WO2004001865A1 - 熱電素子とそれを用いた電子部品モジュールおよび携帯用電子機器 - Google Patents

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WO2004001865A1
WO2004001865A1 PCT/JP2003/007701 JP0307701W WO2004001865A1 WO 2004001865 A1 WO2004001865 A1 WO 2004001865A1 JP 0307701 W JP0307701 W JP 0307701W WO 2004001865 A1 WO2004001865 A1 WO 2004001865A1
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heat
thermoelectric element
thermoelectric
electrode
cooled
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PCT/JP2003/007701
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French (fr)
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Tomohisa Arai
Takashi Rokutanda
Masami Okamura
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Toshiba
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/025—Removal of heat

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric element using a thermoelectric semiconductor, an electronic component module using the thermoelectric element, and a portable electronic device.
  • thermoelectric devices using thermoelectric semiconductors such as bismuth (B i) —tellurium (T e), iron (F e) —silicon (S i), and cobalt (Co) —antimony (S b) It is used as a cooling or heating device or as an electric element.
  • Various devices using thermoelectric elements utilize the Peltier effect or Seebeck effect of thermoelectric semiconductors.
  • Thermoelectric elements are small and thin, and can be cooled without using a heat medium (refrigerant) such as liquid or gas. It is used as a cooling device and a heating device in various fields. Recently, it has begun to attract attention as a cooling device for computer CPUs and the like.
  • a heat medium such as liquid or gas.
  • the thermoelectric element has, for example, a thermoelectric semiconductor group in which N-type thermoelectric semiconductors and P-type thermoelectric semiconductors are alternately arranged. These plurality of N-type and P-type thermoelectric semiconductors are connected in series by an electrode arranged on one end side and an electrode arranged on the other end side.
  • thermoelectric element when a direct current is passed through the thermoelectric semiconductor group, heat is absorbed by the Peltier effect on the electrode (heat absorbing electrode) side where the current flows from the N-type thermoelectric semiconductor to the P-type thermoelectric semiconductor.
  • Electrode through which current flows from P-type thermoelectric semiconductor to N-type thermoelectric semiconductor Heat dissipation (heat generation) occurs on the pole) side. Therefore, the object to be cooled (various members, components, devices, etc.) is cooled by arranging it on the heat absorbing side of the thermoelectric element.
  • thermoelectric elements for example, ⁇ -type structure as shown below are known (see e.g. JP-A 9-298 3 19 No., etc. 2001-332773 Patent Gazette JP). That is, a ceramic substrate or the like on which the first metal electrode group is formed is used as the support member. On the first metal electrode group, ⁇ type thermoelectric semiconductors and ⁇ type thermoelectric semiconductors are alternately arranged. A second metal electrode group is disposed on the upper end side of the type II thermoelectric semiconductor and the type III thermoelectric semiconductor. Each metal electrode is bonded to the ⁇ -type and ⁇ -type thermoelectric semiconductors so that all the thermoelectric semiconductors are electrically connected in series.
  • thermoelectric element When the above-described thermoelectric element is used as a cooling device for a high heat-generating component such as a CPU, for example, as described in JP-A-9-298319, the heat-absorbing side support member of the thermoelectric element is used for the heat-generating component. Mount on top. A heat sink or a heat radiating fin is mounted on the heat radiating side support member of the thermoelectric element. A module structure that quickly dissipates the heat absorbed from such heat-generating components is adopted.
  • thermoelectric element When the thermoelectric element is always operated, the semiconductor component can be cooled well by the above-described module structure.
  • semiconductor components such as CPUs generate different amounts of heat depending on the load
  • conventional cooling devices that use heat-dissipating fans do not operate the heat-dissipating fans at low temperatures to save power, resulting in high heat generation.
  • the radiator fan may be activated after the operation.
  • PC personal computer
  • a notebook computer often adopts such an operation rule.
  • thermoelectric element When the operation rules of the cooling device described above are applied to the thermoelectric element, the thermoelectric element itself becomes a factor that hinders heat transfer when the thermoelectric element is not operated. In other words, with heat dissipating members such as heat sinks and heat dissipating fins The thermoelectric element existing between the semiconductor component and the semiconductor component is a factor that hinders the transfer of heat from the semiconductor component (heat generating component) to the heat radiating member when not in operation.
  • thermoelectric semiconductors constituting thermoelectric elements typically represented by the Bi-Te system, generally have a low thermal conductivity, so that heat transfer is significantly inhibited.
  • thermoelectric element when the operating environment in which the thermoelectric element is operated only when the amount of heat generated from the object to be cooled, such as a semiconductor component, is increased, the thermoelectric element is not operated during non-energization or during a non-operation such as a failure. It is a factor that hinders heat transfer. For this reason, there is a problem that when the thermoelectric element is not operated, the cooling efficiency of the object to be cooled is reduced as compared with a structure in which the thermoelectric element is not used. On the other hand, if the thermoelectric element is constantly operated, the power consumption of the thermoelectric element naturally becomes a problem.
  • JP-A-5-63244, JP-A-7-131077, and JP-A-7-297453 disclose a heat absorbing heat exchange plate (heat absorbing fin) provided integrally with a heat absorbing electrode.
  • a thermoelectric converter having a heat-dissipating heat exchange plate (heat-dissipating fin) provided integrally with a heat-dissipating electrode is described.
  • heat absorbing fins and heat radiating fins are provided in different directions with respect to the thermoelectric semiconductor group.
  • thermoelectric converter each constitute a heat exchange portion.
  • the cooling fluid to be cooled by the thermoelectric converter comes into contact with the heat absorbing fins.
  • the cooling fluid that cools the thermoelectric converter itself comes into contact with the radiation fins.
  • heat absorption fins are heat absorption heat exchangers that absorb the heat of the fluid to be cooled, and are not intended for any other use.
  • An object of the present invention is to suppress the deterioration of the cooling characteristics of a cooled object such as a CPU of a computer when the device is cooled using a thermoelectric element during non-operation such as when power is not supplied or when a failure occurs.
  • Another object of the present invention is to use such a thermoelectric element to maintain the cooling characteristic of the thermoelectric element during operation and also suppress the deterioration of the cooling characteristic of the object to be cooled during non-operation. It is an object of the present invention to provide an electronic component module capable of performing such operations and a portable electronic device using the same. Disclosure of the invention
  • thermoelectric element of the present invention includes: a thermoelectric semiconductor group having an N-type thermoelectric semiconductor and a P-type thermoelectric semiconductor; a heat-absorbing electrode joined to one end of the thermoelectric semiconductor group; and the N-type thermoelectric semiconductor and the P-type thermoelectric semiconductor. And a heat-radiating electrode joined to the other end of the thermoelectric semiconductor group, and the heat-absorbing electrode and the heat-radiating electrode are integrally provided so that at least a part of the heat-radiating electrodes is alternately connected in series. And a heat transfer member disposed to be in contact with the cooling medium and having a function of radiating heat to the cooling medium.
  • thermoelectric element of the present invention not only the heat-dissipating electrode but also the heat-absorbing electrode is provided with a heat transfer member that functions as a heat-dissipating medium.
  • the heat transfer member provided on the heat-absorbing electrode is arranged not through the thermoelectric semiconductor but in a radiating space where the cooling medium exists. Since this heat transfer member functions as a heat radiating medium when the thermoelectric element is not operating, it is possible to enhance the heat dissipation of the object to be cooled when the thermoelectric element is not operating. Therefore, it is possible to maintain the cooling characteristics of the object to be cooled when not operating without deteriorating the cooling characteristics of the thermoelectric element during energization operation.
  • thermoelectric element of the present invention includes a support member, a thermoelectric semiconductor group having an N-type thermoelectric semiconductor and a P-type thermoelectric semiconductor arranged along the support member, and one end of the thermoelectric semiconductor group.
  • a first heat transfer member provided integrally with the heat electrode and projecting into the heat dissipation space; and the first heat transfer member provided integrally with the heat absorption electrode and provided to the heat dissipation space.
  • a second heat transfer member protruding in the same direction as the member is provided.
  • thermoelectric element a second heat transfer member protruding from the heat absorbing electrode in the same direction as the first heat transfer member is provided.
  • the second heat transfer member first heat transfer member and the same are located to the radiation space c second heat transfer member provided to the heat radiation electrode functions as a heat medium at the non-operation time of the thermoelectric elements.
  • Such a second heat transfer member can enhance the heat radiation of the object to be cooled when the thermoelectric element is not operating. Therefore, it is possible to maintain the cooling characteristic of the object to be cooled when the thermoelectric element is not operated without deteriorating the cooling characteristic when the thermoelectric element is energized.
  • thermoelectric element includes a support member, a thermoelectric semiconductor group including an N-type thermoelectric semiconductor and a P-type thermoelectric semiconductor arranged along the support member, and a junction with one end of the thermoelectric semiconductor group.
  • a heat absorbing electrode joined to the other end of the thermoelectric semiconductor group so that at least a part of the N-type thermoelectric semiconductor and the P-type thermoelectric semiconductor are alternately connected in series; and
  • a first heat transfer member provided integrally with the electrode and protruding outside the heat radiation electrode so as to be located in the first heat radiation space; a second heat transfer member provided integrally with the heat absorption electrode;
  • a second heat transfer member protruding outside the heat absorbing electrode so as to be located in the heat radiation space, and capable of transferring heat to an end of the second heat transfer member opposite to the heat absorbing electrode.
  • Heat absorbing part that is connected to the It is characterized by comprising and.
  • thermoelectric element a second heat transfer member protruding from the heat absorbing electrode to the outside is provided.
  • the second heat transfer member protrudes in a direction different from that of the first heat radiation electrode provided on the heat radiation electrode, and is provided in the second heat radiation space. It is located in.
  • the second heat transfer member functions as a heat dissipation medium when the thermoelectric element is not operating. With such a second heat transfer member, it is possible to enhance the heat radiation of the object to be cooled when the thermoelectric element is not operating. Therefore, it is possible to maintain the cooling characteristics of the object to be cooled during non-operation without deteriorating the cooling characteristics of the thermoelement during energization operation.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a thermoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an example of an arrangement structure of a thermoelectric semiconductor group in the thermoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of the arrangement structure of the thermoelectric semiconductor groups in the thermoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of a member in which an electrode and a heat transfer member used in the thermoelectric element shown in FIG. 1 are integrated.
  • FIG. 5 is a perspective view showing another configuration example of a member in which an electrode and a heat transfer member used in the thermoelectric element shown in FIG. 1 are integrated.
  • FIG. 6 is a sectional view showing a first modification of the thermoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a second modification of the thermoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of the heat transfer member used for the thermoelectric element of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the heat transfer member used for the thermoelectric element of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a thermoelectric element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a sectional view showing a schematic structure of a thermoelectric element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modification of the thermoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 13 is a sectional view showing a schematic structure of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing a schematic structure of a thermoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
  • the thermoelectric element 1 shown in the figure has upper and lower support members 2 and 3, and the lower support member 2 and the upper support member 3 are arranged to face each other.
  • the lower supporting member 2 side is a heat absorbing surface
  • the upper supporting member 3 side is a heat radiating surface. That is, the lower supporting member 2 is a heat absorbing side supporting member
  • the upper supporting member 3 is a heat radiating side supporting member.
  • the heat-absorbing-side support member 2 constitutes a contact portion with a cooled object to be described later.
  • the heat-radiation-side support member 3 is not always necessary and can be omitted. Further, the arrangement position of the heat-radiation-side support member 3 is not particularly limited, and an arrangement described later can be applied. Further, the supporting member is not limited to the pair of upper and lower supporting members 2 and 3, and the element structure can be supported by one supporting member. Such an element structure will be described later in detail.
  • the heat-absorbing-side support member (lower support member) 2 functions as a structural support for the thermoelectric element 1.
  • an insulating substrate such as an alumina substrate, an aluminum nitride substrate, or a silicon nitride substrate may be used.
  • a ceramic substrate is preferably used.
  • an aluminum nitride substrate having a high thermal conductivity is effective as a constituent material of the heat absorption side support member 2.
  • the heat radiation side support member (upper support member) 3 has the same structure as the heat absorption side support member 2.
  • a ceramic substrate which is an insulating substrate can be used. Further, if the entire element structure can be supported by the heat absorbing side support member 2, it is preferable to use an insulating resin substrate, an insulating resin film, or the like for the heat dissipation side support member 3. Since these resin members have excellent workability, the production of the thermoelectric element 1 becomes easy.
  • a plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately arranged between the heat-absorbing-side support member 2 and the heat-radiating-side support member 3, and these are arranged in a matrix as a whole of the element. To form a thermoelectric semiconductor group. In other words, the N-type thermoelectric semiconductors 4 and the P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately arranged along one main surface of the heat absorbing side support member 2.
  • thermoelectric semiconductors 4 and 5 Various known materials can be used for the thermoelectric semiconductors 4 and 5, and a typical example thereof is a Bi-Te type thermoelectric semiconductor.
  • the B i —T e thermoelectric semiconductor includes at least one element selected from Bi and S b and at least one element selected from Te and Se as essential elements.
  • Compound semiconductors containing additional elements such as I, Cl, Br, Hg, Au, and Cu as necessary are known.
  • such a Bi—Te based thermoelectric semiconductor is preferable.
  • thermoelectric semiconductors 4 and 5 are not limited to the above-described Bi-Te-based thermoelectric semiconductors.
  • thermoelectric semiconductors such as Fe-Si-based and Co-Sb-based thermoelectric semiconductors can be applied.
  • the plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are arranged on the heat absorption side such that a DC current flows in the order of N-type thermoelectric semiconductors 4, P-type thermoelectric semiconductors 5, N-type thermoelectric semiconductors 4, P-type thermoelectric semiconductors 5 ...
  • the heat absorbing electrode 6 provided on the support member 2 and the heat dissipating electrode 7 provided on the heat dissipating side support member 3 are electrically connected in series. Have been.
  • Each of the heat absorbing electrode 6 and the heat dissipating electrode 7 constitutes an electrode group by a plurality.
  • Each of the electrodes 6 and 7 can be made of, for example, a metal plate such as a copper plate or an aluminum plate.
  • a plurality of heat absorbing electrodes 6 are provided on the surface of the heat absorbing side support member 2.
  • a plurality of heat radiation electrodes 7 are arranged on the heat radiation side support member 3 side.
  • the heat absorbing electrode 6 has a shape in which adjacent N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are connected in series in this order.
  • the endothermic electrode 6 absorbs heat based on the connection order of the thermoelectric semiconductors 4 and 5.
  • the heat radiation electrode 7 has a shape in which adjacent P-type thermoelectric semiconductors 5 and N-type thermoelectric semiconductors 4 are connected in series in this order except for electrodes (lead extraction electrodes) at both ends.
  • the heat radiation (heat generation) occurs at the heat radiation side electrode 7 based on the connection order of the thermoelectric semiconductors 5 and 4.
  • the lower end portions (end portions on the heat absorption side) of the N-type thermoelectric semiconductor 4 and the P-type thermoelectric semiconductor 5 are respectively joined to the heat absorption electrodes 6 via, for example, a solder layer not shown.
  • Upper ends (heat-dissipating ends) of the N-type thermoelectric semiconductor 4 and the P-type thermoelectric semiconductor 5 are similarly joined to the heat radiation electrode 7 via a solder layer not shown. In this way, the adjacent N-type thermoelectric semiconductor 4 and P-type thermoelectric semiconductor 5 are connected in order by the heat absorbing electrode 6 and the heat radiating electrode 7, respectively.
  • a structure in which the N-type thermoelectric semiconductors 4 and the plurality of P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately connected in series is formed.
  • thermoelectric semiconductor group for example, as shown in FIG. 2, a plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and a plurality of P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately connected in series on the heat absorbing side support member 2. The structure arranged in a folded state is applied. In the arrangement structure of the thermoelectric semiconductor group shown in FIG. 2, all the N-type thermoelectric semiconductors 4 and the P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately connected in series.
  • thermoelectric semiconductor group is connected in series.
  • an array structure as shown in FIG. 3 can be applied.
  • Figure 3 This shows a structure in which a plurality of rows in which N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately connected in series are arranged.
  • the plurality of thermoelectric semiconductor rows are connected in parallel to the lead extraction electrodes 7A and 7B.
  • the arrangement shown in FIG. 2 is superior in cooling efficiency and the like, but the arrangement in FIG. 3 contributes to the improvement of the reliability of the thermoelectric element 1.
  • Each heat radiation electrode 7 constituting the heat radiation side electrode group is provided with a first heat transfer member 8 physically.
  • the first heat transfer member 8 is provided so as to extend in a direction substantially perpendicular to the back surface of the heat radiation electrode 7 (the surface opposite to the joint surface between the thermoelectric semiconductors 4 and 5).
  • the first heat transfer member 8 is formed integrally with the heat dissipation electrode 7 so as not to hinder the heat transfer between the first heat transfer member 8 and the heat dissipation electrode 7.
  • the heat radiation electrode 7 and the first heat transfer member 8 are thermally integrated.
  • each of the heat absorbing electrodes 6 constituting the heat absorbing side electrode group is provided with a second heat transfer member 9 physically.
  • the second heat transfer member 9 is provided so as to extend in a direction substantially perpendicular to the surface of the endothermic electrode 6 (the joint surface between the thermoelectric semiconductors 4 and 5).
  • the second heat transfer member 9 is formed integrally with the heat absorption electrode 6 so as not to hinder the heat transfer between the second heat transfer member 9 and the heat absorption electrode 6.
  • the heat absorbing electrode 6 and the second heat transfer member 9 are thermally integrated.
  • These heat transfer members 8 and 9 are preferably made of a metal material having excellent heat conductivity, such as copper, aluminum, or an alloy thereof.
  • FIG. 4 shows a configuration example of a member 10 in which the heat absorbing electrode 6 and the second heat transfer member 9 are integrated and a member 11 in which the heat radiation electrode 7 and the first heat transfer member 8 are integrated.
  • Each of the heat absorbing side member 10 and the heat radiating side member 11 has a T-shape, and the heat absorbing side member 10 is formed by integrating a plate-shaped second heat transfer member 9 on the surface of the heat absorbing electrode plate 6. It has a protruding structure.
  • Heat dissipation side The material 11 has a structure in which a plate-shaped first heat transfer member 8 is integrally provided on the back surface of the heat radiation electrode plate 7.
  • the electrode plates 6, 7 and the heat transfer members 9, 8 can be integrated using a joining method such as brazing or welding.
  • the heat-absorbing member 10 and the heat-radiating member 11 having a T-shape or L-shape may be formed by machining or plastic working.
  • the shape of the heat absorbing side member 10 and the heat radiating side member 11 is not limited to a T-shape. Various shapes can be applied as long as the electrode plates 6 and 7 are integrated with the heat transfer members 9 and 8 and the heat transfer members 9 and 8 are protruded.
  • FIG. 5 shows a heat absorbing side member 10 and a heat radiating side member 11 having a shape in which plate-shaped heat transfer members 9 and 8 are protruded in an L-shape with respect to the electrode plates 6 and 7.
  • the integrated shape of the electrode plates 6, 7 and the heat transfer members 9, 8 can be appropriately selected.
  • the first heat transfer member 8 integrated with the heat radiating electrode 7 and the second heat transfer member 9 integrated with the heat absorbing electrode 6 are provided outside the heat radiating electrode 7 and further outside the heat radiating side supporting member 3, respectively. It protrudes from the space 1 to 2.
  • the space 12 is a heat radiation space where the cooling medium exists. Specifically, a cooling fluid such as air flows in the heat radiation space 12.
  • the cooling fluid is not limited to air, but may be an inert gas or a liquid in some cases.
  • the first and second heat transfer members 8 and 9 are arranged in the heat radiation space 12 so as to be in contact with the cooling fluid. In this heat radiation space 12, the first and second heat transfer members 8, 9 function as heat radiation media.
  • FIG. 1 shows an element structure in which a second heat transfer member 9 integrated with a heat absorbing electrode 6 is arranged in a heat radiation space 12 outside a heat radiation side support member 3.
  • the second heat transfer member 9 may be arranged in a space 13 inside the heat radiation electrode 7, as shown in FIG. 6, for example.
  • This space 13 is a space in which the N-type thermoelectric semiconductor 4 and the P-type thermoelectric semiconductor 5 are arranged, and the cooling fluid also flows in such a space 13.
  • the space 13 functions as a heat radiation space like the space 12, and the second heat transfer member 9 functions as a heat radiation medium in the heat radiation space 13.
  • the second heat transfer member 9 be disposed so as to reach the heat radiation space 12 outside the heat radiation side support member 3.
  • FIG. 6 shows an element structure in which the heat radiation side support member 3 is omitted.
  • the thermoelectric element 1 does not necessarily require the heat-radiation-side support member 3.
  • the thermoelectric element 1 shown in FIG. 6 maintains the element structure only with the heat absorbing side support member 2.
  • the number of heat transfer members 8 and 9 to be installed is not limited to one per one electrode plate 6 and 7.
  • a plurality of heat transfer members may be provided for one electrode plate.
  • FIG. 7 shows a state in which two first heat transfer members 8 are installed for one heat radiation electrode 7.
  • a plurality of second heat transfer members 9 can be installed if there is sufficient space.
  • an integrated member having a U-shape or a U-shape (a heat-absorbing member 10 or a heat-dissipating member 11) should be used.
  • Fig. 7 shows that the heat radiation side support member 3 is heated.
  • the element structure arranged on the transmission members 8 and 9 is shown.
  • the installation position of the heat radiation side support member 3 is not particularly limited, and may be omitted as described above.
  • the shape of the heat transfer members 8 and 9 functioning as the heat radiating medium is not limited to the plate shape as shown in FIGS.
  • a shape that increases the surface area of the portion located in the heat radiating space 12 can be applied.
  • FIG. 8 shows integrated members 10 and 11 in which auxiliary fins 14 are provided in the heat radiating portions of heat transfer members 8 and 9 (portions located in heat release space 12).
  • FIG. 9 shows integrated members 10 and 11 in which the heat dissipating portions of the heat transfer members 8 and 9 are bent to increase the surface area.
  • various shapes with increased surface area can be applied, and the heat radiation characteristics from the heat transfer members 8 and 9 can be further improved.
  • thermoelectric semiconductors 4 and 5 When a direct current is passed from the DC power supply 15 to the thermoelectric semiconductors 4 and 5 to the thermoelectric element 1 as described above, heat is absorbed at the lower end sides of the thermoelectric semiconductors 4 and 5 by the Peltier effect, and heat is radiated at the upper end sides. Occur. That is, heat is absorbed at the endothermic electrode 6 through which a direct current flows from the adjacent N-type thermoelectric semiconductor 4 to the P-type thermoelectric semiconductor 5. On the other hand, heat is generated at the radiating electrode 7 through which a direct current flows from the P-type thermoelectric semiconductor 5 to the N-type thermoelectric semiconductor 4.
  • the heat-absorbing-side support member 2 is a contact portion with the object 16 to be cooled.
  • the heat absorbing side support member 2 functions as a heat absorbing member. Therefore, the thermoelectric element 1 is mounted on the object to be cooled 16 such that the object to be cooled 16 and the heat absorbing side support member 2 are in contact with each other.
  • Examples of the object to be cooled 16 include a high heat generation type semiconductor component such as a highly integrated circuit element such as a CPU and a laser element.
  • the object to be cooled 16 is not limited to these, but can be used for various parts and members that require cooling.
  • the thermoelectric element 1 can be applied.
  • the thermoelectric element 1 is particularly suitably used for an electronic component that operates a cooling device as needed, such as a CPU of a notebook PC.
  • thermoelectric element 1 In the electronic component module 17 to which the thermoelectric element 1 is applied, when the calorific value of the component 16 to be cooled increases, the thermoelectric element 1 is energized and operated to absorb the heat of the component 16 to be cooled. I do. On the other hand, when the calorific value of the component to be cooled 16 does not reach such a value that the thermoelectric element 1 needs to operate, the power supply to the thermoelectric element 1 is cut off and the thermoelectric element 1 is deactivated.
  • thermoelectric element 1 In the non-operating state of the thermoelectric element 1, heat from the cooled component 16 is transmitted to the second heat transfer member 9 via the heat absorbing side support member 2 and the heat absorbing electrode 6, and the second heat transfer member 9 The cooling fluid is radiated to the heat radiation space 12 through which the cooling fluid flows.
  • the thermoelectric element 1 shown in FIG. 1, FIG. 6 and FIG. 7 is arranged at a position farther from the cooling surfaces of the thermoelectric semiconductors 4 and 5 when the heat radiating portion of the second heat transfer member 9 is viewed from the cooled component 16. are doing.
  • the second heat transfer member 9 directly reaches the heat radiation space 12 from the heat absorbing electrode 6 without passing through the thermoelectric semiconductors 4 and 5. Therefore, the heat of the component to be cooled 16 can be directly dissipated from the heat absorbing side support member 2 and the heat absorbing electrode 6 to the heat radiation space 12 via the second heat transfer member 9. As described above, since the second heat transfer member 9 functions as a heat radiating medium when the thermoelectric element 1 is not energized or fails, the heat radiating property of the cooled component 16 when the thermoelectric element 1 is not operating is reduced by the conventional method. The temperature can be greatly increased as compared with the element structure in which heat is radiated through the thermoelectric semiconductors 4 and 5.
  • thermoelectric element 1 is operated at any time according to the calorific value of the component 16 to be cooled, the cooling characteristic is maintained not only when the thermoelectric element 1 is operated but also when the thermoelectric element 1 is not operated. be able to. The same applies when the thermoelectric element 1 fails. Thus, the thermoelectric element 1 is This is to suppress the deterioration of the cooling characteristics of 16. As an additional effect, costs can be reduced by combining the thermoelectric element and the cooling fin, which were conventionally manufactured and assembled as separate parts, into an integrated part.
  • the electronic component module 17 to which the thermoelectric element 1 is applied is suitably used for portable electronic devices such as a notebook PC (laptop PC), a tablet PC, a PDA, and a mobile phone.
  • portable electronic devices such as a notebook PC (laptop PC), a tablet PC, a PDA, and a mobile phone.
  • Embodiments of the portable electronic device of the present invention include various portable electronic devices such as a notebook PC, a tablet PC, a PDA, and a mobile phone that include such an electronic component module 17. .
  • the cooling device attached to the cooled component 16 such as CPU is operated as needed to save power. That is, when the calorific value is small, the operation of the cooling device is stopped. Even when such a cooling device operation rule is applied, the thermoelectric element 1 suppresses the deterioration of the cooling characteristic of the component to be cooled (such as a CPU) when the cooling device is not in operation. Can be maintained stably.
  • thermoelectric element 18 shown in FIG. 10 has a heat absorbing member 19 provided at the end of the second heat transfer member 9 opposite to the heat absorbing electrode 6.
  • the heat absorbing member 19 becomes a contact portion with the component 16 to be cooled.
  • the second heat transfer member 9 and the heat absorbing member 19 are connected based on a connection structure that can maintain good heat transfer, in other words, based on a connection structure that does not involve a member that hinders heat transfer. .
  • thermoelectric element 18 shown in FIG. 10 has the first and second thermoelectric elements projecting in the same direction with respect to the outer space (heat radiation space) 12 of the heat radiation side support member 3 as in FIG. It has transmission members 8 and 9.
  • the thermoelectric element 18 is mounted so that the heat absorbing member 19 provided at the end of the second heat transfer member 9 is in contact with the component 16 to be cooled.
  • the second heat transfer member 9 is a part of the heat absorbing electrode 6 It has both the function as a heat sink and the function as a heat dissipation medium.
  • the second heat transfer member 9 is attached to the cooled component 16 via a heat absorbing member 19 so as to be electrically insulated.
  • thermoelectric element 18 is arranged such that the heat-radiating-side support member 3 is located on the cooled component 16 side.
  • the thermoelectric element 18 shown in FIG. 10 has an arrangement structure that is upside down from that of FIG. A radiation space 12 through which a cooling fluid flows is provided between the thermoelectric element 18 and the component 16 to be cooled.
  • both the heat absorbing side support member 2 and the heat radiation side support member 3 can be omitted.
  • FIG. 10 shows an element structure in which the heat radiating portion of the second heat transfer member 9 is disposed between the cooled component 16 and the cooling surfaces of the thermoelectric semiconductors 4 and 5.
  • thermoelectric element 18 In the electronic component module 17 to which the above-described thermoelectric element 18 is applied, when the calorific value of the cooled component 16 increases, the thermoelectric element 18 is energized and operated, and the heat of the cooled component 16 is removed. Absorb heat and cool. At this time, the second heat transfer member 9 functions as a heat transfer medium (part of the heat absorption electrode 6) from the heat absorption member 19 to the heat absorption electrode 6. The cooled component 16 is cooled by the thermoelectric element 18 based on the heat transfer structure using the second heat transfer member 9.
  • the power supply to the thermoelectric element 18 is cut off to disable the operation.
  • the thermoelectric element 18 is not in operation, the heat of the cooled component 16 is radiated from the heat absorbing member 19 and the second heat transfer member 9 to the heat radiation space 12 through which the cooling fluid flows directly.
  • the cooling of the cooled component 16 in the non-operating state of the thermoelectric element 18 is performed by radiating heat to the cooling fluid via the second heat transfer member 9.
  • the heat radiation space 12 is attached to the thermoelectric element 18 with the second heat transfer member 9 as a leg, This is the space formed by the legs.
  • the second heat transfer member 9 functions as a heat transfer medium from the heat absorbing member 19 to the heat absorbing electrode 6 when the thermoelectric element 18 operates, and the heat lightning element 18 When not operating, it functions as a heat radiating medium from the heat absorbing member 19 to the cooling fluid. Also in the thermoelectric element 18 of the second embodiment, since the second heat transfer member 9 functions as a heat radiating medium when the thermoelectric element 18 is not operating, the cooled component 1 when the thermoelectric element 18 is not operating The heat dissipation of 6 can be greatly improved compared to the conventional structure. Therefore, even when the thermoelectric element 18 is operated at any time according to the calorific value of the component 16 to be cooled, good cooling characteristics can be maintained.
  • thermoelectric element 1 8 of the second embodiment which c can suppress fatigue fracture due to thermal expansion difference between the thermoelectric element 1 8 and the cooled portion article 1 6, the second
  • the thermoelectric element 18 is attached to the cooled component 16 with the heat transfer member 9 as a leg. That is, when the cooling operation is repeatedly performed, the thermoelectric element 18 is subject to thermal fatigue based on the difference in thermal expansion with the component 16 to be cooled, and is liable to cause fatigue failure.
  • the restraining force on the thermoelectric element 18 is reduced by bending the second heat transfer member 9 to relieve stress concentration, thereby suppressing fatigue rupture of the thermoelectric element 18 and the like. be able to. This contributes to improving the reliability of the thermoelectric element 18.
  • thermoelectric element 21 a plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately arranged between a heat absorbing side support member 2 and a heat radiation side support member 3.
  • These N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are arranged in a matrix as a whole of the element to form a thermoelectric semiconductor group.
  • the heat absorbing side support member 2 and the heat dissipation side support member 3 form an element structure. Is not mandatory and can be omitted.
  • the support member for holding the element structure (the structural support member Z corresponds to the heat absorbing side support member 2 in Fig. 1) 22 is an N-type thermoelectric semiconductor 4 and a P-type The thermoelectric semiconductor 5 may be arranged at an intermediate position. Also in this case, the heat absorption side support member 2 and the heat radiation side support member 3 can be omitted.
  • a heat absorbing electrode 6 is arranged on the heat absorbing side support member 2 side. Further, a heat radiation electrode 7 is disposed on the heat radiation side support member 3 side.
  • a plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and P-type thermoelectric semiconductors 5 are alternately connected in series by the heat absorbing electrode 6 and the heat radiating electrode 7. As described above, at least a part of the plurality of N-type thermoelectric semiconductors 4 and the P-type thermoelectric semiconductors 5 may be alternately connected in series.
  • thermoelectric semiconductors 4 and 5 and the electrodes 6 and 7 and the connection structure of the thermoelectric semiconductors 4 and 5 by the electrodes 6 and 7 are the same as those in the first embodiment. .
  • the thermoelectric semiconductors 4 and 5 may be supported from both sides of the support members 2 and 3 with force crimping tools or a case. Further, it is also possible to apply a structure in which the support members 2 and 3 are used to support with a force-screwing tool or a case.
  • a first heat transfer member 8 is physically provided on the back side of each heat radiation electrode 7 constituting the heat radiation side electrode group. These first heat transfer members 8 are provided so as to reach the outer space 23 of the heat radiation side support member 3. The space 23 constitutes a first heat radiation space.
  • a second heat transfer member 9 functioning as a part of the heat absorbing electrode 6 is integrally provided on the back side of each heat absorbing electrode 6 constituting the heat absorbing side electrode group. These second The heat transfer member 9 is provided so as to reach the outer space 24 of the heat absorption side support member 2.
  • the space 24 constitutes a second heat radiation space.
  • the first heat transfer member 8 reaches the first heat dissipation space 22 via a through hole provided in the heat dissipation side support member 3.
  • the second heat transfer member 9 reaches the second heat radiation space 23 via a through hole provided in the heat absorption side support member 2. Cooling fluid flows through the first and second heat radiation spaces 23, respectively.
  • the integrated structure of the electrodes 6, 7 and the heat transfer members 9, 8 can be T-shaped or L-shaped as in the above-described embodiment. Further, the same applies to the method of integrating the heat transfer members 8 and 9 with the electrodes 7 and 6, the number of installations, constituent materials, shapes, and the like.
  • a heat absorbing member 19 is provided at the opposite end of the second heat transfer member 8 integrated with the heat absorbing electrode 6, a heat absorbing member 19 is provided.
  • the heat absorbing member 19 forms a contact portion with the component 16 to be cooled, and is made of, for example, an electrical insulator.
  • the second heat transfer member 9 is attached to the cooled component 16 via the heat absorbing member 19 while being electrically insulated.
  • the second heat transfer member 9 integrated with the heat absorbing electrode 6 functions as a heat transfer medium from the heat absorbing member 19 to the heat absorbing electrode 6 when the thermoelectric element 21 operates, and when the thermoelectric element 21 is not operating. It functions as a heat dissipation medium.
  • the first heat transfer member 8 integrated with the radiating electrode 7 functions as a radiating medium when the thermoelectric element 21 operates.
  • the electronic component module 25 using the thermoelectric element 21 shown in FIG. 11 has a thermoelectric element so that the heat absorbing member 19 provided at the end of the second heat transfer member 9 contacts the component 16 to be cooled. It has a structure in which the element 21 is mounted on the component 16 to be cooled.
  • the arrangement structure of the thermoelectric element 21 is such that the heat absorbing side support member 2 is located on the side of the cooled component 16, and the second heat radiation between the thermoelectric element 21 and the cooled component 16.
  • a space 24 is provided.
  • the second heat radiation space 24 is a space formed by the second heat transfer member 9 as a leg.
  • Fig. 1 1 Shows a structure in which the heat radiating portion of the second heat transfer member 9 is arranged between the cooled component 16 and the cooling surfaces of the thermoelectric semiconductors 4 and 5.
  • thermoelectric element 21 When a DC current flows from the DC power supply 15 to the thermoelectric semiconductors 4 and 5 to the thermoelectric element 21 as described above, heat is absorbed at the lower end sides of the thermoelectric semiconductors 4 and 5 and heat radiation occurs at the upper end sides.
  • heat generation of the cooled component 16 increases and the thermoelectric element 21 is energized and operated, the heat of the cooled component 16 is absorbed through the second heat transfer member (heat transfer medium) 9. It is cooled.
  • the calorific value of the component to be cooled 16 is small, the power supply to the thermoelectric element 21 is cut off to stop the operation. In the non-operating state of the thermoelectric element 21, the heat of the component to be cooled 16 is radiated directly from the heat absorbing member 19 and the second heat transfer member 9 to the second heat radiation space 24.
  • thermoelectric element 21 since the second heat transfer member 9 directly reaches the second heat radiation space 24 from the heat absorbing member 19, the heat of the cooled component 16 is transferred.
  • the heat can be dissipated directly to the second heat radiation space 24. That is, the second heat transfer member 9 functions as a heat radiating medium when the thermoelectric element 21 is not operating. With such a second heat transfer member 9, the heat radiation of the cooled component 16 when the thermoelectric element 21 is not operating can be greatly increased as compared with the conventional element structure.
  • thermoelectric element 21 is operated at any time according to the calorific value of the component 16 to be cooled, the cooling characteristic of the component 16 to be cooled can be maintained.
  • the difference in thermal expansion between the thermoelectric element 21 and the cooled component 16 is determined by utilizing the bending of the second heat transfer member 9. It is possible to suppress fatigue rupture or the like of the thermoelectric element 21 based on this.
  • the electronic component module 25 using the thermoelectric element 21 is suitably used for portable electronic devices such as a notebook PC, a tablet PC, a PDA, and a mobile phone. is there.
  • thermoelectric element of the present invention is applied to a ⁇ -type structure, but the present invention is not limited to this.
  • the thermoelectric element of the present invention can be applied to a thermoelectric element 31 in which a ⁇ -type thermoelectric semiconductor 4 and a ⁇ -type thermoelectric semiconductor 5 are arranged in a series structure.
  • thermoelectric element 31 shown in FIG. 13 a heat absorbing electrode 32 with an integrated second heat transfer member is interposed in a portion where a current flows from the ⁇ -type thermoelectric semiconductor 4 to the ⁇ -type thermoelectric semiconductor 5.
  • a heat radiation electrode 33 in which the first heat transfer member is integrated is interposed.
  • the heat absorbing electrode 32 integrated with the second heat transfer member protrudes toward a space 34 where one main surface of the thermoelectric element 31 is exposed. 9 are provided physically.
  • the heat radiation electrode 33 in which the first heat transfer member is integrated is protruded toward a space 35 where the other main surface of the thermoelectric element 31 is exposed.
  • the first heat transfer member and the second heat transfer member are respectively disposed in heat radiation spaces 34 and 35 through which the cooling fluid flows.
  • thermoelectric element 31 having such a structure, similarly to the thermoelectric element 21 shown in FIG. 11, the heat of the component to be cooled 16 can be directly radiated to the heat radiation space 34. Therefore, the component to be cooled 16 can be efficiently cooled not only when the thermoelectric element 31 is operating but also when the thermoelectric element 31 is not operating such as when it is not energized or when it is out of order. That is, it is possible to suppress a decrease in the cooling characteristics of the cooled component 16 when the thermoelectric element 31 is not operating. Industrial applicability
  • thermoelectric element of the present invention suppresses a decrease in heat radiation characteristics of the component to be cooled during non-operation. Therefore, when cooling the component to be cooled by the thermoelectric element, Thus, the cooling characteristics of the component to be cooled can be maintained even during non-operation.
  • the thermoelectric element of the present invention is suitably used for an electronic component module, and the electronic component module of the present invention is suitably used for a portable electronic device.

Abstract

　熱電素子１は、支持部材２、３間に配列されたＮ型熱電半導体４とＰ型熱電半導体５とを具備する。Ｎ型およびＰ型熱電半導体４、５は、これらの端部に接合された吸熱電極６と放熱電極７とで直列接続されている。放熱電極７には第１の熱伝達部材８が一体的に設けられている。吸熱電極６には第２の熱伝達部材９が一体的に設けられており、第２の熱伝達部材９は第１の熱伝達部材８と同方向（もしくは反対方向）に突設されている。第２の熱伝達部材９は熱電素子１の非稼動時に放熱媒体として機能し、被冷却部品１６の熱は第２の熱伝達部材９を介して放熱空間に放散される。

Description

明 細 書 熱電素子とそれを用いた電子部品モジュールおよび携帯用電子機器 技術分野
本発明は、 熱電半導体を利用した熱電素子とそれを用いた電子部品モ ジュールおよび携帯用電子機器に関する。 背景技術
ビスマス （B i ) —テルル （T e ) 系、 鉄 （F e ) —シリ コン （ S i ) 系、 コバルト （C o ) —アンチモン （ S b ) 系などの熱電半導体を利用 した熱電素子は、 冷却もしくは加熱装置や ¾電素子などとして使用され ている。 熱電素子を用いた各種装置は、 熱電半導体のペルチェ効果もし くはゼーベック効果を利用したものである。
熱電素子は小型，薄型で、 かつ液体や気体などの熱媒体 （冷媒など） を使用することなく冷却の実施が可能であることから、 冷温蔵庫や半導 体製造装置の温度制御などを始めとして、 各種の分野で冷却装置や加熱 装置として使用されている。 また最近では、 コンピュータの C P Uなど の冷却装置としても注目され始めている。
熱電素子は、 例えば N型熱電半導体と P型熱電半導体とを交互に配列 した熱電半導体群を有している。 これら複数個の N型および P型熱電半 導体は、 一方の端部側に配置される電極と他方の端部側に配置される電 極とで直列に接続されている。 このような熱電素子において、 熱電半導 体群に直流電流を流すと、 N型熱電半導体から P型熱電半導体に向けて 電流が流れる電極（吸熱電極）側ではペルチェ効果により吸熱が起こる。 P型熱電半導体から N型熱電半導体に向けて電流が流れる電極 （放熱電 極） 側では放熱 （発熱） が起こる。 従って、 被冷却物 （各種の部材、 部 品、 装置など） は熱電素子の吸熱側に配置することで冷却される。
熱電素子の具体的な構造としては、 例えば以下に示すような π型構造 が知られている （例えば特開平 9-298319号公報、 特開 2001-332773号公 報など参照）。すなわち、支持部材には第 1の金属電極群が形成されたセ ラミックス基板などが用いられる。 第 1の金属電極群上にはそれぞれ Ν 型熱電半導体と Ρ型熱電半導体とが交互に配置される。 Ν型熱電半導体 と Ρ型熱電半導体の上端部側には第 2の金属電極群が配置される。 全て の熱電半導体が電気的に直列接続されるように、 各金属電極と Ν型およ び Ρ型熱電半導体とが接合される。
上記したような熱電素子を C P Uなどの高発熱部品の冷却装置として 使用する場合には、例えば特開平 9-298319号公報に記載されているよう に、 熱電素子の吸熱側支持部材を発熱部品の上面に装着する。 熱電素子 の放熱側支持部材上には、ヒートシンクや放熱フィンなどが装着される。 このような発熱部品から吸収した熱を速やかに発散させるモジュール構 造が採用されている。
熱電素子を常に稼動させる場合には、 上記したモジュール構造で半導 体部品の冷却を良好に実施することができる。 ただし、 C P Uなどの半 導体部品は負荷により発熱量が異なることから、 従来の放熱ファンなど を適用した冷却装置は、 省電力のために低温時は放熱ファンを動作させ ず、高発熱状態になつてから放熱ファンを動作させる場合がある。特に、 ノートブック型コンピュータのようなパーソナルコンピュータ ( P C ) では、 このような動作ルールが採用されることが多い。
上述したような冷却装置の動作ルールを熱電素子にも適用した場合、 熱電素子の非稼動時には熱電素子自体が逆に熱伝達を阻害する要因に なってしまう。 すなわち、 ヒートシンクや放熱フィンなどの放熱部材と 半導体部品との間に存在する熱電素子は、 その非稼動時においては半導 体部品 （発熱部品） から放熱部材への熱伝達を阻害する要因となる。 特 に、 B i — T e系に代表される、 熱電素子を構成する熱電半導体は、 一 般に熱伝導率が低いことから、 熱伝達の阻害が著しくなる。
このように、 半導体部品などの被冷却物からの発熱量が増大した場合 のみに熱電素子を稼動させる動作環境を設定した際には、 非通電時ゃ故 障時などの非稼動時に熱電素子が熱伝達を阻害する要因となる。 このた め、 熱電素子が非稼動の状態においては、 熱電素子を使用していない構 造に比べて、 被冷却物の冷却効率を逆に低下させてしまうという問題が ある。 一方、 熱電素子を常時稼動させた場合には、 当然ながら熱電素子 の消費電力が問題となる。
なお、特開平 5-63244号公報、特開平 7-13 1077号公報、特開平 7-297453 号公報には、 吸熱電極と一体的に設けられた吸熱用熱交換プレート （吸 熱フィン） と、放熱電極と一体的に設けられた放熱用熱交換プレート（放 熱フィン） とを有する熱電変換装置が記載されている。 この熱電変換装 置においては、 吸熱フィンと放熱フィンとが熱電半導体群に対してそれ ぞれ異なる方向に突設されている。
上記した熱電変換装置における吸熱フィンと放熱フィンはそれぞれ熱 交換部分を構成するものである。 吸熱フィンには熱電変換装置で冷却す る被冷却流体が接触する。 放熱フィンには熱電変換装置自体を冷却する 冷却流体が接触する。 これら熱交換フィンのうち、 吸熱フィンはあくま でも被冷却流体の熱を吸収する吸熱熱交換器であり、 それ以外の利用は 意図されていない。
本発明の目的は、 例えばコンピュータの C P Uのような被冷却物を、 熱電素子を用いて冷却するにあたって、 非通電時ゃ故障時などの非稼動 時における被冷却物の冷却特性の低下を抑制した熱電素子を提供するこ とにある。 本発明の他の目的は、 そのような熱電素子を使用することに よって、 熱電素子の稼動時の冷却特性を維持した上で、 非稼動時におけ る被冷却物の冷却特性の低下をも抑制することを可能にした電子部品モ ジュール、 およびそれを用いた携帯用電子機器を提供することにある。 発明の開示
本発明の熱電素子は、 N型熱電半導体および P型熱電半導体を有する 熱電半導体群と、 前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極 と、 前記 N型熱電半導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互 に直列接続されるように、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された 放熱電極と、 前記吸熱電極および放熱電極のそれぞれに対して一体的に 設けられていると共に、 冷却媒体と接するように配置され、 前記冷却媒 体に対して放熱する機能を有する熱伝達部材とを具備することを特徴と している。
本発明の熱電素子においては、 放熱電極のみならず、 吸熱電極にも放 熱媒体として機能する熱伝達部材が設けられている。 吸熱電極に設けら れた熱伝達部材は、 熱電半導体を介さずに、 冷却媒体が存在する放熱空 間に配置されている。 この熱伝達部材は熱電素子の非稼動時に放熱媒体 として機能するため、 非稼動時における被冷却物の放熱性を高めること ができる。 従って、 熱電素子の通電稼動時の冷却特性を低下させること なく、 非稼動時の被冷却物の冷却特性を維持することが可能となる。 本発明の他の熱電素子は、 支持部材と、 前記支持部材に沿って配列さ れた N型熱電半導体および P型熱電半導体を有する熱電半導体群と、 前 記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、 前記 N型熱電半 導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互に直列接続されるよ うに、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放熱電極と、 前記放 熱電極と一体的に設けられ、 かつ放熱空間に突設させた第 1の熱伝達部 材と、 前記吸熱電極と一体的に設けられ、 かつ前記放熱空間に対して前 記第 1の熱伝達部材と同方向に突設させた第 2の熱伝達部材とを具備す ることを特徴としている。
上記した熱電素子においては、 吸熱電極に対して第 1の熱伝達部材と 同方向に突設させた第 2の熱伝達部材を設けている。 第 2の熱伝達部材 は放熱電極に設けた第 1の熱伝達部材と同一の放熱空間に位置している c 第 2の熱伝達部材は熱電素子の非稼動時に放熱媒体として機能する。 こ のような第 2の熱伝達部材によって、 熱電素子の非稼動時における被冷 却物の放熱性を高めることができる。 従って、 熱電素子の通電稼動時の 冷却特性を低下させることなく、 非稼動時の被冷却物の冷却特性を維持 することが可能となる。
本発明のさらに他の熱電素子は、 支持部材と、 前記支持部材に沿って 配列された N型熱電半導体および P型熱電半導体を有する熱電半導体群 と、 前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、 前記 N型 熱電半導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互に直列接続さ れるように、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放熱電極と、 前記放熱電極と一体的に設けられ、 かつ第 1の放熱空間に位置するよう に前記放熱電極の外側に突設させた第 1の熱伝達部材と、 前記吸熱電極 と一体的に設けられ、 かつ第 2の放熱空間に位置するように前記吸熱電 極の外側に突設させた第 2の熱伝達部材と、 前記第 2の熱伝達部材の前 記吸熱電極とは反対側の端部と熱伝達可能に結合され、 被冷却物との接 触部を構成する吸熱部材とを具備することを特徴としている。
上記した熱電素子においては、 吸熱電極に対してその外側に突設させ た第 2の熱伝達部材を設けている。 第 2の熱伝達部材は放熱電極に設け られた第 1の放熱電極とは異なる方向に突設しており、 第 2の放熱空間 に位置している。 第 2の熱伝達部材は熱電素子の非稼動時に放熱媒体と して機能する。 このような第 2の熱伝達部材によって、 熱電素子の非稼 動時における被冷却物の放熱性を高めることができる。 従って、 熱電素 子の通電稼動時の冷却特性を低下させることなく、 非稼動時の被冷却物 の冷却特性を維持することが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の第 1の実施形態による熱電素子の概略構造を示す断面 図である。
図 2は図 1に示す熱電素子における熱電半導体群の配列構造の一例を 示す図である。
図 3は図 1に示す熱電素子における熱電半導体群の配列構造の他の例 を示す図である。
図 4は図 1に示す熱電素子に用いられる電極と熱伝達部材とを一体化 した部材のー構成例を示す斜視図である。
図 5は図 1に示す熱電素子に用いられる電極と熱伝達部材とを一体化 した部材の他の構成例を示す斜視図である。
図 6は図 1に示す熱電素子の第 1の変形例を示す断面図である。
図 7は図 1に示す熱電素子の第 2の変形例を示す断面図である。
図 8は本発明の熱電素子に用いられる熱伝達部材の他の構成例を示す 断面図である。
図 9は本発明の熱電素子に用いられる熱伝達部材のさらに他の構成例 を示す断面図である。
図 1 0は本発明の第 2の実施形態による熱電素子の概略構造を示す断 面図である。
図 1 1は本発明の第 3の実施形態による熱電素子の概略構造を示す断 面図である。
図 1 2は図 1 1に示す熱電素子の変形例を示す断面図である。
図 1 3は本発明の他の実施形態による熱電素子の概略構造を示す断面 図である。 発明を実施するための形態
以下、 本発明を実施するための形態について説明する。
図 1は本発明の第 1の実施形態による熱電素子の概略構造を模式的に 示す断面図である。 同図に示す熱電素子 1は、 上下に支持部材 2、 3を 有しており、 これら下部支持部材 2と上部支持部材 3とは対向配置され ている。 この実施形態の熱電素子 1は、 下部支持部材 2側が吸熱面、 上 部支持部材 3側が放熱面とされている。 すなわち、 下部支持部材 2は吸 熱側支持部材であり、 上部支持部材 3は放熱側支持部材である。 吸熱側 支持部材 2は後述する被冷却物との接触部を構成するものである。
なお、 放熱側支持部材 3は必ずしも必要ではなく、 省略することがで きる。 また、 放熱側支持部材 3の配置位置も特に限定されるものではな く、 後述するような配置を適用することも可能である。 さらに、 支持部 材は上下一対の支持部材 2、 3に限られるものではなく、 一つの支持部 材で素子構造を支持することも可能である。 このような素子構造につい ては後に詳述する。
上述した支持部材 2、 3のうち、 吸熱側支持部材 （下部支持部材） 2 は熱電素子 1の構造支持体として機能するものであり、 例えばアルミナ 基板、 窒化アルミニウム基板、 窒化珪素基板などの絶縁性セラミックス 基板が好ましく用いられる。 特に、 熱伝導率が高い窒化アルミニウム基 板は吸熱側支持部材 2の構成材料として有効である。
放熱側支持部材 （上部支持部材） 3には、 吸熱側支持部材 2と同様に 絶縁性基板であるセラミックス基板を用いることができる。 さらに、 吸 熱側支持部材 2で素子構造全体を支持することが可能であれば、 放熱側 支持部材 3には絶縁性樹脂基板や絶縁性樹脂フィルムなどを適用するこ とが好ましい。 これらの樹脂部材は加工性に優れることから、 熱電素子 1の製造が容易になる。
吸熱側支持部材 2と放熱側支持部材 3との間には、 複数の N型熱電半 導体 4と P型熱電半導体 5とが交互に配列されており、 これらは素子全 体としてはマトリ ックス状に配置されて熱電半導体群を構成している。 言い換えると、 N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5とは吸熱側支持部 材 2の一主面に沿って交互に配列されている。
熱電半導体 4、 5には各種公知の材料を使用することができ、 その代 表例として B i - T e系熱電半導体が挙げられる。 B i — T e系熱電半 導体としては、 B iおよび S bから選ばれる少なく とも 1種の元素と、 T eおよび S eから選ばれる少なく とも 1種の元素とを必須元素として 含み、 さらに必要に応じて I、 C l、 B r、 H g、 A u、 C uなどの添 加元素を含む化合物半導体が知られている。 熱電半導体 4、 5には、 こ のような B i — T e系熱電半導体が好適である。
なお、 熱電半導体 4、 5は上記した B i — T e系熱電半導体に限られ るものではなく、 例えば F e— S i系、 C o— S b系などの熱電半導体 を適用することができる。 さらに、 熱電半導体 4、 5には F e— M n系 ハーフホイスラー合金など、 N型と P型の組合せに基づいてペルチェ効 果を示す各種の半導体を使用することが可能である。
複数の N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5は、 N型熱電半導体 4、 P型熱電半導体 5、 N型熱電半導体 4、 P型熱電半導体 5…の順に 直流電流が流れるように、 吸熱側支持部材 2に設けられた吸熱電極 6と 放熱側支持部材 3に設けられた放熱電極 7とにより電気的に直列に接続 されている。 これら吸熱電極 6および放熱電極 7はそれぞれ複数個で電 極群を構成している。 なお、 各電極 6、 7は例えば銅板やアルミニウム 板などの金属板により構成することができる。
吸熱側支持部材 2の表面には、 複数の吸熱電極 6が設けられている。 一方、 放熱側支持部材 3側には放熱電極 7が複数配置されている。 吸熱 電極 6は、 隣り合う N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5とをこの順で 直列接続する形状を有している。 吸熱電極 6ではこの熱電半導体 4、 5 の接続順序に基づいて吸熱が生じる。 一方、 放熱電極 7は両端部の電極 (リード引出し電極） を除いて、 隣り合う P型熱電半導体 5と N型熱電 半導体 4とをこの順で直列接続する形状を有している。 放熱側電極 7で はこの熱電半導体 5、 4の接続順序に基づいて放熱 （発熱） が生じる。
N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5の下側端部 （吸熱側端部） は、 例えば図示を省略した半田層を介して、 それぞれ吸熱電極 6に接合 されている。 N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5の上側端部 （放 熱側端部） は、 同様に図示を省略した半田層を介して放熱電極 7に接合 されている。 このように、 隣り合う N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5とを、 それぞれ吸熱電極 6と放熱電極 7とで順に接続することによつ て、 熱電素子 1全体として見た場合に、 複数の N型熱電半導体 4と複数 の P型熱電半導体 5とが交互に直列接続された構造が形成されている。 熱電半導体群の配列構造としては、 例えば図 2に示すように、 複数の N型熱電半導体 4と複数の P型熱電半導体 5とが交互に直列接続される ように、吸熱側支持部材 2上に折返し状態で配置した構造が適用される。 図 2に示す熱電半導体群の配列構造は、 全ての N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5が交互に直列接続されている。
なお、 熱電半導体群は少なく とも一部が直列接続されていればよく、 例えば図 3に示すような配列構造を適用することも可能である。 図 3は N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5とが交互に直列接続された列を複 数配置した構造を示している。 複数の熱電半導体列はリード引出し電極 7 A、 7 Bに対して並列に接続されている。 このように、 複数の熱電半 導体列を並列接続した素子構造によれば、 いずれかの熱電半導体列に接 続不良や故障などが生じたとしても、 他の熱電半導体列は動作環境が維 持される。 冷却効率などは図 2に示す配列の方が優れているが、 図 3の 配列は熱電素子 1の信頼性の向上に寄与する。
放熱側電極群を構成する各放熱電極 7には、 それぞれ第 1の熱伝達部 材 8がー体的に設けられている。 第 1の熱伝達部材 8は放熱電極 7の裏 面 （熱電半導体 4、 5の接合面とは反対側の面） に対して略垂直方向に 延びるように設けられている。 第 1の熱伝達部材 8は、 放熱電極 7 との 間の熱伝達を阻害しないように、放熱電極 7と一体的に形成されている。 放熱電極 7と第 1の熱伝達部材 8とは熱的に一体化されている。
同様に、 吸熱側電極群を構成する各吸熱電極 6には、 それぞれ第 2の 熱伝達部材 9がー体的に設けられている。 第 2の熱伝達部材 9は吸熱電 極 6の表面 （熱電半導体 4、 5の接合面） に対して略垂直方向に延びる ように設けられている。 第 2の熱伝達部材 9は、 吸熱電極 6との間の熱 伝達を阻害しないように、 吸熱電極 6と一体的に形成されている。 吸熱 電極 6と第 2の熱伝達部材 9とは熱的に一体化されている。 これら熱伝 達部材 8、 9は、 例えば銅、 アルミニウム、 もしくはそれらの合金のよ うな熱伝導率に優れる金属材料で構成することが好ましい。
図 4は、 吸熱電極 6と第 2の熱伝達部材 9とを一体化した部材 1 0お よび放熱電極 7と第 1の熱伝達部材 8とを一体化した部材 1 1の一構成 例を示している。 これら吸熱側部材 1 0および放熱側部材 1 1はいずれ も T字形状を有しており、 吸熱側部材 1 0は吸熱電極板 6の表面に板状 の第 2の熱伝達部材 9を一体的に突設した構造を有している。 放熱側部 材 1 1は放熱電極板 7の裏面に板状の第 1の熱伝達部材 8を一体的に突 設した構造を有している。
これら電極板 6、 7と熱伝達部材 9、 8との一体化には、 熱伝達を阻 害しない方法であれば種々の方法を適用することができる。 例えば、 電 極板 6、 7と熱伝達部材 9、 8 とは、 ろう接や溶接などの接合法を使用 して一体化させることができる。 また、 機械加工ゃ塑性加工などで丁字 型形状や L字型形状などを有する吸熱側部材 1 0や放熱側部材 1 1を形 成するようにしてもよレ、。
吸熱側部材 1 0や放熱側部材 1 1の形状は、 T字形状に限られるもの ではない。 電極板 6、 7と熱伝達部材 9、 8とが一体化されていると共 に、 熱伝達部材 9、 8を突設させた形状であれば、 種々の形状を適用す ることができる。 図 5は電極板 6、 7に対して板状の熱伝達部材 9、 8 を L字状に突設した形状を有する吸熱側部材 1 0および放熱側部材 1 1 を示している。 このように、 電極板 6、 7と熱伝達部材 9、 8 との一体 化形状は適宜に選択することができる。
放熱電極 7と一体化された第 1の熱伝達部材 8および吸熱電極 6 と一 体化された第 2の熱伝達部材 9は、 それぞれ放熱電極 7の外側、 さらに は放熱側支持部材 3の外側の空間 1 2に突設されている。 空間 1 2は冷 却媒体が存在する放熱空間である。 具体的には、 放熱空間 1 2には空気 などの冷却流体が流れている。 冷却流体は空気に限らず、 不活性気体や 場合によっては液体などを適用することができる。 第 1および第 2の熱 伝達部材 8、 9は冷却流体と接するように放熱空間 1 2内に配置されて いる。 この放熱空間 1 2において、 第 1および第 2の熱伝達部材 8、 9 は放熱媒体として機能するものである。
このように、 第 2の熱伝達部材 9は第 1の熱伝達部材 8と同方向に突 設している。 放熱電極 7で生じた熱は第 1の熱伝達部材 8を介して放熱 空間 1 2に放散される。 同様に、 吸熱電極 6に伝達された熱 （後に詳述 する） は、 第 2の熱伝達部材 9を介して放熱空間 1 2に放散される。 な お、 第 1の熱伝達部材 8および第 2の熱伝達部材 9は、 それぞれ放熱側 支持部材 3に設けられた貫通孔を介して放熱空間 1 2に達している。 図 1は吸熱電極 6と一体化された第 2の熱伝達部材 9を放熱側支持部 材 3の外側の放熱空間 1 2に配置した素子構造を示している。 第 2の熱 伝達部材 9は、 例えば図 6に示すように、 放熱電極 7の内側の空間 1 3 に配置してもよい。 この空間 1 3は N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5が配置されている空間であり、 このような空間 1 3にも冷却流体が流 れている。 空間 1 3は空間 1 2と同様に放熱空間として機能するもので あり、 第 2の熱伝達部材 9は放熱空間 1 3で放熱媒体として機能する。 ただし、 第 2の熱伝達部材 9による冷却効率を高める上で、 第 2の熱 伝達部材 9は放熱側支持部材 3の外側の放熱空間 1 2に達するように配 置することが好ましい。 なお、 図 6は放熱側支持部材 3を省略した素子 構造を示している。 このように、 熱電素子 1は放熱側支持部材 3を必ず しも必要とするものではない。 図 6に示す熱電素子 1は吸熱側支持部材 2のみで素子構造を維持している。
熱伝達部材 8、 9の設置数は、 1つの電極板 6、 7当たりに 1個に限 られるものではない。 例えば図 7に示すように、 1つの電極板当たりに 複数個の熱伝達部材を設置してもよい。 これによつて、 放熱特性をより 一層高めることができる。 図 7は 1つの放熱電極 7に対して 2個の第 1 の熱伝達部材 8を設置した状態を示している。 第 2の熱伝達部材 9につ いても、 スペースに余裕があれば複数設置することができる。
また、 1つの電極板当たりに複数個の熱伝達部材を設置する場合には、 U字形状ゃコ字形状などを有する一体化部材 （吸熱側部材 1 0や放熱側 部材 1 1 ) を用いることができる。 なお、 図 7は放熱側支持部材 3を熱 伝達部材 8、 9上に配置した素子構造を示している。 このように、 放熱 側支持部材 3の設置位置は特に限定さ'れるものではなく、 また前述した ように省略することも可能である。
放熱媒体として機能する熱伝達部材 8、 9の形状は、 図 4や図 5に示 したような板状に限られるものではない。 熱伝達部材 8、 9の放熱部の 形状としては、 放熱空間 1 2に位置する部分の表面積を増大させるよう な形状を適用することができる。 図 8は熱伝達部材 8、 9の放熱部 （放 熱空間 1 2に位置する部分）に補助フィン 1 4を設けた一体化部材 1 0、 1 1を示している。 図 9は熱伝達部材 8、 9の放熱部を曲折形状とし、 表面積を増大させた一体化部材 1 0、 1 1を示している。 これら以外に も各種の表面積増大形状を適用することができ、 それらによって熱伝達 部材 8、 9からの放熱特性をより一層高めることができる。
上述したような熱電素子 1に直流電源 1 5から熱電半導体 4、 5に直 流電流を流すと、 ペルチェ効果によって熱電半導体 4、 5の下端部側で は吸熱が起こり、 上端部側では放熱が起こる。 すなわち、 隣り合う N型 熱電半導体 4から P型熱電半導体 5に向けて直流電流が流れる吸熱電極 6では吸熱が生じる。 一方、 P型熱電半導体 5から N型熱電半導体 4に 向けて直流電流が流れる放熱電極 7では放熱が生じる。
この実施形態の熱電素子 1においては、 吸熱側支持部材 2が被冷却物 1 6 との接触部となる。 吸熱側支持部材 2は吸熱部材として機能するも のである。 従って、 熱電素子 1は被冷却物 1 6と吸熱側支持部材 2が接 触するように被冷却物 1 6上に装着される。 これらによって、 冷却機能 を有する電子部品モジュール 1 7が構成されている。
被冷却物 1 6としては、 例えば C P Uのような高集積回路素子やレー ザ素子などの高発熱タイプの半導体部品が挙げられる。 被冷却物 1 6は これらに限られるものではなく、 冷却を必要とする各種の部品や部材に 対して熱電素子 1を適用することができる。 熱電素子 1はノートプック 型 P Cの C P Uのように、 冷却装置を随時稼動とする電子部品に対して 特に好適に用いられる。
熱電素子 1を適用した電子部品モジュール 1 7においては、 被冷却部 品 1 6の発熱量が増大した際に熱電素子 1に通電して稼動させ、 被冷却 部品 1 6の熱を吸熱して冷却する。 一方、 被冷却部品 1 6の発熱量が熱 電素子 1の稼動が必要なほどの熱量に達していないときは、 熱電素子 1 への通電を遮断して非稼動とする。
熱電素子 1の非稼動状態においては、 被冷却部品 1 6からの熱は吸熱 側支持部材 2および吸熱電極 6を介して第 2の熱伝達部材 9に伝達され、 この第 2の熱伝達部材 9から冷却流体が流れる放熱空間 1 2に放散され る。 なお、 図 1、 図 6および図 7に示す熱電素子 1は、 第 2の熱伝達部 材 9の放熱部を被冷却部品 1 6から見て熱電半導体 4、 5の冷却面より 遠い位置に配置している。
この実施形態の熱電素子 1は、 第 2の熱伝達部材 9が熱電半導体 4、 5を介することなく、 直接吸熱電極 6から放熱空間 1 2に達している。 このため、 被冷却部品 1 6の熱を吸熱側支持部材 2および吸熱電極 6か ら第 2の熱伝達部材 9を介して、 直接的に放熱空間 1 2に放散させるこ とができる。 このように、 第 2の熱伝達部材 9は熱電素子 1の非通電時 や故障時に放熱媒体として機能するため、 熱電素子 1の非稼動時におけ る被冷却部品 1 6の放熱性を、 従来の熱電半導体 4、 5を介して放熱し ていた素子構造に比べて大幅に高めることができる。
従って、 熱電素子 1を被冷却部品 1 6の発熱量に応じて随時稼動とし た場合においても、 熱電素子 1の稼動時のみならず、 熱電素子 1の非稼 動時においても冷却特性を維持することができる。 熱電素子 1の故障時 も同様である。 このように、 熱電素子 1は非稼動時における被冷却部品 1 6の冷却特性の低下を抑制したものである。 また付随的効果として、 従来熱電素子と冷却フィンを別々の部品として作製、 組み付けていたも のが、 一体化された部品とすることでコス トの低減が図れる。
熱電素子 1を適用した電子部品モジュール 1 7は、 ノートブック型 P C (ラップトップ型 P C )、 タブレッ ト P C、 P D A、 携帯電話などの携 帯用電子機器に好適に用いられるものである。 本発明の携帯用電子機器 の実施形態と しては、 このような電子部品モジュール 1 7を具備する ノートブック型 P C、 タブレッ ト P C、 P D A , 携帯電話などの各種携 帯用電子機器が挙げられる。
上述したような携帯用電子機器は電池で駆動されているため、 C P U などの被冷却部品 1 6に付設される冷却装置は省電力化のために随時稼 動とされる。 すなわち、 発熱量が少ないときは冷却装置の稼動を停止す る。 このような冷却装置の動作ルールを適用する場合においても、 熱電 素子 1は非稼動時における被冷却部品 （C P Uなど） の冷却特性の低下 を抑制しているため、 携帯用電子機器の動作特性などを安定に維持する ことが可能となる。
次に、本発明の第 2の実施形態について、 図 1 0を参照して説明する。 図 1 0に示す熱電素子 1 8は、 第 2の熱伝達部材 9の吸熱電極 6とは反 対側の端部に設けられた吸熱部材 1 9を有している。 この吸熱部材 1 9 は被冷却部品 1 6との接触部となる。 第 2の熱伝達部材 9と吸熱部材 1 9とは、 良好な熱伝達を維持し得るような結合構造、 言い換えると熱伝 達を阻害する部材などを介さない結合構造に基づいて結合されている。 具体的には、 電極板 6、 7と熱伝達部材 8、 9との一体化方法と同様な 方法で一体化することが好ましい。
図 1 0に示す熱電素子 1 8は、 図 1 と同様に放熱側支持部材 3の外側 空間 （放熱空間） 1 2に対して同方向に突設させた第 1および第 2の熱 伝達部材 8、 9を有している。 熱電素子 1 8は第 2の熱伝達部材 9の端 部に設けた吸熱部材 1 9が被冷却部品 1 6と当接するように装着される 第 2の熱伝達部材 9は吸熱電極 6の一部としての機能と放熱媒体と して の機能を併せ持つている。 第 2の熱伝達部材 9は被冷却部品 1 6に対し て吸熱部材 1 9を介して電気的に絶縁されて取り付けられている。
熱電素子 1 8は放熱側支持部材 3が被冷却部品 1 6側に位置するよう に配置されている。 図 1 0に示す熱電素子 1 8は、 図 1 とは上下が逆転 した配置構造とされている。熱電素子 1 8と被冷却部品 1 6との間には、 冷却流体が流れる放熱空間 1 2が設けられている。 なお、 図 1 0に示す 熱電素子 1 8において、 吸熱側支持部材 2と放熱側支持部材 3はいずれ も省略することができる。 図 1 0は第 2の熱伝達部材 9の放熱部を被冷 却部品 1 6と熱電半導体 4、 5の冷却面との中間に配置した素子構造を 示したものである。
上記した熱電素子 1 8を適用した電子部品モジュール 1 7においては、 被冷却部品 1 6の発熱量が増大した際に熱電素子 1 8に通電して稼動さ せ、 被冷却部品 1 6の熱を吸熱して冷却する。 この際、 第 2の熱伝達部 材 9は吸熱部材 1 9から吸熱電極 6への伝熱媒体 （吸熱電極 6の一部） として機能する。 この第 2の熱伝達部材 9を使用した伝熱構造に基づい て、 被冷却部品 1 6は熱電素子 1 8により冷却される。
一方、 被冷却部品 1 6の発熱量が少ないときは、 熱電素子 1 8への通 電を遮断して非稼動とする。 熱電素子 1 8が非稼動の状態においては、 被冷却部品 1 6の熱は吸熱部材 1 9および第 2の熱伝達部材 9から直接 的に冷却流体が流れる放熱空間 1 2に放散される。 言い換えると、 熱電 素子 1 8が非稼動状態における被冷却部品 1 6の冷却は、 第 2の熱伝達 部材 9を介して冷却流体に放熱することで実施される。 なお、 放熱空間 1 2は第 2の熱伝達部材 9を脚部として熱電素子 1 8を装着した際に、 この脚部により形成される空間である。
このように、 第 2の実施形態においては、 第 2の熱伝達部材 9は熱電 素子 1 8が稼動時には吸熱部材 1 9から吸熱電極 6への伝熱媒体として 機能すると共に、 熱雷素子 1 8が非稼動時には吸熱部材 1 9から冷却流 体への放熱媒体として機能するものである。 この第 2の実施形態の熱電 素子 1 8においても、 第 2の熱伝達部材 9が熱電素子 1 8の非稼動時に 放熱媒体として機能するため、 熱電素子 1 8の非稼動時における被冷却 部品 1 6の放熱性を従来構造に比べて大幅に高めることができる。 従つ て、 熱電素子 1 8を被冷却部品 1 6の発熱量に応じて随時稼動とした場 合においても、 良好な冷却特性を維持することが可能となる。
さらに、 第 2の実施形態の熱電素子 1 8は、 熱電素子 1 8と被冷却部 品 1 6との間の熱膨張差に基づく疲労破壊などを抑制することができる c これは、 第 2の熱伝達部材 9を脚部として、 熱電素子 1 8を被冷却部品 1 6に装着しているためである。 すなわち、 冷熱動作を繰返し行った場 合、 熱電素子 1 8には被冷却部品 1 6 との熱膨張差に基づく熱疲労が生 じて疲労破壊などが発生しやすい。 このような点に対して、 熱電素子 1 8に対する拘束力を第 2の熱伝達部材 9のしなりで低減して応力集中を 緩和することで、熱電素子 1 8の疲労破壌などを抑制することができる。 これは熱電素子 1 8の信頼性の向上に寄与するものである。
次に、本発明の第 3の実施形態について、図 1 1を参照して説明する。 なお、図 1 と同一部分については同一符号を付して説明を一部省略する。 同図に示す熱電素子 2 1は、 吸熱側支持部材 2と放熱側支持部材 3 との 間に、 複数の N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5とが交互に配列され ている。 これら N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5は、 素子全体 としてはマトリ ックス状に配置されて熱電半導体群を構成している。 なお、 吸熱側支持部材 2と放熱側支持部材 3は素子構造を形成する上 で必須ではなく、 省略することができる。 吸熱側支持部材 2と放熱側支 持部材 3を適用する場合の構成材料には、 加工のしゃすさなどから絶縁 性樹脂基板や絶縁性樹脂フィルムなどを使用することが好ましい。 さら に、 図 1 2に示すように、 素子構造を保持する支持部材 （構造用支持部 材 Z図 1の吸熱側支持部材 2が相当する） 2 2は、 N型熱電半導体 4お よび P型熱電半導体 5の中間位置に配置してもよい。 この場合にも、 吸 熱側支持部材 2と放熱側支持部材 3を省略することができる。
吸熱側支持部材 2側には吸熱電極 6が配置されている。 また、 放熱側 支持部材 3側には放熱電極 7が配置されている。 これら吸熱電極 6およ び放熱電極 7によって、 複数の N型熱電半導体 4と P型熱電半導体 5と が交互に直列接続されている。 前述したように、 複数の N型熱電半導体 4および P型熱電半導体 5は、 その少なく とも一部が交互に直列接続さ れていればよレ、。
なお、 熱電半導体 4、 5や電極 6、 7の具体的な構造や構成材料、 電 極 6、 7による熱電半導体 4、 5の接続構造などについては、 前述した 第 1の実施形態と同様である。 支持部材 2、 3による熱電半導体 4、 5 の支持状態が不十分な場合には、 支持部材 2、 3の両側から力シメ具や ケースなどで支持するようにしてもよい。 さらに、 支持部材 2、 3を用 いることなく、 力シメ具やケースなどで支持するような構造を適用する ことも可能である。
放熱側電極群を構成する各放熱電極 7の裏面側には、 それぞれ第 1の 熱伝達部材 8がー体的に設けられている。 これら第 1の熱伝達部材 8は 放熱側支持部材 3の外側空間 2 3に達するように突設されている。 空間 2 3は第 1の放熱空間を構成するものである。 同様に、 吸熱側電極群を 構成する各吸熱電極 6の裏面側には、 それぞれ吸熱電極 6の一部として 機能する第 2の熱伝達部材 9が一体的に設けられている。 これら第 2の 熱伝達部材 9は吸熱側支持部材 2の外側空間 2 4に達するように突設さ れている。 空間 2 4は第 2の放熱空間を構成するものである。
第 1の熱伝達部材 8は放熱側支持部材 3に設けられた貫通孔を介して 第 1の放熱空間 2 2に達している。 また、 第 2の熱伝達部材 9は吸熱側 支持部材 2に設けられた貫通孔を介して第 2の放熱空間 2 3に達してい る。 第 1および第 2の放熱空間 2 3には、 それぞれ冷却流体が流れてい る。 なお、 電極 6、 7と熱伝達部材 9、 8との一体化構造は、 前述した 実施形態と同様な T字形状や L字形状とすることができる。 さらに、 熱 伝達部材 8、 9の電極 7、 6 との一体化方法、 設置数、 構成材料、 形状 などについても同様である。
吸熱電極 6 と一体化された第 2の熱伝達部材 8の反対側の端部には、 吸熱部材 1 9が設けられている。 吸熱部材 1 9は被冷却部品 1 6との接 触部を構成するものであり、 例えば電気絶縁物で構成されている。 第 2 の熱伝達部材 9は吸熱部材 1 9を介して被冷却部品 1 6に電気的に絶縁 されて取り付けられている。 吸熱電極 6と一体化された第 2の熱伝達部 材 9は、 熱電素子 2 1が稼動時には吸熱部材 1 9から吸熱電極 6への伝 熱媒体として機能し、 熱電素子 2 1が非稼動時には放熱媒体として機能 するものである。 放熱電極 7と一体化された第 1の熱伝達部材 8は、 熱 電素子 2 1の稼動時に放熱媒体として機能する。
図 1 1に示す熱電素子 2 1を用いた電子部品モジュール 2 5は、 第 2 の熱伝達部材 9の端部に設けられた吸熱部材 1 9が被冷却部品 1 6に当 接するように、 熱電素子 2 1を被冷却部品 1 6に装着した構造を有して いる。 熱電素子 2 1の配置構造は、 吸熱側支持部材 2が被冷却部品 1 6 の側に位置する構造とされており、 熱電素子 2 1 と被冷却部品 1 6との 間には第 2の放熱空間 2 4が設けられている。 第 2の放熱空間 2 4は脚 部としての第 2の熱伝達部材 9によって形成される空間である。 図 1 1 は第 2の熱伝達部材 9の放熱部を被冷却部品 1 6 と熱電半導体 4、 5の 冷却面との中間に配置した構造を示している。
上述したような熱電素子 2 1に直流電源 1 5から熱電半導体 4、 5に 直流電流を流すと、 熱電半導体 4、 5の下端部側では吸熱が、 また上端 部側では放熱が起こる。 被冷却部品 1 6の発熱量が増大した際に、 熱電 素子 2 1に通電して稼動させると、 被冷却部品 1 6の熱が第 2の熱伝達 部材 （伝熱媒体） 9を介して吸熱されて冷却される。 一方、 被冷却部品 1 6の発熱量が少ない場合には、 熱電素子 2 1への通電を遮断して非稼 動とする。 熱電素子 2 1の非稼動状態において、 被冷却部品 1 6の熱は 吸熱部材 1 9および第 2の熱伝達部材 9から直接的に第 2の放熱空間 2 4に放散される。
上述した第 3の実施形態の熱電素子 2 1において、 第 2の熱伝達部材 9は吸熱部材 1 9から直接第 2の放熱空間 2 4に達しているため、 被冷 却部品 1 6の熱を第 2の放熱空間 2 4に直接的に放散させることができ る。 すなわち、 第 2の熱伝達部材 9は熱電素子 2 1の非稼動時に放熱媒 体として機能する。 このような第 2の熱伝達部材 9によって、 熱電素子 2 1の非稼動時における被冷却部品 1 6の放熱性を、 従来の素子構造に 比べて大幅に高めることができる。
従って、 熱電素子 2 1を被冷却部品 1 6の発熱量に応じて随時稼動と した場合においても、 被冷却部品 1 6の冷却特性を維持することが可能 となる。 さらに、 第 2の実施形態の熱電素子 1 8と同様に、 第 2の熱伝 達部材 9のしなりを利用して、 熱電素子 2 1 と被冷却部品 1 6との間の 熱膨張差に基づく熱電素子 2 1の疲労破壌などを抑制することができる。 熱電素子 2 1を用いた電子部品モジュール 2 5は、 第 1の実施形態と同 様に、 ノートブック型 P C、 タブレッ ト P C、 P D A , 携帯電話などの 携帯用電子機器に好適に用いられるものである。 上述した各実施形態は本発明の熱電素子を π型構造に適用したもので あるが、 本発明はこれに限られるものではない。 例えば図 1 3に示すよ うに、 本発明の熱電素子は Ν型熱電半導体 4と Ρ型熱電半導体 5とを直 列構造で配置した熱電素子 3 1に適用することも可能である。
図 1 3に示す熱電素子 3 1において、 Ν型熱電半導体 4から Ρ型熱電 半導体 5に向けて電流が流れる部分には、 第 2の熱伝達部材が一体化さ れた吸熱電極 3 2が介在されている。 Ρ型熱電半導体 5から Ν型熱電半 導体 4に向けて電流が流れる部分には、 第 1の熱伝達部材が一体化され た放熱電極 3 3が介在されている。
第 2の熱伝達部材が一体化された吸熱電極 3 2は、 熱電素子 3 1の一 方の主面が露出する空間 3 4に向けて突設されており、 その先端には吸 熱部材 1 9がー体的に設けられている。 第 1の熱伝達部材が一体化され た放熱電極 3 3は、 熱電素子 3 1の他方の主面が露出する空間 3 5に向 けて突設されている。 第 1の熱伝達部材および第 2の熱伝達部材は、 そ れぞれ冷却流体が流れる放熱空間 3 4、 3 5に配置されている。
このような構造の熱電素子 3 1においても、 図 1 1に示した熱電素子 2 1と同様に、 被冷却部品 1 6の熱を放熱空間 3 4に直接的に放散させ ることができる。 従って、 熱電素子 3 1の稼動時のみならず、 非通電時 や故障時などの非稼動時においても被冷却部品 1 6を効率よく冷却する ことができる。 すなわち、 熱電素子 3 1の非稼動時における被冷却部品 1 6の冷却特性の低下を抑制することが可能となる。 産業上の利用可能性
以上の実施形態からも明らかなように、 本発明の熱電素子は非稼動時 における被冷却部品の放熱特性の低下を抑制したものである。 従って、 被冷却部品を熱電素子で冷却するにあたって、 熱電素子の稼動時はもと より、 非稼動時においても被冷却部品の冷却特性を維持することが可能 となる。 本発明の熱電素子は電子部品モジュールに好適に用いられ、 ま た本発明の電子部品モジュールは携帯用電子機器に好適に用いられる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . N型熱電半導体および P型熱電半導体を有する熱電半導体群と、 前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、
前記 N型熱電半導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互に 直列接続されるように、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放 熱電極と、
前記吸熱電極および放熱電極のそれぞれに対して一体的に設けられて いると共に、 冷却媒体と接するように配置され、 前記冷却媒体に対して 放熱する機能を有する熱伝達部材と
を具備することを特徴とする熱電素子。
2 . 請求項 1記載の熱電素子において、
前記吸熱電極は被冷却物に対して電気的に絶縁されて取り付けられて おり、 かつ前記熱電素子が非通電状態における前記被冷却物の熱は前記 吸熱電極および前記熱伝達部材を介して前記冷却媒体に放熱されること を特徴とする熱電素子。
3 . 請求項 1記載の熱電素子において、
前記吸熱電極に設けられた前記熱伝達部材は、 被冷却物に対して電気 的に絶縁されて取り付けられていると共に、 前記冷却媒体に直接放熱す る機能と前記吸熱電極の一部としての機能を併せ持ち、 かつ前記熱電素 子が非通電状態における前記被冷却物の熱は前記熱伝達部材を介して前 記冷却媒体に放熱されることを特徴とする熱電素子。
4 . 請求項 1記載の熱電素子において、
前記吸熱電極に設けられた前記熱伝達部材は、 前記冷却媒体に放熱す るための部位が被冷却物から見て前記熱電半導体群の冷却面より遠い位 置に存在することを特徴とする熱電素子。
5 . 請求項 1記載の熱電素子において、
前記吸熱電極に設けられた前記熱伝達部材は、 前記冷却媒体に放熱す るための部位が被冷却物と前記熱電半導体群の冷却面との間に存在する ことを特徴とする熱電素子。
6 . 支持部材と、
前記支持部材に沿つて配列された N型熱電半導体および P型熱電半導 体を有する熱電半導体群と、
前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、
前記 N型熱電半導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互に 直列接続されるように、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放 熱電極と、
前記放熱電極と一体的に設けられ、 かつ放熱空間に突設させた第 1の 熱伝達部材と、
前記吸熱電極と一体的に設けられ、 かつ前記放熱空間に対して前記第 1の熱伝達部材と同方向に突設させた第 2の熱伝達部材と
を具備することを特徴とする熱電素子。
7 . 請求項 6記載の熱電素子において、
前記支持部材は電気的絶縁物からなり、 かつ被冷却物との接触部を構 成する吸熱用支持部材であることを特徴とする熱電素子。
8 . 請求項 7記載の熱電素子において、
前記第 2の熱伝達部材は、 前記熱電素子が非稼動時に前記被冷却物の 熱を前記放熱空間に放散させる放熱媒体として機能することを特徴とす る熱電素子。
9 . 請求項 6記載の熱電素子において、
さらに、 前記第 2の熱伝達部材の前記吸熱電極とは反対側の端部と熱 伝達可能に結合された吸熱部材を具備し、 前記吸熱部材は被冷却物との 接触部を構成することを特徴とする熱電素子。
1 0 . 請求項 9記載の熱電素子において、
前記第 2の熱伝達部材は、 前記吸熱部材から前記吸熱電極への伝熱媒 体としての機能と、 前記吸熱部材から前記放熱空間への放熱媒体として の機能とを有することを特徴とする熱電素子。
1 1 . 請求項 1 0記載の熱電素子において、
前記第 2の熱伝達部材は、 前記熱電素子が非稼動時に前記被冷却物の 熱を前記放熱空間に放散させる放熱媒体として機能することを特徴とす る熱電素子。
1 2 . 支持部材と、
前記支持部材に沿つて配列された N型熱電半導体および P型熱電半導 体を有する熱電半導体群と、
前記熱電半導体群の一方の端部に接合された吸熱電極と、
前記 N型熱電半導体および P型熱電半導体の少なく とも一部が交互に 直列接続されるように、 前記熱電半導体群の他方の端部に接合された放 熱電極と、
前記放熱電極と一体的に設けられ、 かつ第 1の放熱空間に位置するよ うに前記放熱電極の外側に突設させた第 1の熱伝達部材と、
前記吸熱電極と一体的に設けられ、 かつ第 2の放熱空間に位置するよ うに前記吸熱電極の外側に突設させた第 2の熱伝達部材と、
前記第 2の熱伝達部材の前記吸熱電極とは反対側の端部と熱伝達可能 に結合され、 被冷却物との接触部を構成する吸熱部材と
を具備することを特徴とする熱電素子。
1 3 . 請求項 1 2記載の熱電素子において、
前記第 2の熱伝達部材は、 前記吸熱部材から前記吸熱電極への伝熱媒 体としての機能と、 前記吸熱部材から前記第 2の放熱空間への放熱媒体 としての機能とを有することを特徴とする熱電素子。
1 4 . 請求項 1 3記載の熱電素子において、
前記第 2の熱伝達部材は、 前記熱電素子が非稼動時に前記被冷却物の 熱を前記第 2の放熱空間に放散させる放熱媒体として機能することを特 徴とする熱電素子。
1 5 . 被冷却部品と、
前記被冷却部品に装着された、 請求項 1記載の熱電素子と
を具備することを特徴とする電子部品モジュール。
1 6 . 被冷却部品と、
前記被冷却部品と前記吸熱用支持部材とが接するように、 前記被冷却 部品に装着された、 請求項 7記載の熱電素子と
を具備することを特徴とする電子部品モジュール。
1 7 . 請求項 1 5記載の電子部品モジュールを具備することを特徴とす る携帯用電子機器。
1 8 . 請求項 1 6記載の電子部品モジュールを具備することを特徴とす る携帯用電子機器。
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