JPH06188461A - ペルチェ素子モジュール - Google Patents
ペルチェ素子モジュールInfo
- Publication number
- JPH06188461A JPH06188461A JP4190021A JP19002192A JPH06188461A JP H06188461 A JPH06188461 A JP H06188461A JP 4190021 A JP4190021 A JP 4190021A JP 19002192 A JP19002192 A JP 19002192A JP H06188461 A JPH06188461 A JP H06188461A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- silicon carbide
- substrate
- boron
- electrodes
- boards
- Prior art date
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱伝導性に優れ、電気絶縁性が高く、熱膨張
率が小さくかつリード板との密着性に優れる基板からな
るペルチェ素子モジュールを提供する。 【構成】 基板の材料として通常の炭化珪素ではなく、
炭化珪素微粉末に焼結助剤として炭化ほう素、ほう化チ
タン又は酸化ほう素等のほう素化合物のほう素分0.1〜
5.0重量％を添加し、加圧下に成形した成型体を炭化珪
素微粉末に窒化ほう素を0.01〜50.0重量％添加した混合
物又はこれを加圧下に成形した成形体の共存下に焼結炉
内で真空中又は不活性ガス雰囲気の大気圧下において1,
800〜2,200℃の温度にて焼結させた炭化珪素焼結体を用
い、さらにこの基板にニッケル、モリブデン又は銅を蒸
着したものを用いたペルチェ素子モジュールにより目的
を達成する。
率が小さくかつリード板との密着性に優れる基板からな
るペルチェ素子モジュールを提供する。 【構成】 基板の材料として通常の炭化珪素ではなく、
炭化珪素微粉末に焼結助剤として炭化ほう素、ほう化チ
タン又は酸化ほう素等のほう素化合物のほう素分0.1〜
5.0重量％を添加し、加圧下に成形した成型体を炭化珪
素微粉末に窒化ほう素を0.01〜50.0重量％添加した混合
物又はこれを加圧下に成形した成形体の共存下に焼結炉
内で真空中又は不活性ガス雰囲気の大気圧下において1,
800〜2,200℃の温度にて焼結させた炭化珪素焼結体を用
い、さらにこの基板にニッケル、モリブデン又は銅を蒸
着したものを用いたペルチェ素子モジュールにより目的
を達成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子冷却、加熱に使用
するペルチェ素子モジュールの改良に関するものであ
る。ペルチェ素子は、異種の導体又は半導体の接点に電
流を流すとき、接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸
熱が起こる現象（ペルチェ効果）を利用した素子であ
り、これら素子を直列に多数接続して一つのモジュール
が形成されている。
するペルチェ素子モジュールの改良に関するものであ
る。ペルチェ素子は、異種の導体又は半導体の接点に電
流を流すとき、接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸
熱が起こる現象（ペルチェ効果）を利用した素子であ
り、これら素子を直列に多数接続して一つのモジュール
が形成されている。
【０００２】
【従来技術】従来より使用されているペルチェ素子のモ
ジュールとしては、図４に示すように約 0.8mm程度の酸
化アルミニウムからなる２枚の基板１，２間にリード板
３を接続し、該リード板３間にハンダ及びメッキ４を介
してペルチェ素子５，６を直列にはんだ付けしたものが
知られている。このペルチェ素子に電流を流すとリード
板３の部分が吸熱又は発熱し、該リード板３と接続され
た基板１，２に熱が伝わり、該表面において吸熱又は加
熱が行われる。
ジュールとしては、図４に示すように約 0.8mm程度の酸
化アルミニウムからなる２枚の基板１，２間にリード板
３を接続し、該リード板３間にハンダ及びメッキ４を介
してペルチェ素子５，６を直列にはんだ付けしたものが
知られている。このペルチェ素子に電流を流すとリード
板３の部分が吸熱又は発熱し、該リード板３と接続され
た基板１，２に熱が伝わり、該表面において吸熱又は加
熱が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
基板として利用している酸化アルミニウムは、電気絶縁
性に優れているも、熱伝導性が劣る（17Kcal/mh℃）等
のためにエネルギー効率が悪いといった不都合がある。
基板に要求される要件として、熱伝導性が大きく、電気
絶縁性に優れ、熱膨張率が小さく、銅又はリード線との
密着性に優れるものが良いとされている。そこで本発明
はかかる従来技術の欠点に鑑み、鋭意検討した結果熱伝
導性に優れ、電気絶縁性が高く、熱膨張率が小さく、リ
ード板との密着性に優れるものを見い出しこれを用いた
モジュールを提供することを目的とする。
基板として利用している酸化アルミニウムは、電気絶縁
性に優れているも、熱伝導性が劣る（17Kcal/mh℃）等
のためにエネルギー効率が悪いといった不都合がある。
基板に要求される要件として、熱伝導性が大きく、電気
絶縁性に優れ、熱膨張率が小さく、銅又はリード線との
密着性に優れるものが良いとされている。そこで本発明
はかかる従来技術の欠点に鑑み、鋭意検討した結果熱伝
導性に優れ、電気絶縁性が高く、熱膨張率が小さく、リ
ード板との密着性に優れるものを見い出しこれを用いた
モジュールを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、鋭意
検討した結果基板の材料として通常の炭化珪素ではな
く、炭化珪素微粉末に焼結助剤として炭化ほう素、ほう
化チタン又は酸化ほう素等のほう素化合物のほう素分0.
1〜5.0重量％を添加し、加圧下に成形した成型体を炭化
珪素微粉末に窒化ほう素を0.01〜50.0重量％添加した混
合物又はこれを加圧下に成形した成形体の共存下に焼結
炉内で真空中又は不活性ガス雰囲気の大気圧下において
1,800〜2,200℃の温度にて焼結させた炭化珪素焼結体を
用い、さらにこの基板にニッケル、モリブデン又は銅を
蒸着したものを用いて、ペルチェ素子モジュールを完成
させたのである。
検討した結果基板の材料として通常の炭化珪素ではな
く、炭化珪素微粉末に焼結助剤として炭化ほう素、ほう
化チタン又は酸化ほう素等のほう素化合物のほう素分0.
1〜5.0重量％を添加し、加圧下に成形した成型体を炭化
珪素微粉末に窒化ほう素を0.01〜50.0重量％添加した混
合物又はこれを加圧下に成形した成形体の共存下に焼結
炉内で真空中又は不活性ガス雰囲気の大気圧下において
1,800〜2,200℃の温度にて焼結させた炭化珪素焼結体を
用い、さらにこの基板にニッケル、モリブデン又は銅を
蒸着したものを用いて、ペルチェ素子モジュールを完成
させたのである。
【０００５】
【作用】本発明に用いた基板では、酸化アルミニウム
（熱伝導率：17Kcal/mh℃）のものに比較して熱伝導率
が180Kcal/mh℃と１０倍以上大きいことから、ペルチェ
素子モジュールに電流を流したときの電極両端で発熱及
び吸熱したエネルギーが基板を介して外部へ伝導される
ことになり、電極と基板の接触部とその裏面との温度差
が非常に小さいものとなり、エネルギー効率が極めて高
くなる。
（熱伝導率：17Kcal/mh℃）のものに比較して熱伝導率
が180Kcal/mh℃と１０倍以上大きいことから、ペルチェ
素子モジュールに電流を流したときの電極両端で発熱及
び吸熱したエネルギーが基板を介して外部へ伝導される
ことになり、電極と基板の接触部とその裏面との温度差
が非常に小さいものとなり、エネルギー効率が極めて高
くなる。
【０００６】
【実施例】以下に本発明を図示されて実施例に従って詳
細に説明する。10及び12は、１辺40mmの正方形で厚さ0.
8mmの２枚の基板であり、該基板は本発明の発明者の内
の１人が共同発明した特開昭62-197353号に開示された
方法により製造されている。すなわち、炭化珪素微粉末
に焼結助剤として炭化ほう素、ほう化チタン又は酸化ほ
う素等のほう素化合物のほう素分0.1〜5.0重量％を添加
し、加圧下に成形した成型体を炭化珪素微粉末に窒化ほ
う素を0.01〜50.0重量％添加した混合物又はこれを加圧
下に成形した成形体の共存下に焼結炉内で真空中又は不
活性ガス雰囲気の大気圧下において1,800〜2,200℃の温
度にて焼結させたものにより作られる。
細に説明する。10及び12は、１辺40mmの正方形で厚さ0.
8mmの２枚の基板であり、該基板は本発明の発明者の内
の１人が共同発明した特開昭62-197353号に開示された
方法により製造されている。すなわち、炭化珪素微粉末
に焼結助剤として炭化ほう素、ほう化チタン又は酸化ほ
う素等のほう素化合物のほう素分0.1〜5.0重量％を添加
し、加圧下に成形した成型体を炭化珪素微粉末に窒化ほ
う素を0.01〜50.0重量％添加した混合物又はこれを加圧
下に成形した成形体の共存下に焼結炉内で真空中又は不
活性ガス雰囲気の大気圧下において1,800〜2,200℃の温
度にて焼結させたものにより作られる。
【０００７】該基板10、12上には、長方形状にモリブデ
ン、ニッケル又は銅からなるベース14が電子ビーム、ス
パッタリング等により複数蒸着されており、該ベース14
上に銅電極（リ−ド板）16がハンダ付けされ、さらに該
電極16，16間にＰ型ペルチェ素子18、Ｎ型ペルチェ素子
20とが交互にハンダ付けされている。ペルチェ素子18，
20の高さは、本実施例では１〜２mm程度である。
ン、ニッケル又は銅からなるベース14が電子ビーム、ス
パッタリング等により複数蒸着されており、該ベース14
上に銅電極（リ−ド板）16がハンダ付けされ、さらに該
電極16，16間にＰ型ペルチェ素子18、Ｎ型ペルチェ素子
20とが交互にハンダ付けされている。ペルチェ素子18，
20の高さは、本実施例では１〜２mm程度である。
【０００８】以上説明した構成において本発明にかかる
ペルチェ素子モジュールの作用を図３に示した本発明の
基板と従来の基板との温度特性図に基づき説明する。ペ
ルチェ素子モジュールに所定の電流を流すと、吸熱時に
は基板の冷却対象物22との接触部の温度はそれぞれＡ
(本発明)，A'(従来)となり、本発明の方は電極16の最も
冷えた部位の温度をほとんどそのまま伝熱するが、従来
技術の方は電極16の温度よりも高くなり、従って被冷却
対象物22の温度も高くなるので、冷却効果は減少する。
ペルチェ素子モジュールの作用を図３に示した本発明の
基板と従来の基板との温度特性図に基づき説明する。ペ
ルチェ素子モジュールに所定の電流を流すと、吸熱時に
は基板の冷却対象物22との接触部の温度はそれぞれＡ
(本発明)，A'(従来)となり、本発明の方は電極16の最も
冷えた部位の温度をほとんどそのまま伝熱するが、従来
技術の方は電極16の温度よりも高くなり、従って被冷却
対象物22の温度も高くなるので、冷却効果は減少する。
【０００９】一方放熱部では、被冷却対象物22から奪っ
た熱を逃がす目的であるが、該冷却対象物22とその放熱
側基板と接触部の温度が高い方がペルチェ素子による発
熱をロスなく伝熱した事になるので優れている。Ｂ(本
発明)＞B'(従来) 従ってペルチェ素子の冷却時能力は、被冷却対象物との
接触部温度差（Ｂ−Ａ又はB'−A'）で決まり、特に放熱
側の基板12の内側の素子部温度に依存している。ここ
で、冷却能力をqcとすると、数式１のようになる。
た熱を逃がす目的であるが、該冷却対象物22とその放熱
側基板と接触部の温度が高い方がペルチェ素子による発
熱をロスなく伝熱した事になるので優れている。Ｂ(本
発明)＞B'(従来) 従ってペルチェ素子の冷却時能力は、被冷却対象物との
接触部温度差（Ｂ−Ａ又はB'−A'）で決まり、特に放熱
側の基板12の内側の素子部温度に依存している。ここ
で、冷却能力をqcとすると、数式１のようになる。
【００１０】
【数１】qc＝αeTcj・Ｉ−KeΔTj−R αe：相対熱電能 Tcj：ペルチェ素子の冷却側接合部の温度 Ke ：熱コンダクタンスΔ Tj：冷却、放熱（加熱）側の接合部（冷却・加熱対象
物と基板との接触部）温度差 Ｉ ：電流値 R ：素子内抵抗によるジュール熱
物と基板との接触部）温度差 Ｉ ：電流値 R ：素子内抵抗によるジュール熱
【００１１】この数式１より冷却能力qcの増大を大きく
するには、Tcjを大きく、ΔTjを小さくすることが本発
明の場合には有効である。Tcj が小さいとペルチェ素子
の冷却能力が増大する。酸化アルミニウムからなる基板
（従来）と、本発明の基板のΔTjを比較する時、基板の
熱伝導率が小さいとA'点は高めとなり、またB'点は低め
となるので、結局放熱・吸熱間の温度差は小さくなって
しまう。そのため、冷却側は冷えにくく、放熱面温度は
低くなり特性は悪化する。これに対して本発明の基板は
従来のものに比較して熱伝導率が10倍ほど優れているの
で、放熱・吸熱間の温度差が大きくなるために、熱効率
は高くなる。比較のために同温度の被冷却対象としたと
き基板の熱伝導率が高い方が、図３の破線からも判るよ
うに冷却側接合部温度Tcjは高くなり、qcは増大する。
結果的に、冷却側はより低温に、放熱側が高い周囲温度
でも（空冷時）の能力を失わないためには、温度差ΔTO
（従来）よりΔTN(本発明)の方が有利であるために使い
やすく冷却能力に優れることになり、約１０〜１５％ほ
どアップする。次にモジュールを構成する基板を貫流す
る熱量をＱとすると、数式２に示すようになる。
するには、Tcjを大きく、ΔTjを小さくすることが本発
明の場合には有効である。Tcj が小さいとペルチェ素子
の冷却能力が増大する。酸化アルミニウムからなる基板
（従来）と、本発明の基板のΔTjを比較する時、基板の
熱伝導率が小さいとA'点は高めとなり、またB'点は低め
となるので、結局放熱・吸熱間の温度差は小さくなって
しまう。そのため、冷却側は冷えにくく、放熱面温度は
低くなり特性は悪化する。これに対して本発明の基板は
従来のものに比較して熱伝導率が10倍ほど優れているの
で、放熱・吸熱間の温度差が大きくなるために、熱効率
は高くなる。比較のために同温度の被冷却対象としたと
き基板の熱伝導率が高い方が、図３の破線からも判るよ
うに冷却側接合部温度Tcjは高くなり、qcは増大する。
結果的に、冷却側はより低温に、放熱側が高い周囲温度
でも（空冷時）の能力を失わないためには、温度差ΔTO
（従来）よりΔTN(本発明)の方が有利であるために使い
やすく冷却能力に優れることになり、約１０〜１５％ほ
どアップする。次にモジュールを構成する基板を貫流す
る熱量をＱとすると、数式２に示すようになる。
【００１２】
【数２】 Ｑ＝κ・Ａ・Δｔ （ｗ） κ＝λ0／ｔ λ0：熱伝導率 ｔ：基板の厚さ Ａ：表面積Δ ｔ：温度差
【００１３】そこで、本発明と従来の各基板の係数を求
めると、 κ＝17[Kcal/mh℃]/0.0008[m]＝21250[Kcal/m2℃]＝24.7[Kw/m2℃]：従来 κ'＝180/0.0008＝225000[Kcal/m2h℃]＝261[Kw/m2℃] ：本発明 となる。そして空冷放散（加熱側接合部温度）Thjを50
℃と仮定すると、仮に冷却熱量29[ｗ]のとき、冷却側接
合部温度Tcjを20℃とすると酸化アルミニウム基板の被
冷却対象表面との温度差はΔｔとして、Δｔ＝Ｑ／（κ
・Ａ）＝29／（24.7×103×0.0016）＝0.73℃ とな
る。従って冷却対象面温度は、20.73℃となる。これに
対して、本発明の基板の温度差Δｔ'は、Δｔ'＝Ｑ／
（κ'・Ａ）＝29／（261×103×0.0016）＝0.07℃ と
なる。従って冷却対象面温度は、20.07℃となる。
めると、 κ＝17[Kcal/mh℃]/0.0008[m]＝21250[Kcal/m2℃]＝24.7[Kw/m2℃]：従来 κ'＝180/0.0008＝225000[Kcal/m2h℃]＝261[Kw/m2℃] ：本発明 となる。そして空冷放散（加熱側接合部温度）Thjを50
℃と仮定すると、仮に冷却熱量29[ｗ]のとき、冷却側接
合部温度Tcjを20℃とすると酸化アルミニウム基板の被
冷却対象表面との温度差はΔｔとして、Δｔ＝Ｑ／（κ
・Ａ）＝29／（24.7×103×0.0016）＝0.73℃ とな
る。従って冷却対象面温度は、20.73℃となる。これに
対して、本発明の基板の温度差Δｔ'は、Δｔ'＝Ｑ／
（κ'・Ａ）＝29／（261×103×0.0016）＝0.07℃ と
なる。従って冷却対象面温度は、20.07℃となる。
【００１４】次に熱放散面での温度については、ペルチ
ェ素子に11ボルトの電圧で４アンペアの電流を流した時
には、冷却熱量が29ｗであるために、合計73ｗの熱放散
量である。そこで、本発明の基板又は従来の基板の加熱
側基板の被加熱対象面との温度差ΔT'、ΔTとすると、Δ T＝73／（24.7×103×0.0016)＝1.77℃（酸化アルミ
ニウム）Δ T'＝73／（261×103×0.0016)＝0.17℃（本発明）
となる。従って加熱対象面温度は、従来のもの
が48.23℃に対して本発明のものは、49.83℃となり加熱
面温度もほとんど変わらない。そして冷却面と熱放散面
（モジュール及び対象部）を比較のために同一とする
と、モジュールの接合部の温度差Δｔjは、2.27℃大き
くなり、Tcjは、0.67℃ダウンし、その結果冷却能力
は、10〜15％とアップする。
ェ素子に11ボルトの電圧で４アンペアの電流を流した時
には、冷却熱量が29ｗであるために、合計73ｗの熱放散
量である。そこで、本発明の基板又は従来の基板の加熱
側基板の被加熱対象面との温度差ΔT'、ΔTとすると、Δ T＝73／（24.7×103×0.0016)＝1.77℃（酸化アルミ
ニウム）Δ T'＝73／（261×103×0.0016)＝0.17℃（本発明）
となる。従って加熱対象面温度は、従来のもの
が48.23℃に対して本発明のものは、49.83℃となり加熱
面温度もほとんど変わらない。そして冷却面と熱放散面
（モジュール及び対象部）を比較のために同一とする
と、モジュールの接合部の温度差Δｔjは、2.27℃大き
くなり、Tcjは、0.67℃ダウンし、その結果冷却能力
は、10〜15％とアップする。
【００１５】
【効果】以上述べたように本発明にかかる基板を用いた
ペルチェ素子モジュールでは、熱伝導性が従来のものよ
りも10倍程度優れることから、モジュールの性能を10〜
15％程度アップさせることができる。
ペルチェ素子モジュールでは、熱伝導性が従来のものよ
りも10倍程度優れることから、モジュールの性能を10〜
15％程度アップさせることができる。
【図１】 本発明にかかるペルチェ素子モジュールの縦
断面図である。
断面図である。
【図２】 ペルチェ素子の接続関係を示す斜視図であ
る。
る。
【図３】 本発明と従来のペルチェ素子モジュールの冷
却作用を示す温度分布図である。
却作用を示す温度分布図である。
【図４】 従来技術を示すモジュールの縦断面図であ
る。
る。
１，２ 基板 ３ リード板 ４ ハンダ及びめっき ５，６ ペルチェ素子 10，12 基板 14 ベース 16 電極 18 Ｐ型ペルチェ素子 20 Ｎ型ペルチェ素子 22 被冷却対象物
Claims (4)
- 【請求項１】 ２枚の基板にそれぞれ電極を接続し、該
電極間に２つの異なる金属又は半導体を接続してなる素
子において、前記基板が炭化珪素焼結体からなることを
特徴とするペルチェ素子。 - 【請求項２】 基板と電極とが、予め基板にモリブデ
ン、ニッケル又は銅を蒸着した後にハンダ付けにより接
続されていることを特徴とする請求項１記載のペルチェ
素子モジュール。 - 【請求項３】 炭化珪素焼結体が、炭化珪素微粉末に焼
結助剤として炭化ほう素、ほう化チタン又は酸化ほう素
等のほう素化合物のほう素分0.1〜5.0重量％を添加し、
加圧下に成形した成型体を炭化珪素微粉末に窒化ほう素
を0.01〜50.0重量％添加した混合物又はこれを加圧下に
成形した成形体の共存下に焼結炉内で真空中又は不活性
ガス雰囲気の大気圧下において1,800〜2,200℃の温度に
て焼結させてなるものである請求項１記載のペルチェ素
子モジュール。 - 【請求項４】 炭化珪素微粉末がメチルハイドロジエン
シラン化合物の気相熱分解法によって得られた0.01〜3.
0μm程度の微粉末のものである請求項２記載のペルチェ
素子モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4190021A JPH06188461A (ja) | 1992-06-24 | 1992-06-24 | ペルチェ素子モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4190021A JPH06188461A (ja) | 1992-06-24 | 1992-06-24 | ペルチェ素子モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06188461A true JPH06188461A (ja) | 1994-07-08 |
Family
ID=16251056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4190021A Pending JPH06188461A (ja) | 1992-06-24 | 1992-06-24 | ペルチェ素子モジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06188461A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021511073A (ja) * | 2018-01-24 | 2021-05-06 | 思納福（北京）医療科技有限公司Ｓｎｉｐｅｒ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｍｅｄｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 微小液滴の容器、微小液滴の容器製造方法、微小液滴敷き詰め方法、微小液滴生成試薬キット、温度制御装置、微小液滴生成用の油相組成物及びその処理方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62197353A (ja) * | 1986-02-24 | 1987-09-01 | 信越化学工業株式会社 | 炭化けい素焼結体の製造方法 |
| JPS6459703A (en) * | 1987-08-28 | 1989-03-07 | Toshiba Corp | Thermoelectric element |
-
1992
- 1992-06-24 JP JP4190021A patent/JPH06188461A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62197353A (ja) * | 1986-02-24 | 1987-09-01 | 信越化学工業株式会社 | 炭化けい素焼結体の製造方法 |
| JPS6459703A (en) * | 1987-08-28 | 1989-03-07 | Toshiba Corp | Thermoelectric element |
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