JP4669395B2 - ペルチェ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ素子及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とを交互に配置して隣り合う端部同士を交互に電極で直列接合した熱電変換体を少なくとも一対有し、ペルチェ効果による冷却作用を有するペルチェ素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電変換体である熱電変換基板を複数段重ねた上述の如きペルチェ素子としては、次の特許文献１、２に記載のものが知られている。同特許文献によれば、セラミック製熱伝達板を介して複数の熱電変換基板を重ねている。
【特許文献１】
特開平８−２３６８２０号
【特許文献２】
特開平１０−３０３４７３号
【０００３】
特許文献１では、熱電変換基板の大きさを統一して各段に配置される半導体数を同一にしている。そして、吸熱側段から放熱側段に至るまでの電流量を整数倍で順次大きくすることにより、吸熱効率の向上を図っている。しかし、電流量を順次大きくするために各段毎に熱電変換基板のパターンを異ならせねばならず、設計・製造が煩雑であった。
【０００４】
特許文献２では、複数段の熱電変換基板を重ねるために、各段の半田の融点を変更しており、各層形成の確実性を高めるために製造が煩雑となっていた。
【０００５】
そして、いずれの文献記載の技術においても、積層時の加熱変形を抑制する必要がある。また、中間基板は両側に位置する熱電変換基板の受熱面と放熱面とに対峙するため、温度差に起因する熱歪みによるストレスにも耐えねばならない。したがって、これらの不都合を解消するために、セラミック製熱伝達板には堅牢性が求められ、その結果、各熱電変換基板間に介在する熱伝達板の熱抵抗が増大し、冷却効率が低下する不都合があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、製造が容易で冷却効率の高いペルチェ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係るペルチェ素子の特徴は、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とを交互に配置して隣り合う端部同士を交互に電極で直列接合した熱電変換体を少なくとも一対有する構成であって、前記一対の熱電変換体を、前記電極に平行な面について形状が互いに対称的となり吸熱面と発熱面とが対向するように形成し、繊維にシリコーン系接着材を塗布した絶縁シートを挟んで前記各電極を対峙させ、さらに前記接着材を乾燥させて前記対峙する電極を固着したことにある。
【０００８】
同構成により、中間基板は不要となって、熱電変換体を構成する電極を各層で大幅に異ならせる必要がなくて容易に製造可能となった。また、対峙する電極間に介在する絶縁シートは、これら電極を絶縁及び接合すればよいので、非常に薄くてすみ、その結果熱抵抗も低減することができる。しかも、二枚の熱電変換体の接合部に生じる熱ストレスを繊維で補強された接着材がその弾性により吸収するので、熱歪みの問題も解消される。
【０００９】
上記構成において、前記絶縁シートの厚みが０．２ｍｍ以下であることが望ましい。さらに、前記繊維がガラス繊維であり、前記シリコーン系接着材がシリコーンワニスであってもよい。
【００１０】
また、前記一対の熱電変換体は電源に対して並列接合も直列接合も可能である。前記一対の熱電変換体に各々独立した電圧印加用端子を設けた場合には、各々の熱電変換体に電圧を印加でき、高い自由度で設計をすることができる。直列接合する場合には、これら熱電変換体の抵抗値を異ならせるとよい。例えば、片方の熱電変換体の抵抗値を他方よりも小さくすることにより、他方の熱電変換体に印加される電圧が大きくなる。その結果として、最大吸熱量及び最大温度差が変化することになり、製造段階での用途に応じたペルチェ素子の設計が容易なものとなる。実験によれば、前記抵抗値は０．２オーム以上異ならせることが望ましく、後述する本発明の実施形態では、０．３オーム異ならせている。
本発明の実施形態では、前記絶縁シートに対峙する電極とは反対側の電極が絶縁基板上に形成されている。
【００１１】
前記熱電変換体の絶縁基材に挟まれた各半導体素子及び前記電極の外周を前記絶縁シートと同様のシートで覆うことにより絶縁防湿層を構成してもよい。
【００１２】
一方、上記特徴のいずれかに記載のペルチェ素子の製造方法は、前記一対の熱電変換体を作成し、繊維にシリコーン系接着材を塗布した絶縁シートを挟んで前記各電極を対峙させて接合し、前記シリコーン系接着材を乾燥させて対峙する電極を固着することにある。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明に係るペルチェ素子及びその製造方法の特徴によれば、各熱電変換基板間に介在するセラミック製熱伝達板を排除することで熱抵抗を低下させて冷却効率を向上させることが可能となった。また、絶縁シートを用いることで、繊維により絶縁を確実にしつつ接合工程を容易として製造効率を向上させ、繊維で補強された接着材で熱変形を吸収して素子の耐久性を向上させ得るに至った。
【００１４】
しかも、面対称的に形成されたほぼ同一形状の熱電変換体を電気的に独立して積層させることができるので、使用者の用途に応じた設計を行う自由度が増大した。そして、積層される２段の熱電変換体の抵抗値の値を異ならせること等で、各熱電変換体の特性を調整し、ペルチェ素子全体として吸熱側と発熱側との温度差の最大化を図る等の設計も可能となった。
【００１５】
加えて、一対の熱電変換体の間からセラミック製熱伝導板を排除し薄膜の絶縁シートを挿入したことにより、各々の熱電変換体の吸熱面と放熱面の温度差が低減した。そして、この温度差の低減により、ペルチェ効果の反作用として出現するゼーベック効果の低減を通じて印加電力に対する電熱変換効率を向上させることに成功し、例えば、一段のペルチェ素子の凡そ半分の消費電力で同等の温度差を得ることができるようになった。
【００１６】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の「発明を実施するための最良の形態」の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
［図１］本発明に係るペルチェ素子の側面図である。
［図２］図１のペルチェ素子に用いられる熱電変換体の側面図である。
【図３】図１のペルチェ素子の分解斜視図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係るペルチェ素子の側面図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係るペルチェ素子の側面図である。
【図６】本発明の第四実施形態に係るペルチェ素子の側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、図１〜３を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
ペルチェ素子１は、図２に示す如き熱電変換体２（２ａ）が図１の如く複数重ねられて構成される。各熱電変換体２は、交互に配置したＰ型半導体素子４とＮ型半導体素子５との隣り合う端部同士を交互に電極６で直列接合してなる。本実施形態では、セラミック基材よりなる絶縁基材７上に銅等で形成された電極６ｂと、同じく銅等の単一体の金属よりなる電極６ａとが接合部材に用いられている。換言すると、絶縁シート３に対峙する電極６ａ、６ａとは反対側の電極６ｂ、６ｂが絶縁基板７上に形成されていることとなる。
【００１９】
各熱電変換体２の始端と終端とに位置する電極６ｂ、６ｂにそれぞれ電圧印加用の端子８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを半田付けにより固定してある。これら端子８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは独立しているので、直列にも並列にも電気的に接続可能であり、同一の熱電変換基板から二種の異なる特性の二段式ペルチェ素子が容易に生産できる。さらには、個別に異なる電圧を印加することも可能であり、使用者における設計の自由度を確保することに成功した。そして、端子の接続形態を様々に異ならせられるので、設計の自由度を向上させることに成功した。
【００２０】
一対の熱電変換体２ａ，２ｂは、それぞれが電極６（６ａ）に平行な面について形状が互いに対称的となるように形成してある。ここで、対峙する電極６ａ、６ａはいずれも積層方向視で方形に形成されている。本明細書で「電極６ａ、６ａが対峙」するとは、「積層方向視で電極６ａ、６ａがほぼ重なりあうこと」をいうものとする。そして、一対の熱電変換体２ａ，２ｂは、上記平行な面について形状が互いに対称的となるように形成されているから、一対の熱電変換体２ａ，２ｂの伝熱は最も効率がよいものとなる。
一対の熱電変換体２ａ，２ｂの間には、繊維３ａに接着材３ｂを塗布した絶縁シート３を挟んで前記各電極を対峙させて固着してある。繊維３ａは、対峙する各金属電極間の夫々に介在して、少なくとも各電極６ａ，６ａが直接接触を避け得るように配置されることが望ましい。ここで、繊維としては、繊維を縦横に配置した織物や繊維をランダムに配置した不織布の他、繊維を一方向に配向したものも含まれ、換言すれば布と言い得る。但し、引っ張り、圧縮変化に耐えるには、繊維が各電極６ａの平面に沿う二方向以上に向かって配向されるものが望ましい。本実施形態では、繊維３ａとして、絶縁体であるガラス繊維を用いたガラス布を用いている。また、例えば接着材としては、シリコーン系等の無機系の接着材、例えばシリコーンゴムやシリコーンワニスを用いることができる。絶縁シートは全体として絶縁できればよいが、本実施形態では繊維３ａ及び接着材３ｂの双方とも絶縁性の素材を用いている。絶縁シートの厚みは０．３ｍｍ以下、望ましくは０．２ｍｍ以下である。
【００２１】
上述の如きペルチェ素子の製造にあっては、一対の熱電変換体２ａ，２ｂを作成する。そして、絶縁シート３を挟んで各電極６ａ，６ａを対峙させて接合した後、接着材３ｂを乾燥させて対峙する電極６ａ，６ａを固着することによりベルチェ素子１が完成する。
【００２２】
使用に際しては、例えば下側の熱電変換体２ａの右端子８Ａをプラス、他方端子８Ｂをマイナスに接続する。また、上側の熱電変換体２ｂの右端子８Ｃをプラス、他方端子８Ｄをマイナスに接続する。これにより、図１において、各熱電変換体２ａ、２ｂの上面Ｆ１，Ｆ１は吸熱側、下面Ｆ２，Ｆ２は放熱側となり、ペルチェ素子１の上側から矢印Ｈ１に示すように吸熱がなされ、同素子１の下側から矢印Ｈ２に示すように放熱がなされる。但し、これら端子８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは独立しているので、これに限らず様々なバリエーションを実現できる。
【００２３】
次に、本発明に係る第二実施形態を図４を参考にして説明する。本実施例では電気抵抗値が１，８Ωの下側熱電変換体２ａと、同一の個数の半導体からなる同一形状ではあるがＰ型半導体素子４とＮ型半導体素子５が逆に配列された電気抵抗値が１，５Ωの熱電変換体２ｃとを上述の手順で積層する。そして両熱電変換体２ａ、２ｃの左端に外部接続用端子８Ｅ，８Ｆを設ける一方、他方の左端同士を連結用の端子８Ｇで結び、直列接続した例である。
【００２４】
係る構成により、上側端子８Ｆをプラス電極に、下側端子８Ｅをマイナス電極に接続した場合には、上側熱電変換体２ｃの電圧及び消費電力量は、下側熱電変換体２ａより小さくなり吸熱量も低下するように見える。しかし、下側熱電変換体２ａからより大きな吸熱があるために、上側熱電変換体２ｃ自体の吸熱面Ｆ１と発熱面Ｆ２との温度差が小さくなり、温度差の最大値を増大する。プラス電極とマイナス電極を反転した場合には、温度差の最大値は前記に比較して減少傾向となるが、最大吸熱量は増大する傾向となり最大吸熱量及び温度差の最大値は抵抗値の差を調整することで決定することができる。
【００２５】
図５に示す本発明の第三実施形態では、実施形態２に記載のペルチェ素子１における熱電変換体２の絶縁基材７，７に挟まれた半導体４，５及び電極６の外周を囲うように、上述の絶縁シートと同じものを配置する。そしてこのシートを乾燥固着することにより、絶縁防湿層１０を構成する。このように構成することで、絶縁防湿のためにシリコーンＲＴＶゴムなどで形成していた厚みのある絶縁防湿膜を薄膜に形成できるため、各セラミック基材に絶縁防湿膜を介して伝播していた熱量を軽減でき、更には機械的強度を補強することが可能となる。
【００２６】
図６に示す本発明の第四実施形態では、実施形態２に記載のペルチェ素子１に対し、さらに付加的な熱電変換体２ｄが加わり、３層となっている。下熱電変換体２ｄと中間熱電変換体２ｅとの間、中間熱電変換体２ｅと上熱電変換体２ｆとの間にそれぞれ絶縁シート３が挿入され、絶縁シート挿入部の電極６ａ，６ａに平行な平面を介して各熱電変換体２ｄ，２ｅ，２ｆは面対称形状として形成されている。下熱電変換体２ｄと上熱電変換体２ｆとにはそれぞれ外部接続端子８Ｈ，８Ｉが固着されている。また、隣接する各熱電変換体間は直列端子８Ｊ，８Ｋにより接続されている。一例を挙げれば、上接続端子８Ｉをプラス電極、下接続端子８Ｈをマイナス電極に接続すると、各熱電変換体２ｄ，２ｅ，２ｆの上面Ｆ１が吸熱面、下面Ｆ２が放熱面となる。
【００２７】
これら上述の各実施形態は相互に組み合わせることが可能である。また、各実施形態における数値や材料はそれらに限定されるものではなく、一例に過ぎず適宜改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、熱電変換体を少なくとも一対有するペルチェ素子として利用でき、熱電変換体をさらに複数段設けた多段ペルチェ素子として利用することもできる。

Claims (10)

1. Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とを交互に配置して隣り合う端部同士を交互に電極で直列接合した熱電変換体を少なくとも一対有するペルチェ素子であって、前記一対の熱電変換体を、前記電極に平行な面について形状が互いに対称的となるように形成し、繊維にシリコーン系接着材を塗布した絶縁シートを挟んで前記各電極を対峙させ、さらに前記接着材を乾燥させて前記対峙する電極を固着してあるペルチェ素子。
2. 前記絶縁シートの厚みが０．２ｍｍ以下である請求項１記載のペルチェ素子。
3. 前記シリコーン系接着材がシリコーンワニスである請求項１記載のペルチェ素子。
4. 前記繊維がガラス繊維である請求項１記載のペルチェ素子。
5. 前記一対の熱電変換体に各々独立した電圧印加用端子を設けてある請求項１記載のペルチェ素子。
6. 前記一対の熱電変換体を直列接合し、これら熱電変換体の抵抗値を異ならせてある請求項１記載のペルチェ素子。
7. 前記抵抗値が０．２オーム以上異ならせてある請求項６記載のペルチェ素子。
8. 前記絶縁シートに対峙する電極とは反対側の電極が絶縁基板上に形成されたものである請求項１記載のペルチェ素子。
9. 前記熱電変換体の絶縁基材に挟まれた各半導体素子及び前記電極の外周を前記絶縁シートと同様のシートで覆うことにより絶縁防湿層を構成してある請求項１記載のペルチェ素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のペルチェ素子の製造方法であって、前記一対の熱電変換体を作成し、繊維にシリコーン系接着材を塗布した絶縁シートを挟んで前記各電極を対峙させて接合し、前記シリコーン系接着材を乾燥させて対峙する電極を固着するペルチェ素子の製造方法。

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