(57)【要約】【課題】例えば円柱形状等の形状を有して側周がわから発熱する冷却対象部を効率的に冷却することができ、小型化可能な熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】リング状に形成された基板３，４を互いに間隔を介して内側と外側に配置して対向させ、これらの内側基板３と外側基板４の間にはＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を互いにリング周方向に間隔を介して複数配設する。内側基板３と外側基板４の対向面にはそれぞれ互いにリング周方向に間隔を介して複数の電極２を形成し、内側基板３に形成した電極２と外側基板４に形成した電極２は互いに位置をずらして配置する。これらの電極２を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を接続して熱電変換素子の接続回路を形成し、該接続回路に電流を流すことにより内側基板３を吸熱側基板と成して外側基板４を放熱側基板と成す。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状に形成された基板が互いに間隔を介して内側と外側に配置されて対向し、これらの内側基板と外側基板の間にはＰ型とＮ型の熱電変換素子が互いにリング周方向に間隔を介して複数配設されており、前記内側基板と外側基板の対向面にはそれぞれ互いにリング周方向に間隔を介して複数の電極が形成され、これらの電極を介して前記熱電変換素子が接続されて熱電変換素子の接続回路が形成されており、該接続回路に電流を流すことにより前記内側基板が吸熱側基板と成して前記外側基板が放熱側基板と成すことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
内側基板と外側基板の少なくとも一方には、リング周方向の１箇所以上の部位にリング分断部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
互いにリング周方向に配設された熱電変換素子の周方向配列が互いにリング軸心方向に間隔を介して複数列配設され、互いの周方向配列は電極を介して直列に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
内側基板の内径を冷却対象部の被嵌合外径に対応させて形成したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却対象部の冷却を行う熱電変換モジュールに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられている。熱電変換モジュールは、例えば図８（ａ）、（ｂ）に示すように、互いに間隔を介して上下に配置された基板６，７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。
【０００３】
基板６，７は、電気絶縁性を有する電気絶縁性基板であり、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックにより形成されている。基板６，７には、それぞれ、その片面側（対向面側）に複数の導通用の電極２が互いに間隔を介して配列形成されている。上下の基板６，７は、電極２の位置を互いにずらした状態で電極形成面１６，１７を対向させて配置されており、前記熱電変換素子５が対応する電極２を介して直列に接続されている。なお、電極２上には図示されていない半田が形成されて該半田を介して熱電変換素子５が電極２上に固定されている。
【０００４】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００５】
Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。従来の一般的なペルチェモジュールにおいて、基板６，７は、例えば一辺の長さが１０ｍｍ程度の四辺形状に形成されている。
【０００６】
熱電変換モジュールは、リード線２８から電極２に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が冷却せしめられると、上側基板６を介し、基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。
【０００７】
熱電変換モジュールは、上記構成以外にも、例えば薄膜状に形成した熱電変換素子５を有する熱電変換モジュール等、様々な熱電変換モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１―２３３８３７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＤＶＤ等に適用される電子部品として、図７に示すようなＣＡＮ型のパッケージ１３にレーザダイオード１１を収容した電子部品が用いられるようになった。このような電子部品に適用されるレーザダイオード１１として、現在、３０ｍＷの出力のものが一般的に用いられているが、将来的には１００ｍＷ以上の高出力のレーザダイオード（例えば青色レーザダイオード）１１が用いられる可能性がある。このように高出力のレーザダイオードは、発熱量も大きく、この発熱による熱劣化を抑制するために、効率的に冷却可能な装置が必要となる。
【００１０】
しかしながら、ＣＡＮ型のパッケージ１３に収容されたレーザダイオード１１が発熱すると、図７の矢印に示すように、ＣＡＮ型のパッケージ１３のレーザダイオード収容部９の周りに熱が発し、また、レーザダイオード１１の光発信面１４を遮光することはできないので、図８に示したような、四辺形状の基板６，７間に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を配列したタイプの熱電変換モジュールを用いたのでは、レーザダイオード収容部９を効率的に冷却することができないといった問題があった。
【００１１】
また、ＣＡＮ型のパッケージ１３は、例えば鍔部１２の直径が５ｍｍ程度で非常に小型であり、かつ、レーザダイオード収容部９の領域も狭いことが多い。したがって、ＣＡＮ型のパッケージ１３に収容されたレーザダイオード１１を冷却するためには、小型で、かつ、効率的に冷却可能な熱電変換モジュールが求められることになる。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、例えば円柱形状や円筒形状等の形状を有して側周がわから発熱する冷却対象部を効率的に冷却することができ、小型化が可能な熱電変換モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、リング状に形成された基板が互いに間隔を介して内側と外側に配置されて対向し、これらの内側基板と外側基板の間にはＰ型とＮ型の熱電変換素子が互いにリング周方向に間隔を介して複数配設されており、前記内側基板と外側基板の対向面にはそれぞれ互いにリング周方向に間隔を介して複数の電極が形成され、これらの電極を介して前記熱電変換素子が接続されて熱電変換素子の接続回路が形成されており、該接続回路に電流を流すことにより前記内側基板が吸熱側基板と成して前記外側基板が放熱側基板と成す構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１４】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記内側基板と外側基板の少なくとも一方には、リング周方向の１箇所以上の部位にリング分断部が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１５】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、互いにリング周方向に配設された熱電変換素子の周方向配列が互いにリング軸心方向に間隔を介して複数列配設され、互いの周方向配列は電極を介して直列に接続されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１６】
さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記内側基板の内径を冷却対象部の被嵌合外径に対応させて形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００１８】
図１には、本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例が、ＣＡＮ型のパッケージ１３に収容されたレーザダイオード１１と共に模式的に示されている。図１（ａ）は、本実施形態例の熱電変換モジュール１をパッケージ１３に装着嵌合する前の状態を示し、図１（ｂ）は、この熱電変換モジュール１をパッケージ１３に嵌合した状態を示す。
【００１９】
本実施形態例の熱電変換モジュール１は、ＣＡＮ型のパッケージ１３に収容されたレーザダイオード１１からの発熱を冷却するために適用され、パッケージ１３のレーザダイオード収容部９を冷却対象部としている。
【００２０】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、リング状に形成されたセラミック製の基板３，４を互いに間隔を介して内側と外側に配置して対向させて形成されている。なお、本明細書において、リング状とは、必ずしも本実施形態例に適用している内側基板３および外側基板４のように、輪の形状を示すものではなく、例えば図５の（ａ）〜（ｃ）に示すような形状等、冷却対象部を囲繞する形状を有する様々な形状を含むものである。
【００２１】
図１、図２に示すように、内側基板４と外側基板４の間にはＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が互いにリング周方向に間隔を介して複数配設されている。また、内側基板３と外側基板４の対向面にはそれぞれ互いにリング周方向に間隔を介して複数の電極２が形成され、内側基板３に形成された電極２と外側基板４に形成された電極２は互いに位置をずらして配置されている。なお、図１において、図を分かりやすくするために、電極２をハッチングにより示している。
【００２２】
上記複数の電極２を介して前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の接続回路が形成されており、この接続回路に電流を流すことにより前記内側基板３が吸熱側基板と成して前記外側基板４が放熱側基板と成す。なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、図示されていない半田を介して対応する電極２に固定されている。
【００２３】
本実施形態例において、内側基板３の内径は、冷却対象部の被嵌合外径に対応させて形成されている。つまり、ここでは、パッケージ１１のレーザダイオード収容部９の被嵌合外径に対応させて、内側基板３の内径がレーザダイオード収容部９の被嵌合外径とほぼ等しく形成されている。
【００２４】
また、内側基板３と外側基板４の少なくとも一方（ここでは両方）には、リング周方向の１箇所以上の部位（ここではそれぞれ１箇所の部位）にリング分断部８が形成されている。なお、図１、図２は、リード線２８を省略して示しているが、リード線２８は、配列端部（リング分段部８の両隣）の電極２からそれぞれ引き出されている。
【００２５】
本実施形態例の熱電変換モジュール１を製造するときは、リング状に形成された基板３，４の片面、つまり、内側基板３の外周面と外側基板の内周面にそれぞれ、設定パターンの電極２を形成し、図３（ａ）に示すように、ベース２１上に、内側基板３と外側基板４を互いに設定間隔を介して内側と外側に配置し対向させる。この際、内側基板３に形成された電極２と外側基板４に形成された電極２の位置が互いにずれるように配置する。
【００２６】
そして、電極２の設定位置に例えば半田ペースト（図示せず）を塗布し、その状態で、図３（ｂ）に示すように、内側基板４と外側基板４の間にＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を互いにリング周方向に間隔を介して交互に複数配設する。この状態で、ベース２１毎、基板３，４および熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を半田のリフロー炉等に通し、半田ペーストを溶融・固化して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を対応する電極２に固定する。
【００２７】
本実施形態例は以上のように構成されており、基板３，４をリング状に形成したので、例えば図１（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール１によりレーザダイオード収容部９を囲繞する態様で設けることができ、内側基板３を吸熱側基板とすることにより、簡単な構成で、レーザダイオード１１から発する熱を効率的に吸熱することができる。
【００２８】
特に、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、内側基板３の内径を、冷却対象部であるレーザダイオード収容部９の被嵌合外径に対応させてほぼ同じ大きさに形成したので、レーザダイオード収容部９の熱をより一層効率的に吸熱することができる。
【００２９】
また、ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールは、周知の如く、吸熱量よりも放熱量の方が大きいが、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、内側基板３を吸熱側基板として外側基板４を放熱側基板としているので、効率的に放熱することができる。
【００３０】
なお、本実施形態例の応用例として、外側基板４からの放熱をより効率的に行うために、図２の鎖線に示すように、外側基板４の外側にフィン１８を形成してもよい。この場合、フィン１８は、外側基板４の外周面全域に形成してもよいし、必要に応じて、外側基板４の外周面に部分的に形成してもよい。
【００３１】
また、レーザダイオード１１が設けられているＤＶＤ等のフレームは、マグネシウムやアルミニウム等の熱伝導性が良好な金属を含む合金により形成されており、熱伝導性が良好なので、これらのフレームと外側基板４を接する態様で設けても、効率的な放熱を行うことができる。
【００３２】
さらに、本実施形態例では、内側基板３と外側基板４の、リング周方向の１箇所の部位にリング分断部８を設けているので、たとえ基板３，４が熱変動により伸縮しても、その歪みが基板３，４を介して電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に加えられることはなく、熱電変換モジュール１による冷却動作を良好に行うことができる。
【００３３】
さらに、本実施形態例では、内側基板３の、リング周方向の１箇所の部位にリング分断部８を設けているので、例えばレーザダイオード収容部９の径が軸心方向に多少変動していても、内側基板３をレーザダイオード収容部９の外周面に密着して取り付けることができ、レーザダイオード収容部９からの吸熱効果をより一層効率的に発揮することができる。
【００３４】
図４（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例が斜視図により示されており、そのＡ−Ａ’断面図が図４（ｂ）に示されている。これらの図に示すように、第２実施形態例の熱電変換モジュール１は、上記第１実施形態例の熱電変換モジュール１とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、互いにリング周方向に配設された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の周方向配列が互いにリング軸心方向に間隔を介して複数列配設されていることである。
【００３５】
また、第２実施形態例では、この熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配列形態に対応させて電極２もリング軸心方向に複数配列しており、互いの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の周方向配列は、電極２を介して直列に接続されている。なお、図４（ａ）において、電極２は、図１（ａ）と同様に、ハッチングにより示している。また、図４においてもリード線２８は省略して示しているが、第２実施形態例でも、リング分段部８の両端の電極２のうち適宜の電極２にリード線２８が接続されている。
【００３６】
第２実施形態例は以上のように構成されており、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００３７】
また、第２実施形態例は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の周方向配列をリング軸心方向に複数配列しているので、リング軸心方向の長い距離において冷却でき、レーザダイオード収容部９を囲む領域をリング軸心方向に長く、より広い範囲に渡って効率的に冷却することができ、冷却容量を大きくすることができる。
【００３８】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記各実施形態例では、リング分段部８は内側基板３と外側基板４に１箇所ずつ形成したが、リング分段部８は、内側基板３と外側基板４のいずれか一方のリング周方向に形成してもよい。また、リング分段部８の形成箇所を複数箇所としてもよい。さらに、それぞれの基板３，４に１箇所以上、リング分段部８を形成する場合に、その形成箇所は同じでもよいし、互いに異なる箇所としてもよい。
【００３９】
また、リング分段部８を形成する代わりに、例えば図５の（ｄ）に示すように、基板３，４の少なくとも一方の、リング周方向の１箇所以上に、基板３，４が熱伸縮した場合の歪みを吸収可能な、薄板部２３を形成してもよい。
【００４０】
さらに、例えば図６に示すように、内側基板３と外側基板４の間に、内側基板３と外側基板４の両方に対向する中間基板３４を１つ以上（ここでは１つ）設けてもよい。この場合、中間基板３４の外周面と内周面の両面に、それぞれ互いに間隔を介して複数の電極２を形成し、外側基板４と中間基板３４の間に互いに間隔を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を配列すると共に、内側基板３と中間基板３４の間に互いに間隔を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を配列する。
【００４１】
このように、中間基板３４を設けて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を配列すると、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配列数や配列面積を大きくできるので、より冷却能力の高い熱電変換モジュール１を形成できる。
【００４２】
なお、中間基板３４は内側基板３よりも大きく、かつ、外側基板４は中間基板３４よりも大きい。そして、例えば図６（ａ）に示すように、中間基板３４と外側基板４との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と中間基板３４と内側基板３との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配列間隔をほぼ等間隔とすると、中間基板３４と外側基板４との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の個数を、中間基板３４と内側基板３との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の個数より多くできる。
【００４３】
また、図６（ｂ）に示すように、中間基板３４と外側基板４との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と中間基板３４と内側基板３との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配列個数をほぼ等しくして、中間基板３４と外側基板４との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の大きさを、中間基板３４と内側基板３との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の大きさを大きくすることもできる。
【００４４】
したがって、中間基板３４と外側基板４との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）による冷却能力を、中間基板３４と内側基板３との間に設ける熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）による冷却能力より高くできるので、中間基板３４を設ける構成は、内側基板３と外側基板４の温度差をより大きくすることができ、より一層効率的に、冷却を行える熱電変換モジュール１を形成できる。
【００４５】
さらに、上記各実施形態例では、内側基板３の内径は、レーザダイオード収容部９の被嵌合外径に対応させて、内側基板３の内径をレーザダイオード収容部９の被嵌合外径とほぼ等しく形成したが、内側基板３の内径をレーザダイオード収容部９の被嵌合外径より大きめに形成しておき、内側基板３とレーザダイオード収容部９の間に熱伝導性が良好な高熱伝導部材を設けてもよい。
【００４６】
さらに、本発明の熱電変換モジュールにより冷却を行う冷却対象部は、必ずしもＣＡＮ型のパッケージ１１のレーザダイオード収容部９とするとは限らず、例えば金型の内部からの熱を一端側から他端側へ移動するヒートパイプの他端側とする等、様々な冷却対象部の冷却を本発明の熱電変換モジュールによって行うことができる。
【００４７】
そして、本発明は、図５に示した形状等、様々な形状の内側基板３と外側基板４の間に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を複数配列して、熱電変換モジュール１を形成することができるものであり、基板３，４のリング形状を冷却対象部の嵌合形状に対応させ、内側基板３の内径を冷却対象部の嵌合外径に対応させて形成することにより、簡単な構成で、冷却対象部を効率的に冷却することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、熱電変換モジュールの基板を、内側と外側に間隔を介したリング状の基板としたので、例えば円柱形状や円筒形状等の形状を有して側周がわから発熱する冷却対象部を熱電変換モジュールにより囲繞する態様で設けることができ、内側基板を吸熱側基板とすることにより、簡単な構成で、冷却対象部を効率的に吸熱することができる。そして、内側と外側のリング状の基板のうち、外側基板を放熱側基板とすることにより、外側基板を内側基板より大きくし、吸熱量よりも放熱量の方が大きい熱電変換モジュールの放熱を効率的に行うことができる。
【００４９】
また、本発明において、内側基板と外側基板の少なくとも一方には、リング周方向の１箇所以上の部位にリング分断部が形成されている構成によれば、たとえ基板が熱変動により伸縮しても、その歪みが基板を介して電極や熱電変換素子に加えられることはなく、熱電変換モジュールによる冷却動作を良好に行うことができる。
【００５０】
さらに、本発明において、互いにリング周方向に配設された熱電変換素子の周方向配列が互いにリング軸心方向に間隔を介して複数列配設され、互いの周方向配列は電極を介して直列に接続されている構成によれば、熱電変換素子をより高密度実装することが可能となるし、リング軸心方向の長い距離において冷却できるので、放熱対象部を囲む領域をリング軸心方向に長く、より広い範囲に渡って効率的に冷却することができる。
【００５１】
さらに、本発明において、熱電変換モジュールは、内側基板の内径を、冷却対象部の被嵌合外径に対応させて形成した構成によれば、冷却対象部からの吸熱をより一層効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例を冷却対象のレーザダイオードと共に模式的に示す構成図である。
【図２】上記実施形態例の平面構成を模式的に示す説明図である。
【図３】上記実施形態例の熱電変換モジュールの製造工程を、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面で切断したときの断面状態で模式的に示す説明図である。
【図４】本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例を模式的に示す構成図である。
【図５】本発明の熱電変換モジュールに適用される基板の別の形態例を平面図により模式的に示す説明図である。
【図６】本発明に係る熱電変換モジュールの他の形態例を平面図により模式的に示す説明図である。
【図７】ＣＡＮ型のレーザダイオードの構成例を示す説明図である。
【図８】従来の熱電変換モジュールの例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  熱電変換モジュール
２  電極
３  内側基板
４  外側基板
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
８  リング分段部
９  レーザダイオード収容部
１１  ＣＡＮ型のレーザダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004241714.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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