JPH06174329A - 電子冷却装置 - Google Patents

電子冷却装置

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JPH06174329A
JPH06174329A JP5105526A JP10552693A JPH06174329A JP H06174329 A JPH06174329 A JP H06174329A JP 5105526 A JP5105526 A JP 5105526A JP 10552693 A JP10552693 A JP 10552693A JP H06174329 A JPH06174329 A JP H06174329A
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Hirofusa Tezuka
弘房 手塚
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SAAMOBONITSUKU KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐衝撃性に優れ、性能的に安定した信頼性の
高い電子冷却装置を提供する。 【構成】 熱良導体からなる吸熱側熱導体４ならびに放
熱側熱導体６と、多数のＰ型半導体層１０とＮ型半導体
層１１とを並設し、各半導体間を電極８、１２で接続し
て、前記吸熱側熱導体４と放熱側熱導体６との間に介在
された電子冷却素子群５と、剛性を有し、熱伝導性が悪
く、内部に多数の独立した空気層３９を形成し、前記吸
熱側熱導体４と放熱側熱導体６との間に前記電子冷却素
子群５と並列に介在された支持体２０とを備え、その支
持体２０の一端が前記吸熱側熱導体４に固着され、他端
が前記放熱側熱導体６に固着されたことを特徴とする

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば保冷庫、エアコ
ン、除湿機、冷水機、材料や部品の冷却装置などの電子
冷却装置に係り、特に電子冷却素子を使用した電子冷却
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱電変換素子のうち、電気エネルギーを
投入して所定のものを冷却する素子は電子冷却素子ある
いはペルチェ素子と称され、例えばコンパクトな保冷庫
などの電子冷却装置に使用されている。
【０００３】図２３ないし図２５はこの種の保冷庫を説
明するためのもので、図２３は保冷庫の縦断面図、図２
４はその保冷庫の均熱板上での電子冷却素子群の取付状
態を示す側面図、図２５はその電子冷却素子群の拡大断
面図である。
【０００４】保冷庫は図２３に示すように、ウレタン樹
脂などの断熱材からなる保冷庫本体１と、同じく断熱材
からなり前記保冷庫本体１の上方開口部を開閉する蓋部
材２と、その保冷庫本体１の内側に収容されたアルミニ
ウム製の内箱３とを備えている。
【０００５】前記保冷庫本体１の側面の一部が切除され
て断面形状がほぼ台形をした吸熱体４が挿入され、その
吸熱体４の一端が前記内箱３の外側面に接触している。
この吸熱体４の外側面に１つにモジュール化された電子
冷却素子群５が取り付けられ、さらにこの電子冷却素子
群５の外側面には放熱用のフィン６が固着されており、
図示していないがこのフィン６の近傍には周囲の空気を
強制的に対流させるためのファンが設けられている。
【０００６】前記電子冷却素子群５は図２５に示すよう
に、アルミナなどからなり所定の広さを有する吸熱側絶
縁基板７の上に吸熱側電極８が形成され、その吸熱側電
極８の上に多数のＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１１
とがそれぞれ形成されている。このＰ形半導体層１０と
Ｎ形半導体層１１の上には放熱側電極１２が形成され、
さらにその上にアルミナなどからなり所定の広さを有す
る放熱側絶縁基板１３が設けられている。Ｐ形半導体層
１０とＮ形半導体層１１は一対になって吸熱側絶縁基板
７と放熱側絶縁基板１３との間に並列に介在されている
とともに、前記電極８，１２によって電気的には直列に
接続されて電子冷却素子群５を構成している。
【０００７】この電子冷却素子群５に所定の電流を流す
ことにより、絶縁基板７側の方が吸熱され、それにより
吸熱体４を介して内箱３ならびにその内側が冷却され
る。一方、絶縁基板１３側は発熱するから、前記フィン
６ならびにファンによって外部へ放熱することにより熱
移動が起こり、内箱３内が冷却される仕組みになってい
る。
【０００８】この種の電子冷却装置は図２３に示すよう
に、電子冷却素子群５を吸熱体４と放熱フィン６の間に
固定する手段として、 ．熱絶縁ブッシュなどと組み合わせた金属製ネジで、
吸熱体４と電子冷却素子群５と放熱フィン６の三者を締
結する方法、 ．吸熱体４と電子冷却素子群５の間ならびに電子冷却
素子群５と放熱フィン６の間を、それぞれ熱伝導性を有
する接着剤で接着する方法、 ．弾性を有するクリップで、吸熱体４と電子冷却素子
群５と放熱フィン６の三者を挟持する方法（実公昭４６
−１６００１号参照）などがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところでこの種の電子
冷却装置は、前記内箱３からの集熱効率を良くするため
に内箱３との接触面積は広くとられ、一方、電子冷却素
子群５はコストの点などの理由より大きさが限られるこ
とから、吸熱体４の断面形状は台形になっている。しか
もフイン６からの対流、輻射による熱流の戻りを可及的
に少なくするため、吸熱体４の高さＨを高くしている。
【００１０】そのため、吸熱体４と電子冷却素子群５の
接合面ならびに電子冷却素子群５と放熱フィン６の接合
面を前述のようにネジで締め付けたり、弾性クリップで
押圧する程度では耐衝撃性、耐振動性に乏しいく、電子
冷却素子群５の両側接合面のみを接着剤で接着する方法
では耐衝撃性、耐振動性は期待できない。
【００１１】周知のように半導体素子１０、１１は非弾
性で機械的に脆く、電極８、１２と半導体素子１０、１
１が局部的に半田付けされているだけであるため十分な
機械的強度を有していない。そのため、外部から強い衝
撃や振動を受けると半導体素子１０、１１に亀裂などの
損傷を生じ、電極８、１２との密着が悪くなって、性能
劣化を生じるという欠点を有している。
【００１２】また電子冷却素子群５は、水分の侵入によ
る性能劣化を防止するために周囲がシール剤によって閉
塞されているが、前述のように耐衝撃性、耐振動性に弱
いと、吸熱体４とシール剤の接合面ならびにシール剤と
放熱フィン６の接合面に隙間を生じてシール効果が減退
し、水分の侵入を招来して性能劣化をきたす。
【００１３】また従来の電子冷却装置では吸熱側から放
熱側への熱の移動を考慮したときに、吸熱体４、吸熱側
絶縁基板７、吸熱側電極８、半導体層１０，１１、放熱
側電極１２、放熱側絶縁基板１３ならびに放熱フィン６
の各々の界面で熱抵抗がある。さらにそれに加えて吸熱
側絶縁基板７と放熱側絶縁基板１３自体の熱抵抗によ
り、吸熱効率ならびに放熱効率が悪い。
【００１４】さらにまた、アルミナセラミックなどから
なる絶縁基板７，１３を使用するから、それ自体に反り
などの変形が生じ、吸熱体４、放熱フィン６、電極８，
１２との密着性が悪く、その間の熱抵抗が大となる。
【００１５】またアルミナセラミックなどからなる絶縁
基板７，１３は機械的に脆いため、欠けや亀裂を生じ、
耐衝撃性、耐振動性に乏しい。
【００１６】さらに、アルミナセラミックなどからなる
絶縁基板７，１３と、吸熱体４や放熱フィン６の熱導
体、および電子冷却素子群５を構成する半導体層１０，
１１、電極８，１２、半田層との熱膨張係数の差によ
り、電子冷却装置の使用を繰り返していると、熱歪みに
よって発生する応力により電極８，１２ならびに半田層
などに疲労現象が起こる。そのため接触抵抗が大とな
り、やがては接続不良や断線などを生じて、耐用寿命を
短縮する要因となっていた。
【００１７】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、耐衝撃性に優れ、性能的に安定した信頼性
の高い電子冷却装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、例えばアルミニウムや銅などの熱良導体
からなる例えば吸熱体などの吸熱側熱導体ならびに例え
ば放熱用フィンなどの放熱側熱導体と、多数のＰ型半導
体層とＮ型半導体層とを並設し、各半導体間を電極で接
続して、前記吸熱側熱導体と放熱側熱導体との間に介在
された電子冷却素子群と、剛性を有し、熱伝導性が悪
く、内部に多数の独立した空気層を形成し、前記吸熱側
熱導体と放熱側熱導体子との間に前記電子冷却素子と並
列に介在された例えばハニカム構造を有する紙、合成樹
脂、セラミックなどからなる支持体とを備え、その支持
体の一端が前記吸熱側熱導体に、他端が前記放熱側熱導
体に、例えば接着や溶着などで一体に固着されたことを
特徴とするものである。
【００１９】
【作用】本発明は前述のように、剛性を有する支持体が
冷却素子と並列に配置され、その支持体が吸熱側熱導体
と放熱側熱導体との間において両熱導体に固着されて一
体の剛体構造になっている。そのため外部から強い衝撃
や振動が加わっても、前記一体剛体構造でそれを受ける
ことができ、電子冷却素子群の保護が図れるから、耐衝
撃性、耐振動性の向上が図れる。
【００２０】また、この支持体は熱伝導性が悪く、内部
に多数の独立した空気層を有しているから、放熱側熱導
体から吸熱側熱導体への熱流の戻りが有効に抑制され、
そのために優れた冷却効率を得ることができる。
【００２１】このようなことから、高性能、高効率なら
びに高信頼性の電子冷却装置を提供することができる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図とともに説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る電子冷却装置を保冷
庫に装備した状態を示す要部断面図、図２はその電子冷
却装置を吸熱側から見た平面図、図３はその電子冷却素
子群の拡大断面図、図４はその電子冷却素子群の拡大斜
視図、図５は吸熱体の平面図、図６は吸熱体の断面図、
図７はアルマイト表面の状態を示す拡大断面図、図８は
アルマイト表面の封孔処理の状態を示す拡大断面図、図
９は電子冷却素子群の取り付け構造を示す一部断面図、
図１０は皿ばねの拡大断面図、図１１は支持体の一部斜
視図である。
【００２３】従来と同様に保冷庫は、ウレタン樹脂など
の断熱材からなる保冷庫本体と、同じく断熱材からなり
前記保冷庫本体の上方開口部を開閉する蓋部材と、その
保冷庫本体の内側に収容されたアルミニウム製の内箱と
を備えている。
【００２４】前記保冷庫本体の側面の一部が切除され
て、本発明の実施例に係る電子冷却装置が装着されてい
る。この電子冷却装置は図１に示すように、吸熱体４
と、放熱フィン６と、吸熱体４と放熱フィン６の間に介
在された電子冷却素子群５ならびに支持体２０と、フア
ン１９から主に構成され、同図に示すように前記吸熱体
４が内箱３の外側面にネジ止めにより密着している。
【００２５】前記吸熱体４はアルミニウムからなり、内
箱３との接触面積を広くとるために両側にフランジ部２
１が設けられ、中央部に電子冷却素子群５を取り付ける
台形部２２が形成されている。放熱フィン６からの対
流、輻射による熱流の戻りを可及的に少なくするため、
吸熱体４は所定の高さＨを有し、前記フランジ部２１と
後述する放熱フィン６のフランジ部２７が離れている。
【００２６】図５ならびに図６に示すように、前記フラ
ンジ部２１の内箱３と接触する側の面とは反対側の面に
はフランジ部２１の長手方向に沿って多数のＶ溝状の小
溝２３と、Ｕ溝状の接着剤溜め２４とが形成されてい
る。
【００２７】台形部２２には、それの長手方向に沿って
３対の座ぐり２５と素子取付孔２６とが所定の間隔をお
いて形成されている。
【００２８】図１に示すように、放熱フィン６側も十分
な放熱面積を確保するためにフランジ部２７が両側に設
けられ、そのフランジ部２７には多数のＶ溝状の小溝と
Ｕ溝状の接着剤溜とが形成されている（ともに図示せ
ず）。フランジ部２７のフアン１９側には多数の羽根２
９が立設されて、所定の放熱面積を有している。
【００２９】前記電子冷却素子群５は図３ならびに図４
に示すように、所定の間隔をおいて配置された吸熱側電
極８と、その上に形成された例えばバルク状あるいは膜
状（厚膜または薄膜）のＰ形半導体層１０ならびにＮ形
半導体層１１と、このＰ形半導体層１０とＮ形半導体層
１１とを接続する発熱側電極１２とから構成されてい
る。多数のＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１１とが並
列に配置され、電気的には図４に示すように直列に接続
されている。
【００３０】このように本実施例では、アルミナセラミ
ック等からなる絶縁基板は使用されておらず、一方の面
に吸熱側電極８が、他方の面に放熱側電極１２が露呈し
ている。
【００３１】各電子冷却素子群５と吸熱体４との間、な
らびに各電子冷却素子群５と放熱フィン６との間には図
３に示すように、高熱伝導性のシリコーングリース層１
７が形成されている。
【００３２】このシリコーングリース層１７は、ベース
オイルに対して例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛など
の無機化合物もしくは銀、銅、アルミニウムなどの金属
微粉末からなるの微細状のフイラー（平均粒径１０μｍ
以下のもの）を５０重量％以上添加したものが好適であ
る。このようにフイラーを高い含率で分散、保持したシ
リコーングリース層１７の熱伝導率は６．０×１０-3ｃ
ａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上と高く、一般のシリコーン
グリースの３×１０-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃に比較
すると、熱伝導率が１桁以上も高い。またこのシリコー
ングリース層１７は、−５５〜２００℃までの広い温度
範囲にわたって良好な弾性と粘着性を保持している。
【００３３】前記吸熱体４ならびに放熱フィン６の少な
くとも前記電子冷却素子群５と対向する面には、アルマ
イトからなる電気絶縁層１８が形成される。
【００３４】アルマイトは通常、陽極酸化法などによっ
て形成されるが、図７に示すように電気絶縁層１８（ア
ルマイト層）の表面から深部に向けて微孔３０が無数に
形成される。このように微孔３０が無数に形成されても
電気絶縁層１８の絶縁性はほとんど低下することはない
が、微孔３０がそのままの状態で残っていると、吸熱体
４（放熱フィン６）と電子冷却素子群５との間に実質的
に空気層が形成されたことになり、そのために熱抵抗が
極端に高くなり、熱伝導性が悪い。
【００３５】そのため本実施例では、前記微孔３０に例
えば酢酸ニッケルなどの封止剤３１を浸透させて熱伝導
性を改善している。この封止剤３１によって微孔３０の
全体が埋っている方が好ましいが、封止剤３１が微孔３
０中にある程度浸透することにより、実質的に空気層が
減少して、熱伝導性の改善効果は認められる。
【００３６】図に示すように、電気絶縁層１８（アルマ
イト層）の表面に封止剤３１の被膜を形成すればシリコ
ーングリース層１７とのなじみが良好となり、さらに熱
伝導性が良くなる。
【００３７】なお、この電気絶縁層１８（アルマイト
層）の厚さは、３〜２０μｍ程度あれば電気絶縁性上十
分である。
【００３８】前記吸熱板４ならびに放熱フィン６として
銅を使用する場合、それらと電子冷却素子群５との間に
二酸化ケイ素、アルミナまたは酸化クロムなどの無機化
合物の微粒子を含んだ１０〜５０μｍ程度の電気絶縁層
１８を形成すればよい。
【００３９】図２に示すように本実施例の場合、電子冷
却装置の長手方向に沿って２個の電子冷却素子群５が所
定の間隔をあけて取り付けられている。この電子冷却素
子群５は図９に示すように、吸熱体４と放熱フィン６と
の間に介在され、吸熱体４の座ぐり２５側から挿入した
締付けネジ３２と皿バネ３３とによって挟持されてい
る。本実施例の場合、前記締付けネジ３２はガラス繊維
を５０重量％含有したポリアミド製のものを、前記皿バ
ネ３３はステンレス鋼製のものが使用されている。この
皿バネ３３と、前記吸熱体４と電子冷却素子群５との間
ならびに放熱フィン６と電子冷却素子群５との間に介在
されたシリコーングリース層１７により、電子冷却素子
群５が吸熱体４と放熱フィン６の間で弾性的に保持され
ている。
【００４０】本実施例では図９に示すように、前記締付
けネジ３２で締め付けた後、座ぐり２５の中空部分にシ
リコーングリース層１７と同じ高熱伝導性のシリコーン
グリース３４が充填されている。
【００４１】図２に示すように、吸熱体４と放熱フィン
６との間で挟持された電子冷却素子群５の周囲はシール
剤層３５で気液密にシールされている。このシール剤に
は例えばエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹
脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系などが使
用可能であり、本実施例の場合は中空状のガラス微粒子
を２０〜６５重量％（好ましくは３０〜６０重量％）均
一に分散したエポキシ系樹脂が使用される。この中空状
のガラス微粒子は２０〜１３０μｍの径を有し、壁厚は
０．５〜２μｍ、平均粒子比重は０．１〜０．４で、中
空状ガラス微粒子を含有したエポキシ系樹脂は熱伝導率
が１×１０-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃と非常に低い。
【００４２】図１に示すように吸熱体４のフランジ部２
１と放熱フィン６のフランジ部２７との間には図１１に
示すようにハニカム構造をした、例えばはっ水処理した
紙、合成樹脂、セラミック、熱伝導率が低く設計された
金属、高強度ウレタンやチェラストなどの硬質ゴム、木
材などからなる実質的に殆ど弾性をもたない剛性で熱伝
導性の悪い支持体２０が、その周壁３７の長手方向がフ
ランジ部２１とフランジ部２７の間を向くように介在さ
れている。特にパラフィン、ワックスあるいはフッ素オ
イルなどのはっ水剤ではっ水処理した紙製の支持体２０
は、非弾性で十分な剛性を有し、軽量でコストが安いた
め賞用できる。
【００４３】そして前記フランジ部２１と支持体２０と
の間、フランジ部２７と支持体２０との間は接着剤３６
によって一体に連結されている。この接着剤３６として
はエポキシ系樹脂、ビニル系樹脂、アミド系樹脂、ポリ
エステル系樹脂、ゴム系などが使用可能であり、本実施
例の場合はエポキシ系樹脂が用いられている。
【００４４】前述のようにフランジ部２１、２７に多数
の小溝を形成しておけば、接着剤の回り込みが良好で、
接着部に十分な量の接着剤を保持することができ、支持
体２０とフランジ部２１、２７との固着が確実である。
【００４５】この支持体２０はハニカム構造のため内部
に独立した多数の空間部３８を有し、前述のようにフラ
ンジ部２１とフランジ部２７の間に介在することにより
図１に示すように、その空間部３８により多数の独立し
た空気層３９が形成されることになる。
【００４６】なお、本発明の明細書においてハニカム構
造とは、図１１に示すように平面形状が六角形の空間部
３８を有するもの以外に、例えば平面形状が三角形、四
角形、五角形などの多角形、あるいは円形や楕円形など
任意な形状の空間部を多数有し、各空間部が周壁によっ
て独立し、その周壁どうしが一体に連結した構造体を意
味している。特にこのハニカム構造により、高い剛性と
多数の独立した空間部３８（空気層３９）が同時に得ら
れるため賞用できる。
【００４７】この支持体２０は図２に示すように、電子
冷却素子群５の機械的保護を図るため、電子冷却素子群
５の両側でかつシール剤層３５の外側に固着されてい
る。
【００４８】図１２ならびに図１３は電子冷却素子群５
の変形例を示す図で、電子冷却素子群５に機械的強度を
付与するとともに、電極間の電気的接触を確実に防止す
るために、図１２の場合は吸熱側電極８、８の間、なら
びに放熱側電極１２、１２の間に電気絶縁性を有する接
着剤層４０が形成されている。また図１３の場合は、さ
らにＰ形半導体層１０とＮ形半導体層１１の間にも接着
剤層４０が介在されている。
【００４９】この接着剤層４０には、例えばシリコーン
系樹脂やエポキシ系樹脂などの有機化合物単独、あるい
は例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの無機化合物
を適量混入した有機化合物などが使用される。
【００５０】図１４ならびに図１５は支持体２０の配置
の変形例を示す図で、図１４の場合は支持体２０が吸熱
体４の四隅に分けて設置されており、図１５の場合は吸
熱体４が図１４のものよりも広くなり、枠状の支持体２
０によって電子冷却素子群５ならびにシール剤層３５の
周囲全体が囲まれている。
【００５１】図１６ないし図１９は支持体２０の変形例
を示す図である。図１６の場合はハニカム構造の支持体
２０が用いられているが、それの空間部３８の中間位置
に遮断層４１が形成されて、空気層３９が吸熱体４と放
熱フィン６との間において２分されている。このように
空気層３９を吸熱体４と放熱フィン６との間において分
割することにより、放熱フィン６からの熱流の戻りがさ
らに減少する。前記遮断層４１は、例えば細いノズルを
用いて空間部３８にシール剤を所定量注入して、そのシ
ール剤を乾燥、硬化する方法などによって形成される。
なお、この変形例では空間部３８の中間位置に遮断層４
１が形成したが、空間部３８の一方の開口から中間位置
ぐらいまでに遮断層４１を形成して、空気層３９の容積
を小さくすることもできる。
【００５２】図１７の変形例の場合、支持体２０の周壁
が吸熱体４と放熱フィン６の方向に延びた横型ハニカム
構造の支持体２０ａと、周壁がそれと直交する方向に延
びた縦型ハニカム構造の支持体２０ｂとが組合せられて
いる。
【００５３】図１８の変形例の場合、支持体２０と吸熱
体４ならびに電子冷却素子群５との間に、例えば中空状
のガラス微粒子を含有した熱伝導性の低い樹脂層４２が
形成されている。
【００５４】図１９の変形例の場合、殆どが独立気泡に
なっている焼結体からなる支持体２０が使用されてい
る。
【００５５】図２０は吸熱体４の変形例を示す図で、こ
の例の場合は吸熱体４のフランジ部２１が吸熱体４の側
面よりも若干放熱フィン６側に寄っている。
【００５６】図２１は吸熱体４ならびに放熱フィン６の
変形例を示す図で、この例の場合は吸熱体４のフランジ
部２１ならびに放熱フィン６のフランジ部２７が長く延
びており、そのフランジ部２１とフランジ部２７の先端
部付近の狭い個所に支持体２０が介在されている。
【００５７】前記実施例では、絶縁基板を使用しない
で、電極が露呈したスケルトンタイプの電子冷却素子群
を使用して、絶縁基板による弊害を除去した例について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
絶縁基板を付設した電子冷却素子群を使用することもで
きる。この場合、絶縁基板としてアルミナセラミックス
の代わりに窒化アルミニウムを使用することもできる。
アルミナセラミックスの熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫ程度で
あるのに対して窒化アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ
／ｍＫ程度で、絶縁基板の熱抵抗が１／１０になり有利
である。
【００５８】また前記実施例では、所定の間隔をおいて
電子冷却素子群を直線状に配置したが、例えば所定の間
隔をおいて電子冷却素子群を千鳥状に配置したり、複数
層に積層するなど、他の配置例を採用してもよい。
【００５９】さらに前記実施例では、内箱の一方の側面
に電子冷却装置を配置したが、内箱の対向する両側面に
それぞれ電子冷却装置を配置することもできる。
【００６０】次に前記図１ならびに図２に示す本発明の
電子冷却装置の各種の試験結果について説明する。
【００６１】（１）剛性試験 剛性試験として、衝撃試験機（ＡＶＥＸ製ＳＭ−１１０
−３）を用いた衝撃試験と、振動試験機（振研製Ｇ−０
１３０）を用いた振動試験を行った。
【００６２】吸熱体を試験機に取り付け、支持体を介し
て接合された放熱フィンが所定の衝撃加速度および正弦
波振動により、いかなる影響を受けるかを剛性の目安と
して試験した。
【００６３】剛性の判定は、吸熱体と放熱フィンに挟持
された電子冷却素子の内部抵抗値の変化の有無で判定し
た。すなわち、電子冷却素子に使用される半導体層は衝
撃に対して比較的弱く、外部から衝撃が加わると半導体
層にクラックが入り、そのクラツクの発生は一定の電流
を流すことにより内部抵抗値の変化として検出できるか
ら、剛性の判定方法として採用した。
【００６４】Ａ．衝撃試験 図２２に電子冷却装置の落下方向軸Ｘ，Ｙ，Ｚを示す。 （試験条件） ＭＩＬ規格ＳＴＤ−８８３Ｃに準拠 波 形：正弦半波 加速度 ：１０００Ｇ 作用時間：０．５ｍｓ 衝撃回数：Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸でＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ
２，Ｚの５方向（図２２に示すように、Ｘ方向に電子冷
却装置を落下する場合でも、Ｘ１の方を下にして落下す
る場合と、Ｘ２の方を下にして落下する場合とがある。
Ｙ方向の落下も同様にＹ１，Ｙ２の２方向がある。Ｚ方
向の落下の場合は、試験機の構造の関係で一方向だけし
か落下できない。） （試験結果） ．前記３軸５方向（Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ）に
１回ずつ合計５回落下しても、いずれも抵抗値は測定誤
差範囲内であった。
【００６５】．Ｘ方向の連続落下試験では、落下７回
まで抵抗値の変化はなく、８回目で抵抗値の上昇が認め
られた。
【００６６】．Ｙ方向の連続落下試験では、落下１９
回まで抵抗値の変化はなく、２０回目で抵抗値の上昇が
認められた。
【００６７】．Ｚ方向の連続落下試験では、落下４０
回まで抵抗値の変化はなかったので、その時点で試験を
終了した。
【００６８】Ｂ．振動試験 （試験条件） ＭＩＬ規格ＳＴＤ−８８３Ｃ 方法２００７に準拠 振動数 ：１０〜５００Ｈｚ 加速度 ：±５Ｇ，±１０Ｇ，±２５Ｇ（但し、全振幅
は１．５２ｍｍ） 掃引時間：４ｍｉｎ 振動時間：各加速度でそれぞれＸ，Ｙ，Ｚの３方向で各
１６分間（合計４８分間）ただし、１掃引毎に抵抗値を
測定 （試験結果） ．加速度が±５Ｇならびに±１０Ｇでは、抵抗値の変
化は認められなかった。
【００６９】．加速度が±２５Ｇでは抵抗値の変化が
認められた。
【００７０】以上の衝撃試験および振動試験の結果から
明らかなように、本発明の電子冷却装置は実際に使用さ
れる条件からみて高い剛性を有し、優れた耐衝撃性、耐
振動を有していることが立証できる。
【００７１】（２）性能試験 アルミナ基板を使用した従来の電子冷却装置と本発明の
電子冷却装置をそれぞれ内容積１０リットルの保冷庫に
取り付けて、外気温度３０℃の下で、庫内中央部の底面
から蓋面までを５等分し、電力を投入して１８０分後の
庫内４点の平均温度を測定した結果を次の表１に示す。
【００７２】 表 １ 電子冷却装置 半導体個数 電圧（Ｖ） 電流（Ａ） 平均温度（℃） 従来品１ ２５４ １２ ３．３ １４．２３ 従来品２ ５０８ ２４ ３．３ ２．７１ 本発明品 ２４８ １２ ４．０ ２．６２ この表から明らかなように、半導体個数が２５４個の従
来品１では、外気温度３０℃で庫内平均温度は１４．２
３℃にしかならず、保冷庫の条件である５℃以下に到達
しない。
【００７３】本発明の電子冷却装置の場合、半導体個数
が２４８個であるが、半導体個数が２倍以上の従来品２
と同等以上の優れた冷却性能を有している。また、本発
明品は従来品２と同等以上の吸熱量を有しているにもか
かわらず、投入電力は４８Ｗで従来品２の７９．２Ｗに
対して６１％にすぎず、従って成績係数はその分改善さ
れた。
【００７４】（３）半導体層の破壊試験 従来の電子冷却装置と本発明の電子冷却装置にそれぞれ
電圧１２Ｖ、電流５Ａの電流を流し、吸熱体の温度が９
０℃になったときに自動的に極性を変更して４０℃まで
冷却し、再び極性を変更して９０℃まで昇温させる熱サ
イクル試験により、半導体層が破壊するまでのサイクル
数を測定し、その結果次の表２に示した。なお、試験個
数は何れも３０個である。
【００７５】 表 ２ 電子冷却装置 サイクル数のレンジ 平均サイクル数 従来品 ７８〜 １，４３５ ６０２．６ 本発明品 ２８, ９２５〜８２，２１７ ４９０７２．５ 電子冷却素子は吸熱側と放熱側の距離が極めて短いにも
かかわらず、通常の使用方法では吸熱側と放熱側の間に
約４０〜６０℃の温度差を生じる。その間にＰ型、Ｎ型
半導体層、半導体層両端面のニッケルなどのメッキ層、
銅などの電極、電極と半導体層を接合する半田層などが
あり、各々線膨張係数が異なる材料が前記温度格差によ
る膨張、収縮を繰り返すことになる。
【００７６】前述の表２から明らかなように、従来の電
子冷却装置では電極がアルミナからなる絶縁基板に固定
されているため、その基板の線膨張係数との差による接
合面の破壊が起こり、そのため半導体層が局所的に内部
抵抗が高まって高温となったり、接合面で局所的な放電
が生じて、半導体層が比較的早く破壊される（平均サイ
クル数約６００サイクル）。
【００７７】これに対して本発明の電子冷却装置は、電
極と電気絶縁層の間が変位可能になっているため、従来
のものに比較して平均サイクル数が８１．４倍と極めて
長く、優れた耐用寿命を有している。
【００７８】
【発明の効果】本発明は前述のように、剛性を有する支
持体が冷却素子と並列に配置され、その支持体が吸熱側
熱導体と放熱側熱導体との間において両熱導体に固着さ
れて一体の剛体構造になっている。そのため外部から強
い衝撃や振動が加わっても、前記一体剛体構造でそれを
受けることができ、電子冷却素子群の保護が図れるか
ら、耐衝撃性、耐振動性の向上が図れる。
【００７９】また、この支持体は熱伝導性が悪く、内部
に多数の独立した空気層を有しているから、放熱側熱導
体から吸熱側熱導体への熱流の戻りが有効に抑制され、
そのために優れた冷却効率を得ることができる。
【００８０】このようなことから、高性能、高効率なら
びに高信頼性の電子冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る電子冷却装置を保冷庫に
装備した状態を示す要部断面図である。
【図２】その電子冷却装置を吸熱側から見た平面図であ
る。
【図３】その電子冷却素子群の拡大断面図である。
【図４】その電子冷却素子群の拡大斜視図である。
【図５】吸熱体の平面図である。
【図６】吸熱体の断面図である。
【図７】アルマイト表面の状態を示す拡大断面図であ
る。
【図８】アルマイト表面の封孔処理の状態を示す拡大断
面図である。
【図９】電子冷却素子群の取り付け構造を示す一部断面
図である。
【図１０】皿ばねの拡大断面図である。
【図１１】支持体の一部斜視図である。
【図１２】電子冷却素子群の変形例を示す拡大断面図で
ある。
【図１３】電子冷却素子群の変形例を示す拡大断面図で
ある。
【図１４】支持体の配置の変形例を示す平面図である。
【図１５】支持体の配置の変形例を示す平面図である。
【図１６】支持体の変形例を示す拡大断面図である。
【図１７】支持体の変形例を示す図である。
【図１８】支持体の変形例を示す図である。
【図１９】支持体の変形例を示す図である。
【図２０】吸熱体の変形例を示す図である。
【図２１】吸熱体と放熱フィンの変形例を示す図であ
る。
【図２２】落下方向を示す説明図である。
【図２３】従来の電子冷却装置を装備した保冷庫の縦断
面図である。
【図２４】その保冷庫の吸熱体上での電子冷却素子群の
取付状態を示す側面図である。
【図２５】その電子冷却素子群の拡大断面図である。
【符合の説明】
４ 吸熱体 ５ 電子冷却素子群 ６ 放熱フィン ８ 吸熱側電極 １０ Ｐ形半導体層 １１ Ｎ形半導体層 １２ 放熱側電極 １６ 接着剤層 １７ シリコーングリース層 １８ 電気絶縁層 ２０ 支持体 ２１ フランジ部 ２２ 台形部 ２３ 小溝 ２７ フランジ部 ３０ 微孔 ３１ 封止剤 ３３ 皿バネ ３６ 接着剤 ３７ 周壁 ３８ 空間部 ３９ 空気層 ４１ 遮断層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大澤 敦 神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地７ 株式会社サーモボニック内 (72)発明者 手塚 弘房 神奈川県川崎市川崎区塩浜１丁目７番地７ 株式会社サーモボニック内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱良導体からなる吸熱側熱導体ならびに
    放熱側熱導体と、 多数のＰ型半導体層とＮ型半導体層とを並設し、各半導
    体間を電極で接続して、前記吸熱側熱導体と放熱側熱導
    体との間に介在された電子冷却素子群と、 剛性を有し、熱伝導性が悪く、内部に多数の独立した空
    気層を形成し、前記吸熱側熱導体と放熱側熱導体との間
    に前記電子冷却素子群と並列に介在された支持体とを備
    え、 その支持体の一端が前記吸熱側熱導体に固着され、他端
    が前記放熱側熱導体に固着されたことを特徴とする電子
    冷却装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載において、前記支持体がハ
    ニカム構造を有していることを特徴とする電子冷却装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載において、前記電子冷却素
    子群が吸熱側熱導体と放熱側熱導体との間に弾性的に挟
    持されていることを特徴とする電子冷却装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載において、前記電子冷却素
    子群は電極が露呈する構造を有し、前記熱導体の電極と
    対向する表面に薄い電気絶縁層が形成されて、熱導体に
    対して電子冷却素子群が変位可能になっていることを特
    徴とする電子冷却装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載において、前記熱導体の前
    記電子冷却素子群と対向する面にアルマイト層が設けら
    れ、そのアルマイト層に形成された微孔に封止剤が浸透
    していることを特徴とする電子冷却装置。
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