JP2003174204A

JP2003174204A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP2003174204A
Application number: JP2001373605A
Authority: JP
Inventors: Masaki Orihashi; 正樹折橋; Seiichi Miyai; 清一宮井; Kaoru Kobayashi; 薫小林
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の基本構造を利用して、セラミックス基
板に高い熱伝導性を付与し、面内温度分布を可能な限り
均一にし、素子の破断を防止できる熱電変換素子を提供
すること。【解決手段】電気絶縁性セラミックス基板４と、この
セラミックス基板４に一体化された熱伝導性の良好なグ
ラファイトシート６と、セラミックス基板４に支持され
た熱電変換素子７とによって構成され、グラファイトシ
ート６の側に発熱体８が配置される熱電変換装置３０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばペルチェ冷
却素子等の熱電変換素子を使用した熱電変換装置に関す
るものである。

【従来の技術】

【０００２】従来、ペルチェ効果を利用したペルチェ冷
却素子は、熱電（変換）半導体を利用したヒートポンプ
の一種として知られており、直流電圧を印加することに
より、素子の一方の片面においては発熱し、他方の片面
においては吸熱するという特徴を持っており、この原理
を活用して、半導体プロセス用恒温プレート、保温庫及
びＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵ
ｎｉｔ）クーラー等への応用が拡大している。このペル
チェ冷却素子は、発熱側と吸熱側との温度差が小さいほ
ど、冷却効果が高くなる。

【０００３】これとは別に、ゼーベック効果を利用した
ゼーベック発電素子も知られており、素子の片面に熱を
加え、素子の上部と下部とで温度差をつけることによ
り、効率は低いが発電することができ、この原理は発電
式の腕時計等に活用されている。このゼーベック発電素
子は、素子の上部と下部との温度差が大きくなるほど、
発生する起電力（熱起電力）が大きくなる。

【０００４】ここで、上記のペルチェ効果及びゼーベッ
ク効果等を総称して熱電変換効果と称し、これらの効果
を利用したペルチェ冷却素子及びゼーベック発電素子を
熱電変換素子と称する。

【０００５】上記のペルチェ冷却素子とゼーベック発電
素子とは、動作方法が異なるが、全く同じ構造を有して
いる。

【０００６】図１０（ａ）について、一般的な熱電変換
素子（例えば、ペルチェ冷却素子）の構造を説明する。

【０００７】熱電変換素子５７を具備した熱電変換装置
８０においては、板状の金属電極５３をそれぞれ形成し
た一対のセラミックス基板７４の間に、Ｓｂ₂Ｔｅ₃−Ｂ
ｉ₂Ｔｅ₃合金等で構成されるｐ型熱電半導体のエレメン
ト５１と、Ｂｉ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｓｅ₃合金等で構成される
ｎ型熱電半導体のエレメント５２とを交互に配列し、そ
れぞれの熱電半導体のエレメントを金属電極５３にはん
だ付けした構造となっている。

【０００８】片方のセラミックス基板７４上には半導体
発熱部品等の発熱体５８が接触して固定されており、対
向する他方のセラミックス基板７４の電極５３には、熱
電変換素子５７に直流電圧を印加するためのリード線５
５が接続されている。

【０００９】ここで、ｐ型熱電半導体のエレメント５１
及びｎ型熱電半導体のエレメント５２の材質としての熱
電変換材料には、一般に、下記の式で表される性能指数
Ｚが高い材料が用いられる。

【００１０】Ｚ＝α²・σ／κ （但し、αは、熱電半導体材料に１Ｋ（ケルビン温度）
の温度差が生じた時に得られる起電力のことであって、
ゼーベック係数と呼ばれ、またσは熱電半導体材料の電
気伝導率を表し、κは熱電半導体材料の熱伝導率を表
す。）

【００１１】従って、性能指数Ｚの値を大きくするに
は、電気的な性能を表すα²・σの値を大きくするだけ
でなく、熱伝導率κの値を小さくしなければならない。

【００１２】しかし、一般に、熱電半導体材料において
は、σの値が大きくなると、αの値が小さくなる傾向が
ある。

【００１３】現在、一般にペルチェ冷却素子として用い
られている熱電半導体材料の材質は、Ｂｉ₂Ｔｅ₃系の材
料であり、その性能指数Ｚは３．０×１０^-3Ｋ^-1程度で
ある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の熱電変換装置８
０においては、基板７４の材質として、アルミナや窒化
アルミニウム等が用いられる。しかし、これらのセラミ
ックスを基板材料として用いるために、エレメント５１
及び５２等を、外部からの衝撃や圧力に対して保護でき
るが、例えば、アルミナを用いた基板の熱伝導率は３０
〜４０Ｗ／ｍＫと低いために、発熱体５８と熱電変換素
子５７との間の熱抵抗が大きくなって、熱が伝わり難く
なるという問題がある。

【００１５】基板材料として、１００〜１７０Ｗ／ｍＫ
の熱伝導率を持つ窒化アルミニウムを用いる場合がある
が、これはアルミナに比べて高価である。

【００１６】また、窒化アルミニウムの熱膨張係数は、
４．４×１０^-6／Ｋであり、一般に金属電極３の材質と
して使われている銅（Ｃｕ）の熱膨張係数：１６．４×
１０ ^-6／Ｋと比べてかなり小さく、アルミナの熱膨張係
数も銅に比べて小さい。

【００１７】そして、上部及び下部のセラミックス基板
７４に対する加熱及び冷却の熱サイクルによって熱電変
換素子５７内に温度差が生じると、図１０（ｂ）に示す
ように、素子（具体的には電極５３）が変形を生じる。

【００１８】即ち、セラミックス基板７４の熱伝導率が
小さいため、セラミックス基板７４の面内で温度分布が
生じ、発熱体５８と直接接触する部分は比較的高温（又
は低温）であるが、周辺部分は比較的低温（又は高温）
となり易い。

【００１９】この結果、上部及び下部のセラミック基板
７４に対する加熱及び冷却の熱サイクル時に、熱電変換
素子５７が図１０（ｂ）中に破線で示すように変形して
しまう。即ち、上記の温度分布によって、セラミックス
基板７４の中央部（発熱体が接触する部分）と周辺部と
の温度差によって、熱電変換素子５７が特に電極の部分
において反ってしまい、エレメント５１、５２及び金属
電極５３が図１０（ｃ）に×印で示す箇所７５で破断し
易くなる。

【００２０】特に、エレメント５１と５２とが電気的に
直列に接続されているため、エレメント５１、５２及び
金属電極５３のうち１つでも破断すると、熱電変換素子
５７自体が使用不可能になってしまう。

【００２１】そこで、図１１に示すように、熱電変換素
子５７の上部及び下部のセラミックス基板７４の面内の
温度差によって生じる上記した熱電半導体のエレメント
５１、５２及び金属電極５３の破断を防ぐために、更に
は、熱電変換素子５７の発熱体に対する熱吸収効率を高
くするために、セラミックス基板７４を除いたスケルト
ン構造の熱電変換素子５７が提案されている。

【００２２】このスケルトン構造は、ｐ型熱電半導体の
エレメント５１及びｎ型熱電半導体のエレメント５２が
金属電極５３によって連結されたものであり、各エレメ
ントが、同一形状で向きの同じ２列の上部電極５３ａ
と、折り返し位置で向きの変更された３列の下部電極５
３ｂとにより、蛇行状に直列接続されたものである。

【００２３】しかし、実際には、熱電変換素子５７が強
度的に脆弱となり、また発熱体と金属電極５３との間の
電気絶縁性を保持する必要があるために、発熱体と金属
電極５３との間に何らかの絶縁板を挟んでいる。

【００２４】上記の熱電変換素子５７は、絶縁性の基材
を用いるために、その基材の熱伝導率が低く、発熱体を
配した基板表面の場所によって温度が異なり、温度分布
を生じて、熱電半導体のエレメント全体に熱が伝わりに
くいという問題がある。

【００２５】このため、基板に対する加熱及び冷却の熱
サイクル時に発熱体が接触する部分の変形量とそれ以外
の部分の変形量とに差が生じ、熱電半導体のエレメント
及び電極が破断し易くなる。

【００２６】これに対して、特開平８―３１６５３２号
公報では、セラミックス基板の代りに電極が付いている
面と反対側の面に金属板があり、電極面側には、絶縁性
無機物を充填した熱硬化性樹脂からなる絶縁層が付いた
基板を有する、熱電変換装置が提案されている。

【００２７】この熱電変換装置においては、例えば、使
用する銅やアルミニウム等からなる金属板の熱伝導率が
アルミナ等よりも高いため、基板である金属板内で熱を
分散させ易い。

【００２８】しかし、金属板がセラミックス基板よりも
重く、また絶縁性無機物を充填した絶縁層の熱伝導率が
小さいために、この絶縁層の部分で熱抵抗が発生し易
い。

【００２９】本発明は、上記のような状況に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、従来の構造に変更を加
えることなく、高い熱伝導性をセラミックス基体に付与
し、セラミックス基体の面内温度分布を可能な限り均一
にし、素子の破断を防止できる熱電変換装置を提供する
ことにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、電気絶
縁性セラミックス基体と、このセラミックス基体に一体
化された熱伝導性の良好な高熱伝導体と、前記セラミッ
クス基体に支持された熱電変換素子とによって構成さ
れ、前記高熱伝導体の側に発熱体が配置される熱電変換
装置に係わるものである。

【００３１】本発明によれば、電気絶縁性セラミックス
基体に熱電変換素子を支持すると共に、このセラミック
ス基体に熱伝導性の良好な高熱伝導体を一体化している
ために、熱伝導性の良好な高熱伝導体を介してセラミッ
クス基体の面全体に発熱体からの熱がほぼ均一に伝達さ
れることによって、面内の温度分布が均一となり、熱に
よる不均一な変形を防止して、セラミックス基体に支持
された熱電変換素子の破断を防ぐことができる。また、
従来の基本構造を変えることなく利用できるので、作製
工程や作製コストの増加が比較的小さくなる。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明においては、前記熱電変換
素子が、互いに電気的に接続されたｐ型及びｎ型の熱電
半導体からなるのが望ましい。

【００３３】又、前記セラミックス基体のほぼ全面に、
前記高熱伝導体として、グラファイトシートが接合され
ているのが望ましい。

【００３４】この場合、熱電変換素子の強度保持のため
に、前記高熱伝導体上に、ダイヤモンドライクカーボン
が被着されているのが望ましい。

【００３５】又、前記セラミックス基体の材質として、
アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素及び窒化珪素か
らなる群から選ばれた少なくとも一種類の物質を用いる
のが望ましい。

【００３６】又、前記グラファイトシートの厚さは、
０．０５〜０．５ｍｍと薄くしても熱伝導性が十分であ
る。この厚み範囲については、強度の保持及びシート化
の確保のためには０．０５ｍｍ以上であるのが望ましい
が、例えば、ポリイミドシートの焼成によるシート化時
の製造条件の限界やその製造時のガスの抱き込みによる
熱伝導性の低下を考慮すると、厚みの上限を０．５ｍｍ
とするのが望ましい。

【００３７】又、熱伝導性の一層の向上のために、前記
グラファイトシートに、高熱伝導性のフィラーの充填さ
れた熱伝導性シリコーンが被着されているのが望まし
い。

【００３８】又、熱電変換素子の可撓性の一層の向上の
ために、前記熱電変換素子の電極体に導電性ゴムが用い
られているのが望ましい。

【００３９】又、熱電変換素子の性能や変形時の強度を
向上し、更には、隣接する前記熱電変換材料間の絶縁性
を向上させるために、隣接する前記熱電変換エレメント
間に、絶縁性の樹脂、発泡材、多孔質でありかつ柔軟で
あって熱伝導率の低い絶縁材料、及び内部が空洞である
セラミックス粒状体（例えば球状体）からなる群より選
ばれた少なくとも一種の材料が充填されているのが望ま
しい。

【００４０】又、前記発熱体とは反対側において、前記
熱電変換素子にヒートシンク、ヒートパイプ等の放熱手
段が設けられているのが、放熱特性（熱伝達効率）をよ
り向上させる上で望ましい。

【００４１】又、前記熱電変換素子がペルチェ素子又は
ゼーベック発電素子であるのが望ましい。

【００４２】次に、本発明の好ましい実施の形態を図面
の参照下に具体的に説明する。

【００４３】本実施の形態の熱電変換装置３０において
は、図１（ａ）に示すように、電気絶縁性のセラミック
ス基板４の片側の面に、熱伝導性接着材若しくは熱伝導
性両面テープ等でグラファイトシート６を貼り付け、反
対側の面には銅箔等からなる金属電極３を印刷、配線
し、この電極３にｐ型熱電半導体のエレメント１及びｎ
型熱電半導体のエレメント２をはんだ付けで接続し、こ
れらのエレメントにリード線５で通電し、これによっ
て、図１１に示したパターン及び接続方法によってペル
チェ冷却素子（又はゼーベック発電素子）としての熱電
変換素子７を構成している。

【００４４】各エレメントは直列（若しくは並列）に接
続されてよく、また図１１に示した如きスケルトン構造
の熱電変換素子をセラミックス基板４に固定してもよ
い。

【００４５】そして、一方のグラファイトシート６上に
取り付けられた発熱体８から発生した熱を熱電変換素子
７によって冷却して反対側のグラファイトシート６から
放熱するために、図１（ｂ）に示すように、放熱手段と
してのヒートシンク２６（又はヒートパイプ）が設けら
れている。セラミックス基板４、エレメント１及び２、
電極３等は上述したものと同様の材質からなっている。

【００４６】なお、図１（ｃ）に示すように、例えば、
発熱体８側及びヒートシンク２６側の双方のグラファイ
トシート６に更に放熱シート２９を積層することによっ
て、セラミックス基板４の熱伝達効率を更に向上させて
もよい。

【００４７】また、図２（ａ）に示すように、例えば、
ヒートシンク２６側にはグラファイトシート６を設けな
いで、セラミックス基板４にヒートシンク２６を直接接
触させて、セラミックス基板４から伝わってくる熱を放
熱する構造にしてもよい。

【００４８】図３に示すように、グラファイトシート６
は、カーボン層１２によるグラファイトの層状構造２０
を有しており、このグラファイトシート６の熱伝導率は
６００〜８００Ｗ／ｍＫであって、３９８Ｗ／ｍＫの銅
（Ｃｕ）或いは２３７Ｗ／ｍＫのアルミニウム（Ａｌ）
等の金属類よりも高く、更に密度が１ｇ／ｃｍ³程度と
比較的軽い材質であると共に、高い電気伝導性を有する
材質でもある。

【００４９】従って、図１（ａ）に示すように、このグ
ラファイトシート６をセラミックス基板４上に貼り付け
ることにより、このグラファイトシート６の熱伝導率が
高いために、セラミックス基板４の全面に、グラファイ
トシート６に接触する発熱体８からの熱が均一に伝わる
ので、セラミックス基板４のみを用いた場合に比べて、
セラミックス基板４面内の温度差を小さくし、温度分布
を均一にすることができる。

【００５０】このグラファイトシート６の厚さは、０．
０５〜０．５ｍｍであるのが望ましい

【００５１】グラファイトシート６の厚さが、０．０５
ｍｍ未満であれば、薄すぎるために、グラファイトシー
ト６の強度が低下し、シート化が難しくなり、また面方
向への熱電導が不均一になり易い。グラファイトシート
６の厚さが、０．５ｍｍを超えると、厚すぎるために、
ポリイミドシートを焼成してグラファイトシート６を作
製する時に、厚いグラファイトシートは却って作製し難
い上に、グラファイトシート外に排出されるはずのガス
がグラファイトシート６内に残留して熱伝導性を低下さ
せ易くなる。

【００５２】セラミックス基板４とグラファイトシート
６との接合（貼り付け）工程においては、絶縁性無機物
や金属粉等が充填された電気絶縁性を持つ熱伝導性接着
剤や、１００μｍ以下の厚さを有する熱伝導性テープ等
を用いるのが好ましい。

【００５３】又、グラファイトシート６は、図２（ｂ）
に示すように、セラミックス基板４の上に貼り付ける構
造だけでなく、熱伝導率を維持できれば、図２（ｃ）に
示すように、２枚のセラミックス基板４間にグラファイ
トシート６を挟み込んだ構造にしたり、或いは、図２
（ｄ）に示すように、グラファイトシート６をセラミッ
クス基板４で包み込んだ構造にしてもよい。これによっ
て、グラファイトシート６をその主面又は全面において
強度保持することができる。これらの場合、セラミック
ス基板４に代えて、高熱伝導性フィラーが充填された熱
伝導性シリコーンを用い、これをセラミックス基板に貼
り付けてもよい。

【００５４】又、グラファイトシート６が貼り付けられ
た基板であるセラミックス基板４と発熱体８との間に絶
縁を必要とする場合には、発熱体８とグラファイトシー
ト６との間に、熱伝導性の良い接着剤を薄く塗布した
り、或いは、樹脂材やセラミックス基板等をグラファイ
トシート６と積層接着してもよい。

【００５５】又、発熱体８とグラファイトシート６との
密着性を上げる場合には、発熱体８とグラファイトシー
ト６との間を、導電性フィラーの充填されたグリース、
放熱シート及び相変化（フェーズチェンジ）材等で接着
してもよい。

【００５６】又、グラファイトシート６の表面にダイヤ
モンドライクカーボン（ＤＬＣ：ＤｉａｍｏｎｄＬｉ
ｋｅＣａｒｂｏｎ）を、例えばスパッタ法等により、
厚さ１０μｍ以下で薄くコーティングしておけば、ダイ
ヤモンドライクカーボンが硬くて熱伝導率が良い材質で
あるために、グラファイトシート６の強度が、セラミッ
クス基板４の剛性とあいまって更に向上すると共に、発
熱体８からグラファイトシート６への熱伝導性も更に良
好となる。

【００５７】また、電極３の材質として薄い銅箔等を用
いることができる。

【００５８】また、既述した従来のセラミックス基板の
材質としては、曲げ応力や圧縮力等に対する機械的強度
に優れかつ耐熱性があってある程度の熱伝導性を有す
る、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素及び窒化珪
素等からなる群から選ばれた少なくとも一種類の物質を
用いることができる。

【００５９】上記した絶縁性基板として用いられるセラ
ミックス基板４は、一般に熱伝導率が比較的小さいため
に、セラミックス基板４に接触する発熱体８からの熱が
発生したときに、セラミックス基板４内で熱が均一に分
散されにくく、その面内の温度分布が不均一となる傾向
がある。しかし、これは、グラファイトシート６の貼り
付けによって、効果的に防止することができる。

【００６０】又、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型
熱電半導体のエレメント２とに使用される熱電変換材料
としては、ペルチェ冷却素子の材料の代表的な例として
知られる、例えばＳｂ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｔｅ₃合金、Ｂｉ₂
Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｓｅ₃合金等のペルチェ材料に限られず、
その他にも、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＣｏＳｂ₃系合金、Ｆｅ
Ｓｉ₂系合金、ＹｂＡｌ₃系合金、ＮａＣｏ₂Ｏ₄などの酸
化物熱電変換材料及びポリピロールなどの導電性ポリマ
ーからなる有機物熱電変換材料等を使用できる。

【００６１】次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すよ
うに、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型熱電半導体
のエレメント２とを接続する電極として、例えば、電気
伝導率が１０²Ω^-1ｍ^-1以上であり、導電性フィラーが
充填されて可撓性を有する導電性ゴム電極９を用い、こ
れにエレメントを固定するのが良い。

【００６２】この場合、導電性ゴム電極９に設けられた
凹部１０に、例えば、円柱状のエレメント１及び２とを
導電性の接着材で固定する。これによって、熱電変換素
子７の変形の際に、これに追随して可撓性の導電性ゴム
電極９も変形するために、エレメント１及び２と電極９
との破断を効果的に防止し、また素子に対する外力の衝
撃吸収材となり、熱電変換素子７の強度を維持できる。

【００６３】また、図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示
すように、ｐ型熱電半導体のエレメント１とｎ型熱電半
導体のエレメント２との間の空間に、所定の物質を充填
することによって、熱電変換素子７の強度を維持するこ
とができる。

【００６４】例えば、図７（ａ）に示すように、熱伝導
率が低く、多孔質でかつ発泡性及び柔軟性を有する絶縁
材料１３を充填することにより、絶縁材料１３を通して
の熱の伝達を妨げられ、各エレメント１及び２による熱
伝導の支障とはならないと共に、熱電変換素子７の変形
に対しての衝撃吸収材となり、エレメント等の破断を一
層防止できる。

【００６５】図７（ｂ）の例では、ゴム系の多孔質絶縁
材料１４を用いることによって、絶縁材料１３を用いる
のとほぼ同様の効果が得られる。

【００６６】また、図７（ｃ）の例では、内部が空洞で
ある例えば球状のセラミックスボール１５を用いること
によって、絶縁材料１３を用いるのとほぼ同様の効果が
得られると共に、ｐ型熱電半導体のエレメント１やｎ型
熱電半導体のエレメント２等の強度を維持することがで
きる。

【００６７】使用可能な熱電変換材料においては、図８
に示すように、断面円形で長い棒状のｐ型熱電半導体の
エレメント１及びｎ型熱電半導体のエレメント２を用い
てもよい。

【００６８】この断面円形で長い棒状のエレメント１及
び２を用いる際には、図８（ｃ）に示すように、円形の
エレメント１及び２を保持するための断面円弧状の凹部
２８を、電極箔１８上に形成されたエレメント保持電極
１７に設けるのが、安定した支持の上で好ましい。

【００６９】凹部２８に、エレメント１及び２をはめ込
み、更に、これらのエレメント１及び２及びエレメント
保持電極１７を、はんだ１９によってエレメント保持電
極１７に固定することによって、高い強度で容易に固定
することができる。

【００７０】そして、ｐ型熱電半導体のエレメント１及
びｎ型熱電半導体のエレメント２の熱電変換材料とはん
だ１９との濡れ性が良くない場合には、前もって各エレ
メント１及び２を、例えば、ニッケル等を蒸着法やめっ
き法等の被着方法により予めコーティングしておくのが
よい。

【００７１】次に、ｐ型熱電半導体のエレメント１及び
ｎ型熱電半導体のエレメント２の寸法においては、一般
的に、単位面積当たりのエレメント１及び２の本数を可
能な限り増やすために、アスペクト比（熱電半導体のエ
レメントの断面の縦と横との寸法比）を１より大きくす
るのが望ましい。

【００７２】但し、基板であるセラミックス基板に貼り
付ける工程を簡便にするためには、熱電半導体のエレメ
ントのアスペクト比を２以下とするのがよいが、セラミ
ックス基板に貼り付けることのできる熱電半導体のエレ
メントの数量が減少してしまう。このため、既述した、
性能指数Ｚが同じであるとすれば、熱電半導体のエレメ
ントにゼーベック係数が大きい熱電変換材料を使用する
方が有利である。

【００７３】又、図９に示すように、ｐ型熱電半導体の
エレメント１及びｎ型熱電半導体のエレメント２等の形
状を、上記の断面円形の棒状のみならず、球形状（ボー
ル状）にしてもよい。

【００７４】このように、エレメント１及び２を球形状
にすることによって、はんだボールを配置する装置を、
各エレメントを配置する装置としてそのまま転用するこ
とができる。

【００７５】また、図８（ｃ）で述べたと同様に、エレ
メント１及び２を保持電極１７の凹部２８にはめ込み、
はんだ付けすることにより、棒状のエレメントと平面状
の電極３とを接続する構造に比べ、エレメントが電極か
ら剥離しにくくなり、かつ電極をフレキシブルにするこ
とができる。

【００７６】ここで、フレキシブル電極は、銅箔のみな
らず、例えば、導電性のペーストを塗布した電極として
もよい。

【００７７】次に、図４（ａ）に示すように、発熱体８
側にのみグラファイトシート６を貼り付けた熱電変換装
置３０と、グラファイトシート６を貼り付けなかった装
置とを作製し、発熱体８と接触する側のセラミックス基
板４における温度分布を測定する。

【００７８】結果は、温度と位置との関係（温度分布）
を表した図４（ｂ）に示すように、例えば、グラファイ
トシート６を貼り付けなかった場合は、発熱体８と接触
するセラミックス基板４の中央部の温度は高くなり、周
辺部は低くなる。これは、グラファイトシート６を貼り
付けていないために、セラミックス基板４に熱が均一に
伝達されなかったからである。

【００７９】一方、グラファイトシート６を貼り付けた
場合は、発熱体８と接触するセラミックス基板４の中央
部及び周辺部の温度は均一化し、面内の温度差を小さく
することができる。これは、グラファイトシート６があ
るために、セラミックス基板４の面全体に熱がほぼ均一
に伝達されたからである。

【００８０】本実施の形態によれば、セラミックス基板
４上に熱伝導性の良い高熱伝導体であるグラファイトシ
ート６を一体化しているために、グラファイトシート６
を介して、発熱体８からの熱がほぼ均一に伝導されるこ
とによって、セラミックス基板４の面内の熱分布がほぼ
均一となり、不均一な変形によって生じる熱電変換素子
７の破損（電極の破断等）を防ぐことができる。

【００８１】また、熱電変換素子７の支持に電気絶縁性
のセラミックス基板４を用いるために、図１０に示した
従来の基本構造を利用でき、比較的簡素な手段で熱電変
換装置３０の性能を向上できる。

【００８２】また、従来の熱電変換素子と比べ、電極等
の構造が簡素であり、板状の基板にエレメントの電極を
被着し易くなる。

【００８３】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００８４】本実施例の、例えば、ペルチェ冷却素子と
しての熱電変換装置３０においては、図４（ｃ）に示す
ように、熱電変換素子７の形状を、幅３０ｍｍ×奥行き
３０ｍｍ×高さ３．５ｍｍのサイズとし、熱電変換素子
７上部のセラミックス（アルミナ）基板４に、熱伝導性
接着剤を薄く塗布して厚さ０．２ｍｍのグラファイトシ
ート６を接着し、この上に出力２．４Ｗの発熱体８（パ
ワートランジスタ）を接着固定し、下部のセラミックス
基板４側にヒートシンク２６を設けた。

【００８５】更に、発熱体８上、熱電変換素子７上のセ
ラミックス基板４上、及びヒートシンク２６上に、温度
検出用の銅・コンスタンタン熱電対２７ａ、２７ｂ及び
２７ｃ（線径φ０．１２ｍｍ）をそれぞれ接続し、発熱
体８（パワートランジスタ）の温度を上昇させた時の、
それぞれの箇所における温度の時間変化（ペルチェ冷却
素子の場合）、または起電力の時間変化（ゼーベック発
電素子の場合）を測定した。

【００８６】＜特性の評価＞上記の熱電変換装置３０の
特性として、図５（ａ）のグラフにおいては、発熱体８
（パワートランジスタ）、熱電変換素子７を支持するセ
ラミックス基板４及びヒートシンク２６等のそれぞれの
温度の時間変化を示し、また、図５（ｂ）のグラフにお
いては、熱電変換素子７の熱起電力の時間変化を示し
た。

【００８７】図５（ａ）のグラフに示すように、熱電変
換装置３０のセラミックス基板４（熱電変換素子７上）
にグラファイトシート６を貼り付けた場合は、グラファ
イトシート６を貼りつけなかった場合に比べて、発熱体
８の温度がほぼ１０℃低下していることから、発熱体８
からセラミックス基板４に熱が伝わり易くなっているこ
とが分かる。

【００８８】それにも関わらず、図５（ａ）のグラフに
示すように、グラファイトシート６を貼り付けた場合の
セラミックス基板４の温度は、グラファイトシート６を
貼り付けなかった場合のセラミックス基板４の温度に比
べて低かった。

【００８９】また、図５（ａ）のグラフに示すように、
グラファイトシート６を貼り付けなかった場合のセラミ
ックス基板４と発熱体８との温度差よりも、グラファイ
トシート６を貼り付けた場合のセラミックス基板４と発
熱体８との温度差が小さかった。

【００９０】このことは、グラファイトシート６を用い
た場合に、発熱体８からの熱がセラミックス基板４面内
にほぼ分散（均一化）していることを示していた。

【００９１】また、グラファイトシート６を貼り付けた
場合及び貼りつけなかった場合の双方において、ヒート
シンク（ペルチェ冷却素子下）２６の温度差がほとんど
ないために、どちらの場合であっても、ヒートシンク２
６が高い放熱効果を有することが分かった。

【００９２】また、図５（ｂ）のグラフによれば、グラ
ファイトシート６を貼り付けなかった場合のセラミック
ス基板４と発熱体８との温度差よりも、グラファイトシ
ート６を貼り付けた場合のセラミックス基板４と発熱体
８との温度差が小さかった（図５（ａ）のグラフを参
照）にも係わらず、グラファイトシート６を貼り付けた
場合に熱起電力は１割程度増加した。

【００９３】通常、ゼーベック発電素子においては、熱
起電力は温度差が大きいとそれに応じて大きくなるが、
上記のように逆の結果になっている理由としては、グラ
ファイトシート６を貼り付けた場合、セラミックス基板
４全体に熱が分散されて、熱電変換素子７の熱電半導体
のエレメント全体に効率よく熱が伝わったためであると
考えられる。

【００９４】同様に、上記の熱電変換装置３０をペルチ
ェ冷却素子として使用した際に、グラファイトシート６
を貼り付けなかった場合のセラミックス基板４と発熱体
８との温度差よりも、グラファイトシート６を貼り付け
た場合のセラミックス基板４と発熱体８との温度差が小
さく、セラミックス基板４全体に熱が均一に伝わるため
に、発熱体８の温度が同じ場合にペルチェ冷却素子に流
す電流が減少する。

【００９５】以上に述べた本発明の実施の形態及び実施
例は、本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可能で
ある。

【００９６】例えば、グラファイトシート６の材質、大
きさ、形状、厚さ等は、所定の効果が有れば、任意に変
えてよい。そして、セラミックス基板４との一体化構造
も上述したものに限定されることはない。

【００９７】また、熱電変換素子７及び熱電変換装置３
０の形状、サイズ、発熱体の固定又は被着位置や被着状
態等は、所定の効果が有れば、任意に変えてよい。

【００９８】

【発明の作用効果】本発明によれば、電気絶縁性セラミ
ックス基体に熱電変換素子を支持すると共に、このセラ
ミックス基体に熱伝導性の良好な高熱伝導体を一体化し
ているために、熱伝導性の良好な高熱伝導体を介してセ
ラミックス基体の面全体に発熱体からの熱がほぼ均一に
伝達されることによって、面内の温度分布が均一とな
り、熱による不均一な変形を防止して、セラミックス基
体に支持された熱電変換素子の破断を防ぐことができ
る。

【００９９】また、熱電変換素子の支持に電気絶縁性セ
ラミックス基体を用いるために、従来の基本構造を変え
ることなく利用でき、作製工程や作製コストの増加を比
較的小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による熱電変換装置の斜視
図（ａ）、側面図（ｂ）及び他の熱電変換装置の側面図
（ｃ）である。

【図２】同、更に他の熱電変換装置の側面図（ａ）、及
びグラファイトシートとセラミックス基板との積層構造
の断面図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。

【図３】同、グラファイトシートの構造図である。

【図４】同、熱電変換装置の側面図（ａ）とその温度測
定時の側面図（ｃ）、及び温度分布特性を表すグラフ
（ｂ）である。

【図５】同、温度の時間変化を表すグラフ（ａ）、及び
熱起電力の時間変化を表すグラフ（ｂ）である。

【図６】同、他の熱電変換装置における導電性ゴム電極
の斜視図（ａ）及び熱電変換装置の断面図（ｂ）であ
る。

【図７】同、各種熱電変換装置の断面図である。

【図８】同、他の熱電変換装置の斜視図（ａ）、断面図
（ｂ）及びその一部拡大図（ｃ）である。

【図９】同、更に他の熱電変換装置の斜視図である。

【図１０】従来例による熱電変換装置の斜視図（ａ）、
側面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。

【図１１】同、他の熱電変換素子の斜視図、正面図、側
面図、上面図及び下面図である。

【符号の説明】

１、５１…ｐ型熱電半導体（エレメント）、２、５２…
ｎ型熱電半導体（エレメント）、３、５３…電極、４、
７４…セラミックス基板、５、５５…リード線、６…グ
ラファイトシート、７、５７…熱電変換素子、８、５８
…発熱体、９…導電性ゴム電極、１０…凹部、１１…素
子上部、１２…カーボン層、１３…絶縁材料、１４…多
孔質絶縁材料、１５…セラミックスボール、１７…エレ
メント保持電極、１８…電極箔、１９…はんだ、２０…
グラファイトの層状構造、２４…セラミックス基板、２
６…ヒートシンク、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…熱電対、
２８…凹部、２９…放熱シート、３０、８０…熱電変換
装置、７５…素子破断箇所

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 35/24 Ｈ０１Ｌ 35/24 35/30 35/30 35/34 35/34 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ (72)発明者小林薫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性セラミックス基体と、このセ
ラミックス基体に一体化された熱伝導性の良好な高熱伝
導体と、前記セラミックス基体に支持された熱電変換素
子とによって構成され、前記高熱伝導体の側に発熱体が
配置される熱電変換装置。
【請求項２】前記熱電変換素子が、互いに電気的に接
続されたｐ型及びｎ型の熱電半導体からなる、請求項１
に記載の熱電変換装置。
【請求項３】前記セラミックス基体のほぼ全面に、前記
高熱伝導体として、グラファイトシートが接合されてい
る、請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】前記高熱伝導体上に、ダイヤモンドライ
クカーボンが被着されている、請求項１に記載の熱電変
換装置。
【請求項５】前記セラミックス基体の材質として、ア
ルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素及び窒化珪素から
なる群から選ばれた少なくとも一種類の物質を用いる、
請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項６】前記グラファイトシートの厚さが、０．
０５〜０．５ｍｍである、請求項３に記載の熱電変換装
置。
【請求項７】前記グラファイトシートに、高熱伝導性
のフィラーの充填された熱伝導性シリコーンが被着され
ている、請求項３に記載の熱電変換装置。
【請求項８】前記熱電変換素子の電極体に導電性ゴム
が用いられている、請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項９】前記熱電変換素子の隣接する熱電変換エ
レメント間に、絶縁性の樹脂、発泡材、多孔質でありか
つ柔軟であって熱伝導率の低い絶縁材料、及び内部が空
洞であるセラミックス粒状体からなる群より選ばれた少
なくとも一種の材料が充填されている、請求項１に記載
の熱電変換装置。
【請求項１０】前記発熱体とは反対側において、前記
熱電変換素子に放熱手段が設けられている、請求項１に
記載の熱電変換装置。
【請求項１１】前記熱電変換素子がペルチェ素子又は
ゼーベック発電素子である、請求項１に記載の熱電変換
装置。