JPH05299704A - サーモモジュール - Google Patents
サーモモジュールInfo
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- JPH05299704A JPH05299704A JP4104881A JP10488192A JPH05299704A JP H05299704 A JPH05299704 A JP H05299704A JP 4104881 A JP4104881 A JP 4104881A JP 10488192 A JP10488192 A JP 10488192A JP H05299704 A JPH05299704 A JP H05299704A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱電変換型サーモモジュールにおいて、多段
構造を採用することなく、熱電冷却時の到達温度を大き
く低下させる。 【構成】 Ｐ型半導体およびＮ型半導体のブロック同士
を接合してできるサーモ(熱電変換素子)モジュールにお
いて、各ブロックのＺ軸方向への断面積を変え、冷却面
側の接合部を、複数の接合部に分割する構造とする。そ
の結果、接合部は複数の温度レベルとなるため、具体的
に多段化することなく１つのモジュール内部で実質的に
複数段化できる。
構造を採用することなく、熱電冷却時の到達温度を大き
く低下させる。 【構成】 Ｐ型半導体およびＮ型半導体のブロック同士
を接合してできるサーモ(熱電変換素子)モジュールにお
いて、各ブロックのＺ軸方向への断面積を変え、冷却面
側の接合部を、複数の接合部に分割する構造とする。そ
の結果、接合部は複数の温度レベルとなるため、具体的
に多段化することなく１つのモジュール内部で実質的に
複数段化できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本願発明は、熱電変換作用を利用
した加熱又は冷却用のサーモモジュールの構造に関する
ものである。
した加熱又は冷却用のサーモモジュールの構造に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】熱電変換は、物質中のキャリアがランキ
ン・サイクルやヒートポンプのように働くソリードステ
ート・エネルギ変換の一つである。したがって、エネル
ギー変換部には、火力発電や冷暖房機のように機械的な
可動要素をもたないので、騒音や振動がなく信頼性の高
い熱−電気エネルギー変換ができる。熱電変換材料(熱
電材料)は、一般に相互に電気伝導性の異なる半導体を
組合わせた熱電対として利用し、該半導体の対は熱電変
換素子(又は熱電素子)と言われている。この熱電変換素
子は、例えば図５、図６に示すように構成され、そのＰ
−Ｎ接合部と両分岐端間に温度差を与えることによって
電力を取り出したり(ゼーベック効果)、また逆に両分岐
端に電流を通ずることによって冷却や加熱の目的に使用
する(ペルチェ効果)。前者および後者の対は、それぞれ
熱発電素子および熱電冷却素子(電子冷凍素子)と呼ば
れ、測温に広く利用されている金属熱電対と区別されて
いる。これらの素子は特殊な場合を除いて、一般に実際
の装置では、例えば図７に示すように板状(あるいは円
筒状)に多数の素子を組合わせて利用し、これをサーモ
モジュールと呼んでいる。
ン・サイクルやヒートポンプのように働くソリードステ
ート・エネルギ変換の一つである。したがって、エネル
ギー変換部には、火力発電や冷暖房機のように機械的な
可動要素をもたないので、騒音や振動がなく信頼性の高
い熱−電気エネルギー変換ができる。熱電変換材料(熱
電材料)は、一般に相互に電気伝導性の異なる半導体を
組合わせた熱電対として利用し、該半導体の対は熱電変
換素子(又は熱電素子)と言われている。この熱電変換素
子は、例えば図５、図６に示すように構成され、そのＰ
−Ｎ接合部と両分岐端間に温度差を与えることによって
電力を取り出したり(ゼーベック効果)、また逆に両分岐
端に電流を通ずることによって冷却や加熱の目的に使用
する(ペルチェ効果)。前者および後者の対は、それぞれ
熱発電素子および熱電冷却素子(電子冷凍素子)と呼ば
れ、測温に広く利用されている金属熱電対と区別されて
いる。これらの素子は特殊な場合を除いて、一般に実際
の装置では、例えば図７に示すように板状(あるいは円
筒状)に多数の素子を組合わせて利用し、これをサーモ
モジュールと呼んでいる。
【０００３】今図７において、符号２１Ａ,２１Ｂは上
下２枚の絶縁基板、２２,２４はＮ型半導体、２３,２５
はＰ型半導体、２６〜３０は各半導体２２〜２５相互間
の接合部、Ｌ(＋),Ｌ(−)は正負各電極のリード線を各
々示している。
下２枚の絶縁基板、２２,２４はＮ型半導体、２３,２５
はＰ型半導体、２６〜３０は各半導体２２〜２５相互間
の接合部、Ｌ(＋),Ｌ(−)は正負各電極のリード線を各
々示している。
【０００４】しかし、図７のような単段構造のサーモモ
ジュールの場合、冷温熱間の到達温度差(Ｔh−Ｔc)が約
７０℃程度と比較的低く、用途が限定される欠点があ
る。
ジュールの場合、冷温熱間の到達温度差(Ｔh−Ｔc)が約
７０℃程度と比較的低く、用途が限定される欠点があ
る。
【０００５】そこで、最近では例えば図８に示すよう
に、上記図７の構造のサーモモジュールの上部に更に半
導体３１,３２を組合せたもう一段目の熱電変換素子部
を設け、リード線Ｌ1,Ｌ2および接合部３３,３４,３５
を介してカスケード接続することによって多段構造体に
形成し、それによって上記冷温熱間の温度差(Ｔh−Ｔc)
を大きくする構成が採用されている。
に、上記図７の構造のサーモモジュールの上部に更に半
導体３１,３２を組合せたもう一段目の熱電変換素子部
を設け、リード線Ｌ1,Ｌ2および接合部３３,３４,３５
を介してカスケード接続することによって多段構造体に
形成し、それによって上記冷温熱間の温度差(Ｔh−Ｔc)
を大きくする構成が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図８のよう
な多段構造のものでは、モジュール構造自体が複雑とな
り、製造が困難になって、コストが高くなるとともに取
扱いや冷凍装置などへの組込みが困難になる問題があ
る。
な多段構造のものでは、モジュール構造自体が複雑とな
り、製造が困難になって、コストが高くなるとともに取
扱いや冷凍装置などへの組込みが困難になる問題があ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願の請求項１〜３各項
記載の発明は、各々上記の問題を解決することを目的と
してなされたものであって、それぞれ次のように構成さ
れている。
記載の発明は、各々上記の問題を解決することを目的と
してなされたものであって、それぞれ次のように構成さ
れている。
【０００８】(１) 請求項１記載の発明の構成 請求項１記載の発明のサーモモジュールは、電気伝導性
の異なるＰ型およびＮ型２組の半導体を熱電対構造に相
互に接合して熱電変換素子を構成してなるサーモモジュ
ールにおいて、上記熱電変換素子を構成する各半導体の
断面積を変化させるとともに熱電冷却時における冷却面
側接合部を複数化したことを特徴とするものである。
の異なるＰ型およびＮ型２組の半導体を熱電対構造に相
互に接合して熱電変換素子を構成してなるサーモモジュ
ールにおいて、上記熱電変換素子を構成する各半導体の
断面積を変化させるとともに熱電冷却時における冷却面
側接合部を複数化したことを特徴とするものである。
【０００９】(２) 請求項２記載の発明の構成 請求項２記載の発明のサーモモジュールは、上記請求項
１記載の発明の構成を基本構成とし、同構成において、
熱電変換素子を構成する２組の半導体を逆Ｖ字形状に組
合せ、その頂点側の側面部間と上面部間の少なくとも２
個所に接合部を形成したことを特徴とするものである。
１記載の発明の構成を基本構成とし、同構成において、
熱電変換素子を構成する２組の半導体を逆Ｖ字形状に組
合せ、その頂点側の側面部間と上面部間の少なくとも２
個所に接合部を形成したことを特徴とするものである。
【００１０】(３) 請求項３記載の発明の構成 請求項３記載の発明のサーモモジュールは、上記請求項
１記載の発明の構成を基本構成とし、同構成における熱
電変換素子を構成する半台形状の２組の半導体を角錐体
状に組合せ、それら２組の半導体の側面部間と上面部間
の少なくとも２個所に接合部を形成したことを特徴とす
るものである。
１記載の発明の構成を基本構成とし、同構成における熱
電変換素子を構成する半台形状の２組の半導体を角錐体
状に組合せ、それら２組の半導体の側面部間と上面部間
の少なくとも２個所に接合部を形成したことを特徴とす
るものである。
【００１１】
【作用】本願の請求項１〜３各項記載の発明は、各々上
記のように構成されているので当該各構成に対応して、
それぞれ次のような作用を奏する。
記のように構成されているので当該各構成に対応して、
それぞれ次のような作用を奏する。
【００１２】(１) 請求項１記載の発明の作用 請求項１記載の発明のサーモモジュールの構成では、上
記の如く熱電変換素子を構成する各半導体の断面積を変
化させることによって流れる電流の分布密度を変えると
ともに熱電冷却時における冷却面側接合部を複数化する
ことによって電流を分流させるようになっている。
記の如く熱電変換素子を構成する各半導体の断面積を変
化させることによって流れる電流の分布密度を変えると
ともに熱電冷却時における冷却面側接合部を複数化する
ことによって電流を分流させるようになっている。
【００１３】その結果、各対の半導体部分に温度分布が
生じると同時に上記電流の分流部で寒冷部が生じ、それ
よりも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷作
用が生じるようになる。
生じると同時に上記電流の分流部で寒冷部が生じ、それ
よりも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷作
用が生じるようになる。
【００１４】従って、実質的に２段冷却状態が可能とな
り、多段構造にした場合と同様に熱電冷却時の到達温度
を下げることができる。
り、多段構造にした場合と同様に熱電冷却時の到達温度
を下げることができる。
【００１５】(２) 請求項２記載の発明の作用 請求項２記載の発明のサーモモジュールの構成では、上
記請求項１記載の発明と同様の作用を、具体的に上述の
熱電変換素子を構成する２組の半導体を逆Ｖ字形状に組
合せるとともに、その頂点側の側面部間と上面部間の少
なくとも２個所に接合部を形成することによって実現す
るようにしている。
記請求項１記載の発明と同様の作用を、具体的に上述の
熱電変換素子を構成する２組の半導体を逆Ｖ字形状に組
合せるとともに、その頂点側の側面部間と上面部間の少
なくとも２個所に接合部を形成することによって実現す
るようにしている。
【００１６】(３) 請求項３記載の発明の作用 請求項３記載の発明のサーモモジュールの構成では、そ
の基本構成に基く上記請求項１記載の発明と同様の作用
を、具体的に上述の熱電変換素子を構成する半台形状の
２組の半導体を角錐体状に組合せるとともに、それら２
組の半導体の側面部間と上面部間の少なくとも２個所に
接合部を形成することによって実現するようにしてい
る。
の基本構成に基く上記請求項１記載の発明と同様の作用
を、具体的に上述の熱電変換素子を構成する半台形状の
２組の半導体を角錐体状に組合せるとともに、それら２
組の半導体の側面部間と上面部間の少なくとも２個所に
接合部を形成することによって実現するようにしてい
る。
【００１７】
【発明の効果】したがって、本願発明のサーモモジュー
ル構造によると、従来の平板構造のものと略同様の構造
を採用しながら多段構造のものと同様の到達温度増大作
用を実現することができ、モジュール構造が簡単で、コ
ストも低く、製造も容易で、取扱いや冷凍装置などへの
組込みも楽なサーモモジュールを提供し得るようにな
る。
ル構造によると、従来の平板構造のものと略同様の構造
を採用しながら多段構造のものと同様の到達温度増大作
用を実現することができ、モジュール構造が簡単で、コ
ストも低く、製造も容易で、取扱いや冷凍装置などへの
組込みも楽なサーモモジュールを提供し得るようにな
る。
【００１８】
【実施例】(１) 第１実施例 図１〜図３は、本願発明の第１実施例に係るサーモモジ
ュールの構成および作用を示している。
ュールの構成および作用を示している。
【００１９】先ず図１は、同サーモモジュール１の全体
構造を示し、図中符号１Ａ,１Ｂは上下一対の絶縁基板
である。そして、該絶縁基板１Ａ,１Ｂ間には、接合部
６〜１０を介してＮ型およびＰ型各２組の熱電変換素子
構成用半導体２,３および４,５が各々熱電対構造をなし
て一体に接合固定されており、それらの両端側の下部側
接合部６,１０には電流印加用のリード線Ｌ(＋),Ｌ(−)
が接続されている。
構造を示し、図中符号１Ａ,１Ｂは上下一対の絶縁基板
である。そして、該絶縁基板１Ａ,１Ｂ間には、接合部
６〜１０を介してＮ型およびＰ型各２組の熱電変換素子
構成用半導体２,３および４,５が各々熱電対構造をなし
て一体に接合固定されており、それらの両端側の下部側
接合部６,１０には電流印加用のリード線Ｌ(＋),Ｌ(−)
が接続されている。
【００２０】上記熱電対を形成する隣合うＮ型およびＰ
型の熱電変換素子構成用半導体２,３(及び４,５)は、例
えば図２に示すように、従来のものと異なって各々を相
互にもたれ合う格好で逆Ｖ字状に傾斜させて断面積を変
化させるとともに上部側に従来の絶縁基板１Ａ側接合部
７(９)に加えて更に相互に対向する側面部間に所定の空
隙部Ｇ1,Ｇ2および接合部１１(１２)を形成して構成さ
れている。
型の熱電変換素子構成用半導体２,３(及び４,５)は、例
えば図２に示すように、従来のものと異なって各々を相
互にもたれ合う格好で逆Ｖ字状に傾斜させて断面積を変
化させるとともに上部側に従来の絶縁基板１Ａ側接合部
７(９)に加えて更に相互に対向する側面部間に所定の空
隙部Ｇ1,Ｇ2および接合部１１(１２)を形成して構成さ
れている。
【００２１】この結果、上記熱電変換素子構成用の半導
体２(４),３(５)は、各々Ｚ軸方向への断面積(水平断面
積)が異なるようになるとともに上部側で複数の接合部
７,１１(９,１２)を有することになるので、Ｐ型半導体
３(５)からＮ型半導体２(４)側に流れる電流の分布は図
２のように分流するようになり、又それと上記断面積の
変化とから温度の分布は図３の等温度曲線で示すように
変化したものとなる。
体２(４),３(５)は、各々Ｚ軸方向への断面積(水平断面
積)が異なるようになるとともに上部側で複数の接合部
７,１１(９,１２)を有することになるので、Ｐ型半導体
３(５)からＮ型半導体２(４)側に流れる電流の分布は図
２のように分流するようになり、又それと上記断面積の
変化とから温度の分布は図３の等温度曲線で示すように
変化したものとなる。
【００２２】そして、各対の半導体部分に温度分布が生
じると同時に上記電流の分流部で寒冷部が生じ、それよ
りも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷作用
が生じるようになる。
じると同時に上記電流の分流部で寒冷部が生じ、それよ
りも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷作用
が生じるようになる。
【００２３】この結果、実質的に２段冷却状態が可能と
なり、多段構造にした場合と同様に熱電冷却時の到達温
度を下げることができる。
なり、多段構造にした場合と同様に熱電冷却時の到達温
度を下げることができる。
【００２４】すなわち、該構成のサーモモジュールによ
ると、結局全体としては上述した図７の従来の平板構造
と全く同様のモジュール形態をとりながら、実質的には
図８の多段構造のモジュールと同様の到達温度を実現す
ることができるようになるので、取扱いや組込みも容易
になる。
ると、結局全体としては上述した図７の従来の平板構造
と全く同様のモジュール形態をとりながら、実質的には
図８の多段構造のモジュールと同様の到達温度を実現す
ることができるようになるので、取扱いや組込みも容易
になる。
【００２５】従って、本実施例のサーモモジュールで
は、超低温用途(−１００℃程度)の素子として、十分に
コンパクトなものとなる。また、一段当りの低温接合部
と高温接合部との間の温度差が小さくなり、常温の温度
範囲ででも、この素子を用いるようにすると冷凍機のＣ
ＯＰが向上する効果が得られるようになる。
は、超低温用途(−１００℃程度)の素子として、十分に
コンパクトなものとなる。また、一段当りの低温接合部
と高温接合部との間の温度差が小さくなり、常温の温度
範囲ででも、この素子を用いるようにすると冷凍機のＣ
ＯＰが向上する効果が得られるようになる。
【００２６】(２) 第２実施例 図４は、本願発明の第２実施例に係るサーモモジュール
の構成を示している。
の構成を示している。
【００２７】図４において、符号１Ａ,１Ｂは上記第１
実施例のものと同様の絶縁基板であるが、本実施例のも
のでは、特に上部側のもの１Ａが下部側のもの１Ｂより
も小さく形成されている。
実施例のものと同様の絶縁基板であるが、本実施例のも
のでは、特に上部側のもの１Ａが下部側のもの１Ｂより
も小さく形成されている。
【００２８】そして、符号１２が熱電変換素子構成用の
Ｎ型半導体、又１３が同じく熱電変換素子構成用のＰ型
半導体であり、これら各各熱電変換素子構成用半導体１
２,１３は各々半台形状をなし全体として角錐体状をな
すように相互に所定の空隙Ｇ3を保った状態で隣接さ
れ、上下３ケ所の接合部１７,１４,１５で相互に接続さ
れている。
Ｎ型半導体、又１３が同じく熱電変換素子構成用のＰ型
半導体であり、これら各各熱電変換素子構成用半導体１
２,１３は各々半台形状をなし全体として角錐体状をな
すように相互に所定の空隙Ｇ3を保った状態で隣接さ
れ、上下３ケ所の接合部１７,１４,１５で相互に接続さ
れている。
【００２９】また、符号１６a,１６bは下方側一対の接
合部であり、該接合部１６a,１６bには電流印加用のリ
ード線Ｌ(＋),Ｌ(−)が接続されている。
合部であり、該接合部１６a,１６bには電流印加用のリ
ード線Ｌ(＋),Ｌ(−)が接続されている。
【００３０】したがって、該構成では、図７と同じ平板
構造のモジュールでありながら上記Ｎ型半導体２および
Ｐ型半導体１３は各々そのＺ軸方向への断面積が異なる
ことになり、電流の分布密度が変化するとともに相互間
に複数(３つ)の接合部１７,１４,１５による複数の接合
面が形成され、３段階の電流の分流が生じることにな
る。
構造のモジュールでありながら上記Ｎ型半導体２および
Ｐ型半導体１３は各々そのＺ軸方向への断面積が異なる
ことになり、電流の分布密度が変化するとともに相互間
に複数(３つ)の接合部１７,１４,１５による複数の接合
面が形成され、３段階の電流の分流が生じることにな
る。
【００３１】その結果、各対の半導体部分に温度分布が
生じると同時に上記各電流の分流部で寒冷部が生じ、そ
れよりも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷
作用が生じるようになる。そして、それぞれ接合部は複
数の温度レベルとなるため、結局１つのモジュール内部
で複数段化することができる。
生じると同時に上記各電流の分流部で寒冷部が生じ、そ
れよりも冷却面よりの接合部側では該寒冷部による予冷
作用が生じるようになる。そして、それぞれ接合部は複
数の温度レベルとなるため、結局１つのモジュール内部
で複数段化することができる。
【００３２】その結果、実質的に３段冷却状態が可能と
なり、具体的に３段構造にした場合と同様に熱電冷却時
の到達温度を下げることができる。
なり、具体的に３段構造にした場合と同様に熱電冷却時
の到達温度を下げることができる。
【００３３】この場合、特に上記構成では、各半導体１
２,１３のテーパー角度を任意に調整することにより、
電流が流れる接合部の面積を変化させ、各接合部で発生
する冷却量を適切に制御することにより、多段化モジュ
ールとしての最適化が図れる。
２,１３のテーパー角度を任意に調整することにより、
電流が流れる接合部の面積を変化させ、各接合部で発生
する冷却量を適切に制御することにより、多段化モジュ
ールとしての最適化が図れる。
【００３４】この結果、上記第１実施例の場合同様にコ
ンパクト化を図りながら、しかも多段構造機能を発揮さ
せることができ、効果的に熱電冷却時の到達温度を大き
くすることが可能となる。
ンパクト化を図りながら、しかも多段構造機能を発揮さ
せることができ、効果的に熱電冷却時の到達温度を大き
くすることが可能となる。
【図１】図１は、本願発明の第１実施例に係るサーモモ
ジュールの全体構造を示す側面図である。
ジュールの全体構造を示す側面図である。
【図２】図２は、同モジュールの電流分布状態を示す説
明図である。
明図である。
【図３】図３は、同モジュールの温度分布状態を示す説
明図である。
明図である。
【図４】図４は、本願発明の第２実施例に係るサーモモ
ジュールの全体構造を示す斜視図である。
ジュールの全体構造を示す斜視図である。
【図５】図５は、従来一般のサーモモジュールの熱電発
電作用を示す原理図である。
電作用を示す原理図である。
【図６】図６は、同サーモモジュールの熱電冷却作用を
示す原理図である。
示す原理図である。
【図７】図７は、従来のサーモモジュールの第１構造例
を示す側面図である。
を示す側面図である。
【図８】図８は、従来のサーモモジュールの第２構造例
(改良例)を示す側面図である。
(改良例)を示す側面図である。
１Ａ,１Ｂは絶縁基板、２〜５は熱電変換素子構成用半
導体、６〜１２は接合部、１２,１４は熱電変換素子構
成用半導体、１４,１５,１６a,１６b,１７は接合部であ
る。
導体、６〜１２は接合部、１２,１４は熱電変換素子構
成用半導体、１４,１５,１６a,１６b,１７は接合部であ
る。
Claims (3)
- 【請求項１】 電気伝導性の異なるＰ型およびＮ型２組
の半導体を熱電対構造に相互に接合して熱電変換素子を
構成してなるサーモモジュールであって、上記熱電変換
素子を構成する各半導体の断面積を変化させるとともに
熱電冷却時における冷却面側接合部を複数化したことを
特徴とするサーモモジュール。 - 【請求項２】 熱電変換素子を構成する２組の半導体を
逆Ｖ字形状に組合せ、その頂点側の側面部間と上面部間
の少なくとも２個所に接合部を形成してなる請求項１記
載のサーモモジュール。 - 【請求項３】 熱電変換素子を構成する半台形状の２組
の半導体を角錐体状に組合せ、それら２組の半導体の側
面部間と上面部間の少なくとも２個所に接合部を形成し
てなる請求項１記載のサーモモジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4104881A JP2817510B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | サーモモジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4104881A JP2817510B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | サーモモジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05299704A true JPH05299704A (ja) | 1993-11-12 |
| JP2817510B2 JP2817510B2 (ja) | 1998-10-30 |
Family
ID=14392535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4104881A Expired - Fee Related JP2817510B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | サーモモジュール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2817510B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| AT508277B1 (de) * | 2009-06-09 | 2011-09-15 | Avl List Gmbh | Thermoelektrisches modul mit paarweise angeordneten p- und n- dotierten schenkeln |
| JP2012529763A (ja) * | 2009-06-12 | 2012-11-22 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | ゼーベック効果熱電発電装置用のマイクロ構造、及びそのマイクロ構造の製造方法 |
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