JP2005016836A

JP2005016836A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2005016836A
Application number: JP2003182585A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 浩一長崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】熱電モジュール２の信頼性を低下させることなく、高い冷却能力を持った冷却装置１を得る。
【解決手段】０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電モジュール２の一端面６を、接合層７を介して直接的に放熱基板８に取り付ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の温度を調節する冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザーダイオードやＬＥＤ等の光学素子を光源に用いた光学機器は、光学素子の温度が上昇し性能が劣化するため、光学素子を冷却する冷却装置を備えている。この冷却装置は一般には空冷によるファンを利用したものであるが、近年ペルチェ効果を利用した冷却装置が使われるようになっている。このような冷却装置には光学素子で生じた熱をヒートパイプを使ってペルチェモジュールで吸熱するようにした構造のもの（特許文献１参照）や、フィンプレートと受熱ブロックの間にペルチェ効果を有するサーモモジュールを挟み込んでこれらをスタッドボルトにより一体化したもの（特許文献２参照）や、ペルチェ素子の上面側と下面側に２つのファンを使って、互いの通気方向を直角にして放熱効果を高めたもの（特許文献３参照）等があった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５７７５４号公報
【０００４】
【特許文献２】特開平９−１１３０５８号公報
【０００５】
【特許文献３】特開２００３−８２７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置においては、必ずしもファンは必要でないという利点はあるものの、ヒートパイプによる熱移動を利用するため構造が非常に複雑になる上、フロン等の冷媒も必須となり、装置の小型化が困難であった。
【０００７】
また、特許文献２に記載の冷却装置においては、熱電モジュールとフィンとの熱抵抗が高いために冷却効率が低くなるばかりでなく、スタッドボルトからの熱の逆流が避けられず、十分な冷却性能を得ることができなかった。しかも、スタットボルト等によって熱電モジュールを部分的に強固に固定すると、機械的な歪みや熱的な歪みが発生し、信頼性の低いものとなってしまっていた。
【０００８】
さらに、特許文献３に記載の冷却装置においては、２つの異なるファンを組み合わせる必要があり、装置を小型化することが困難であった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、冷却装置の構造を複雑にすることなく、小型で、信頼性の高い冷却装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑みて、本発明は０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電素子を支持基板で挟持してなる熱電モジュールの一端面６を、接合層を介して直接的に放熱基板に取り付けてなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、熱電モジュールに対する放熱基板の熱容量比を１５倍以上とすることを特徴とするものである。
【００１２】
また、放熱基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上とすることを特徴とするものである。
【００１３】
また、放熱基板の熱抵抗は３℃／Ｗ以下とすることを特徴とするものである。
【００１４】
また、熱電モジュールを接合する部分の放熱基板と熱電モジュールの熱膨張率差は３×１０^−６／℃以下とすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、接合層は少なくともＳｎまたはＩｎを含むハンダまたは有機系接着剤で構成することを特徴とするものである。
【００１６】
また、熱電モジュールを構成する前記熱電素子は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる組成の合金を９９体積％以上含有することを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、放熱基板はＳｉＣにアルミニウムを含浸させた複合材料から構成することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の冷却装置における熱電モジュールと放熱基板の構造について説明するものである。本発明の冷却装置１は、図１〜３に示したように０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電モジュールの支持基板４の一端面６を、接合層７を介して放熱基板８に取り付けてなるものである。これによって、ヒートパイプ等の複雑な装置を使うことなく、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができる。また、図４のスタッドボルト９やファン１０を不要とすることができる
熱電モジュール２は、図２に示すように複数のＮ型熱電素子５ｂ及びＰ型熱電素子５ａで構成され、これらが電気的に直列になるように配線導体３ａ及び４ａで接続され、さらに配線導体３ａ及び４ａは外部電源に接続するためのリード線４ｂと電気的に接続している。熱電モジュール２の性能指数Ｚは、熱電素子５のゼーベック係数α（Ｖ／Ｋ）および比抵抗ρ（Ωｃｍ）および熱伝導率λ（Ｗ／ｍＫ）によって、式１の如く求めることができる。
【００１９】
Ｚ＝α^２／（ρ×λ）・・・式１
ここで、ゼーベック係数αおよび比抵抗ρおよび熱伝導率λは材料固有の値であるが、従来よりＢｉおよびＴｅの半導体元素を含む材料はゼーベック係数αが高くなることが知られており、また結晶粒界の酸化反応層があると比抵抗ρが高く、結晶粒径が大きくなると熱伝導率λが高くなることが知られている。
【００２０】
なお、式１に示すゼーベック係数αおよび比抵抗ρは、熱起電力測定装置、たとえば真空理工（株）製ＺＥＭ装置によって測定することができる。測定は、１ａｔｍのＨｅを満たしたチャンバー中に測定試料を置き、試料両端部に一定（１０℃）の温度差△Ｔを与えた時の起電力Ｖを測定し、Ｖ／△Ｔを自動演算処理することによって行う。
【００２１】
また、熱伝導率λは、レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ・Ｒ１６１１）によって求めることができる。
【００２２】
そして、本発明品の冷却装置１は、０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電モジュール２を、接合層７を介して直接的に放熱基板８に接合することが重要である。これによって、ヒートパイプ等の複雑な装置を使うことなく、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができる。なお、熱電モジュール２の性能指数Ｚは、好ましくは２．８×１０^−３／Ｋ以上が良く、さらに好ましくは３．２×１０^−３／Ｋ以上とするのが良い。一方、熱電モジュール２の性能指数Ｚが２．５×１０^−３／Ｋ以下になると、吸熱量が劣るため、極めて効率が悪く性能の低い冷却装置になってしまうという問題がある。
【００２３】
また、熱電モジュール２に対して放熱基板８の熱容量比を１５倍以上とするのが良く、より好ましくは３０倍以上とするのが良い。熱容量比は放熱基板種類や放熱基板サイズで制御できるが、熱電モジュール２と放熱基板８の熱容量比が１５倍未満になると、熱的ヘッド差が小さくなり、熱電モジュール２の放熱が促進されにくい。一方、熱電モジュール２と放熱基板８の熱容量比が１５倍以上になると、放熱効率を著しく改善することができ、高い吸熱量を得ることができるからである。
【００２４】
なお、熱電モジュール２の熱容量（Ｊ／℃）は吸熱量と消費電力の総和から求めれば良く、放熱基板８の熱容量（Ｊ／℃）は比熱（Ｊ／Ｋｇ・℃）×比重（Ｋｇ／ｍ^３）×体積（ｍ^３）によって求めることができる。なお、吸熱量は、熱電モジュール２が吸収する熱量そのものを指し、例えば熱電モジュール２上にヒータや既知の熱量の物質等を置き、温度が一定になったときの熱量（たとえば、力率１００％でジュール発熱するヒータに印加した電流Ｉと電圧Ｖ）を読みとれば良い。すなわち、この値（電流Ｉ×電圧Ｖ＝発熱量Ｑ）は熱電モジュール２が吸収する熱量そのものとなり、測定可能となる。また、比熱は、先に述べたレーザフラッシュ法（ＪＩＳ・Ｒ１６１１）によって求めることができる。
【００２５】
また、放熱基板８の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上になると、放熱効率が著しく改善され、高い吸熱量を得ることができ、特に好ましくは１５０Ｗ／ｍＫ以上とするのが良い。放熱基板８の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下になると、熱電モジュール２の放熱効率が悪化し、冷却性能が低下しやすいからである。
【００２６】
高熱伝導の材質としては、アルミニウムやマグネシウム、これらのダイカスト合金などの金属の他、ＳｉＣやＡｌＮ等のセラミックスがあり、さらにはダクタイル鋳鉄、ＣｕＷ、ＳｉＣとアルミニウムとの複合材料が好適に使用できる。
【００２７】
また、放熱基板８の熱抵抗は３℃／Ｗ以下とするのが良い。放熱基板８の熱抵抗が３℃／Ｗより大きくなると、放熱基板８の放熱効率が低下し、熱電モジュール２の冷却性能が悪化する。一方、放熱基板８の熱抵抗が３℃／Ｗ以下になると、放熱効率が著しく改善され、高い吸熱量を得ることができる。特に好ましくは１℃／Ｗ以下とするのが良い。このような放熱基板８としては、図３に示すようなフィンやピン８ｂを設けた放熱基板８構造のほかに、ハニカムや格子構造などであっても良い。なお、放熱基板８の熱抵抗Ｒｈは、放熱基板８の熱電達率Ａ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）と放熱面積Ｓ（ｍ^２）および放熱効率ｆによって、次式によって算出することができる。
【００２８】
Ｒｈ＝１／（Ａ×Ｓ×ｆ）・・・式２
さらにまた、接合される面の放熱基板８と熱電モジュール２の熱膨張率差は、３×１０^−６／℃以下とするのが良い。これによって、接合によって発生する熱応力を防ぐことができ、信頼性を高めることができる。なお、好ましくは２×１０^−６／℃以下とするのが良く、さらに好ましくは１×１０^−６／℃以下とするのが良い。一般に、放熱基板８に接合される面の熱電モジュール２の支持基板３，４はアルミナセラミックで構成されているため、アルミナセラミックとの熱膨張率差が小さな材質として、ダクタイル鋳鉄、ＣｕＷ、ＳｉＣとアルミニウムとの複合材料が好適に使用できる。一方、熱膨張率差が３×１０^−６／℃以上になると、長時間運転後の熱電モジュール２の抵抗変化率△Ｒが大きくなりやすく、信頼性が低くなるというという問題がある。
【００２９】
なお、熱膨張率差は、放熱基板８の熱膨張率と、放熱基板８に接合される熱電モジュール２における一端面６の熱膨張率の差を指し、熱膨張率差はペネトレーション法（ＪＩＳ・Ｒ１６１８）等に示される方法によって測定することができる。
【００３０】
また、放熱基板８と熱電モジュール２間の接合層７は少なくともＳｎまたはＩｎを含むハンダまたは有機系接着剤で構成するのが良い。また、熱歪みを少なくするために１５０℃以下の温度で接合可能な低融点の接合剤が好ましく、これにはＢｉを６０％程含むＢｉＳｎからなるハンダ、またはＩｎを５０％程含むＩｎＳｎハンダ、あるいはＡｇフィラーを１０〜２０体積％程含むエポキシ接着剤が好適に使用できる。なお、Ａｇフィラーの含有量が３０体積％を越えると、接着強度が低下し、また、１０体積％未満だと熱伝導率が低下するという問題がある。
【００３１】
接合層７の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以上になると、放熱効率が著しく改善され、高い吸熱量を得ることができ、好ましくは４０Ｗ／ｍＫ以上とするのが良い。接合層７の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以下になると、熱抵抗が高いために熱移動が進まず、冷却性能が悪化する。
【００３２】
以上によって、比較的低温の接合条件下で、緻密な接合層７による高い熱伝導を確保した接合が可能となり、放熱効率が向上し、高い吸熱量を得ることができる。特に、Ｂｉを６０％程含むＢｉＳｎからなるハンダ、またはＩｎを５０％程含むＩｎＳｎハンダは、１５０℃以下の比較的低温度で接合できるばかりでなく、４０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するため、好適に使用できる。
【００３３】
また、熱電モジュール２の性能指数Ｚを高めるためには、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる９９体積％以上の組成の合金を含有するのが良く、特に好ましくは、Ｐ型熱電素子５ａをＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３、Ｎ型熱電素子５ｂをＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５として構成するのが良い。これによって、性能指数Ｚを高くすることができ、高い吸熱量を得ることができる。なお、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅの組成が９９体積％より低くなると、結晶性が悪くなり性能指数Ｚが小さくなるといった不具合が生じる。なお、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ及びＳｅの組成は、ＩＣＰ等の質量分析を行うことで把握できる。
【００３４】
また、放熱基板８は放射率が０．８以上であるものが良く、より好ましくは０．９以上のものが良い。これによって、放熱基板８から大気等への熱放散をスムースに行うことができ、その結果高い吸熱量を得ることができる。
【００３５】
さらに、放熱基板８の呈色は反射率が０．１以下の黒色が好ましく、例えば黒体塗装やブラックアルマイト処理等によって、このような状態の面を得ることができる。放射率が０．８以上の放熱基板８は、大気等への熱放散をスムースに行わしめることができ、その結果高い吸熱量を得ることができるので、好適に使用することができる。
【００３６】
また、放熱基板８の材質については、ダクタイル鋳鉄やＣｕＷ材料は比重が大きく装置重量が大きくなるというという問題がある。冷却装置１に占める放熱基板８の重量割合は、一般に８０重量％以上になるため、放熱基板８の重量は小さい方が良い。ＳｉＣとアルミニウムの複合材料についていえば、ダクタイル鋳鉄やＣｕＷ材料に比較して半分以下の重量にすることが可能なため、重量面においても好適に使用できる。特に好ましくは、アルミニウムに対するＳｉＣの比率が７０〜８３体積％となるよう調整した複合材料が良い。なぜならば、熱電モジュール２の接合面材料となるアルミナセラミックの熱膨張率は７．２×１０^−６／℃程であり、アルミニウムに対するＳｉＣの比率が７０〜８３体積％に調整した複合材料の熱膨張率も７×１０^−６／℃程に設定できるなど、放熱基板８と熱電モジュール２の熱膨張率差を１×１０^−６／℃以下とすることができ、しかも、このようなＳｉＣとアルミニウムの複合材料の比重は３．０〜３．５と小さいため、ダクタイル鋳鉄やＣｕＷ材料に比べたときの比重は１／３〜１／４で済み、冷却装置１の重量を半分以下にすることができるからである。なお、ＳｉＣとアルミニウムの複合材料は、多孔質ＳｉＣの骨材を高温に熱した状態で、アルミニウム溶湯を高圧注入する等によって簡便に得ることができる。また、ＳｉＣとアルミニウムの複合材料には、機械的強度や熱的特性を高めるために、あるいは不純物として、ＳｉやＭｇやＣａ等の金属元素を３重量％以下の微量含んでいても良い。
【００３７】
なお、図１では冷却装置１を横置きにした形状で示したが、縦置き等いかなる載置方法であっても構わない。とくに、放熱基板８の放熱面は大気などへスムースに熱を放散させる必要があるため、本冷却装置１を使った商品は、放熱基板８の放熱面を大きく開口させておいた方が良い。また、床やテーブル等によって放熱基板８の放熱面が塞がれてしまわないように、スペーサを付けたり、冷却装置１そのものを縦置きしても良いことは言うまでもない。そして、ファン１０やヒートパイプ等を格別に必要としないことから、装置構造を簡素化でき、小型で信頼性の高い冷却装置１とすることができる。
【００３８】
次に、本発明の冷却装置１の製造方法について説明する。まず、熱電モジュール２を準備する。本発明によれば、０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電モジュール２を用いねばならない。このような性能指数Ｚを持った熱電モジュール２は、低い消費電力で高い吸熱量を得ることができるため、冷却装置１全体を小型化することが容易となる。熱電モジュール２の大きさや性能は、冷却したい光学素子の発熱量から求めれば良く、例えば５Ｗａｔｔのレーザダイオードの発熱を吸収するためには、５Ｗａｔｔ以上の吸熱量の熱電モジュール２を使えばよいが、これを小さなサイズで実現するためには、熱電変換効率すなわち性能指数Ｚの高い熱電モジュール２を用いた方が良い。そして、熱電モジュール２に用いる熱電素子５は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる組成の合金を９９体積％以上含有することが重要である。ただし、熱電素子５にはＢｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのほかに微量のハロゲン化合物をドーパントとして添加しても良い。例えば、ＡｇＩ、ＣｕＢｒ、ＳｂＩ_３、ＳｂＣｌ_３、ＳｂＢｒ_３、ＨｇＢｒ_２等を加えることにより、金属間化合物半導体中のキャリア濃度を調整することができ、その結果、性能指数Ｚを高めることが可能となる。ただし、このようなハロゲン化合物であってもその添加量は、１重量％を越えるものであってはならない。
【００３９】
これらの材料を用いて、プラズマ焼結装置等により緻密に焼結させた後、所望の形状に加工すると熱電素子５が得られる。この熱電素子５を使って得られる熱電モジュール２は、０〜８０℃においてＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの性能指数を有するものとなり、８×８×１．５ｍｍの大きさで５Ｗａｔｔ以上の吸熱量を得ることができる。
【００４０】
次いで、放熱基板８を準備する。放熱基板８の熱容量は、熱電モジュール２の熱容量に対して１５倍以上に設定する。５Ｗａｔｔの吸熱量を得られる熱電モジュール２の熱容量は、９０Ｊ／℃程であり、これに組み合わせる放熱基板８の熱容量は１３５０Ｊ／℃以上であれば良い。また、放熱基板８は熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上のものとするが、熱伝導率ばかりでなく熱膨張率差も考慮して、ダクタイル鋳鉄やＣｕＷ、特に好ましくは冷却装置１の重量を低減可能な低比重のＳｉＣ−アルミニウムの複合材が良い。そして、放熱基板８の熱抵抗を３℃／Ｗ以下とするために、図３に示すようなピン８ｂ構造を持つＳｉＣ−アルミニウムの複合材を放熱基板８に用いた。
【００４１】
また、接合層７は少なくともＳｎまたはＩｎを含むハンダまたは有機系接着剤からなるものとし、接合層７の熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ以上とするのが良い。
【００４２】
これにはＳｎＢｉハンダが好適であるが、ハンダに対する塗れ性を良くするために、熱電モジュール２およびＳｉＣ−アルミニウムの複合材等からなる接合表面はＮｉ、Ｓｎ、Ａｕ等をメッキするなどした表面処理を行っておくと良い。
【００４３】
最後に熱電モジュール２の上面に、光学素子（図不指示）を直接的あるいは台座（図不指示）を介して間接的にハンダ等で接合すると、光学素子（図不指示）を冷却可能な冷却装置１を得ることができる。なお、必要に応じて、温度制御するためのサーミスタやサーモスタットを熱電モジュール２や放熱基板８に組み込んでおいても良い。
【００４４】
【実施例】
Ｎ型熱電素子５ｂ材料としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５、Ｐ型熱電素子５ａの材料としてＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３からなる合金粉末を準備した。なお、Ｎ型熱電素子５ｂの材料にはドーパントとしてＩを０．１重量％添加した。これらの熱電素子５材料を成形したのち水素還元雰囲気で焼結させ、断面寸法０．６５ｍｍ、高さ０．９ｍｍの熱電素子５を得た。この熱電素子５の支持基板３，４として、大きさが８×８ｍｍのアルミナを用意した。下部の支持基板４の配線導体３ａ及び４ａ上に、ＡｕＳｎハンダを使って、各々３１個のＰ型とＮ型熱電素子５ｂを固定した。このようにして得た熱電モジュール２は、ＴｅやＳｂの添加量を変化させることで、性能指数Ｚをさまざまに変化させることができた。例えば、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる９９．９体積％の組成の合金を含有する熱電素子５においては、ゼーベック係数αはα＝０．２０（ｍＶ／℃）、比抵抗ρはρ＝１．１×１０^−５（Ω・ｍ）、熱伝導率λはλ＝１．１２（Ｗ／ｍｋ）のものが得られ、性能指数ＺはＺ＝３．２×１０^−３／Ｋとなった。
【００４５】
一方、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる組成の合金を９５．０体積％含有する熱電素子５においては、ゼーベック係数αはα＝０．１８（ｍＶ／℃）、比抵抗ρはρ＝１．２×１０^−５（Ω・ｍ）、熱伝導率λはλ＝１．１２（Ｗ／ｍｋ）のものが得られ、性能指数ＺはＺ＝２．４×１０^−３／Ｋとなった。
【００４６】
したがって、この性能指数Ｚを高めるためには、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる組成の合金を９９体積％以上、より好ましくは９９．９体積％以上含有する熱電素子５を使う必要があった。なお、組成比としては、Ｐ型熱電素子５ａの材料としてＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３、Ｎ型熱電素子５ｂ材料としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５が良かった。
【００４７】
次に、ＳｉＣ−アルミニウムの複合材からなる放熱基板８を作製した。放熱基板８のベース８ａ厚みを５ｍｍとし、３ｍｍ×３ｍｍ×長さ１５ｍｍのピン８ｂを一体的に形成した構造とした。すなわち、放熱基板８の高さＨを２０ｍｍとした。そして、ＳｉＣとアルミニウムの配合比を変えることで熱伝導率λと熱膨張率差を変化させ、放熱基板８の大きさとピン８ｂの本数を変化させることで熱容量と熱抵抗をさまざまに変化させた放熱基板８を作製した。なお、熱伝導率λはレーザーフラッシュ法により、ゼーベック係数αは真空理工社製熱電能評価装置により、熱膨張率差はペネトレーション法により、各々２５℃の条件を基準に測定した。
【００４８】
しかる後に実施例として、熱電モジュール２と放熱基板８を様々な種類のハンダや接着剤で接合した冷却装置１と、比較例として従来の技術に基づくスタッドボルトで固定した冷却装置１を得た。
【００４９】
最後に、熱電モジュール２の上部にレーザダイオード（図不指示）からなる光学素子をハンダ付けし、冷却装置１におけるレーザダイオード（図不指示）の冷却性能と信頼性を調べた。なお、冷却装置１の信頼性については、２万時間運転後の熱電モジュール２の抵抗変化を調べ、抵抗変化率△Ｒが５％以上になったものを不良として扱った。なお、これらの試験は２０℃の室温において、ファン１０による放熱基板８の冷却を行わずに測定した。したがって、ファン１０の騒音や故障の恐れのない冷却装置１として評価することができた。
【００５０】
この結果を表１に示した。
【００５１】
【表１】

【００５２】
本発明となる性能指数Ｚが２．５×１０^−３／Ｋ以上の熱電モジュール２の一端面６を、接合層７を介して直接的に放熱基板８に取り付けた冷却装置１は、実施例Ｎｏ．１〜２１に見られるように良好な冷却性能と、高い信頼性を確認できた。
【００５３】
すなわち、０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋからなる熱電モジュール２の一端面６を、ＳｎまたはＩｎを含むハンダまたは有機系接着剤からなる接合層７を介して放熱基板８と接合した冷却装置１は、５Ｗａｔｔ以上の冷却性能が確認され、かつ抵抗変化率も５％以下と優れた特性を示した。
【００５４】
特に、熱電モジュール２に対する放熱基板８の熱容量比を１５倍以上とした冷却装置１は、実施例Ｎｏ．３〜２１にみられるように６Ｗａｔｔ以上の高い冷却性能が得られた。
【００５５】
さらに、放熱基板８の熱伝導率を５０Ｗ／ｍＫ以上とした冷却装置１は、実施例Ｎｏ．７〜２１にみられるように７Ｗａｔｔ以上の優れた冷却性能が得られた。
【００５６】
また、放熱基板８と熱電モジュール２の熱膨張率差を３×１０^−６／℃以下とした冷却装置１は、実施例Ｎｏ．１０〜２１にみられるように抵抗変化率が３％以下の優れた信頼性を示した。
【００５７】
また、接合層７の熱伝導率が、０．５Ｗ／ｍＫ以上の冷却装置１は、実施例Ｎｏ．５〜２１にみられるように、より高い冷却性能が得られた。
【００５８】
さらに、放熱基板８の輻射率が０．８以上である冷却装置１は、実施例Ｎｏ．１２〜２１にみられるように、より高い冷却性能が得られた。
【００５９】
さらにまた、放熱基板８をアルミニウムとＳｉＣを主成分とする複合材料とした冷却装置１は、放熱基板８のサイズも小さくすることができ、さらに高い冷却性能が得られた。
【００６０】
特に、アルミニウムに占めるＳｉＣの複合割合を７０〜８３体積％とした放熱基板８の熱抵抗を３℃／Ｗ以下とすれば、抵抗変化率△Ｒは良好な結果となるが、更に熱抵抗を１℃／Ｗ以下とした冷却装置１は、実施例Ｎｏ．１９〜２１にみられるように１０Ｗａｔｔ以上の極めて高い冷却性能と、特に実施例１９，２０では、抵抗変化率△Ｒが１％以下の高い信頼性を得ることができた。
【００６１】
本発明以外となる性能指数Ｚが２．５×１０^−３／Ｋ以下の熱電モジュール２をスタッドボルト９により放熱基板８に固定した冷却装置１は、比較例Ｎｏ．１に見られるように冷却能力と信頼性が共に低く、不適であった。
【００６２】
また、性能指数Ｚが２．５×１０^−３／Ｋを満足する熱電モジュール２であっても、スタッドボルト９により放熱基板８に固定した冷却装置１は、比較例Ｎｏ．２に見られるように冷却能力と信頼性が共に低く、不適であった。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の熱電モジュールは、０〜８０℃における性能指数ＺがＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電モジュールの一端面を、接合層を介して直接的に放熱基板に取り付けることによって、熱電モジュールの信頼性を低下させることなく、高い冷却能力を持った冷却装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の熱電モジュールを示す一部破断面を含む斜視図である。
【図３】本発明の冷却装置の断面図である。
【図４】従来の冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・冷却装置
２・・・熱電モジュール
３、４・・・支持基板
３ａ、４ａ・・・配線導体
４ｂ・・・リード線４ｂ
５・・・熱電素子
５ａ・・・Ｐ型熱電素子
５ｂ・・・Ｎ型熱電素子
６・・・一端面
７・・・接合層
８・・・放熱基板
９・・・スタッドボルト
１０・・・ファン

Claims

０〜８０℃における性能指数Ｚ＝α^２／（ρ×λ）（但し、αは熱電素子のゼーベック係数、ρは比抵抗、λは熱伝導率）がＺ＞２．５×１０^−３／Ｋの熱電素子を支持基板で挟持してなる熱電モジュールの一端面を、接合層を介して放熱基板に取り付けてなることを特徴とする冷却装置。
前記熱電モジュールに対する前記放熱基板の熱容量比が１５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記放熱基板の熱伝導率が、５０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記放熱基板の熱抵抗が、３℃／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置。
前記熱電モジュールと前記放熱基板の熱膨張率差は３×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却装置。
前記接合層は、少なくともＳｎまたはＩｎを含むハンダ、もしくは有機系接着剤からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却装置。
前記熱電モジュールを構成する前記熱電素子は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも３種からなる組成の合金を９９体積％以上含有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却装置。
前記放熱基板は、ＳｉＣにアルミニウムを含浸させた複合材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の冷却装置。