JP2005217376A

JP2005217376A - ペルチェモジュール

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Publication number: JP2005217376A
Application number: JP2004025918A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsunemi; 博常深; Kazuhisa Miyaguchi; 和久宮口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP4509589B2

Abstract

【課題】より単純な構成で冷却効率を高めることが可能なペルチェモジュールを提供すること。
【解決手段】ペルチェモジュール１は、一方の面１１に金属電極１２を有する吸熱側絶縁基板１０と、一方の面１１に対向するように配置され、吸熱側絶縁基板１０側の面２１に金属電極２２を有する放熱側絶縁基板２０と、吸熱側絶縁基板１０の金属電極１２と放熱側絶縁基板２０の金属電極２２との間に配置され、金属電極１２，２２を介して交互に直列に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子からなる熱電素子４０と、少なくとも吸熱側絶縁基板１０の熱電素子４０側の面１１に設けられた赤外線反射膜１４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ペルチェモジュールに関するものである。

従来から冷却用の電気素子として、ペルチェモジュールが広く用いられている。このペルチェモジュールは、対向する２枚の基板上に形成された金属電極間に、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子を挟み込むように交互に配置して、いわゆるペルチェ効果により、一方の基板から他方の基板に向けて熱を輸送させるものである。

一般的に広く用いられているペルチェモジュールにおいては、基板として、熱伝導率の高いセラミックのような絶縁性材料を用いることによって、熱の輸送が円滑に行われるようにしている。

他方、特許文献１に記載のペルチェモジュールにおいては、基板として、熱伝導率が高く、かつ熱膨張係数の小さい金属材料を用いることによって素子の強度がより高められている。また、基板と金属電極との間には、両者を電気的に絶縁するための絶縁薄膜が設けられている。
特開２００２−２８０６２１号公報

しかしながら、上述した従来技術におけるペルチェモジュールにおいては、外部からの光に含まれる赤外線や、半導体や片方の基板から放射又は反射される赤外線が、絶縁性材料において吸収され易い。その結果として、基板あるいは基板上の絶縁薄膜が吸熱し、素子全体における冷却効率を低下させる傾向にある。

これに対して、特許文献１に記載の従来技術において、基板と金属電極間の限られた領域にのみ絶縁薄膜を設けることも考えられる。しかしながら、絶縁薄膜は、イオンプレーティング法を用いて形成されるため、限られた領域のみ形成しようとすると、製造工程が複雑となる結果、製造効率が低下する。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、より単純な構成で冷却効率を高めることが可能なペルチェモジュールを提供することを目的とする。

本発明のペルチェモジュールは、一方の面に金属電極を有する吸熱側絶縁基板と、一方の面に対向するように配置され、吸熱側絶縁基板側の面に金属電極を有する放熱側絶縁基板と、吸熱側絶縁基板の金属電極と放熱側絶縁基板の金属電極との間に配置され、金属電極を介して交互に直列に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子からなる熱電素子と、少なくとも吸熱側絶縁基板の熱電素子側の面に設けられた赤外線反射膜とを備える。

このようなペルチェモジュールでは、基板上の金属電極を介して交互に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に電流が供給されることにより、吸熱側絶縁基板から放熱側絶縁基板に向けて熱が輸送される。また、少なくとも吸熱側絶縁基板の面に赤外線反射膜を備えることにより、外部から入射する赤外線や、内部において放射、反射された赤外線が吸熱側絶縁基板の面において反射される。これにより、吸熱側絶縁基板における赤外線による吸熱が防止され、吸熱側絶縁基板において対象物を冷却する際の冷却効率が高められる。

また、赤外線反射膜は、金属膜を含むものであることが好ましい。このような構成とすれば、赤外線反射膜における赤外線反射率が高められ、吸熱側絶縁基板における赤外線による吸熱がより確実に防止される。

さらに、赤外線反射膜は、金属電極と同一の材質のものであるとより好ましい。こうすれば、赤外線反射膜における赤外線反射率が確保されるとともに、金属電極と赤外線反射膜の形成を行う際の製造が容易となる。

またさらに、放熱側絶縁基板の熱電素子側の面に赤外線反射膜が併せて設けられたものであることも好ましい。この場合、放熱側絶縁基板に入射された赤外線が反射されることにより、放熱側絶縁基板における赤外線による吸熱が防止されるので、全体としての冷却効率をより高めることができる。

本発明のペルチェモジュールによれば、基板上の金属電極を介して交互に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に電流が供給されることにより、吸熱側絶縁基板から放熱側絶縁基板に向けて熱が輸送される。また、少なくとも吸熱側絶縁基板の面に赤外線反射膜を備えることにより、外部から入射する赤外線や、内部において放射、反射された赤外線が吸熱側絶縁基板の面において反射される。これにより、吸熱側絶縁基板における赤外線による吸熱が防止され、吸熱側絶縁基板において対象物を冷却する際の冷却効率が高められる。その結果、より単純な構成で冷却効率を高めることが可能なペルチェモジュールを提供することができる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は本発明によるペルチェモジュールの好適な一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。また、図２は、図１に示すペルチェモジュールのII-II断面図である。ペルチェモジュール１は、演算装置（ＣＰＵ）や固体撮像装置等に内蔵されるＣＣＤ等の冷却対象物を接触させて冷却するための装置である。ペルチェモジュール１は、図１及び図２に示すように、一方の面１１に金属電極１２を有する吸熱側絶縁基板１０と、一方の面２１に金属電極２２を有する放熱側絶縁基板２０と、これらの基板上に形成された赤外線反射膜１４，２４と、金属電極１２と金属電極２２とに両端を接続された複数の熱電素子４０からなる熱電素子群と、放熱側絶縁基板２０上の金属電極２２ｃに取り付けられた１対のリード線３０ａ，３０ｂとを備えている。以下、各構成要素について詳細に説明する。

吸熱側絶縁基板１０及び放熱側絶縁基板２０は、電気絶縁性の高い材料から成る基板である。基板に用いられる材料としては、例えば、窒化アルミニウムＡｌＮ、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等のセラミックスが挙げられる。熱伝導率が高いという観点からは、窒化アルミニウムがより好ましく用いられる。なお、吸熱側絶縁基板１０と放熱側絶縁基板２０とは、一方の面１１，２１が互いに平行になるように対向して配置されている。

また、金属電極１２及び金属電極２２は、それぞれ吸熱側絶縁基板１０及び放熱側絶縁基板２０の対向面１１，２１上に所定の電極パターンで形成されている金属膜である。金属電極１２，２２に用いられる材料としては、電気伝導率が高い、銅、銀、アルミニウム等の金属材料が挙げられる。金属電極１２、２２は、電気伝導率のさらなる向上、耐腐食性、防錆等の観点から、上記金属材料にさらにメッキ加工されたものが好ましく用いられる。例えば、銅パターンに無電解Ｎｉ−Ｂメッキ、電解Ｃｕメッキ、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ、無電解Ａｕメッキ等が施されたものが挙げられる。

また、赤外線反射膜１４，２４は、金属電極１２，２２と同じ材質で構成される金属膜である。赤外線反射膜１４及び赤外線反射膜２４は、それぞれ吸熱側絶縁基板１０及び放熱側絶縁基板２０の熱電素子４０側の対向面１１，２１上に設けられるものである。

熱電素子４０は、電流が流れる方向に応じて金属電極１２と金属電極２２との間に配置されたＰ型熱電素子である熱電素子４０ａ及びＮ型熱電素子である熱電素子４０ｂとからなるものである。これらの熱電素子４０ａ及び熱電素子４０ｂは、金属電極１２，２２を介して交互に直列に接続されるものである。

リード線３０ａ，３０ｂは、金属電極１２，２２及び熱電素子４０で構成される回路に電流を供給するためのものである。

図３は、吸熱側絶縁基板１０上に形成された金属電極１２及び赤外線反射膜１４を面１１側から見た平面図、図４は、放熱側絶縁基板２０上に形成された金属電極２２及び赤外線反射膜２４を面２１側から見た平面図である。なお、図３における基準線Ａ、及び図４における基準線Ｂは、図２における切断面に対応している。

まず、図３に示されるように、吸熱側絶縁基板１０の略正方形の面１１において、１２箇所に矩形の電極パターンで金属電極１２が形成されている。より詳細には、６個の金属電極１２で構成される列が、基準線Ａに垂直な方向を配列方向として、２列並んでいる。この場合、それぞれの金属電極１２の形成方向は、その長手方向が基準線Ａに平行となるように形成される。さらに、面１１における電極パターンを除く領域においては、赤外線反射膜１４が形成されている。ここで、赤外線反射膜１４と金属電極１２とは、一定の距離を空けることにより電気的に絶縁されている。

また、図４に示されるように、放熱側絶縁基板２０の略正方形の面２１において、６箇所に矩形の電極パターンで金属電極２２ａが、５箇所に矩形の電極パターンで金属電極２２ｂが、２箇所に略正方形の電極パターンで金属電極２２ｃが、それぞれ形成されている。より詳細には、６個の金属電極２２ａで構成される列が、基準線Ｂに垂直な方向を配列方向として、面２１の左右方向の中央部において１列並んでいる。この場合、それぞれの金属電極２２ａの形成方向は、その長手方向が基準線Ｂに平行となるように形成される。また、面２１の右側において、２個の金属電極２２ｂで構成される列が、基準線Ｂに垂直な方向を配列方向として、１列並んでいる。さらに、面２１の左側において、３個の金属電極２２ｂで構成される列が、基準線Ｂに垂直な方向を配列方向として、１列並んでいる。この場合、それぞれの金属電極２２ｂの形成方向は、その長手方向が基準線Ｂに垂直となるように形成される。また、図４における面２１の右上及び右下の隅には、金属電極２２ｃが形成されている。さらに、面２１における電極パターンを除く領域には、赤外線反射膜２４が形成されている。ここで、赤外線反射膜２４と金属電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃとは、一定の距離を空けることにより電気的に絶縁されている。

次に、上記のように形成された金属電極１２，２２と、熱電素子４０と、リード線３０ａ，３０ｂとの電気的な接続関係について説明する。まず、図２に示されるようなII-II切断面においては、金属電極２２ｃにリード線３０ａが接続されている。また、この金属電極２２ｃと金属電極１２の端部との間には、金属電極の面に垂直に熱電素子４０ａが接続されている。さらに、図２の左方向に向かって、右側の金属電極１２と、金属電極２２ａと、左側の金属電極１２とを端部において直列に接続するように、熱電素子４０ｂと熱電素子４０ａとが交互に接続されている。図３及び図４を参照して、以下同様に、図４の右上の金属電極２２ｃまでの間で、全ての金属電極１２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃを端部において直列に接続するように熱電素子４０ｂと熱電素子４０ａとが交互に配置される。また、右上の金属電極２２ｃには、リード線３０ｂが接続されている。このような構成により、金属電極１２，２２を介して熱電素子４０ａ，４０ｂが交互に直列に接続された回路が形成される。

以上のように構成されたペルチェモジュール１は、例えば固体撮像装置に内蔵されたＣＣＤ等の冷却対象物を吸熱側絶縁基板１０に接触させて冷却するために使用される。この固体撮像装置の使用に際しては、図示しない電源部をリード線３０ａ，３０ｂに接続してペルチェモジュール１に電流が供給される。そうすると、熱電素子４０ａ，４０ｂ、金属電極１２、２２ａ，２２ｂ，２２ｃで構成される回路に電流が流れ、ペルチェ効果により、金属電極１２から金属電極２２ａ，２２ｂに向けて熱が輸送される。このような熱の輸送により、金属電極１２を有する吸熱側絶縁基板１０に接触された冷却対象物が冷却される。

この際、吸熱側絶縁基板１０の面１１側、及び放熱側絶縁基板２０の面２１側においては、外部から入射される赤外線、基板自体から放射される赤外線、熱電素子４０や金属電極１２，２２から放射、反射される赤外線が存在する。これらの赤外線が吸熱側絶縁基板１０及び放熱側絶縁基板２０に入射すると、赤外線の吸収により基板の温度が上昇し、モジュール全体の冷却効率が低下する。これに対して、吸熱側絶縁基板１０の面１１上、及び放熱側絶縁基板２０の面２１上に赤外線反射膜１４，２４を設けることにより、赤外線が基板に入射されることなく反射される。これにより、吸熱側絶縁基板１０及び放熱側絶縁基板２０における赤外線による吸熱が防止される。また、吸熱側絶縁基板１０の面１１にのみ赤外線反射膜を形成するようにしてもよい。こうすると、高温側の放熱側絶縁基板２０及び金属電極２２から多く放射される赤外線が面１１において反射され、より単純な構成で効率よく赤外線による吸熱が防止される。

また、赤外線反射膜１４，２４は、赤外線反射率の高い金属膜で構成されているため、基板における赤外線による吸熱がより確実に防止される。さらに、赤外線反射膜１４，２４は金属メッキを含む構成となっているため、耐腐食性、防錆性が高く、赤外線反射効果がより永く維持される。

また、特許文献１に記載のような従来のペルチェモジュールは、基板と絶縁薄膜と金属電極との３層構造の構成となっている。これに対して、ペルチェモジュール１は、吸熱側絶縁基板１０、及び放熱側絶縁基板２０の表面に金属電極１２，２２、及び赤外線反射膜１４，２４を有する２層構造であるため、従来の３層以上の多層構造のモジュールに比較して製造がより容易となる。

さらに、赤外線反射膜１４，２４は、金属電極１２，２２と同一の材質のものであるので、赤外線反射膜１４，２４における赤外線反射率が確保されるとともに、金属電極１２，２２と赤外線反射膜１４，２４の形成を１つの工程で行えるため、モジュールの製造が容易となる。

以上説明した、本発明にかかるペルチェモジュール１によれば、絶縁基板１０，２０上の金属電極１２，２２を介して交互に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に電流が供給されることにより、吸熱側絶縁基板１０から放熱側絶縁基板２０に向けて熱が輸送される。また、少なくとも吸熱側絶縁基板１０の面１１に赤外線反射膜１４を備えることにより、外部から入射する赤外線や、内部において放射、反射された赤外線が吸熱側絶縁基板の面において反射される。これにより、吸熱側絶縁基板１０における赤外線による吸熱が防止され、吸熱側絶縁基板１０において対象物を冷却する際の冷却効率が高められる。その結果、より単純な構成で冷却効率を高めることが可能なペルチェモジュールを提供することができる。

ここで、図５は、ペルチェモジュール１及び従来のペルチェモジュールにおける駆動電力Ｐ[Ｗ]と基板間温度差ΔＴ[°Ｃ]との関係を示すグラフである。なお、基板間温度差ΔＴは、放熱側絶縁基板２０の面２１の反対側の面における温度を−２０°Ｃに保持した状態における、吸熱側絶縁基板１０と放熱側絶縁基板２０との間の温度差を測定して得られたものである。ここで、従来のペルチェモジュールの構成は、赤外線反射膜１４，２４を備えていない点以外は、ペルチェモジュール１と全く同様の構成である。さらに、吸熱側絶縁基板１０、放熱側絶縁基板２０の材質としては、窒化アルミニウムを用い、金属電極１２，２２、及び赤外線反射膜１４，２４としては、銅パターンに無電解Ｎｉ−Ｂメッキ、電解Ｃｕメッキ、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ、無電解Ａｕメッキが施されたものを用いた。

図５に示されるように、駆動電力Ｐ＝１[Ｗ]で、従来技術におけるペルチェモジュールの基板間温度差ΔＴが約３０°Ｃであるのに対して、ペルチェモジュール１の基板間温度差ΔＴが約４２°Ｃとの結果が得られた。この結果により、ペルチェモジュール１は、駆動電力Ｐに対する冷却効率がより優れているということが分かる。

上述した冷却効率上昇の効果は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子のペアの数が少なく、絶縁基板１０，２０全体の面積に対する熱電素子の配置面積の比が比較的小さくされているペルチェモジュールにおいて顕著に現れる。このようなペルチェモジュールの用途としては、固体撮像装置等におけるＣＣＤの冷却用としての用途が挙げられる。この場合、ペルチェモジュール１はＣＣＤを冷却して暗電流を小さくすることによりＣＣＤにおけるＳＮ比を改良するために用いられる。特に、ペルチェモジュール１は、電力が厳しく制限される衛星搭載用の固体撮像装置に搭載する素子として最適である。

図６には、ペルチェモジュール１が搭載された固体撮像素子（ＣＣＤ：ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）を冷却する固体撮像装置の一例を示す。ここで、図６において、（ａ）は、ペルチェモジュール１を搭載した固体撮像装置１０１の平面図、（ｂ）は、固体撮像装置１０１の側断面図、（ｃ）は、固体撮像装置１０１の底面図、（ｄ）は、固体撮像装置１０１の正面図である。

同図に示されるように、固体撮像装置１０１は、銅タングステン製の矩形の放熱板１１０を有しており、この放熱板１１０の後端部には矩形形状のＩ／Ｏピン導出穴１１０ａが設けられている。放熱板１１０の前端部側には、ペルチェモジュール１が放熱板１１０の面と放熱側絶縁基板２０の面とを接着することにより固定されている。また、ペルチェモジュール１の吸熱側絶縁基板１０上にはＣＣＤ１１４が載置されている。

また、放熱板１１０のＩ／Ｏピン導出穴１１０ａ上にはセラミック積層型配線基板１１６が配置され、配線基板１１６から伸びるＩ／Ｏピン１１６ａがＩ／Ｏピン導出穴１１０ａに挿入されている。さらに、配線基板１１６とＣＣＤ１１４とはアルミニウム製のボンディングワイヤ１１８により接続され、ボンディングワイヤ１１８及び配線基板１１６を介してＣＣＤ１１４が駆動される。

この固体撮像装置１０１においては、放熱側絶縁基板２０の面を−２０°Ｃに保つと同時にペルチェモジュール１にわずか１Ｗの駆動電力を与えるだけで、ＣＣＤ１１４を約−６０°Ｃの温度で冷却することができる。これにより、ＣＣＤ１１４の暗電流は十分に低減され、固体撮像装置１０１を緻密な科学計測に用いることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、本実施形態にかかるペルチェモジュール１における赤外線反射膜１４，２４としては、赤外線反射率の高い材料であれば様々な材料のもので代用可能である。例えば、金、アルミ、銀、プラチナ、ニッケル、及びこれらを含む合金等の単層構造や多層構造のものを使用できる。また、赤外線反射膜１４，２４の材質は、金属電極１２，２２と異なる材質であっても構わない。

本発明によるペルチェモジュールの好適な一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。図１に示すペルチェモジュールのII-II断面図である。吸熱側絶縁基板上に形成された金属電極及び赤外線反射膜の平面図である。放熱側絶縁基板上に形成された金属電極及び赤外線反射膜の平面図である。本発明のペルチェモジュール及び従来のペルチェモジュールにおける駆動電力と基板間温度差との関係を示すグラフである。（ａ）は、本発明のペルチェモジュールを搭載した固体撮像装置の平面図、（ｂ）は、本発明のペルチェモジュールを搭載した固体撮像装置の側断面図、（ｃ）は、本発明のペルチェモジュールを搭載した固体撮像装置の底面図、（ｄ）は、本発明のペルチェモジュールを搭載した固体撮像装置の正面図である。

符号の説明

１…ペルチェモジュール、１０…吸熱側絶縁基板、２０…放熱側絶縁基板、３０ａ，３０ｂ…リード線、１２…金属電極、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ（２２）…金属電極、４０ａ，４０ｂ（４０）…熱電素子、１４，２４…赤外線反射膜。

Claims

一方の面に金属電極を有する吸熱側絶縁基板と、
前記一方の面に対向するように配置され、前記吸熱側絶縁基板側の面に金属電極を有する放熱側絶縁基板と、
前記吸熱側絶縁基板の金属電極と前記放熱側絶縁基板の金属電極との間に配置され、金属電極を介して交互に直列に接続されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子からなる熱電素子群と、
少なくとも前記吸熱側絶縁基板の熱電素子側の面に設けられた赤外線反射膜と、
を備えるペルチェモジュール。
前記赤外線反射膜は、金属膜を含むものである、
請求項１に記載のペルチェモジュール。
前記赤外線反射膜は、前記金属電極と同一の材質のものである、
請求項１又は２に記載のペルチェモジュール。
前記放熱側絶縁基板の熱電素子側の面に赤外線反射膜が併せて設けられたものである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のペルチェモジュール。