectric conversion module
In addition, a thermoelectric cooler with a tubular low heat source
Each of the thermoelectric conversion modules has a central portion of a single heat-resistant insulating plate, a ring-shaped first metal film formed around the central portion, and a pair of second half-ring-shaped second metal films. comprising a metal film, and said semi-ring-shaped N-type and P-type semiconductor thick film that is facing formed between the first and second metal films, the
The first and second metal films on a heat-resistant insulating plate;
N-type and P-type semiconductor thick films are laminated by screen printing.
Forming the second metal film as electrode terminals of the N-type and P-type semiconductor thick films, respectively, and joining the N-type semiconductor thick film and the P-type semiconductor thick film via the first metal film. thermionic cooling device is obtained, characterized by constituting the thermocouples with.
【0009】[0009]
【0010】本発明によれば,熱電気変換モジュールを
複数枚重ね合わせ,電気的に直列に配置し,該重ね合わ
された熱電気変換モジュールの中心部に,円管状の低熱
源部を形成した熱電子冷却装置の前記円管状の低熱源部
を貫通したパイプ端部に接続された熱交換器を冷凍室に
備え,前記低熱源部と前記熱交換器との間に冷却媒体を
循環させ,該冷凍室内を冷却する冷凍庫であって,前記
熱電気変換モジュールは,一枚の耐熱性絶縁板の中心部
及びこの中心部の周囲に夫々形成されたリング状の第1
の金属膜及び半リング状の一対の第2の金属膜と,前記
第1及び第2の金属膜間に対向形成された半リング状の
N型及びP型半導体厚膜とを備え,前記第2の金属膜を
前記N型及びP型半導体厚膜の夫々の電極端子とし,前
記N型半導体厚膜及び前記P型半導体厚膜を前記第1の
金属膜を介して接合して熱電対を構成していることを特
徴とする冷凍庫が得られる。According to the present invention, a plurality of thermoelectric conversion modules are stacked and electrically arranged in series, and a tubular low heat source is formed at the center of the stacked thermoelectric conversion modules . The tubular low heat source part of the thermoelectric cooling device
Heat exchanger connected to the end of the pipe passing through
And a cooling medium is provided between the low heat source section and the heat exchanger.
A freezer that circulates and cools the freezer compartment,
The thermoelectric conversion module is located at the center of one heat-resistant insulating plate.
And first ring-shaped first members formed around the central portion.
A metal film and a pair of semi-ring-shaped second metal films;
A semi-ring shaped counter-formed between the first and second metal films
An N-type and a P-type semiconductor thick film;
The respective electrode terminals of the N-type and P-type semiconductor thick films are
The N-type semiconductor thick film and the P-type semiconductor thick film are connected to the first
It is specially characterized that the thermocouple is constructed by joining through a metal film.
A freezer is obtained.
【0011】[0011]
【0012】[0012]
【作用】本発明の熱電気変換モジュールおいては,耐熱
絶縁板上のN型及びP型半導体厚膜の接合部である中心
部の第1の金属膜には吸熱が起こり,電圧を印加する電
極端子である一対の第2の金属膜には発熱が生じる。本
発明においては,前記熱電気変換モジュールを基本構造
として,複数枚重ね合わせ,電気的に直列に結合させ
る。この熱電気変換モジュールの枚数を,製造される熱
電子冷却装置の仕様に応じて,限りなく重ね合わせて結
合し,円管状の冷却帯の長さを適当に変化させ,熱電子
冷却装置の冷却能力一杯に,冷却させることが可能であ
る。In the thermoelectric conversion module of the present invention, heat is absorbed in the first metal film at the center, which is the junction between the N-type and P-type semiconductor thick films on the heat-resistant insulating plate, and a voltage is applied. Heat is generated in the pair of second metal films serving as electrode terminals. In the present invention, the thermoelectric conversion module has a basic structure, and a plurality of the thermoelectric conversion modules are superposed and electrically connected in series. According to the specification of the thermoelectric cooling device to be manufactured, the number of thermoelectric conversion modules is superimposed and connected infinitely, and the length of the tubular cooling zone is appropriately changed to cool the thermoelectric cooling device. It is possible to cool to full capacity.
【0013】[0013]
【実施例】以下,本発明の実施例について,図面を参照
して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0014】図1(a)は本発明の実施例に係る熱電気
変換モジュールを示す平面図で,図1(b)は図1
(a)のAB断面図である。図1(a)及び(b)にお
いて,熱電気変換モジュール10は,中心部に設けられ
た中心孔6及び四隅に設けられた電気接点形成用の縁孔
7aを有する四角形の耐熱性絶縁薄板1と,この耐熱性
絶縁薄板1上に形成された一対の円弧状の厚膜電極2
a,2bと,耐熱性絶縁薄板1の中心孔6の周囲に形成
された金属リング厚膜3と,円弧状のN型半導体厚膜4
及びP型半導体厚膜5とを備え,これらは略等しい厚み
を有している。FIG. 1A is a plan view showing a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, and FIG.
It is AB sectional drawing of (a). 1 (a) and 1 (b), a thermoelectric conversion module 10 has a square heat-resistant insulating thin plate 1 having a center hole 6 provided at the center and edge holes 7a provided at four corners for forming electric contacts. And a pair of arc-shaped thick film electrodes 2 formed on the heat-resistant insulating thin plate 1.
a, 2b, a metal ring thick film 3 formed around the center hole 6 of the heat-resistant insulating thin plate 1, and an arc-shaped N-type semiconductor thick film 4
And a P-type semiconductor thick film 5 having substantially the same thickness.
【0015】厚膜電極2a,2bは,耐熱性絶縁薄板1
の中心線で切断されたように,中心線に関して対称形成
された半リング状を夫々有し,また,耐熱性絶縁薄板1
の四隅の位置の孔7aの周囲に形成され,角部1aに向
かって耐熱性絶縁薄板1に沿って突出するように形成さ
れたリング状の接点2cを有する。The thick film electrodes 2a and 2b are made of a heat-resistant insulating thin plate 1.
Each of which has a semi-ring shape symmetrically formed with respect to the center line as cut by the center line of
Ring-shaped contacts 2c formed around the holes 7a at the four corners and projecting along the heat-resistant insulating thin plate 1 toward the corners 1a.
【0016】N型半導体厚膜4及びP型半導体厚膜5
は,耐熱性絶縁薄板1上で厚膜電極2a,2bと金属リ
ング3との間に夫々形成され,前述の耐熱性絶縁薄板1
の中心線で2分割されるように対称に形成された半リン
グ状を有している。このN型半導体厚膜4及びP型半導
体厚膜5は,金属リング厚膜3に内接し,互いに電気的
に接続している。N-type semiconductor thick film 4 and P-type semiconductor thick film 5
Are formed between the thick-film electrodes 2a and 2b and the metal ring 3 on the heat-resistant insulating thin plate 1, respectively.
Has a half-ring shape formed symmetrically so as to be divided into two by the center line of the half circle. The N-type semiconductor thick film 4 and the P-type semiconductor thick film 5 are inscribed in the metal ring thick film 3 and are electrically connected to each other.
【0017】このように本発明の実施例においては,半
導体素子材の形状を,半リング状厚膜にし,断面積を小
さくし,表面積を広くすることによって,外周である高
熱源側より発生する熱の放散をし易く,また,電流によ
る途中での熱放散を容易にしている。また,内周である
低熱源側と外周との間の素子脚(素子チップの高さ),
即ち,本発明の実施例では半導体厚膜の幅に対応する,
を従来よりも長くし,その両端子間に大きな温度差をよ
り付けやすくすることができる。As described above, in the embodiment of the present invention, the shape of the semiconductor element material is made into a semi-ring-like thick film, the cross-sectional area is made small, and the surface area is made large, so that the semiconductor element material is generated from the high heat source side which is the outer periphery. The heat is easily dissipated, and the heat is easily dissipated halfway by the current. In addition, the device legs (height of the device chip) between the low heat source side, which is the inner periphery, and the outer periphery,
That is, the embodiment of the present invention corresponds to the width of the semiconductor thick film,
Can be made longer than before so that a large temperature difference can be more easily provided between the two terminals.
【0018】図2は,図1のN型半導体厚膜4及びP型
半導体厚膜5を形成するための原料ペーストを製造する
方法を示している。図2で示すように,第1段階として
N型半導体厚膜原料としてBi1.8 Sb0.2 Te2.85及
びSbI3 を用意し,P型半導体厚膜原料としてBi
0.5 Sb1.5 Te3 及びSeを用意した(S1段階)。
第2段階として,これらの原料粉末を,例えばP型半導
体厚膜原料に関してはSeが1.75wt%となるように
所定量秤量した(S2段階)。第3段階として,これら
夫々の原料を真空中で溶解した(S3段階)。第4段階
として得られたインゴットを5vol %のH2 を含むAr
ガス気流中にて熱処理した。N型半導体インゴットの場
合は,548〜508℃で48時間,P型半導体の場合
は,488〜473℃で48時間,夫々熱処理した(S
4段階)。第5段階として,熱処理した夫々のインゴッ
トを平均粉末粒度1〜2μmに粉砕した。次の段階とし
て,溶剤を混入してN型半導体及びP型半導体の原料ペ
ーストを夫々製造した(S6段階)。ここで使用される
溶剤としては,ポリビニルアルコール,ポリブチルアル
コール等の粘性を持たせるアルコール系の溶剤を使用す
ることができる。以上のようにして,原料ペーストの製
造が完了した(S7段階)。FIG. 2 shows a method of producing a raw material paste for forming the N-type semiconductor thick film 4 and the P-type semiconductor thick film 5 of FIG. As shown in FIG. 2, as a first step, Bi 1.8 Sb 0.2 Te 2.85 and SbI 3 are prepared as an N-type semiconductor thick film material, and Bi is used as a P-type semiconductor thick film material.
0.5 Sb 1.5 Te 3 and Se were prepared (S1 stage).
In the second stage, these raw material powders were weighed in a predetermined amount such that, for example, the P-type semiconductor thick film raw material had Se of 1.75 wt% (S2 stage). As a third step, each of these raw materials was melted in a vacuum (S3 step). The ingot obtained as a fourth step was prepared by adding 5 vol% of H 2 to Ar
Heat treatment was performed in a gas stream. In the case of an N-type semiconductor ingot, heat treatment was performed at 548 to 508 ° C. for 48 hours, and in the case of a P-type semiconductor, the heat treatment was performed at 488 to 473 ° C. for 48 hours (S
4 stages). As a fifth step, each heat-treated ingot was ground to an average powder particle size of 1-2 μm. In the next step, a raw material paste for an N-type semiconductor and a P-type semiconductor was manufactured by mixing a solvent (Step S6). As the solvent used here, an alcohol-based solvent having viscosity such as polyvinyl alcohol and polybutyl alcohol can be used. As described above, the production of the raw material paste is completed (S7 stage).
【0019】図3は,図1の熱電気変換モジュールを製
造する方法を示している。図3で示すように,第1段階
として,耐熱性絶縁薄板1を用意した(S10段階)。
第2段階として,図1で示すように,耐熱性絶縁薄板1
の中央部及び外周部に,Cu−Ti粉末ペーストからな
るリング状電極をスクリーン印刷した(S11段階)。
第3段階としてCu−Ti粉末ペーストを乾燥させた
(S12段階)。第4段階として,850℃で30分
間,真空中で加熱して,耐熱性絶縁薄板1とCu−Ti
粉末とを反応させて,電極形成を行った(S13段
階)。第5段階として,電極間にN型及びP型半導体の
原料ペーストをスクリーン印刷して,乾燥時の膜厚が2
00μmとなるように積層した(S14段階)。第6段
階として,得られた厚膜を乾燥した(S15段階)。第
7段階として,乾燥した膜を毎分2リットルでAr気流
を供給して焼結加熱した。P型半導体厚膜に関しては,
470℃で1時間,N型半導体厚膜に関しては,460
℃で1時間とした(S16段階)。FIG. 3 shows a method of manufacturing the thermoelectric conversion module of FIG. As shown in FIG. 3, as a first step, a heat-resistant insulating thin plate 1 was prepared (S10 step).
In the second stage, as shown in FIG.
A ring-shaped electrode made of a Cu-Ti powder paste was screen-printed on the central portion and the outer peripheral portion (step S11).
As a third step, the Cu-Ti powder paste was dried (S12 step). As a fourth step, the heat-resistant insulating thin plate 1 and Cu-Ti
An electrode was formed by reacting with the powder (S13). As a fifth step, the material pastes of the N-type and P-type semiconductors are screen-printed between the electrodes so that the film thickness when dried is 2 μm.
The layers were stacked so as to have a thickness of 00 μm (S14 step). As a sixth step, the obtained thick film was dried (step S15). As a seventh step, the dried film was heated by sintering by supplying an Ar gas flow at 2 L / min. For P-type semiconductor thick film,
470 ° C. for 1 hour, 460 for N-type semiconductor thick film
C. for 1 hour (S16 stage).
【0020】以上のような製造工程で,熱電気変換モジ
ュールの製造が完了した(S17段階)。尚,厚膜熱電
気変換モジュールの形状寸法は,目的に応じて選ぶこと
ができる。Through the above manufacturing steps, the manufacture of the thermoelectric conversion module is completed (S17). The shape and dimensions of the thick-film thermoelectric conversion module can be selected according to the purpose.
【0021】図4は図1の熱電気変換モジュールを用い
た熱電子冷却装置の電気接続部を概略的に示す組立分解
断面図である。図4において,バネ部材以外は,図1の
CDに沿って切断されたものと同様の部材断面を示して
いる。図1で示したものと同様の熱電気変換モジュール
10a,10b,10c,…10Nは,夫々互い違いの
側に結合電極11a,11b,11cを備えている。
又,両端部には,隣接する結合電極11aと同じ位置に
結合電極12を夫々有するモジュール押さえ板13a,
13bが配置されている。FIG. 4 is an exploded sectional view schematically showing an electric connection portion of a thermoelectric cooling device using the thermoelectric conversion module of FIG. FIG. 4 shows the same member cross section as that cut along the CD in FIG. 1 except for the spring member. The thermoelectric conversion modules 10a, 10b, 10c,... 10N similar to those shown in FIG. 1 are provided with coupling electrodes 11a, 11b, 11c on alternate sides, respectively.
At both ends, module holding plates 13a each having a coupling electrode 12 at the same position as an adjacent coupling electrode 11a,
13b is arranged.
【0022】これらN個(但し,Nは自然数)の熱電気
変換モジュール10a,10b,10c…10Nは,モ
ジュール押さえ板13a,13bを介して中心軸14の
両端に配置されたバネ部材15によって,矢印16で示
される方向に付勢され互いに重ね合わされる。この際,
例えば,熱電気変換モジュール10bに関しては,結合
電極11bがモジュール10aの厚膜電極2aに接触す
るとともに,熱電気変換モジュール10cの結合電極1
1cに厚膜電極2bが接触する。このように熱電気変換
モジュールの結合電極の一端は,他の熱電気変換モジュ
ールの厚膜電極の表面に互い違いに圧接することで,直
列に電気接続が得られる。最端部の熱電気変換モジュー
ル10a,10b,10c…10Nは,結合電極11a
及び11Nをモジュール押さえ板13a,13bの結合
電極12a,12bに互いに重ね合わせることによっ
て,両端部の電気接点が得られる。夫々の結合電極12
a,12bの外側端面に,図示しないリード線を夫々半
田付けすることで,電源接続様の外部引出線を容易に取
り付けることができる。These N (where N is a natural number) thermoelectric conversion modules 10a, 10b, 10c... 10N are formed by spring members 15 disposed at both ends of a center shaft 14 via module holding plates 13a, 13b. It is urged in the direction indicated by the arrow 16 and overlaps each other. On this occasion,
For example, regarding the thermoelectric conversion module 10b, the coupling electrode 11b contacts the thick film electrode 2a of the module 10a and the coupling electrode 1b of the thermoelectric conversion module 10c.
The thick film electrode 2b contacts 1c. As described above, one end of the coupling electrode of the thermoelectric conversion module is alternately pressed against the surface of the thick film electrode of another thermoelectric conversion module, so that electrical connection is obtained in series. The thermoelectric conversion modules 10a, 10b, 10c...
And 11N are superimposed on the coupling electrodes 12a, 12b of the module holding plates 13a, 13b to obtain electrical contacts at both ends. Each coupling electrode 12
By soldering lead wires (not shown) to the outer end surfaces of a and 12b, an external lead wire such as a power supply can be easily attached.
【0023】図5(a)は図4の要素を有する熱電子冷
却装置を示す断面図で,図5(b)は図5(a)の熱電
子冷却装置の側面図である。図5(a)で示すように,
図1の熱電気変換モジュール10を複数枚積層し,両端
部から押さえ板13a,13bを介してバネ部材15に
よって圧接している。この積層された熱電気変換モジュ
ール10の中心部の中心孔6内には,円管状の冷却帯が
形成され,この部分を冷却パイプ21が貫通し,また,
4側面の周囲には,断面枠状の内部空間を有する水冷式
の放熱管22が配されている。この放熱管には,放熱流
体口23が設けられている。バネ部材15は,熱電気変
換モジュールを圧接した状態で,図5(b)で示すよう
に,この放熱管22の両端から封止板を捩子25によっ
て固定することで封じられる。このように上記半導体厚
膜で形成されたこの熱電対の冷却熱源部を中心に置き,
その熱電気変換モジュールを複数枚重ね合わせ,電気的
直列に結合し,その両端の結合電極に直流電圧を流し,
中央部に軸方向に沿った円管状の冷却帯を形成する。FIG. 5A is a sectional view showing a thermoelectric cooling device having the elements shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a side view of the thermoelectric cooling device shown in FIG. As shown in FIG.
A plurality of thermoelectric conversion modules 10 of FIG. 1 are stacked, and are pressed from both ends by spring members 15 via holding plates 13a and 13b. A tubular cooling zone is formed in the center hole 6 at the center of the laminated thermoelectric conversion module 10, and a cooling pipe 21 penetrates this portion.
Around the four side surfaces, a water-cooled radiator tube 22 having a frame-shaped internal space is disposed. The heat radiating pipe is provided with a heat radiating fluid port 23. As shown in FIG. 5B, the spring member 15 is sealed by fixing sealing plates from both ends of the heat radiating tube 22 with screws 25 as shown in FIG. 5B. With the cooling heat source portion of the thermocouple formed of the semiconductor thick film as described above centered,
A plurality of the thermoelectric conversion modules are superimposed, electrically connected in series, and a DC voltage is applied to the coupling electrodes at both ends thereof.
A tubular cooling zone along the axial direction is formed at the center.
【0024】図6(a)は,図5の熱電子冷却装置を用
いた冷凍庫を示す断面図で,図6(b)は図6(a)の
冷凍庫の断面図である。図6(a)において,冷凍庫3
0は,仕切壁33によって区分された第1及び第2の箱
体31,32を備えている。第1の箱体31は,内壁が
断熱材料34a,34b,34c,34d,34e,3
4fによって覆われている。これらの断熱材34a,3
4b,34c,34d,34e,34fによって,庫内
空間41が規定される。ここで,本発明において,冷凍
庫とは,冷凍温度まで冷却可能な収容庫を有する装置を
呼ぶ。FIG. 6A is a sectional view showing a freezer using the thermoelectric cooling device of FIG. 5, and FIG. 6B is a sectional view of the freezer of FIG. 6A. In FIG. 6A, the freezer 3
Reference numeral 0 includes first and second boxes 31 and 32 separated by a partition wall 33. The inner wall of the first box 31 is made of a heat insulating material 34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 3
4f. These heat insulating materials 34a, 3
The interior space 41 is defined by 4b, 34c, 34d, 34e, and 34f. Here, in the present invention, the freezer refers to a device having a storage that can be cooled to a freezing temperature.
【0025】仕切壁33の断熱材34d上,第1の箱体
31内には,熱交換器として庫内空間41に突出したフ
ィン35aを有するラジエータ35が設けられ,この断
熱材34d及び仕切壁33を貫通して,第2の箱体32
内に冷却パイプ35b,35cが突出している。図面の
右側の断熱材34aが設けられた壁部は,扉45を構成
し,庫内に収容されるものを出し入れするための取手3
8を持つことによって紙面の奥側の垂直端部を一軸とし
て,紙面の奥の方向に回転移動して開放される。尚,庫
内空間41の底部には,霜取用タンク43が設けられて
いる。On the heat insulating material 34d of the partition wall 33, a radiator 35 having a fin 35a protruding into the internal space 41 is provided as a heat exchanger in the first box 31. The heat insulating material 34d and the partition wall are provided. 33 through the second box 32
Cooling pipes 35b and 35c protrude inside. The wall on which the heat insulating material 34a is provided on the right side of the drawing constitutes a door 45, and a handle 3 for taking in and out what is stored in the storage.
By being provided with 8, it is rotated and moved in the depth direction of the paper with the vertical end on the depth side of the paper as one axis, and is opened. A defrost tank 43 is provided at the bottom of the internal space 41.
【0026】一方,第2の箱体32は,仕切壁33と対
向する壁部に開口37を有し,この箱体32内には,前
述の熱電子冷却装置が収容されている。この熱電子冷却
装置20の両端の冷却パイプ21a,21bは,庫内空
間41のラジエータ35からのパイプ35b,35c突
出端に,パイプ連結管36a,36bによって,夫々接
続されている。また,第2の箱体32は,熱電子冷却装
置20の外周と略同じ寸法の開口部37からこの装置2
0の流体口23側の一側が外部に露出して設けられてい
る。この例においては,下方の流体口23から熱電子冷
却装置20内に冷却水が流入し,上方の流体口23から
熱電子冷却装置20内の冷却水が流出する。On the other hand, the second box 32 has an opening 37 in a wall portion facing the partition wall 33, and the thermoelectric cooling device described above is accommodated in the box 32. The cooling pipes 21a and 21b at both ends of the thermoelectric cooling device 20 are connected to the protruding ends of the pipes 35b and 35c from the radiator 35 in the internal space 41 by pipe connecting pipes 36a and 36b, respectively. The second box 32 is opened from the opening 37 having substantially the same size as the outer periphery of the thermoelectric cooling device 20.
One side of the fluid port 23 side is exposed to the outside. In this example, the cooling water flows into the thermoelectric cooling device 20 from the lower fluid port 23, and the cooling water in the thermoelectric cooling device 20 flows from the upper fluid port 23.
【0027】図6(b)において,3個の熱電子冷却装
置は,この装置20の幅及び厚さに対応する大きさの窪
みを有するバンド39を,仕切壁33に捩子40で固定
することで,取り付けられている。尚,符号44は,こ
の冷凍庫の裏側に設けられた扉(図6(a)参照)を回
転支持するための蝶番である。In FIG. 6B, the three thermoelectric cooling devices fix a band 39 having a recess having a size corresponding to the width and thickness of the device 20 to the partition wall 33 with screws 40. It is attached by that. Reference numeral 44 denotes a hinge for rotatably supporting a door (see FIG. 6A) provided on the back side of the freezer.
【0028】次に,上述した本発明の実施例に係る冷凍
庫の動作について説明する。前述したように,熱電子冷
却装置20の円管状の低熱源部によって形成された冷却
帯内に冷却パイプ21を貫通配置し,この冷却パイプ2
1に冷却媒体を流し,それを冷却した後,その冷気を冷
凍室内に運ぶ。この冷却媒体は,ラジエータ35内に供
給され,フィン35によって庫内空間41から吸熱する
ことによって,この庫内空間41を冷却する。Next, the operation of the freezer according to the embodiment of the present invention will be described. As described above, the cooling pipe 21 is penetrated and arranged in the cooling zone formed by the tubular low heat source part of the thermoelectric cooling device 20, and the cooling pipe 2
After flowing a cooling medium through the cooling medium 1 and cooling it, the cold air is conveyed into a freezing room. The cooling medium is supplied into the radiator 35 and cools the internal space 41 by absorbing heat from the internal space 41 by the fins 35.
【0029】具体的には,熱電子冷却装置の冷却パイプ
内で冷却した冷却媒体は,その密度を大にして冷却パイ
プ内(図5(a)参照)を下降し,ラジエータ35の下
側のパイプ35bからラジエータ35内に導入され,ラ
ジエータ35のフィン35aから庫内の熱を吸収しなが
ら密度を小にして上昇し,上側のパイプ35cを経由し
て,熱電子冷却装置の再び導入されるという自然対流法
を用いている。このような構成の本発明の実施例に係る
冷凍庫によれば,従来のモジュールのように,放熱板を
使用せずとも,冷凍庫内空間41の温度を−20℃まで
下げることができた。尚,本発明の実施例において,上
述したように,重力場を利用した対流方式を採用してい
る。この方式は,簡単に冷却媒体をパイプ状冷却帯から
冷凍室に移動させるには,有利であるが,勿論,本発明
においては,循環ポンプを用いて冷却媒体を循環させる
ことも可能である。More specifically, the cooling medium cooled in the cooling pipe of the thermoelectric cooling device increases its density and descends in the cooling pipe (see FIG. It is introduced into the radiator 35 from the pipe 35b, and the heat is absorbed by the fins 35a of the radiator 35 to reduce the density while rising, and then the thermoelectric cooling device is introduced again through the upper pipe 35c. Using the natural convection method. According to the freezer according to the embodiment of the present invention having such a configuration, the temperature of the freezer interior space 41 can be reduced to −20 ° C. without using a radiator plate as in the conventional module. In the embodiment of the present invention, as described above, a convection method using a gravitational field is employed. This method is advantageous for easily moving the cooling medium from the pipe-shaped cooling zone to the freezing compartment, but of course, in the present invention, it is also possible to circulate the cooling medium using a circulation pump.
【0030】[0030]
【発明の効果】以上,説明したように,本発明の熱電気
変換モジュールは,半円形厚膜構造を有するために,広
い厚膜表面からの熱放散もあり,高熱源側電極端への熱
の伝達も著しく減少させることができる。As described above, since the thermoelectric conversion module of the present invention has a semicircular thick-film structure, heat is also radiated from a wide thick-film surface, and the heat to the high-heat-source-side electrode end is reduced. Transmission can also be significantly reduced.
【0031】また,本発明の熱電気変換モジュールは,
より小型で,更に円管状の冷却帯を形成することができ
る。Further, the thermoelectric conversion module of the present invention
A smaller, more tubular cooling zone can be formed.
【0032】また,本発明の熱電気変換モジュールによ
って,円管状冷却帯を形成した熱電子冷却装置は,従来
の圧縮方式のような大掛かりな装置を必要とせず,容易
に冷熱源を得ることができる。Further, the thermoelectric cooling device in which the tubular cooling zone is formed by the thermoelectric conversion module of the present invention does not require a large-scale device such as a conventional compression system, and can easily obtain a cold heat source. it can.
【0033】更に,本発明の熱電子冷却装置は,大きな
放熱板を必要としないので,より小型化することがで
き,構造上,水冷式放熱管を効率良く導入することが容
易であり,冷凍庫をコンパクトに纏めることができ,し
かもその冷熱効果は,従来のカスケード型モジュールを
用いた電子冷却装置の冷却効果と殆ど遜色ない。Further, the thermoelectric cooling device of the present invention does not require a large heat radiating plate, so that it can be made more compact, and it is easy to efficiently introduce a water-cooled radiating tube from a structural point of view, and a freezer And the cooling effect is almost the same as the cooling effect of the electronic cooling device using the conventional cascade type module.
【図1】本発明の実施例に係る熱電気変換モジュールを
示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1の原料ペーストの製造工程を示す図であ
る。FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of the raw material paste of FIG.
【図3】図1の熱電気変換モジュールの製造工程を示す
図である。FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the thermoelectric conversion module of FIG.
【図4】図1の熱電気変換モジュールを用いた熱電子冷
却装置の電気接続部を概略的に示す組立分解斜視図であ
る。FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing an electric connection part of a thermoelectric cooling device using the thermoelectric conversion module of FIG. 1;
【図5】本発明の実施例に係る熱電子冷却装置を示す図
である。FIG. 5 is a diagram showing a thermoelectric cooling device according to an embodiment of the present invention.
【図6】図4の熱電子冷却装置を用いた冷凍庫を示す図
である。FIG. 6 is a view showing a freezer using the thermoelectric cooling device of FIG. 4;
【図7】従来の熱電気変換モジュールと放熱板とを示す
図である。FIG. 7 is a view showing a conventional thermoelectric conversion module and a heat sink.
1 耐熱性絶縁薄板 2a,2b 厚膜電極 3 金属リング厚膜 4 N型半導体厚膜 5 P型半導体厚膜 6 中心孔 7a 縁孔 10,10a,10b,10c,10N 熱電気変換
モジュール 11a,11b,11c,11N 結合電極 12a,12b 結合電極 13a,13b モジュール押さえ板 20 熱電子冷却装置 21 冷却パイプ 22 放熱管 24 封止板 31 第1の箱体 32 第2の箱体 33 仕切壁 34a,34b,34c,34d,34e,34f
断熱材 35 ラジエータ 35a フィン 36a,36b パイプ連結体 37 開口部 39 バンド 40 捩子DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat resistant insulating thin plate 2a, 2b Thick film electrode 3 Metal ring thick film 4 N-type semiconductor thick film 5 P-type semiconductor thick film 6 Center hole 7a Edge hole 10, 10a, 10b, 10c, 10N Thermoelectric conversion module 11a, 11b , 11c, 11N Coupling electrodes 12a, 12b Coupling electrodes 13a, 13b Module holding plate 20 Thermoelectric cooler 21 Cooling pipe 22 Radiator tube 24 Sealing plate 31 First box 32 Second box 33 Partition walls 34a, 34b , 34c, 34d, 34e, 34f
Insulation material 35 Radiator 35a Fin 36a, 36b Pipe connector 37 Opening 39 Band 40 Screw
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 武次郎 宮城県仙台市青葉区旭ヶ丘三丁目13−8 (56)参考文献 特開 平2−260581(JP,A) 特開 平4−174269(JP,A) 特公 昭47−48037(JP,B1) 実公 昭49−32863(JP,Y2) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takejiro Kaneko 13-8 Asahigaoka 3-chome, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (56) References JP-A-2-260581 (JP, A) JP-A-4-174269 (JP) , A) JP-B-47-48037 (JP, B1) JK-49-32863 (JP, Y2)
Claims (2)
せ,電気的に直列に配置し,該重ね合わされた熱電気変
換モジュールの中心部に,円管状の低熱源部を形成した
熱電子冷却装置であって, 前記熱電気変換モジュールの各々は, 一枚の耐熱性絶縁
板の中心部及びこの中心部の周囲に夫々形成されたリン
グ状の第1の金属膜及び半リング状の一対の第2の金属
膜と,前記第1及び第2の金属膜間に対向形成された半
リング状のN型及びP型半導体厚膜とを備え,前記耐熱性絶縁板上の前記第1及び第2の金属膜,及び
前記N型及びP型半導体厚膜は,スクリーン印刷法で積
層形成され, 前記第2の金属膜を前記N型及びP型半導体厚膜の夫々
の電極端子とし,前記N型半導体厚膜及び前記P型半導
体厚膜を前記第1の金属膜を介して接合して熱電対を構
成していることを特徴とする熱電子冷却装置。 1. A plurality of thermoelectric conversion modules are stacked.
And electrically arranged in series, and the superimposed thermoelectric
A low heat source in the form of a tube is formed at the center of the exchange module
A thermoelectric cooling device, wherein each of the thermoelectric conversion modules includes a central portion of a heat-resistant insulating plate, a ring-shaped first metal film and a semi-ring-shaped formed around the central portion, respectively. A pair of second metal films, and a semi-ring-shaped N-type and P-type semiconductor thick film formed opposite to each other between the first and second metal films . First and second metal films, and
The N-type and P-type semiconductor thick films are stacked by screen printing.
Is a layer formed, said second metal layer and each of the electrode terminals of the N-type and P-type semiconductor thick film, the N-type semiconductor thick film and the P-type semiconductor thick film through the first metal film A thermoelectric cooler characterized by being joined to form a thermocouple .
せ,電気的に直列に配置し,該重ね合わされた熱電気変
換モジュールの中心部に,円管状の低熱源部を形成した
熱電子冷却装置の前記円管状の低熱源部を貫通したパイ
プ端部に接続された熱交換器を冷凍室に備え,前記低熱
源部と前記熱交換器との間に冷却媒体を循環させ,該冷
凍室内を冷却する冷凍庫であって, 前記熱電気変換モジュールは,一枚の耐熱性絶縁板の中
心部及びこの中心部の周囲に夫々形成されたリング状の
第1の金属膜及び半リング状の一対の第2の金属膜と,
前記第1及び第2の金属膜間に対向形成された半リング
状のN型及びP型半導体厚膜とを備え,前記第2の金属
膜を前記N型及びP型半導体厚膜の夫々の電極端子と
し,前記N型半導体厚膜及び前記P型半導体厚膜を前記
第1の金属膜を介して接合して熱電対を構成しているこ
とを特徴とする冷凍庫。 2. A plurality of thermoelectric conversion modules are stacked.
And electrically arranged in series, and the superimposed thermoelectric
A low heat source in the form of a tube is formed at the center of the exchange module
Pie passing through the tubular low heat source portion of the thermoelectric cooling device
The freezer is equipped with a heat exchanger connected to the end of the
Circulating a cooling medium between the heat source and the heat exchanger;
A freezer that cools a freezing chamber, wherein the thermoelectric conversion module includes a single heat-resistant insulating plate.
A ring-shaped ring formed around the core and the center
A first metal film and a pair of semi-ring-shaped second metal films;
A half-ring formed oppositely between the first and second metal films;
N-type and P-type semiconductor thick films, and the second metal
The film is connected to the respective electrode terminals of the N-type and P-type semiconductor thick films.
The N-type semiconductor thick film and the P-type semiconductor thick film
The thermocouple must be joined through the first metal film.
And a freezer.
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