JPH08186296A - ペルチェ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はペルチェ効果を用いて冷却・加熱す
るペルチェ素子の耐久性の向上を企図したものであり、
特にヒートサイクルに対する耐久性の改善を目的とした
ものである。 【構成】 本発明によるペルチェ素子の構成としては、
銅電極２とＰ型およびＮ型の熱電素子エレメント３，４
とからなる配列と、強度保持のためのアルミナ基板１と
の接合を比較的高い熱伝導性を有するゴム状接着剤で、
機械的、熱的に接合することにより、素子全体の熱応力
を緩和し、ヒートサイクル耐久性を飛躍的に改善したも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱電材料の熱電効果を用
いて冷却や加熱を行うペルチェ素子の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】大別して熱電素子には、熱電材料に電流
を通じた時の吸熱作用を利用して冷却するペルチェ素子
と、逆に熱電材料内に温度差をつけたときに生じる熱起
電力を利用した発電素子がある。このうちペルチェ素子
は、フロン冷媒を使用する必要もなく、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
ローラなど広範囲に及んでいる。そのペルチェ素子の基
本構成は概ね図４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型の熱電素子エレメントであり、
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。 熱電素子エレメントと金属電極との接合は、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、熱電素子エレメ
ントと金属電極からなる配列は対向する２枚のセラミッ
ク板１０の間に半田９によって固定されている。半田に
よる接合を容易にするため、熱電素子エレメントや銅電
極、セラミック板の表面にはＮｉなどのメッキによる金
属メッキ層１１やタングステンによる金属層１２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、−８０℃〜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（Ｂｉ_0.25Ｓｂ_0.75）₂Ｔｅ₃であり、Ｎ
型がＢｉ₂（Ｔｅ_0.95Ｓｅ_0.05）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。ｃ軸に垂直な方向の熱電特性が高いので、エ
レメントとして溶性材料を用いるときには通電方向をｃ
軸に垂直な方向にとるのが普通である。

【０００４】さらに、吸熱や放熱の効率を高めるためセ
ラミック板１０に代えて表面を電気的に絶縁処理したア
ルミニウムなどの金属板で構成したペルチェ素子も提案
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４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、沸騰水や高温の
食品などを５〜１０℃に冷却する手段としてペルチェ素
子を用いる場合では、素子全体が７０〜１２０度の温度
差のヒートサイクルを受けることになる。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。

【０００６】また、ヒートサイクルに対する熱歪を緩和
するため、図５に示したように金属電極とセラミック
板、もしくは金属電極と放熱フィン１３を半田などで固
定せず、熱伝導性のＳｉグリス１４で摺り合わせ、熱伝
導性を確保した構造が開発されているが製造コストが高
く、機械的強度が弱いので冷却装置として構成する場
合、その取扱いに工夫が必要であった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも一
方のセラミック板と金属電極との接合をシリコンゴムな
どのゴム状物質で行うことにより、製造や取扱いが容易
で安価なペルチェ素子が構成できることを開示するもの
である。

【０００８】

【作用】ペルチェ素子にヒートサイクルが付与される
と、金属電極や熱電材料の熱膨張係数はセラミック板と
比較すると大きいので、金属電極とセラミック板の接合
部分や、熱電素子エレメントと金属電極の接合部分、あ
るいは熱電素子エレメント自身に引っ張りやせん断の熱
応力がかかる。本発明のゴム状物質は変形することによ
って素子全体の熱応力を緩和することができる。その結
果、素子のヒートサイクル耐久性を改善することができ
る。また、接合に用いるゴム状物質の厚みを薄くするこ
とにより、金属電極とセラミックス基板との間の熱伝導
性の低下を軽減することができる。

【０００９】一方、Ｓｉグリスなどによる摺り合わせ接
合と異なり、ゴム状物質を用いる本発明の接合は、素子
全体の機械的強度も高く、従来の素子と同様の取扱いや
製造方法が可能となる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明によるＢｉ−Ｔｅ系熱電材料
を用いたペルチェ素子の構成を示す図であり、同図を用
いてまず、一実施例の製造方法及び構成を説明する。

【００１１】Ｐ型については（Ｂｉ_0.25Ｓｂ_0.75）₂Ｔ
ｅ₃、Ｎ型についてはＢｉ₂（Ｔｅ_{0.9 5}Ｓｅ_0.05）₃の組
成であるＢｉ−Ｔｅ系熱電材料インゴットを切断砥石を
用いて厚さ２．０ｍｍにスライスした。表面にＮｉの無
電解メッキを施した後、１．４ｍｍ角、長さ２．０ｍｍ
の熱電素子エレメントを作製した。

【００１２】アルミナ基板１（40×40×0.8ｍｍ）の接
合面には、タングステンペーストによってメタライズ処
理を行い、Ｎｉメッキ処理した銅電極２を、所定の部位
に半田を用いて接合した。銅電極２に半田ペーストを印
刷した後、 ＊Ｐ型３とＮ型４の熱電素子エレメントを交互に配置
し、Ａｒのリフロー炉で加熱して半田接合した。一方、
対向するアルミナ基板５には、接合面全面にＳｉゴム接
着剤６塗布し、ただちにアルミナ基板１側と同様に銅電
極２を接合した。アルミナ基板１側の熱電素子エレメン
ト上に半田印刷を行なった後、アルミナ基板１と組合
せ、圧接圧を加えた状態でリフロー炉にて接合した。最
後に、正負のリード線７を、素子の配列の両端部に半田
付けした。このようにして構成したペルチェ素子の半田
層の厚みは７０μｍ程度で、Ｓｉゴム接着層の厚みは５
０μｍ程度であることが分かった。また、ゴム状物質の
適性を調べるためウレタンゴム、ブチルゴムを接合物質
として用いたペルチェ素子を試作した。

【００１３】従来のＳｉグリス法ではアルミナ基板がな
く、実際の冷却装置に組み込む際に熱伝導性のＳｉグリ
スを用いて接合しなければならず、機械的強度も不十分
なので取扱いに注意を要したが、本発明のペルチェ素子
では従来の半田による接合の素子と同様の取扱が可能と
なった。また、製造プロセスも半田による接合素子とほ
ぼ同様で、特殊な治具も必要ないので製造コストを低く
抑えることができる。

【００１４】つぎに、図１で示した本発明のペルチェ素
子のヒートサイクル耐久性を試験した。通常ペルチェ素
子は通電時に吸熱側と放熱側とでは３０〜５０度の温度
差が誘起され、その際に熱歪が発生する。また、被冷却
物の温度変化にともなって素子全体が５０〜１００度の
ヒートサイクルを繰り返すことになり、その時にも大き
な熱歪が伴うことになる。そこで素子に３Ａの電流を流
し、５０度の温度差がついた時点で電流を反転し、再度
５０度の温度差をつけるというサイクルＡと、素子全体
を３０分ずつ、９５℃と５℃の環境に交互に出し入れす
るサイクルＢとの２種類の耐久試験を行なった。素子の
特性は３Ａの電流を流し、３０度の温度差をつけたとき
の吸熱量で評価した。

【００１５】ペルチェ素子の耐久性評価のために、ヒー
トサイクル試験中のペルチェ素子を取り出し、温度差を
２５度にとり、３Ａの電流を通じてその時の吸熱量（Ｑ
ｃ）を測定した。図２にサイクルＡの耐久性評価試験結
果を示す。Ｓｉゴムに比して金属である半田は熱伝導率
が高く、その分だけ初期の吸熱量は従来の半田接合タイ
プの方が若干高かったが、１００００サイクルを越えた
時点で徐々に性能の低下がみられた。しかしながら、本
発明のＳｉゴム接合タイプでは２００００サイクルを経
ても吸熱量の低下はほとんど見られなかった。また、図
３にはサイクルＢの耐久性評価試験結果を示した。従来
の半田接合タイプでは３００サイクルを越えた時点で吸
熱量の低下がみられ、６００サイクルを過ぎた時点で冷
却することができなくなった。一方、Ｓｉゴム接合タイ
プでは１０００サイクルを経ても吸熱量の顕著な低下は
見られなかった。これらの耐久試験を通じて、Ｓｉゴム
による性能の低下は０．３Ｗ程度と小さく、逆にヒート
サイクル耐久性はＳｉゴムによって熱応力が緩和できる
ので飛躍的に改善できることが分かった。 ＊ブチルゴム、ウレタンゴムを用いたペルチェ素子につ
いても同様の耐久性評価試験を行ったところ、シリコン
ゴムを用いた素子に比べて初期の吸熱量が若干低かった
り、サイクルＢにおいて多数サイクル後の吸熱量低下が
散見されたが実用的効果はある。これらのゴム状物質が
シリコンゴムに比べて熱劣化しやすいことや、熱伝導度
の違いが影響していると考えられる。

【００１６】なお、ゴム状物質としては、天然ゴム、ア
クリルゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、イソ
プレンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン
化ポリエチレンゴム、クロロプレンゴム、スチレンブタ
ジエンゴム、ハイスチレンゴム、ブタジエンゴム、フッ
素ゴム等がある、またゴムと同程度の弾性および機械的
強度があれば樹脂であってもよい。

【００１７】シリコンゴムに関しても空気中の水分を吸
収したり、酸性物質の飛散によって硬化するタイプや、
硬化促進剤添加タイプなどについてその適性を検討した
が、比較的粘度の低い状態での接合が可能で硬化時間を
制御しやすい硬化促進剤添加タイプの結果が良好であっ
た。その際の接着層の厚みは平均して約３０μｍであ
り、吸熱量の低下は０．２Ｗ〜０．３Ｗに抑えられるこ
とが分かった。

【００１８】さらに吸熱量の低下を抑制するための方法
としてシリコンゴムやウレタンゴムにアルミナ、マグネ
シアなどの、ゴムに比べて熱伝導性の高い無機物質粉末
を充填剤として添加・混練し、ゴム状物質の熱伝導性の
改善を図った。その結果、吸熱量の低下を０．１Ｗ〜
０．２Ｗに抑えることができた。

【００１９】図１に示したペルチェ素子では一方のアル
ミナ板と銅電極との接合にゴム状物質を用いたが、今度
は両方のアルミナ板にシリコンゴム接着剤を用いて銅電
極を接合したペルチェ素子を作製した。この素子にもヒ
ートサイクル耐久試験を施したが片側のみシリコンゴム
を用いた素子と同様なヒートサイクル耐久性を有してい
た。

【００２０】つぎに、強度保持の端板としてアルミナ焼
結板に代え、金属であるアルミニウム板を用いて実験を
行なった。従来の半田によって接合した素子では、アル
ミナ板を用いた素子ほどではなかったが、サイクルＡ、
サイクルＢともある程度の劣化が観測された。しかしな
がら、シリコンゴムによって接合した素子は著しい性能
の低下は認められなかった。アルミニウム板では熱的、
力学的性質が銅電極や熱電素子エレメントに近いことか
らアルミナ板を用いたときほど素子内部に熱ひずみは発
生しないものの、生じた熱ひずみはシリコンゴムによっ
て緩和・吸収されていると考えられる。

【００２１】以上は、ペルチェ効果を用いて室温近傍で
物体を加熱・冷却するペルチェ素子について例示した
が、逆に排熱を利用した発電素子などでもヒートサイク
ルによる熱歪を緩和する手段として有効であると考えら
れる。

【００２２】

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のペルチェ素子の基本構成を示した図

【図２】本発明のペルチェ素子のヒートサイクル耐久性
を表した図

【図３】本発明のペルチェ素子のヒートサイクル耐久性
を表した図

【図４】従来の半田接合によるペルチェ素子を表わした
図

【図５】従来のＳｉグリス接合によるペルチェ素子を表
わした図

【符号の説明】

１ アルミナ基板 ２ 銅電極 ３ Ｐ型エレメント ４ Ｎ型エレメント ５ アルミナ基板 ６ シリコンゴム接着剤 ７ リード線 ８ 金属電極 ９ 半田 １０ セラミック板 １１ 金属層 １２ 金属層 １３ 放熱フィン １４ Ｓｉグリス

フロントページの続き (72)発明者 岡部 良行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する２枚の支持板間に、Ｐ型とＮ型の
   複数の熱電素子エレメントと金属電極からなる平面状の
   熱電素子群を配し、前記熱電素子と接触する前記支持板
   を直接あるいは絶縁層を介してシリコンゴム等のゴム状
   物質によって接合したことを特徴とするペルチェ素子。
2. 【請求項２】ゴム状物質が、弾性を有する有機物とその
   有機物より熱伝導性の高い無機物との混合物であること
   を特徴とする請求項１記載のペルチェ素子。
3. 【請求項３】前記支持板はセラミック基板、金属板ある
   いはその両者を合わせたものであることを特徴とする請
   求項１あるいは２記載のペルチェ素子。