JP4927822B2 - 成形可能なペルチェ伝熱素子および同素子製造方法 - Google Patents

Description

本願は、本願に援用した２００６年４月２８日出願の先に出願された仮特許出願シリアル番号第６０／６７５７８６号に関連し、その優先権を主張する。
本発明は一般に、熱管理のために熱を伝達または放散するのに使用する素子に関する。更に、本発明は、そういった素子を用いてコンピュータ・システム内のものなどのパーツおよび部品を冷却して、それらパーツが経時的に故障しないようにすることに関する。本発明は、具体的には、これらの目的のための固体伝熱素子に関する。

先行技術では、物体冷却用などの熱管理に使用できる多数の異なる種類の素子が存在する。これらの素子は、例えば、コンピュータ環境内の熱管理において特定の用途を有する。典型的な熱の解決策には、熱を持って動作するパーツを冷却するためのフィン付きのヒート・シンクおよび機械式ファンがある。しかし、これらの解決策は高価で、非効率的であることもある。

種々の用途のための熱源として使用される素子の必要性もある。例えば、自動車の座席を加熱するためまたは動作をよくするために機械部品の温度を上げるために、ホット・プレートが使用され得る。これらの解決策は、典型的には、熱湯が中に入ったコイルまたは電気が流れるときに熱くなる抵抗性ワイヤ線であった。しかし、これらの方法は高価であり、効率が悪い。

先行技術では、ペルチェ効果を利用する材料を用いることによって、上記の熱の機械的解決策に代わるものとして固体代替品を提供しようと試みられてきた。ペルチェ効果とは、電圧から熱差が生じることである。更に具体的には、ペルチェ効果はペルチェ接合として知られている２つの接合点で相互に連結された異なる２つの金属または半導体、例えばｎ型およびｐ型材料に電流が流れるときに発生する。この電流が一方の接合点から他方の接合点へ熱を移動させ、ここでは一方の接合点は冷たくなり、他方の接合点は熱くなる。

図１の先行技術の回路図を参照すると、電流Ｉを回路に流すと、熱は上方の接合点（Ｔ_２）で発せられ、下方の接合点（Ｔ_１）で吸収される。単位時間当たりに下方の接合点により吸収されるペルチェ熱

は

に等しい。

式中、Πは熱電対全体のペルチェ係数Π_ＡＢであり、Π_ＡおよびΠ_Ｂは各材料の係数である。ｐ型シリコンは典型的には、典型的には約５５０Ｋ以下である正のペルチェ係数を有し、ｎ型シリコンは典型的には負である。

このペルチェ効果では、導体は、一方のコネクタでエネルギーを吸収させ、他方のコネクタでそのエネルギーを放出することによって電流が印加される前に存在した電子平衡に戻ろうとする。ペルチェ効果を増強するために、個々の結合は直列で連結され得る。伝熱方向は電流の極性によって制御され、この極性を反転させると伝熱方向は変わり、しがって、熱の吸収／発生の符号が変わる。

先行技術では、冷却および加熱目的でペルチェ効果を用いる試みがなされてきた。例えば、ペルチェ・クーラー／ヒーターまたは熱電ヒート・ポンプが周知であり、これらは素子の一方の側から他方側へ熱を伝達する固体能動ヒート・ポンプである。ペルチェ・クーラーはＴＥＣ（熱電変換器）とも呼ばれる。これら先行技術の固体ペルチェ素子は構成が板状であり、典型的には、Ｐ型材料およびＮ型材料の交互配列を含む。

例えば、図２に示す熱電モジュール１０はそのような先行技術のペルチェ素子の１例であり、この図では説明のために１つのＰ−Ｎ接合のみが示されている。典型的な熱電モジュール１０は、２つの薄いセラミック・ウエハ２２、２４を用いて、ビスマス・テルル・ドープ材料などの一連のＮ型半導体材料１２およびＰ型半導体材料１４がこれらのウエハの間に挟んだ状態で製造される。電源３２から電流を運ぶために、電気接点３０も設けられる。この電熱素子の両側にあるセラミック材料２２、２４が剛性を与え、ヒート・シンク２６および被冷却物体２８からの必要な電気的絶縁を与える。Ｎ型１２材料は電子が過剰にあり、他方Ｐ型１４材料は電子が欠乏している。図２の先行技術に示すように、１つのＮ型１２および１つのＰ型１４が対３４を形成する。

熱電対３４は電気的に直列に、熱的に平行に配置されている。熱電モジュール１０は、例えば１００〜数百個の対を含んでよい。図３の先行技術は、直列に配置されたＰ型材料およびＮ型材料の配列を含んだ先行技術の熱電対素子１０の１実施例を示す。Ｎ型材料１２およびＰ型材料１４は具体的には、電極１６、１８および２０が前記材料を直列に連結してＮ−Ｐ、Ｐ−ＮおよびＰ−Ｎ接合等の列を形成するよう交互に設けられた交互になった列として配置される。図３のデバイスでは、電極１６および２０は板の一番上に位置決めされ、電極１８は板の一番下に位置決めされている。分かり易いように、典型的な絶縁層は図３には示していない。この配置によって、電流は電極１６から１８へ、そしてまた２０へ流れることが保証される。多数のこれらの板は上記のように、適した誘電・絶縁材料がそれら板の間に挟まれた状態で積層されてよい。

これらの先行技術の熱電対はある種の環境においては有用かもしれないが、ジュール熱および熱的バックラッシュのために、約１０％の効率しかない。このため、この熱的バックラッシュを防ぐために先行技術の素子では、熱伝導性が非常に低い材料を使用しなければならない。これら先行技術の素子は、製造が難しく高価であり、その構成の点で、正確に位置決めされた交互のリード線を有するＮ型材料およびＰ型材料の特定的で正確な交互列に限定されるという不利を被る。このため、そういった板状素子の用途はそのような構成の冷却素子に適応し得る用途に限定される。その結果、先行技術の素子を板状ではない冷却素子を必要とする異なる種類の用途において用いられる異なる形状および構成に容易に形成することができない。

したがって、熱管理のための冷却または加熱素子として機能することが可能でありながら、先行技術の素子よりも効果的な任意の形状および構成に形成可能なペルチェ型の素子の必要性がある。

本発明は先行技術の伝熱素子の利点を維持する。それに加えて、本発明は現在利用可能な素子にはみられない新規な利点を提供し、そういった現在利用可能な素子の多数の不利を克服する。

本発明は全般的に、第１の種類の第１の半導体材料のベース材料を有し、第２の種類の第２の半導体材料の充填材料がその中に分散された本体部材を含む新規で固有の伝熱素子に向けられたものである。本体部材の両側には電極が取り付けられ、電流がそこに流されるとペルチェ効果を用いて熱流が生まれる。上記のように、電流の方向は素子が冷たくなるか熱くなるかを決定する。素子は射出成形等によって形成され、フィラーは、例えば押出成形法または引き抜き成形法によってベースに導入される。

したがって、本発明の目的は、任意の形状、大きさおよび構成に容易に成形可能な伝熱素子を提供することにある。本発明の目的は、ペルチェ効果を用いており、射出成形などによって成形可能な伝熱素子を提供することにある。本発明の別の目的は、熱流が制御される伝熱素子を提供することにある。更なる目的は、板状の形状および構成に限定されないペルチェ伝熱素子を提供することにある。

本発明に特有の新規な特徴は、添付の特許請求に範囲に定められる。しかし、本発明の好適な実施形態は、更なる目的および付随する利点とともに、添付図面に関連してなされた以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されよう。

本発明は、多様な形状、大きさおよび構成のアレイに形成可能であり、先行技術のペルチェ熱電対素子よりも効果的な新規で固有のペルチェ熱電対素子を提供することによって、先行技術の問題を解決する。本発明の素子は、幅広い熱管理用途において使用できるように射出成形可能であり、これによって、板状構成である先行技術の素子の制限が回避される。

図４に示すように、本発明の素子１００は充填材料１０４を有するベース材料１０２を含み、その対向する両端に電極１０６および電極１０８が配設されている。該して、本発明の素子は、第２のタイプの半導体材料で充填された第１の種類の半導体材料の成形可能なベース材料を提供する。

更に具体的には、本発明によれば、ベース材料１０２はＮ型材料またはＰ型材料のいずれかでよく、他方、充填材料はベース材料とは反対の種類である。例えば、ベース材料がＮ型材料であるように選択されると、充填材料は実質的にはＰ型になるように選択される。これら材料は任意の種類の互換性のあるＮ型またはＰ型材料であってよい。例えば、所望のＮ型およびＰ型半導体材料を形成するために、ベースおよび充填材料はビスマスでドープされてよい。この充填材料は、本体を通る電気的相互接続性を改善するために、高アスペクト比（例えば、５：１以上）であることが好ましい。あるいは、充填材料はアスペクト比が５：１未満であってよい。

本発明によれば、Ｐ型材料およびＮ型材料は任意の適した材料であってよい。シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素およびリン化インジウムなどの一般に用いられる半導体材料を用いてよい。本発明はこれらの材料のみを使用することに一切限定されるものではないことを理解されたい。Ｎ型材料を得るために、ある半導体材料がアンチモンなどの適した元素でドープされる。Ｐ型材料を得るために、前記半導体材料がホウ素などの適した元素でドープされる。Ｎ型材料およびＰ型材料を得るための半導体材料およびそのドープ材料は当該分野では周知であるので、本願において更に詳細に説明する必要はない。

分かり易くするために、素子１００がブロック構成であるように示されている。しかし、以下に記載するように、この材料は、射出成形などによって成形可能であるので、異なる形状および構成に容易に形成可能である。図４に示すベース材料１０２および充填材料１０４の全体的に１１０で示した成形部材の本体にわたって、電気は電極１０６から電極１０８へとその本体を、すなわち交互になった充填材料１０４およびベース材料１０２を、つまり交互になったＮ型およびＰ型材料を流れる。ベース材料１０２への充填材料１０４に装填に応じて、数百ではなく数十種類の、Ｐ−Ｎ接合が、したがってペルチェ効果を利用することができるＰ−Ｎ接合が可能である。

ベース材料１０２は、その中に分散された充填材料１０４を電気が確実に流れるように、高い電気抵抗であることが好ましい。したがって、Ｎ−Ｐ−Ｎ−Ｐ接合のペルチェ効果が本発明の複合成形素子において効果的に再現され得る。熱は負（−）側から正（＋）側に素子の本体１１０を伝搬する。上記のように図４の素子では、電流の方向が熱の流れの方向を決定する。

本発明を実施するために、材料を射出成形し、充填材料をその中に導入するための知られた方法を用いてよい。例えば、冷却素子用の所望の網目形状を画定する空洞を有する射出成形金型に導入するために、Ｐ型材料の充填材料で充填されたＮ型ベース材料のペレットまたはＮ型材料の充填材料で充填されたＰ型ベース材料のペレットを射出成形機に導入してよい。あるいは、第２の種類の半導体材料を押出成形法または引き抜き成形法によって導入しながら、第１の種類の半導体材料を射出成形機に導入してよい。これらの方法は当該分野では周知であるので、本願で更に詳細に考察する必要はない。

本発明の効果を示す具体的例として、ビスマスのベース材料（Ｎ型材料）に約３０％のテルル（Ｐ型材料）を加え、寸法が約、長さ１．５インチ、幅０．５インチおよび高さ０．２５インチの本体に成形した。テルルは溶解せず、ビスマスと合金にならなかった。２アンペアで１ボルトの電気をこの本体に流した。本体は周囲温度以下の１０℃の温度を呈することが測定された。結果として、この成形本体はペルチェ効果を用いた冷却器として機能した。

例えば、本発明の組成物はヒート・シンク・アセンブリの構成に成形可能である。このヒート・シンクの本体はフィン・アレイまたはピン・アレイへと網目形状に成形され、ヒート・シンクのベースは第１の電極を担持し、ピンの全先端は第２の電極を担持する。電極は、例えば成形または直接オーバー・モールド後に、成形したアセンブリ上に貼り付けられてよい。

ヒート・シンクのベース上の電極を熱い温度で動作するマイクロプロセッサなどの発熱体と熱連通させてよい。ヒート・シンク本体を流れる電流の極性を適切にすれば、物体は冷却され得、熱はヒート・シンクのベースから、ついでピンの先端部を通して引き出されて、最適な伝熱および熱管理が得られる。あるいは、例えば自動車の座席のためなどに加熱するために、電流の極性を逆転させて、熱流を逆転することができる。

したがって、本発明は熱管理に使用され得る新規で有用なペルチェ熱電対素子を提供する。この新規な素子は、先行技術が満たすことのできない熱管理の必要性に適合するために、射出成形または他の成形技術を用いて成形可能である。本発明は、射出成形などによって網目形状に成形可能な複合材料をペルチェ冷却またはペルチェ加熱を達成可能な任意の所望の形状にすることから、新規で固有のものである。

当業者であれば、本発明の精神から逸脱せずに、種々の変形および改変が説明した実施形態になされてよいことを理解されたい。そのような改変例および変形例はすべて、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。

ペルチェ効果を説明する先行技術を示す回路図である。 ペルチェ効果を用いる先行技術の熱電対を示す立面図である。 直列に配置された多数の熱電対の先行技術の構成を示す正面視図である 本発明の熱電対素子を示す断面図である。

Claims (7)

1. 伝熱素子を製造する方法であって、
   第１の導電型の第１の半導体材料の成形可能なベース材料を提供する工程と、
   前記第１の導電型と異なる第２の導電型の第２の半導体材料の充填材料を前記ベース材料に充填する工程と、
   成形可能なベース材料を、充填材料をその中に分散させて、第１の側と第２の側とを有する本体部材に成形する工程と、
   第１の電極を前記第１の側に取り付ける工程と、
   第２の電極を前記第２の側に取り付ける工程とを含み、これによって
   前記本体部材に電流を流すと、前記本体部材に熱流が生じ
   前記充填材料が５：１以上のアスペクト比を有する
   伝熱素子を製造する方法。
2. 前記ベース材料がＰ型半導体材料から製造される請求項１に記載の製造方法。
3. 前記ベース材料がＮ型半導体材料から製造される請求項１に記載の製造方法。
4. 前記充填材料がＰ型半導体材料から製造される請求項１に記載の製造方法。
5. 前記充填材料がＮ型半導体材料から製造される請求項１に記載の製造方法。
6. 前記ベースを前記充填材料で充填される工程が、引き抜き成形によって成される請求項１に記載の製造方法。
7. 前記ベースを前記充填材料で充填される工程が、押し出し成形によって成される請求項１に記載の製造方法。

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