JP2001223394A - ペルチェ素子 - Google Patents
ペルチェ素子Info
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- JP2001223394A JP2001223394A JP2000033437A JP2000033437A JP2001223394A JP 2001223394 A JP2001223394 A JP 2001223394A JP 2000033437 A JP2000033437 A JP 2000033437A JP 2000033437 A JP2000033437 A JP 2000033437A JP 2001223394 A JP2001223394 A JP 2001223394A
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- peltier device
- peltier
- semiconductor devices
- semiconductor
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｎ型半導体素子と、Ｐ型半導体素子と、両半
導体素子の一方を直列に接続する導電板と、該導電板の
上に設けられた冷却面板と、両半導体素子の他方に設け
られた発熱面板とを有するペルチェ素子において、より
低温度にすることができる構造を提供する。 【解決手段】 ペルチェ素子のＮ型及びＰ型半導体素子
は、冷却面板側の面積が小さく且つ発熱面板側の面積が
大きい形状である。また、両半導体素子の縦方向断面が
台形状又はＬ字形状であることが好ましい。更に、両半
導体素子がＢｉ−Ｔｅ半導体素子であり、導電板が銅電
極板であり、冷却面板及び発熱面板がセラミック板であ
ってもよい。更に、多段型ペルチェ素子の構成にするこ
とは、より好ましい。
導体素子の一方を直列に接続する導電板と、該導電板の
上に設けられた冷却面板と、両半導体素子の他方に設け
られた発熱面板とを有するペルチェ素子において、より
低温度にすることができる構造を提供する。 【解決手段】 ペルチェ素子のＮ型及びＰ型半導体素子
は、冷却面板側の面積が小さく且つ発熱面板側の面積が
大きい形状である。また、両半導体素子の縦方向断面が
台形状又はＬ字形状であることが好ましい。更に、両半
導体素子がＢｉ−Ｔｅ半導体素子であり、導電板が銅電
極板であり、冷却面板及び発熱面板がセラミック板であ
ってもよい。更に、多段型ペルチェ素子の構成にするこ
とは、より好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却のための
ペルチェ素子に関する。
ペルチェ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、ペルチェ素子の冷却原理図であ
る。ペルチェ素子は、Ｎ型半導体素子と、Ｐ型半導体素
子と、両半導体素子の一方の端を直列に接続する導電板
と、該導電板の上に設けられた冷却面板と、両半導体素
子の他方の端に設けられた発熱面板とを有する。Ｎ型半
導体素子の発熱面板の近傍から直流電流を供給すること
により、冷却面板と発熱面板との間で温度差を生じる。
これは、Ｎ型半導体素子は電流方向と逆方向に、Ｐ型半
導体素子は電流方向と順方向に熱の移動が発生する特性
を利用したものである。
る。ペルチェ素子は、Ｎ型半導体素子と、Ｐ型半導体素
子と、両半導体素子の一方の端を直列に接続する導電板
と、該導電板の上に設けられた冷却面板と、両半導体素
子の他方の端に設けられた発熱面板とを有する。Ｎ型半
導体素子の発熱面板の近傍から直流電流を供給すること
により、冷却面板と発熱面板との間で温度差を生じる。
これは、Ｎ型半導体素子は電流方向と逆方向に、Ｐ型半
導体素子は電流方向と順方向に熱の移動が発生する特性
を利用したものである。
【０００３】実用においては、発熱面板側に放熱板を面
接触させ、冷却面板側を使用する。放熱板を設けない
と、ペルチェ素子の内部に熱が隠り、ペルチェ素子と導
電板とを接着しているハンダが融解するためである。こ
のような構成において、最大電流を供給した場合、冷却
面には通常−３５℃程度が得られる。
接触させ、冷却面板側を使用する。放熱板を設けない
と、ペルチェ素子の内部に熱が隠り、ペルチェ素子と導
電板とを接着しているハンダが融解するためである。こ
のような構成において、最大電流を供給した場合、冷却
面には通常−３５℃程度が得られる。
【０００４】図２は、ペルチェ素子の配置構成図であ
る。通常、ペルチェ素子は、単体で用いられることは無
く、図２に示すように、２個の半導体素子を電気的に直
列接続し、１つのモジュールとして構成する。図２は、
１６個のＢｉ−Ｔｅ半導体素子を、１辺が１cmのセラミ
ック板２枚で挟み込んだものである。これは、市販され
ているペルチェ素子の中で最小サイズのものである。
る。通常、ペルチェ素子は、単体で用いられることは無
く、図２に示すように、２個の半導体素子を電気的に直
列接続し、１つのモジュールとして構成する。図２は、
１６個のＢｉ−Ｔｅ半導体素子を、１辺が１cmのセラミ
ック板２枚で挟み込んだものである。これは、市販され
ているペルチェ素子の中で最小サイズのものである。
【０００５】ここで、ペルチェ素子の冷却温度の一般的
な理論式を説明する。 実行吸熱流量Q＝ペルチェ吸熱流量−ジュール熱−熱逆流量 ＝ SJTc −１/２J２R −K(TH-Tc) (１) THは発熱面温度であり、Tcは冷却面温度であり、Sはゼ
ーベック係数であり、Rは比抵抗であり、Kは熱伝導率で
あり、Jは電流密度である。
な理論式を説明する。 実行吸熱流量Q＝ペルチェ吸熱流量−ジュール熱−熱逆流量 ＝ SJTc −１/２J２R −K(TH-Tc) (１) THは発熱面温度であり、Tcは冷却面温度であり、Sはゼ
ーベック係数であり、Rは比抵抗であり、Kは熱伝導率で
あり、Jは電流密度である。
【０００６】Qは、ペルチェ素子の実質的な吸熱量を示
す「実行吸熱流量」である。SJTcは、Ｂｉ−Ｔｅ半導体
素子そのものの吸熱力である「ペルチェ吸熱流量」であ
る。１/２Ji ２Rは、「ジュール熱」である。K(TH-Tc)
は、発熱面から半導体素子内部の温度勾配により冷却面
へ逆流した熱量である「熱逆流量」であり、発熱面の温
度THを低下させることにより小さくなることが理解でき
る。つまり、発熱面の温度を人為的に下げることによ
り、半導体素子を伝わって冷却面へ入る熱を減少させ
る。結果的に、冷却面での吸熱力Qを、より向上させる
ことができる。
す「実行吸熱流量」である。SJTcは、Ｂｉ−Ｔｅ半導体
素子そのものの吸熱力である「ペルチェ吸熱流量」であ
る。１/２Ji ２Rは、「ジュール熱」である。K(TH-Tc)
は、発熱面から半導体素子内部の温度勾配により冷却面
へ逆流した熱量である「熱逆流量」であり、発熱面の温
度THを低下させることにより小さくなることが理解でき
る。つまり、発熱面の温度を人為的に下げることによ
り、半導体素子を伝わって冷却面へ入る熱を減少させ
る。結果的に、冷却面での吸熱力Qを、より向上させる
ことができる。
【０００７】図３は、半導体素子の高さに対する吸熱量
の関係を表すグラフである。そのグラフからも明らかな
ように、半導体素子の高さが低いほど、吸熱量が大きく
なることが理解できる。
の関係を表すグラフである。そのグラフからも明らかな
ように、半導体素子の高さが低いほど、吸熱量が大きく
なることが理解できる。
【０００８】近年では、ペルチェ素子の冷却温度の更な
る低温化が試みられている。そのために、ペルチェ素子
を多段に重畳することもできる。図４は、ピラミッド状
に積み上げた多段型ペルチェ素子の構成図である。ま
た、図５は、ペルチェ素子の段数に対する冷却温度の関
係を表すグラフである。これにより、段数が増すごとに
冷却面温度が低下していることが理解できる。
る低温化が試みられている。そのために、ペルチェ素子
を多段に重畳することもできる。図４は、ピラミッド状
に積み上げた多段型ペルチェ素子の構成図である。ま
た、図５は、ペルチェ素子の段数に対する冷却温度の関
係を表すグラフである。これにより、段数が増すごとに
冷却面温度が低下していることが理解できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の多段型
ペルチェ素子は、冷却面を多段の頂上にするために、上
段の面積よりも下段の面積の方が大きくなるために、以
下の欠点が生じる。
ペルチェ素子は、冷却面を多段の頂上にするために、上
段の面積よりも下段の面積の方が大きくなるために、以
下の欠点が生じる。
【００１０】第１の欠点としては、最上段のペルチェ素
子の面積が小さくならざるをえないために、冷却する対
象物との接触面積が減少する。そのため、必然的に冷却
のために使用できる吸熱量は、小さいものに限られる。
子の面積が小さくならざるをえないために、冷却する対
象物との接触面積が減少する。そのため、必然的に冷却
のために使用できる吸熱量は、小さいものに限られる。
【００１１】第２の欠点としては、最下段のペルチェ素
子の面積が広くならざるをえないために、必然的にそこ
に用いられるＢｉ−Ｔｅ半導体素子の数も増える。この
素子の数の増加は、非常に大きな発熱の原因となる。こ
の発熱は、実際の製品の特性値として表示されるもので
ある。
子の面積が広くならざるをえないために、必然的にそこ
に用いられるＢｉ−Ｔｅ半導体素子の数も増える。この
素子の数の増加は、非常に大きな発熱の原因となる。こ
の発熱は、実際の製品の特性値として表示されるもので
ある。
【００１２】第３の欠点としては、多段に重畳するため
に厚みが増し、この厚みは、ペルチェ素子の応用範囲を
限定することになる。
に厚みが増し、この厚みは、ペルチェ素子の応用範囲を
限定することになる。
【００１３】更に、多段型でなく、１段型ペルチェ素子
の吸熱量を増加させ、より低温にできるようにすべきで
ある。
の吸熱量を増加させ、より低温にできるようにすべきで
ある。
【００１４】そこで、本発明は、より低温度にすること
ができるペルチェ素子の構造を提供することを目的とす
る。
ができるペルチェ素子の構造を提供することを目的とす
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明のペルチェ素子に
よれば、Ｎ型及びＰ型半導体素子は、冷却面板側の面積
が小さく且つ発熱面板側の面積が大きい形状である。
よれば、Ｎ型及びＰ型半導体素子は、冷却面板側の面積
が小さく且つ発熱面板側の面積が大きい形状である。
【００１６】本発明の他の実施形態によれば、両半導体
素子の縦方向断面が台形状又はＬ字形状であることが好
ましい。また、両半導体素子はＢｉ−Ｔｅ半導体素子で
あり、導電板は銅電極板であり、冷却面板及び発熱面板
はセラミック板であることも好ましい。また、多段型ペ
ルチェ素子の構成にすることは更に好ましい。
素子の縦方向断面が台形状又はＬ字形状であることが好
ましい。また、両半導体素子はＢｉ−Ｔｅ半導体素子で
あり、導電板は銅電極板であり、冷却面板及び発熱面板
はセラミック板であることも好ましい。また、多段型ペ
ルチェ素子の構成にすることは更に好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下では、図面を用いて本発明を
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００１８】図６は、本発明によるペルチェ素子におけ
るＢｉ−Ｔｅ半導体素子の形状図である。図６からも明
らかなように、本発明の特徴は、Ｂｉ−Ｔｅ半導体素子
の発熱面側と、発熱面板のセラミック板とが接触する面
積を拡大したことである。これにより、従来の構造より
も半導体素子で発生した熱が逃げやすくなり、効率の良
い放熱が可能になる。従って、ペルチェ素子の冷却面の
温度Tcは低下し、式(１)に示す実効吸熱量Qも向上す
る。
るＢｉ−Ｔｅ半導体素子の形状図である。図６からも明
らかなように、本発明の特徴は、Ｂｉ−Ｔｅ半導体素子
の発熱面側と、発熱面板のセラミック板とが接触する面
積を拡大したことである。これにより、従来の構造より
も半導体素子で発生した熱が逃げやすくなり、効率の良
い放熱が可能になる。従って、ペルチェ素子の冷却面の
温度Tcは低下し、式(１)に示す実効吸熱量Qも向上す
る。
【００１９】また、図６の本発明の構造では、各半導体
素子の体積が同じ場合、その高さを低くすることができ
る。ペルチェ素子は、半導体素子の高さが低いほど、吸
熱量が大きくなるために、これにより冷却力が格段に高
くなることが理解できる。
素子の体積が同じ場合、その高さを低くすることができ
る。ペルチェ素子は、半導体素子の高さが低いほど、吸
熱量が大きくなるために、これにより冷却力が格段に高
くなることが理解できる。
【００２０】更に、図６の構造では、Ｂｉ−Ｔｅ半導体
素子が発熱面に接触する端は、その半導体素子の幅が太
いので、その近傍での電流密度が減少する。これによ
り、発熱量が低下し、全体の発熱量も低くなる。
素子が発熱面に接触する端は、その半導体素子の幅が太
いので、その近傍での電流密度が減少する。これによ
り、発熱量が低下し、全体の発熱量も低くなる。
【００２１】図７は、図６のＢｉ−Ｔｅ半導体素子を１
段で配置したペルチェ素子の構成図である。図７は、図
２と同数の１６個のＢｉ−Ｔｅ半導体素子でペルチェ素
子を構成した。
段で配置したペルチェ素子の構成図である。図７は、図
２と同数の１６個のＢｉ−Ｔｅ半導体素子でペルチェ素
子を構成した。
【００２２】図７のTYPE１は図６(１)の台形型の半導体
素子を、図７のTYPE３は図６(２)のＬ字型の半導体素子
を用いたものである。図７のTYPE２は、TYPE１と同様
に、図６(１)の台形型の半導体素子を用いているが、個
々の素子の間隔をより広く確保したものである。
素子を、図７のTYPE３は図６(２)のＬ字型の半導体素子
を用いたものである。図７のTYPE２は、TYPE１と同様
に、図６(１)の台形型の半導体素子を用いているが、個
々の素子の間隔をより広く確保したものである。
【００２３】本発明の形状のＢｉ−Ｔｅ半導体素子を有
するペルチェ素子は、従来のペルチェ素子よりも吸熱量
が大きいために、多段型構成にした場合でも、従来の多
段型ペルチェ素子よりもより低温度が得られる。また、
高さも低いものになるので、より狭いスペースでの使用
が可能になる。
するペルチェ素子は、従来のペルチェ素子よりも吸熱量
が大きいために、多段型構成にした場合でも、従来の多
段型ペルチェ素子よりもより低温度が得られる。また、
高さも低いものになるので、より狭いスペースでの使用
が可能になる。
【００２４】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、Ｂｉ−Ｔｅ半導体素子の発熱面側の面積が広い
ために、発熱面の温度THが低くなりやすく、吸熱量が大
きくなる。
よれば、Ｂｉ−Ｔｅ半導体素子の発熱面側の面積が広い
ために、発熱面の温度THが低くなりやすく、吸熱量が大
きくなる。
【００２５】また、本発明によれば、ペルチェ素子の高
さが低いので吸熱量が大きくなり、更に多段の場合に
は、従来よりも大幅に高さが低い製品を作ることが可能
となる。
さが低いので吸熱量が大きくなり、更に多段の場合に
は、従来よりも大幅に高さが低い製品を作ることが可能
となる。
【００２６】更に、本発明によれば、半導体素子の発熱
面側の端が太いので、その近傍での電流密度が減少す
る。そのために、他方の端からの吸熱量は変わらず、そ
の近傍での発熱量が従来のものよりも小さくなる。
面側の端が太いので、その近傍での電流密度が減少す
る。そのために、他方の端からの吸熱量は変わらず、そ
の近傍での発熱量が従来のものよりも小さくなる。
【図１】ペルチェ素子の冷却原理図である。
【図２】ペルチェ素子の配置構成図である。
【図３】半導体素子の高さに対する吸熱量の関係を表す
グラフである。
グラフである。
【図４】ピラミッド状に積み上げた多段型ペルチェ素子
の構成図である。
の構成図である。
【図５】ペルチェ素子の段数に対する冷却温度の関係を
表すグラフである。
表すグラフである。
【図６】本発明によるペルチェ素子におけるＢｉ−Ｔｅ
半導体素子の形状図である。
半導体素子の形状図である。
【図７】図６のＢｉ−Ｔｅ半導体素子を１段で配置した
ペルチェ素子の構成図である。
ペルチェ素子の構成図である。
Claims (6)
- 【請求項１】 Ｎ型半導体素子と、Ｐ型半導体素子と、
両半導体素子の一方の端を直列に接続する導電板と、該
導電板の上に設けられた冷却面板と、両半導体素子の他
方の端に設けられた発熱面板とを有するペルチェ素子に
おいて、 前記両半導体素子は、前記冷却面板側の面積が小さく且
つ前記発熱面板側の面積が大きい形状であることを特徴
とするペルチェ素子。 - 【請求項２】 前記両半導体素子の縦方向断面が台形状
であることを特徴とする請求項１に記載のペルチェ素
子。 - 【請求項３】 前記両半導体素子の縦方向断面がＬ字形
状であることを特徴とする請求項１に記載のペルチェ素
子。 - 【請求項４】 前記両半導体素子は、Ｂｉ−Ｔｅ半導体
素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか
１項に記載のペルチェ素子。 - 【請求項５】 前記導電板は銅電極板であり、前記冷却
面板及び前記発熱面板はセラミック板であることを特徴
とする請求項１から４のいずれか１項に記載のペルチェ
素子。 - 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項に記載の
前記ペルチェ素子が多段に重ねられることを特徴とする
多段型ペルチェ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000033437A JP2001223394A (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | ペルチェ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000033437A JP2001223394A (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | ペルチェ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001223394A true JP2001223394A (ja) | 2001-08-17 |
Family
ID=18557920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000033437A Withdrawn JP2001223394A (ja) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | ペルチェ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001223394A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104578913A (zh) * | 2013-10-15 | 2015-04-29 | 天津大学 | 温差发电器的优化结构 |
| CN105765749A (zh) * | 2014-03-04 | 2016-07-13 | 日立化成株式会社 | 热电转换模块 |
| CN116007224A (zh) * | 2023-02-01 | 2023-04-25 | 山东大学 | 一种基于热电制冷的便携式冷热一体机及方法 |
-
2000
- 2000-02-10 JP JP2000033437A patent/JP2001223394A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104578913A (zh) * | 2013-10-15 | 2015-04-29 | 天津大学 | 温差发电器的优化结构 |
| CN105765749A (zh) * | 2014-03-04 | 2016-07-13 | 日立化成株式会社 | 热电转换模块 |
| CN116007224A (zh) * | 2023-02-01 | 2023-04-25 | 山东大学 | 一种基于热电制冷的便携式冷热一体机及方法 |
| CN116007224B (zh) * | 2023-02-01 | 2024-06-11 | 山东大学 | 一种基于热电制冷的便携式冷热一体机及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070501 |