(57)【要約】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。
2004001865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
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する熱電素子。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
請求項１０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。
【請求項１２】
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する熱電素子。
【請求項１３】
請求項１２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。
【請求項１４】
請求項１３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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
請求項１５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。
【請求項１８】
請求項１６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。
【発明の詳細な説明】
【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（Ｂｉ）−テルル（Ｔｅ）系、鉄（Ｆｅ）−シリコン（Ｓｉ）系、コバルト（Ｃｏ）−アンチモン（Ｓｂ）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発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ＣＰＵ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Ｎ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とが交互に配置される。Ｎ型熱電半導体とＰ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Ｎ型およびＰ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ＣＰＵ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、ＣＰＵ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、高発熱状態になっ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（ＰＣ）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、Ｂｉ−Ｔｅ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、非通電時や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７−１３１０７７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ＣＰＵ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、非通電時や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。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一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１０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１１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１２は図１１に示す熱電素子の変形例を示す断面図である。
図１３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Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体が挙げられる。Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体としては、ＢｉおよびＳｂから選ばれる少なくとも１種の元素と、ＴｅおよびＳｅ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、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｈｇ、Ａｕ、Ｃｕ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Ｂｉ−Ｔｅ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Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体に限られるものではなく、例えばＦｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｓｂ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Ｆｅ−Ｍｎ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って、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７Ａ、７Ｂ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が一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が一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１０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１１の一構成例を示している。これら吸熱側部材１０および放熱側部材１１はいずれもＴ字形状を有しており、吸熱側部材１０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１１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、機械加工や塑性加工などでＴ字型形状やＬ字型形状などを有する吸熱側部材１０や放熱側部材１１を形成するようにしてもよい。
吸熱側部材１０や放熱側部材１１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１０および放熱側部材１１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１２に突設されている。空間１２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１２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１２内に配置されている。この放熱空間１２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１２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１２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１２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１２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１３に配置してもよい。この空間１３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１３にも冷却流体が流れている。空間１３は空間１２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１３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１２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。これによって、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字形状やコ字形状などを有する一体化部材（吸熱側部材１０や放熱側部材１１）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１２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１２に位置する部分）に補助フィン１４を設けた一体化部材１０、１１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１０、１１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１５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１６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１６と吸熱側支持部材２が接触するように被冷却物１６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１７が構成されている。
被冷却物１６としては、例えばＣＰＵ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１６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はノートブック型ＰＣのＣＰＵ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１７においては、被冷却部品１６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１６の熱を吸熱して冷却する。一方、被冷却部品１６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１６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１２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１６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１２に達している。このため、被冷却部品１６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１２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１６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１６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１６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１７は、ノートブック型ＰＣ（ラップトップ型ＰＣ）、タブレットＰＣ、ＰＤＡ、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１７を具備するノートブック型ＰＣ、タブレットＰＣ、ＰＤＡ、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、ＣＰＵなどの被冷却部品１６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（ＣＰＵ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１０を参照して説明する。図１０に示す熱電素子１８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１９を有している。この吸熱部材１９は被冷却部品１６との接触部となる。第２の熱伝達部材９と吸熱部材１９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１０に示す熱電素子１８は、図１と同様に放熱側支持部材３の外側空間（放熱空間）１２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１８は第２の熱伝達部材９の端部に設けた吸熱部材１９が被冷却部品１６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っている。第２の熱伝達部材９は被冷却部品１６に対して吸熱部材１９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１８は放熱側支持部材３が被冷却部品１６側に位置するように配置されている。図１０に示す熱電素子１８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１８と被冷却部品１６との間には、冷却流体が流れる放熱空間１２が設けられている。なお、図１０に示す熱電素子１８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１０は第２の熱伝達部材９の放熱部を被冷却部品１６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１８を適用した電子部品モジュール１７においては、被冷却部品１６の発熱量が増大した際に熱電素子１８に通電して稼動させ、被冷却部品１６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１９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１６は熱電素子１８により冷却される。
一方、被冷却部品１６の発熱量が少ないときは、熱電素子１８への通電を遮断して非稼動とする。熱電素子１８が非稼動の状態においては、被冷却部品１６の熱は吸熱部材１９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１２に放散される。言い換えると、熱電素子１８が非稼動状態における被冷却部品１６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１２は第２の熱伝達部材９を脚部として熱電素子１８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１８が稼動時には吸熱部材１９から吸熱電極６への伝熱媒体として機能すると共に、熱電素子１８が非稼動時には吸熱部材１９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１８においても、第２の熱伝達部材９が熱電素子１８の非稼動時に放熱媒体として機能するため、熱電素子１８の非稼動時における被冷却部品１６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。従って、熱電素子１８を被冷却部品１６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１８は、熱電素子１８と被冷却部品１６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。これは、第２の熱伝達部材９を脚部として、熱電素子１８を被冷却部品１６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１８には被冷却部品１６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１８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１８の疲労破壊などを抑制することができる。これは熱電素子１８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１１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２１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、加工のしや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１２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／図１の吸熱側支持部材２が相当する）２２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い。
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の両側からカ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、カ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が一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２３に達するように突設されている。空間２３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２４に達するように突設されている。空間２４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２２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２３に達している。第１および第２の放熱空間２３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１９が設けられている。吸熱部材１９は被冷却部品１６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１９を介して被冷却部品１６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２１が稼動時には吸熱部材１９から吸熱電極６への伝熱媒体として機能し、熱電素子２１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２１の稼動時に放熱媒体として機能する。
図１１に示す熱電素子２１を用いた電子部品モジュール２５は、第２の熱伝達部材９の端部に設けられた吸熱部材１９が被冷却部品１６に当接するように、熱電素子２１を被冷却部品１６に装着した構造を有している。熱電素子２１の配置構造は、吸熱側支持部材２が被冷却部品１６の側に位置する構造とされており、熱電素子２１と被冷却部品１６との間には第２の放熱空間２４が設けられている。第２の放熱空間２４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１１は第２の熱伝達部材９の放熱部を被冷却部品１６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２１に直流電源１５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１６の発熱量が増大した際に、熱電素子２１に通電して稼動させると、被冷却部品１６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１６の発熱量が少ない場合には、熱電素子２１への通電を遮断して非稼動とする。熱電素子２１の非稼動状態において、被冷却部品１６の熱は吸熱部材１９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２４に放散される。
上述した第３の実施形態の熱電素子２１において、第２の熱伝達部材９は吸熱部材１９から直接第２の放熱空間２４に達しているため、被冷却部品１６の熱を第２の放熱空間２４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２１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２１の非稼動時における被冷却部品１６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２１を被冷却部品１６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１６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１８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２１と被冷却部品１６との間の熱膨張差に基づく熱電素子２１の疲労破壊などを抑制することができる。熱電素子２１を用いた電子部品モジュール２５は、第１の実施形態と同様に、ノートブック型ＰＣ、タブレットＰＣ、ＰＤＡ、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１３に示すように、本発明の熱電素子はＮ型熱電半導体４とＰ型熱電半導体５とを直列構造で配置した熱電素子３１に適用することも可能である。
図１３に示す熱電素子３１において、Ｎ型熱電半導体４からＰ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３２が介在されている。Ｐ型熱電半導体５からＮ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３３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３２は、熱電素子３１の一方の主面が露出する空間３４に向けて突設されており、その先端には吸熱部材１９が一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３３は、熱電素子３１の他方の主面が露出する空間３５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３４、３５に配置されている。
このような構造の熱電素子３１においても、図１１に示した熱電素子２１と同様に、被冷却部品１６の熱を放熱空間３４に直接的に放散させることができる。従って、熱電素子３１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１６を効率よく冷却することができる。すなわち、熱電素子３１の非稼動時における被冷却部品１６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。
【図１】
2004001865.tif 000003
【図２】
2004001865.tif 000004
【図３】
2004001865.tif 000005
【図４】
2004001865.tif 000006
【図５】
2004001865.tif 000007
【図６】
2004001865.tif 000008
【図７】
2004001865.tif 000009
【図８】
2004001865.tif 000010
【図９】
2004001865.tif 000011
【図１０】
2004001865.tif 000012
【図１１】
2004001865.tif 000013
【図１２】
2004001865.tif 000014
【図１３】
2004001865.tif 000015
【国際調査報告】
2004001865.tif 000016
2004001865.tif 000017
2004001865.tif 000018
2004001865.tif 000019