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 |
| DE69130654T DE69130654T2 (de) | 1990-04-20 | 1991-04-18 | Vakuumisolierter thermoelektrischer Halbleiter bestehend aus einer porösen Struktur und thermoelektrisches Bauelement |
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1990
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