JP4015435B2 - Heating and cooling devices using thermoelectric elements - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for heating and cooling using a thermoelectric element.
[0002]
[Prior art]
In a conventional apparatus for heating or cooling with a heat pump using a thermoelectric module, as a method of increasing COP, a method of increasing the ability of a radiator and a heat absorber bonded to an insulating plate of the thermoelectric module has been used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The COP of the heating and cooling device using the thermoelectric module is determined by the ability of the radiator and heat sink coupled to the thermoelectric module and the COP of the thermoelectric module itself. However, the COP of the thermoelectric module changes depending on the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side. In a conventional heating and cooling device using a thermoelectric module, the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric module is determined by the usage environment, and thus the temperature difference cannot be controlled to increase COP.
[0004]
Further, the thermoelectric module generates thermal stress because of the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side. When this thermal stress is repeatedly applied to the thermoelectric element, the joint, and the insulating plate, it is often damaged.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
When the thermoelectric module is used as a heat pump, the COP increases as the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side decreases, as shown in FIG. On the other hand, if the thermoelectric module is divided into multiple stages, the load is shared, electrodes are attached to the partialthermoelectric modules 4 at each stage to make them electrically independent, and a temperature sensor is attached to each insulating plate, the partialthermoelectric module 4 can be individually controlled based on the temperature of each insulating plate. Therefore, by controlling the current so that the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side of each partialthermoelectric module 4 is set to a temperature difference at which a high COP can be obtained, heating or cooling with high energy efficiency can be performed.
[0006]
Since the multi-stage thermoelectric module of the present invention distributes the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side to each partial thermoelectric module, the generated thermal stress can be reduced. And if the bonding of each partial thermoelectric module and the insulating plate is not a fixing method such as soldering but mechanical bonding that allows relative movement, thermal stress can be further reduced and damage due to thermal stress can be prevented. Can do.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1, 2, 3, and 5 are diagrams for explaining an embodiment of the present invention. The multi-stage thermoelectric module 8 (FIGS. 2 and 5) of the present invention includes a partialthermoelectric module 4 in which a P-type semiconductorthermoelectric element 1 and an N-type semiconductorthermoelectric element 2 are joined by aconductive bridge 3 via aninsulating plate 6. It is connected in multiple stages. The partial thermoelectric modules at each stage are electrically insulated and each has anelectrode 7 attached thereto. Atemperature sensor 5 is attached to theinsulating plate 6. Theelectrode 7 of each stage of the partialthermoelectric module 4 and thetemperature sensor 5 of theinsulating plate 6 are connected to acontroller 9. Thecontroller 9 includes a power source that supplies electricity to each partialthermoelectric module 4 and a control unit. The control unit controls the current supplied to the partialthermoelectric module 4 so that the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the partial thermoelectric module becomes a predetermined temperature difference.
[0008]
A multi-stagethermoelectric module 8 shown in FIG. 5 is an example of a multi-stage thermoelectric module used in the present invention with special consideration for reducing thermal stress. It is a combined multi-stage thermoelectric module. The first-stage partial thermoelectric module and the second-stage partial thermoelectric module are coupled with bolts via springs. Accordingly, the respective partial thermoelectric modules can slide with respect to each other, and as a result, thermal stress can be reduced.
[0009]
【The invention's effect】
Since the multi-stage thermoelectric module of the present invention has multi-stages of electrically independent partial thermoelectric modules, the thermoelectric module can be used with a high COP temperature difference by controlling the current of each partial thermoelectric module.
[0010]
In addition, the multistage thermoelectric module of the present invention can reduce the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side per step, and as a result, the thermal stress can be reduced. Moreover, thermal stress can be further reduced by mechanically joining each partial heat module or between the insulating plate and the partial thermoelectric module. As a result, damage due to thermal stress can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a heating and cooling device using a thermoelectric element of the present invention.
FIG. 2 is a side view of an example of a multi-stage thermoelectric module used in the present invention.
FIG. 3 is an example of a partial thermoelectric module used in the thermoelectric module of the present invention.
FIG. 4 is a side view of an example of a multi-stage thermoelectric module used in the present invention, particularly considering thermal stress.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 Thermoelectric element ofP type semiconductor 2 Thermoelectric element ofN type semiconductor 3Conductive bridge 4 Partialthermoelectric module 5Temperature sensor 6Insulating plate 7 Electrode 8 Multi-stagethermoelectric module 9Controller 10Radiator 11 Heat absorber 12Spring 13 Bolt, nut

Claims (2)

Translated fromJapanese

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。A multi-stage thermoelectric module in which partial thermoelectric modules in which P-type semiconductor thermoelectric elements and N-type semiconductor thermoelectric elements are connected by conductive bridges are joined in multiple stages via an insulating plate with a temperature sensor attached. And a multi-stage thermoelectric module in which an electrode is attached to each partial thermoelectric module, and a current flowing through the partial thermoelectric module of each stageindividually based on the temperature of the insulating plate measured by the temperature sensor A controller that controls and controls the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side of each partial thermoelectric moduleto be the indicated temperature difference, and controls the temperature difference between the high temperature surface and the low temperature surface of each partial thermoelectric module. By sharing the load to each partial thermoelectric module by control, each partial thermoelectric module is operated at high COP , Heating and cooling devices, characterized inthat perform the heating and cooling with high energy efficiency compared with the case of no load sharing.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In order to alleviate the thermal stress generated inthe thermoelectric module,said multi-contact portions of all the contact portion or a portion between thesaid partial thermoelectric module and betweenthe insulating plate portion thermoelectric module is characterized by slidable The heating and cooling device of claim 1 having a thermoelectric module.

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