JPH06181341A - 熱電気変換モジュール，熱電子冷却装置及び冷凍庫 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 カスケード方式によらない新規のモジュール
構造とそれを用いた熱電子冷却装置及び冷凍庫を提供す
ること。 【構成】 熱電気変換モジュールは，一枚の耐熱性絶縁
基板１の中心部と，外周の一部に夫々形成された金属リ
ング厚膜３及び半リング状の一対の厚膜電極２ａ，２ｂ
膜と，リング状の形状を持つＮ型及びＰ型半導体厚膜
４，５とを対比させて積層させている。このＮ型半導体
厚膜４，金属リング厚膜３，Ｐ型半導体厚膜５及び電極
厚膜２ａ，２ｂから熱電対を形成した。この熱電気変換
モジュール１０の，耐熱性絶縁基板１上の金属リング厚
膜３，Ｎ型及びＰ型半導体厚膜４，５及び電極厚膜２
ａ，２ｂは，スクリーン印刷法で形成されている。ま
た，熱電子冷却装置は，この熱電気変換モジュール１０
を複数枚重ね合わせ，これ等を電気的に直列に配列され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，耐熱絶縁板上にＮ型及
びＰ型半導体対を形成し，これを熱電気変換モジュール
とし，熱エネルギーを電気エネルギーに（ゼーベック効
果）又電気エネルギーを熱エネルギーに変換する（ペル
チェ効果）装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ゼーベック効果及びペルチェ効果を原理
とした熱電気変換素子対をユニット化した熱電気変換モ
ジュールの開発は古くからなされている。

【０００３】従来の熱電気変換モジュールは，図７で示
すように，Ｎ型及びＰ型半導体チップ１００，１０１を
互いに隣合うように配列し，この半導体チップ列の隣合
う一対を両端が互い違いに接続されるように，低熱源側
素子接合金属１０２及び高熱側素子接合金属１０３で夫
々半田１０４を介して接合し，更に，接合された接合金
属１０２，１０３の両端を耐熱性絶縁薄板１０５によっ
て，銀ろう１０６を介して挟み込んで，平板状に組み立
てられている。この熱電気変換モジュールの熱電対素子
は，電気的に直列に且つ熱的には並列に配列されてい
る。尚，図中で符号１０７ａは放熱板１０７を構成する
放熱フィンである。ここ数十年間，このような熱電気変
換モジュールの基本構造は，殆ど変化していない。とこ
ろで，電気的エネルギーを熱エネルギーに変換する（ペ
ルチェ効果）の場合（カスケード方式）には，このよう
な平板型熱電気変換モジュールを階段状に複数枚重ね
て，冷却能率を上げるように構成されているものもあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した様な構造を有
する従来の熱電気変換モジュールを使用する際に，熱電
対の両端に大きな温度差を与えるためには，図７で示す
ように，放熱フィン１０７ａを一端に有する熱電気変換
モジュールの数倍から数十倍も大きい体積を持つ放熱板
を，このモジュールの低熱源側に取り付けなければなら
ない。又，前述したカスケード方式が取り入れられる場
合でも，重ね合わされる熱電気変換モジュールの段数に
は，物理的に限界があった。

【０００５】そこで，本発明の一つの技術的課題は，熱
電子冷却用に使用される熱電気変換モジュール構造の欠
陥を取り除き，前述したカスケード方式による場合の冷
却能力の限界について，技術的に解決するように，カス
ケード方式によらない新規の小型な熱電気変換モジュー
ルを提供することにある。

【０００６】本発明のもう一つの技術的課題は，前記熱
電気変換モジュールを用いることで小型化された熱電子
変換装置を提供することにある。

【０００７】本発明のさらにもう一つの技術的課題は，
前記熱電子冷却装置を用いることで小型化された冷凍庫
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，一枚の
耐熱性絶縁板の中心部及びこの中心部の周囲に夫々形成
されたリング状の第１の金属膜及び半リング状の一対の
第２の金属膜と，前記第１及び第２の金属膜間に対向形
成された半リング状のＮ型及びＰ型半導体厚膜とを備
え，前記第２の金属膜を前記Ｎ型及びＰ型半導体厚膜の
夫々の電極端子とし，前記Ｎ型半導体厚膜及び前記Ｐ型
半導体厚膜を前記第１の金属膜を介して接合して熱電対
を構成したことを特徴とする熱電気変換モジュールが得
られる。

【０００９】本発明によれば，前記熱電気変換モジュー
ルにおいて，前記耐熱性絶縁板上の前記第１及び第２の
金属膜，及び前記Ｎ型及びＰ型半導体厚膜は，スクリー
ン印刷法で積層形成されていることを特徴とする熱電気
変換モジュールが得られる。

【００１０】本発明によれば，前記熱電気変換モジュー
ルを複数枚重ね合わせ，電気的に直列に配置し，該重ね
合わされた熱電気変換モジュールの中心部に，円管状の
低熱源部を形成したことを特徴とする熱電子冷却装置が
得られる。

【００１１】本発明によれば，前記熱電子冷却装置の前
記円管状の低熱源部を貫通したパイプ端部に接続された
熱交換器を冷凍室に備え，前記低熱源部と前記熱交換器
との間に冷却媒体を循環させ，該冷凍室内を冷却するこ
とを特徴とする冷凍庫が得られる。

【００１２】

【作用】本発明の熱電気変換モジュールおいては，耐熱
絶縁板上のＮ型及びＰ型半導体厚膜の接合部である中心
部の第１の金属膜には吸熱が起こり，電圧を印加する電
極端子である一対の第２の金属膜には発熱が生じる。本
発明においては，前記熱電気変換モジュールを基本構造
として，複数枚重ね合わせ，電気的に直列に結合させ
る。この熱電気変換モジュールの枚数を，製造される熱
電子冷却装置の仕様に応じて，限りなく重ね合わせて結
合し，円管状の冷却帯の長さを適当に変化させ，熱電子
冷却装置の冷却能力一杯に，冷却させることが可能であ
る。

【００１３】

【実施例】以下，本発明の実施例について，図面を参照
して説明する。

【００１４】図１（ａ）は本発明の実施例に係る熱電気
変換モジュールを示す平面図で，図１（ｂ）は図１
（ａ）のＡＢ断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）にお
いて，熱電気変換モジュール１０は，中心部に設けられ
た中心孔６及び四隅に設けられた電気接点形成用の縁孔
７ａを有する四角形の耐熱性絶縁薄板１と，この耐熱性
絶縁薄板１上に形成された一対の円弧状の厚膜電極２
ａ，２ｂと，耐熱性絶縁薄板１の中心孔６の周囲に形成
された金属リング厚膜３と，円弧状のＮ型半導体厚膜４
及びＰ型半導体厚膜５とを備え，これらは略等しい厚み
を有している。

【００１５】厚膜電極２ａ，２ｂは，耐熱性絶縁薄板１
の中心線で切断されたように，中心線に関して対称形成
された半リング状を夫々有し，また，耐熱性絶縁薄板１
の四隅の位置の孔７ａの周囲に形成され，角部１ａに向
かって耐熱性絶縁薄板１に沿って突出するように形成さ
れたリング状の接点２ｃを有する。

【００１６】Ｎ型半導体厚膜４及びＰ型半導体厚膜５
は，耐熱性絶縁薄板１上で厚膜電極２ａ，２ｂと金属リ
ング３との間に夫々形成され，前述の耐熱性絶縁薄板１
の中心線で２分割されるように対称に形成された半リン
グ状を有している。このＮ型半導体厚膜４及びＰ型半導
体厚膜５は，金属リング厚膜３に内接し，互いに電気的
に接続している。

【００１７】このように本発明の実施例においては，半
導体素子材の形状を，半リング状厚膜にし，断面積を小
さくし，表面積を広くすることによって，外周である高
熱源側より発生する熱の放散をし易く，また，電流によ
る途中での熱放散を容易にしている。また，内周である
低熱源側と外周との間の素子脚（素子チップの高さ），
即ち，本発明の実施例では半導体厚膜の幅に対応する，
を従来よりも長くし，その両端子間に大きな温度差をよ
り付けやすくすることができる。

【００１８】図２は，図１のＮ型半導体厚膜４及びＰ型
半導体厚膜５を形成するための原料ペーストを製造する
方法を示している。図２で示すように，第１段階として
Ｎ型半導体厚膜原料としてＢｉ_1.8 Ｓｂ_0.2 Ｔｅ_2.85及
びＳｂＩ₃ を用意し，Ｐ型半導体厚膜原料としてＢｉ
_0.5 Ｓｂ_1.5 Ｔｅ₃ 及びＳｅを用意した（Ｓ１段階）。
第２段階として，これらの原料粉末を，例えばＰ型半導
体厚膜原料に関してはＳｅが１．７５wt％となるように
所定量秤量した（Ｓ２段階）。第３段階として，これら
夫々の原料を真空中で溶解した（Ｓ３段階）。第４段階
として得られたインゴットを５vol ％のＨ₂ を含むＡｒ
ガス気流中にて熱処理した。Ｎ型半導体インゴットの場
合は，５４８〜５０８℃で４８時間，Ｐ型半導体の場合
は，４８８〜４７３℃で４８時間，夫々熱処理した（Ｓ
４段階）。第５段階として，熱処理した夫々のインゴッ
トを平均粉末粒度１〜２μｍに粉砕した。次の段階とし
て，溶剤を混入してＮ型半導体及びＰ型半導体の原料ペ
ーストを夫々製造した（Ｓ６段階）。ここで使用される
溶剤としては，ポリビニルアルコール，ポリブチルアル
コール等の粘性を持たせるアルコール系の溶剤を使用す
ることができる。以上のようにして，原料ペーストの製
造が完了した（Ｓ７段階）。

【００１９】図３は，図１の熱電気変換モジュールを製
造する方法を示している。図３で示すように，第１段階
として，耐熱性絶縁薄板１を用意した（Ｓ１０段階）。
第２段階として，図１で示すように，耐熱性絶縁薄板１
の中央部及び外周部に，Ｃｕ−Ｔｉ粉末ペーストからな
るリング状電極をスクリーン印刷した（Ｓ１１段階）。
第３段階としてＣｕ−Ｔｉ粉末ペーストを乾燥させた
（Ｓ１２段階）。第４段階として，８５０℃で３０分
間，真空中で加熱して，耐熱性絶縁薄板１とＣｕ−Ｔｉ
粉末とを反応させて，電極形成を行った（Ｓ１３段
階）。第５段階として，電極間にＮ型及びＰ型半導体の
原料ペーストをスクリーン印刷して，乾燥時の膜厚が２
００μｍとなるように積層した（Ｓ１４段階）。第６段
階として，得られた厚膜を乾燥した（Ｓ１５段階）。第
７段階として，乾燥した膜を毎分２リットルでＡｒ気流
を供給して焼結加熱した。Ｐ型半導体厚膜に関しては，
４７０℃で１時間，Ｎ型半導体厚膜に関しては，４６０
℃で１時間とした（Ｓ１６段階）。

【００２０】以上のような製造工程で，熱電気変換モジ
ュールの製造が完了した（Ｓ１７段階）。尚，厚膜熱電
気変換モジュールの形状寸法は，目的に応じて選ぶこと
ができる。

【００２１】図４は図１の熱電気変換モジュールを用い
た熱電子冷却装置の電気接続部を概略的に示す組立分解
断面図である。図４において，バネ部材以外は，図１の
ＣＤに沿って切断されたものと同様の部材断面を示して
いる。図１で示したものと同様の熱電気変換モジュール
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…１０Ｎは，夫々互い違いの
側に結合電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備えている。
又，両端部には，隣接する結合電極１１ａと同じ位置に
結合電極１２を夫々有するモジュール押さえ板１３ａ，
１３ｂが配置されている。

【００２２】これらＮ個（但し，Ｎは自然数）の熱電気
変換モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…１０Ｎは，モ
ジュール押さえ板１３ａ，１３ｂを介して中心軸１４の
両端に配置されたバネ部材１５によって，矢印１６で示
される方向に付勢され互いに重ね合わされる。この際，
例えば，熱電気変換モジュール１０ｂに関しては，結合
電極１１ｂがモジュール１０ａの厚膜電極２ａに接触す
るとともに，熱電気変換モジュール１０ｃの結合電極１
１ｃに厚膜電極２ｂが接触する。このように熱電気変換
モジュールの結合電極の一端は，他の熱電気変換モジュ
ールの厚膜電極の表面に互い違いに圧接することで，直
列に電気接続が得られる。最端部の熱電気変換モジュー
ル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…１０Ｎは，結合電極１１ａ
及び１１Ｎをモジュール押さえ板１３ａ，１３ｂの結合
電極１２ａ，１２ｂに互いに重ね合わせることによっ
て，両端部の電気接点が得られる。夫々の結合電極１２
ａ，１２ｂの外側端面に，図示しないリード線を夫々半
田付けすることで，電源接続様の外部引出線を容易に取
り付けることができる。

【００２３】図５（ａ）は図４の要素を有する熱電子冷
却装置を示す断面図で，図５（ｂ）は図５（ａ）の熱電
子冷却装置の側面図である。図５（ａ）で示すように，
図１の熱電気変換モジュール１０を複数枚積層し，両端
部から押さえ板１３ａ，１３ｂを介してバネ部材１５に
よって圧接している。この積層された熱電気変換モジュ
ール１０の中心部の中心孔６内には，円管状の冷却帯が
形成され，この部分を冷却パイプ２１が貫通し，また，
４側面の周囲には，断面枠状の内部空間を有する水冷式
の放熱管２２が配されている。この放熱管には，放熱流
体口２３が設けられている。バネ部材１５は，熱電気変
換モジュールを圧接した状態で，図５（ｂ）で示すよう
に，この放熱管２２の両端から封止板を捩子２５によっ
て固定することで封じられる。このように上記半導体厚
膜で形成されたこの熱電対の冷却熱源部を中心に置き，
その熱電気変換モジュールを複数枚重ね合わせ，電気的
直列に結合し，その両端の結合電極に直流電圧を流し，
中央部に軸方向に沿った円管状の冷却帯を形成する。

【００２４】図６（ａ）は，図５の熱電子冷却装置を用
いた冷凍庫を示す断面図で，図６（ｂ）は図６（ａ）の
冷凍庫の断面図である。図６（ａ）において，冷凍庫３
０は，仕切壁３３によって区分された第１及び第２の箱
体３１，３２を備えている。第１の箱体３１は，内壁が
断熱材料３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３
４ｆによって覆われている。これらの断熱材３４ａ，３
４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆによって，庫内
空間４１が規定される。ここで，本発明において，冷凍
庫とは，冷凍温度まで冷却可能な収容庫を有する装置を
呼ぶ。

【００２５】仕切壁３３の断熱材３４ｄ上，第１の箱体
３１内には，熱交換器として庫内空間４１に突出したフ
ィン３５ａを有するラジエータ３５が設けられ，この断
熱材３４ｄ及び仕切壁３３を貫通して，第２の箱体３２
内に冷却パイプ３５ｂ，３５ｃが突出している。図面の
右側の断熱材３４ａが設けられた壁部は，扉４５を構成
し，庫内に収容されるものを出し入れするための取手３
８を持つことによって紙面の奥側の垂直端部を一軸とし
て，紙面の奥の方向に回転移動して開放される。尚，庫
内空間４１の底部には，霜取用タンク４３が設けられて
いる。

【００２６】一方，第２の箱体３２は，仕切壁３３と対
向する壁部に開口３７を有し，この箱体３２内には，前
述の熱電子冷却装置が収容されている。この熱電子冷却
装置２０の両端の冷却パイプ２１ａ，２１ｂは，庫内空
間４１のラジエータ３５からのパイプ３５ｂ，３５ｃ突
出端に，パイプ連結管３６ａ，３６ｂによって，夫々接
続されている。また，第２の箱体３２は，熱電子冷却装
置２０の外周と略同じ寸法の開口部３７からこの装置２
０の流体口２３側の一側が外部に露出して設けられてい
る。この例においては，下方の流体口２３から熱電子冷
却装置２０内に冷却水が流入し，上方の流体口２３から
熱電子冷却装置２０内の冷却水が流出する。

【００２７】図６（ｂ）において，３個の熱電子冷却装
置は，この装置２０の幅及び厚さに対応する大きさの窪
みを有するバンド３９を，仕切壁３３に捩子４０で固定
することで，取り付けられている。尚，符号４４は，こ
の冷凍庫の裏側に設けられた扉（図６（ａ）参照）を回
転支持するための蝶番である。

【００２８】次に，上述した本発明の実施例に係る冷凍
庫の動作について説明する。前述したように，熱電子冷
却装置２０の円管状の低熱源部によって形成された冷却
帯内に冷却パイプ２１を貫通配置し，この冷却パイプ２
１に冷却媒体を流し，それを冷却した後，その冷気を冷
凍室内に運ぶ。この冷却媒体は，ラジエータ３５内に供
給され，フィン３５によって庫内空間４１から吸熱する
ことによって，この庫内空間４１を冷却する。

【００２９】具体的には，熱電子冷却装置の冷却パイプ
内で冷却した冷却媒体は，その密度を大にして冷却パイ
プ内（図５（ａ）参照）を下降し，ラジエータ３５の下
側のパイプ３５ｂからラジエータ３５内に導入され，ラ
ジエータ３５のフィン３５ａから庫内の熱を吸収しなが
ら密度を小にして上昇し，上側のパイプ３５ｃを経由し
て，熱電子冷却装置の再び導入されるという自然対流法
を用いている。このような構成の本発明の実施例に係る
冷凍庫によれば，従来のモジュールのように，放熱板を
使用せずとも，冷凍庫内空間４１の温度を−２０℃まで
下げることができた。尚，本発明の実施例において，上
述したように，重力場を利用した対流方式を採用してい
る。この方式は，簡単に冷却媒体をパイプ状冷却帯から
冷凍室に移動させるには，有利であるが，勿論，本発明
においては，循環ポンプを用いて冷却媒体を循環させる
ことも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上，説明したように，本発明の熱電気
変換モジュールは，半円形厚膜構造を有するために，広
い厚膜表面からの熱放散もあり，高熱源側電極端への熱
の伝達も著しく減少させることができる。

【００３１】また，本発明の熱電気変換モジュールは，
より小型で，更に円管状の冷却帯を形成することができ
る。

【００３２】また，本発明の熱電気変換モジュールによ
って，円管状冷却帯を形成した熱電子冷却装置は，従来
の圧縮方式のような大掛かりな装置を必要とせず，容易
に冷熱源を得ることができる。

【００３３】更に，本発明の熱電子冷却装置は，大きな
放熱板を必要としないので，より小型化することがで
き，構造上，水冷式放熱管を効率良く導入することが容
易であり，冷凍庫をコンパクトに纏めることができ，し
かもその冷熱効果は，従来のカスケード型モジュールを
用いた電子冷却装置の冷却効果と殆ど遜色ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱電気変換モジュールを
示す図である。

【図２】図１の原料ペーストの製造工程を示す図であ
る。

【図３】図１の熱電気変換モジュールの製造工程を示す
図である。

【図４】図１の熱電気変換モジュールを用いた熱電子冷
却装置の電気接続部を概略的に示す組立分解斜視図であ
る。

【図５】本発明の実施例に係る熱電子冷却装置を示す図
である。

【図６】図４の熱電子冷却装置を用いた冷凍庫を示す図
である。

【図７】従来の熱電気変換モジュールと放熱板とを示す
図である。

【符号の説明】

１ 耐熱性絶縁薄板 ２ａ，２ｂ 厚膜電極 ３ 金属リング厚膜 ４ Ｎ型半導体厚膜 ５ Ｐ型半導体厚膜 ６ 中心孔 ７ａ 縁孔 １０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０Ｎ 熱電気変換
モジュール １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１Ｎ 結合電極 １２ａ，１２ｂ 結合電極 １３ａ，１３ｂ モジュール押さえ板 ２０ 熱電子冷却装置 ２１ 冷却パイプ ２２ 放熱管 ２４ 封止板 ３１ 第１の箱体 ３２ 第２の箱体 ３３ 仕切壁 ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ
断熱材 ３５ ラジエータ ３５ａ フィン ３６ａ，３６ｂ パイプ連結体 ３７ 開口部 ３９ バンド ４０ 捩子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目８−22 (72)発明者 金子 武次郎 宮城県仙台市青葉区旭ヶ丘三丁目13−８

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一枚の耐熱性絶縁板の中心部及びこの中
   心部の周囲に夫々形成されたリング状の第１の金属膜及
   び半リング状の一対の第２の金属膜と，前記第１及び第
   ２の金属膜間に対向形成された半リング状のＮ型及びＰ
   型半導体厚膜とを備え，前記第２の金属膜を前記Ｎ型及
   びＰ型半導体厚膜の夫々の電極端子とし，前記Ｎ型半導
   体厚膜及び前記Ｐ型半導体厚膜を前記第１の金属膜を介
   して接合して熱電対を構成したことを特徴とする熱電気
   変換モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱電気変換モジュールに
   おいて，前記耐熱性絶縁板上の前記第１及び第２の金属
   膜，及び前記Ｎ型及びＰ型半導体厚膜は，スクリーン印
   刷法で積層形成されていることを特徴とする熱電気変換
   モジュール。
3. 【請求項３】 請求項１記載の熱電気変換モジュールを
   複数枚重ね合わせ，電気的に直列に配置し，該重ね合わ
   された熱電気変換モジュールの中心部に，円管状の低熱
   源部を形成したことを特徴とする熱電子冷却装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の熱電子冷却装置の前記円
   管状の低熱源部を貫通したパイプ端部に接続された熱交
   換器を冷凍室に備え，前記低熱源部と前記熱交換器との
   間に冷却媒体を循環させ，該冷凍室内を冷却することを
   特徴とする冷凍庫。