JPH08510600A - ペルティエ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 好ましくは銅、アルミニウム又はベリリウムであって、高純度、高デバイ温度の金属と電気接触している良さの指数の大きな熱電能動材料から構成されるペルティエカップル又はペルティエカップルの列によって形成されたペルティエ熱ポンプ又は冷凍器であって、約１００Ｋ或いはそれ以上の温度で動作されるペルティエ熱ポンプ又は冷凍器。

Description

【発明の詳細な説明】 ペルティエ装置 発明の分野 本発明は、たとえば電子部品の冷却および温度制御に使用されるようなペルテ ィエ熱ポンプに関する。 発明の背景 ペルティエ熱ポンプまたは冷凍器は、赤外線検知器、レーザーダイオード、シ リコンチップ回路のような電子部品の冷却および温度制御に使用することができ る。これらの装置は典型的には、２つ以上の接合の枝路に形成された一対の熱電 半導体を備えている。電流がこのような接合すなわちペルティエカップルに流れ ると、電流の方向に応じて、熱が接合に流入し或いは接合から流出する。２つの このような接合が逆の極性で直列に接続されると、熱は、一方の接合から移送さ れ他方の接合のところで放出される。熱が移送される接合はヒートシンクに熱連 結されており、冷却接合と呼ばれる他方の接合は、適当な電流が流されると、ヒ ートシンクの温度以下の温度を維持する。 冷却接合からヒートシンクへの熱の移送速度は、接合に流れる電流および２つ の材料のペルティエ係数に比例し、ジュール熱により性能が落ち電流が調和する ペルティエ冷却と、ヒートシンクと冷却接合との温度差に比例するヒートシンク から冷却接合への伝導熱との均衡によって決定される。 装置の１つの脚部を各々形成し、熱電力がＳ_n、Ｓ_p、電気抵抗がｒ_nｒ_p、熱伝 導率がｋ_nｋ_pである２つの材料ｎ、ｐに基づくペルティエカップルについての最 適な良さの指数Ｚは、 Ｚ＝（Ｓ_n−Ｓ_p）²／（〔ｒ_nｋ_n〕^1/2＋〔ｒ_pｋ_p〕^1/2）² によって定義される。 ペルティエ効果によって得られる、ヒートシンクと冷却接合との最大温度差Ｄ Ｔ_maxは、良さの指数の関数であり、 ＤＴ_max＝ＺＴ_C ²／２ によって表される。ここで、Ｔ_Cは冷却接合の温度である。 かくして、ペルティエ冷凍器は通常、大きな熱電力と、小さな電気抵抗および 小さな熱伝導率とを兼ね備えた材料を必要とする。これは通常、最大の実用的な 良さの指数ｚ＝Ｓ²／ｒｋ（ここで、Ｓは材料の熱電力、ｒは材料の電気抵抗、 ｋは材料の熱伝導率である）をそれぞれ備えた材料を選定することによって達成 される。半導体は、室温および室温付近での使用においてこの役割を果たす。 温度範囲２５０〜４５０Ｋにおける動作では、ドーピングしたビスマステルル 化物のような半導体合金は、ｐ型要素とｎ型要素の両方について約３×１０^-2Ｋ^-1 の良さの指数を各々備えた最良の材料の１つであるように見える。この温度範 囲では、金属は、ペルティエ熱ポンプのいずれの枝路の交換材料としても不適当 である。金属は小さな電気抵抗を有しているが、半導体と比較して熱電力が小さ く、かつ熱伝導率が大きい。これらの温度では、金属は一般的に、導電率に対す る熱伝導率の比率が温度に正比例する（即ち、ｒｋ≧（ｐｋ_B）²Ｔ／３ｅ²）と いうウィーデマン・フランツの法則に従う。かくして、ヒートシンクから冷却接 合への熱の漏出の増加は、ジュール熱の減少の利点よりも重要である。 液体窒素（７７Ｋ）の近傍での低温では、ペルティエカップルｎ型枝路にとっ て最良の公知の材料は、ビスマスとアンチモンのビスマス・リッチ合金から構成 される。この材料の良さの指数は、磁界を作用させることによって最適化される 。たとえば、８０ＫでのＢｉ_0.5Ｓｂ_1.5は、０テスラの磁界ではｚが６×１０^-2 Ｋ^-1であり、０．１３テスラの磁界ではｚが１１×１０^-3Ｋ^-1である。しかしな がら、ビスマステルル化物合金の最良のｐ型半導体は大きな電気抵抗を有してお り、その結果、同じ温度においてｚが２×１０^-3Ｋ^-1以下になり、低温ペルティ エ熱ポンプの性能を厳しく制限する。 発明の概要 総括的な観点では、本発明は、ペルティエカップルまたはペルティエカップル の列を形成するため、熱電能動材料と高デバイ温度を有する金属材料との間に設 けられたペルティエ接合またはカップル、或いはペルティエ接合またはカップル の列を備えたペルティエ熱ポンプに関する。 好ましくは、純粋金属のデバイ温度は、３４０Ｋ以上であり、より好ましくは ５００Ｋ以上であり、最も好ましくは１０００Ｋ以上である。 好ましくは、熱電能動材料は半導体材料であり、最も好ましくは、ｎ型半導体 、或いは好ましくは約１００Ｋ又はそれ以下の温度でペルティエカップルの良さ の指数を最適にするように選定された、良さの指数の大きな半金属材料である。 好ましくは、動作温度での良さの指数は、少なくとも５×１０^-3Ｋ^-1であり、 さらに好ましくは６．５×１０^-3Ｋ^-1以上であり、最も好ましくは１０×１０^-3 Ｋ^-1以上である。 極めて純粋な形態の或る金属は、室温に至るまでの中間温度および絶対零度に おいて、ｒｋが古典的なウィーデマン・フランツの値よりも著しく減少するとい う性質を示す。たとえば、Ｃｕは８０Ｋでは、ｒｋが古典的な極限値の２倍以下 に減少することがあり、Ｂｅは、ｒｋが古典的な制限値よりもさらに一層減少す ることがある。 カップルのこのような金属の熱電力は、熱電能動枝路の熱電力に対して無視す ることができ、それ故、カップル内のペルティエ熱ポンプ作用には殆ど寄与しな い。しかしながら、金属の熱伝導率と電気抵抗の積も小さいので、ジュール熱、 およびカップルの性能および得られる最大温度降下を制限する熱漏洩にほんの僅 かな寄与をするにすぎない。 かくして、たとえば良さの指数が大きなｎ型半導体と純粋金属によって形成さ れたカップルは、最も入手容易なｐ型材料と関連した同じｎ型半導体を使用して 得られる良さの指数よりも大きな良さの指数を有している。 接合に使用することができる金属には、ベリリウムＢｅの群、クロムＣｒ、ル テニウムＲｕ、オスミウムＯｓの群、ロジウムＲｈ、鉄Ｆｅ、モリブデンＭｏ、 ニッケルＮｉ、コバルトＣｏ、レニウムＲｅ、アルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、 マンガンＭｎの群、モリブデンＭｏ、ウランＵ、バナジウムＶ、スカンジウムＳ ｃの群、およびＣｕの群が含まれる。しかしながら、許容デバイ温度を有する純 粋金属を使用してもよい。 好ましくは、金属の純度は、出来るだけ高く９９．５％以上であり、より好ま しくは９９．９％以上であり、最も好ましくは９９．９９％以上である。純度は 、電子の平均自由行程が不純物または欠陥によってではなく格子振動によって制 限され、装置が動作される温度まで降下されるのに十分な程に高くすべきである 。 好ましくは、金属アームは、結晶粒境界部の密度を減少させるため、好ましく は結晶粒の寸法が数百ナノメートル以上のレベルになるまで、真空中で焼きなま しされる。好ましくは、純粋アルミニウムのアームは、温度２００℃以上で、純 銅のアームは温度４００℃以上で、純粋ベリリウムは温度５００℃以上で焼きな ましされる。 熱電能動材料の良さの指数を最適にするため、動作時に０．２テスラまでの磁 界が接合に加えられる。この大きさの磁界は、金属要素の熱伝導率およひ導電率 に殆ど影響を及ぼさない。 接合に使用される好ましい熱電能動材料は、Ｂｉ_1-XＳｂ_X（ここで、ｘは０． １５±０．０５の範囲にある。）である。また、良さの指数がビスマスアンチモ ナイトと同等かそれ以上である他の熱電能動ｎ型材料を、接合の能動脚部に使用 してもよい。或いは、良さの指数が既存のｎ型材料と同等かそれ以上であるｐ型 材料を、接合の能動脚部に使用することができる。 図面の簡単な説明 本発明について、添付図面を参照して、限定としてではなく単なる例示として 、さらに説明する。 第１ａ図および第１ｂ図は、本発明の単一のペルティエカップルの概略図であ る。 第２ａ図および第２ｂ図は、本発明のペルティエカップルの列の概略図である 。 第３ａ図および第３ｂ図は、本発明の縦続接続されたペルティエカップルの概 略図である。 発明の好ましい形態の説明 第１ａ図および第１ｂ図を参照すると、カップルの半導体脚部１は好ましくは 、組成がＢｉ_1-XＳｂ_X（Ｘは好ましくは、０．１５±０．０５の範囲にある。） の ビスマスとアンチモンの合金からなる。カップルの金属脚部２は好ましくは、高 純度、高デバイ温度の金属、好ましくはアルミニウム、ベリリウムまたは銅から なる。 カップルの半導体枝路と金属枝路との接続は、第１ａ図に示されるように、２ つの枝路間の低電気抵抗のボンド３によって直接形成され、或いは、第１ｂ図に 示されるように、半導体脚部と金属脚部の両方に接合される、たとえばアルミニ ウムまたは銅のような、高熱伝導率かつ高導電率の中間材料４によって形成され る。 各脚部の熱接合端は、カップルのヒートシンクを形成するため、たとえばアル ミニウムまたは銅、或いは高熱伝導率の他の金属のような高熱伝導率かつ高導電 率の材料５、６に同様に接合される。ヒートシンクは、液体窒素または起寒剤の 浴、或いは閉鎖循環冷凍器、或いは別のペルティエ冷却器の冷却接合によって、 動作温度まで冷却される。電流リード線７、８が、ヒートシンク要素５、６と電 源９に電気接続されている。冷却接合の領域は符合cjによって示され、ヒートシ ンクは符合skによって示されている。 冷却器を動作させるのに必要な電流は、カップルの寸法とカップルの熱ポンプ 容量で決まるが、ペルティエカップルは典型的には、高電流、低電圧の装置であ る。冷却接合の所要動作温度は、好ましくは冷却器に供給される電流を制御する ことによって維持される。 ペルティエ熱ポンプは、第１図に示されるように単一のカップルから構成され るものでもよく、或いは、第２ａ図および第２ｂ図にそれぞれ示されるようにカ ップルの線形配列またはｘ−ｙ配列から構成されるものでもよい。 第２図では、ｍが金属脚部を、ｎが半導体脚部を、ｃが電気接続材料を、ｉが 電気絶縁体を、cjが冷却接合を、skがヒートシンクを、そして＋と−が電流リー ド線を示している。 カップルの頂部の冷却接合は、電流が装置に流されたときに冷却される帯域を 形成する。カップルの配列が第２図に概略的に示されるように組み立てられると 、これらの冷却帯域は、良好な電気絶縁体であり且つ良好な熱伝導体である、好 ましくはシート又はプレート状の本体ｉによって連結される。すると、本体ｉは 、 接続される装置または部品のヒートシンクとして作用する。 かかる構造の形態が図示されているが、これは全般的に、限定するものではな い。ペルティエ熱ポンプの分野では、他の形態のものが知られており、これらの ものは、或る用途では、むしろ好ましい。モノリシックペルティエカップルは、 冷却接合のところを除いて、絶縁層によって脚部を分離して構成するのがよい。 カップルの脚部およびこのような絶縁層は、薄い又は厚い薄膜の形態であるのが よい。 第３ａ図および第３ｂ図は、ヒートシンクと冷却接合との温度差を増大させる ため、連続したペルティエカップルの列を２段に縦続接続する２つの方法を示し ている。ｍが金属脚部を、ｎが半導体脚部を、ｃが電気接続材料を、ｉが電気絶 縁体を、cjが冷却接合を、skがヒートシンクを、そして＋と−が電流リード線を 示している。かかる構造の形態が図示されているが、これは全般的に、限定する ものではない。より大きな温度降下を達成するために、カップルの列を数段に縦 続接続することもできる。縦続接続された列では、性能を最適にするために、縦 続接続の異なる高さにおいてペルティエカップルの金属枝路として異なる純粋金 属を使用するのがよい。 ペルティエカップルの金属脚部に使用される金属は測定可能な熱電力を有して いるが、この熱電力は、半導体材料の熱電力に対して無視できる。したがって、 本発明のペルティエカップルは、発明者Ｍ．Ｇ．フィーによって著された論文（ アプライド・フィジクス〔応用物理〕，６２，１１６１，（１９９３年））およ びＨ．Ｊ．トロダールとＭ．Ｇ．フィーによって著された論文（第６回超伝導体 に関する国際シンポジウム（ＩＳＳ９３）予講集，広島，１９９３年１０月２６ 日〜２９日，発行：スプリンガー・フェアラーグ（東京））に記載されているよ うな、熱電能動脚部が熱電受動脚部に接続されている原型カップルと比較するこ とができる。 Ｂｉ₇₉Ｓｂ₂₁の配向結晶と５〜９の純銅線との間の単一のカップルから成る原 型装置を形成した。Ｂｉ₇₉Ｓｂ₂₁の結晶は、長さが１．１cm、横断面積が０．０ ６cm²であり、（温度５００℃の真空中で焼きなましされた）純銅線は、カップ ルの良さの指数を最大にするために、直径が１mm、長さが４３cmであった。電流 ２．５アンペア、磁界が零では、液体窒素の温度降下よりも低い４．２度の温度 降下が得られ、０．０７テスラでは４．９度の温度降下が得られた。 Ｂｉ_0.85Ｓｂ_0.15と高純度のアルミニウムとの間に形成されたペルティエカッ プルが、ヒートシンクを７７Ｋに保持して動作させたとき、７．５度の温度降下 を引き起こし、０．１２テスラの磁界では１４度まで増加することが計算された 。装置の効率（Ｑ_cool／Ｑ_hot）が数パーセント低下すると、この形体での大き な温度降下が低下するが、２段のヒートポンプでは、原理的には、これらの値の ２倍の温度降下が可能である。 以上、本発明について、その好ましい形態とともに説明した。当業者にとって 明白な変形および修正が、以下の請求の範囲に規定された範囲内に含まれること が意図されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 トロダール ハリー ジョセフ ニュージーランド ウェリントン 6005 ウィルトン ヘレフォード ストリート 25

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ペルティエカップルまたはペルティエカップルの列を形成するため、熱電能 動材料と高デバイ温度を有する金属材料との間に設けられた接合または接合の列 を備えていることを特徴とするペルティエ熱ポンプ。 ２．熱電能動材料は、半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の ペルティエ熱ポンプ。 ３．熱電能動材料は、ｎ型半導体であることを特徴とする請求の範囲第２項に記 載のペルティエ熱ポンプ。 ４．動作温度において大きな良さの指数を各々有するｎ型半導体材料と、高デバ イ温度を有する純粋金属との間に設けられた接合または接合の列を備えているこ とを特徴とするペルティエ熱ポンプ。 ５．半導体材料は、１００Ｋ以下の温度でペルティエカップルの良さの指数を最 適にするように選定されることを特徴とする請求の範囲第２項〜第４項のいずれ か１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 ６．半導体材料は、ｎ型のＢｉ_1-xＳｂ_x（Ｘ＝０．１５±０．０５）であること を特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポ ンプ。 ７．金属材料は、高純度の金属であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３ 項、第５項および第６項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 ８．金属材料は、３４０Ｋ以上においてデバイ温度を有することを特徴とする請 求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 ９．金属材料は、５００Ｋ以上においてデバイ温度を有することを特徴とする請 求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 10．金属材料は、純度が９９．５％以上の金属であることを特徴とする請求の範 囲第１項〜第９項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 11．金属材料は、純度が９９．９％以上の金属であることを特徴とする請求の範 囲第１項〜第９項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 12．金属材料は、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓの群、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｒｅ 、 Ｔｉ、Ｍｎの群、Ｍｏ、Ｕ、Ｖ、Ｓｃの群から選定されることを特徴とする請 求の範囲第１項〜第１１項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 13．金属材料は、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃｕの群から選定されることを特徴とする請求の 範囲第１項〜第１１項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 14．ペルティエカップルの金属材料は、単一の結晶であることを特徴とする請求 の範囲第２項〜第１３項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 15．ペルティエカップルの金属材料は、カップルの良さの指数を最大にするため 、焼きなましされていることを特徴とする請求の範囲第２項〜第１４項のいずれ か１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 16．ペルティエカップルの半導体材料は、単一の結晶であることを特徴とする請 求の範囲第２項〜第１５項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 17．半導体材料は、良さの指数を最大にするため、結晶学的に配向されているこ とを特徴とする請求の範囲第２項〜第１６項のいずれか１項に記載のペルティエ 熱ポンプ。 18．接合の良さの指数は、３×１０^-3Ｋ^-1以上であることを特徴とする請求の範 囲第２項〜第１７項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 19．永久磁石または電磁石のいずれかによって、ペルティエカップルの半導体材 料またはカップル全体のいずれかに、磁界が加えられることを特徴とする請求の 範囲第２項〜第１８項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプ。 20．請求の範囲第１項〜第１９項のいずれか１項に記載された、単一のペルティ エカップルを多数備えたペルティエ冷却器であって、冷却接合が一緒に作用して より一層冷却を行うように、ペルティエカップルが、並列に、１次元または２次 元に熱的に組み合わされていることを特徴とするペルティエ冷却器。 21．請求の範囲第１項〜第１９項のいずれか１項に記載された、単一のペルティ エカップルまたは多数のペルティエカップルを各々有する多数のペルティエ冷却 段を備えたペルティエ冷却器であって、ヒートシンクまたは１つの冷却段のシー トシンクが別の冷却段の冷却接合によって冷却されるように、ペルティエカップ ルが、並列に、１次元または２次元に熱的に組み合わされ縦続接続されているこ とを特徴とするペルティエ冷却器。 22．請求の範囲第１項〜第２１項のいずれか１項に記載のペルティエ熱ポンプま たはペルティエ冷却器を使用して冷却する方法であって、ヒートシンクを約１０ ０Ｋ又はそれ以下まで冷却し、動作させることを特徴とする方法。