JPH04199858A - 電子冷却パネル - Google Patents
電子冷却パネルInfo
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- JPH04199858A JPH04199858A JP2335911A JP33591190A JPH04199858A JP H04199858 A JPH04199858 A JP H04199858A JP 2335911 A JP2335911 A JP 2335911A JP 33591190 A JP33591190 A JP 33591190A JP H04199858 A JPH04199858 A JP H04199858A
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Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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。
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、電子冷却パネルに関し、特に放熱側の放熱効
率の小さい使用条件で冷却面の到達最低温度の低いもの
に関する。
率の小さい使用条件で冷却面の到達最低温度の低いもの
に関する。
[従来の技術]
近年、地球環境問題からのフロン使用規制や、電子機器
等の局所冷却、除湿などの小型冷却装置などに対する要
求、ペルチェ効果を利用した電子冷却用電子部品に対す
る要求は大きい。ここで、ペルチェ効果とは、二つの金
属の接合部を通って電流が流れたとき、その接合部にお
いて熱が発生し、あるいは吸収される現象を発現する効
果をいう。たとえば、ある方向に電流が流れて熱が発生
したとき、電流の方向を逆にすると今度は熱が吸収され
る現象である。
等の局所冷却、除湿などの小型冷却装置などに対する要
求、ペルチェ効果を利用した電子冷却用電子部品に対す
る要求は大きい。ここで、ペルチェ効果とは、二つの金
属の接合部を通って電流が流れたとき、その接合部にお
いて熱が発生し、あるいは吸収される現象を発現する効
果をいう。たとえば、ある方向に電流が流れて熱が発生
したとき、電流の方向を逆にすると今度は熱が吸収され
る現象である。
このうち、室温付近で用いる電子冷却用の電子部品とし
ては、B1−Te系の単結晶もしくは多結晶凝固体を熱
電半導体物質として使用し、p型、n型半導体物質を交
互に金属板などで直列に接合し、電気的に正の側からn
型からp型への接合面を一方の面に配し、冷却面とし、
もう一方の面にp型からn型への接合面を配し放熱面と
し、各物質の間は空隙とする構成をとるものが知られて
いる。
ては、B1−Te系の単結晶もしくは多結晶凝固体を熱
電半導体物質として使用し、p型、n型半導体物質を交
互に金属板などで直列に接合し、電気的に正の側からn
型からp型への接合面を一方の面に配し、冷却面とし、
もう一方の面にp型からn型への接合面を配し放熱面と
し、各物質の間は空隙とする構成をとるものが知られて
いる。
B1−Te系材料は理論的には高温側と低温側の間で6
0℃程度の温度差を取ることができるが、上記の−よう
な構成で高温側の放熱量が小さいと、高温側の温度が上
昇し、低温側の最低到達温度が上がってしまう課題を有
している。通常の放熱板の外気との間の熱抵抗は、自然
放冷では0.0002〜0.0O5W/alf−deg
程度、強制空冷では0. OO04〜0. 002W
/cnf−dB程度であり半導体素子の放熱側の温度上
昇は大きな問題であった。
0℃程度の温度差を取ることができるが、上記の−よう
な構成で高温側の放熱量が小さいと、高温側の温度が上
昇し、低温側の最低到達温度が上がってしまう課題を有
している。通常の放熱板の外気との間の熱抵抗は、自然
放冷では0.0002〜0.0O5W/alf−deg
程度、強制空冷では0. OO04〜0. 002W
/cnf−dB程度であり半導体素子の放熱側の温度上
昇は大きな問題であった。
これに対し従来の電子冷却用電子部品は、p型、n型素
子を交互に面状にならべ電気的に直列に接合した素子段
階で、p型、n型素子の間に間隔をもうけ、2〜3倍の
断面積とし、さらにこれに10倍程度の断面積の金属放
熱板を接合し、この放熱板が断面積の5〜7倍の面積の
フィンを有している構成にすることにより、放熱面積を
半導体素子の断面積の100〜200倍程度に増加程度
、これをファンにより強制空冷するか、もしくは放熱面
を水冷するなどの手段がとられていた。
子を交互に面状にならべ電気的に直列に接合した素子段
階で、p型、n型素子の間に間隔をもうけ、2〜3倍の
断面積とし、さらにこれに10倍程度の断面積の金属放
熱板を接合し、この放熱板が断面積の5〜7倍の面積の
フィンを有している構成にすることにより、放熱面積を
半導体素子の断面積の100〜200倍程度に増加程度
、これをファンにより強制空冷するか、もしくは放熱面
を水冷するなどの手段がとられていた。
[発明が解決しようとする課題]
しかしながら、前記従来技術では、ファンを用いた強制
空冷や水冷手段が必要で、装置コストか高くなるという
課題があった。
空冷や水冷手段が必要で、装置コストか高くなるという
課題があった。
本発明は、前記従来技術の課題を解決するため、ファン
を用いた強制空冷や水冷手段を必要とせず、放熱側の放
熱効率が小さい使用条件下でも冷却面か低い温度まで冷
却できる電子冷却パネルを提供することを目的とする。
を用いた強制空冷や水冷手段を必要とせず、放熱側の放
熱効率が小さい使用条件下でも冷却面か低い温度まで冷
却できる電子冷却パネル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]
前記目的を達成するため、本発明の電子冷却パネルは、
p型とn型の半導体素子を電気的に直列に接合し、直流
電流を流したときの接合界面における発熱吸熱反応を利
用した電子冷却パネルにおいて、半導体素子部が中空、
若しくは多孔体形状を有する担体粒子と、その表面に形
成された熱電半導物質層からなることを特徴とする。
p型とn型の半導体素子を電気的に直列に接合し、直流
電流を流したときの接合界面における発熱吸熱反応を利
用した電子冷却パネルにおいて、半導体素子部が中空、
若しくは多孔体形状を有する担体粒子と、その表面に形
成された熱電半導物質層からなることを特徴とする。
前記構成においては、熱電半導体物質層が互いに焼結さ
れたものであり、半導体層が連続されたものであること
が好ましい。
れたものであり、半導体層が連続されたものであること
が好ましい。
[作用コ
前記本発明の構成によれば、半導体素子の熱伝導度が低
下し、放熱側の温度上昇があっても冷却側への熱伝導量
が低下し、冷却側温度を低くすることができる。
下し、放熱側の温度上昇があっても冷却側への熱伝導量
が低下し、冷却側温度を低くすることができる。
また、熱電半導体物質層が互いに焼結されたものであり
、半導体層が連続されたものであるという本発明の好ま
しい構成によれば、さらに優れた自然放冷ができる。
、半導体層が連続されたものであるという本発明の好ま
しい構成によれば、さらに優れた自然放冷ができる。
[実施例]
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。
明する。
実施例1
熱電半導体物質としてB1−Te系について検討した。
p型物質としては、(B i、 S t)) 2 T
e3を選択し、n型物質としてはBi、、(Te。
e3を選択し、n型物質としてはBi、、(Te。
5e)3を選択した。
担体粒子としては、平均粒径8μm1膜厚0゜5μmの
ガラスバルーン(中空ガラス微粒子)を用いた。このバ
ルーンは中空構造ではあるが内部と外部の気密性はな(
ガラス自体が多孔体である。
ガラスバルーン(中空ガラス微粒子)を用いた。このバ
ルーンは中空構造ではあるが内部と外部の気密性はな(
ガラス自体が多孔体である。
半導体物質は、各物質の多結晶凝固体を出発原料に用い
、粗砕後ボールミル中で有機溶媒を用い、0.2mmφ
のジルコニアボールを媒体として媒体撹拌ミルにて粉砕
し、平均粒径0.08μmの粉末とした。乾燥後粉末と
粘性溶媒とを混合してスラリーとし、ガラスバルーンを
浸したのち乾燥した。このスラリーに浸し乾燥する処理
の回数は変化させ、熱電半導体層の厚さを変えた試料を
作成した。処理乾燥後の粒子は、成形しアルゴン中50
0℃で2時間加熱処理した。得られた半導体素子の断面
の拡大図を第1図に示す。
、粗砕後ボールミル中で有機溶媒を用い、0.2mmφ
のジルコニアボールを媒体として媒体撹拌ミルにて粉砕
し、平均粒径0.08μmの粉末とした。乾燥後粉末と
粘性溶媒とを混合してスラリーとし、ガラスバルーンを
浸したのち乾燥した。このスラリーに浸し乾燥する処理
の回数は変化させ、熱電半導体層の厚さを変えた試料を
作成した。処理乾燥後の粒子は、成形しアルゴン中50
0℃で2時間加熱処理した。得られた半導体素子の断面
の拡大図を第1図に示す。
第1図において、11はガラスバルーン、12は熱電半
導体である。そして、11のガラスバルーンの表面に、
12の熱電半導体層が形成されている。作成した半導体
素子は、p型、n型とも1cm立方に切断し、側面に絶
縁性樹脂を塗布したのち、スラリーに浸し、乾燥する処
理回数の等しい試料を、縦横10個ずつ計100個をp
n交互に配列し、樹脂を硬化して接合し、上下面で電気
的に直列に各素子をNi板で接合した。また参考試料と
してp、n型とも緻密な多結晶凝固体を用い、同様の形
状に接合したものも作成した。
導体である。そして、11のガラスバルーンの表面に、
12の熱電半導体層が形成されている。作成した半導体
素子は、p型、n型とも1cm立方に切断し、側面に絶
縁性樹脂を塗布したのち、スラリーに浸し、乾燥する処
理回数の等しい試料を、縦横10個ずつ計100個をp
n交互に配列し、樹脂を硬化して接合し、上下面で電気
的に直列に各素子をNi板で接合した。また参考試料と
してp、n型とも緻密な多結晶凝固体を用い、同様の形
状に接合したものも作成した。
作成した試料の低温側の面には、絶縁グリスを薄く塗布
したのち、厚さ0.3mmの銅版を接合し、この面に熱
電対を接着して温度を測定した。高温側は次の3条件の
放熱条件設定し、放熱板を低温側同様絶縁グリスを薄く
塗布したのち、配置し、熱電対を接着してこの温度を測
定した。放熱の条件は下記の通りである。
したのち、厚さ0.3mmの銅版を接合し、この面に熱
電対を接着して温度を測定した。高温側は次の3条件の
放熱条件設定し、放熱板を低温側同様絶縁グリスを薄く
塗布したのち、配置し、熱電対を接着してこの温度を測
定した。放熱の条件は下記の通りである。
■ 10cm平方(面積100a()で厚さ0.5mm
の銅板を放熱面を酸化させたもの(半導体素子断面積と
等倍の放熱板表面積、自然放冷)■ 10cm平方(面
積10M)で厚さ0.5mmの銅板に厚さ0.3mm奥
行き7mmの銅板製フィンを7mmピッチで立て放熱面
を酸化させたもの(半導体素子断面積の3倍の放熱板表
面積、自然放冷)■ 20cm平方(面積400al)
厚さ0.5mmの銅板に厚さ0.3mm奥行きlQmm
の銅板製フィンを5mmピッチで立て放熱面を酸化させ
たもの(半導体素子断面積の20倍の放熱板表面積、自
然放冷) 各放熱板を用い直流電源の電流量を調整して低温側の銅
板の温度が最低になる条件をもとめた。
の銅板を放熱面を酸化させたもの(半導体素子断面積と
等倍の放熱板表面積、自然放冷)■ 10cm平方(面
積10M)で厚さ0.5mmの銅板に厚さ0.3mm奥
行き7mmの銅板製フィンを7mmピッチで立て放熱面
を酸化させたもの(半導体素子断面積の3倍の放熱板表
面積、自然放冷)■ 20cm平方(面積400al)
厚さ0.5mmの銅板に厚さ0.3mm奥行きlQmm
の銅板製フィンを5mmピッチで立て放熱面を酸化させ
たもの(半導体素子断面積の20倍の放熱板表面積、自
然放冷) 各放熱板を用い直流電源の電流量を調整して低温側の銅
板の温度が最低になる条件をもとめた。
いずれの測定も外気温300にで実施した。
第1表に上記3つの放熱条件における熱電半導体物質の
体積分率a(%)、気孔の体積分率b(%)、素子見か
け抵抗率C(0cm) (a、 b。
体積分率a(%)、気孔の体積分率b(%)、素子見か
け抵抗率C(0cm) (a、 b。
Cはいずれもp型とn型素子の平均値)、低温側最低到
達温度d(K)、低温側最低温度到達時の放熱フィン温
度e(K)、低温側最低温度到達時の電流量f (A)
を示す。
達温度d(K)、低温側最低温度到達時の放熱フィン温
度e(K)、低温側最低温度到達時の電流量f (A)
を示す。
第 1 表
中印は本発明の範囲外の比較例
第1表より明らかなように、本実施例のように半導体素
子部が中空形状を有する担体粒子とその表面に構成され
た熱電半導体物質層よりなるものは、緻密な熱電半導体
を用いたものに比べ、低温側の最低到達温度を低くとれ
る。
子部が中空形状を有する担体粒子とその表面に構成され
た熱電半導体物質層よりなるものは、緻密な熱電半導体
を用いたものに比べ、低温側の最低到達温度を低くとれ
る。
実施例2
熱電半導体物質としては、p型については実施例同様の
(Bi、Sb) Te3を、n型物質としてはスポン
ジチタン中で焼成して強還元したSr T I O3−
Xを検討した。担体粒子としては、平均粒径1mrnの
アルミナ質発泡バルーン(気孔率95%平均気孔径4μ
m)の多孔体顆粒粉体を用いた。半導体物質は各物質の
多結晶凝固体、焼結体を出発原料に用いた。このものを
粗砕後ボールミル中で有機溶媒を用い、0.2mmφの
ジルコニアボールを媒体として媒体撹拌ミルにて粉砕し
、平均粒径0.08μmの粉末とした。乾燥後粉末と粘
性溶媒とを混合して高濃度のスラリーとし、アルミナ質
バルーンを浸したのち乾燥した。この際バルーン表面に
おちに熱電半導体が付着するようなスラリー濃度を選択
した。このスラリーに浸し乾燥する処理の回数を変化さ
せ、熱電半導体層の厚さを変えた試料を作成した。処理
乾燥後の粒子は、成形し、アルゴン中500°Cで2時
間加熱処理した。第2図に作成した半導体素子の断面の
拡大図を示す。第2図において、13はアルミナ質バル
ーン、14は熱電半導体層である。そして、13のアル
ミナ質バルーンの表面に14の熱電半導体層が形成され
ている。
(Bi、Sb) Te3を、n型物質としてはスポン
ジチタン中で焼成して強還元したSr T I O3−
Xを検討した。担体粒子としては、平均粒径1mrnの
アルミナ質発泡バルーン(気孔率95%平均気孔径4μ
m)の多孔体顆粒粉体を用いた。半導体物質は各物質の
多結晶凝固体、焼結体を出発原料に用いた。このものを
粗砕後ボールミル中で有機溶媒を用い、0.2mmφの
ジルコニアボールを媒体として媒体撹拌ミルにて粉砕し
、平均粒径0.08μmの粉末とした。乾燥後粉末と粘
性溶媒とを混合して高濃度のスラリーとし、アルミナ質
バルーンを浸したのち乾燥した。この際バルーン表面に
おちに熱電半導体が付着するようなスラリー濃度を選択
した。このスラリーに浸し乾燥する処理の回数を変化さ
せ、熱電半導体層の厚さを変えた試料を作成した。処理
乾燥後の粒子は、成形し、アルゴン中500°Cで2時
間加熱処理した。第2図に作成した半導体素子の断面の
拡大図を示す。第2図において、13はアルミナ質バル
ーン、14は熱電半導体層である。そして、13のアル
ミナ質バルーンの表面に14の熱電半導体層が形成され
ている。
作成した半導体素子は、実施例1と同様に接合し、同様
の冷却面放熱面を形成して同様の測定を行った。
の冷却面放熱面を形成して同様の測定を行った。
第2表に各放熱条件における熱電半導体物質の体積分率
a、気孔の体積分率b1素子見かけ抵抗率C(0cm)
(a、 b、 cはいずれもp型とn型素子の
平均値)、低温側最低到達温度d(’C)、低温側最低
温度到達時の放熱フィン温度e(’C)、低温側最低温
度到達時の電流量f (A)を示す。
a、気孔の体積分率b1素子見かけ抵抗率C(0cm)
(a、 b、 cはいずれもp型とn型素子の
平均値)、低温側最低到達温度d(’C)、低温側最低
温度到達時の放熱フィン温度e(’C)、低温側最低温
度到達時の電流量f (A)を示す。
第 2 表
中印は本発明の範囲外の比較例
第2表より明らかなように、本実施例のように半導体素
子部が多孔体である担体粒子とその表面に構成された熱
電半導体物質層よりなるものは緻密な熱電半導体を用い
たものに比べ、低温側の最低到達温度が低くとれる、と
くに実施例に示した3条件のように半導体素子断面積当
りの放熱面表面積が小さく、かつ自然放冷のように一般
の電子冷却素子より放熱効率の小さい条件下でその効果
が発揮される。
子部が多孔体である担体粒子とその表面に構成された熱
電半導体物質層よりなるものは緻密な熱電半導体を用い
たものに比べ、低温側の最低到達温度が低くとれる、と
くに実施例に示した3条件のように半導体素子断面積当
りの放熱面表面積が小さく、かつ自然放冷のように一般
の電子冷却素子より放熱効率の小さい条件下でその効果
が発揮される。
[発明の効果コ
以上説明した通り、本発明の電子冷却パネルによれば、
電子冷却を実施した場合、放熱効率の小さい条件下で低
温側の最低到達温度をさげることができる。また大面積
化が容易で安価に製造できるなどの利点を有しており工
業的に有用である。
電子冷却を実施した場合、放熱効率の小さい条件下で低
温側の最低到達温度をさげることができる。また大面積
化が容易で安価に製造できるなどの利点を有しており工
業的に有用である。
第1図及び第2図は本発明の一実施例である電子冷却パ
ネルの半導体素子部の拡大図断面模式図である。 11・・・ガラスバルーン、12・・・熱電半導体物質
、13・・・アルミナ質バルーン、14・・・熱電半導
体層。 代理人の氏名 弁理士 池内寛幸 はか1名11・・・
ガラスバルーン 12・・・熱電半導体物質 1ン 第1図 13・・・アルミナ質バルーン 14・・・熱電半導体層 1%
ネルの半導体素子部の拡大図断面模式図である。 11・・・ガラスバルーン、12・・・熱電半導体物質
、13・・・アルミナ質バルーン、14・・・熱電半導
体層。 代理人の氏名 弁理士 池内寛幸 はか1名11・・・
ガラスバルーン 12・・・熱電半導体物質 1ン 第1図 13・・・アルミナ質バルーン 14・・・熱電半導体層 1%
Claims (2)
- (1)p型とn型の半導体素子を電気的に直列に接合し
、直流電流を流したときの接合界面における発熱吸熱反
応を利用した電子冷却パネルにおいて、半導体素子部が
中空、若しくは多孔体形状を有する担体粒子と、その表
面に形成された熱電半導物質層からなることを特徴とす
る電子冷却パネル。 - (2)熱電半導体物質層が互いに焼結されてなり、半導
体層が連続されてなる請求項1記載の電子冷却パネル。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2335911A JP2862998B2 (ja) | 1990-11-29 | 1990-11-29 | 電子冷却パネル |
EP91106177A EP0455051B1 (en) | 1990-04-20 | 1991-04-18 | Thermoelectric semiconductor having a porous structure deaerated into a vacuum and thermoelectric panel |
DE69130654T DE69130654T2 (de) | 1990-04-20 | 1991-04-18 | Vakuumisolierter thermoelektrischer Halbleiter bestehend aus einer porösen Struktur und thermoelektrisches Bauelement |
DE69132779T DE69132779T2 (de) | 1990-04-20 | 1991-04-18 | Vakuumisolierter thermoelektrischer Halbleiter und thermoelektrisches Bauelement, das P- und N-Typ thermoelektrische Halbleiter benutzt |
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