(57)【要約】【課題】温度変動による駆動電流値の変動を抑制し、容量の小さな電源装置を用いても冷却能力や加熱能力を一定に保つことが可能なペルチェモジュールを提供する。【解決手段】ペルチェモジュール１０は、ペルチェ素子２３の駆動電圧が５Ｖである場合には、ペルチェ素子２３を４５対以下で形成する。また、ペルチェ素子２３の駆動電圧が３．３Ｖである場合には、ペルチェ素子２３を３５対以下で形成する。また、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の消費電力をＷと規定した時に、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積Ｓを０．０８３×Ｗ（ｍｍ２  ）以下に形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の熱電材料からなるペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を電気的に直列接続する電極とを備えたペルチェモジュールであって、
前記ペルチェ素子の駆動電圧が５Ｖである場合には、４５対以下の前記ペルチェ素子を備え、前記ペルチェ素子の駆動電圧が３．３Ｖである場合には、３５対以下の前記ペルチェ素子を備え、それぞれの熱電材料の消費電力をＷとした時に、それぞれの熱電材料の駆動電流の流れる方向に対して鉛直な断面の面積を０．０８３×Ｗ（ｍｍ２  ）以下となるように形成したことを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２】
前記ペルチェモジュールは、駆動中の抵抗値の変化を基準値の１．５倍以内にしたことを特徴とする請求項１に記載のペルチェモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果を利用したペルチェモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
異種の導体や半導体を接触させて電流を流すと、接点でジュール熱以外に熱の発生や吸熱が生じる、いわゆるペルチェ効果が生じることが知られている。こうしたペルチェ効果を利用したペルチェモジュールは、一対の熱電素子、つまりｐ型半導体素子とｎ型半導体素子とを電極で直列に接続したペルチェ素子を複数対備えて構成されている。このようなペルチェモジュールは、小型の冷却装置や加熱装置などに広く用いられている。
【０００３】
こうしたペルチェモジュールは冷却能力や加熱能力が駆動電流量に依存するため、変動を抑えて一定の能力で安定して駆動させるために、一般的に定電流回路が用いられている。定電流回路を用いることで、ペルチェモジュールの動作環境温度の変化に伴って抵抗値が変化しても、ペルチェ素子を流れる電流値を一定に保って冷却能力や加熱能力の変動を防ぐことができる（例えば、特許文献１参照。）。一方、駆動回路部を小型化することで、ペルチェモジュールを搭載する装置の小型化、低コスト化するため、定電圧駆動回路を使用する例も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３５３８３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１５１７４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような定電圧回路を用いると、ペルチェ素子の温度変動による抵抗値の変化によって、ペルチェモジュールの消費電圧が変化する。抵抗値が下がって電流が増加すると、必要になる電源容量を大きくしないといけない。さらに、電流値が大きく変化すると、制御が複雑になる問題が生じる。通常、例えば、レーザーモジュールなどで用いられるペルチェ素子の外気温は＋２５〜＋７５℃であり、２５℃と７５℃では、直流抵抗で１．７倍程度の差が生じる。電源容量としては最大時の容量を基準にするため、２５℃での電流値をもとに電源容量は設定される。こうした抵抗値の差は、例えば表１に示すように、ペルチェ素子の消費電力が大きくなるほど大きくなり、ペルチェモジュールを一定の能力で動作させるには、ペルチェ素子の温度変動による消費電力の増加に対応した大容量の電源装置が必要であった。こうした大容量の電源装置は、サイズ、重量が大きくなり、ペルチェモジュールを搭載した装置の小型、軽量化の障害なっていた。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、温度変動による駆動電流値の変動を抑制し、容量の小さな電源装置を用いても冷却能力や加熱能力を一定に保つことが可能なペルチェモジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、一対の熱電材料からなるペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を電気的に直列接続する電極とを備えたペルチェモジュールであって、前記ペルチェ素子の駆動電圧が５Ｖである場合には、４５対以下の前記ペルチェ素子を備え、前記ペルチェ素子の駆動電圧が３．３Ｖである場合には、３５対以下の前記ペルチェ素子を備え、それぞれの熱電材料の消費電力をＷとした時に、それぞれの熱電材料の駆動電流の流れる方向に対して鉛直な断面の面積を０．０８３×Ｗ（ｍｍ２  ）以下となるように形成したことを特徴とするペルチェモジュールが提供される。
【０００９】
抵抗値の温度変化の原因は、ペルチェ素子を構成する熱電材料（半導体材料）の温度依存性とペルチェ素子に温度差が生じることによって起電力が生じることによる。ペルチェ素子の動作時の電圧をＶとすると、
Ｖ＝Ｉ×Ｒ（ｔ）＋２×Ｎ×α（ｔ）×ΔＴ
で表される（ペルチェ素子の抵抗値Ｒとαは温度Ｔの関数となる）。ここで、Ｎはペルチェモジュールにおけるペルチェ素子の対数、ΔＴは動作時の温度差を表す。Ｖを定数にした時に電流値Ｉの変化を少なくするには、Ｒ（ｔ）の温度依存性を改善するか、あるいは２×Ｎ×α（ｔ）の変化を少なくすれば良い。但し、前記表１のように、動作時の抵抗値は消費電力によって規定されているので、この表１を満足する範囲で決定する必要がある。
【００１０】
ペルチェ素子に用いられる熱電材料（半導体材料）の温度特性によって１５％程度抵抗値は増加し、残りの４５％程度が起電力による抵抗値の増加分である。相対的にＩ×Ｒ（ｔ）の比率を増やすことで変化率を下げることが可能である。具体的にはペルチェ素子を細くして、ペルチェモジュールにおけるペルチェ素子の対数を少なくすることで実現する。
【００１１】
このようなペルチェモジュールによれば、動作電圧に応じてペルチェ素子を形成する対数を少なくしたり、また、熱電材料の駆動電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積を小さく抑えることによって、ペルチェモジュールの動作環境の温度変化による熱電材料の電気抵抗の変化を最小限にすることが可能になる。こうしたペルチェモジュールを用いれば、ペルチェ素子を流れる電流値の変動を最小限にできるので定電圧駆動が可能になり、容量の小さな電源装置を用いても冷却能力や加熱能力を一定に保つことが可能になる。前記ペルチェモジュールは、駆動中の抵抗値の変化を基準値の１．５倍以内にするのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明のペルチェモジュールの主要部を示す斜視図である。ペルチェモジュール１０は、一対の熱電材料である直方体のｐ型半導体素子（熱電材料）２１と直方体のｎ型半導体素子（熱電材料）２２からなるペルチェ素子２３と、これらを接続する電極２４と、電極２４を介してペルチェ素子２３を挟持する上側基板２５および下側基板２６とから概略構成されている。
【００１３】
ペルチェ素子２３を構成するｐ型半導体素子２１とｎ型半導体素子２２は、一定の間隔を空けて交互に配置されており、それぞれの両端部で電極２４を介して全体が直列に接続されている。
【００１４】
図２は、図１に示したペルチェモジュールの拡大断面図である。ｐ型半導体素子２１とｎ型半導体素子２２の一面は電極２４を介して上側基板２５に接合されている。また、ｐ型半導体素子２１とｎ型半導体素子２２の他面は電極２４を介して下側基板２６に接合されている。上側基板２５および下側基板２６の外側には、熱源等の第１伝熱体３１および放熱装置等の第２伝熱体３２がそれぞれ接合されている。
【００１５】
上側基板２５および下側基板２６の対向する面には金属層３３がそれぞれ形成されている。ｐ型半導体素子２１の両面は半田３５によってそれぞれ電極２４に接合されている。同様に、ｎ型半導体素子２２の両面は半田３５によってそれぞれ電極２４に接合されている。また、電極２４は半田３５によって上側基板２５または下側基板２６にそれぞれ接合されている。
【００１６】
ｐ型半導体素子２１は、例えばＳｂ２  Ｔｅ３  −Ｂｉ２  Ｔｅ３  合金などで形成されればよく、ｎ型半導体素子２２は、例えばＢｉ２  Ｔｅ３  −Ｂｉ２  Ｓｅ３  合金などで形成されればよい。電極２４は、例えば銅などからなる導電性金属薄膜などで形成されている。上側基板２５および下側基板２６は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などからなるセラミックス基板で形成されていればよい。
【００１７】
このようなペルチェ素子２３に通電すると、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２に熱の移動が起こり、上側基板２５と下側基板２６との間に温度差が発生し、上側基板２５または下側基板２６の一方が吸熱側となり、他方が放熱側となる。そのため、第１伝熱体３１および第２伝熱体３２を冷却または加熱することが可能となる。
【００１８】
再び図１を参照して、本発明のペルチェモジュール１０は、ペルチェ素子２３の駆動電圧が５Ｖである場合には、ペルチェ素子２３を４５対以下、２４対以上の範囲で形成する。また、ペルチェ素子２３の駆動電圧が３．３Ｖである場合には、ペルチェ素子２３を３５対以下１６対以上の範囲で形成する。
【００１９】
また、本発明のペルチェモジュール１０は、熱電材料であるｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の消費電力をＷと規定した時に、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積Ｓを０．０８３×Ｗ（ｍｍ２  ）以下に形成する。
【００２０】
このように、ペルチェモジュール１０の動作電圧に応じてペルチェ素子２３を形成する対数を少なくしたり、また、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積Ｓを小さく抑えることによって、ペルチェモジュール１０の動作環境の温度変化によるｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の電気抵抗の変化を最小限にすることが可能になる。こうしたペルチェモジュール１０を用いれば、ペルチェ素子を流れる電流値の変動を最小限にできるので定電圧駆動が可能になり、動作電源装置に小型、軽量なものを用いることが可能になる。容量の小さな電源装置を用いても冷却能力や加熱能力を一定に保つことが可能になる。
【００２１】
このようなペルチェ素子２３を形成する対数や、ｐ型半導体素子２１およびｎ型半導体素子２２の電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積の設定は、ペルチェ素子２３に駆動電流を流しているときに、その抵抗値の変化が最大で１．５倍以内になるように設計することが好ましい。
【００２２】
【実施例】
本出願人は本発明のペルチェモジュールの効果について検証した。検証にあたって、３．３Ｖ動作のペルチェモジュール用に、高さが１ｍｍ、断面積が０．２５ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を３２対形成したもの、断面積が０．１６ｍｍ２  の半導体素子からなるペルチェ素子を２２対形成したもの、断面積が０．１２ｍｍ２  の半導体素子からなるペルチェ素子を１６対形成したもの、及び断面積が０．２７ｍｍ２  の半導体素子からなるペルチェ素子を３５対形成したものの４種類の本発明のペルチェモジュールを準備した。
【００２３】
また５Ｖ動作のペルチェモジュール用に、高さが１ｍｍ、断面積が０．２５ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を４５対形成したもの、断面積が０．１６ｍｍ２  の半導体素子からなるペルチェ素子を３１対形成したもの、および断面積が０．１２ｍｍ２  の半導体素子からなるペルチェ素子を２４対形成したものの３種類の本発明のペルチェモジュールをそれぞれ準備した。
【００２４】
一方、従来のペルチェモジュールを比較例として、３．３Ｖ動作用に、高さが１ｍｍ、断面積が０．５０ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を５４対形成したもの、および断面積が０．３６ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を３６対形成したものを準備した。また５Ｖ動作用に、高さが１ｍｍ、断面積が０．５０ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を７７対形成したもの、断面積が０．２９ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を４７対形成したもの、断面積が０．３４ｍｍ２  の半導体素子（熱電材料）からなるペルチェ素子を５０対形成したものをそれぞれ準備した。
【００２５】
これらの各サンプルであるペルチェモジュールに動作電流を流し、外気温（動作環境温度）が２５℃時の動作電流値と、外気温が７５℃時の動作電流値とを上述した全ての測定サンプルで測定した。、３．３Ｖ動作のペルチェモジュールの測定結果を表２に、５Ｖ動作のペルチェモジュールの測定結果を表３にそれぞれ示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
【表３】
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【００２８】
表２によれば、本発明例の３．３Ｖ動作のペルチェモジュールでは、外気温が７５℃時の動作電流値が０．９１Ａに対して、断面積が異なる４種類の測定サンプルは、外気温が２５℃時の動作電流値が１．３０〜１．１６の範囲におさまり、いずれも半導体素子の抵抗値の温度依存性が１．５倍以内であることが確認された。
【００２９】
一方で、従来例のペルチェモジュールでは、外気温が７５℃時の動作電流値が０．９１Ａに対して、外気温が２５℃時の動作電流値が１．５２Ａ若しくは１．３９Ａにもなり、極めて抵抗値の変動が大きいことが確認された。
【００３０】
一方、５Ｖ動作のペルチェモジュールにおいては、表４に示すように、電流値の小さい領域では問題が少ないため、消費電力が４Ｗ以上になるあたりから動作電流が大きくなり、問題となる。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
表３によれば、こうした５Ｖ動作のペルチェモジュールにおいても、本発明例では、外気温が７５℃時の動作電流値が１．００Ａに対して、断面積が異なる３種類の測定サンプルは、外気温が２５℃時の動作電流値が１．３９〜１．２７の範囲におさまり、いずれも半導体素子の抵抗値の変化が１．５倍以内であることが確認された。
【００３３】
一方で、従来例のペルチェモジュールでは、外気温が７５℃時の動作電流値が１．００Ａに対して、外気温が２５℃時の動作電流値が１．６３にもなり、極めて抵抗値の変動が大きいことが確認された。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のペルチェモジュール、動作電圧に応じてペルチェ素子を形成する対数を少なくしたり、また、熱電材料の駆動電流が流れる方向に対して鉛直な断面の面積を小さく抑えることによって、ペルチェモジュールの動作環境の温度変化による熱電材料の電気抵抗の変化を最小限にすることが可能になる。こうしたペルチェモジュールを用いれば、ペルチェ素子を流れる電流値の変動を最小限にできるので定電圧駆動が可能になり、容量の小さな電源装置を用いても冷却能力や加熱能力を一定に保つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のペルチェモジュールを示す拡大斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すペルチェモジュールの拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  ペルチェモジュール
２１  ｐ型半導体素子（熱電材料）
２２  ｎ型半導体素子（熱電材料）
２３  ペルチェ素子
【図１】
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【図２】
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