JPH0210781A - 多段電子クーラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ペルチェ効果を持つ熱電素子対を、基板を介
して順次階段状にして縦続してなるカスケード型の多段
電子クーラーに関するものである。

〔従来の技術〕

上記多段電子クーラーは、例えば第４図に示すように６
段になっていて、各段にはＮ型半導体１とＰ型半導体２
とを対とする熱電素子対Ａがそれぞれ交互に、かつ直列
になって基板３１こ接合された電極４にて縦続されてい
て、各段の熱電素子対Ａに通電することにより、各段の
上側の基板側が吸熱され、最上段の基板３ａが最大到達
温度で冷却されるようになっている。そして、この多段
電子クーラーはビラミ・ット状になっていて、各段の熱
電索子対Ａの対数の比率は順次下段になるに従ってその
数が多くなるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

多段電子クーラーの冷却原理は、各段の頭部でペルチェ
吸熱し、底部でペルチェ発熱するため、上段の発熱を下
段が順次吸熱し、各段毎に少しずつ冷却し、最上段の頭
部で一定の吸熱能力と一定の冷却温度を得るものである
ため、上段の熱を効率よく下段に伝えることが重要であ
る。

従来、多段電子クーラーの基板３に用いられる絶縁用セ
ラミックスは電気的絶縁性と良熱伝導性の基本的要求、
及び価格、強度などの要求のため、通常酸化アルミ（Ａ
Ｎ２０ａ）が用いられているが、これは第３図に示すよ
うに、常温での熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ−にと悪いため
、基板中の熱的損失が大きく、クーラの最大冷却温度を
下げられない原因の一つとなっていた。

一方良熱伝導性の絶縁セラミックとして酸化ベリリウム
（Ｂｅｄ）があり、実際に用いられているが、これは、
熱伝導率が第３図に示すように、酸化アルミの１０倍以
上と高いものの、即人命にかかわる程の強い毒性がある
ことと、強度が酸化アルミの約２／３程度と弱く、さら
にかなり高価であるため、特別な場合にしか用いられな
かった。

また、多段電子クーラーは、第４図に示すように、各段
の基板３の上側面のほぼ中央に上側の段の熱電素子対Ａ
を配置する構成となっているため、上段の熱を引取るべ
き下段の吸熱面に対し局所的に発熱していることになり
、各段の上側の基板３には、それぞれの市内の熱拡散の
ため温度分布が生じ、効率よく熱伝達を行なっていなか
った。

各段の上側の基板の市内の温度分布を少なくするには基
板３を構成するセラミックスの厚みを増せばよいが、そ
のために生じる基板３の厚み方向両側の温度差が著しく
大きくなるため、逆に熱伝達の効率が落ちることになる
。

また、各段の基板３の大きさを同じにし、各段の熱電素
子対を均等に配置することも考えられるが、上側の段に
いくに従って素子の配置が疎になり、この素子の配置が
疎になった分、市内の温度差はそれ程改善されないばか
りでなく、最上段部の基板の面積が増えるために、受光
面積が増々外部からのふく射熱による熱負荷が大きくな
り、逆に多段電子クーラーの性能が低下してしまう。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、曲げ強
度を十分保持でき、しかも毒性がない基板でもって基板
中の熱的損失を少なくすることができ、また基板の面内
の熱拡散がよく、これの温度分布が最小となって、上段
から下段への熱伝達が効率よく行なわれて最大冷却温度
を下げることができるようにした多段電子クーラーを提
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〕

上記目的を達成するために、本発明に係る多段電子クー
ラーは、各段の基板に窒化アルミを用いた。

また各段の基板の表面で、かつ熱電素子対の電極となる
部分以外に、基板の面内の熱拡散をよくするための金属
板を付着した構成となっている。

〔作　用〕

基板に窒化アルミを用いたことにより、常温において酸
化ベリリウム程ではないが、従来−般的に使用されてい
る酸化アルミに比較して第３図に示すように、約７倍の
熱伝導率を有し、また曲げ強度も酸化アルミの１．５倍
、従って酸化ベリリウムよりも約２倍の曲げ強度を有し
ている。そして酸化ベリリウムのような毒性もなく取扱
いも簡単である。

また各基板の表面で、かつ熱電素子対の電極のつく部分
以外での基板の面内の熱拡散がよくなり、この部分の温
度分布が少なくなる。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

実施例−１（第１図） 第４図に示す６段の多段電子クーラーを、基板３に両面
をメタライズした窒化アルミセラミック（商品名ニジエ
イバルー徳山曹達社製）を用い、各熱電素子対ＡのＰ型
、Ｎ型の半導体素子１，２にＢ１−Ｔｅ系のものを用い
て製作した。そしてこのとき、上記基板３の両面に、フ
ォトリソグラフにより、各熱電素子対Ａの電極となる位
置に所望の回路パターンを作ると共に、この基板３の上
側面で、かつ上記電極となる部分以外の部分に他のパタ
ーンを作り、上記各パターンにＢ１−５ｎ共品半田を用
いて所定の銅板（３００μ厚）を付着して電極４と金属
板５とを設けた（第１図）。その後、電極４に熱電素子
対Ａの各半導体素子１，２を半田付けして上記６段の多
段電子クーラーを製作した。

上記構成の多段電子クーラーを１０−６ｔｏｒｒの真空
チャンバ内に入れ、２７℃に保持したヒートシンクに乗
せ、３Ａの電流を通電させたところ、最上段の温度が一
９０℃となった。

実施例−２（第２図） 上記実施例−１の場合と同じに表と裏にメタライズされ
た基板材料を用い、これの表と裏に、電気回路構成に必
要な部分にのみ３００μ厚の銅板よりなる電極４′を実
施例−１の場合と同様の手法にて付着し、他の部分には
メラタイズ層６をそのまま残して基板３′を作り、その
後、電極４′に熱電素子対Ａの各半導体１．２を半田付
けして第４図に示す６段の多段電子クーラーを製作した
。

上記構成の多段電子クーラーを上記実施例−１の場合と
同様の性能測定を行なったところ、最上段の温度が−８
８，５℃となった。

比較例 日本カーバイド社製の酸化アルミＤＢＣ基板と、Ｐ型及
びＮ型のＢ１−Ｔｅ系熱電素子対Ａを用い、実施例−１
，２と同様にして６段の多段電子クーラーを作製した。

この多段電子クーラーを実施例−１，２と同様に測定し
たところ、最上段の温度が一８５℃となった。

上記両実施例のうち、実施例−２は、基板３′の両面で
、かつ電極４′以外の面にメタライズされていることに
より、また基板３′の材料を窒化アルミセラミックとし
たことにより、比較例のものに比較してその最上段での
温度を３．５℃低くすることができた。

また実施例−１は、基板３の上面で、がっ電極４以外の
面に銅板よりなる金属板５を貼付けたことにより、上記
実施例−２のものよりさら１：１．５℃低く、比較例の
ものに対して５℃も低くすることができた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、曲げ強度を十分保持でき、しかも毒性
のない基板３，３′でもって基板３゜３′中の熱的損失
を少なくできる。

また基板３．３′の面内の熱拡散がよく、これの温度分
布が最小となり、上段から下段への熱伝達が効率よく行
なわれて最大冷却温度を下げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の実施例における基板を示す斜
視図、第３図は材料別の熱伝導率を示す線図、第４図は
多段電子クーラーの一例を示す斜視図である。 Ａは熱電素子対、１．２は半導体素子、３゜３′は基板
、４，４′は電極、５は金属板。 出願人　　株式会社　小　松　製　作　所代理人　　弁
理士　　米　原　正　章

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ペルチェ効果を持つ熱電素子対Ａを、絶縁セラミ
   ックスからなる基板３、３′を介して順次階段状にして
   縦続してなるカスケード型の多段電子クーラーにおいて
   、各段の基板３、３′に窒化アルミを用いたことを特徴
   とする多段電子クーラー。
2. （２）各段の基板３、３′の表面で、かつ熱電素子対Ａ
   の電極４、４′を付着する部分以外に、基板３、３′の
   面内の熱拡散をよくするための金属板５を付着したこと
   を特徴とする請求項１記載の多段電子クーラー。