JP3495393B2 - 電子冷蔵庫用電子冷却装置、それに用いる半導体の製造方法、ならびにその電子冷却装置を使用した電子冷蔵庫 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子冷却装置に係り、特
に電子冷蔵庫用電子冷却装置、その電子冷却装置に用い
る半導体の製造方法、ならびにその電子冷却装置を用い
た電子冷蔵庫に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換素子のうち電気エネルギーを投
入して所定のものを冷却する素子は、ペルチェ素子ある
いは電子冷却素子と称され、例えばコンパクトなクール
ボックスなどに使用されており、フロンなどの冷媒を用
いない冷却技術として注目されている。

【０００３】従来の電子冷却素子は、図３５に示すよう
に、アルミナなどからなる吸熱側絶縁基板１００の上に
吸熱側半田層１０１を介して吸熱側電極１０２が形成さ
れ、その吸熱側電極１０２の上にＰ型半導体層１０３と
Ｎ型半導体層１０４とがそれぞれ形成されている。

【０００４】このＰ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４とを接続するように放熱側電極１０５が形成され、
さらにその上に放熱側半田層１０６を介してアルミナな
どからなる放熱側絶縁基板１０７が設けられている。

【０００５】前記Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４は吸熱側絶縁基板１００と放熱側絶縁基板１０７の
間に多数並列に介在されて、電気的には直列に接続され
ている。

【０００６】この電子冷却素子に所定方向の電流を流す
ことにより、吸熱側絶縁基板１００側で吸熱が起こり、
その周囲が冷却される。

【０００７】一方、放熱側絶縁基板１０７側で放熱が起
こるから、放熱フィンなどにより外部へ放熱することに
より熱移動が起こる仕組みになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】（Ａ）この電子冷却素
子の吸熱量は、従来は次のような式で表わされていた。

【０００９】 Ｑ_ab＝ｎＳＴ_c Ｉ−（1 ／2)Ｉ² Ｒ−Ｋ・ΔＴ Ｑ：吸熱量 （ｗ） ｎ：半導体素子数 （個） Ｓ：ゼーベック係数 （ｖ／
ｋ） Ｔ_C ：半導体の低温側温度 （ｋ） Ｉ：電子冷却素子に流す電流値 （Ａ） Ｒ：電子冷却素子の内部抵抗 （Ω） Ｋ：電子冷却素子の熱貫流率 （ｗ／
ｋ） しかしながら、これは定性的考察から導出された式であ
り、素子内の温度分布が直線的であるという仮定に立脚
した考え方である。しかも、電子冷却素子のみを捕らえ
ての熱計算であって、電子冷却素子を含むシステム全体
（例えば電子冷蔵庫というシステム）としての性能評価
を可能とするものではなかった。

【００１０】（Ｂ）また電子冷却素子の性能指数Ｚと冷
却成績係数の最大値φ_max との関係は、次式で与えられ
ていた。

【００１１】 φ_max ＝１／Ｔ_C （Ｔ_C ／２−ΔＴ／ＺＴ_C ） （１００） φ_max ：冷却成績係数の最大値 Ｔ_C ：半導体の低温側温度 （ｋ） Ｚ：半導体の性能指数 Ｚ＝Ｓ² σ／ｋ Ｓ：ゼーベック係数 σ：電気伝導度 ｋ：熱伝導度 ΔＴ：半導体の低温側と高温側の温度差 （ｋ） この（１００）式に基づき図３６に示すように、熱電冷
却とその他冷却方式との成績係数の比較も行われている
〔電気学会技術報告（II部）第４３号参照〕。なお、同
図において圧縮式、吸収式ならびにダイレクトドライブ
ヒートポンプ（ＤＤＨＰ）式の成績係数と、それらの凝
縮温度と蒸発温度が電子冷却素子の高低接合部温度と等
価とみなして比較されている。

【００１２】しかし同図は電子冷却素子が単体としてと
り得る、即ち無限大の熱交換を前提にした場合の冷却成
績係数の理論値上限を示すにとどまり、電子冷却素子を
含むシステム全体の性能評価を可能とするものではなか
った。

【００１３】一方、従来の電子冷却装置は、前述の通り
アルミナなどのセラミック製絶縁基板１００，１０７を
使用しているため、基板自体の熱抵抗が大きい。

【００１４】またフィンなどの吸熱側熱導体（図示せ
ず）−吸熱側絶縁基板１００，吸熱側絶縁基板１００−
吸熱側半田層１０１，吸熱側半田層１０１−吸熱側電極
１０２，吸熱側電極１０２−Ｐ型半導体層１０３とＮ型
半導体層１０４，Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１
０４−放熱側電極１０５，放熱側電極１０５−放熱側半
田層１０６，放熱側半田層１０６−放熱側絶縁基板１０
７，放熱側絶縁基板１０７−フィンなどの放熱側熱導体
（図示せず）などの接触界面の接触熱抵抗や、吸熱側な
らびに放熱側熱導体自体の熱抵抗などが数多く存在する
から、半導体素子内部の温度差は必要以上に大きくな
り、そのために冷却性能、冷却成績係数が大巾に減少し
て、実際には図３６の上限理論値の約５０％以下であ
る。

【００１５】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、冷却性能、冷却成績係数が大巾に向上でき
る電子冷蔵庫用電子冷却装置、生産性の良好な半導体の
製造方法、ならびに小型、軽量、低騒音のフロンレス電
子冷蔵庫を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の点に鑑
み、電子冷却素子の熱伝導に関してより現実に近い熱電
微分方程式を導出し、この熱電微分方程式に基づき電子
冷却素子の吸熱側電極の外部に配置される内側熱導体
（ＫＣＰ）と外側熱導体（ＫＣ）、及び放熱側電極の外
部に配置される内側熱導体（ＫＨＰ）と外側熱導体（Ｋ
Ｈ）をも含めた電子冷却システム全体としての熱バラン
ス分析手法を確立し、当該手法をパソコンレベルで活用
できるシミュレーションプログラムを具現化した。

【００１７】そしてそのシミュレーションプログラムと
実験値の検証の過程で、．Ｐ型，Ｎ型半導体の平均性
能指数Ｚ、．その半導体の平均厚さｔ、．半導体の
断面積１ｃｍ² 当たりの吸熱側における内側熱導体（Ｋ
ＣＰ）の熱コンダクタンスＫ_CP、．半導体の断面積１
ｃｍ² 当たりの吸熱側における外側熱導体（ＫＣ）の熱
コンダクタンスＫ_C 、．半導体の断面積１ｃｍ² 当た
りの放熱側における内側熱導体（ＫＨＰ）の熱コンダク
タンスＫ_HP、．半導体の断面積１ｃｍ² 当たりの放熱
側における外側熱導体（ＫＨ）の熱コンダクタンス
Ｋ_H 、の相関関係に着目し、各パラメーターの数値範囲
を下記のように特定することにより、前記目的を達成し
た。

【００１８】すなわち第１の本発明は、多数並設された
Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層と、それら半導体層
の吸熱側の外側に配置された吸熱側電極を含む内側熱導
体（ＫＣＰ）と、その内側熱導体（ＫＣＰ）の外側に配
置された外側熱導体（ＫＣ）と、前記半導体層の放熱側
の外側に配置された放熱側電極を含む内側熱導体（ＫＨ
Ｐ）と、その内側熱導体（ＫＨＰ）の外側に配置された
外側熱導体（ＫＨ）とを備えて、前記吸熱側電極と放熱
側電極によって前記Ｐ型半導体層とＮ型半導体層がそれ
ぞれ電気的に直列に接続された電子冷蔵庫用電子冷却装
置を対象とするものである。

【００１９】そして平均厚さｔが０．０８ｃｍ以上のＰ
型半導体層とＮ型半導体層を使用し、前記Ｐ型半導体と
Ｎ型半導体の平均性能指数（Ｚ）を２．７×１０^-3（／
Ｋ）以上、前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱
導体（ＫＣＰ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{C P} ）を８〜２
０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲、前記半導体層の断面積１ｃｍ²
当りの外側熱導体（ＫＣ）の熱コンダクタンス（Ｋ_C ）
を３〜１０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲、前記半導体層の断面積
１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＨＰ）の熱コンダクタン
ス（Ｋ_{H P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲、前記半導
体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体（ＫＨ）の熱コ
ンダクタンス（Ｋ_H ）を３〜１０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲
に、それぞれ規制することにより、入力電力Ｐに対する
冷却部の吸熱量Ｊ_Q の割合（Ｊ_Q ／Ｐ）で定義される成
績係数ＣＯＰが０．６以上であることを特徴とする。

【００２０】第２の本発明は、前記第１の本発明と同様
の構成の電子冷蔵庫用電子冷却装置において、平均厚さ
ｔが０．０８ｃｍ未満のＰ型半導体層ならびにＮ型半導
体層を使用し、前記Ｐ型半導体とＮ型半導体の平均性能
指数（Ｚ）を３．０×１０^-3（／Ｋ）以上、前記半導体
層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＣＰ）の熱コ
ンダクタンス（Ｋ_{C P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃｍ² の範
囲、前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体
（ＫＣ）の熱コンダクタンス（Ｋ_C ）を７〜１０Ｗ／℃
ｃｍ² の範囲、前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内
側熱導体（ＫＨＰ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{H P} ）を８
〜２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲、前記半導体層の断面積１ｃ
ｍ² 当りの外側熱導体（ＫＨ）の熱コンダクタンス（Ｋ
_H ）を７〜１０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲に、それぞれ規制す
ることにより、入力電力Ｐに対する冷却部の吸熱量Ｊ_Q
の割合（Ｊ_Q ／Ｐ）で定義される成績係数ＣＯＰが０．
６以上であることを特徴とするものである。

【００２１】第３の本発明は、前記第１、２の本発明に
使用する半導体の製造方法において、その半導体原料粉
末に所定の電圧を印加して粉体粒子間にプラズマ放電を
生起せしめ、粒子表面を活性化することにより粒子表面
に付着している酸化物や吸着ガスを除去しながら焼結す
る、所謂、プラズマ焼結法を用いることを特徴とするも
のである。

【００２２】第４の本発明は、前記第１、２の発明に係
る電子冷却装置を用いる電子冷蔵庫用において、内側熱
導体（ＫＣＰ）と外側熱導体（ＫＣ）が庫内に配置さ
れ、前記内側熱導体（ＫＨＰ）と外側熱導体（ＫＨ）が
庫外に配置されて、少なくとも外側熱導体（ＫＨ）に対
して強制的に送風するフアンが設けられていることを特
徴とするものである。

【００２３】

【作用】前述のように第１ならびに第２の本発明では、
半導体の厚さ別に半導体の平均性能指数（Ｚ）、各熱導
体の熱コンダクタンス（Ｋ_{C P} ），（Ｋ_C ），
（Ｋ_{H P}），（Ｋ_H ）を特定の範囲に規制することによ
り、コストパフォーマンスを低くすることなく、成績係
数ＣＯＰを０．６以上確保することができる。

【００２４】このようにＣＯＰを０．６以上確保するこ
とにより、コンプレッサ式電気冷蔵庫に代替えできる電
子冷蔵庫用の電子冷却装置が提供できる。

【００２５】また第３の本発明では、平均性能指数
（Ｚ）の高い半導体を生産性よく製造することができ
る。

【００２６】さらに第４の本発明では、ＣＯＰを０．６
以上確保することにより、コンプレッサ式電気冷蔵庫の
代替電子冷蔵庫が得られ、そのために冷蔵庫の小型、軽
量、低騒音が図れるなどの特長を有している。

【００２７】

【実施例】従来、電子冷却素子を応用する場合、電子冷
却素子に用いられている半導体の低温側温度Ｔ_O と高温
側温度Ｔ_L がある温度になったと仮定して熱計算をして
いたが、実際にはそれぞれの外側に設けられた熱導体と
電子冷却素子の動作条件によりＴ_o 及びＴ_L は結果的に
求まるものであり、前述したように従来の熱計算は不適
切であった。

【００２８】そこで、１９９２年８月小川等により導出
された熱伝導に関する微分方程式（電子情報通信学会
論文誌 C-11 Vol.J75-C-11 No.8 pp.416-424 1992年8
月）を基に、図２４に示すように電子冷却素子の両側に
熱導体が接合され、ペルチェ効果を用いて図面に向かっ
て左側から吸熱され右側に電子冷却素子を駆動するため
の電力と吸熱された熱が放出される１次元モデルを考え
た。このとき、電子冷却素子の断面積を単位断面積（１
ｃｍ² ）とし、夫々の熱導体も半導体の単位断面積に相
当する熱コンダクタンス（吸熱側をΚ_C ，放熱側を
Ｋ_H ）をとる。

【００２９】同図において、ｘ軸方向の夫々の位置の温
度を以下とすると、 χ＝−Ｌ_C では Ｔ_C χ＝Ｏ では Ｔ₀ χ＝Ｌ では Ｔ_L χ＝Ｌ_M では Ｔ_H 定常状態の熱伝導方程式は、 κ（ｄ² Τ／ｄχ² ）＝Ｊ・〔ｄ（αＴ）／ｄχ〕−Ｊ² ／σ−ｄκ／ｄχ・ ｄΤ／ｄχ （１） 熱流密度Ｊ _Q （χ）は、 Ｊ _Q （χ）＝αＪΤ−κ（ｄΤ／ｄχ） （２） ここに κ：熱伝導率（Ｗ／ｃｍ・ｄｅｇ） α：ゼーベック係数（ｖ／ｄｅｇ）（ｎ形で負，ｐ形で
正） σ：導電率（Ｓ／ｃｍ） Ｊ：電流密度（Ａ／ｃｍ² ）（ｎ形で負） （１）式で、 αΤ＝−（βＴ＋｜Ε_F ／ｑ｜） （３） （β＝２ｋ_B ／｜ｑ｜，Ε_F ：フェルミエネルギー）と
し、κ，σを一定とすると次の線形微分方程式になる。

【００３０】 κ（ｄ₂ Ｔ／ｄχ² ）＝βＪ₀ ｄΤ／ｄχ−Ｊ₀ ² ／σ，Ｊ₀ ＝−Ｊ（４） この一般解は、 Τ＝κ／β² σ＋Ｊ₀ χ／βσ−Ｃ₁ κ／βＪ₀ ＋Ｃ₂ ｅｘｐ（βＪ₀ χ／κ） （５） Ｃ₁ ，Ｃ₂ は積分定数、また（２）式は、 Ｊ₀ （χ）＝−αＪ₀ Τ−κＪ₀ ／βσ−Ｃ₂ βＪ₀ ｅｘｐ（βＪ₀ χ／κ） （６） パッシブな熱導体部の方程式は、 κ（ｄ² Τ／ｄχ² ）＝０ （７） Ｊ₀ （χ）＝−κ（ｄＴ／ｄχ） （８） であり、一般解は、 Τ＝Ｃ₃ χ＋Ｃ₄ （９） Ｊ_Q （χ）＝−κＣ₃ （10） 境界条件を代入する。−Ｌ_C ≦χ≦０ではκ＝κ_C として、 Ｔ＝（Τ₀ −Τ_C ）χ／Ｌ_C ＋Τ₀ （11） Ｊ_Q （０）＝κ_C （Τ_C −Τ₀ ）／Ｌ_C （12） Ｌ≦χ≦Ｌ_H ではκ＝κ_H として、 Τ＝｛（Τ_H −Ｔ_L ）χ−Τ_H Ｌ＋Ｔ_L Ｌ_H ｝ （13） Ｊ_Q （Ｌ）＝κ_H （Τ_L −Ｔ_H ）／（Ｌ_H −Ｌ） （14） ０≦χ≦Ｌでは、 Τ₀ ＝κ／β² σ−Ｃ₁ κ／βＪ₀ ＋Ｃ₂ （15） Ｔ_L ＝κ／β² σ＋Ｊ₀ Ｌ／βσ−Ｃ₁ κ／βＪ₀ ＋Ｃ₂ ｅｘｐ（βＪ₀ Ｌ／κ ） （16） Ｊ_Q （０）＝−（αＴ₀ ＋κ／βσ＋Ｃ₂ β）×Ｊ₀ 吸熱量 （17） Ｊ_Q （Ｌ）＝−Ｊ₀ ｛αＴ₀ ＋κ／βσ＋Ｃ₂ βｅｘｐ（βＪ₀ Ｌ／κ）｝ （18）前記 （15），（16）より、 Ｃ₂ ＝Β（Τ_l −Τ₀ −Ｊ₀ Ｌ／βσ） Ｃ₁ ＝βＪ_Q ／κ（κ／β² σ＋Ｃ₂ −Τ₀ ） （19） Β＝１／｛ｅｘｐ（βＪ₀ Ｌ／κ）−１｝ いま、 Ｆ₀ ＝（−α＋Ββ）Ｊ₀ ＋κ_C ／Ｌ_C Ｇ₀ ＝κ_C Ｔ_C ／Ｌ_C ＋Ｊ₀ （κ／βσ−βＪ₀ Ｌ／σ） Ｆ_L ＝｛−α−β（１＋Β）｝Ｊ₀ −κ_H ／Ｌ _H −Ｌ Ｇ_L ＝−κ_H Ｔ_H ／（Ｌ_H −Ｌ）＋Ｊ₀ ｛κ／βσ−Ｊ₀ Ｌ（１＋Β）／σ｝ （20） とすると、以下のように電子冷却素子両端の温度が求ま
る。

【００３１】 Ｄ＝Ｆ₀ Ｆ_L ＋（βＪ₀ ）² Β（１＋Β） Τ₀ ＝（Ｆ_L Ｇ₀ ＋ΒβＪ₀ Ｇ_L ）／Ｄ Ｔ_L ＝｛Ｆ₀ Ｇ_L −（１＋Β）βＪ₀ Ｇ₀ ｝／Ｄ （21） 入力電力密度Ｐは、 Ｐ＝Ｊ₀ ² Ｌ／σ＋｜α｜Ｊ₀ （Ｔ_L −Τ₀ ） （22） ＣＯＰは、 ＣＯＰ＝Ｊ_Q （０）／Ｐ （23） として必要な諸量が求められる。

【００３２】前記（５）式より求めた温度が実際の値と
整合するか確認した。半導体のチップは、３×３ｍｍ²
の断面積を有し、高さが１０ｍｍのものをπ（パイ）型
に組み、電流密度をＪ＝４４．４Ａ／ｃｍ² として半導
体の側面の温度を赤外線検出方式による非接触式温度計
で測定した。

【００３３】使用した半導体の物性などの条件は、下記
の通りである。

【００３４】 ゼーベック係数：２０５μＶ／Κ 熱伝導率 ：０．０１１５Ｗ／ｃｍΚ 電気伝導度 ：６００Ｓ／ｃｍ Κ _C ：０．１Ｗ／℃ｃｍ² Κ _H ：１Ｗ／℃ｃｍ² Τ_C ：４．１８℃ Τ_H ：３５℃ この整合結果を図２５に示す。図中の実線は前記（５）
式に基づいてシミュレーションした電子冷却素子内の温
度分布、黒丸は実測値であり、本理論は実測値とよく一
致していることが分かる。

【００３５】以上は１次元の熱の流れを単純化したモデ
ルであるが、熱導体は実際には、例えばフィンなどの外
側熱導体と、半田層、電極、熱伝導性媒体などの内側熱
導体とに分けた方が実際的であり、そのモデル構成を図
２６に示す。これらの図においてΚ_C , Κ_H Κ_CP. Κ_HP
は次のものを意味する。

【００３６】Κ_C Κ_H ：吸熱側ならびに放熱側の両側
に設けられる外側熱導体のそれぞれの熱コンダクタンス
であり、電子冷却素子の半導体の単位断面積あたりのコ
ンダクタンスを言う。例えば、吸熱側でフィン全体とし
てコンダクタンスが５Ｗ／℃の場合で、半導体層の総断
面積が２ｃｍ²の時は、ΚC は（５／２＝）２．５ｗ／
℃ｃｍ² となる。

【００３７】Κ_C Κ_H ：吸熱側ならびに放熱側の両側
に設けられる外側熱導体のそれぞれの熱コンダクタンス
であり、電子冷却素子の半導体の単位断面積あたりのコ
ンダクタンスを言う。例えば、吸熱側でフィン全体とし
てコンダクタンスが５Ｗ／℃の場合で、半導体層の総断
面積が２ｃｍ²の時は、Κ _C は（５／２＝）２．５Ｗ／
℃ｃｍ² となる。

【００３８】この内側熱導体の熱伝導と代表的な厚さを
示せば、次の通りである。

【００３９】 熱伝導率 代表的な厚さ 〔Ｗ／ｃｍ ℃〕 〔ｃｍ〕 Ａ 金属半田 ０．５１ ０．０００５〜０．００２ Ｂ 銅電極 ４．０ ０．０３ 〜０．０５ Ｃ セラミック ０．２１ ０．０５ 〜０．１ （アルミナ） Ｄ 熱伝導性媒体 ０．００８ ０．０００５〜０．００１ （シリコングリース） 後述する本発明の実施例ではセラミック基板を使用しな
いで、電極と外側熱導体との間にシリコングリースなど
の熱伝導性媒体が介在されているため、Κ_CP、Κ_HPとも
８〜２０ｗ／℃ｃｍ² と高くなる。

【００４０】冷却システムで使用される効率は成績係数
（Coefficient of performance：ＣＯＰ）であり、この
ＣＯＰは前記（２３）式に示されているように入力電力
Ｐに対する冷却部の吸熱量Ｊ_Q の割合で定義される〔Ｃ
ＯＰ＝Ｊ_Q ／Ｐ〕。

【００４１】冷媒としてフロンガスを使用したコンプレ
ッサ式で容積が９０リットルの通常の家庭用電気冷蔵庫
において、冷蔵庫の周囲温度が３０℃の夏場の過激な条
件においては、平均で入力電力は７０．５Ｗ、吸熱量は
４２．３Ｗであるから、成績係数ＣＯＰは４２．３／７
０．５＝０．６となる。なお、冷蔵庫の周囲温度が１５
℃の冬場においては平均吸熱量は１９．９Ｗと低く夏場
の半分以下であり、入力電力も少なくてよいから、過激
な条件である夏場のＣＯＰ＝０．６以上を目標にすれば
よい。

【００４２】従ってこの電子冷却装置において成績係数
ＣＯＰが０．６以上あれば、フロンガス使用のコンプレ
ッサ式電気冷蔵庫の代替冷却システムとして使用するこ
とが可能である。またこの代替冷却システムにより、フ
ロンレスが可能になるとともに、冷蔵庫の小型、軽量、
低騒音などが図れるという特長を有している。

【００４３】この成績係数ＣＯＰを０．６以上に高める
ために本発明者らは種々検討した結果、下記の要素が大
きく影響することを解明した。

【００４４】．Ｐ型，Ｎ型半導体の平均性能指数Ｚ、
．その半導体の平均厚さｔ、．半導体の断面積１ｃ
ｍ² 当たりの吸熱側における内側熱導体の熱コンダクタ
ンスＫ_CP、．半導体の断面積１ｃｍ² 当たりの吸熱側
における外側熱導体の熱コンダクタンスＫ_C 、．半導
体の断面積１ｃｍ² 当たりの放熱側における内側熱導体
の熱コンダクタンスＫ_HP、．半導体の断面積１ｃｍ²
当たりの放熱側における外側熱導体の熱コンダクタンス
Ｋ_H 、これら要素のうちまず、半導体の平均性能指数Ｚ
について説明する。現在量産されている半導体の平均性
能指数Ｚは２．５×１０^-3（／Ｋ）以下である。現在の
ものよりも高い平均性能指数Ｚを有する半導体を得る方
法として、プラズマ焼結法、等方等圧圧縮法、ゾーンメ
ルト法などが好適であり、これらの方法で製造すること
により半導体の平均性能指数Ｚは２．７×１０^-3（／
Ｋ）以上、例えば２．７〜３．５×１０^-3（／Ｋ）とな
り、これらの方法によって製造された半導体が本発明で
使用される。この半導体の具体的な製造例については、
後で詳細に説明する。

【００４５】半導体の平均厚さｔについては、後述のよ
うにＺ、Ｋ_CP、Ｋ_C 、Ｋ_HP、Ｋ_H の関係から、厚さｔが
０．０８ｃｍ以上、例えば０．０８〜０．１５ｃｍの薄
いものと、０．０８ｃｍ未満、例えば０．０３〜０．０
８ｃｍ未満の極薄いものとに分けられる。前者のものに
おいて厚さｔの上限が０．１５ｃｍは厳密なものではな
いが、それよりも厚くなるとコスト高になり好ましくな
い。また後者のものにおいて厚さｔの下限が０．０３ｃ
ｍは厳密なものではないが、それよりも薄くなると半導
体の製造時あるいは取扱時等にクラックや欠けなどが生
じて好ましくない。

【００４６】前記Ｋ_CPならびにＫ_HPを調整する手段とし
ては、半導体素子と外側熱導体との間に介在される介在
物、例えば前述の半田層、電極、セラミック基板、シリ
コーングリースの如き熱伝導性媒体などの材質や厚みな
どの調整がある。

【００４７】前記Ｋ_C ならびにＫ_H を調整する手段とし
ては、外側熱導体、すなわち給熱あるいは放熱フィンの
材質、形状、伝熱面積、フアンによる送風量、ヒートパ
イプの使用などの調整がある。

【００４８】図２７は、Ｚ＝２．７×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_H ＝３（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_C と
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０８
ｃｍ、点線はｔ＝０．１０ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．１
５ｃｍの場合を示す。

【００４９】なお、この実験において庫内温度Ｔ_C は０
℃、庫外温度Ｔ_N は３０℃で、従って庫内外の温度差は
３０℃の過酷な条件である。この温度条件は、以下に示
す各試験においても同様である。

【００５０】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_C は３Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_C を１０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_C は３〜１０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは５〜１
０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００５１】図２８は、Ｚ＝２．７×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝３（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_H と
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０８
ｃｍ、点線はｔ＝０．１０ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．１
５ｃｍの場合を示す。

【００５２】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_H は３Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_H を１０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_H は３〜１０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは５〜１
０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００５３】図２９は、Ｚ＝２．７×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝３（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_H ＝３（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_CPと
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０８
ｃｍ、点線はｔ＝０．１０ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．１
５ｃｍの場合を示す。

【００５４】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_CPは８Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_CPを２０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_CPは８〜２０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは１０〜
２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００５５】図３０は、Ｚ＝２．７×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝３（Ｗ／℃ｃｍ² ）Ｋ_H ＝３（Ｗ／℃ｃｍ² ），
Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_HPとＣＯＰと
の関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０８ｃｍ、点
線はｔ＝０．１０ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．１５ｃｍの
場合を示す。

【００５６】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_HPは８Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_HPを２０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_HPは８〜２０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは１０〜
２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００５７】図３１は、Ｚ＝３．０×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_H ＝７（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_C と
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０３
ｃｍ、点線はｔ＝０．０５ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．０
７ｃｍの場合を示す。

【００５８】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_C は７Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_C を１０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_C は７〜１０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは５〜１
０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００５９】図３２は、Ｚ＝２．７×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝７（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_H と
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０３
ｃｍ、点線はｔ＝０．０５ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．０
７ｃｍの場合を示す。

【００６０】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_H は７Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_H を１０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_H は５〜１０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは７〜１
０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００６１】図３３は、Ｚ＝３．０×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝７（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_H ＝７（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_HP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_CPと
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０３
ｃｍ、点線はｔ＝０．０５ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．０
７ｃｍの場合を示す。

【００６２】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_CPは８Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_CPを２０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_CPは８〜２０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは１０〜
２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００６３】図３４は、Ｚ＝３．０×１０^-3（／Ｋ），
Ｋ_C ＝７（Ｗ／℃ｃｍ² ），Ｋ_H ＝７（Ｗ／℃ｃ
ｍ² ），Ｋ_CP＝８（Ｗ／℃ｃｍ² ）にした場合のＫ_HPと
ＣＯＰとの関係を示す図で、図中の実線はｔ＝０．０３
ｃｍ、点線はｔ＝０．０５ｃｍ、一点鎖線はｔ＝０．０
７ｃｍの場合を示す。

【００６４】この図から明らかなように、０．６以上の
ＣＯＰを得るためにはＫ_HPは８Ｗ／℃ｃｍ² 以上必要で
ある。なお、Ｋ_HPを２０Ｗ／℃ｃｍ² 以上に高めてもそ
の効果は殆ど変わらず、かえってコスト高を招くため、
Ｋ_HPは８〜２０Ｗ／℃ｃｍ²の範囲、好ましくは１０〜
２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲である。

【００６５】これらの図２７〜３４を総合すると、半導
体素子の厚さｔが０．０８ｃｍ以上の比較的薄いものを
使用する場合（図２７〜３０参照）と、半導体素子の厚
さｔが０．０８ｃｍ未満の極薄のものを使用する場合
（図３１〜３４参照）とに分けることができる。

【００６６】そしてｔ＝０．０８ｃｍ以上のものを使用
する場合には、Ｚを２．７×１０^-3（／Ｋ）以上、Ｋ_C
ならびにＫ_H を３〜１０Ｗ／℃ｃｍ² 、Ｋ_CPならびにＫ
_HPを８〜２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲に規制することによ
り、生産コストが安価でＣＯＰが０．６以上の電子冷却
装置を得ることができる。

【００６７】一方、ｔ＝０．０８ｃｍ未満のものを使用
する場合には、Ｚを３．０×１０^-3（／Ｋ）以上、Ｋ_C
ならびにＫ_H を７〜１０Ｗ／℃ｃｍ² 、Ｋ_CPならびにＫ
_HPを８〜２０Ｗ／℃ｃｍ² の範囲に規制することによ
り、生産コストが安価でＣＯＰが０．６以上の電子冷却
装置を得ることができる。この極薄の半導体素子を使用
する場合、それのＺが３．０未満では、Ｋ_C 、Ｋ_H 、Ｋ
_CP、Ｋ_HPを上げてもＣＯＰを０．６以上にすることは生
産性ならびに生産コストを考慮して難しいことが、他の
実験て明らかになっている。

【００６８】前述のＫ_CP、Ｋ_HPの値を８〜２０にＷ／℃
ｃｍ² に高める手段について本発明者らが種々検討した
結果、従来のようなアルミナ絶縁基板（厚さが通常の
０．６３５ｍｍではＫ_CP、Ｋ_HPの値は約３．３Ｗ／℃ｃ
ｍ² ）は使用しないで、後述のように熱伝導率の高いグ
リースなどを使用し、このグリース層を介して電極と外
側熱導体とを熱的に接続することにより、十分に達成で
きることを見出した。

【００６９】一方、Ｋ_C 、Ｋ_H の値を３〜１０にＷ／℃
ｃｍ² に高める手段について種々検討した結果、外側熱
導体を銅やアルミニウムなどの熱良導体で構成し、十分
な伝熱面積を備えたフィンに対してファンにより空気を
強制対流したり、熱輸送効率の高いヒートパイプとファ
ンを併用することにより十分に達成できることを見出し
た。

【００７０】次に本発明の具体例を図とともに説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る電子冷却装置を使用
した電子冷蔵庫の概略断面図、図２はその電子冷却装置
の拡大一部断面図、図３はその電子冷却装置の右側面
図、図４はその電子冷却装置に使用する放熱フィンの説
明図、図５はその電子冷却装置に使用する電子冷却素子
群の拡大断面図、図６はその電子冷却素子群の拡大斜視
図である。

【００７１】電子冷蔵庫は図１に示すように、発泡ウレ
タン樹脂などの断熱材からなる箱体１と、同じく断熱材
からなり前記箱体１の側部で開閉するドア部２とを備え
ている。その箱体１の上部背面の一部に、本発明の実施
例に係る電子冷却装置３が装着されている。

【００７２】この電子冷却装置３は図２に示すように、
吸熱体４と、放熱フィン６と、吸熱体４と放熱フィン６
の間に介在された電子冷却素子群５と、支持体２０と、
フアン１９から主に構成されている。

【００７３】前記吸熱体４はアルミニウムからなり、箱
体１側との接触面積を広くとるために両側にフランジ部
２１が設けられ、中央部に電子冷却素子群５を取り付け
る台形部２２が形成されている。放熱フィン６からの対
流、輻射による熱流の戻りを可及的に少なくするため、
吸熱体４は所定の高さＨを有し、前記フランジ部２１と
後述する放熱フィン６のフランジ部２７が離れている。

【００７４】図７ならびに図８に示すように、前記フラ
ンジ部２１の庫内と対向する側の面とは反対側の面には
フランジ部２１の長手方向に沿って多数のＶ溝状の小溝
２３と、その小溝２３群の外側にＵ溝状の接着剤溜め２
４とが形成されている。

【００７５】台形部２２には、それの長手方向に沿って
３対の座ぐり２５と素子取付孔２６とが所定の間隔をお
いて形成されている。

【００７６】図２に示すように、放熱フィン６側も十分
な放熱面積を確保するためにフランジ部２７が両側に設
けられ、そのフランジ部２７には多数のＶ溝状の小溝と
Ｕ溝状の接着剤溜とが形成されている（ともに図示せ
ず）。フランジ部２７のフアン１９側には多数の羽根２
９が立設されて、所定の放熱面積を有している。

【００７７】この羽根２９は図４（ｂ）に示すように所
定の形状に打ち抜いた一枚の金属板をジグザグ状に折り
曲げたもので、隣との間隔を確実に保持するために同図
（ａ）に示すようにスペーサ部２９Ａが一体に形成され
ている。

【００７８】前記電子冷却素子群５は図５ならびに図６
に示すように、所定の間隔をおいて配置された吸熱側電
極８と、その上に形成された例えばバルク状あるいは膜
状（厚膜または薄膜）のＰ形半導体層１０ならびにＮ形
半導体層１１と、このＰ形半導体層１０とＮ形半導体層
１１とを接続する放熱側電極１２とから構成されてい
る。多数のＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１１とが並
列に配置され、電気的には図６に示すように直列に接続
されている。

【００７９】このように本実施例では、アルミナセラミ
ック等からなる絶縁基板は使用されておらず、一方の面
に吸熱側電極８が、他方の面に放熱側電極１２が露呈し
ている。

【００８０】各電子冷却素子群５と吸熱体４との間、な
らびに各電子冷却素子群５と放熱フィン６との間には図
５に示すように、高熱伝導性のシリコーングリース層１
７が形成されている。

【００８１】このシリコーングリース層１７は、ベース
オイルに対して例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛など
の無機化合物もしくは銀、銅、アルミニウムなどの金属
微粉末からなるの微細状のフイラー（平均粒径１０μｍ
以下のもの）を５０重量％以上添加したものが好適であ
る。このようにフイラーを高い含率で分散、保持したシ
リコーングリース層１７の熱伝導率は６．０×１０^-3ｃ
ａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上と高く、一般のシリコーン
グリースの３×１０^-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃に比較
すると、熱伝導率が１桁以上も高い。またこのシリコー
ングリース層１７は、−５５〜２００℃までの広い温度
範囲にわたって良好な弾性と粘着性を保持している。

【００８２】前記吸熱体４ならびに放熱フィン６の少な
くとも前記電子冷却素子群５と対向する面には、アルマ
イトからなる極薄い電気絶縁層１８が形成される。

【００８３】アルマイトは通常、陽極酸化法などによっ
て形成されるが、図９に示すように電気絶縁層１８（ア
ルマイト層）の表面から深部に向けて微孔３０が無数に
形成される。このように微孔３０が無数に形成されても
電気絶縁層１８の絶縁性はほとんど低下することはない
が、微孔３０がそのままの状態で残っていると、吸熱体
４（放熱フィン６）と電子冷却素子群５との間に実質的
に空気層が形成されたことになり、そのために熱抵抗が
極端に高くなり、熱伝導性が悪い。

【００８４】そのため本実施例では、前記微孔３０に例
えば酢酸ニッケルなどの封止剤３１を浸透させて熱伝導
性を改善している。この封止剤３１によって微孔３０の
全体が埋っている方が好ましいが、封止剤３１が微孔３
０中にある程度浸透することにより、実質的に空気層が
減少して、熱伝導性の改善効果は認められる。

【００８５】図に示すように、電気絶縁層１８（アルマ
イト層）の表面に封止剤３１の被膜を形成すればシリコ
ーングリース層１７とのなじみが良好となり、さらに熱
伝導性が良くなる。

【００８６】なお、この電気絶縁層１８（アルマイト
層）の厚さは、３〜２０μｍ程度あれば電気絶縁性上十
分である。

【００８７】前記吸熱板４ならびに放熱フィン６として
銅を使用する場合、それらと電子冷却素子群５との間に
二酸化ケイ素、アルミナまたは酸化クロムなどの無機化
合物の微粒子を含んだ１０〜５０μｍ程度の薄い電気絶
縁層１８を形成すればよい。

【００８８】図３に示すように本実施例の場合、電子冷
却装置の長手方向に沿って２個の電子冷却素子群５が所
定の間隔をあけて取り付けられている。この電子冷却素
子群５は図１１に示すように、吸熱体４と放熱フィン６
との間に介在され、吸熱体４の座ぐり２５側から挿入し
た締付けネジ３２と皿バネ３３とによって挟持されてい
る。本実施例の場合、前記締付けネジ３２はガラス繊維
を５０重量％含有したポリアミド製のものを、前記皿バ
ネ３３はステンレス鋼製のものが使用されている。この
皿バネ３３と、前記吸熱体４と電子冷却素子群５との間
ならびに放熱フィン６と電子冷却素子群５との間に介在
されたシリコーングリース層１７により、電子冷却素子
群５が吸熱体４と放熱フィン６の間で弾性的に保持され
ている。

【００８９】本実施例では図１１に示すように、前記締
付けネジ３２で締め付けた後、座ぐり２５の中空部分に
シリコーングリース層１７と同じ高熱伝導性のシリコー
ングリース３４が充填されている。

【００９０】図２に示すように、吸熱体４と放熱フィン
６との間で挟持された電子冷却素子群５の周囲はシール
剤層３５で気液密にシールされている。このシール剤に
は例えばエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹
脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系などが使
用可能であり、本実施例の場合は中空状のガラス微粒子
を２０〜６５重量％（好ましくは３０〜６０重量％）均
一に分散したエポキシ系樹脂が使用される。この中空状
のガラス微粒子は２０〜１３０μｍの径を有し、壁厚は
０．５〜２μｍ、平均粒子比重は０．１〜０．４で、中
空状ガラス微粒子を含有したエポキシ系樹脂は熱伝導率
が１×１０^-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃と非常に低い。

【００９１】図２に示すように吸熱体４のフランジ部２
１と放熱フィン６のフランジ部２７との間には図１３に
示すようにハニカム構造をした、例えばはっ水処理した
紙、合成樹脂、セラミック、熱伝導率が低く設計された
金属、高強度ウレタンなどの硬質ゴム、木材などからな
る実質的に殆ど弾性をもたない剛性で熱伝導性の悪い支
持体２０が、その周壁３７の長手方向がフランジ部２１
とフランジ部２７の間を向くように介在されている。特
にパラフィン、ワックスあるいはフッ素オイルなどのは
っ水剤ではっ水処理した紙製の支持体２０は、非弾性で
十分な剛性を有し、軽量でコストが安いため賞用でき
る。

【００９２】そして前記フランジ部２１と支持体２０と
の間、フランジ部２７と支持体２０との間は接着剤３６
によって一体に連結されている。この接着剤３６として
はエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹脂、ポリ
エステル系樹脂、ゴム系などが使用可能であり、本実施
例の場合はエポキシ系樹脂が用いられている。

【００９３】前述のようにフランジ部２１、２７に多数
の小溝を形成しておけば、接着剤３６の回り込みが良好
で、接着部に十分な量の接着剤３６を保持することがで
き、支持体２０とフランジ部２１、２７との固着が確実
である。

【００９４】この支持体２０はハニカム構造のため内部
に独立した多数の空間部３８を有し、前述のようにフラ
ンジ部２１とフランジ部２７の間に介在することにより
図２に示すように、その空間部３８により多数の独立し
た空気層３９が形成されることになる。

【００９５】なお、本発明の明細書においてハニカム構
造とは、図１３に示すように平面形状が六角形の空間部
３８を有するもの以外に、例えば平面形状が三角形、四
角形、五角形などの多角形、あるいは円形や楕円形など
任意な形状の空間部を多数有し、各空間部が周壁によっ
て独立し、その周壁どうしが一体に連結した構造体を意
味している。特にこのハニカム構造により、高い剛性と
多数の独立した空間部３８（空気層３９）が同時に得ら
れるため賞用できる。

【００９６】この支持体２０は図３に示すように、電子
冷却素子群５の機械的保護を図るため、電子冷却素子群
５の両側でかつシール剤層３５の外側に固着されてい
る。

【００９７】次に本発明で使用される半導体の製造方法
について説明する。この製造方法の１つにプラズマ活性
焼結法がある。この方法は、成形したい原料粉末に直接
電圧を印加して粉体粒子間にプラズマ放電を生起せし
め、粒子表面を活性化することにより表面に付着した酸
化物層や吸着ガスを除去し、短時間に低圧力で焼結を行
う方法である。

【００９８】図１４は、プラズマ焼結装置の概略構成図
である。チャンバ４０内において、焼結用治具４１に焼
結用粉体４２を入れ、粉体４２を上部パンチ４３と下部
パンチ４４で挟み、両側から加圧装置４５により所定の
圧力を加える。

【００９９】上部パンチ４３に接続された上部パンチ電
極４６、および下部パンチ４４に接続された下部パンチ
電極４７に焼結電源４８よりパルス電流を流し、粉体４
２の粒子間にプラズマ放電を起こして焼結を行う。

【０１００】なお、仮プレスした焼結用粉末４２に金属
電極、例えば金属薄板や金属粉末層を重ねて焼結用治具
４１に入れ、半導体の焼結と同時に金属電極を一体成形
することも可能である。

【０１０１】加圧装置４５および焼結電源４８は、焼結
用粉末４２に加える圧力およびパルス電流を制御する制
御装置４９に接続されており、またこの制御装置４９
は、位置計測装置５０、雰囲気制御装置５１、水冷却装
置５２、温度計測装置５３などに接続されている。

【０１０２】焼結用粉末４２として例えば（Ｂｉ・Ｓ
ｂ）₂ （Ｔｅ・Ｓｅ）₃ を使用した場合の焼結条件とし
ては、減圧のアルゴン雰囲気中で、圧力は２５０ｋｇ／
ｃｍ²、焼結温度は２５０〜４００℃が適当である。

【０１０３】本発明で使用される半導体の他の製造方法
として等方等圧圧縮法がある。この方法は図１５に示す
ように半導体の粉末材料８０をゴムなどのフレキシブル
な型８１内に充填し、これを加圧容器内の加圧媒体８２
中に浸漬する。前記加圧容器は円筒体８３と下蓋８４と
上蓋８５とから構成され、内部に例えばポリプロピレン
グリコールと水との混合物からなる加圧媒体８２が注入
されており、この加圧媒体８２によって前記粉末材料８
０が等方でかつ等圧に圧縮形成される。この加圧媒体８
２を使用する方法は湿式法であるが、粉末材料をフレキ
シブルな型に充填し、その型を直接加圧容器内に装着し
て等方等圧圧縮する乾式法も適用可能である。

【０１０４】図１６は本発明の第２実施例に係る電子冷
却装置の概略構成図、図１７はそれに用いるフィンの斜
視図である。

【０１０５】図１６に示されているように電子冷却素子
群５の片面（上面）に、ベース板６０の上に無数のピン
フィン６１を設けた吸熱側フィン６２が接合され、電子
冷却素子群５の他の片面（下面）に、ベース板６０の上
に無数のピンフィン６１を設けた放熱側フィン６３が接
合されている。電子冷却素子群５は前記第１実施例と同
じ構成になっており、電子冷却素子群５とベース板６０
の間には前述と同様のシリコングリースが介在されてい
る（図示せず）。

【０１０６】吸熱側フィン６２は吸熱側ダクト６４Ａに
覆われ、吸熱側フアン６５Ａによって吸熱側フィン６２
の軸方向に沿って空気が強制的に送られるようになって
いる。一方、放熱側フィン６３は放熱側ダクト６４Ｂに
覆われ、放熱側フアン６５Ｂによって放熱側フィン６２
の周囲空気が強制的に吸引されるようになっている。

【０１０７】ピンフィン６１のピン径は０．３〜０．５
ｍｍ，ピッチは０．９〜２．５ｍｍ，ピンの高さは５〜
２０ｍｍのものが使用可能で、これらの組合せによって
所望の伝熱面積が得られる。

【０１０８】図１８は、本発明の第３実施例に係る電子
冷却装置に用いられるフィンの斜視図である。この例の
場合は、ベース板６０上にループ型の細管ヒートパイプ
６６が取り付けられ、このヒートパイプ６６内に封入さ
れている作動媒体（例えばアルコールなどの易揮発性液
体）の蒸発と凝縮によって迅速に熱の移動がなされる。
このヒートパイプ６６を使用したときの熱抵抗値は、冷
却風速が２ｍ／ｓで、熱入力が５０Ｗの場合、０．８℃
／Ｗ以下である。

【０１０９】図１９は、本発明の第４実施例に係る電子
冷却装置に用いられるフィンの斜視図である。この例の
場合は、ベース板６０上に円弧状の小片羽根６７が所定
のピッチで数列並べてある。

【０１１０】図１８ならびに図１９において矢印Ｘは送
風方向を示している。図１９の例では各小片羽根６７が
送風方向Ｘに沿って一列に並んでいるが、各小片羽根６
７を送風方向Ｘに沿って千鳥状に配置することもでき
る。図２０は図１９に示すフィンの前面風速と空気側熱
伝達率との関係を示す特性図、図２１は同フィンの前面
風速と熱抵抗との関係を示す特性図であり、熱伝達特性
が優れていることが分かる。

【０１１１】図２２ならびに図２３は、本発明の第５実
施例に係る電子冷却装置の断面図ならびに側面図であ
る。図２２に示すように電子冷却装置３はヒートパイプ
の板状受熱部７０にシリコーングリース（図示せず）を
介して取り付けられている。受熱部７０にはヒートパイ
プの蒸発側連絡管７１ａと凝縮側側連絡管７１ｂとが接
続されており、連絡管７１ａ，７１ｂの他端は斜めに配
置されたヒートパイプのフィン付き放熱部７２に接続さ
れている。内部にウィックを形成したヒートパイプ中に
は例えばアルコールなどの易揮発性の作動媒体が封入さ
れ、作動媒体の蒸発と凝縮を繰り返すことにより、電子
冷却装置３からの熱を吸収して放散することができる。

【０１１２】受熱部７０ならびに放熱部７２などはダク
ト７３に覆われ、ダクト７３の下部には冷却ブロワ７４
が配置され、空気を矢印Ｘ方向に送風している。なお、
７５は電子冷却装置３の吸熱側に向けて送風する庫内フ
ァンである。

【０１１３】前記ヒートパイプとしてフレキシブルなも
のを用いれば、電子冷却装置３に加わる衝撃、振動を軽
減することができる。

【０１１４】

【効果】前述のように第１ならびに第２の本発明では、
半導体の厚さ別に半導体の平均性能指数（Ｚ）、各熱導
体の熱コンダクタンス（Ｋ_{C P} ），（Ｋ_C ），
（Ｋ_{H P}），（Ｋ_H ）を特定の範囲に規制することによ
り、コストパフォーマンスを低くすることなく、成績係
数ＣＯＰを０．６以上確保することができる。

【０１１５】このようにＣＯＰを０．６以上確保するこ
とにより、コンプレッサ式電気冷蔵庫に代替えできる電
子冷蔵庫用の電子冷却装置が提供できる。

【０１１６】また第３の本発明では、平均性能指数
（Ｚ）の高い半導体を生産性よく製造することができ
る。

【０１１７】さらに第４の本発明では、ＣＯＰを０．６
以上確保することにより、コンプレッサ式電気冷蔵庫の
代替電子冷蔵庫が得られ、そのために冷蔵庫の小型、軽
量、低騒音が図れるなどの特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る電子冷却装置を使用
した電子冷蔵庫の概略断面図である。

【図２】その電子冷却装置の拡大一部断面図である。

【図３】その電子冷却装置の右側面図である。

【図４】その電子冷却装置に使用する放熱フィンの説明
図である。

【図５】その電子冷却装置に使用する電子冷却素子群の
拡大断面図である。

【図６】その電子冷却素子群の拡大斜視図である。

【図７】その電子冷却装置に使用する吸熱体の平面図で
ある。

【図８】その電子冷却装置に使用する吸熱体の断面図で
ある。

【図９】アルマイト表面の状態を示す拡大断面図であ
る。

【図１０】アルマイト表面の封孔処理の状態を示す拡大
断面図である。

【図１１】電子冷却素子群の取り付け構造を示す一部断
面図である。

【図１２】皿ばねの拡大断面図である。

【図１３】支持体の一部斜視図である。

【図１４】プラズマ焼結装置の概略構成図である。

【図１５】等方等圧圧縮装置の概略構成図である。

【図１６】本発明の第２実施例に係る電子冷却装置の概
略構成図である。

【図１７】その電子冷却装置に用いるピンフィンの斜視
図である。

【図１８】本発明の第３実施例に係る電子冷却装置に用
いるヒートパイプフィンの斜視図である。

【図１９】本発明の第４実施例に係る電子冷却装置に用
いるフィンの斜視図である。

【図２０】そのフィンの前面風速と空気側熱伝達率との
関係を示す特性図である。

【図２１】そのフィンの前面風速と熱抵抗との関係を示
す特性図である。

【図２２】本発明の第５実施例に係る電子冷却装置の断
面図である。

【図２３】その電子冷却装置の左側面図である。

【図２４】電子冷却装置の単純化モデルの説明図であ
る。

【図２５】シュミレーションと実測の温度分布を比較し
て示す特性図である。

【図２６】本発明に係る電子冷却装置のモデルの説明図
である。

【図２７】Ｋ_C とＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図２８】Ｋ_H とＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図２９】Ｋ_CPとＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３０】Ｋ_HPとＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３１】Ｋ_C とＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３２】Ｋ_H とＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３３】Ｋ_CPとＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３４】Ｋ_HPとＣＯＰとの関係を示す特性図である。

【図３５】従来の電子冷却装置の一部拡大断面図であ
る。

【図３６】各種冷却装置の温度差と成績係数との関係を
示す特性図である。

【符合の説明】

３ 電子冷却装置 ４ 吸熱体 ５ 電子冷却素子群 ６ 放熱フィン ８ 吸熱側電極 １０ Ｐ型半導体層 １１ Ｎ型半導体層 １２ 放熱側電極 １７ シリコングリース層 １８ 電気絶縁層 １９ ファン ２９ 羽根 ３０ 微孔 ３１ 封止剤 ６１ ピンフィン ６２ 吸熱側フィン ６３ 放熱側フィン ６５ 吸熱側フアン ６６ ヒートパイプ ６７ 円弧状小片羽根 ７０ 受熱部 ７２ 放熱部 ７４ 冷却ブロワ ７５ 庫内フアン ＫＣＰ 吸熱側の内側熱導体 ＫＣ 吸熱側の外側熱導体 ＫＨＰ 放熱側の内側熱導体 ＫＨ 放熱側の外側熱導体 Ｚ 半導体の平均性能指数 ｔ 半導体の平均厚さ Ｋ_CP 内側熱導体ＫＣＰの熱コンダクタンス Ｋ_C 内側熱導体ＫＣの熱コンダクタンス Ｋ_HP 内側熱導体ＫＨＰの熱コンダクタンス Ｋ_H 内側熱導体ＫＨの熱コンダクタンス ＣＯＰ 成績係数

フロントページの続き (72)発明者 大澤 敦 神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地 ７号 株式会社サーモボニック内 (72)発明者 手塚 弘房 神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地 ７号 株式会社サーモボニック内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/32 F25B 21/02 F25D 11/00

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数並設されたＰ型半導体層ならびにＮ
   型半導体層と、 それら半導体層の吸熱側の外側に配置された吸熱側電極
   を含む内側熱導体（ＫＣＰ）と、 その内側熱導体（ＫＣＰ）の外側に配置された外側熱導
   体（ＫＣ）と、 前記半導体層の放熱側の外側に配置された放熱側電極を
   含む内側熱導体（ＫＨＰ）と、 その内側熱導体（ＫＨＰ）の外側に配置された外側熱導
   体（ＫＨ）とを備えて、前記吸熱側電極と放熱側電極に
   よって前記Ｐ型半導体層とＮ型半導体層がそれぞれ電気
   的に直列に接続された電子冷蔵庫用電子冷却装置におい
   て、 平均厚さｔが０．０８ｃｍ以上のＰ型半導体層とＮ型半
   導体層を使用し、 前記Ｐ型半導体とＮ型半導体の平均性能指数（Ｚ）を
   ２．７×１０^-3（／Ｋ）以上、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＣ
   Ｐ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{C P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃ
   ｍ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体（Ｋ
   Ｃ）の熱コンダクタンス（Ｋ_C ）を３〜１０Ｗ／℃ｃｍ
   ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＨ
   Ｐ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{H P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃ
   ｍ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体（Ｋ
   Ｈ）の熱コンダクタンス（Ｋ_H ）を３〜１０Ｗ／℃ｃｍ
   ² の範囲に、それぞれ規制することにより、 入力電力Ｐに対する吸熱量Ｊ_Q の割合（Ｊ_Q ／Ｐ）で定
   義される成績係数ＣＯＰが０．６以上であることを特徴
   とする電子冷蔵庫用電子冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、前記Ｐ型半導体
   層とＮ型半導体層の平均厚さｔが０．０８〜０．１５ｃ
   ｍで、 かつ前記Ｐ型半導体とＮ型半導体の平均性能指数（Ｚ）
   が２．７×１０^-3〜３．５×１０^-3（／Ｋ）の範囲に規
   制されていることを特徴とする電子冷蔵庫用電子冷却装
   置。
3. 【請求項３】 多数並設されたＰ型半導体層ならびにＮ
   型半導体層と、 それら半導体層の吸熱側の外側に配置された吸熱側電極
   を含む内側熱導体（ＫＣＰ）と、 その内側熱導体（ＫＣＰ）の外側に配置された外側熱導
   体（ＫＣ）と、 前記半導体層の放熱側の外側に配置された放熱側電極を
   含む内側熱導体（ＫＨＰ）と、 その内側熱導体（ＫＨＰ）の外側に配置された外側熱導
   体（ＫＨ）とを備えて、前記吸熱側電極と放熱側電極に
   よって前記Ｐ型半導体層とＮ型半導体層がそれぞれ電気
   的に直列に接続された電子冷蔵庫用電子冷却装置におい
   て、 平均厚さｔが０．０８ｃｍ未満のＰ型半導体層とＮ型半
   導体層を使用し、 前記Ｐ型半導体とＮ型半導体の平均性能指数（Ｚ）を
   ３．０×１０^-3（／Ｋ）以上、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＣ
   Ｐ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{C P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃ
   ｍ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体（Ｋ
   Ｃ）の熱コンダクタンス（Ｋ_C ）を７〜１０Ｗ／℃ｃｍ
   ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの内側熱導体（ＫＨ
   Ｐ）の熱コンダクタンス（Ｋ_{H P} ）を８〜２０Ｗ／℃ｃ
   ｍ² の範囲、 前記半導体層の断面積１ｃｍ² 当りの外側熱導体（Ｋ
   Ｈ）の熱コンダクタンス（Ｋ_H ）を７〜１０Ｗ／℃ｃｍ
   ² の範囲に、それぞれ規制することにより、 入力電力Ｐに対する吸熱量Ｊ_Q の割合（Ｊ_Q ／Ｐ）で定
   義される成績係数ＣＯＰが０．６以上であることを特徴
   とする電子冷蔵庫用電子冷却装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載において、前記Ｐ型半導体
   層とＮ型半導体層の平均厚さｔが０．０３〜０．０８ｃ
   ｍ未満で、 かつ前記Ｐ型半導体とＮ型半導体の平均性能指数（Ｚ）
   が３．０×１０^-3〜３．５×１０^-3（／Ｋ）の範囲に規
   制されていることを特徴とする電子冷蔵庫用電子冷却装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４記載のいずれかにおい
   て、前記内側熱導体（ＫＣＰ）ならびに内側熱導体（Ｋ
   ＨＰ）が、前記半導体層を接続する電極と、その電極の
   前記外側熱導体（ＫＣ）ならびに外側熱導体（ＫＨ）の
   間に介在されたフィラー含有のシリコングリース層とか
   ら主に構成されていることを特徴とする電子冷蔵庫用電
   子冷却装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載において、前記外側熱導体
   （ＫＣ）ならびに外側熱導体（ＫＨ）のシリコングリー
   ス層と対向する面に薄い電気絶縁層が形成されているこ
   とを特徴とする電子冷蔵庫用電子冷却装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載において、前記外側熱導体
   （ＫＣ）ならびに外側熱導体（ＫＨ）がフィンを有し、
   そのフィンに対して強制的に送風するフアンが設けられ
   ていることを特徴とする電子冷蔵庫用電子冷却装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載において、前記フィンがヒ
   ートパイプフィンであることを特徴とする電子冷蔵庫用
   電子冷却装置。
9. 【請求項９】 請求項１記載において、前記外側熱導体
   （ＫＨ）がヒートパイプで構成され、そのヒートパイプ
   の放熱部に対して強制的に送風するフアンが設けられて
   いることを特徴とする電子冷蔵庫用電子冷却装置。
10. 【請求項１０】 請求項１または請求項３記載の電子冷
    蔵庫用電子冷却装置に用いる半導体の製造方法におい
    て、 その半導体原料粉末に所定の電圧を印加して粉体粒子間
    にプラズマ放電を生起せしめ、粒子表面を活性化するこ
    とにより粒子表面に付着している酸化物や吸着ガスを除
    去しながら焼結することを特徴とする電子冷却装置用半
    導体の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１または請求項３記載の電子冷
    却装置を用いる電子冷蔵庫において、 前記内側熱導体（ＫＣＰ）と外側熱導体（ＫＣ）が庫内
    に配置され、 前記内側熱導体（ＫＨＰ）と外側熱導体（ＫＨ）が庫外
    に配置されて、 少なくとも外側熱導体（ＫＨ）に対して強制的に送風す
    るフアンが設けられていることを特徴とする電子冷蔵
    庫。