JPH08148725A - ペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法 - Google Patents
ペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法Info
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- JPH08148725A JPH08148725A JP6290188A JP29018894A JPH08148725A JP H08148725 A JPH08148725 A JP H08148725A JP 6290188 A JP6290188 A JP 6290188A JP 29018894 A JP29018894 A JP 29018894A JP H08148725 A JPH08148725 A JP H08148725A
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- thermoelectric
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Abstract
(57)【要約】
【目的】熱電効果を利用して冷却するペルチェ素子の、
熱電特性を維持したうえでさらにヒートサイクル耐久性
を改善することを目的とする。 【構成】熱電材料エレメントとして溶性材料の高い熱電
特性と、焼結性材料の高い機械的強度とをともに利用す
るもので、例えば熱電材料エレメント群の外周部のエレ
メントには焼結性のエレメント１を用い、その他の部分
には溶性材料エレメント２を用い、金属電極、半田、お
よびセラミック基板１０とともにペルチェ素子を構成し
ている。
熱電特性を維持したうえでさらにヒートサイクル耐久性
を改善することを目的とする。 【構成】熱電材料エレメントとして溶性材料の高い熱電
特性と、焼結性材料の高い機械的強度とをともに利用す
るもので、例えば熱電材料エレメント群の外周部のエレ
メントには焼結性のエレメント１を用い、その他の部分
には溶性材料エレメント２を用い、金属電極、半田、お
よびセラミック基板１０とともにペルチェ素子を構成し
ている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、食品や空気、電子機器
などを冷却する機械的強度及び耐ヒートサイクル性に優
れたペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法に関す
る。
などを冷却する機械的強度及び耐ヒートサイクル性に優
れたペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】Ｐ型もしくはＮ型の熱電材料に電流を通
じた時の吸熱作用を利用したペルチェ素子は、フロンな
どの液体を使わず、また回転摩耗による劣化がないこと
から全固体の冷却装置として有用性が高い。ペルチェ素
子を用いた冷却装置の応用商品は冷蔵庫、半導体冷却装
置から空気除湿器、精密温度コントローラなど広範に及
んでいる。そのペルチェ素子の基本構成は概ね図５に示
した構成となっている。３および４はそれぞれＰ型、Ｎ
型の熱電材料エレメントであり、金属電極８を介して交
互に電気的に直列に接続されている。熱電材料エレメン
ト３、４と金属電極８との接合は、半田９を用いて機械
的にも強固に接合されている。さらに、素子全体の機械
的強度を確保するため、熱電材料エレメント３、４と金
属電極８からなる配列は対向する２枚のセラミック板１
０の間に半田９によって固定されている。半田９による
接合を容易にするため、熱電材料エレメントや銅電極、
セラミック板の表面にはＮｉなどの金属によってメッキ
処理が施されている。
じた時の吸熱作用を利用したペルチェ素子は、フロンな
どの液体を使わず、また回転摩耗による劣化がないこと
から全固体の冷却装置として有用性が高い。ペルチェ素
子を用いた冷却装置の応用商品は冷蔵庫、半導体冷却装
置から空気除湿器、精密温度コントローラなど広範に及
んでいる。そのペルチェ素子の基本構成は概ね図５に示
した構成となっている。３および４はそれぞれＰ型、Ｎ
型の熱電材料エレメントであり、金属電極８を介して交
互に電気的に直列に接続されている。熱電材料エレメン
ト３、４と金属電極８との接合は、半田９を用いて機械
的にも強固に接合されている。さらに、素子全体の機械
的強度を確保するため、熱電材料エレメント３、４と金
属電極８からなる配列は対向する２枚のセラミック板１
０の間に半田９によって固定されている。半田９による
接合を容易にするため、熱電材料エレメントや銅電極、
セラミック板の表面にはＮｉなどの金属によってメッキ
処理が施されている。
【０００３】熱電材料としてはゼーベック係数と導電率
が大きく、熱伝導率の小さい、いわゆる性能指数の大き
い材料が有利で、−３０℃〜１００℃温度領域での冷却
にはＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料がよく用いられる。代表的
な組成はＰ型が（Ｂｉ0.25Ｓｂ0.75）2（Ｔｅ0.95Ｓｅ
0.05）3であり,Ｎ型がＢｉ2（Ｔｅ0.95Ｓｅ0.05）3であ
る。Ｂｉ−Ｔｅ系材料は六方晶系でｃ軸に垂直な面でへ
き解しやすい性質を有する。通常、エレメントには電気
導電率の高い溶性材料を用い、熱電特性の高い方向（Ｂ
ｉ−Ｔｅ系の場合、ｃ軸に垂直な方向）を通電方向とす
る。また、熱電材料エレメントは断面積と長さの比を一
定に保つと、冷却能力などのペルチェ素子としての特性
も一定に保たれる性質があるので、使用する材料の量を
低減するため、１つのエレメントの大きさは１．２〜
１．４ｍｍ角、長さは１．４〜２．０ｍｍとできるだけ
小さくなっている。
が大きく、熱伝導率の小さい、いわゆる性能指数の大き
い材料が有利で、−３０℃〜１００℃温度領域での冷却
にはＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料がよく用いられる。代表的
な組成はＰ型が（Ｂｉ0.25Ｓｂ0.75）2（Ｔｅ0.95Ｓｅ
0.05）3であり,Ｎ型がＢｉ2（Ｔｅ0.95Ｓｅ0.05）3であ
る。Ｂｉ−Ｔｅ系材料は六方晶系でｃ軸に垂直な面でへ
き解しやすい性質を有する。通常、エレメントには電気
導電率の高い溶性材料を用い、熱電特性の高い方向（Ｂ
ｉ−Ｔｅ系の場合、ｃ軸に垂直な方向）を通電方向とす
る。また、熱電材料エレメントは断面積と長さの比を一
定に保つと、冷却能力などのペルチェ素子としての特性
も一定に保たれる性質があるので、使用する材料の量を
低減するため、１つのエレメントの大きさは１．２〜
１．４ｍｍ角、長さは１．４〜２．０ｍｍとできるだけ
小さくなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図５に示したペルチェ
素子に通電すると、エレメントの吸熱側の温度が低くな
り、放熱側の温度が高くなる。運転条件にもよるがその
温度差は３０〜５０℃に達する。また、素子全体も冷却
放熱条件によっては〜５０℃程度のヒートサイクルを受
けることとなる。ペルチェ素子は熱電材料や金属材料、
セラミック材料などの熱膨張係数の異なる多くの部品か
ら構成されているので、このような長期間にわたる熱歪
によって素子が劣化し、性能が低下するという課題があ
った。この熱ストレスは、特にペルチェ素子の四端部や
外周部に集中するため、それらの部分に位置する熱電材
料エレメントの強度が課題であった。
素子に通電すると、エレメントの吸熱側の温度が低くな
り、放熱側の温度が高くなる。運転条件にもよるがその
温度差は３０〜５０℃に達する。また、素子全体も冷却
放熱条件によっては〜５０℃程度のヒートサイクルを受
けることとなる。ペルチェ素子は熱電材料や金属材料、
セラミック材料などの熱膨張係数の異なる多くの部品か
ら構成されているので、このような長期間にわたる熱歪
によって素子が劣化し、性能が低下するという課題があ
った。この熱ストレスは、特にペルチェ素子の四端部や
外周部に集中するため、それらの部分に位置する熱電材
料エレメントの強度が課題であった。
【０００５】本発明は、このような従来のペルチェ素子
の課題を考慮し、強度に優れたペルチェ素子および熱電
材料の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
の課題を考慮し、強度に優れたペルチェ素子および熱電
材料の製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、ペルチェ素子
について、熱電材料エレメント群の外周部分など少なく
とも一部分に焼結性材料を用いることによって、機械的
強度が大きいという焼結性材料の特長を活かした発明で
ある。
について、熱電材料エレメント群の外周部分など少なく
とも一部分に焼結性材料を用いることによって、機械的
強度が大きいという焼結性材料の特長を活かした発明で
ある。
【０００７】さらには溶性材料に比べて導電率が低く、
熱伝導率が低いという焼結性材料の特性を活かすため、
焼結性材料によるエレメントの断面積を溶性材料のエレ
メントの断面より大きくするものである。
熱伝導率が低いという焼結性材料の特性を活かすため、
焼結性材料によるエレメントの断面積を溶性材料のエレ
メントの断面より大きくするものである。
【０００８】さらには、１個のエレメントを焼結性材料
の部分と溶性材料の部分からなるように構成し、機械的
強度と高い熱電性能を両立させたものである。
の部分と溶性材料の部分からなるように構成し、機械的
強度と高い熱電性能を両立させたものである。
【０００９】また、熱電材料の粉末成形体または熱電材
料焼成体に温度勾配のついた熱処理を施すことによっ
て、焼結性材料の部分と溶性材料の部分からなる熱電材
料を得る方法である。
料焼成体に温度勾配のついた熱処理を施すことによっ
て、焼結性材料の部分と溶性材料の部分からなる熱電材
料を得る方法である。
【００１０】
【作用】本発明では、焼結性のＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料
エレメントは、引っ張りやせん断の限界応力が溶性材料
に比べて１０倍程度大きいので、ヒートサイクルの繰り
返しによるペルチェ素子の劣化を避けることができる。
この焼結性材料からなるエレメントを、熱歪が集中する
外周部分に局所的に配置する一方で、その他の部分には
特性の高い溶製材料からなるエレメントを配することに
より、熱電性能を維持したまま高強度のペルチェ素子が
構成できる。
エレメントは、引っ張りやせん断の限界応力が溶性材料
に比べて１０倍程度大きいので、ヒートサイクルの繰り
返しによるペルチェ素子の劣化を避けることができる。
この焼結性材料からなるエレメントを、熱歪が集中する
外周部分に局所的に配置する一方で、その他の部分には
特性の高い溶製材料からなるエレメントを配することに
より、熱電性能を維持したまま高強度のペルチェ素子が
構成できる。
【００１１】同様に、溶性材料に比して導電率と熱伝導
率の低い焼結性の熱電材料エレメントの電流方向の長さ
は変えずに断面積を大きくすることによって、全ての熱
電材料エレメントを２枚の対向するセラミック板上に構
成することができる。
率の低い焼結性の熱電材料エレメントの電流方向の長さ
は変えずに断面積を大きくすることによって、全ての熱
電材料エレメントを２枚の対向するセラミック板上に構
成することができる。
【００１２】さらに、熱電材料エレメントを焼結性材料
と溶製材料を混成構造や積層構造にすることで、焼結性
材料のもつ強度と溶製材料のもつ熱電特性を活かした高
信頼性ペルチェ素子を提供できる。さらに、結晶の大き
さが連続的に変化する構造の熱電材料を用いれば、小さ
い結晶からなる一端を熱歪の大きい接合部に設定した
り、結晶の大きさを通電方向に垂直に変化させてｃ軸方
向のクラックを防ぐなど、熱電特性を維持したまま高強
度のペルチェ素子が構成できる。
と溶製材料を混成構造や積層構造にすることで、焼結性
材料のもつ強度と溶製材料のもつ熱電特性を活かした高
信頼性ペルチェ素子を提供できる。さらに、結晶の大き
さが連続的に変化する構造の熱電材料を用いれば、小さ
い結晶からなる一端を熱歪の大きい接合部に設定した
り、結晶の大きさを通電方向に垂直に変化させてｃ軸方
向のクラックを防ぐなど、熱電特性を維持したまま高強
度のペルチェ素子が構成できる。
【００１３】また、熱電材料の粉末成形体や焼成体を焼
成温度近傍で温度勾配のついた熱処理を行うと、温度の
より高い部分は焼結が進行し結晶粒子が大きくなり、低
い温度の部分では結晶粒子の平均径は小さくとどまって
いる構造の熱電材料を得ることができる。
成温度近傍で温度勾配のついた熱処理を行うと、温度の
より高い部分は焼結が進行し結晶粒子が大きくなり、低
い温度の部分では結晶粒子の平均径は小さくとどまって
いる構造の熱電材料を得ることができる。
【００１４】
【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。
て説明する。
【００１５】＜実施例１＞まず、本発明のペルチェ素子
に関する一実施例について説明する。ペルチェ素子を構
成する熱電材料エレメントはＰ型として（Ｂｉ0.25Ｓｂ
0.75）2 （Ｔｅ0.95Ｓｅ0.05）3を、またＮ型としてＢｉ2（Ｔｅ
0.95Ｓｅ0.05）3の粉末焼結体を用いた。まず、所定組
成の原材料をＡｒ中で溶解・凝固させたインゴットを粉
砕し、粉末の粒径を１００μｍ以下に整えた。これらの
粉末を４５０℃〜５５０℃、１５００ｋｇｆ／ｃｍ2の
条件で１ｈホットプレスして得た成型体をダイアモンド
カッターでスライスし、厚さ〜２ｍｍのウエハーを得
た。さらにカットして、１．４ｍｍ角、長さが１．９５
ｍｍの焼成法による熱電材料エレメントを得た。一方で
同じく所定組成になるように融解し、一軸性に凝固させ
たインゴットを同じ大きさにカットした溶製法による熱
電材料エレメントを用意した。ペルチェ素子はこれらの
エレメントをｐ型とｎ型が交互に電気的に直列になるよ
うに２５６個（１６個×１６個）配列した。ペルチェ素
子を構成するに当たり、ａ）全てのエレメントに溶製法
による材料を用いたもの、ｂ）外周部の６０個のエレメ
ント１に焼成法による材料を用い、残りを溶製法による
材料２を用いたもの（図１）、ｃ）中央部の６０個に焼
成法による材料を用い、残りを溶製法による材料を用い
たものの３種類を試作した。銅の電極板、半田による接
合方法などその他の全ての条件は３種類の素子で統一し
た。
に関する一実施例について説明する。ペルチェ素子を構
成する熱電材料エレメントはＰ型として（Ｂｉ0.25Ｓｂ
0.75）2 （Ｔｅ0.95Ｓｅ0.05）3を、またＮ型としてＢｉ2（Ｔｅ
0.95Ｓｅ0.05）3の粉末焼結体を用いた。まず、所定組
成の原材料をＡｒ中で溶解・凝固させたインゴットを粉
砕し、粉末の粒径を１００μｍ以下に整えた。これらの
粉末を４５０℃〜５５０℃、１５００ｋｇｆ／ｃｍ2の
条件で１ｈホットプレスして得た成型体をダイアモンド
カッターでスライスし、厚さ〜２ｍｍのウエハーを得
た。さらにカットして、１．４ｍｍ角、長さが１．９５
ｍｍの焼成法による熱電材料エレメントを得た。一方で
同じく所定組成になるように融解し、一軸性に凝固させ
たインゴットを同じ大きさにカットした溶製法による熱
電材料エレメントを用意した。ペルチェ素子はこれらの
エレメントをｐ型とｎ型が交互に電気的に直列になるよ
うに２５６個（１６個×１６個）配列した。ペルチェ素
子を構成するに当たり、ａ）全てのエレメントに溶製法
による材料を用いたもの、ｂ）外周部の６０個のエレメ
ント１に焼成法による材料を用い、残りを溶製法による
材料２を用いたもの（図１）、ｃ）中央部の６０個に焼
成法による材料を用い、残りを溶製法による材料を用い
たものの３種類を試作した。銅の電極板、半田による接
合方法などその他の全ての条件は３種類の素子で統一し
た。
【００１６】まず、これら３種類の素子の性能指数を調
べ、次に、それぞれの素子に３Ａの電流を通電し作動さ
せながら、６０℃に３０分間保った後、２０℃中に３０
分間放置するというようなヒートサイクルを負荷した。
定期的に素子を取り出し、耐久性の評価として素子の電
気抵抗の変化を追跡した。そのペルチェ素子の性能指数
測定結果及び耐久試験結果を表１に示す。
べ、次に、それぞれの素子に３Ａの電流を通電し作動さ
せながら、６０℃に３０分間保った後、２０℃中に３０
分間放置するというようなヒートサイクルを負荷した。
定期的に素子を取り出し、耐久性の評価として素子の電
気抵抗の変化を追跡した。そのペルチェ素子の性能指数
測定結果及び耐久試験結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】表１より、性能指数は、ａ）全てのエレメ
ントに溶製法による材料を用いた素子が最も大きく、
ｂ）及びｃ）は同等であった。一方、耐久性を比較する
と、ｂ）外周部に焼結法による材料を用いた素子が高
く、次いでｃ）中央部に焼結法による材料を用いた素子
となり、ａ）の溶製材料によるエレメントのみの素子は
抵抗値が２０％上がっていた。この素子の劣化原因を調
べるため、顕微鏡観察を行ったところ、外周部の熱電材
料エレメントのいくつかにクラックが確認できた。アル
ミナ端板よりも、銅電極や熱電材料エレメントの方が熱
膨張係数が大きいので、大きな温度差の熱歪の繰り返し
を受けて、ｃ軸に垂直な面でクラックが発生したものと
考えられる。これにより、焼結性材料によるエレメント
の使用、特に熱歪みの集中する素子外周部での使用が素
子の機械的強度の向上に有用であることを確認した。
ントに溶製法による材料を用いた素子が最も大きく、
ｂ）及びｃ）は同等であった。一方、耐久性を比較する
と、ｂ）外周部に焼結法による材料を用いた素子が高
く、次いでｃ）中央部に焼結法による材料を用いた素子
となり、ａ）の溶製材料によるエレメントのみの素子は
抵抗値が２０％上がっていた。この素子の劣化原因を調
べるため、顕微鏡観察を行ったところ、外周部の熱電材
料エレメントのいくつかにクラックが確認できた。アル
ミナ端板よりも、銅電極や熱電材料エレメントの方が熱
膨張係数が大きいので、大きな温度差の熱歪の繰り返し
を受けて、ｃ軸に垂直な面でクラックが発生したものと
考えられる。これにより、焼結性材料によるエレメント
の使用、特に熱歪みの集中する素子外周部での使用が素
子の機械的強度の向上に有用であることを確認した。
【００１９】さらに、本実験で最も耐久性に優れていた
ｂ）と同様の構成で、ｄ）焼結性材料によるエレメント
の長さは変えずに断面を１．５ｍｍ角とし、溶製材料の
エレメントの断面（１．４ｍｍ角）より大きくした素子
を作製し、同様の性能測定及び耐久試験を実施した。そ
の結果、この素子の性能指数はｂ）を上回り、耐久性に
ついてはｂ）と同等であった（表１）。よって、全ての
熱電材料エレメントを電気的に直列につなぎ、流れる電
流が同じになる構成では、導電率の低い焼結性のエレメ
ントの断面積を大きくして電流密度を下げた方が高い特
性が得られることがわかった。
ｂ）と同様の構成で、ｄ）焼結性材料によるエレメント
の長さは変えずに断面を１．５ｍｍ角とし、溶製材料の
エレメントの断面（１．４ｍｍ角）より大きくした素子
を作製し、同様の性能測定及び耐久試験を実施した。そ
の結果、この素子の性能指数はｂ）を上回り、耐久性に
ついてはｂ）と同等であった（表１）。よって、全ての
熱電材料エレメントを電気的に直列につなぎ、流れる電
流が同じになる構成では、導電率の低い焼結性のエレメ
ントの断面積を大きくして電流密度を下げた方が高い特
性が得られることがわかった。
【００２０】＜実施例２＞２００サイクル終了後、ａ）
溶性材料を用いた素子の劣化原因を調べたところ、ペル
チェ素子の電気抵抗が２０％程度上昇し、３Ωとなって
いた。顕微鏡観察では外周部の熱電材料エレメントのい
くつかにクラックが確認できた。
溶性材料を用いた素子の劣化原因を調べたところ、ペル
チェ素子の電気抵抗が２０％程度上昇し、３Ωとなって
いた。顕微鏡観察では外周部の熱電材料エレメントのい
くつかにクラックが確認できた。
【００２１】アルミナ端板よりも、銅電極や熱電材料エ
レメントの方が熱膨張係数が大きいので、６０℃と２０
℃の間の大きな温度差の熱歪の繰り返しによって、エレ
メント内のｃ軸に垂直な面でクラックが発生したものと
考えられる。そこでエレメントの機械的強度を高めるた
め、図２、図３のような構造を考案し、実施した。ま
ず、実施例１と同様な手法にて溶融・凝固させたインゴ
ットを０．７ｍｍの厚みにスライスし、金型の底面形状
である直径５０ｍｍの円盤状にカットした。インゴット
と同じ組成の熱電材料粉末をこのインゴット円盤上に約
３ｍｍの厚さに構成し、金型中で５００℃、２０００ｋ
ｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。このようにして焼結
性材料と溶性材料とが接合されたウエハーをダイヤモン
ドカッターでカットし、エレメントを作製した。図２は
焼結性材料１と溶性材料２を通電方向に垂直に重ねたも
ので、図３は通電方向に並行に重ねたものである。通電
方向への引っ張りの熱応力には図３のものが強く、銅電
極との接合面内の熱応力には図２のものが強い。実施例
１と同じような耐久試験を施すと全てが溶性材料のエレ
メントでできた素子と比べて素子の性能指数と遜色がな
く、耐久性能は大きく改善されていることがわかった。
特に図３の素子では２００サイクル経過後も素子抵抗の
増加は認められなかった。
レメントの方が熱膨張係数が大きいので、６０℃と２０
℃の間の大きな温度差の熱歪の繰り返しによって、エレ
メント内のｃ軸に垂直な面でクラックが発生したものと
考えられる。そこでエレメントの機械的強度を高めるた
め、図２、図３のような構造を考案し、実施した。ま
ず、実施例１と同様な手法にて溶融・凝固させたインゴ
ットを０．７ｍｍの厚みにスライスし、金型の底面形状
である直径５０ｍｍの円盤状にカットした。インゴット
と同じ組成の熱電材料粉末をこのインゴット円盤上に約
３ｍｍの厚さに構成し、金型中で５００℃、２０００ｋ
ｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。このようにして焼結
性材料と溶性材料とが接合されたウエハーをダイヤモン
ドカッターでカットし、エレメントを作製した。図２は
焼結性材料１と溶性材料２を通電方向に垂直に重ねたも
ので、図３は通電方向に並行に重ねたものである。通電
方向への引っ張りの熱応力には図３のものが強く、銅電
極との接合面内の熱応力には図２のものが強い。実施例
１と同じような耐久試験を施すと全てが溶性材料のエレ
メントでできた素子と比べて素子の性能指数と遜色がな
く、耐久性能は大きく改善されていることがわかった。
特に図３の素子では２００サイクル経過後も素子抵抗の
増加は認められなかった。
【００２２】＜実施例３＞実施例１において溶性材料の
インゴット粉砕後、粉末を分粒し、粒径が３０μｍ以
下、３０〜６０μｍ、６０μｍ以上に分けた。金型中に
これら３種類の粒度の粉末を順に積層し、５００℃、２
０００ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。このように
して厚み方向に結晶粒径が異なるウエハーをダイヤモン
ドカッターでカットし、エレメントを作製した。このよ
うなエレメントでできたペルチェ素子のヒートサイクル
耐久性試験を行ったところ、耐久性能の改善が確認され
た。この実施例では素子を流れる電流方向にに段々に結
晶粒径が異なる構造のエレメントであるが、熱電特性の
高い結晶粒子の大きな部分と機械的強度の高い結晶粒子
の小さい部分とが混在し、互いに欠点を補いあう構造が
本発明の特長と考えられる。
インゴット粉砕後、粉末を分粒し、粒径が３０μｍ以
下、３０〜６０μｍ、６０μｍ以上に分けた。金型中に
これら３種類の粒度の粉末を順に積層し、５００℃、２
０００ｋｇｆ／ｃｍ2でホットプレスした。このように
して厚み方向に結晶粒径が異なるウエハーをダイヤモン
ドカッターでカットし、エレメントを作製した。このよ
うなエレメントでできたペルチェ素子のヒートサイクル
耐久性試験を行ったところ、耐久性能の改善が確認され
た。この実施例では素子を流れる電流方向にに段々に結
晶粒径が異なる構造のエレメントであるが、熱電特性の
高い結晶粒子の大きな部分と機械的強度の高い結晶粒子
の小さい部分とが混在し、互いに欠点を補いあう構造が
本発明の特長と考えられる。
【００２３】＜実施例４＞さらに実施例３の構造の熱電
材料エレメントを作製する優れた方法を見出した。すな
わち、焼結性の熱電材料エレメントと同じ方法で作製し
た焼結性材料のウエハーをＡｒ雰囲気の電気炉中で、５
５０℃で焼結する際、ウエハーの片面から３６００Ｗの
赤外線ランプで熱線加熱した。２分から３０分の熱線加
熱を繰り返し、適当な強度と表面性のウエハーを得た。
断面を顕微鏡などを用いて構造観察するのようにと赤外
線ランプで加熱した側は結晶粒子の成長が著しく、反対
側では通常の焼結による結晶粒子構造であることがわか
った。この材料を用いて構成したペルチェ素子の耐久性
は実施例３で示した方法で作製したペルチェ素子よりも
高かった。特に熱歪の大きなペルチェ素子運転時の放熱
側に結晶粒子の小さい方の面を用いると耐久性がさらに
高くなった。このペルチェ素子および顕微鏡で観察した
微細構造の様子を図４に示した。
材料エレメントを作製する優れた方法を見出した。すな
わち、焼結性の熱電材料エレメントと同じ方法で作製し
た焼結性材料のウエハーをＡｒ雰囲気の電気炉中で、５
５０℃で焼結する際、ウエハーの片面から３６００Ｗの
赤外線ランプで熱線加熱した。２分から３０分の熱線加
熱を繰り返し、適当な強度と表面性のウエハーを得た。
断面を顕微鏡などを用いて構造観察するのようにと赤外
線ランプで加熱した側は結晶粒子の成長が著しく、反対
側では通常の焼結による結晶粒子構造であることがわか
った。この材料を用いて構成したペルチェ素子の耐久性
は実施例３で示した方法で作製したペルチェ素子よりも
高かった。特に熱歪の大きなペルチェ素子運転時の放熱
側に結晶粒子の小さい方の面を用いると耐久性がさらに
高くなった。このペルチェ素子および顕微鏡で観察した
微細構造の様子を図４に示した。
【００２４】さらに、熱電材料の薄板上の粉末成形体を
同様に電気炉中で片側から赤外線加熱しながら焼結を行
った。温度コントロールはやや難しかったものの結晶粒
子の大きさが異なる熱電材料のウエハーを得ることがで
きた。
同様に電気炉中で片側から赤外線加熱しながら焼結を行
った。温度コントロールはやや難しかったものの結晶粒
子の大きさが異なる熱電材料のウエハーを得ることがで
きた。
【００２５】
【発明の効果】本発明によると、ペルチェ素子を用いた
冷却装置の耐久性を飛躍的に改善することができるので
産業上非常に有益である。
冷却装置の耐久性を飛躍的に改善することができるので
産業上非常に有益である。
【図１】本発明による外周部のエレメントに焼結性材料
を用いたペルチェ素子の基本構成を示した図
を用いたペルチェ素子の基本構成を示した図
【図２】本発明の熱電エレメントの焼結性材料と溶性材
料を２層にしたペルチェ素子
料を２層にしたペルチェ素子
【図３】本発明の熱電エレメントの焼結性材料と溶性材
料を２層にした別のペルチェ素子
料を２層にした別のペルチェ素子
【図４】本発明の結晶粒子の平均径が不均一なエレメン
トを用いたペルチェ素子
トを用いたペルチェ素子
【図５】従来のペルチェ素子の基本構成を表す図
１ 焼成法による熱電材料エレメント ２ 溶製法による熱電材料エレメント ３ Ｐ型熱電材料エレメント ４ Ｎ型熱電材料エレメント ８ 金属電極 ９ 半田 １０ セラミック板
【手続補正書】
【提出日】平成７年３月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
Claims (6)
- 【請求項１】対向する２枚のセラミック板間に接合され
た、Ｐ型とＮ型の多数の熱電材料エレメントと金属電極
とを備えた平面状の配列を有するペルチェ素子であっ
て、前記熱電材料エレメント群が溶製法による材料から
なるエレメントと、粉末焼成によって得られた材料でで
きたエレメントとから構成されていることを特徴とする
ペルチェ素子。 - 【請求項２】Ｐ型とＮ型の熱電材料エレメントと金属電
極とを含む平面状の配列の、外周部の少なくとも一部が
粉末焼成によって得られた材料でできた熱電材料エレメ
ントであることを特徴とする請求項１記載のペルチェ素
子。 - 【請求項３】それぞれの熱電材料エレメントの、電流方
向に垂直な断面積の長さに対する比が、粉末焼成によっ
て得られた材料でできたエレメントの方が、溶製法によ
る材料からなるエレメントより大きいことを特徴とする
請求項１記載のペルチェ素子。 - 【請求項４】対向する２枚のセラミック板間に接合され
た、Ｐ型とＮ型の多数の熱電材料エレメントと金属電極
からなる平面状の配列を有するペルチェ素子であって、
前記熱電材料エレメントの少なくとも一個が、溶製法に
よる材料でできた層と、粉末焼成によって得られた材料
でできた層とを二層以上積層した構成であることを特徴
とするペルチェ素子。 - 【請求項５】対向する２枚のセラミック板間に接合され
た、Ｐ型とＮ型の多数の熱電材料エレメントと金属電極
からなる平面状の配列を有するペルチェ素子であって、
熱電材料エレメントを構成する結晶粒子の平均径が、エ
レメント内で均一でないことを特徴とするペルチェ素
子。 - 【請求項６】構成する結晶粒子の大きさが一端から他端
へ変化している熱電材料の製造方法であって、熱電材料
の粉末成形体または熱電材料焼成体に温度勾配のついた
熱処理を施す工程を有する熱電材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6290188A JPH08148725A (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | ペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6290188A JPH08148725A (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | ペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08148725A true JPH08148725A (ja) | 1996-06-07 |
Family
ID=17752895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6290188A Pending JPH08148725A (ja) | 1994-11-24 | 1994-11-24 | ペルチェ素子ならびに熱電材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08148725A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009206201A (ja) * | 2008-02-26 | 2009-09-10 | Kyocera Corp | セグメント型熱電素子、熱電モジュール、発電装置および温度調節装置 |
| JP2017034199A (ja) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | 富士通株式会社 | 熱電変換素子及びその製造方法 |
| WO2017043203A1 (ja) * | 2015-09-09 | 2017-03-16 | 株式会社 日立ハイテクノロジーズ | 温度調整装置 |
-
1994
- 1994-11-24 JP JP6290188A patent/JPH08148725A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009206201A (ja) * | 2008-02-26 | 2009-09-10 | Kyocera Corp | セグメント型熱電素子、熱電モジュール、発電装置および温度調節装置 |
| JP2017034199A (ja) * | 2015-08-06 | 2017-02-09 | 富士通株式会社 | 熱電変換素子及びその製造方法 |
| WO2017043203A1 (ja) * | 2015-09-09 | 2017-03-16 | 株式会社 日立ハイテクノロジーズ | 温度調整装置 |
| GB2561446A (en) * | 2015-09-09 | 2018-10-17 | Hitachi High Tech Corp | Temperature adjustment Apparatus |
| US11193099B2 (en) | 2015-09-09 | 2021-12-07 | Hitachi High-Tech Corporation | Temperature adjustment apparatus |
| GB2561446B (en) * | 2015-09-09 | 2022-08-24 | Hitachi High Tech Corp | Temperature adjustment apparatus |
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