(57)【要約】【課題】熱電性能を向上させ得る熱電パッケージを安価に提供する。【解決手段】熱電パッケージ１０は、発熱体としての電子部品２１と、この電子部品２１を冷却可能な熱電モジュール３０とを備える。電子部品２１および熱電モジュール３０は、気密容器１１内に収容されている。気密容器１１内には、空気に含まれている二酸化炭素濃度に比して高濃度の二酸化炭素が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、この発熱体を冷却可能な熱電モジュールとを気密容器内に収容してなる熱電パッケージにおいて、
前記気密容器内には、空気に含まれている二酸化炭素濃度に比して高濃度の二酸化炭素が充填されていることを特徴とする熱電パッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載した熱電パッケージにおいて、
前記気密容器内には、１０体積％以上の二酸化炭素が充填され、その残部として窒素または空気が充填されていることを特徴とする熱電パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を熱電モジュールにより冷却可能な熱電パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱体を熱電モジュールにより冷却可能な熱電パッケージの一つは、例えば、下記特許文献１に記載されている。下記特許文献１に記載されている光半導体素子モジュール（熱電パッケージ）においては、発熱体としての光半導体素子と、その光半導体素子を冷却可能な熱電クーラー（熱電モジュール）とが気密容器内に収容されている。そして、この光半導体素子モジュール（熱電パッケージ）においては、気密容器内に不活性ガスが封入（充填）されている。
【特許文献１】特開２００２−５７３９９号公報
【発明の開示】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に記載されている光半導体素子モジュール（熱電パッケージ）において、気密容器内に封入（充填）される不活性ガスとして、例えばヘリウムまたはネオンが採用された場合には、これらの不活性ガスが空気又は窒素の熱伝導率に比して大の熱伝導率を有するため、熱電クーラー（熱電モジュール）の発熱側から不活性ガスを介して吸熱側へ伝わる熱量が、気密容器内に空気又は窒素が１００体積％封入（充填）されている場合に比して増加する。このため、気密容器内に空気又は窒素が１００体積％封入（充填）されている場合に比して、熱電モジュールの吸熱側の温度を所定の低温度に維持するための、熱電モジュールへの供給電力量を多くする必要があって、熱電性能が低下する。
【０００４】
一方、気密容器内に封入（充填）される不活性ガスとして、例えばアルゴン、クリプトン、キセノンなどが採用された場合には、これらの不活性ガスが空気又は窒素の熱伝導率に比して小の熱伝導率を有するため、熱電クーラー（熱電モジュール）の発熱側から不活性ガスを介して吸熱側へ伝わる熱量が、気密容器内に空気又は窒素が１００体積％封入（充填）されている場合に比して減少する。このため、気密容器内に空気又は窒素が１００体積％封入（充填）されている場合に比して、熱電モジュールの吸熱側の温度を所定の低温度に維持するための、熱電モジュールへの供給電力量を少なくすることができて、熱電性能を向上させることが可能である。しかしながら、この場合には、上記した高価な不活性ガスを用いることによって、コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に対処するためになされたものであり、その目的は、熱電性能を向上させ得る熱電パッケージを安価に提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明においては、発熱体と、この発熱体を冷却可能な熱電モジュールとを気密容器内に収容してなる熱電パッケージにおいて、前記気密容器内には、空気（大気）に含まれている二酸化炭素濃度に比して高濃度の二酸化炭素が充填されていることに特徴がある。この場合において、前記気密容器内には、１０体積％以上の二酸化炭素が充填され、その残部として窒素または空気が充填されていることも可能である。
【０００７】
二酸化炭素は、空気や窒素に比して熱伝導率が小の特性を有する。また、二酸化炭素は、一般的にアルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスよりも安価である。このため、気密容器内に、空気に含まれている二酸化炭素濃度に比して高濃度の二酸化炭素が充填されている場合には、気密容器内に空気又は窒素が１００体積％封入（充填）されている場合に比して、熱電モジュールの発熱側から吸熱側へ気密容器内の空間を伝わって流れる熱量を減少させることが可能であり、しかも、気密容器内にアルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスが封入（充填）されている場合に比して、熱電パッケージを安価に構成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による熱電パッケージ１０の一実施形態を示していて、この熱電パッケージ１０においては、金属製の気密容器１１内に、発熱体としての電子部品２１、伝熱部材２２および熱電モジュール３０が収容されている。
【０００９】
気密容器１１は、例えばコバール製のものであり、その底部上面には、熱電モジュール３０が固定されていて、電子部品２１から伝熱部材２２を介して熱電モジュール３０に伝導された熱が気密容器１１を介して外部に放熱されるようになっている。電子部品２１は、例えばＣＰＵ、半導体素子などの発熱部を有してなるものであり、伝熱部材２２の上面に固定されている。伝熱部材（キャリア）２２は、所定の矩形形状および厚肉板状に形成された例えば銅−タングステンの合金からなるものであり、その下面にて熱電モジュール３０の上部に組み付けられている。
【００１０】
熱電モジュール３０は、図１、図２および図３に示すように、下基板３１Ａ，上基板３１Ｂ、下電極３２Ａ，上電極３２Ｂおよび熱電素子３３を備えている。下基板３１Ａおよび上基板３１Ｂは、所定の矩形板状に形成された一対の絶縁体としてのアルミナ製のものであり、下基板３１Ａの下面が気密容器１１の底部上面に固定され、上基板３１Ｂの上面に伝熱部材２２の下面が固定されている（図１参照）。
【００１１】
下電極３２Ａと上電極３２Ｂは、何れも２個の熱電素子３３の端面を接合可能な大きさに形成されており、下電極３２Ａが下基板３１Ａの上面における所定箇所に取り付けられ、上電極３２Ｂが上基板３１Ｂの下面における所定箇所に取り付けられている。下電極３２Ａと上電極３２Ｂは、下基板３１Ａと上基板３１Ｂの長手方向（図２の前後方向）にて、熱電素子３３の略１個分に等しい距離だけ互いにずらして配置されている（図１参照）。下電極３２Ａの２箇所の角部には、リード線３４Ａ，３４Ｂが取り付けられていて、外部の電源と通電可能とされている。
【００１２】
熱電素子３３は、直方体に形成されていて、例えばビスマス−テルル系の合金からなるＰ型の素子とＮ型の素子とで構成されている。この熱電素子３３は、Ｐ型の素子とＮ型の素子とが図２の左右前後方向にて交互に配置されており、各下端面にて下電極３２Ａの上面に固定され、各上端面にて上電極３２Ｂの下面に固定されている。そして、すべての熱電素子３３は、下基板３１Ａと上基板３１Ｂ間にて下電極３２Ａおよび上電極３２Ｂを介して直列に接続されている。
【００１３】
上記した熱電モジュール３０においては、上基板３１Ｂが低温側（吸熱側）となり、下基板３１Ａが高温側（発熱側）となるように、リード線３４Ａ，３４Ｂを通して電力が供給される。これにより、電子部品２１で発生し伝熱部材２２を介して熱電モジュール３０の上基板３１Ｂに伝わる熱は、熱電モジュール３０の上基板３１Ｂから上電極３２Ｂ、熱電素子３３および下電極３２Ａを経て下基板３１Ａに伝導され、下基板３１Ａから気密容器１１を介して熱電パッケージ１０の外部に放熱される。
【００１４】
ところで、上記した熱電パッケージ１０の気密容器１１内には、１００体積％の二酸化炭素（ＣＯ２ガス）が充填されて気密的に保持（封入）されており、気密容器１１内の気圧は略１気圧程度とされている。ここで、二酸化炭素の熱伝導率は１６．５（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））であり、これは空気の熱伝導率である２５．９（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））及び窒素の熱伝導率である２５．８４（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））に比して小さい。したがって、気密容器１１内に空気又は窒素が１００体積％封入されている場合に比して、熱電モジュール３０の発熱側から吸熱側へ気密容器１１内の空間を伝わって流れる熱量を減少させることができる。
【００１５】
なお、不活性ガスの一つであるアルゴンの熱伝導率は１７．６３（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））であり、クリプトンの熱伝導率は９．３７（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））であり、キセノンの熱伝導率は５．５９（ｍＷ／（ｍ・Ｋ））であるため、二酸化炭素（ＣＯ２ガス）に代えてこれらの不活性ガスを用いても、気密容器１１内に空気又は窒素が１００体積％封入されている場合に比して、熱電モジュール３０の発熱側から吸熱側へ気密容器１１内の空間を伝わって流れる熱量を減少させることができる。しかし、これらの不活性ガスは二酸化炭素よりも高価である。したがって、熱電パッケージ１０の気密容器１１内に二酸化炭素を封入する場合には、二酸化炭素に代えて上記した不活性ガスを封入する場合に比して、熱電パッケージ１０を安価に構成することができる。
【００１６】
また、図１に示した熱電パッケージ１０を用いて、気密容器１１の底部の温度Ｔpkgをそれぞれ２５℃，４５℃，６５℃，８５℃に変え、このときに、電子部品２１の温度Ｔｄが２５℃に保たれるように熱電モジュール３０を作動させて、この作動状態での熱電モジュール３０への供給電流Ｉtec（Ａ）、供給電圧Ｖtec（Ｖ）および供給電力Ｗtec（Ｗ）をそれぞれ測定する試験を行った。その試験結果を表１に示す。また、気密容器１１内に二酸化炭素（ＣＯ２ガス）を１００体積％封入することに代えて、窒素（Ｎ２ガス）を１００体積％封入した熱電パッケージを準備し、同様に測定する試験を行った。その試験結果を表２に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
上記した各試験では、電子部品２１として、その発熱量Ｑｄが３Ｗのものを使用した。また、熱電モジュール３０として、そのサイズが縦８ｍｍ×横１２ｍｍ×高さ１．７ｍｍで、熱電素子３３がビスマス−テルル系の合金からなるものであって、最大吸熱量（Ｗ）が１０Ｗのものを使用した。また、伝熱部材２２として、そのサイズが縦８ｍｍ×横１２ｍｍ×高さ５ｍｍであり、材質が銅−タングステンのものを使用した。
【００２０】
上記試験結果に基づいて、気密容器１１の底部の温度Ｔpkgと電子部品２１の温度Ｔｄ間の温度差ΔＴ（℃）（ΔＴ＝Ｔpkg−Ｔｄ）を横軸に示し、熱電モジュール３０への供給電力Ｗtec（Ｗ）を縦軸に示したグラフを図４に示す。図４に示したグラフからも明らかなように、温度差ΔＴが６０℃であるとき、気密容器１１内に窒素を１００体積％封入した場合の供給電力Ｗtecが１９．３５（Ｗ）となったのに対し、気密容器１１内に二酸化炭素を１００体積％充填した場合の供給電力Ｗtecが１６．０４（Ｗ）となって、熱電モジュール３０への供給電力Ｗtecが大きく改善すなわち減少した。
【００２１】
また、図１に示した熱電パッケージ１０を用いて、図５（ａ）に示すように、気密容器１１内の二酸化炭素（ＣＯ２ガス）の濃度（体積％）を、図中実施例１〜１４に示す複数段階（全ての実施例１〜１４において、空気に含まれている二酸化炭素濃度に比して高濃度の二酸化炭素が気密容器１１内に充填されている）に変え、このときに、気密容器１１の底部の温度Ｔpkgと電子部品２１の温度Ｔｄ間の温度差ΔＴが６０℃に保たれるように熱電モジュール３０を作動させて、この作動状態での熱電モジュール３０への供給電力Ｗtec（Ｗ）をそれぞれ測定する試験を行った。なお、上記した各実施例１〜１３において、気密容器１１内の残部は、窒素であり、窒素に代えて空気を採用することも可能である。
【００２２】
そして、各測定結果である供給電力Ｗtecの、気密容器１１内に窒素を１００体積％封入した比較例（基準）における測定結果である供給電力１９．３５（Ｗ）に対する電力の減少率（改善率）を計算した。供給電力Ｗtecの減少は、図５（ｂ）からも明らかなように、二酸化炭素の濃度の増加に伴ってほぼ線形的に減少することがわかる。なお、図５（ａ）の最上欄に示した「比較例」は、気密容器１１内に空気（大気）を１００体積％封入した場合を示したものである。この場合には、空気中に含まれている酸素の熱伝導率が窒素と同等（やや大きい）なので、この「比較例」と前記「比較例（基準）」との供給電力Ｗtec（Ｗ）は略同一となる。
【００２３】
ところで、図５（ａ）の実施例４〜１４（すなわち、気密容器１１内に二酸化炭素が１０体積％以上充填されている実施例）では、気密容器１１内に空気（大気）を１００体積％封入した場合の「比較例」に対して、１．５％以上の電力の減少率（改善率）が得られていて、経済的な効果が期待できる。
【００２４】
上記実施形態においては、発熱体が、発熱部を有する電子部品２１である場合について説明したが、例えば図６に示すように、発熱体が培養器４１である場合についても、上記実施形態と同様にして、本発明を実施することが可能である。なお、図６の培養器４１以外の構成は、上記実施形態と同じであるため、上記実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００２５】
培養器（バイオリアクター）４１は、上端部以外を気密容器１１内に気密的に収容してなり、例えば微生物や、動・植物細胞などの反応試料を内部（上蓋によって開閉可能である）にて増殖可能なものであって、熱電モジュール３０にて加熱・冷却が可能で設定高温度と設定低温度とに所定時間維持した状態が繰り返し実行可能である。この場合には、培養器４１の温度調節のために熱電モジュール３０が用いられており、気密容器１１内に二酸化炭素を封入することによって、培養器４１を所定温度に効果的に維持設定または変更設定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による熱電パッケージの一実施形態を示す部分破断正面図である。
【図２】図１に示した熱電モジュールの斜視図である。
【図３】図１に示した熱電モジュールの正面図である。
【図４】表１と表２に示した気密容器の底部の温度と電子部品の温度間の温度差ΔＴと、表１と表２に示した熱電モジュールへの供給電力Ｗtecとの関係を示した線図である。
【図５】（ａ）は、気密容器内の二酸化炭素の濃度（体積％）を複数段階に変えたとき、気密容器の底部の温度と電子部品の温度間の温度差を６０℃に保つために熱電モジュールに供給すべき電力の測定結果を表した図であり、（ｂ）は、（ａ）で得られた測定結果と、気密容器内の二酸化炭素の濃度（体積％）との関係を示した線図である。
【図６】本発明による熱電パッケージの変形実施形態を示す部分破断正面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…熱電パッケージ、２１…電子部品（発熱体）、２２…伝熱部材、３０…熱電モジュール、３１Ａ…下基板、３１Ｂ…上基板、３２Ａ…下電極，３２Ｂ…上電極、３３…熱電素子、４１…培養器（発熱体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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