JP2004214483A

JP2004214483A - ペルチェ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004214483A
Application number: JP2003000993A
Authority: JP
Inventors: Enyu Gan; 婉瑜顔; Suikyo Ko; 垂恭黄; Mei-Hua Chen; 美華陳
Original assignee: KANU SHINKU KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Current assignee: KANU SHINKU KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】熱伝導性が良いのみならず、水分子の内部に侵入することをも阻止することができるペルチェ素子及びその製造方法を提供しようとする。
【解決手段】互いに対向しており、且つ、両方とも電極層（２１１，２２１）の内面を有する一対の基板（２１，２２）で、複数のＮ型とＰ型との半導体（２３１，２３２）を交互に配列してなる略平面状の熱電素子（２３）を挟んでなるペルチェ素子（２）において、前記一対の基板は、いずれも、前記内面の電極層から外面へと、順次に、所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層（２１２，２２２）と、前記所定金属からなる金属層（２１３，２２３）とを更に備えていることを特徴とするペルチェ素子を提供する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ素子及びその製造方法に関し、もっと詳しくはペルチェ効果を用いて加熱・冷却するペルチェ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のペルチェ素子１は、図１に示すように、それらの内面が互いに対向している一対の基板１１，１２と、前記一対の基板１１，１２間に挟まれている略平面状の熱電素子１３とからなる。前記一対の基板１１，１２は、いずれも、外面から前記内面へと、順次に、アルミナからなるセラミック板１１１，１２１と、溶接により前記熱電素子１３と電気的に接触できるように前記セラミック板１１１，１２１の内面に敷設されていて、外部から前記熱電素子１３へ電流を導入する所定パターンの電極層１１２，１２２とを備えてなる。前記熱電素子１３は、複数のＰ型とＮ型との半導体１３１，１３２を交互に配列してなる。
【０００３】
それにより、ペルチェ効果により前記一対の基板１１，１２の間に温度差を生じ、且つ、前記セラミック板１１１及び１２１をそれぞれ吸熱面（冷面）及び放熱面（熱面）として加熱したり冷却したりすることができる。例えば、ＣＰＵなどの電子デバイスを冷却しようとする場合、前記ペルチェ素子１の吸熱面（セラミック板１１１）を前記ＣＰＵと密接させることにより、前記ＣＰＵの発熱を前記吸熱面（セラミック板１１１）から前記放熱面（セラミック板１２１）へ導き、前記ペルチェ素子１の前記放熱面（セラミック板１２１）に設けられているヒートシンクまたは扇風機を介して外部へ発散することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなペルチェ素子１は、加熱したり冷却したりする機能を有するが、その最外層がアルミナ粉末などから焼結してなるセラミック板であるため、粒径が約１０μｍである粒子同士間に約４乃至５ｎｍほどの大きい隙間が散在しているので、多孔性になって、図２に示すように、水分子１００（半径＝約０．１９３ｎｍ）が前記セラミック板１１１，１２１の隙間１４を経由して前記電極層１１２，１２２乃至前記熱電素子１３内に侵入し、前記電極層１１２，１２２及び前記熱電素子１３のＰ型とＮ型の半導体１３１，１３２を酸化して腐食し、ペルチェ素子１の使用寿命を短くさせるという欠点がある。
【０００５】
その外、セラミック板は、熱伝導性が良くない上、硬くて脆く、変形性が悪いので、不意の衝突を受けると、割れ易いのみならず、加熱または冷却しようとする対象に固定する方法としては粘着より他の方法がないという欠点もある。
【０００６】
上記に鑑みて、本発明の目的は、上記の欠点を解消することができるペルチェ素子及びその製造方法を提供しようとすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、発明者は、互いに対向しており、且つ、両方とも電極層の内面を有する一対の基板で、複数のＮ型とＰ型との半導体を交互に配列してなる略平面状の熱電素子を挟んでなるペルチェ素子において、前記一対の基板は、いずれも、前記内面の電極層から外面へと、順次に、所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層と、前記所定金属からなる金属層とを更に備えていることを特徴とするペルチェ素子を提供する。
【０００８】
この構成によるペルチェ素子は、その最外層が金属材からなるので、材質が従来の多孔性のセラミック板より遥かに緻密で、水分子が前記金属層を経由して前記電極層乃至前記熱電素子内に侵入することができない上、熱伝導性が高いので、処理対象をもっと速く加熱したり冷却したりすることができる。その外、金属の延性が高くて、加工性がよいので、割れ難いのみならず、加熱または冷却しようとする対象に固定する方法として粘着の外にねじ合いなどの方法もある。即ち、使用寿命も熱伝導効果も加工性も従来より良いペルチェ素子を提供することができる。
【０００９】
そして、前記一対の基板それぞれの前記金属層の外面に、更に、前記所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層を最外層として備えていることが好ましい。それにより、水分子の侵入を阻止すると共に水分子による金属層の腐食を避けることができる。また、前記一対の基板中の一つは、外周縁に沿って複数の孔付きラグが形成してあるものであることが好ましい。それにより、複数のボルトによりペルチェ素子を加熱・冷却しようとする対象上にねじ付けることができる。
【００１０】
なお、上記のペルチェ素子に基づいて、発明者は、更に、ペルチェ素子の製造方法を提供する。該ペルチェ素子の製造方法は、基板として一対の金属板を用意する基板用意工程と、前記一対の金属板それぞれの少なくとも一面に陽極酸化処理を施して金属酸化層を形成する陽極酸化処理工程と、前記一対の金属板それぞれの一金属酸化層上に電極層を形成する電極層形成工程と、前記一対の金属板それぞれの電極層を内面とし、複数のＰ型とＮ型との半導体を交互に配列してなる略平面状の熱電素子を挟んでペルチェ素子を組立てる組立工程とからなる。
【００１１】
この製造方法は、基板として材質が緻密である金属板を使用するので、水分子が基板を経由して電極層乃至熱電素子内に侵入することができない上、金属の熱伝導性がセラミックより遥かに高いので、処理対象をもっと速く加熱したり冷却したりすることができる。
【００１２】
そして、前記基板用意工程における一対の金属板は、いずれも、上下２面を有するものであり、前記陽極酸化処理工程における陽極酸化処理は、前記金属板の上下２面中の１面だけに対して行い、または前記金属板の上下２面に対しても行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のペルチェ素子及びその製造方法の好ましい実施形態を詳しく説明する。なお、以下の説明においては、そのサイズに拘わらず、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１４】
図３は、本発明のペルチェ素子の第１の実施形態を示す断面図である。図示のように、このペルチェ素子２は、互いに対向しており、且つ、両方とも所定パターンの電極層２１１，２２１の内面を有する一対の基板２１，２２で、複数のＰ型とＮ型との半導体２３１，２３２を交互に配列してなる略平面状の熱電素子２３を挟んでなる。もっと詳しく説明すると、前記一対の基板２１，２２は、いずれも、前記内面の電極層２１１，２２１から外面へと、順次に、絶縁層として所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層２１２，２２２と、前記所定金属からなる金属層２１３，２２３とを更に備えている。
【００１５】
前記電極層２１１，２２１は、金属材からなり、且つ前記熱電素子２３のＰ型及びＮ型の半導体２３１，２３２と電気的に接触している。前記所定の金属として、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム合金及びマグネシウム合金からなる群より選ばれたものを使用することができる。
【００１６】
それにより、図３における配線のように、前記電極層２２１から前記熱電素子２３へ電流を導入すると、ペルチェ効果により前記一対の基板２１，２２の間に温度差を生じ、且つ、前記基板２１，２２の金属層２１３及び２２３の面をそれぞれ吸熱面（冷面）及び放熱面（熱面）として加熱したり冷却したりすることができる。
【００１７】
この構成によるペルチェ素子２は、図４に示すように、その最外層が金属材からなるので、材質が従来の多孔性のセラミック板より遥かに緻密で、水分子２００が前記金属層２１３，２２３及び前記金属酸化層２１２，２２２を経由して前記電極層２１１，２２１乃至前記熱電素子２３内に侵入することができない上、熱伝導性が高いので、処理対象をもっと速く加熱したり冷却したりすることができる。
【００１８】
以下、前記ペルチェ素子２の製造方法を詳しく説明する。図５に示すように、前記ペルチェ素子２は、主として基板用意工程３１と、基板処理工程３２と、陽極酸化処理工程３３と、酸化層表面封孔工程３４と、電極層形成工程３５と、組立工程３６とを経由して製造した。まず、前記基板用意工程３１において、基板としてそれぞれ上下２面を有する一対のアルミニウム製金属板２１，２２（以下、アルミニウム板と略称）を用意した。そして、前記基板処理工程３２において、前記一対のアルミニウム板２１，２２にポリシング、噴砂、研磨、脱脂、水洗（純水やイオン交換水、蒸留水）、超音波水洗などの前処理を行い、前記一対のアルミニウム板２１，２２の表面を平らにさせると共に洗浄した。続いて、前記陽極酸化処理工程３３において、前記一対のアルミニウム板２１，２２を基礎溶液とバッファ液と金属塩とからなる電解液により所定時間の電解処理をして陽極酸化処理を施し、前記一対のアルミニウム板それぞれの上下２面中の１面に金属酸化層（アルミナ層）２１２，２２２を形成した。
【００１９】
前記基礎溶液は、硫酸、クロム酸、蓚酸、燐酸などが挙げられる有機酸及び／または無機酸を含んでいた。電解処理の条件は各種の基礎溶液によって異なるが、基礎溶液として０．５〜１０重量％の蓚酸を使用する場合、直流電流５０〜４００Ｖ、電流密度５〜１００Ａ・ｄｍ^２、電解温度−１０〜１２℃、電解時間１０〜６０分のような電解条件を、５〜２５重量％の硫酸を使用する場合、直流電流１０〜２００Ｖ、電流密度５〜５０Ａ・ｆｔ^２、電解温度−５〜７０℃、電解時間１０〜２４０分のような電解条件をそれぞれ採用することができる。また、表面に陽極酸化処理した金属板２１，２２は、金属酸化層２１２，２２２と金属層２１３，２２３との二層の構成を有する。
【００２０】
そして、前記陽極酸化した一対のアルミニウム板２１，２２を洗浄した後、前記酸化層表面封孔工程３４において、高温水蒸気封孔法により前記金属酸化層２１２，２２２の多孔性表面をシールした。また、前記高温水蒸気封孔法の代わりに、沸騰水封孔法や蒸気封孔法、金属塩基封孔法、加圧容器封孔法などの方法を使用してもよい。次いで、前記電極層形成工程３５において、物理蒸着（ＰＶＤ）法によって、前記陽極酸化した一対のアルミニウム板それぞれの金属酸化層２１２，２２２上に金属材からなる所定パターンの電極層２１１，２２１を形成した。前記物理蒸着法として、例えばスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法などが挙げられるが、それに限らず、印刷や溶接などの周知の方法を使用してもよい。前記金属材は、例えば、銅、アルミニウムなどが挙げられる。
【００２１】
そして、前記組立工程３６において、前記一対のアルミニウム板それぞれの電極層２１１，２２１を内面とし、前記電極層２１１，２２１が前記熱電素子２３と電気的に接触するように複数のＰ型とＮ型との半導体２３１，２３２を交互に配列してなる略平面状の熱電素子２３を挟んでペルチェ素子２を組立てた。また、前記実施形態において一対のアルミニウム板を例として説明するが、それに限らず、マグネシウム板、アルミニウム合金板またはマグネシウム合金板を使用してもよい。
【００２２】
図６は、本発明のペルチェ素子の第２の実施形態を示す。この実施形態の前記第１の実施形態との異なる点は、前記一対の基板２１，２２それぞれの前記金属層２１３，２２３の外面に、更に、前記所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層２１４，２２４を最外層として備えていることにある。即ち、前記一対の金属板２１，２２それぞれの上下２面にも金属酸化層を形成した。この第２の実施形態の製造方法の前記第１の実施形態の製造方法との異なる点は、前記陽極酸化処理工程３３において、前記金属板２１，２２の上下２面に対しても陽極酸化処理を行い、前記酸化層表面封孔工程３４において、高温水蒸気封孔法などにより前記金属板２１，２２それぞれの上下２面の金属酸化層２１２，２２２，２１４，２２４の多孔性表面をシールするが、前記電極層形成工程３５において、前記金属板２１，２２それぞれの２つの金属酸化層中の一つの金属酸化層上に金属材からなる所定パターンの電極層２１１，２２１を形成したことにある。
【００２３】
本発明のペルチェ素子２をＣＰＵなどの電子デバイスの冷却に応用しようとする場合、ペルチェ素子２の吸熱面（金属板２１）を前記ＣＰＵ（図示せず）と密接させるように本発明のペルチェ素子２をＣＰＵ上に溶接や粘着し、または、図７に示すように、予め前記一対の基板中の一つに外周縁に沿って複数の孔付きラグ４を形成してから複数のボルト５でペルチェ素子２をＣＰＵの上面に設けられたヒートシンク６にねじ付けることにより、前記ＣＰＵの発熱を前記吸熱面（金属板２１）から前記放熱面（金属板２２）へ導き、外部へ発散することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のペルチェ素子は、基板として材質が緻密である金属板を使用するので、水分子が基板を経由して電極層乃至熱電素子内に侵入することができない上、金属の熱伝導性がセラミックより遥かに高いので、物体をもっと速く加熱したり冷却したりすることができる。
【００２５】
以上説明した実施の形態は、あくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものにおいてなされたものであり、本発明はそうした具体例に限定して狭義に解釈されるものではなく、本発明の精神とクレームに述べられた範囲で、いろいろと変更して実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のペルチェ素子の構造及び配線を説明する断面図。
【図２】水分子が図１における従来のペルチェ素子のセラミック板の隙間を経由して電極層乃至熱電素子内に侵入する状況を示す説明図。
【図３】本発明のペルチェ素子の第１の実施形態の構造及び配線を説明する断面図。
【図４】前記第１の実施形態の一部拡大断面図。
【図５】前記第１の実施形態の製造方法のフローチャート。
【図６】本発明のペルチェ素子の第２の実施形態の一部拡大断面図。
【図７】本発明のペルチェ素子の応用例。
【符号の説明】
２…ペルチェ素子、２１…基板、２１１…電極層、２１２…金属酸化層、
２１３…金属層、２１４…金属酸化層、２２…基板、２２１…電極層、
２２２…金属酸化層、２２３…金属層、２２４…金属酸化層、
２３…熱電素子、２３１…Ｐ型の半導体、２３２…Ｎ型の半導体、
２００…水分子、４…孔付きラグ、５…ボルト、６…ヒートシンク。

Claims

互いに対向しており、且つ、両方とも電極層の内面を有する一対の基板で、複数のＰ型とＮ型との半導体を交互に配列してなる略平面状の熱電素子を挟んでなるペルチェ素子において、
前記一対の基板は、いずれも、前記内面の電極層から外面へと、順次に、所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層と、前記所定金属からなる金属層とを更に備えていることを特徴とするペルチェ素子。
前記一対の基板それぞれの前記金属層の外面に、更に、前記所定金属の陽極酸化物からなる金属酸化層を最外層として備えていることを特徴とする請求項１に記載のペルチェ素子。
前記所定の金属として、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム合金及びマグネシウム合金からなる群より選ばれたものを使用したことを特徴とする請求項１または２に記載のペルチェ素子。
前記一対の基板中の一つは、外周縁に沿って複数の孔付きラグが形成してあるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のペルチェ素子。
基板として一対の金属板を用意する基板用意工程と、
前記一対の金属板それぞれの少なくとも一面に陽極酸化処理を施して金属酸化層を形成する陽極酸化処理工程と、
前記一対の金属板それぞれの一金属酸化層上に電極層を形成する電極層形成工程と、
前記一対の金属板それぞれの電極層を内面とし、複数のＰ型とＮ型との半導体を交互に配列してなる略平面状の熱電素子を挟んでペルチェ素子を組立てるペルチェ素子組立工程とからなることを特徴とするペルチェ素子の製造方法。
前記基板用意工程における一対の金属板は、いずれも、上下２面を有するものであり、
且つ、前記陽極酸化処理工程における陽極酸化処理は、前記金属板の上下２面中の１面だけに対して行うことを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記基板用意工程における一対の金属板は、いずれも、上下２面を有するものであり、
且つ、前記陽極酸化処理工程における陽極酸化処理は、前記金属板の上下２面に対しても行うことを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記基板用意工程における一対の金属板は、いずれも、アルミニウム板、マグネシウム板、アルミニウム合金板及びマグネシウム合金板からなる群より選ばれることを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記基板用意工程と前記陽極酸化処理工程との間に、ポリシング、噴砂、研磨、脱脂、水洗、超音波水洗などにより前記一対の金属板を前処理する基板処理工程を更に有することを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記陽極酸化処理工程において、前記一対の金属板を基礎溶液とバッファ液と金属塩とからなる電解液に置いて所定時間の電解処理をして前記金属酸化層を形成することを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記基礎溶液は、有機酸及び／または無機酸を含んでいることを特徴とする請求項１０に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記陽極酸化処理工程と前記電極層形成工程との間に、前記金属酸化層の多孔性表面をシールする酸化層表面封孔工程を更に有することを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。
前記基板用意工程において、前記一対の金属板の一つとして、外周縁に沿って複数の孔付きラグが形成してある金属板を用意することを特徴とする請求項５に記載のペルチェ素子の製造方法。