JP2879671B2 - Thermoelectric cooling device - Google Patents
Thermoelectric cooling deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、熱電半導体素子
を利用した冷却装置に関し、詳細には冷却効率の低下を
防止すると共に、熱電半導体素子の長寿命化を実現する
技術に関する。The present invention relates to a thermoelectric semiconductor device.
More specifically, the present invention relates to a technology for preventing a decrease in cooling efficiency and extending the life of a thermoelectric semiconductor element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ビスマス・テルル系、鉄・シリサイド系
若しくはコバルト・アンチモン系等の化合物からなる熱
電半導体素子を利用した熱電素子は、冷却／加熱装置等
に使用されている。これらの熱電素子は、液体、気体を
使用せず、スペースもとらず又回転磨耗もなく保守の不
要な冷却／加熱源として重宝なものである。2. Description of the Related Art Thermoelectric elements using thermoelectric semiconductor elements made of bismuth / tellurium compounds, iron / silicide compounds or cobalt / antimony compounds are used in cooling / heating devices and the like. These thermoelectric elements are useful as cooling / heating sources that do not use liquids or gases, take up little space, have no rotational wear, and do not require maintenance.
【０００３】この熱電素子は、一般的にはｐ型とｎ型か
らなる二種類の熱電半導体素子を整然と配列し、熱電半
導体素子を金属電極にハンダで接合し、π型直列回路を
構成すると共に、これらの熱電半導体素子及び金属電極
を金属膜を有するセラミック基板で挟んだ構成になった
ものが、熱電モジュールとして広く使用されている。The thermoelectric element generally comprises two types of thermoelectric semiconductor elements, generally p-type and n-type, arranged in an orderly manner, and the thermoelectric semiconductor elements are joined to metal electrodes by solder to form a π-type series circuit. A configuration in which the thermoelectric semiconductor element and the metal electrode are sandwiched between ceramic substrates having a metal film is widely used as a thermoelectric module.
【０００４】従来から知られている熱電モジュールの構
成を図７に示した。この図の（ａ）は正面図であり、
（ｂ）は斜視図である。この図に示すように、熱電モジ
ュールは、ｎ型熱電半導体素子とｐ型熱電半導体素子を
交互に配列し、ｎ型熱電半導体素子とｐ型熱電半導体素
子を金属電極に接合する。ｎ型熱電半導体素子とｐ型熱
電半導体素子は、金属電極に上側と下側で交互に接合さ
れ、最終的には全部の熱電半導体素子が電気的に直列接
続される。上下の金属電極と熱電半導体素子との接合
は、ハンダ付けで行われる。そして、上側、下側のそれ
ぞれの金属電極は、メタライズされたセラミック基板に
接着されて全体が固定される。このようにしてできた熱
電素子を、通常、熱電モジュールと呼んでいる。The structure of a conventionally known thermoelectric module
The result is shown in FIG. (A) of this figure is a front view,
(B) is a perspective view. As shown in this figure, the thermoelectric module
Is an n-type thermoelectric semiconductor element and a p-type thermoelectric semiconductor element.
N-type thermoelectric semiconductor elements and p-type thermoelectric semiconductor elements arranged alternately
Child to metal electrodeJoiningI do. N-type thermoelectric semiconductor device and p-type heat
The semiconductor element is alternately arranged on the metal electrode on the upper and lower sides.JoiningSa
And ultimately all thermoelectric semiconductor elementsElectrically connected in series
ContinuedIs done. Between the upper and lower metal electrodes and the thermoelectric semiconductor elementJoining
Is performed by soldering. And that on the upper and lower side
Each metal electrode isOn metallized ceramic substrates
The whole is fixed by bonding.Heat generated in this way
The electric element is usually called a thermoelectric module.
【０００５】この熱電モジュールの電極に電源を接続し
て、ｎ型素子からｐ型素子の方向へ電流を流すと、ペル
チェ効果によりπ型の上部で吸熱が、下部では放熱が起
こる。この際、電流を流す方向を逆転すると、吸熱、放
熱の方向が変わる。この現象を利用して、熱電素子が冷
却／加熱装置に使用されるのである。熱電モジュール
は、ＬＳＩ、コンピュータのＣＰＵ、レーザ等の冷却を
はじめ、保温冷蔵庫に至る広範囲な用途を有している。When a power supply is connected to the electrodes of the thermoelectric module and a current flows in the direction from the n-type element to the p-type element, heat is absorbed at the upper part of the π-type and radiated at the lower part by the Peltier effect. At this time, when the direction of flowing the current is reversed, the direction of heat absorption and heat radiation changes. Utilizing this phenomenon, thermoelectric elements are used in cooling / heating devices. Thermoelectric modules have a wide range of uses, from cooling LSIs, computer CPUs, lasers, etc. to insulated refrigerators.
【０００６】このような熱電素子を冷却装置として用い
る場合には、放熱側を冷却することが必要となる。そし
て、従来、熱電素子を冷却する方法としては、図８
（ａ）に示すように、熱電素子３１の放熱側に放熱フィ
ン３２を取り付け、この放熱フィン３２に向けてファン
３３から風を送るようにした空冷方式や、図８（ｂ）に
示すように、熱電素子３１の放熱側に水冷ジャケット３
４を取り付け、この水冷ジャケット３４内に冷却水を通
すようにした水冷方式等があった。When such a thermoelectric element is used as a cooling device, it is necessary to cool the heat radiation side. Conventionally, as a method of cooling a thermoelectric element, FIG.
As shown in FIG. 8A, a radiating fin 32 is attached to the radiating side of the thermoelectric element 31 and the air is sent from the fan 33 toward the radiating fin 32, or as shown in FIG. Water cooling jacket 3 on the heat radiation side of the thermoelectric element 31
4 and a water cooling system in which cooling water is passed through the water cooling jacket 34.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】図９は熱電素子の温度
状態を示す図である。熱電素子の冷却能力を評価するパ
ラメータとして、モジュールΔＴとシステムΔＴがあ
る。モジュールΔＴとは、熱電素子の冷却側の端の温
度、すなわち上側のセラミック基板の温度（Ｑ２）と、
熱電素子の放熱側の端の温度、すなわち下側のセラミッ
ク基板の温度（Ｑ５）との差（ΔＴ１）である。そし
て、システムΔＴとは、熱電素子の冷却側の部分の温度
（Ｑ３）と、放熱側の周囲温度（Ｑ６’）との差（ΔＴ
２）である。ここで、周囲温度は図８（ａ）では放熱フ
ィン３２の周囲の温度に相当し、図８（ｂ）では水冷ジ
ャケット３４内の水温に相当する。FIG. 9 is a diagram showing a temperature state of the thermoelectric element. There are a module ΔT and a system ΔT as parameters for evaluating the cooling capacity of the thermoelectric element. The module ΔT refers to the temperature of the end of the thermoelectric element on the cooling side, that is, the temperature (Q2) of the upper ceramic substrate,
This is the difference (ΔT1) between the temperature of the heat radiation side end of the thermoelectric element, that is, the temperature (Q5) of the lower ceramic substrate. The system ΔT is the difference (ΔT) between the temperature (Q3) of the thermoelectric element on the cooling side and the ambient temperature (Q6 ′) on the heat radiation side.
2). Here, the ambient temperature corresponds to the temperature around the radiation fin 32 in FIG. 8A, and corresponds to the water temperature in the water cooling jacket 34 in FIG. 8B.
【０００８】図９から明らかなように、熱電素子におい
て最も温度が低い（温度Ｑ１）部分は熱電半導体素子の
冷却側の端であり、そこから金属電極、セラミック基板
を経るにつれて温度が上昇し、冷却負荷の部分で温度が
Ｑ３となる。また、最も温度が高い（温度Ｑ４）部分は
熱電半導体素子の放熱側の端であり、そこから金属電
極、セラミック基板を経るにつれて温度が下降し、放熱
側の周囲温度はＱ６’となる。特に、セラミックスは熱
伝導率が小さいため、セラミック基板が介在することに
よる冷却効率の低下が大きい。As is clear from FIG. 9, a portion of the thermoelectric element having the lowest temperature (temperature Q1) is a cooling-side end of the thermoelectric semiconductor element, and the temperature rises as it passes through a metal electrode and a ceramic substrate. The temperature becomes Q3 in the part of the cooling load. Further, the portion having the highest temperature (temperature Q4) is the end of the thermoelectric semiconductor element on the heat dissipation side, and the temperature decreases from there through the metal electrode and the ceramic substrate, and the ambient temperature on the heat dissipation side becomes Q6 '. In particular, since ceramics have low thermal conductivity, the cooling efficiency is greatly reduced due to the presence of the ceramic substrate.
【０００９】そこで、セラミック基板に代えて表面を酸
化させたアルミ基板を用いると共に、噴射ノズル付きの
水冷ジャケットを用いて放熱側のアルミ基板を効率的に
冷却できるようにすることで、冷却効率の低下を防止し
たペルチェ冷却装置が提案されている（日経メカニカ
ル，１９９６．９．１６，ｐｐ４８−５６）。このペル
チェ冷却装置によれば、フロンガスを用いた通常の冷却
システム並の冷却効率が実現できるとされている。Therefore, the aluminum substrate having an oxidized surface is used in place of the ceramic substrate, and the aluminum substrate on the heat radiation side can be efficiently cooled by using a water-cooling jacket with a spray nozzle, thereby improving the cooling efficiency. A Peltier cooling device that prevents the deterioration has been proposed (Nikkei Mechanical, September 16, 1996, pp. 48-56). According to this Peltier cooling device, cooling efficiency equivalent to that of a normal cooling system using Freon gas can be realized.
【００１０】しかしながら、このペルチェ冷却装置及び
図８に示した冷却装置は、いずれも下側の基板を介して
間接的に熱電半導体素子を冷却するものであったため、
熱電半導体素子の持つ性能を最高に引き出すものではな
かった。However, both the Peltier cooling device and the cooling device shown in FIG. 8 indirectly cool the thermoelectric semiconductor element via the lower substrate.
It did not maximize the performance of thermoelectric semiconductor devices.
【００１１】また、図７に示した熱電素子は、上下をセ
ラミック基板で固定した剛構造であるため、動作時に熱
電半導体素子に大きな熱応力が加わってしまい、熱電半
導体素子の寿命が短くなる。In addition, since the thermoelectric element shown in FIG. 7 has a rigid structure in which the upper and lower parts are fixed by ceramic substrates, a large thermal stress is applied to the thermoelectric semiconductor element during operation, and the life of the thermoelectric semiconductor element is shortened.
【００１２】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、放熱側の熱電半導体素子及び金属電極を
直接的に冷却することにより、冷却効率の低下を最小限
にし、熱電半導体素子の持つ性能を最高に引き出すこと
を目的とする。また、本発明は、熱電半導体素子に加わ
る熱応力を緩和することにより、熱電半導体素子の長寿
命化を実現することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a situation, and by directly cooling a thermoelectric semiconductor element and a metal electrode on a heat radiation side, a decrease in cooling efficiency is minimized and a thermoelectric semiconductor element is provided. The goal is to bring out the performance of the best. It is another object of the present invention to reduce the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element, thereby realizing a longer life of the thermoelectric semiconductor element.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電冷却装
置は、電気絶縁性を有する仕切板と、仕切板を貫通した
状態で仕切板に固定されたｐ型熱電半導体素子及びｎ型
熱電半導体素子と、ｐ型熱電半導体素子及びｎ型熱電半
導体素子の吸熱側に接合された第１の金属電極と、ｐ型
熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子の放熱側に接続
された第２の金属電極と、仕切板から放熱側を収納し、
かつ冷却用流体が供給される冷却容器とを備えることを
特徴とするものである。 The thermoelectric cooling device according to the present invention
The device penetrated the partition plate and the partition plate having electrical insulation
P-type thermoelectric semiconductor element and n-type fixed to a partition plate in a state
Thermoelectric semiconductor element, p-type thermoelectric semiconductor element and n-type thermoelectric half
A first metal electrode joined to the heat absorbing side of the conductive element;
Connected to heat dissipation side of thermoelectric semiconductor element and n-type thermoelectric semiconductor element
Radiating side from the second metal electrode and the partition plate,
And a cooling container to which a cooling fluid is supplied.
It is a feature.
【００１４】本発明に係る熱電冷却装置によれば、第１
の金属電極、第２の金属電極の両方ともセラミック基板
に固定されていないため、熱電半導体素子に加わる熱応
力が緩和される。また、仕切板から放熱側、すなわちｐ
型熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子のうち仕切板
から放熱側に突出している部分と、その端部に接合され
ている第２の金属電極が冷却容器内で直接的に冷却され
るので、冷却効率の低下を最小限に抑えることができ
る。According to the thermoelectric cooling device of the present invention, the first
Since both the metal electrode and the second metal electrode are not fixed to the ceramic substrate, the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element is reduced. Also, from the partition plate to the heat radiation side, that is, p
Since the portion of the type thermoelectric semiconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element protruding from the partition plate to the heat radiation side and the second metal electrode joined to the end thereof are directly cooled in the cooling container, A decrease in cooling efficiency can be minimized.
【００１５】さらに、本発明において、第２の金属電極
がｐ型熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子との接合
端の面積が他端の面積よりも広い形状を持つように構成
することで冷却容器内に空間を設け、気体や液体の流れ
をスムーズにすることができる。Further, in the present invention, the second metal electrode is configured such that the area at the junction end with the p-type thermoelectric semiconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element is larger than the area at the other end. By doing so, a space is provided in the cooling container, and the flow of gas or liquid can be made smooth.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００１７】図１（ａ）は本発明を適用した熱電素子の
正面図である。この熱電素子１は、仕切板２に対してｐ
型熱電半導体素子３Ａとｎ型熱電半導体素子３Ｂが貫通
した状態で固定された構造を有することが一つの特徴で
ある。ｐ型熱電半導体素子３Ａとｎ型熱電半導体素子３
Ｂの上側には板状の銅電極４が、下側には側面の形状が
Ｔ字型の銅電極（以下Ｔ字型銅電極という）５が、いず
れもビスマス錫合金のような低温ハンダにより接合され
ている。熱電半導体素子の下側の銅電極をＴ字型に形成
したことも特徴の一つである。さらに、銅電極４の上側
とＴ字型銅電極５の下側にセラミック基板を備えていな
いことも特徴である。このように、金属電極を基板に固
定せず、金属電極をむき出しにした構造はスケルトン構
造と呼ばれている。本実施の形態では上下の金属電極を
むき出しにしているので、両側スケルトン構造である。FIG. 1A is a front view of a thermoelectric element to which the present invention is applied. This thermoelectric element 1 is p
One feature is that it has a structure in which the thermoelectric semiconductor element 3A and the n-type thermoelectric semiconductor element 3B are fixed in a penetrating state. P-type thermoelectric semiconductor element 3A and n-type thermoelectric semiconductor element 3
A plate-shaped copper electrode 4 is provided on the upper side of B, and a T-shaped copper electrode (hereinafter referred to as a T-shaped copper electrode) 5 is formed on the lower side by a low-temperature solder such as a bismuth tin alloy. Are joined . Another feature is that the lower copper electrode of the thermoelectric semiconductor element is formed in a T-shape. Further, it is characterized in that no ceramic substrate is provided above the copper electrode 4 and below the T-shaped copper electrode 5. Such a structure in which the metal electrode is not fixed to the substrate and the metal electrode is exposed is called a skeleton structure. In the present embodiment, since the upper and lower metal electrodes are exposed, a double-sided skeleton structure is used.
【００１８】仕切板２は、例えば厚さが０．２〜０．５
ｍｍ程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキシ板又
はアルマイト加工を施したアルミ板により構成されてい
る。ｐ型及びｎ型の熱電半導体素子３Ａ，３Ｂは、例え
ば長さが１．５〜２ｍｍ程度で断面積が１．５〜２ｍｍ
２程度のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成され
ている。そして、仕切板２の下側に０．２〜０．３ｍｍ
程度の長さが突出するように、貫通した状態で固定され
ている。なお、このような一枚の仕切板に熱電半導体素
子が貫通した状態で固定された構造の熱電素子の製造方
法については、特願平７−２７６７５１号（特開平８−
２２８０２７号）に詳細に説明されているので、ここで
は説明しない。The partition plate 2 has a thickness of, for example, 0.2 to 0.5.
It is constituted by a plate of an electrical insulator of about mm, for example, a glass epoxy plate or an aluminum plate subjected to alumite processing. The p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 3A and 3B have, for example, a length of about 1.5 to 2 mm and a cross-sectional area of 1.5 to 2 mm.
It is composed of about two semiconductor single crystals such as bismuth tellurium. And 0.2-0.3 mm below the partition plate 2
It is fixed in a penetrating state so that the length is protruded. A method of manufacturing a thermoelectric element having a structure in which a thermoelectric semiconductor element is fixed to a single partition plate so as to penetrate the same is disclosed in Japanese Patent Application No. 7-276751 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No.
228027), and will not be described here.
【００１９】図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＴ字型銅
電極５の拡大正面図、図１（ｃ）は同じく拡大側面図、
図１（ｄ）は拡大下面図である。図１に示されている７
個のＴ字型銅電極５は全て同じ形状とサイズを持ってい
るが、両端の２個は図１（ｃ）のように側面が見える向
きに取り付けられ、その他の５個は図１（ｂ）のように
正面が見える向きに取り付けられている。なお、詳細は
後述するが、このＴ字型銅電極５は水中等に配置される
ので、ニッケルや錫でメッキすることが好適である。FIG. 1B is an enlarged front view of the T-shaped copper electrode 5 shown in FIG. 1A, FIG.
FIG. 1D is an enlarged bottom view. 7 shown in FIG.
All of the T-shaped copper electrodes 5 have the same shape and size, but the two at both ends are mounted so that the side faces can be seen as shown in FIG. ) Is installed so that the front can be seen. Although details will be described later, since the T-shaped copper electrode 5 is disposed in water or the like, it is preferable to plate it with nickel or tin.
【００２０】図１（ｅ）は図１（ａ）の熱電素子の動作
を説明するために、○で囲んだ部分を抜き出したもので
ある。この図に示すように、図１（ａ）の熱電素子の使
用時には、ｐ型及びｎ型の熱電半導体素子３Ａ，３Ｂの
うち仕切板２の下側に位置する部分と、Ｔ字型銅電極５
とは、空気等の気体や水等の液体と直接的に接触し、熱
が除去される。Ｔ字型銅電極５の上下の長さが長いほど
熱交換効率が高くなるが、重量とコストが大きくなるの
で、本実施の形態では５ｍｍ程度にした。FIG. 1 (e) shows a portion surrounded by a circle for explaining the operation of the thermoelectric element of FIG. 1 (a). As shown in this figure, when the thermoelectric element of FIG. 1A is used, portions of the p-type and n-type thermoelectric semiconductor elements 3A and 3B located below the partition plate 2 and a T-shaped copper electrode 5
Is in direct contact with a gas such as air or a liquid such as water to remove heat. As the length of the T-shaped copper electrode 5 becomes longer, the heat exchange efficiency increases, but the weight and cost increase. Therefore, in the present embodiment, the length is set to about 5 mm.
【００２１】図２は本発明を適用した熱電素子の冷却方
式を示す図である。この図の（ａ）は空冷方式であり、
（ｂ）は液冷方式である。ここで、図１と対応する部分
には図１と同一の番号が付してある。FIG. 2 is a diagram showing a cooling method of a thermoelectric element to which the present invention is applied. (A) of this figure is an air cooling system,
(B) is a liquid cooling system. Here, parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same numbers as in FIG.
【００２２】図２（ａ）に示す空冷方式では、熱電素子
の上側に冷却負荷を取り付ける。冷却負荷は銅電極４に
直接的に接触するので、熱伝導率が高く、かつ電気絶縁
性を有する材料、例えばアルマイト加工を施したアルミ
により構成する。冷却負荷の周囲には防湿枠を配置し、
接着シールで固定する。そして、熱電素子の下側に空冷
ジャケット６を取り付け、空冷ジャケット６の下側から
ファン７により風を送るように構成する。空冷ジャケッ
ト６の底面にはファン７から送られる風を通す穴等（図
示せず）を設ける。空冷ジャケット６はアルマイト加工
を施したアルミで構成する。また、空冷ジャケット６の
内部には、Ｔ字型銅電極５を下から支えると共に、ファ
ン７から送られてくる風をＴ字型銅電極５に供給するた
めの通風・支持部材６Ｃを設ける。この通風・支持部材
６Ｃはプラスチックにより、すのこ状あるいは網目状に
形成する。空冷ジャケット６の上部両側には風の出口６
Ａを設ける。そして、空冷ジャケット６の上側の端を接
着シール８により仕切板２に接着する。したがって、ｐ
型熱電半導体素子３Ａおよびｎ型熱電半導体素子３Ｂの
うち、仕切板２の下側へ突出している部分、およびその
下面に固定されたＴ字型銅電極５が空冷ジャケット６内
に収納され、ファン７から送られる風と直接的に接触す
る。 [0022] In air-cooling system shown in FIG. 2 (a), the thermoelectric element
Attach a cooling load to the upper side of the. Cooling load on copper electrode 4
High thermal conductivity and electrical insulation due to direct contact
Materials with good properties, such as anodized aluminum
It consists of. Place a moisture-proof frame around the cooling load,
Secure with an adhesive seal. Then, the air-cooling jacket 6 is attached to the lower side of the thermoelectric element, and the fan 7 blows air from below the air-cooling jacket 6. A hole (not shown) through which air sent from the fan 7 passes is provided on the bottom surface of the air cooling jacket 6. The air-cooled jacket 6 is made of anodized aluminum. Further, inside the air cooling jacket 6, a ventilation / support member 6C for supporting the T-shaped copper electrode 5 from below and supplying the wind sent from the fan 7 to the T-shaped copper electrode 5 is provided. The ventilation / supporting member 6C is formed in the shape of a scale or a mesh by using plastic. Air outlets 6 on both sides of the upper part of the air cooling jacket 6
A is provided. Then, the upper end of the air cooling jacket 6 is adhered to the partition plate 2 by the adhesive seal 8. Therefore, p
Type thermoelectric semiconductor element 3A and n-type thermoelectric semiconductor element 3B
Of which, the part protruding below the partition plate 2 and its
T-shaped copper electrode 5 fixed to the lower surface is inside air cooling jacket 6
And comes in direct contact with the wind sent from the fan 7
You.
【００２３】このように構成すると、ファン７から送ら
れる風は、空冷ジャケット６の底面と通風・支持部材６
Ｃを通ってＴ字型銅電極５に当たる。そして、Ｔ字型電
極５の両側を通って空冷ジャケット６の内部を流れ、風
出口６Ａから空冷ジャケット６の外に出る。Ｔ字型銅電
極５におけるＴの字の幅の狭い部分（Ｔの字の縦線の部
分）の両側に空間が存在することで、風の流れがスムー
ズになる。With this configuration, the wind sent from the fan 7 is supplied to the bottom of the air cooling jacket 6 and the ventilation / support member 6.
Through C, it hits the T-shaped copper electrode 5. Then, the air flows through the inside of the air cooling jacket 6 through both sides of the T-shaped electrode 5 and exits from the air cooling jacket 6 through the air outlet 6A. The presence of spaces on both sides of the narrow portion of the T-shape (the portion of the vertical line of the T-shape) in the T-shaped copper electrode 5 facilitates the flow of wind.
【００２４】図２（ｂ）に示す液冷方式では、熱電素子
の上側に冷却負荷を取り付ける。冷却負荷は銅電極４に
直接的に接触するので、熱伝導率が高く、かつ電気絶縁
性を有する材料、例えばアルマイト加工を施したアルミ
により構成する。冷却負荷の周囲には防湿枠を配置し、
接着シールで固定する。そして、熱電素子の下側に液冷
ジャケット９を取り付ける。液冷ジャケット９はアルマ
イト加工を施されたアルミで、ほぼ箱形に構成する。ま
た、液冷ジャケット９の下部中央には液入口９Ａを設
け、上部両側には液出口９Ｂを設ける。そして、液冷ジ
ャケット９の上側の端を接着シール８により仕切板２に
接着する。液冷ジャケット９の内側の底面はＴ字型電極
５の下端に当接する。したがって、ｐ型熱電半導体素子
３Ａおよびｎ型熱電半導体素子３Ｂのうち、仕切板２の
下側へ突出している部分、およびその下面に固定された
Ｔ字型銅電極５が液冷ジャケット９内に収納され、冷却
液と直接的に接触する。 [0024] In the liquid cooling system shown in FIG. 2 (b), the thermoelectric element
Attach a cooling load to the upper side of the. Cooling load on copper electrode 4
High thermal conductivity and electrical insulation due to direct contact
Materials with good properties, such as anodized aluminum
It consists of. Place a moisture-proof frame around the cooling load,
Secure with an adhesive seal. Then, the liquid cooling jacket 9 is attached below the thermoelectric element. The liquid cooling jacket 9 is made of anodized aluminum and has a substantially box shape. A liquid inlet 9A is provided in the lower center of the liquid cooling jacket 9, and a liquid outlet 9B is provided on both upper sides. Then, the upper end of the liquid cooling jacket 9 is adhered to the partition plate 2 by the adhesive seal 8. The inner bottom surface of the liquid cooling jacket 9 contacts the lower end of the T-shaped electrode 5. Therefore, the p-type thermoelectric semiconductor element
3A and the n-type thermoelectric semiconductor element 3B
The part protruding downward, and fixed to the lower surface
T-shaped copper electrode 5 is housed in liquid cooling jacket 9 and cooled
Contact directly with liquid.
【００２５】このように構成し、液入口９Ａから液冷ジ
ャケット９の内部に、水又は有機冷媒、例えばエチレン
グリコールからなる冷却液を送り込むと、送り込まれた
冷却液はＴ字型銅電極５の両側を通って液冷ジャケット
９の内部を流れ、液出口９Ｂから液冷ジャケット９の外
に出る。このとき、冷却液を下側から送り込むことで、
横から送り込む場合よりも良好に拡散させることができ
る。また、Ｔ字型銅電極５におけるＴの字の幅の狭い部
分の両側に空間が存在することで、冷却液の流れがスム
ーズになる。なお、図２（ｂ）では、Ｔ字型銅電極５に
おけるＴの字の幅の狭い部分の形状を直方体としたが、
直方体の角に丸みを持たせたり、直方体の代わりに円柱
にすれば、冷却液の流れがさらにスムーズになる。図２
（ａ）でも同様である。[0025] Thus configured, the liquid from the inlet 9A inside the liquid cooling jacket 9, water or an organic refrigerant, for example, feeds the cooling fluid consisting of ethylene glycol, sends write or cooling fluid T-shaped copper electrodes 5 Flows through the inside of the liquid cooling jacket 9 through both sides of the liquid cooling jacket 9 and out of the liquid cooling jacket 9 through the liquid outlet 9B. At this time, by sending the coolant from below,
Diffusion can be better than in the case of feeding from the side. In addition, since the space exists on both sides of the narrow portion of the T-shape in the T-shaped copper electrode 5, the flow of the coolant becomes smooth. In FIG. 2B, the shape of the narrow portion of the T-shape in the T-shaped copper electrode 5 is a rectangular parallelepiped.
If the corners of the rectangular parallelepiped are rounded, or if the rectangular parallelepiped is replaced by a column, the flow of the coolant will be smoother. FIG.
The same applies to (a).
【００２６】図３は本実施の形態における熱電素子の温
度状態を示す図である。この図においてモジュールΔＴ
は、冷却側の下部の温度（Ｐ２）と、Ｔ字型銅電極５の
温度（Ｐ５）との差（ΔＴ１’）である。そして、シス
テムΔＴは、冷却側の上部の温度（Ｐ３）と、放熱側の
周囲温度（Ｐ６）との差（ΔＴ２’）である。ここで、
冷却側は図２の冷却負荷に相当する。また、周囲温度
は、図２（ａ）では空冷ジャケット６内の空気の温度に
相当し、図２（ｂ）では液冷ジャケット９内の液体の温
度に相当する。FIG. 3 is a diagram showing a temperature state of the thermoelectric element in the present embodiment. In this figure, the module ΔT
Is the difference (ΔT1 ′) between the temperature (P2) of the lower portion on the cooling side and the temperature (P5) of the T-shaped copper electrode 5. The system ΔT is a difference (ΔT2 ′) between the upper temperature (P3) on the cooling side and the ambient temperature (P6) on the heat radiation side. here,
The cooling side corresponds to the cooling load in FIG. Further, the ambient temperature corresponds to the temperature of the air in the air cooling jacket 6 in FIG. 2A, and corresponds to the temperature of the liquid in the liquid cooling jacket 9 in FIG.
【００２７】このように、本実施の形態の冷却側には熱
伝導率の小さいセラミック基板が存在せず、冷却負荷が
銅電極４と直接的に接触する。また、放熱側には熱伝導
率の小さいセラミック基板が存在せず、Ｔ字型銅電極５
が冷却用の空気や液体と直接的に接触する。したがっ
て、図９と比較すると、ΔＴ１’＞ΔＴ１であり、かつ
ΔＴ２’＞ΔＴ２となる。つまり、従来の熱電素子に対
してモジュールとしても冷却装置としても、冷却効率が
高くなる。As described above, there is no ceramic substrate having a low thermal conductivity on the cooling side in the present embodiment, and the cooling load comes into direct contact with the copper electrode 4. Further, there is no ceramic substrate having a small thermal conductivity on the heat radiation side, and the T-shaped copper electrode 5
Directly contact cooling air and liquid. Therefore, as compared with FIG. 9, ΔT1 ′> ΔT1 and ΔT2 ′> ΔT2. In other words, the cooling efficiency is improved as a module or a cooling device for the conventional thermoelectric element.
【００２８】図４は本発明を適用した熱電素子の具体例
である。この図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は右
側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は下面図である。ま
た、この図において、図１と対応する部分には図１と同
一の番号が付してある。FIG. 4 shows a specific example of a thermoelectric element to which the present invention is applied. In this figure, (a) is a plan view, (b) is a right side view, (c) is a front view, and (d) is a bottom view. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same numbers as in FIG.
【００２９】この熱電素子は４８ｍｍ×４８ｍｍのサイ
ズの仕切板２の上側に１２８（＝１６×８）枚の銅電極
４を取り付け、下側に１２７枚のＴ字型銅電極５を取り
付けた。さらに、上側の銅電極４のうち、正面側の両端
の一対をＬ字型に形成し、そこに直流電源を印加するた
めの端子を取り付けた。In this thermoelectric element, 128 (= 16 × 8) copper electrodes 4 were mounted on the upper side of the partition plate 2 having a size of 48 mm × 48 mm, and 127 T-shaped copper electrodes 5 were mounted on the lower side. Further, a pair of both ends on the front side of the upper copper electrode 4 were formed in an L shape, and a terminal for applying a DC power supply was attached thereto.
【００３０】図５は図４に示した熱電素子を使用した液
冷式熱電冷却ユニットの具体例である。この図におい
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’
断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、
（ｄ）は下面図である。ここで、熱電素子については図
１と同一の番号を付した。FIG. 5 shows a specific example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit using the thermoelectric element shown in FIG. In this figure, (a) is a plan view, (b) is AA ′ in (a).
FIG. 4C is a cross-sectional view, FIG.
(D) is a bottom view. Here, the same numbers are assigned to the thermoelectric elements as in FIG.
【００３１】この液冷式熱電冷却ユニットは、矩形のベ
ース板１０を下側に配置し、矩形のアルミ吸熱ブロック
１１を上側に配置し、熱電素子をそれらの間の中央部に
配置し、ベース板１０とアルミ吸熱ブロック１１との間
は周辺の八箇所で断熱性のある樹脂製のボルト１２によ
り締め付けて固定したものである。なお、この図では樹
脂ボルト１２と共にスプリングワッシャを併用している
が、これはなくてもよい。また、銅電極４とアルミ吸熱
ブロック１１との接触面、及びＴ字型銅電極５とベース
板１０との間は、シリコングリース又はゲル状の絶縁物
により接着している。In this liquid cooling type thermoelectric cooling unit, a rectangular base plate 10 is arranged on the lower side, a rectangular aluminum heat absorbing block 11 is arranged on the upper side, and a thermoelectric element is arranged at a central portion between them. The space between the plate 10 and the aluminum heat absorbing block 11 is fastened and fixed at eight peripheral locations by bolts 12 made of heat-insulating resin. In this figure, a spring washer is used together with the resin bolt 12, but this may not be necessary. In addition, the contact surface between the copper electrode 4 and the aluminum heat absorbing block 11 and the space between the T-shaped copper electrode 5 and the base plate 10 are bonded with silicon grease or a gel-like insulator.
【００３２】ベース板１０、アルミ吸熱ブロック１１
は、各々Ｔ字型銅電極５、銅電極４と接触するため、ア
ルマイト加工を施したアルミにより形成した。ベース板
１０の下側の中央には液入口１０Ａを設け、ベース板１
０の下側で熱電素子の端と対向する二か所には液出口１
０Ｂを設けた。Base plate 10, aluminum heat absorbing block 11
Was formed of alumite-treated aluminum to be in contact with the T-shaped copper electrode 5 and the copper electrode 4, respectively. A liquid inlet 10A is provided in the lower center of the base plate 10, and the base plate 1
Liquid outlets 1 at two locations below thermoelectric element 0
0B was provided.
【００３３】ベース板１０の上側の中央部には、熱電素
子の仕切板２から下の部分を入れるための底が平らな窪
みを形成した。Ｔ字型銅電極５の下端はこの窪みの底に
より支持される。ただし、液入口１０Ａと対向する部分
には、Ｔ字型銅電極５の幅（正面から見た横方向の長
さ）よりも幅の狭い溝１０Ｄを形成し、Ｔ字型銅電極５
を支持すると同時に冷却液が図５（ｄ）の横方向に流れ
るようにした。同様に、二箇所の液出口１０Ｂと対向す
る部分にも溝１０Ｅを形成した。In the upper central portion of the base plate 10, a recess having a flat bottom for receiving a portion below the partition plate 2 of the thermoelectric element was formed. The lower end of the T-shaped copper electrode 5 is supported by the bottom of this depression. However, a groove 10D having a width smaller than the width of the T-shaped copper electrode 5 (length in the horizontal direction as viewed from the front) is formed in a portion facing the liquid inlet 10A, and the T-shaped copper electrode 5 is formed.
And at the same time, the cooling liquid was allowed to flow in the horizontal direction in FIG. Similarly, grooves 10E were formed in portions facing the two liquid outlets 10B.
【００３４】ベース板１０における窪みの外側には、接
着剤１５を流し込むための溝を形成した。この溝に接着
剤１５を流し込み、熱電素子の仕切板２をその上に載
せ、接着する。A groove for pouring the adhesive 15 was formed outside the depression in the base plate 10. An adhesive 15 is poured into the groove, and the partition plate 2 of the thermoelectric element is placed thereon and bonded.
【００３５】接着剤を流し込む溝の外側には、ゴムリン
グ１３と断熱材１４を嵌め込むための溝を形成した。ま
た、アルミ吸熱ブロック１１においてこの溝と対向する
部分にも、ゴムリング１３と断熱材１４を嵌め込むため
の溝を形成した。そして、上下の対向する溝の各々にゴ
ムリングを嵌め込み、その間に断熱材１４を嵌め込む。
なお、断熱材１４はセラミックスやプラスチックを予め
溝のサイズに適合するように成形したものを用いる。A groove for fitting the rubber ring 13 and the heat insulating material 14 was formed outside the groove into which the adhesive was poured. Also, a groove for fitting the rubber ring 13 and the heat insulating material 14 was formed in a portion of the aluminum heat absorbing block 11 facing the groove. Then, a rubber ring is fitted into each of the upper and lower opposing grooves, and the heat insulating material 14 is fitted therebetween.
The heat insulating material 14 is formed by molding ceramics or plastic in advance so as to match the size of the groove.
【００３６】そして、実際のシステムでは、この液冷式
熱電冷却ユニットに、ポンプとラジエータとファンを接
続して使用する。また、図示されている極性の直流電圧
を印加する。 In an actual system, a pump, a radiator, and a fan are connected to the liquid-cooled thermoelectric cooling unit for use. DC voltage of the polarity shown
Is applied.
【００３７】以上のように構成した液冷式熱電冷却ユニ
ットにおいて、液入口１０Ａからベース板１０の窪み内
に供給された冷却液は、溝１０Ｄに沿って図５（ｄ）の
横方向に流れると共に、Ｔ字型電極５の間を通って図５
（ｄ）の縦方向に流れる。そして、溝１０Ｅを通って二
箇所の液出口１０Ｂから外部に出る。この時、放熱側の
熱を吸収して温度が上昇する。温度が上昇した冷却液は
ラジエータを通過する過程でファンからの風で冷やされ
て温度が低下し、再び液冷式熱電冷却ユニット内に供給
される。 In the liquid cooling type thermoelectric cooling unit configured as described above, the cooling liquid supplied from the liquid inlet 10A into the depression of the base plate 10 flows along the groove 10D in the lateral direction of FIG. 5D. 5 through the space between the T-shaped electrodes 5.
It flows in the vertical direction of (d). Then, the liquid exits from the two liquid outlets 10B through the groove 10E. At this time,
Absorb heat and increase temperature. The coolant whose temperature has increased
Cooled by the wind from the fan while passing through the radiator
The temperature drops and is supplied again into the liquid-cooled thermoelectric cooling unit
Is done.
【００３８】また、この液冷式熱電冷却ユニットは、熱
電素子の外側を断熱材１４で囲み、さらにベース板１０
とアルミ吸熱ブロック１１との間を断熱性の高い樹脂ボ
ルト１２で固定したので、ベース板１０からアルミ吸熱
ブロック１１への熱の逆流の防止と熱電素子の防湿が実
現できる。In this liquid cooling type thermoelectric cooling unit, the outside of the thermoelectric element is surrounded by a heat insulating material 14, and the base plate 10
And the aluminum heat absorbing block 11 are fixed by the resin bolts 12 having high heat insulating properties, so that the backflow of heat from the base plate 10 to the aluminum heat absorbing block 11 can be prevented and the moisture resistance of the thermoelectric element can be realized.
【００３９】なお、この液冷式熱電冷却ユニットでは液
出口１０Ｂの個数は二個であったが、これを四個あるい
は六個にしてもよい。また、この液冷式熱電冷却ユニッ
トにおいて、図示されている極性と反対の極性の直流電
圧を印加した場合には、銅電極４の側が放熱側となり、
Ｔ字型銅電極５の側が冷却側となるから、この液冷式熱
電冷却ユニットを加熱ユニットとして使用することがで
きる。 In this liquid cooling type thermoelectric cooling unit, the number of the liquid outlets 10B is two, but may be four or six. In addition, this liquid cooling type thermoelectric cooling unit
DC power of the opposite polarity to that shown
When pressure is applied, the copper electrode 4 side becomes the heat radiation side,
Since the side of the T-shaped copper electrode 5 is the cooling side, the liquid cooling type heat
The electric cooling unit can be used as a heating unit.
Wear.
【００４０】図６は液冷式熱電冷却ユニットの他の例で
ある。ここで、図５と対応する部分には図５と同一の番
号が付してある。そして、図６の実施例は〇で囲んだ部
分だけが図５の実施例と異なるので、図５のＢ−Ｂ’断
面図に相当する図だけを示した。FIG. 6 shows another example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit. Here, parts corresponding to FIG. 5 are given the same numbers as in FIG. The embodiment of FIG. 6 differs from the embodiment of FIG. 5 only in a portion surrounded by a triangle. Therefore, only a diagram corresponding to the BB ′ cross-sectional view of FIG. 5 is shown.
【００４１】図６（ａ）は、金属ボルト１６によりベー
ス板１０の側とアルミ吸熱ブロック１１の側の両側から
固定したものである。そして、金属ボルト１６は断熱性
が低いので、図５よりも大きな断熱材１４を使用し、こ
の断熱材１４とベース板１０及びアルミ吸熱ブロック１
１を金属ボルト１６で固定した。FIG. 6A shows a structure in which metal bolts 16 are used to fix the base plate 10 and the aluminum heat absorbing block 11 from both sides. Since the metal bolt 16 has a low heat insulating property, a heat insulating material 14 larger than that shown in FIG. 5 is used, and the heat insulating material 14, the base plate 10 and the aluminum heat absorbing block 1 are used.
1 was fixed with a metal bolt 16.
【００４２】図６（ｂ）は、図６（ａ）においてアルミ
吸熱ブロック１１の側から固定していた金属ボルト１６
に代えて、接着剤１７で固定したものである。FIG. 6B shows the metal bolt 16 fixed from the side of the aluminum heat absorbing block 11 in FIG.
, Instead of using the adhesive 17.
【００４３】また、以上の説明では、一枚の仕切板に熱
電半導体素子が貫通した状態で固定された構造の熱電素
子は、特開平８−２２２８０２７号に記載の方法で製造
したものであるとしたが、ガラスエポキシ板又はアルマ
イト加工を施したアルミ板に矩形の穴をあけておき、そ
の穴に立方体状の普通の熱電半導体素子を嵌め込み、ポ
リイミド樹脂等の加熱硬化型樹脂で固定することで、一
枚の仕切板に熱電半導体素子が貫通した状態で固定され
た構造の熱電素子を製造してもよい。In the above description, it is assumed that a thermoelectric element having a structure in which a thermoelectric semiconductor element is fixed to one partition plate in a state of being penetrated is manufactured by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-2228027. However, by making a rectangular hole in a glass epoxy plate or anodized aluminum plate, fitting a regular cubic thermoelectric semiconductor element into the hole, and fixing it with a thermosetting resin such as polyimide resin. Alternatively, a thermoelectric element having a structure in which the thermoelectric semiconductor element is fixed in a state where the thermoelectric semiconductor element penetrates one partition plate may be manufactured.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、熱電半導体素子の上下の金属電極の双方が固い基
板に固定されていないので、熱電半導体素子に加わる熱
応力が緩和される。この結果、熱電半導体素子の長寿命
化を実現できる。また、熱電半導体素子を直接的に冷却
することにより、冷却効率の低下を最小限に抑え、熱電
半導体素子の持つ性能を有効に引き出すことができる。As described above in detail, according to the present invention, since both the upper and lower metal electrodes of the thermoelectric semiconductor element are not fixed to the solid substrate, the thermal stress applied to the thermoelectric semiconductor element is reduced. . As a result, the life of the thermoelectric semiconductor element can be extended. Further, by directly cooling the thermoelectric semiconductor element, it is possible to minimize a decrease in cooling efficiency and to effectively bring out the performance of the thermoelectric semiconductor element.
【図１】本発明を適用した熱電素子の構成の一例とその
動作を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a thermoelectric element to which the present invention is applied and its operation.
【図２】本発明を適用した熱電素子の冷却方式を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a cooling method of a thermoelectric element to which the present invention is applied.
【図３】本発明を適用した熱電素子の温度状態を示す図
である。FIG. 3 is a diagram showing a temperature state of a thermoelectric element to which the present invention is applied.
【図４】本発明を適用した熱電素子の具体例を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram showing a specific example of a thermoelectric element to which the present invention is applied.
【図５】図４に示した熱電素子を使用した液冷式熱電冷
却ユニットの具体例を示す図である。5 is a diagram showing a specific example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit using the thermoelectric element shown in FIG.
【図６】液冷式熱電冷却ユニットの他の例を示す図であ
る。FIG. 6 is a view showing another example of a liquid-cooled thermoelectric cooling unit.
【図７】従来の熱電素子の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional thermoelectric element.
【図８】従来の熱電素子の冷却方式を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a conventional cooling method of a thermoelectric element.
【図９】従来の熱電素子の温度状態を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a temperature state of a conventional thermoelectric element.
１…熱電素子、２…仕切板、３Ａ…ｐ型熱電半導体素
子、３Ｂ…ｎ型熱電半導体素子、４…銅電極、５…Ｔ字
型銅電極、６…空冷ジャケット、９…液冷ジャケット、
１０…ベース板、１１…アルミ吸熱ブロックDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... thermoelectric element, 2 ... partition plate, 3A ... p-type thermoelectric semiconductor element, 3B ... n-type thermoelectric semiconductor element, 4 ... copper electrode, 5 ... T-shaped copper electrode, 6 ... air cooling jacket, 9 ... liquid cooling jacket,
10: base plate, 11: aluminum heat absorbing block
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭34−595（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭34−8682（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 35/32 F25B 21/02 H01L 35/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References Japanese Patent Publication No. 34-595 (JP, B1) Japanese Utility Model Publication No. 34-8682 (JP, Y1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 35/32 F25B 21/02 H01L 35/30
Claims (6)
型熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子と、 前記ｐ型熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子の吸熱
側に接合された第１の金属電極と、 前記ｐ型熱電半導体素子及びｎ型熱電半導体素子の放熱
側に接合された第２の金属電極と、 前記仕切板から放熱側を収納し、かつ冷却用流体が供給
される冷却容器とを備えることを特徴とする熱電冷却装
置。1. A partition plate having electrical insulation properties, and a p fixed to the partition plate while penetrating the partition plate.
-Type thermoelectric semiconductor elements and n-type thermoelectric semiconductor elements, the p-type thermoelectric semiconductor elements and n-type thermoelectric a first metal electrode bonded to the heat absorbing side of the semiconductor device, the p-type thermoelectric semiconductor elements and n-type thermoelectric semiconductor elements A thermoelectric cooling device comprising: a second metal electrode joined to a heat radiation side of the first member; and a cooling container accommodating the heat radiation side from the partition plate and supplying a cooling fluid.
導体素子及びｎ型熱電半導体素子との接合端の面積が他
端の面積よりも広い形状を有する請求項１に記載の熱電
冷却装置。2. The thermoelectric cooling according to claim 1, wherein the second metal electrode has a shape in which the area of the junction end with the p-type thermoelectric semiconductor element and the n-type thermoelectric semiconductor element is larger than the area of the other end. apparatus.
記載の熱電冷却装置。3. The thermoelectric cooling device according to claim 1, wherein the cooling fluid is a gas.
記載の熱電冷却装置。4. The thermoelectric cooling device according to claim 1, wherein the cooling fluid is a liquid.
器内に前記冷却用流体が供給される請求項１に記載の熱
電冷却装置。5. The thermoelectric cooling device according to claim 1, wherein the cooling fluid is supplied into the cooling container from a direction perpendicular to the partition plate.
金属製である請求項１に記載の熱電冷却装置。6. The thermoelectric cooling device according to claim 1, wherein the cooling vessel is made of a metal having an insulating layer formed on a surface thereof.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP9134012A JP2879671B2 (en) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | Thermoelectric cooling device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9134012A JP2879671B2 (en) | 1997-05-23 | 1997-05-23 | Thermoelectric cooling device |
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1997
- 1997-05-23 JP JP9134012A patent/JP2879671B2/en not_active Expired - Fee Related
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