JP2006041192A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子において熱応力に対する耐久性を向上させる。
【解決手段】熱電素子１は、仕切板２と、仕切板２を貫通した状態で仕切板２に固定された熱電半導体結晶３と、熱電半導体結晶３の上端に接合された上側電極４と、熱電半導体結晶３の下端に接合された下側電極５とを備えている。上側電極４の上には、上側金属薄板カバー８がシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリース６により接着され、下側電極５の下には、下側金属薄板カバー９がシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリース７により接着されている。金属薄板カバー８，９自身が熱応力を吸収し緩和すると共に、電極４，５との間がシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリース６，７により接着されていることで、電極４，５及び熱電半導体結晶３にかかる熱応力が大幅に軽減され、その結果、熱電素子１の寿命を大幅に延長することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ペルチェ効果あるいはゼーベック効果を利用した熱電素子に関し、特に、熱応力に対する耐久性を向上させた熱電素子に関する。

ＬＳＩやコンピュータのＣＰＵ等の冷却装置や、保温冷蔵庫等の電子加熱冷却装置には、ビスマス・テルル等の熱電半導体結晶を備えた熱電素子が使用されている。図４は、特許文献１に開示されたこのような従来の熱電素子を示している。この図において（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。

この熱電素子20は、熱電半導体結晶21と、アルミナセラミックス等の熱良導性で電気絶縁性を有する材料からなり、熱電半導体結晶21を上下から保持する上側基板22及び下側基板23とを備えている。熱電半導体結晶21は、ｎ型熱電半導体結晶21n及びｐ型熱電半導体結晶21pが交互に配列されており、ｎ型熱電半導体結晶21n及びｐ型熱電半導体結晶21pの上下の端面間にそれぞれ銅板などで構成された上側電極24及び下側電極25がハンダ付けされ、ｎ型熱電半導体結晶21n及びｐ型熱電半導体結晶21p が交互に電気的に直列に接続される。また、この上下の電極24，25が基板22，23にハンダにより接合されている。両端の下側電極25にはリード線26,27を介して直流電源が接続されており、この直流電源から電流を流すと、ペルチェ効果により一方の端面側の電極（図では上側電極24）で吸熱が起こり、他方の端面側の電極（図では下側電極25）で放熱が起こる。この熱電素子は、例えば、吸熱側となる上側基板22の上に冷却対象を配置し、放熱側となる下側基板23の下にヒートシンクとファンとの組み合わせ等からなるの熱交換部材を配置して使用される。

しかし、前述した熱電素子においては、以下の二つの問題点を抱えている。第一は、熱電素子の組立時において、熱電半導体結晶21を上下から保持する上側銅電極付アルミナセラミックス基板22及び下側銅電極付アルミナセラミックス基板23で挟んでハンダ付けをする際に平坦性が50ミクロンから100ミクロン程度の精度しか得られない点である。ハンダ付けした熱電素子を動作させるには、冷却側の金属板と放熱側の空冷または水冷放熱フィンに熱伝導性グリースを塗布して熱電素子の上下から数十キロの荷重をかける必要がある。この際に50ミクロンから100ミクロン程度の精度平坦性では熱電素子に偏荷重がかかることになる。この偏荷重は熱電半導体結晶21の塑性変形をもたらし、その結果熱電素子の劣化を引き起こす。これが従来の熱電素子の耐久性が無い第一の原因であるが、これを回避するためにハンダ付け後の熱電素子の上下面を研摩して、平坦性１０ミクロン程度にすることは可能であるが、加工コストが大幅にかかるために現実的でない。

第二の問題点は熱電素子の動作時において、アルミナセラミックス基板の一方が吸熱により冷却されて収縮し、他方のアルミナセラミックス基板が放熱により温度上昇して膨張したときに生ずる応力（熱応力）を原因とする素子の劣化にある。この熱応力で機械的強度の高いアルミナセラミックス基板は弾性変形をするが、柔らかくて脆い熱電半導体結晶は簡単に塑性変形する。従って熱電素子の動作を繰り返すことで、熱電半導体結晶はその度に塑性変形が繰り返されることで結晶欠陥が生じ劣化していく。熱電半導体結晶の劣化はそれらの抵抗値の上昇に繋がり、動作電流を流すことで局部的な温度上昇が起き、熱電半導体結晶21と上側電極24，下側電極25との間の接合が外れてしまうことになる。これが従来の熱電素子の耐久性が低い第二の原因である。

実際に基板22，23のサイズが40mm×40mm、熱電半導体結晶21の数が256個の熱電素子を各方面からサンプルとして入手し、所定の最大負荷動作（12ボルト、７アンペア）での繰り返し寿命試験を行った結果では、早いもので三千回、平均五千回、最大一万二千回の寿命であった。この実験結果から、従来の熱電素子は電子部品として使用するには未だ耐久性が不十分であると言える。

特開昭６３−１１０６８０号公報（図１）

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、熱電素子において平坦度向上を図って均一荷重の架かる構造にすると共に熱応力に対する耐久性を向上させることを第１の目的とする。また、本発明は、熱電素子において熱電素子カバーを軽量化及び薄板化し、熱抵抗を低減することを第２の目的とする。

本発明に係る熱電素子は、電気絶縁性を有する仕切板と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結晶と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された複数の熱電半導体結晶と、前記複数の熱電半導体結晶を電気的に直列接続するために前記各熱電半導体結晶の両端にそれぞれ接続された電極と、前記電極の前記熱電半導体結晶に接続された面と反対側の面に柔軟に接続された金属薄板カバーとを具備する熱電素子である。

この熱電素子によれば、仕切板の両側の金属薄板カバーのいずれか一方が加熱されて膨張し、他方が冷却されて収縮しても、金属薄板カバー自身の弾性変形で熱応力を吸収し緩和するとことと、電極との間がシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリースで柔軟に接合されていることで、金属薄板カバーから電極にかかる熱応力も緩和されるため、電極及び熱電半導体結晶にかかる熱応力が大幅に軽減される。

また、この熱電素子によれば、セラミックス等の無機化合物材料と比較すると、金属薄板カバーは熱伝導率が数倍から10倍程度大きいため、電極と金属薄板カバーとの間の熱抵抗は、従来の熱電素子における電極と基板との間の熱抵抗はより小さくなる。金属薄板カバーを用いることで電極から熱交換部材迄の熱抵抗及び電極から冷却対象迄の熱抵抗を従来の熱電素子より低減することができる。

本発明に係る熱電素子によれば、電極及び熱電半導体結晶にかかる熱応力が大幅に軽減され、その結果、熱電素子の寿命を大幅に延長することができる。また、電極から熱交換部材迄の熱抵抗及び電極から冷却対象迄の熱抵抗を低減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態の熱電素子の構成を示す正面側の断面図である。本実施の形態の熱電素子１は、合成樹脂からなる仕切板２と、仕切板２を貫通した状態で仕切板２に固定された、ビスマス−アンチモン−テルル等の熱電半導体結晶３と、熱電半導体結晶３の上端にハンダにより接合された、銅等の金属からなる上側電極４と、熱電半導体結晶３の下端にハンダにより接合された、銅等の金属からなる下側電極５とを備えている。熱電半導体結晶２は、図２と同じく、ｎ型熱電半導体結晶2n及びｐ型熱電半導体結晶2pからなり、それらが仕切板１に交互に配列され、電気的に直列に接続される。

また、上側電極４の上には、上側金属薄板カバー８が上側電極４を覆うように、シリコーンゴム等の電気絶縁性及び熱伝導性を有するゴムからなる接着剤６により接着されている。同様に、下側電極５の下には、下側金属薄板カバー９が下側電極５を支えるように、シリコーンゴム等の電気絶縁性及び熱伝導性を有するゴムからなる接着剤７により接着されている。さらに、熱電素子１の側面の外周には、シリコーン樹脂からなる防湿シール10が、その上下端が上下の金属薄板カバー８，９の下に位置するように、水分不透過性に優れたシリコーンゴムからなる接着剤により接着されている。また、左端の下側電極５には、外部の直流電源（図示せず）に接続するためのリード線11が接続されている。

ここで、上側金属薄板カバー８及び下側金属薄板カバー９は、厚みが0.5mm以下のアルミニウム、銅、銀、又は金のいずれかを使用することが好適である。これらの金属はセラミックス等の無機化合物材料と比較すると、熱伝導率が数倍から10倍程度大きいため（アルミナセラミックスの熱伝導率；35.3W/(m・K)、アルミニウムの熱伝導率；204W/(m ・K)、銅の熱伝導率；386W/(m・K)、銀の熱伝導率；427W/(m・K)、金の熱伝導率；310W/(m・K)）、電極と金属薄板カバーとの間の熱抵抗は、従来の熱電素子における電極と基板との間の熱抵抗はより小さくなる。金属薄板カバーを用いることで電極から熱交換部材迄の熱抵抗及び電極から冷却対象迄の熱抵抗を従来の熱電素子より低減することができる。

この熱電素子１を製造するときは、仕切板２に熱電半導体結晶３が固定された部材を用意し、この部材における熱電半導体結晶３の上下端に上側電極４及び下側電極５をハンダ付けし、かつリード線11をハンダ付けする。次に、上側金属薄板カバー８及び下側金属薄板カバー９を用意し、それらをシリコーンゴム等の接着剤により、上側電極４及び下側電極５の上下端に接着する。その後、周囲にシリコーン樹脂による防湿シール10を設け、完成させる。

尚、上側電極４及び下側電極５と上側金属薄板カバー８及び下側金属薄板カバー９とはシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリースにより柔軟に接着されるが、接着剤又はグリースでは電極と金属薄板カバー間の電気絶縁は保つことは困難である。そこで電気絶縁性を向上させるために電極の表面をシリカゾル又はアルミナゾルを塗布乾燥させて厚さ３０ミクロン以下のセラミックコーティング層を設けた。コーティング材としては例えば日産化学シリカゾルSE103, アルミナゾルAE233を用いた。この様なセラミックコーティング層を用いることで熱伝導特性の優れた金属薄板カバーの使用が初めて可能となった。

以上のように構成された熱電素子１に対して、図示されていない直流電源から通電すると、ペルチェ効果により一方の端面側の電極（例えば上側電極４）で吸熱が起こり、他方の端面側の電極（例えば下側電極５）で放熱が起こる。このとき、吸熱側では電極及び金属薄板カバーが収縮し、放熱側では電極及び金属薄板カバーが膨張する。

この膨張・収縮により、吸熱側と放熱側との間で電極４，５及び金属薄板カバー８，９の寸法に差が生じ、熱応力が発生する。しかし、本実施形態では、30ミクロン以下の金属薄板カバー８，９自身は容易に弾性変形し熱応力を吸収し緩和すると共に、電極４，５との間がシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリース６，７により接着されていることで、金属薄板カバー８，９から電極４，５にかかる熱応力も緩和されるため、電極４，５及び熱電半導体結晶３にかかる熱応力が大幅に軽減される。したがって、熱電半導体結晶３と電極４，５との間の接合外れや、熱電半導体結晶３の破損を防止することができるので、熱電素子１の寿命を大幅に延ばすことができる。

〔実施例〕
本発明に係る熱電素子の実施例を試作し、従来の熱電素子（比較例）と共に冷却応答性を測定した結果を説明する。図２は従来の熱電素子の冷却応答性を示すグラフであり、図３は実施例の冷却応答性を示す図である。この測定データは、22℃程度に維持された室内で熱電素子に12ボルトの電圧をかけたときの冷却側カバー（従来例では基板）の表面の温度変化を測定したものである。各熱電素子の詳細は以下のとおりである。

従来例（図２）：基板；アルミナセラミックス，40mm×40mm×0.5mm、熱電半導体結晶；1.5mmΦ×2mm，256個、電極；銅，4mm×2mm×0.2mm
実施例（図３）：銅薄板カバー40mm×40mm×0.0３0mm、仕切板；ガラスエポキシ，厚さ0.8mm、熱電半導体結晶及び電極は従来例と同じ。

図２と図３とを比較することにより、実施例が従来例より良好な冷却応答性を備えていることが確認された。

本発明の実施形態の熱電素子の正面側断面図である。 従来の熱電素子の冷却応答性を示す図である。 本発明の実施例の冷却応答性を示す図である。 従来の熱電素子の正面図及び斜視図である。

符号の説明

１…熱電素子、２…仕切板、３…熱電半導体結晶、４，５…電極、６，７…接着剤、８，９…金属薄板カバー。

Claims (5)

1. 電気絶縁性を有する仕切板と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された複数の熱電半導体結晶と、前記複数の熱電半導体結晶を電気的に直列接続するために前記各熱電半導体結晶の両端にそれぞれ接続された電極と、前記電極の前記熱電半導体結晶に接続された面と反対側の面に柔軟に接続された金属薄板カバーとを具備する熱電素子。
2. 前記電極と金属薄板カバーとが、電気絶縁性及び熱伝導性を有するシリコーン樹脂からなる接着剤又はグリースにより柔軟に接着されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
3. 前記電極の表面はシリカゾル又はアルミナゾルからなる厚さ３０ミクロン以下のセラミックコーティング層により電気絶縁されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
4. 前記仕切板の両側の金属薄板カバーの互いに対向する縁部と防湿部材とを水分不透過性を有する接着剤により接着したことを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
5. 前記金属薄板カバーは、厚みが0.2mm以下のアルミニウム、銅、銀、又は金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。

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