JP6607394B2

JP6607394B2 - ペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置

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Publication number: JP6607394B2
Application number: JP2016025967A
Authority: JP
Inventors: 俊之中務
Original assignee: Taisei Co Ltd
Current assignee: Taisei Co Ltd
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP2017147267A

Description

本発明は、ペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置に関し、特に、温度調整出力機能付きのペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置に関する。

従来より、ペルチェモジュールが装置の冷却などのために広く利用されている。直流電流をペルチェモジュールに流すことにより、ペルチェモジュールの一方の面が吸熱し、他方の面が発熱する。ペルチェモジュールは、例えば、ペルチェ効果を利用して、半導体装置等の各種装置を冷却するための装置として利用されている。
また、特開２００６−１５６９９３号公報に開示のような、複数のロッド状の熱電素子を直列に接続したペルチェモジュールも提案されている。

例えば、ペルチェモジュールは、冷却対象に密着させて使用されるが、冷却対象を所望の温度以上にならないように、温度調整装置と共に使用される。そのため、冷却対象に温度センサを設け、温度調整装置は、温度センサの出力に基づいて、ペルチェモジュールを駆動する駆動信号を出力することにより、冷却対象を所望の温度以上にならないようにすることができる。

特開２００６−１５６９９３号公報

しかし、従来の温度調整装置は、温度センサと、マイクロコンピュータを含む温度調整回路が実装された制御基板と、その温度センサと制御基板とを接続するリード線とを有するため、温度調整装置とペルチェモジュールとの組合せたペルチェモジュール装置は、装置全体のサイズが比較的大きいという問題がある。装置全体のサイズが大きくなると、ペルチェモジュール装置を搭載できる冷却対象あるいは加熱対象が制限されてしまう。

また、近年、温度センサが内蔵された温度調整回路を含む半導体チップが開発されて市販されている。その半導体チップは、電気機器等の温度調整対象に取り付けられて使用される。半導体チップの表面の一部に設けられた温度センサによって電気機器等の温度が検出され、設定された温度に達すると、温度調整出力信号を出力する。
これまでこのような半導体チップをペルチェモジュールの温度調整に用いられたものはない。

そこで、本発明は、装置全体のサイズを大きくすることない、温度調整出力機能付きのペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のペルチェモジュールは、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の吸熱面部又は発熱面部に設けられた熱伝導部材と、前記熱伝導部材に設けられた半導体チップであって、設定温度入力端子と、温度調整信号出力端子とを有し、内蔵された温度センサの検出温度が前記設定温度入力端子に与えられた設定温度になると、所定の温度調整信号を前記温度調整信号出力端子から出力する半導体チップと、を有する。
本発明の一態様のペルチェモジュール装置は、本発明のペルチェモジュールと、前記ペルチェ素子の前記吸熱面部又は前記発熱面部の反対側の面部に設けられた、前記熱伝導部材とは異なる熱伝導部材と、前記異なる熱伝導部材に設けられたヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられたファン装置と、を有する。
本発明の一態様のペルチェモジュール装置は、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の吸熱面部又は発熱面部に設けられた熱伝導部材と、前記熱伝導部材に設けられたヒートシンクに設けられた半導体チップであって、設定温度入力端子と、温度調整信号出力端子とを有し、内蔵された温度センサの検出温度が前記設定温度入力端子に与えられた設定温度になると、所定の温度調整信号を前記温度調整信号出力端子から出力する半導体チップと、を有する。

本発明によれば、装置全体のサイズを大きくすることない、温度調整出力機能付きのペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置を実現することができる。

本発明の実施の形態に係わる、ペルチェモジュール装置が冷却対象に搭載された状態を示す側面図である。本発明の実施の形態に係わるペルチェモジュールの斜視図である。本発明の実施の形態に係わるペルチェ素子の斜視図である。図３の矢印Aで示す方向から見たペルチェ素子の側面図である。本発明の実施の形態に係わるペルチェモジュールの構成を示す側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（構成）
図１は、本実施の形態に係わるペルチェモジュール装置が冷却対象に搭載された状態を示す側面図である。

本実施の形態では、冷却対象は、発熱体である半導体装置である。図１に示すように、プリント基板１上には、半導体装置である中央処理装置（以下、CPUという）２が搭載されている。半導体チップであるCPU２の動作時の熱による機能不全などを防止するためにペルチェモジュール３が、CPU２上に密着して設けられている。ペルチェモジュール３は、ペルチェ効果を利用した複数の熱電素子を有して構成されている
冷却装置としてのペルチェモジュール３の下面が吸熱面部であり、CPU２の上面に密着して、接着剤等の固定手段により固定される。ペルチェモジュール３の上面は発熱面部であり、発熱面部には、接着剤等の固定手段によりヒートシンク４が密着して固定されている。

ヒートシンク４は、熱伝導性のよいアルミニウムなどからなり、複数の板状のフィン４ａを有している。ヒートシンク４には、放熱量を増大させるために強制冷却用のファン装置５が取り付けられている。ファン装置５は、ファンとモータからなるファンモータである。ペルチェモジュール３、ヒートシンク４及びファン装置５により、ペルチェモジュール装置１０が構成される。

次にペルチェモジュール３の構成について説明する。図２は、ペルチェモジュールの斜視図である。図３は、ペルチェ素子の斜視図である。図４は、図３の矢印Aで示す方向から見たペルチェ素子の側面図である。なお、図３は、ペルチェ素子の斜め下方から見た斜視図である。

図２に示すように、ペルチェモジュール３は、後述する複数の熱電素子が搭載されたペルチェ素子１１と、ペルチェ素子１１を挟む２枚の熱伝導板１２、１３と、半導体チップ１４とを有して構成されている。

図３及び図４に示すように、ペルチェ素子１１は、略正方形である基板２１と、複数の熱電素子２２と、複数の電極２３と、一対の端子２４とを有して構成されている。なお、基板２１の形状は、正方形でなくてもよく、長方形など他の形状を有していてもよい。

セパレータとしての基板２１は、電気絶縁性、熱不良導性及び耐熱性を有する材料、例えばガラスエポキシから構成されている。基板２１は、例えば、厚さが０．３mm〜０．６mmで、一辺が数cmのサイズを有する。

絶縁性を有する基板２１には、マトリックス状に複数の貫通孔が形成されており、円柱形状の複数の熱電素子２２が複数の貫通孔にそれぞれ嵌合されて固定されている。すなわち、複数の熱電素子２２は、基板２１に支持されて、マトリックス状に配置され、基板２１に固定されている。基板２１には、基板２１の一辺に沿って、２つの端子固定部２５が設けられており、各端子固定部２５は、一対のスリット孔２５ａを有している。

円柱形状を有する各熱電素子２２は、ビスマス・テルル系のp型熱電半導体又はn型熱電半導体のロッド状部材である。基板２１に対して、 p型熱電半導体の熱電素子とn型熱電半導体の熱電素子が交互に並んで配列されている。
各熱電素子２２は、例えば、直径が１mmで、長さが２mmのサイズを有する針状単結晶部材である。各熱電素子２２の軸方向における中央部分が、基板２１の貫通孔に固定される。

複数の電極２３は、金メッキされた銅部材であり、基板２１の上面側及び下面側において、複数の熱電素子２２に半田付けされている。各電極２３は、隣り合うp型熱電半導体の熱電素子とn型熱電半導体の熱電素子に対して半田付けされている。そして、p型熱電半導体の熱電素子とn型熱電半導体の熱電素子が交互に電気的に直列に接続されるように、複数の熱電素子２２は複数の電極２３により接続される。
すなわち、複数の電極２３は、複数の熱電素子２２が直列接続されるように、隣り合う２つの熱電素子２２の端部同士を接続する。

各端子２４は、金メッキされた銅部材であり、各端子２４の２つの延出部分が一対のスリット孔２５ａに挿通されてカシメられることによって、端子固定部２５に固定されるカシメ端子である。一対の端子２４は、基板２１の平面に対して直交する側面から延出する延出部２４ａ（図４参照）を有している。

直列接続された複数の熱電素子２２の両端の２つの熱電素子（以下、末端熱電素子ともいう）が、それぞれ一対の各端子２４と２つの電極２３により電気的に接続される。
すなわち、２つの端子２４は、基板２１に固定され、直列接続された複数の熱電素子２２の両端に位置する２つの末端熱電素子にそれぞれ接続されて、各端子２４は、基板２１の側面から延出する延出部２４ａを有する。
一対の端子２４を介して、直列接続された複数の熱電素子２２に直流電流を流すことにより、基板２１の上面側又は下面側が、吸熱側となる。

基板２１に設けられる複数のp型熱電半導体の熱電素子と複数のn型熱電半導体の熱電素子の向きと、一対の端子２４に流す電流の向きによって、基板２１の上面側と下面側のいずれが、吸熱側となるかが決まる。
以上のように、ペルチェ素子１１は、絶縁性を有する基板２１と、基板２１に支持されて固定された複数の熱電素子２２と、複数の熱電素子２２が直列接続されるように隣り合う熱電素子の端部同士を接続する複数の電極２３と、基板２１に固定され、直列接続された複数の熱電素子２２の両端に位置する２つの熱電素子である２つの末端熱電素子にそれぞれ接続されて、基板２１の側面から延出する延出部２４ａを有する２つの端子２４と、を有する。

図２に示すように、ペルチェモジュール３は、複数の熱電素子２２が搭載された基板２１を挟む２枚の熱伝導板１２と１３を有している。熱伝導板１２と１３は、熱伝導率の高いアルミニウム、銅などの金属材料からなる熱伝導部材である。
熱伝導板１２は、ペルチェ素子１１の基板２１の平面部と略同様のサイズを有する矩形形状を有しているが、熱伝導板１３は、熱伝導板１２よりも大きなサイズを有している。特に、ここでは、熱伝導板１３は、ペルチェ素子１１と密着している密着面に平行な方向に延出した延出部１３ａを有している。よって、熱伝導率の高い熱伝導板１３は、CPU２と同じ温度になる。

すなわち、熱伝導板１２は、ペルチェ素子１１の発熱面を平面視したときに、ペルチェ素子１１の基板２１と略同じサイズを有する。熱伝導板１３は、ペルチェ素子１１の吸熱面を平面視したときに、ペルチェ素子１１の基板２１よりも広い面積を有し、延出部１３ａは、ペルチェ素子１１の外側に延出した部分である。

図５は、ペルチェモジュールの構成を示す側面図である。
基板２１の表及び裏の各面の複数の電極２３上に、絶縁性の接着剤２６、例えばエラストマーが塗布され、図５において点線の矢印で示すように、基板２１の一方の面の複数の電極２３上に熱伝導板１２が固定され、基板２１の他方の面の複数の電極２３上に熱伝導板１３が固定される。熱伝導板１３の外側面が、冷却対象であるCPU２の表面に密着される。
熱伝導板１３は、ペルチェ素子１１の吸熱面部に設けられた冷却のための冷却板を構成する。特に、熱伝導板１３は、絶縁部材である接着剤２６を介してペルチェ素子１１の吸熱面部に密着して設けられている。熱伝導板１３は、絶縁層を介して冷却対象に密着して搭載される。
なお、ここでは、ペルチェモジュール３は、冷却用に設けられているが、加熱用の場合は、熱伝導板１３は、ペルチェ素子１１の発熱面部に設けられた加熱板を構成する。

熱伝導板１３の表面には、温度センサが内蔵された半導体チップ１４が、熱伝導板１３の温度を検出するようにシリコン系の接着剤により密着して固定されている。半導体チップ１４は、熱伝導板１３の温度を検出可能に熱伝導板１３の延出部１３ａに配設されている。
なお、半導体チップ１４は、図２において点線で示すように螺子３２により、熱伝導板１３に固定してもよい。

半導体チップ１４は、内蔵された温度センサにより熱伝導板１３の温度を検出し、検出した温度と設定された温度を比較し、検出した温度が設定された温度に達すると、所定の温度調整出力信号を出力する回路を有している。言い換えれば、半導体チップ１４は、サーモスタット機能付きの温度センサである。

断熱部材３１が、半導体チップ１４を覆うように、半導体チップ１４あるいは熱伝導板１３に固定されている。断熱部材３１は、軟質ウレタンフォームなどの材質からなり、半導体チップ１４は、断熱部材３１により周囲温度の影響を受けないようになっている。

ここでは、断熱部材３１は、直方体形状を有し、半導体チップ１４の形状に応じた凹部３１ａを有する。断熱部材３１は、凹部３１ａ内に半導体チップ１４が収納されるようにして、半導体チップ１４上に被せられて、半導体チップ１４あるいは熱伝導板１３に固定される。
なお、断熱部材３１は、熱伝導部材である熱伝導板１３に設けられた半導体チップ１４の全体を覆ってもよいが、少なくとも一部を覆うように設けてもよい。

半導体チップ１４は、複数の、ここでは５本の端子１４ａを有している。５本の端子１４ａのうち２本の１４ａ１，１４ａ２は、グラウンド（GND）と基準電源（Vcc）用であり、残りの２本の１４ａ３，１４ａ４は、温度調整出力信号の出力用であり、残りの１本１４ａ５は、設定抵抗値の入力用である。断熱部材３１には、これら５本の端子１４ａが通る開口部３１ｂが形成されている。
すなわち、半導体チップ１４は、熱伝導板１３の延出部１３ａに設けられ、設定温度入力端子と、温度調整信号出力端子とを有し、内蔵された温度センサの検出温度が設定温度入力端子に与えられた設定温度になると、所定の温度調整信号を温度調整信号出力端子から出力する。

図１に戻り、プリント基板１上には、CPU２だけでなく、各種回路が搭載されており、ここでは、ペルチェモジュール３の駆動回路４１、半導体チップ１４の温度調整出力信号が出力される設定温度に対応する抵抗値の抵抗器を有する設定抵抗器４２、駆動回路４１の駆動をオン・オフ制御する駆動制御回路４３も搭載されている。図１では、駆動回路４１、設定抵抗器４２及び駆動制御回路４３は、半導体チップとして示されている。

駆動回路４１は、ペルチェモジュール３の一対の端子２４と２本のリード線５１を介して電気的に接続されている。設定抵抗器４２は、半導体チップ１４の１本の端子１４ａ５とリード線５２を介して電気的に接続されている。駆動制御回路４３は、半導体チップ１４の２本の端子１４ａ３，１４ａ４と２本のリード線５３を介して電気的に接続されている。半導体チップ１４の残りの２本の端子１４ａ１と１４ａ２は、図示しない２本のリード線を介してプリント基板１上のグラウンド（GND）と基準電源（Vcc）用のそれぞれのランドに電気的に接続されている。

駆動回路４１と駆動制御回路４３は、プリント基板１上の配線５４を介して接続されている。駆動制御回路４３は、配線５４を介して駆動回路４１に駆動制御信号を供給する。駆動回路４１は、２本のリード線５１を介してペルチェモジュール３の駆動電流を供給し、その駆動回路４１は、駆動制御回路４３からの駆動制御信号によりオン・オフ制御される。
以上のように、ペルチェモジュール装置１０は、ペルチェモジュール３と、ペルチェ素子１１の吸熱面部の反対側の面部に接着剤２６を介して設けられた、熱伝導部材１２と、熱伝導部材１２に熱的に接続されて設けられたヒートシンク４と、ヒートシンク４に熱的に接続されて設けられたファン装置５と、を有し、冷却対象であるCPU２に搭載される。
（作用）
次に、ペルチェモジュール３を利用した冷却対象であるCPU２の温度調整について説明する。

CPU２はその動作時に高温になる。CPU２は、高温による機能不全とならないようにするために、ペルチェモジュール装置１０により冷却される。CPU２の温度が所定の温度以上にならないようにペルチェモジュール装置１０は駆動されるが、その所定の温度に対応する抵抗値を有する設定抵抗器４２が選択され、プリント基板１上に搭載されている。

ペルチェモジュール３が駆動されると、半導体チップ１４も動作状態となる。半導体チップ１４は、熱伝導板１３に密着して設けられているため、熱伝導板１３の温度、すなわちCPU２の温度を、内蔵された温度センサにより検出する。半導体チップ１４の温度センサにより検出された温度が、設定抵抗器４２により設定された温度になると、半導体チップ１４は、所定の温度調整出力信号を２本の端子１４ａ３，１４ａ４間から出力する。温度調整出力信号は、２本のリード線５３を介して駆動制御回路４３へ供給される。

例えば、CPU２が設定温度Ts以上に熱くならないようにCPU２を冷却する場合、温度センサの検出温度が設定温度Tsになると、半導体チップ１４は、所定の温度調整出力信号を駆動制御回路４３へ出力する。駆動制御回路４３は、所定の温度調整出力信号を受信しているとき、ペルチェモジュール３の駆動回路４１へ、電流出力を指示するオン信号である駆動制御信号を出力する。

また、温度センサの検出温度が設定温度Ts以下のときは、半導体チップ１４は、所定の温度調整出力信号を駆動制御回路４３へ出力しない。駆動制御回路４３は、所定の温度調整出力信号を受信していないとき、ペルチェモジュール３の駆動回路４１へ、電流出力の停止を指示するオフ信号である駆動制御信号を出力する。その結果、CPU２は、ペルチェモジュール装置１０によって、設定温度以上にならないように温度調整される。

以上のように、上述した実施の形態によれば、装置全体のサイズを大きくすることない、温度調整出力機能付きのペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置を実現することができる。

特に、ペルチェモジュール３において、ペルチェ素子１１に密着して設けられた熱伝導板１３の一部を延出させて、その延出部１３ａに、サーモスタット機能付きの半導体チップ１４を設けたので、冷却対象であるCPU２の温度を簡単にかつ正確に検出できると共に、ペルチェモジュール３を含む装置全体のサイズが小型化になる。

なお、延出部１３ａは、熱伝導板１３の平面部に平行な方向に延出しているが、平行な方向でない方向に延出していてもよい。

さらに、熱伝導板１３の延出部１３ａ上に搭載された半導体チップ１４が、温度設定用の抵抗器の接続、温度調整出力信号の出力、及び電源用の複数の端子１４ａを有しているので、ユーザは、これらの端子１４ａとペルチェモジュール３の駆動回路４１等との電気的な接続を、容易に行うことができる。

また、半導体チップ１４を断熱部材３１により覆っているので、半導体チップ１４が周囲温度の影響を受けずに、冷却対象の温度を正確に検出できるので、精密な温度調整が可能である。

さらにまた、上述した例では、ペルチェモジュール３の冷却対象は、半導体装置であるが、ペルチェモジュール３は、半導体装置以外の装置にも適用可能である。

なお、上述した実施の形態では、ペルチェモジュール３は、対象装置を冷却するために用いられているが、対象装置を加熱するために用いてもよい。その場合、ペルチェモジュール及びペルチェモジュール装置は、加熱対象が所定の温度以下にならないように制御可能となる。

さらになお、上述した実施の形態では、半導体チップ１４は、温度調整対象（上記の例では、冷却対象）に密着した熱伝導板１３に設けられているが、半導体チップ１４を、ヒートシンク４あるいは熱伝導板１２に形成された延出部に設けるようにしてもよい。ヒートシンク４あるいは熱伝導板１２に半導体チップ１４を設けた場合にも、断熱部材３１は、半導体チップ１４に設けられる。
例えば、温度調整対象が冷却対象である場合、ペルチェ素子１１の吸熱部の温度ではなく、ペルチェ素子１１の発熱部の温度を検出して、冷却対象が所定の温度以上にならないように制御可能となる。その場合、半導体素子１４は、設定温度を下回ると、ペルチェモジュール３に駆動電流を供給するように、温度調整出力信号を駆動制御回路４３へ出力するように動作する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

１プリント基板、３ペルチェモジュール、４ヒートシンク、４ａフィン、５ファン装置、１０ペルチェモジュール装置、１１ペルチェ素子、１２、１３熱伝導板、１３ａ延出部、１４半導体チップ、１４ａ、１４ａ１，１４ａ２，１４ａ３，１４ａ４，１４ａ５端子、２１基板、２２熱電素子、２３電極、２４端子、２４ａ延出部、２５端子固定部、２５ａスリット孔、２６接着剤、３１断熱部材、３１ａ凹部、３１ｂ開口部、３２螺子、４１駆動回路、４２設定抵抗器、４３駆動制御回路、５１、５２、５３リード線、５４配線。

Claims

ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の吸熱面部又は発熱面部に設けられた熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられた半導体チップであって、設定温度入力端子と、温度調整信号出力端子とを有し、内蔵された温度センサの検出温度が前記設定温度入力端子に与えられた設定温度になると、所定の温度調整信号を前記温度調整信号出力端子から出力する半導体チップと、
を有することを特徴とするペルチェモジュール。
前記熱伝導部材は、前記吸熱面部又は前記発熱面部を平面視したときに、前記ペルチェ素子の外側に延出した延出部を有し、
前記半導体チップは、前記延出部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のペルチェモジュール。
前記熱伝導部材に設けられた前記半導体チップの少なくとも一部を覆うように設けられた断熱部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のペルチェモジュール。
前記ペルチェ素子は、
絶縁性を有する基板と、
前記基板に支持されて固定された複数の熱電素子と、
前記複数の熱電素子が直列接続されるように隣り合う熱電素子の端部同士を接続する複数の電極と、
前記基板に固定され、直列接続された前記複数の熱電素子の両端に位置する２つの熱電素子である２つの末端熱電素子にそれぞれ接続されて、前記基板の側面から延出する延出部を有する２つの端子と、
を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のペルチェモジュール。
請求項１から４のいずれか１つに記載のペルチェモジュールと、
前記ペルチェ素子の前記吸熱面部又は前記発熱面部の反対側の面部に設けられた、前記熱伝導部材とは異なる熱伝導部材と、
前記異なる熱伝導部材に設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに設けられたファン装置と、
を有することを特徴とするペルチェモジュール装置。
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の吸熱面部又は発熱面部に設けられた熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられたヒートシンクに設けられた半導体チップであって、設定温度入力端子と、温度調整信号出力端子とを有し、内蔵された温度センサの検出温度が前記設定温度入力端子に与えられた設定温度になると、所定の温度調整信号を前記温度調整信号出力端子から出力する半導体チップと、
を有することを特徴とするペルチェモジュール装置。