JP2936174B2 - 電子部品 - Google Patents

電子部品

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JP2936174B2
JP2936174B2 JP2103030A JP10303090A JP2936174B2 JP 2936174 B2 JP2936174 B2 JP 2936174B2 JP 2103030 A JP2103030 A JP 2103030A JP 10303090 A JP10303090 A JP 10303090A JP 2936174 B2 JP2936174 B2 JP 2936174B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、電子冷却用の電子部品に関するもので、特
に、熱伝導の小さい熱電物質及び素子の構成についてで
ある。
(従来の技術) 近年、地球環境問題からのフロン使用規制、電子機器
等の局所冷却,除湿等に使用する小形冷却装置等への要
求、小規模廃熱の利用の要求から、ペルチェ効果,ゼー
ベック効果を利用した電子冷却用の電子部品に対する要
求は大きい。
このうち、室温付近で用いる電子冷却素子としては、
Bi−Te系の単結晶若しくは多結晶凝固体を半導体物質と
して使用して、p型,n型物質を交互に金属銅板等で接合
し、各物質の間は空隙とする構成を取っていた。
(発明が解決しようとする課題) このように構成された電子冷却素子では、素子の消費
電力当りの冷却側吸収熱量が、半導体物質の性能指数Z
で規定されることが知られており、この半導体物質の性
能指数Zは、半導体物質のゼーベック係数をS、電気伝
導度をσ、熱伝導度をkとしたときに、Z=S2×σ/kで
表現される。このことから、半導体物質は高いゼーベッ
ク係数をもつと共に、高い電気伝導度と小さい熱伝導度
をもつことが要求される。
又、冷却温度に到達させた後に装置を間欠運転する方
法もあるが、この方法では、素子は、電圧印加時以外は
できるだけ断熱性がよく、同じ性能指数でも熱伝導度の
小さいことが要求される。
これに対し、Bi−Te系の単結晶では更にSb,Se等を固
溶させて、熱伝導の格子振動寄与を低下させる手法、材
料を溶融状態から単結晶成長させずに粒径を制御した多
結晶凝固体として熱伝導度を小さくする手法等が知られ
ている。
本発明は、このような課題に鑑みて、半導体物質とし
て、又、素子構成として熱伝導度の小さい電子冷却用の
電子部品を提供することを目的とするものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、互いに電気的に直列に接合されたp型半導
体物質とn型半導体物質に直流電流を流した時の接合界
面における発熱吸熱現象を利用する電子冷却用の電子部
品において、半導体物質間の間隙部を絶縁性の無機多孔
体若しくは粉末で充填した上、半導体物質の気孔の半導
体物質に対する体積分率が5.0%以上の多孔体からなる
半導体物質の間隙部を1mmHg以下の真空状態になるまで
脱気したものである。
(作用) 半導体物質中に気孔が存在しても、物質中の歪、粒界
等によるキャリアの易動度減少の寄与は小さい上、気孔
は絶縁性なので、ゼーベック係数は気孔の無いものとほ
とんど変わらない。これに対して、電気伝導度と熱伝導
度とは、気孔率の増加とともに低下するが、その比は気
孔率の広い範囲までほぼ気孔率を無いものと変わらない
ため、半導体物質の性能指数はそのままで、熱伝導度を
小さくすることができる。
又、p型,n型半導体物質間の間隙を絶縁性無機多孔質
もしくは粉末で充填したり、その部分を真空状態になる
まで更に脱気すれば、間隙部で生ずる温度差による空気
の対流が阻止されるため、素子構成体としての熱伝導度
を小さくすることができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。
第1図は本発明の第1の実施例の電子冷却パネルの構
成を示すもので、半導体物質としてBi−Te系について検
討したものであり、p型物質として(Bi,Sb)2Te3を、
n型物質として Bi2(Te,Se)を選択したものである。
先ず、各物質の多結晶凝固体を出発原料に用いて、粗
砕した後、ボールミルの中でエタノールを溶媒として、
2mmφのジルコニアボールを媒体として粉砕する。そし
て、その粉砕したものを乾燥させた後、その粉末を白金
チューブに入れて、脱気した上、その白金チューブを封
止して、500℃の温度、10〜1,000kg/cm2の圧力でHIP処
理をする。
このようにして作成した試料は、白金チューブから取
り出して、3mm×3mm×20mmに切断した上、常温で嵩密度
を測定して、気孔率を決定する。又、室温で約5℃の温
度差を素子両端につけて、起電力と両端の温度を測定す
ることにより、ゼーベック係数を求めた。更に、素子全
体を室温に保持して、4端子法により抵抗値を測定する
ことにより、電気伝導率を求めた。更に、素子の両端を
0.07mmφの導線で室温真空中に吊って、ハーマー法で素
子性能指数Zを求めた上、電気伝導度、ゼーベック係数
より熱伝導度を求めた。
第1表にはp型材料の試料の気孔率と電気伝導度、熱
伝導度、ゼーベック係数、性能指数を、第2表にはn型
材料の試料の気孔率と電気伝導度、熱伝導度、ゼーベッ
ク係数、性能指数をそれぞれ示す。
そこで、同一気孔率を有する半導体物質を1.5mm立方
に切断したp型半導体1とn型半導体2とを、交互に、
2.0mmの間隔で、縦及び横にそれぞれ15個ずつ、合計225
個を配列して、隣接するp型半導体1とn型半導体2と
をNi板3で電気的に直列に接続した上、それ等の上面及
び下面に縦55mm,横55mm,厚み1mmのアルミナ板4を取り
付けた第1図の如き電子冷却パネルを試作した。そし
て、この電子冷却パネルの上面と下面との間の熱伝導を
測定して、電子冷却パネルの単位面積当りの熱伝導度を
求めたもので、素子気孔率及び熱伝導率を第3表に示
す。
第1表,第2表及び第3表から明らかなように、半導
体物質に気孔の存在するものは、物質として熱伝導度が
低下すると共に、これを用いて作製した電子冷却素子自
体の熱伝導度も低下する。特に気孔率が5.0%以上の範
囲にあるものは、熱伝導度が大きく低下する割に、性能
指数の低下が少ない。
第2図は本発明の第2の実施例の電子冷却パネルの構
成を示すもので、第1図の符号と同一符号のものは同一
部分を示している。
p型半導体物質及びn型半導体物質には第1表及び第
2表の比較例の気孔を含まない多結晶凝固体と気孔率30
%の試料とを用いると共に、半導体物質間の間隙の充填
材には嵩比重0.04g/cm3のガラス繊維断熱材5又は平均
粒径15μmのパーライト粉末5を用い、且つ、それ等の
外周は無機接着材6で固めた第1の実施例と同一寸法の
電子冷却パネルを試作した。
そこで、本実施例における電子冷却パネルの単位面積
当りの熱伝導率を第4表に示す。
第4表から明らかなように、半導体物質間の間隙部を
無機多孔体若しくは粉末で充填した構成のものは、間隙
部の空気の対流による熱伝導を抑えるため、電子冷却パ
ネルの熱伝導率を低下させることができる。又、半導体
物質に気孔を含むものは、熱伝導率を更に低下させるこ
とができる。
第3図は本発明の第3の実施例の電子冷却パネルの構
成を示すもので、第1図の符号と同一符号のものは同一
部分を示している。
p型半導体物質及びn型半導体物質には第1表及び第
2表の比較例の気孔を含まない多結晶凝固体と気孔率30
%の試料とを用いたもので、素子全体を真空中で加熱し
て、電子冷却パネルの外周部の低融点ガラスを溶融した
後、冷却することにより、半導体物質間の間隙における
気圧を0.001mmHg程度の真空状態にした第1の実施例と
同一寸法の電子冷却パネルを試作した。
そこで、本実施例における電子冷却パネルの単位面積
当りの熱伝導率を第5表に示す。
第5表から明らかなように、半導体物質間の間隙部を
真空状態にした構成のものは、間隙部の空気の対流によ
る熱伝導を抑えるため、電子冷却パネルの熱伝導率を低
下させることができる。又、電子冷却パネルとして使用
する際には、半導体結合部に結露を生じさせないため、
半導体結合部の腐食劣化を防止することができる。
第4図は本発明の第4の実施例の電子冷却パネルの構
成を示すもので、第2図の符号と同一符号のものは同一
部分を示している。
p型半導体物質及びn型半導体物質には第1表及び第
2表の比較例の気孔を含まない多結晶凝固体と気孔率30
%の試料との用いると共に、半導体物質間の間隙の充填
材には嵩比重0.04g/cm3のガラス繊維断熱材5又は平均
粒径15μmのパーライト粉末5を用いたもので、素子全
体を真空中で加熱して、電子冷却パネルの外周部の低融
点ガラスを溶融した後、冷却することにより、半導体物
質間の間隙における気圧を0.01mmHg程度の真空状態にし
た第1の実施例と同一寸法の電子冷却パネルを試作し
た。
第5図は本発明の第5の実施例の電子冷却パネルの構
成を示すもので、第2図の符号と同一符号のものは同一
部分を示している。
p型半導体物質及びn型半導体物質には第1表及び第
2表の比較例の気孔を含まない多結晶凝固体と気孔率30
%の試料とを用いると共に、半導体物質間の間隙の充填
材には崇比重0.04g/cm3のガラス繊維断熱材5又は平均
粒径15μmのパーライト粉末5を用いたもので、約1mm
の厚さの樹脂8によって外周部をモールドした後、その
樹脂8の一端より脱気して、内部気圧を1mmHg程度の真
空状態にした第1の実施例と同一寸法の電子冷却パネル
を試作した。
そこで、第4及び第5の実施例における電子冷却パネ
ルの単位面積当りの熱伝導率を第6表に示す。
第6表から明らかなように、半導体物質間の間隙部を
絶縁性の無機多孔体若しくは粉末で充填され且つ真空状
態にした構成のものは、間隙部の空気の対流による熱伝
導を抑えるため、電子冷却パネルの熱伝導率を低下させ
ることができる。又、電子冷却パネルとして使用する際
には、半導体接合部に結露を生じないため、半導体接合
部の腐食劣化を防止することができる。特に、試料番号
43で示したように、間隙を絶縁性の無機多孔体若しくは
粉末で充填すると共に、真空状態にした構成のものは、
粉末真空断熱材の寄与で1mmHg程度の低い真空度でも高
い熱伝導率の低下が達成できる上、構成、製造プロセス
も簡単で、結露防止効果も充分である。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、電子冷却用の
電子部品に使用すれば、半導体物質の性能指数を低下さ
せることなく、熱伝導の小さい素子が得られる上、電圧
を印加しない運転時の熱伝導によるロスを防ぐことがで
きるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の電子冷却パネルの斜視
図、第2図は本発明の第2の実施例の電子冷却パネルの
側面断面図、第3図は本発明の第3の実施例の電子冷却
パネルの側面断面図、第4図は本発明の第4の実施例の
電子冷却パネルの側面断面図、第5図は本発明の第5の
実施例の電子冷却パネルの側面断面図である。 1……p型半導体、2……n型半導体、3……Ni板、4
……アルミナ板、5……ガラス繊維又はパーライト粉
末、7……低融点ガラス、8……樹脂。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 35/16 H01L 35/32

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに電気的に直列に接合されたp型半導
    体物質とn型半導体物質に直流電流を流した時の接合界
    面における発熱吸熱現象を利用する電子冷却用の電子部
    品において、 前記半導体物質間の間隙部を絶縁性の無機多孔体若しく
    は粉末で充填した上、前記半導体物質の気孔の前記半導
    体物質に対する体積分率が5.0%以上の多孔体からなる
    前記半導体物質の間隙部を1mmHg以下の真空状態になる
    まで脱気することを特徴とする電子部品。
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