JPH10190071A

JPH10190071A - 多段電子冷却装置

Info

Publication number: JPH10190071A
Application number: JP8341139A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tauchi; 内比登志田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-21
Also published as: US5936192A

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクト化が可能であり、かつ信頼性、作
業性の向上した多段電子冷却装置とすること。【解決手段】絶縁基板３と、ペルチェ効果を有し絶縁
基板３の一方面及び他方面に配設された熱電素子６ａ〜
６ｆ，７ａ〜７ｅと、絶縁基板３に形成された貫通孔１
０と、貫通孔１０の内部に形成され絶縁基板３の一方面
に配設された熱電素子６ｄと絶縁基板３の他方面に配設
された熱電素子７ｄとを電気的に接続する導電性被膜１
１とを備えた多段電子冷却装置１としたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ効果によ
り発生する低温を利用した電子冷却装置に関するもので
あり、特に、ペルチェ効果を有する熱電素子を多段に配
列した多段電子冷却装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】２段以上の段数を有する多段電子冷却装
置は、特開平２−１０７８１号公報に示される如きもの
がある。これは、図９に示されるように、６段になって
おり、各段にはＮ型半導体２１とＰ型半導体２２とを対
とする熱電素子対Ａがそれぞれ交互に、かつ基板２３に
接合された電極２４にて直列に接続されている。そし
て、各段の熱電素子対Ａに通電することにより、各段の
上側の基板側が吸熱され、最上段の基板２３ａが最大到
達温度で冷却されるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の多段電子冷
却装置において、各段の電極どうしを電気的に接続する
必要があり、この接続方法について具体的に示したもの
はないが、一般的には、図１０及び図１１に示す如き接
続方法が考えられる。図１０に示す接続方法は、各段の
端部電極をリード線により接続し、リード線と各電極と
を半田づけする方法である。また、図１１に示す接続方
法は、各段の端部電極を良導体である銅板で接続し、銅
板と各電極とを半田づけする方法である。

【０００４】しかしながら、図１０に示す接続方法であ
ると、リード線が電子冷却装置の側部（図１０において
図示右側部）に大きくはみ出し、全体的なサイズが大き
くなってしまうという問題がある。これは、コンパクト
化が要求される冷却装置からみて大きな欠点である。ま
た、図１１に示す接続方法であると、銅板を曲げる部分
でクラックが発生する。このようなクラックが発生する
と、電子冷却装置に安定して電流を流すことができず、
製品としての信頼性を低下させる要因となる。また、図
１０、図１１に示すいずれの接続方法においても、熱電
半導体のチップ高さが小さくなると、リード線や銅板等
の接続部品と基板との間の隙間が非常に小さくなり、半
田づけができない、又は、半田づけをするときの作業が
非常に煩雑になる等の問題がある。

【０００５】故に、本発明は、上記問題を解決すべくな
されたものであり、多段電子冷却装置において、コンパ
クトであり、信頼性も向上し、さらに作業性も良好な構
造とすることを技術的課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、請求項１において講じた発明は、絶縁基板
と、ペルチェ効果を有し前記絶縁基板の一方面及び他方
面に配設された熱電素子と、前記絶縁基板に形成された
貫通孔と、前記貫通孔の内部に形成され前記絶縁基板の
一方面に配設された熱電素子と前記絶縁基板の他方面に
配設された熱電素子とを電気的に接続する導電性被膜と
を備えた多段電子冷却装置としたことである。

【０００７】上記発明における作用は以下のようであ
る。即ち、多段電子冷却装置に通電すると、例えば、ま
ず絶縁基板の一方面に配設された熱電素子に電流が流れ
る。熱電素子はペルチェ効果を有しているので、該ペル
チェ効果により一面で発熱し、他面で吸熱する。さらに
電流は、絶縁基板の一方面に配設された熱電素子から、
絶縁基板に形成された貫通孔の内部の導電性被膜を伝わ
り、絶縁基板の他方面に配設された熱電素子に流れる。
そして、この熱電素子も、ペルチェ効果により一面で発
熱し、他面で吸熱するものである。

【０００８】本発明で注目すべき点は、絶縁基板に形成
された貫通孔の内部に、絶縁基板の一方面に配設された
熱電素子と他方面に配設された熱電素子とを電気的に接
続する導電性被膜を形成したことである。このように構
成することにより、多段電子冷却装置において異なった
段に電流を流す際に、その接続部材として、従来のよう
なスペース的に不利なリード線、クラックの発生により
信頼性が低下する銅板等を使用せずに電流を流すことが
できる。

【０００９】また、請求項２の発明のように、前記導電
性被膜は、導電性を有するメッキ被膜であることが好ま
しい。このように構成することにより、電極パターンを
メッキ処理により作製する際に、同時に貫通孔に導電性
被膜を形成することができる。このようなメッキ被膜と
して、銅メッキ被膜、ニッケルメッキ被膜、錫メッキ被
膜、金メッキ被膜等が挙げられる。

【００１０】また、請求項３の発明のように、前記導電
性被膜は、高温焼付け型導電性塗料であることが好まし
い。このように構成することにより、メッキのつかない
基板の貫通孔に導電性被膜を形成することができる。こ
のような高温焼付け型導電性塗料として、銀及び白金が
主成分の高温焼付け型塗料、銀及びパラジウムが主成分
の高温焼付け型塗料等が挙げられる。

【００１１】また、請求項４の発明のように、前記導電
性被膜は、低温焼付け型導電性塗料であることが好まし
い。このように構成することにより、メッキがつかず、
かつ耐熱性のない基板の貫通孔に導電性被膜を形成する
ことができる。このような低温焼付け型塗料として、銀
及び樹脂が主成分の低温焼付け型塗料、銅及び樹脂が主
成分の低温焼付け型塗料が挙げられる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。

【００１３】（第１実施形態例）図４は、本例における
２段電子冷却装置の要部構成を示す図である。また、図
１〜図３は、図４に示す２段電子冷却装置を製造するま
での手順である。

【００１４】まず、図４に基づいて、本例の２段電子冷
却装置の構成について説明する。

【００１５】図４において、２段電子冷却装置１は、ア
ルミナセラミックスを原料とした第１絶縁基板２、第２
絶縁基板３、及び第３絶縁基板４を備える。第１絶縁基
板２には、その図示上面にパターン化された銅電極５
ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇが固着されている。第２絶縁基板
３には、その図示下面にパターン化された銅電極５ｂ，
５ｄ，５ｆ，５ｈが、その図示上面にもパターン化され
た銅電極５ｉ，５ｋ，５ｍが固着されている。第３絶縁
基板４には、その図示下面にパターン化された銅電極５
ｊ，５ｌが固着されている。第１絶縁基板２と第２絶縁
基板３との間には、Ｎ型熱電素子６ａ，６ｂ，６ｃ，６
ｄ及びＰ型熱電素子７ａ，７ｂ，７ｃが、それぞれ交互
に配置されている。同様に、第２絶縁基板３と第３絶縁
基板４との間にも、Ｎ型熱電素子６ｅ，６ｆ及びＰ型熱
電素子７ｄ，７ｅが、それぞれ交互に配置されている。
各熱電素子は、それと隣接する熱電素子と電極で電気的
に接続されている。具体的には、電極５ａ−Ｎ型熱電素
子６ａ−電極５ｂ−Ｐ型熱電素子７ａ−電極５ｃ−Ｎ型
熱電素子６ｂ−電極５ｄ−Ｐ型熱電素子７ｂ・・・、と
いうように、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子との間に電極
を介在させて直列に電気接続していく。第１絶縁基板２
と第２絶縁基板３との間に配置された、これらの接続部
材（電極５ａ〜５ｈ、Ｎ型熱電素子６ａ〜６ｄ、Ｐ型熱
電素子７ａ〜７ｃ）で、１段目熱電変換部８を構成す
る。同様に、第２絶縁基板３と第３絶縁基板４との間に
配置された、これらの接続部材（電極５ｉ〜５ｍ、Ｎ型
熱電素子６ｅ〜６ｆ、Ｐ型熱電素子７ｄ〜７ｅ）で、２
段目熱電変換部９を構成する。

【００１６】また、第２絶縁基板３の一部分には、貫通
孔１０が形成されている。この貫通孔１０の内周壁に
は、導電性被膜１１が塗布されている。この導電性被膜
１１は本例においては、電極と同じ銅で形成される。ま
た、導電性被膜１１は、１段目熱電変換部８におけるＮ
型熱電素子６ｄに直接連結された図示右端の電極５ｈ及
び、２段目熱電変換部９におけるＮ型熱電素子６ｅに直
接連結した図示右端の電極５ｉの両者とも電気的に接続
されている。

【００１７】本例における２段電子冷却装置１は、上記
構成のため、第２絶縁基板３と、ペルチェ効果を有し第
２絶縁基板３の両面（一方面及び他方面）に配設された
熱電素子６ａ〜６ｆ、７ａ〜７ｅと、第２絶縁基板３に
形成された貫通孔１０と、貫通孔１０の内部に形成され
第２絶縁基板３の一方面に配設された熱電素子（図４に
おけるＮ型熱電素子６ｄ）と第２絶縁基板３の他方面に
配設された熱電素子（図４におけるＮ型熱電素子６ｅ）
とを電気的に接続する導電性被膜１１とを備えたもので
ある。

【００１８】上記構成の多段電子冷却装置１において、
以下にその作動について説明する。

【００１９】まず、１段目熱電変換部８の図示左端の電
極５ａより電流を流す。すると、電流は、１段目熱電変
換部８のＮ型熱電素子６ａ、電極５ｂ、Ｐ型熱電素子７
ａ、電極５ｃ、Ｎ型熱電素子６ｂ、・・・というよう
に、電極を挟んでＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子に交互
に流れる。すると、ペルチェ効果により、第１絶縁基板
２に固着された電極（電極５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇ）側
において放熱する。一方、第２絶縁基板３に固着された
電極（電極５ｂ，５ｄ，５ｆ，５ｈ）側において吸熱す
る。１段目熱電変換部の図示右端の電極５ｈまで流れた
電流は、貫通孔１０の内周壁に固着された銅製の導電性
被膜１１を伝わり、２段目熱電変換部９の図示右端の電
極５ｉに流れる。そして、２段目熱電変換部９のＮ型熱
電素子６ｅ、電極５ｊ、Ｐ型熱電素子７ｄ、電極５ｋ、
Ｎ型熱電素子６ｆ、・・・というように、電極を挟んで
Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子に交互に流れる。する
と、ペルチェ効果により、第２絶縁基板２に固着された
電極（電極５ｉ，５ｋ，５ｍ）において発熱する。一
方、第３絶縁基板４に固着された電極（電極５ｊ，５
ｌ）において吸熱する。

【００２０】上記説明した本例における２段電子冷却装
置によれば、１段目熱電変換部８から２段目熱電変換部
９への電流の伝達は、第２絶縁基板４に形成された貫通
孔１０の内周壁に被覆された導電性被膜１１により伝達
される。従って、従来のように、リード線、銅板等を使
用することなく、各段が電気的に接続される。故に、従
来の欠点、即ち、リード線のはみ出し等によるサイズア
ップ、信頼性の低下、作業性の悪化を解消できるもので
ある。

【００２１】図１〜図３は、本例における電極及び導電
性被膜が固着された絶縁基板の製造方法を示す図であ
る。以下、順を追ってその製造方法から説明する。

【００２２】まず、図１に示すように、アルミナセラミ
ックスを材料とした絶縁基板３に貫通孔１０を形成す
る。

【００２３】次に、図２に示すように、電極が形成され
る部分以外のところにメッキレジスト１２を塗布する。
この場合において、貫通孔１０の近傍及び内周面には、
メッキレジスト１２は塗布しない。

【００２４】そして、周知の方法により、メッキレジス
ト１２が塗布された絶縁基板３にメッキ処理を施し、図
３に示すように電極５を形成する。この場合、貫通孔１
０の近傍及び内周面にメッキレジスト１２を塗布してい
ないので、この部分にも銅が付着し、貫通孔１０の内周
面に導電性被膜１１を形成する。図３より明らかなよう
に、絶縁基板３の一方面３ａ側に形成された電極５Ａ
と、絶縁基板３の他方面３ｂに形成された電極５Ｂと
は、貫通孔１０の内周に付着した導電性被膜１１により
電気的に接続されている。

【００２５】このようにして製造された電極及び導電性
被膜が固着された絶縁基板上に、Ｎ型及びＰ型熱電素子
を所定位置に配置し、これらを積層することにより、多
段電子冷却装置が製造できるものである。

【００２６】本例においては、電極５と導電性被膜１１
とを同一材質で、かつ同一工法（メッキ処理）により作
製するため、電極の製造工程と導電性被膜の製造工程と
を共通化することができ、製造コストも低減できるもの
である。

【００２７】尚、本例において、銅メッキを使用した多
段電子冷却装置及びその製造方法について説明したが、
導電性の材料をメッキするものであれば、本例における
効果を有することは明らかである。このようなものは、
銅メッキの他に、ニッケルメッキ、錫メッキ、銀メッ
キ、金メッキ等が挙げられる。

【００２８】（第２実施形態例）次に、本発明の第２実
施形態例について説明するが、第２実施形態例は、第１
実施形態例における導電性被膜１１の部分が異なるのみ
である。即ち、第１実施形態例においては導電性被膜１
１は電極と同じ銅であったが、本例においては、銀とパ
ラジウムが主成分の高温焼付け型塗料とした。従って、
多段電子冷却装置全体の構成は、図４とほぼ同じなので
説明を省略し、絶縁基板に導電性被膜を塗布するときの
製造工程についてのみ説明する。

【００２９】図５〜図７は、本例における絶縁基板に導
電性被膜（高温焼付け塗料）を塗布するときの製造工程
を示す図である。

【００３０】まず、図５に示すように、チタン酸バリウ
ム製の絶縁基板３上に、銀とパラジウムが主成分の高温
焼付け型塗料をスクリーン印刷により塗布し、焼付けを
行って絶縁基板３の両面に電極１３を形成する。この場
合において、後述する貫通孔１０を形成するべき位置の
両面にも、高温焼付け塗料を塗布し、焼付けを行ってお
く。

【００３１】次に、前述したように、スクリーン印刷に
より両面に高温焼付け塗料が塗布された所定位置に、レ
ーザーにより貫通孔１０を形成する（図６）。

【００３２】その後、この貫通孔の内周面に、銀及びパ
ラジウムを主成分とする高温焼付け型塗料を吐出機によ
り塗布し、焼付けを行って導電性被膜１４を形成した
（図７）。これにより、図７における電極１３Ａ及び電
極１３Ｂが、導電性被膜１４により電気的に接続され
た。

【００３３】また、詳細に説明しないが、図４における
第１絶縁基板２、第３絶縁基板４も、上記説明した方法
（貫通孔の形成工程は除く。）と同様に作製して、各基
板に電極パターンを形成し、各基板間にＮ型及びＰ型熱
電素子を交互に配置して、２段電子冷却装置とした。

【００３４】本例においては、絶縁基板に形成された貫
通孔の内周壁に、高温焼付け型塗料を使用して導電性被
膜を形成したため、本例で示したチタン酸バリウム等の
メッキを施すことができない基板の貫通孔にも導電性被
膜を形成することができるという効果がある。もちろ
ん、第１実施形態例で示したような、メッキを施すこと
ができる基板にも、本例は適用可能であるということ
は、いうまでもない。

【００３５】尚、本例では、高温焼付け型塗料として、
銀及びパラジウムが主成分のものを使用したので、導電
性が非常に良好であるという効果も合わせもつ。このよ
うな効果を有するものとして、他に、銀及び白金が主成
分の高温焼付け型塗料が挙げられる。

【００３６】（第３実施形態例）次に、本発明の第３実
施形態例について説明するが、第３実施形態例も第２実
施形態例と同様、第１実施形態例における導電性被膜１
１の部分が異なるのみである。即ち、第１実施形態例に
おいては導電性被膜１１は電極と同じ銅であったが、本
例においては、銀とエポキシ樹脂が主成分の低温焼付け
型塗料とした。従って、多段電子冷却装置全体の構成
は、図４とほぼ同じなので説明を省略し、電極及び導電
性被膜が塗布された絶縁基板を図８に示すに止める。

【００３７】図８は、本例における絶縁基板に導電性被
膜（低温焼付け塗料）及び電極が塗布されたものであ
る。これは、貫通孔１０が形成されたアルミナセラミッ
クスの絶縁基板３の表面に、銀とエポキシ樹脂が主成分
の低温焼付け型塗料を使用して、スクリーン印刷にて電
極１５を形成したものである。スクリーン印刷により電
極１５を形成する際、貫通孔１０にも塗料が侵入し、貫
通孔の内壁面に低温焼付け型塗料が塗布され、導電性被
膜１６を形成した。これにより絶縁基板３の図示下面の
電極１５Ａと図示上面の電極１５Ｂとが電気的に接続さ
れた。

【００３８】また、詳細に説明しないが、図４における
第１絶縁基板２、第３絶縁基板４も、上記説明した方法
と同様に作製（この場合は、貫通孔の形成されていない
基板を使用する。）して、各基板に電極パターンを形成
し、各基板間にＮ型及びＰ型熱電素子を交互に配置し
て、２段電子冷却装置とした。

【００３９】本例においては、絶縁基板に形成された貫
通孔の内周壁に、低温焼付け塗料を使用して導電性被膜
を形成したため、例えばプラスチック等のメッキがつか
ず、かつ耐熱性の悪い基板の貫通孔にも導電性被膜を形
成することができるという効果がある。

【００４０】尚、本例では、銀及びエポキシ樹脂が主成
分の低温焼付け型塗料を電極及び導電性膜の形成に使用
した例を説明したが、エポキシ樹脂以外にも、液状であ
り、温度により硬化する樹脂であれば、適用可能である
ことはいうまでもない。

【００４１】

【発明の効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【００４２】絶縁基板に形成された貫通孔の内部に、絶
縁基板の一方面に配設された熱電素子と他方面に配設さ
れた熱電素子とを電気的に接続する導電性被膜を形成し
た。これにより、多段電子冷却装置において異なった段
に電流を流す際に、その接続部材として、従来のような
スペース的に不利なリード線、クラックの発生により信
頼性が低下する銅板等を使用せずに電流を流すことが達
成される。故に、多段電子冷却装置のコンパクト化、製
品の信頼性向上、製造時の作業性向上を達成することが
できる。

【００４３】請求項２の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【００４４】貫通孔の内部に形成する導電性被膜を、導
電性を有するメッキ被膜としたので、電極パターンをメ
ッキ処理により作製する際に同時に貫通孔にメッキ被膜
を形成することができ、工程の短縮、ひいては製造コス
トの低減につながる。また、電気伝導度が良好となるた
め、大きな電流を流すことができ、多段電子冷却装置の
冷凍能力を向上させることができる。

【００４５】請求項３の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【００４６】貫通孔の内部に形成する導電性被膜とし
て、高温焼付け型導電性塗料を使用した。これにより、
メッキのつかない基板の貫通孔に導電性被膜を形成する
ことができるという効果がある。

【００４７】請求項４の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【００４８】貫通孔の内部に形成する導電性被膜とし
て、低温焼付け型導電性塗料を使用した。これにより、
メッキがつかず、かつ耐熱性の悪い基板の貫通孔に導電
性被膜を形成することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における、２段電子冷却
装置の製造工程を示す図である。

【図２】本発明の第１実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程を示す図である。

【図３】本発明の第１実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程を示す図である。

【図４】本発明の第１実施形態例における、２段電子冷
却装置の要部を示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程を示す図である。

【図６】本発明の第２実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程を示す図である。

【図７】本発明の第２実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程を示す図である。

【図８】本発明の第３実施形態例における、２段電子冷
却装置の製造工程の一部を示す図である。

【図９】従来技術における、多段電子冷却装置を示す図
である。

【図１０】従来の多段電子冷却装置の問題点を示す図で
ある。

【図１１】従来の多段電子冷却装置の問題点を示す図で
ある。

【符号の説明】

１・・・２段電子冷却装置２・・・第１絶縁基板３・・・第２絶縁基板（絶縁基板）４・・・第３絶縁基板５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５
ｉ，５ｊ，５ｋ，５ｌ，５ｍ・・・電極（銅メッキ）６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６，ｅ，６ｆ・・・Ｎ型熱電
素子（熱電素子）７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ・・・Ｐ型熱電素子（熱
電素子）８・・・１段目熱電変換部９・・・２段目熱電変換部１０・・・貫通孔１１・・・導電性被膜１２・・・メッキレジスト１３・・・電極（高温焼付け型塗料）１４・・・導電性被膜１５・・・電極（低温焼付け型塗料）１６・・・導電性被膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板と、ペルチェ効果を有し前記絶
縁基板の一方面及び他方面に配設された熱電素子と、前
記絶縁基板に形成された貫通孔と、前記貫通孔の内部に
形成され前記絶縁基板の一方面に配設された熱電素子と
前記絶縁基板の他方面に配設された熱電素子とを電気的
に接続する導電性被膜とを備えた多段電子冷却装置。
【請求項２】請求項１において、前記導電性被膜は、導電性を有するメッキ被膜であるこ
とを特徴とする多段電子冷却装置。
【請求項３】請求項１において、前記導電性被膜は、高温焼付け型導電性塗料であること
を特徴とする多段電子冷却装置。
【請求項４】請求項１において、前記導電性被膜は、低温焼付け型導電性塗料であること
を特徴とする多段電子冷却装置。