JPH08293627A

JPH08293627A - ペルチェ素子システム

Info

Publication number: JPH08293627A
Application number: JP7101215A
Authority: JP
Inventors: Akiko Miyake; 章子三宅; Hisaaki Gyoten; 久朗行天
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1996-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】ペルチェ素子と熱交換器間の熱伝導性を大幅に
改善するシステム構成を提供することを目的とする。【構成】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、この平板上配列に接して設
けた金属製熱交換器からなり、平板上配列と熱交換器と
が有機薄膜を介して、熱伝導性ペーストまたはゴム状物
質によって接合されていることを特徴とするものであ
る。さらには、平板状配列部材と熱交換器とが熱融着樹
脂によって接合されていることを特徴とする。この構成
により、ペルチェ素子と熱交換器間の熱伝導性を大幅に
向上させるとともに、耐久性や加工性などの実用性をも
高めることができ、従来より高性能なペルチェ素子シス
テムを安価で提供することができる。

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、熱電材料の熱
電効果を用いて冷却や加熱を行うことが可能な、ペルチ
ェ素子システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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。

【０００３】このうちペルチェ素子は、フロンなどの液
体を使わず、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。ペルチェ素子冷却シス
テム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。

【０００４】冷却に用いるペルチェ素子システムの基本
構成は、概ね図５に示した構成となっている。同図を参
照しながら従来の構成を説明する。

【０００５】同図において、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１２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１３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
械的強度や電気絶縁性を確保するため、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１４の間に半田１３によって固定されている。この
ようにして構成されている完成部品としてのペルチェ素
子に対して、例えば、実際に冷却装置として、利用する
ためには、必要に応じて、更に次のような部品が個別的
に接合される。

【０００６】即ち、ペルチェ素子のセラミック板１４
に、熱交換器１５が、熱伝導性ペースト１６を介して接
合されている。

【０００７】一方、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。

【０００８】次に、図５を用いて、従来の場合の動作を
説明する。

【０００９】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、エレメントの吸
熱側に接合されたセラミック板表面で冷却を行うことが
できる。一方、エレメントの放熱側の温度は上昇するた
め、セラミック板に設置された熱交換器によって放熱が
行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す、従来のペルチェ素子を利用するシステムの場合、
第一の課題は効率の低さであり、その原因の一つが、シ
ステム構成上の熱ロスであった。したがって、効率を高
くするためには、セラミック板等の熱伝導ロスをできる
だけ抑制する必要があった。

【００１１】また、図５のペルチェ素子システムは、耐
久性や機械的強度、加工性など実用面での課題も多くあ
った。例えば、熱電素子エレメント３，４は機械的強度
が小さく、セラミック板とＢｉ−Ｔｅ系材料からなるエ
レメント材料の熱膨張係数の違いから、ｃ軸と垂直方向
にクラックが入りやすいといった問題があった。

【００１２】さらに、民生用製品への応用展開を考える
場合、素子およびシステムの製造にかかるコストの低減
は必須であった。

【００１３】これらの改善のため、従来のペルチェ素子
を用いたシステムの課題である冷却性能を向上させるた
めに、熱電材料そのものの開発以外に、構成上の改善が
行われてきた。例えば、吸熱や放熱の効率を高めるため
セラミック板１４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、あ
るいは、セラミック板を除去し、電極とエレメントから
なる平板状配列部材のみで構成したペルチェ素子を用い
たシステム等が提案されている。しかし、セラミック板
を持たない素子を用いる場合は、機械的強度も弱く、取
扱いに特別な治具を要したり、また金属性熱交換器との
接合面で電気的短絡が発生するため、熱交換器の接合面
に絶縁処理を施す必要があり、コスト上昇につながって
いた。

【００１４】一方、図５のペルチェ素子システムの耐久
性を向上させるための試みとして、セラミック板１４と
金属電極１２間の接合を、半田の代わりにシリコンゴム
接着剤によって行った素子が製造されている。セラミッ
ク板と金属電極の熱膨張の差から生じる熱応力をシリコ
ンゴム層で緩和し、ペルチェ素子の耐久性を大幅に改善
するものである。しかし、シリコンゴム層は半田層に比
べて熱伝導性が低いため、システムの冷却性能は若干低
下していた。

【００１５】このように、従来、熱電材料の性能は現状
のままで、デバイスやシステムの構成を改善し、冷却性
能を向上させるとともに、耐久性や強度などの実用性を
も高めることは困難であるとの課題を有していた。

【００１６】従って、本発明は、従来のペルチェ素子シ
ステムのこうような課題を考慮し、ペルチェ素子システ
ムの冷却性能を従来に比べてより一層向上させるととも
に、耐久性や加工性などの実用性を従来と同じか、もし
くはより一層高めることができる、安価なシステムの構
築が可能なペルチェ素子システムを提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、Ｐ
型とＮ型の複数の熱電素子エレメントが金属電極を介し
て交互に電気的に直列に接合され、形成された平板状配
列部材と、その平板状配列部材に直接または間接的に接
して設けられた金属製熱交換器とを備え、上記平板状配
列部材と前記熱交換器とが有機薄膜を介して熱伝導性ペ
ーストによって接合されているペルチェ素子システムで
ある。

【００１８】請求項２の本発明は、Ｐ型とＮ型の複数の
熱電素子エレメントが金属電極を介して交互に電気的に
直列に接合され、形成された平板状配列部材と、その平
板状配列部材に直接または間接的に接して設けられた金
属製熱交換器とを備え、上記平板状配列部材と前記熱交
換器とが有機薄膜を介してゴム状物質によって接合され
ているペルチェ素子システムである。

【００１９】請求項３の本発明は、Ｐ型とＮ型の複数の
熱電素子エレメントが金属電極を介して交互に電気的に
直列に接合され、形成された平板状配列部材と、その平
板状配列部材に直接または間接的に接して設けられた金
属製熱交換器とを備え、上記平板状配列部材と前記熱交
換器とが熱融着樹脂によって接合されているペルチェ素
子システムである。

【００２０】請求項４の本発明は、上記平板状配列部材
と前記熱交換器とが有機薄膜を介して前記熱融着樹脂に
よって接合されているペルチェ素子システムである。

【００２１】請求項５の本発明は、上記平板状配列部材
は、その片面側または両面側に金属製熱交換器を備えて
おり、その金属製熱交換器が前記片面側に設けられてい
る場合は、前記平板状配列部材の他の片面にはセラミッ
ク製の板状部材が直接または間接的に設けられているペ
ルチェ素子システムである。

【００２２】

【作用】請求項１の本発明では、平板状配列部材は、Ｐ
型とＮ型の複数の熱電素子エレメントが金属電極を介し
て交互に電気的に直列に接合され形成され、金属製熱交
換器がその平板状配列部材に直接または間接的に接して
設けられ、上記平板状配列部材と前記熱交換器とが有機
薄膜を介して熱伝導性ペーストによって接合されてい
る。

【００２３】請求項２の本発明では、平板状配列部材
は、Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子エレメントが金属電極
を介して交互に電気的に直列に接合され形成され、金属
製熱交換器がその平板状配列部材に直接または間接的に
接して設けられ、上記平板状配列部材と前記熱交換器と
が有機薄膜を介してゴム状物質によって接合されてい
る。

【００２４】請求項３の本発明では、平板状配列部材
は、Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子エレメントが金属電極
を介して交互に電気的に直列に接合され形成され、金属
製熱交換器がその平板状配列部材に直接または間接的に
接して設けられ、上記平板状配列部材と前記熱交換器と
が熱融着樹脂によって接合されている。

【００２５】請求項４の本発明では、上記平板状配列部
材と前記熱交換器とが有機薄膜を介して前記熱融着樹脂
によって接合されている。

【００２６】請求項５の本発明では、上記平板状配列部
材は、その片面側または両面側に金属製熱交換器を備え
ており、その金属製熱交換器が前記片面側に設けられて
いる場合は、前記平板状配列部材の他の片面にはセラミ
ック製の板状部材が直接または間接的に設けられてい
る。

【００２７】これにより、例えば、ペルチェ素子放熱側
のセラミック板の代わりに、有機薄膜または樹脂を用い
て、金属製熱交換器との絶縁を行うことによって、従来
の耐久性能や機械的強度を損なうことなく、放熱側の熱
伝導性を大幅に改善することができる。その結果、例え
ば、ペルチェ素子システムの冷却能力を１０〜２０％向
上させることが可能である。さらに、製造工程の簡略化
が実現し、製造コストが低減できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例のペルチェ素子システ
ムについて、図面を参照しながら説明する。（実施例１）図１は、本発明にかかる一実施例の、Ｂｉ
−Ｔｅ系熱電材料を用いたペルチェ素子と熱交換器から
なるシステム（ペルチェ素子システム）の構成図であ
り、同図を用いて、本実施例の製造方法及び構成を説明
する。

【００２９】即ち、Ｐ型については（Ｂｉ_0.25Ｓ
ｂ_0.75）₂Ｔｅ₃、Ｎ型についてはＢｉ₂（Ｔｅ_0.95Ｓｅ
_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。

【００３０】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。
さらに、銅電極２を熱電素子エレメントの所定の部位に
配置し、Ａｒのリフロー炉で加熱して半田接合した。最
後に、正負のリード線５を、アルミナ基板１上の素子の
配列の両端部に半田付けした。

【００３１】このようにして構成したペルチェ素子の、
アルミナ基板側を吸熱側（図中、上側）、アルミナ基板
側と反対側を放熱側（図中、下側）とした。

【００３２】次に、放熱側の銅電極表面に、ローラーを
用いて熱伝導性シリコンペースト６を塗布し、厚さ１０
μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルム
（40×40ｍｍ）７を設置した。ＰＥＴフィルム７上に、
接合面に熱伝導性シリコンペースト６を塗布したアルミ
ニウム製放熱フィン８を配置し、２．０kgf／cm²の加重
で圧接した。

【００３３】図１に示す、本発明にかかる本実施例のペ
ルチェ素子システムの冷却性能評価を以下の方法で行っ
た。

【００３４】ペルチェ素子の吸熱面、即ち、図１のアル
ミナ基板１の表面に、熱伝導性シリコンペーストを介し
てアルミニウム製の流路（図５において、図中の上側に
記載の熱交換器１５に相当）を設置し、流路には一定速
度で水を流した。流路入口の水温Ｔhと流路出口の水温
Ｔｃを測定し、定常状態を確認した後、水量及び温度差
（Ｔh−Ｔc）より、システムの吸熱量Ｑを算出した。測
定の結果、図１のシステムの吸熱量Ｑは１６Ｗであっ
た。

【００３５】比較のため、同様の測定方法で、アルミナ
基板を両面に設置したペルチェ素子を用いた従来システ
ム（図５参照）に対して行った結果、１５．２Ｗであっ
た。

【００３６】従来システムのペルチェ素子と図１のペル
チェ素子は、同じ熱電材料インゴットより作製したエレ
メントからなるものであるため、素子性能は同等であ
る。しかし、従来の構成では、素子放熱側のアルミナ基
板の厚みが０．８ｍｍと厚く、素子表面と放熱フィン間
で熱ロスが生じ、システムの効率を低下させていると考
えられる。図１のような構成は、このような従来システ
ムの課題を解決し、すなわち素子表面と放熱フィン間の
熱伝導性を改善するものである。その結果、システムの
冷却性能を５％向上することができた。また、本発明の
ペルチェ素子システムの耐久性は、温度６０度、湿度９
０％の環境下で実施した耐久試験により、従来システム
と同等であることを確認した。

【００３７】つぎに、絶縁性の有機薄膜の適性を調べる
ため、厚さ１０μｍのポリイミドフィルム、厚さ２５μ
ｍ及び５０μｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレ
ン）フィルム、厚さ６μｍのＰＥＴフィルムを介して、
ペルチェ素子と放熱フィンの接合を行ったシステムを試
作し、同様の性能評価を行った。

【００３８】その結果、厚さ１０μｍのポリイミドフィ
ルムと厚さ６μｍのＰＥＴフィルムを用いたシステムの
吸熱量は１５．９〜１６．０Ｗであった。しかし、厚さ
２５μｍ及び５０μｍのＰＴＦＥフィルムを用いたシス
テムの吸熱量はそれぞれ１５．２Ｗ及び１５Ｗで、従来
システムの性能とほぼ同等であった。このように１００
μｍ以下の薄膜の熱伝導性は、材料特性より膜厚の影響
が大きく、膜厚２５μｍ以下の有機薄膜が特に有用と思
われる。しかし、厚さ６μｍのフィルムを用いる場合、
加工性・強度に課題があり、工夫が必要である。

【００３９】さらに、熱電素子エレメントと電極よりな
る平板状配列部材のみで構成されたペルチェ素子を用
い、同様のシステムを試作した。

【００４０】ペルチェ素子の放熱側は放熱フィン、吸熱
側はアルミニウム製流路とそれぞれＰＥＴフィルム（45
×45×0.01)を介して、熱伝導性シリコンペーストで接
合した。このシステムに対して同様の性能測定を行った
ところ、吸熱量が従来システムより約１０％向上した。
このことから、ペルチェ素子の両面に本発明の構成を適
用することで、より高性能なシステムが実現できること
を確認した。

【００４１】以上のように本実施例によれば、ペルチェ
素子と金属製熱交換器を有機薄膜を介して熱伝導性ペー
ストによって接合することにより、素子表面と熱交換器
間の熱伝導ロスを小さくすることができる。さらに、素
子と熱交換器を一体として製造できる本発明のシステム
構成の結果、従来システムと同等の機械的強度及び耐久
性を維持したまま、冷却能力を５〜１０％向上させたペ
ルチェ素子システムを構築することができる。

【００４２】なお、本実施例で例示した有機薄膜の他に
も、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）、ＰＥＮ
（ポリエチレンナフタレート）、ポリアクリロニロリ
ル、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、アラミド
（全芳香族ポリアミド）、ポリスチレン、またＰＴＦＥ
の他にもＦＥＰ（四フッ化エチレンと六フッ化プロピレ
ンの共重合体）やポリフッ化ビニル等のフッ素樹脂等
の、厚さ５〜７０μｍの絶縁性フィルムを用いても同様
の効果が得られる。

【００４３】又、本発明は放熱側の接合に適用する場合
だけではなく、吸熱側の接合に適用し、金属板などの冷
却媒体との接合を有機薄膜を介して行うこともできる。
さらに、本発明の構成は、加熱・冷却するペルチェ素子
システムについてのみでなく、発電を目的としたシステ
ムにも適用できる。

【００４４】（実施例２）図２は、本発明にかかる一実
施例の、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料を用いたペルチェ素子と
熱交換器からなるシステムの構成図であり、同図を用い
て、本実施例の製造方法及び構成を説明する。

【００４５】（実施例１）と同様の方法で、Ｂｉ−Ｔｅ
系熱電材料を用いたペルチェ素子を作製した。この素子
のアルミナ基板側を吸熱側、アルミナ基板側と反対側を
放熱側とした。放熱側の銅電極表面に、シリコンゴム接
着剤９を塗布した厚さ１０μｍのＰＥＴ（ポリエチレン
テレフタラート）フィルム（40×40ｍｍ）７を設置し、
さらにＰＥＴフィルム７上に、シリコンゴム接着剤９０
を塗布したアルミニウム製放熱フィン８を設置した。そ
の後、２．０kgf／cm²の圧接圧を加えた状態で、リフロ
ー炉で接合した。

【００４６】本発明の構成により、従来のように熱伝導
性ペーストを塗布する工程を省略できるのみでなく、ペ
ルチェ素子−熱交換器の一体型として生産できるため、
強度を確保でき、製造コストを低減させることができ
る。また、従来はペルチェ素子−熱交換器間を熱伝導性
ペーストを介して圧接していたため、熱電素子エレメン
トにクラックが生じたり、押し出されたペーストがエレ
メント表面に付着するなどの問題があった。本発明の、
ペルチェ素子−熱交換器間の接合にゴム状物質を用いる
構成は、これらの問題を一挙に解決することができる。

【００４７】（実施例１）と同様に、図２の本発明のペ
ルチェ素子システムの冷却性能評価を行ったところ、吸
熱量測定値Ｑは１６．２Ｗであり、従来システムより５
％向上した。従来システムのペルチェ素子と図２のペル
チェ素子は、同じ熱電材料インゴットより作製したエレ
メントからなるものであるため、素子性能は同等であ
る。しかし、従来の構成では、素子放熱側のアルミナ基
板の厚さが０．８ｍｍあるため、素子表面と放熱フィン
間で熱ロスが生じ、システムの効率を低下させている。
図１のような構成は、このような従来システムの課題を
解決し、すなわち素子表面と放熱フィン間の熱伝導性を
改善するものである。また、本発明のペルチェ素子シス
テムの耐久性は、温度６０度、湿度９０％の環境下で実
施した耐久試験により、従来システムと同等であること
を確認した。

【００４８】シリコンゴムの代わりに、ブチルゴム、ウ
レタンゴムを用いたペルチェ素子システムについても同
様の冷却性能評価及び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吸熱量が若干低かっ
たり、耐久試験による素子の劣化がみられた。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。

【００４９】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、従来システムに比べて１０〜１５％の性能向上がみ
られた。また、接着層の厚みが小さいほど高性能のシス
テムが得られた。

【００５０】さらに、ペルチェ素子−熱交換器間の熱伝
導の効率を向上させるため、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、システ
ムの性能をさらに２〜５％向上させることができた。

【００５１】以上のように本実施例によれば、ペルチェ
素子と金属製熱交換器を有機薄膜を介してゴム状物質に
よって接合することにより、素子表面と熱交換器間の熱
伝導ロスを小さくすることができる。その結果、従来よ
り１０〜１５％高い冷却性能を持つペルチェ素子システ
ムを構築することができる。さらに、素子と熱交換器を
一体として製造できる本発明のシステム構成は、両者の
接合をペーストを介した圧接によって行う従来システム
に比べて、より大きな機械的強度とより安価な製造コス
トを実現するものである。

【００５２】なお、本実施例で例示したゴム状物質の他
に、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、またフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロ
プロペン共重合体等のフッ素ゴムを用いてもよい。ま
た、ゴムと同程度の弾性及び機械的強度があれば樹脂で
あってもよい。

【００５３】本実施例ではＰＥＴフィルムを用いた場合
について述べたが、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラー
ト）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリアク
リロニロリル、ポリイミド、アラミド（全芳香族ポリア
ミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ポリ
スチレン、またＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレ
ン）やＦＥＰ（四フッ化エチレンと六フッ化プロピレン
の共重合体）等のフッ素樹脂等の、厚さ５〜７０μｍの
絶縁性有機薄膜を用いても同様の効果が得られる。さら
に、ゴム状物質によって表面加工された、両面または片
面に接着層を有する有機薄膜を用いて、製造工程を簡略
化できることはいうまでもない。

【００５４】以上は、ペルチェ素子の放熱側のみの接合
に本発明を適用した例であるが、吸熱側の接合に適用
し、金属板などの冷却媒体との接合を有機薄膜を介して
行うこともできる。また、エレメントと電極からなる配
列のみで構成された素子を用いれば、放熱側と吸熱側の
両面に本発明の構成を適用できるため、より効率のよい
システムが実現できる。さらに、本発明の構成は、加熱
・冷却するペルチェ素子システムについてのみでなく、
発電を目的としたシステムにも適用できる。

【００５５】（実施例３）図３は、本発明にかかる一実
施例の、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料を用いたペルチェ素子と
熱交換器からなるシステムの構成図であり、同図を用い
て、本実施例の製造方法及び構成を説明する。

【００５６】（実施例１）と同様の方法で、Ｂｉ−Ｔｅ
系熱電材料を用いたペルチェ素子を作製した。この素子
のアルミナ基板側を吸熱側、アルミナ基板側と反対側を
放熱側とした。放熱側の銅電極表面に、フィルム状のポ
リ酢酸ビニル１０（45×45×0.03mm）を介してアルミニ
ウム製放熱フィン８を設置し、２kgf／cm²で加圧した状
態のまま、２時間の熱処理を施した。熱処理温度は、ポ
リ酢酸ビニルの融点が１００℃前後であるため、１２０
℃に設定した。熱処理後、室温で３時間放置し、加重を
除去した。

【００５７】本発明の構成により、ペルチェ素子と熱交
換器間の接着層を熱伝導性ペーストやゴム状物質を用い
た場合よりも薄くできるため、接着層内の熱伝導を大幅
に改善することができる。また、熱融着樹脂からなる接
着層によって、ヒートサイクルの繰り返しによって接合
面に生じる熱歪を緩和することができる。つまり、高性
能で、かつ耐久性の高いペルチェ素子システムの構築が
可能になる。さらに、素子−熱交換器の一体型として生
産できるため、強度を確保でき、製造コストを低減させ
ることが出来得る。尚、上記熱処理に要する時間等は、
実験室での所要時間であり、実際の量産においては、熱
ロール、ホットプレス等による熱融着法がすでに汎用さ
れており、それらの所定の設備を用いて短縮される。

【００５８】（実施例１）と同様に、図３の本発明のペ
ルチェ素子システムの冷却性能評価を行ったところ、吸
熱量測定値Ｑは１７．５Ｗであり、従来システムより１
５％向上した。従来システムのペルチェ素子と図３のペ
ルチェ素子は、同じ熱電材料インゴットより作製したエ
レメントからなるものであるため、素子性能は同等であ
る。しかし、従来の構成では、素子放熱側のアルミナ基
板の厚さが０．８ｍｍあるため、素子表面と放熱フィン
間で熱ロスが生じ、システムの効率を低下させている。
図３のような構成は、このような従来システムの課題を
解決し、すなわち素子表面と放熱フィン間の熱伝導性を
改善するものである。また、本発明のペルチェ素子シス
テムの耐久性は、温度６０度、湿度９０％の環境下で実
施した耐久試験により、従来システムの約１．５倍であ
ることを確認した。しかし、ポリ酢酸ビニルの融点が低
いため、放熱側温度が１００℃を超えるヒートサイクル
がかかるような用途には、このシステムは適用できな
い。

【００５９】そこで、ポリ酢酸ビニルフィルムより融点
の高い、ナイロン系のフィルムを用いたペルチェ素子シ
ステムを作製したところ、従来システムと同等の耐久性
を維持したまま、冷却性能が２０％向上できた。

【００６０】以上のように本実施例によれば、ペルチェ
素子と金属製熱交換器を、１００〜２００℃の融点を持
つ熱融着樹脂によって接合することにより、素子表面と
熱交換器間の熱伝導性を大幅に改善することができる。
その結果、従来システムの冷却性能を約２０％高めるこ
とができる。また、樹脂による接着層は、接合面に生じ
る熱歪を緩和するため、ヒートサイクルに対する耐久性
を従来の１．５倍程度まで改善することができる。さら
に、素子と熱交換器を一体として製造できる本発明のシ
ステム構成は、両者の接合をペーストを介した圧接によ
って行う従来システムに比べて、取扱いが容易で機械的
強度が大きい等のより優れた実用性と、より安価な製造
コストを実現するものである。

【００６１】なお、本実施例で例示した熱融着樹脂の他
に、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニル等のフッ素樹
脂、塩化ビニル樹脂、アセタール樹脂を用いてもよい。

【００６２】以上は、ペルチェ素子の放熱側のみの接合
に本発明を適用した例であるが、吸熱側の接合に適用
し、金属板などの冷却媒体との接合を熱融着によって行
うこともできる。また、エレメントと電極からなる配列
のみで構成された素子を用いれば、放熱側と吸熱側の両
面に本発明の構成を適用できるため、より効率のよいシ
ステムが実現できる。さらに、本発明の構成は、加熱・
冷却するペルチェ素子システムについてのみでなく、発
電を目的としたシステムにも適用できる。

【００６３】（実施例４）図４は、本発明にかかる一実
施例の、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料を用いたペルチェ素子と
熱交換器からなるシステムの構成図であり、（実施例
３）における図３のペルチェ素子システムの絶縁信頼性
をさらに高めた構成になっている。以下にその製造方法
及び構成を説明する。

【００６４】（実施例１）と同様の方法で、Ｂｉ−Ｔｅ
系熱電材料を用いたペルチェ素子を作製した。この素子
のアルミナ基板側を吸熱側、アルミナ基板側と反対側を
放熱側とした。放熱側の銅電極表面に、ポリエチレン層
１１でコーティングされたＰＥＴフィルム７（45×45×
0.032mm）を設置した。このとき、フィルムのポリエチ
レン層１１側の表面を電極との接合面とした。なお、本
実施例で用いたＰＥＴフィルム全体の厚さは３２μｍで
あり、そのうち２０μｍがポリエチレン層、１２μｍが
ＰＥＴ層である。フィルムは、２kgf／cm²で加圧しなが
ら、２時間の熱処理を施して、電極表面と融着させた。
熱処理温度は、ポリエチレンの融点が１３０℃前後であ
るため、１４０℃に設定した。熱処理後、室温で３時間
放置し、加重を除去した。

【００６５】以上の方法で作製したペルチェ素子に、ア
ルミニウム製放熱フィン８を以下の方法で設置した。ペ
ルチェ素子放熱側のフィルム表面に、熱伝導性シリコン
ペースト６を塗布し、放熱フィン８を設置し、２kgf／c
m²の圧接圧力を加えて接合した。

【００６６】本発明の構成により、ペルチェ素子と熱交
換器間の接着層の厚みが３０μｍ程度となり、厚さ０．
８ｍｍのアルミナ基板を介していた従来システムより、
熱伝導性を大幅に改善することができた。

【００６７】（実施例１）と同様に、図４の本発明のペ
ルチェ素子システムの冷却性能評価を行ったところ、吸
熱量測定値Ｑは１６．５Ｗであり、従来システムより約
１０％向上した。従来システムのペルチェ素子と図４の
ペルチェ素子は、同じ熱電材料インゴットより作製した
エレメントからなるものであるため、素子性能は同等で
ある。しかし、従来の構成では、素子放熱側のアルミナ
基板の厚さが０．８ｍｍあるため、素子表面と放熱フィ
ン間で熱ロスが生じ、システムの効率を低下させてい
る。図３のような構成は、このような従来システムの課
題を解決し、すなわち素子表面と放熱フィン間の熱伝導
性を改善するものである。また、本発明のペルチェ素子
システムの耐久性は、温度６０度、湿度９０％の環境下
で実施した耐久試験により、従来システムと同等である
ことを確認した。

【００６８】また、ポリエチレン層やＰＥＴ層の厚みを
変えたフィルムを用いて、同様のシステムを作製し、同
様の冷却性能評価を行ったところ、ポリエチレン層の厚
みが小さいほど高性能なシステムが得られ、従来システ
ムの冷却性能を２０％程度まで向上させることができ
た。

【００６９】さらに、ポリエチレン層を両面に有するＰ
ＥＴフィルムを用いれば、素子と放熱フィンの接合にも
熱融着を用いることができ、システムの性能を向上させ
るだけでなく、製造工程をも簡略化することができる。

【００７０】以上のように本実施例によれば、ペルチェ
素子と金属製熱交換器を、有機薄膜を介して、１００〜
２００℃の融点を持つ熱融着樹脂によって接合すること
により、素子表面と熱交換器間の熱伝導性を大幅に改善
することができる。その結果、従来より約２０％高い冷
却性能を持つペルチェ素子システムを構築することがで
きる。さらに、素子と熱交換器を一体として製造できる
本発明のシステム構成は、両者の接合をペーストを介し
た圧接によって行う従来システムに比べて、取扱いが容
易で機械的強度が大きい等のより優れた実用性と、より
安価な製造コストを実現するものである。このように、
上記実施例によれば、ペルチェ素子システムの冷却性能
を従来に比べてより一層向上させるとともに、耐久性や
加工性などの実用性を従来と同じか、もしくはより一層
高めることができる、安価なシステムの構築が可能なペ
ルチェ素子システムを提供することが出来る。

【００７１】なお、本実施例で例示したポリエチレン層
の他に、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニ
ル等の熱融着樹脂を用いてもよい。また有機薄膜はＰＥ
Ｔ以外に、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタラート）、Ｐ
ＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリアクリロニロ
リル、ポリイミド、アラミド（全芳香族ポリアミド）、
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ポリスチレ
ン、またＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＦ
ＥＰ（四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの共重合
体）等のフッ素樹脂の、厚さ５〜７０μｍの絶縁性有機
薄膜を用いても同様の効果が得られる。

【００７２】以上は、ペルチェ素子の放熱側のみの接合
に本発明を適用した例であるが、吸熱側の接合に適用
し、金属板などの冷却媒体との接合を熱融着によって行
うこともできる。また、エレメントと電極からなる配列
のみで構成された素子を用いれば、放熱側と吸熱側の両
面に本発明の構成を適用できるため、より効率のよいシ
ステムが実現できる。さらに、本発明の構成は、加熱・
冷却するペルチェ素子システムについてのみでなく、発
電を目的としたシステムにも適用できる。

【００７３】以上のように、本発明は、例えば、従来の
両側にセラミック板を有するペルチェ素子の少なくとも
一方のセラミック板を除去して形成されたペルチェ素子
を、絶縁性の有機薄膜または熱融着樹脂を介して金属製
熱交換器と接合または融着させることによって、冷却性
能が高く、実用性に優れた、安価なペルチェ素子システ
ムを提供することが出来るものである。

【００７４】又、上記実施例によれば、熱電材料は現状
のままで、ペルチェ素子システムの冷却性能および製造
工程を飛躍的に改善することができるので、ペルチェ素
子の応用展開分野が拡大するなど、産業上非常に有益で
ある。

【００７５】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、ペルチェ素子システムの冷却性能を従来に比べ
てより一層向上させることが出来るという長所を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例におけるペルチェ素子シ
ステムの構成図

【図２】本発明の第二の実施例におけるペルチェ素子シ
ステムの構成図

【図３】本発明の第三の実施例におけるペルチェ素子シ
ステムの構成図

【図４】本発明の第四の実施例におけるペルチェ素子シ
ステムの構成図

【図５】従来の、ペルチェ素子を利用したシステムの基
本構成を示した図

【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・・・リード線６・・・熱伝導性シリコンペースト７・・・ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィル
ム８・・・アルミニウム製放熱フィン９・・・シリコンゴム接着剤１０・・ポリ酢酸ビニル１１・・ポリエチレン層１２・・金属電極１３・・半田１４・・セラミック板１５・・熱交換器１６・・熱伝導性ペースト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子エレメント
が金属電極を介して交互に電気的に直列に接合され、形
成された平板状配列部材と、その平板状配列部材に直接または間接的に接して設けら
れた金属製熱交換器とを備え、上記平板状配列部材と前記熱交換器とが有機薄膜を介し
て熱伝導性ペーストによって接合されていることを特徴
とするペルチェ素子システム。
【請求項２】Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子エレメント
が金属電極を介して交互に電気的に直列に接合され、形
成された平板状配列部材と、その平板状配列部材に直接または間接的に接して設けら
れた金属製熱交換器とを備え、上記平板状配列部材と前記熱交換器とが有機薄膜を介し
てゴム状物質によって接合されていることを特徴とする
ペルチェ素子システム。
【請求項３】Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子エレメント
が金属電極を介して交互に電気的に直列に接合され、形
成された平板状配列部材と、その平板状配列部材に直接または間接的に接して設けら
れた金属製熱交換器とを備え、上記平板状配列部材と前記熱交換器とが熱融着樹脂によ
って接合されていることを特徴とするペルチェ素子シス
テム。
【請求項４】平板状配列部材と前記熱交換器とが有機
薄膜を介して前記熱融着樹脂によって接合されているこ
とを特徴とする請求項３記載のペルチェ素子システム。
【請求項５】平板状配列部材は、その片面側または両
面側に金属製熱交換器を備えており、その金属製熱交換
器が前記片面側に設けられている場合は、前記平板状配
列部材の他の片面にはセラミック製の板状部材が直接ま
たは間接的に設けられていることを特徴とする請求項１
〜４の何れか一つに記載のペルチェ素子システム。