(57)【要約】【課題】仕切板と、その仕切板に貫通された状態で固定された熱電半導体結晶と、その熱電半導体結晶の両端面に接続された電極とを具備した熱電素子において、仕切板の熱歪みを抑制する。【解決手段】熱電素子１は、仕切板２と、仕切板２を貫通した状態で仕切板１に固定された熱電半導体結晶３と、熱電半導体結晶３の上端にハンダにより接合された上側電極４と、熱電半導体結晶３の下端にハンダにより接合された下側電極５とを備えている。仕切板２の縁の付近に切り込み21を設けた。仕切板２の伸縮が切り込み21により吸収されるので、仕切板１の熱歪みが抑制される。この結果、熱電半導体結晶３の破損及び電極４，５の剥離を防止できるので、熱電素子１の長寿命化を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切板と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結晶と、前記熱電半導体結晶の両端面に接続された電極とを具備した熱電素子において、前記仕切板の縁の付近に切り込みを複数個設けたことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
前記切り込みは前記縁にかかるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】
前記切り込みは前記縁にかからないように形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項４】
前記切り込みは隣接する熱電半導体結晶の間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項５】
前記仕切板の平面形状はほぼ矩形であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項６】
前記切り込みの平面形状はほぼ矩形であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ効果あるいはゼーベック効果を利用した熱電素子に関し、特に、熱歪みに対する耐久性を向上させた熱電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＳＩやコンピュータのＣＰＵ等の冷却装置や、保温冷蔵庫等の電子加熱冷却装置には、ビスマス・テルル等の熱電半導体結晶を備えた熱電素子が使用されている。図５は、特許文献１に開示されたこのような従来の熱電素子を示すものである。この図において（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。
【０００３】
この熱電素子は、熱電半導体結晶101と、アルミナセラミックス等の熱良導性で電気絶縁性を有する材料からなり、熱電半導体結晶101を上下から保持する上側基板102及び下側基板103とを備えている。熱電半導体結晶101は、ｎ型熱電半導体結晶101n及びｐ型熱電半導体結晶101pが交互に配列されており、ｎ型熱電半導体結晶101n及びｐ型熱電半導体結晶101pの上下の端面間にそれぞれ銅板などで構成された上側電極104及び下側電極105がハンダ付けされ、ｎ型熱電半導体結晶101n及びｐ型熱電半導体結晶101pが交互に電気的に直列に接続される。そして、両端の下側電極105にはリード線106,107を介して直流電源が接続されており、この直流電源から電流を流すと、ペルチェ効果により一方の端面側の電極（図では上側電極104 ）で吸熱が起こり、他方の端面側の電極（図では下側電極105）で発熱が起こる。そして、この上下の電極104，105が基板102，103に接合され固定されている。この熱電素子は、例えば、吸熱側となる上側基板102の上に冷却対象を配置し、放熱側となる下側基板103の下にヒートシンクとファンとの組み合わせ等からなるの熱交換部材を配置して使用される。
【０００４】
しかし、前述した熱電素子においては、一方の基板が吸熱により冷却されて収縮し、他方の基板が放熱により温度上昇して膨張したときに、熱歪みにより熱電半導体結晶101n，101pと上側電極104，下側電極105との間の接合が外れてしまうことがある。また、熱電半導体結晶101と熱交換部材との間に基板102，103が介在するため、基板102，103の熱抵抗により熱交換効率が低減されてしまう。
【０００５】
そこで、本願の出願人等は、図６に示すような上下の基板のない両側スケルトン構造の熱電素子を提案した（特許文献２、３）。この熱電素子は、仕切板201に対して、ｐ型熱電半導体結晶202p及びｎ型熱電半導体結晶202nからなる熱電半導体結晶202が貫通した状態で固定された構造を有する。熱電半導体結晶202の上面には銅板などで構成された上側電極203が、下面には銅板などで構成された下側電極204が、いずれもハンダにより接合されており、これらの電極（上側電極203及び下側電極204）により、ｐ型熱電半導体結晶202p及びｎ型熱電半導体結晶202nが交互に電気的に直列に接続される。この直列接続の両端の電極にはリード線（図示せず）が接続されており、直流電源から電流を所定の方向に供給すると、ペルチェ効果により上側電極203で吸熱が起こり、下側電極204で発熱が起こる。電流を逆方向に供給することにより、下側電極204で吸熱させ、上側電極203で発熱させることも可能である。
【０００６】
この熱電素子によれば、仕切板201により冷却側と放熱側との間の空気の対流を防ぐことができるため、従来型に比し、大きな温度差を実現することができる。また、仕切板201 が熱電半導体結晶をほぼ中央で保持し、上下の電極がアルミナセラミックス等の基板に接着あるいは溶着されていない柔構造であるため、剛構造の従来型に比し、駆動電圧のオン／オフ制御、あるいは駆動電圧の極性可逆制御等、熱歪みの影響を大きく受ける制御方式で制御したときに比類のない長寿命を実現することができた。即ち、常温室内で、例えば吸熱側となる上側電極202の上端が−10℃〜０℃程度、放熱側となる下側電極203の下端が50℃前後に保たれると、仕切板201はほぼ20℃〜30℃に保たれ、仕切板及び柔構造が熱応力を充分に吸収するので、長寿命を実現できる。
【０００７】
また、この仕切板201の持つ熱電半導体結晶202の保持力と、電極部の柔構造とが、従来型では基板サイズ；４cm×４cmが限界とされていたものが、仕切板サイズ；７cm×７cmまで製造可能になった。また、仕切板サイズ；10cm×10cm、12cm×12cmのものまで製造可能になってきた。そして、用途も多様化してきた。
【特許文献１】特開昭63-110680号公報（図１）
【特許文献２】特開平10-178217号公報
【特許文献３】特開2000-124509号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的に、熱電素子を冷却装置あるいは加熱装置として用いる場合、例えば特許文献３に開示されているように、ジャケット状に組み込むか又は熱電素子を冷却板と放熱板とで挟み込み、熱伝導を良くするために、かなりの圧力で締め付ける。特許文献２、３に開示された熱電素子の場合、柔構造であるため、上下から大きな圧力で押さえつけた状態で使用することになる。
【０００９】
このとき、吸熱部、放熱部共に、常温を越える高温対象の冷却あるいは加熱に使用する場合、又は放熱部を冷却水で冷却し、吸熱部を超低温冷却に使用する場合（例えば、放熱部を０℃近くの冷却水で冷却し、吸熱部を−50℃前後で冷却する場合、あるいは熱電素子を２段以上の多段配置して、−60℃ないし−80℃の超低温冷却を行う場合等）においては、電極の材料である銅の線膨張率；16.6×10-6m/Kに対して、仕切板の材料であるポリエステル系の樹脂では、その線膨張率が縦方向（板の厚さ方向）；4.0×10-5m/K、横方向（板の平面に平行な方向）；7.04×10-5m/Kであり、仕切板の線膨張率が電極の線膨張率の約５〜20倍程度大きいため、仕切板の201の縁付近における膨張あるいは収縮が無視できない大きさとなる。この点について図７及び図８を参照しながら説明する。
【００１０】
図７において、（ａ）は図６と同様な構成の熱電素子が常温（常温：本明細書では、25℃±３℃程度に温度管理された室内温とする）で通電していない状態を示す正面図であり、（ｂ）は常温で通電し、吸熱側が常温より低く、放熱側が常温より高い状態、即ち通常の使用状態の仕切板201の伸縮を示す図である。なお、図７（ｂ）において、外向きの矢印は膨張を表し、内向きの矢印は収縮を表す。ここで、仕切板201はユニレート（登録商標：ポリエステル系樹脂）製であり、そのサイズは７cm×７cm×0.8mmである。また、熱電半導体結晶202のサイズは直径2.3mm、長さ2.3mmである。さらに、電極203，204は銅製であり、そのサイズは5.5mm×2.5mm×300μmである。なお、ユニレートの線膨張率は縦方向；4.0×10-5m/K、横方向；7.04×10-5m/Kである。
【００１１】
図７（ｂ）において、室温が25℃、図示されていない放熱部がフィン及びファン等により50℃程度に維持され、図示されていない冷却部（吸熱側）が−10℃〜０℃で冷却されている場合、仕切板201の温度は20℃〜30℃となる。したがって、放熱側の電極204 の膨張は5.5mm ×（50℃−25℃）×16.6×10-6≒2.28μm、吸熱側の電極203の収縮は5.5×（０℃−25℃）×16.6×10-6≒−2.28μmである。一方、仕切板201の中心部から21mmの位置における膨張は21mm×（30℃−25℃）×7.04×10-5≒7.40μmである。また、同じ位置における吸熱側の電極203の膨張累積値は−3.5×2.28≒−7.98μm、放熱側の電極204の膨張累積値は3.5×2.28≒7.98μmであるため、吸熱側の電極203及び放熱側の電極204の伸縮は相殺され、累積値はほぼゼロとなる。さらに、仕切板201の中心部から30mmの位置では、仕切板201の膨張は10.56μmとなるが、この位置でも吸熱側の電極203及び放熱側の電極204の伸縮の累積値は相殺されてほぼゼロとなる。このように伸縮することにより、仕切板201が放熱側に撓み、僅かではあるが熱歪みが発生する。
【００１２】
図８は図７（ａ）に示す熱電素子を図７（ｂ）のような一般的な使用方法とは異なる温度、つまり図８（ａ）では常温で通電し、吸熱側、放熱側共に常温より高い状態、図８（ｂ）では常温で通電し、吸熱側、放熱側共に常温より低い状態で使用した場合の仕切板201の伸縮を示す図である。以下、これらの場合における電極203，204及び仕切板210の伸縮について説明する。
【００１３】
図８（ａ）において、室温が25℃、図示されていない吸熱部を50℃程度に維持し、図示されていない加熱部（放熱側）を100℃で加熱する加熱装置として使用した場合、仕切板201の温度は50℃と100℃の中間の75℃程度となる。したがって、放熱側の電極204の膨張は5.5mm×（100℃−25℃）×16.6×10-6≒6.85μm、吸熱側の電極203の膨張は5.5mm×（50℃−25℃）×16.6×10-6≒2.28μmである。一方、仕切板201の中心部から21mmの位置における膨張は21mm×（75℃−25℃）×7.04×10-5≒73.92μmである。また、同じ位置における吸熱側の電極203の膨張累積値は3.5×6.85≒23.98μm、放熱側の電極204の膨張累積値は3.5×2.28≒7.98μmであるから、吸熱側の電極203及び放熱側の電極204の膨張累積値は31.96μmとなる。さらに、仕切板201の中心部から30mmの位置では仕切板201の膨張は105.60μmとなる。また、この位置における吸熱側の電極203の伸縮の累積値は５×6.85≒34.25μmとなり、放熱側の電極204の伸縮の累積値は５×2.28≒11.40μmとなるから、吸熱側の電極203及び放熱側の電極204の伸縮の累積値は45.65μmとなる。したがって、仕切板201の膨張との差異は約−59.95μmとなる。
【００１４】
図８（ｂ）において、室温が25℃、図示されていない放熱部を０℃の冷却水で冷却し、図示されていない吸熱部を−50℃で冷却する冷却装置として使用した場合、仕切板201の温度は０℃と−50℃の中間の−25℃程度となる。したがって、放熱側の電極204の収縮は5.5mm×（０℃−25℃）×16.6×10-6≒−2.28μm、吸熱側の電極203の収縮は5.5mm×（−50℃−25℃）×16.6×10-6≒−6.85μmである。一方、仕切板201の中心部から21mmの位置における膨張は21mm×（−25℃−25℃）×7.04×10-5≒−73.92μmである。また、同じ位置における吸熱側の電極203の膨張累積値は3.5×（−6.85）≒−23.98μm、放熱側の電極204の膨張累積値は3.5×（−2.28）≒−7.98μmであるから、吸熱側の電極203及び放熱側の電極20 の膨張累積値は−31.96μmとなる。さらに、仕切板201の中心部から30mmの位置では仕切板201の膨張は−105.60μmとなる。また、この位置における吸熱側の電極203の伸縮の累積値は５×（−6.85）≒−34.25μmとなり、放熱側の電極204の伸縮の累積値は５×（−2.28）≒−11.40μmとなるから、吸熱側の電極203及び放熱側の電極204の伸縮の累積値は−45.65μmとなる。したがって、仕切板201の膨張との差異は約59.95μmとなる。
【００１５】
図７及び図８を参照した以上の説明から、下記（イ）〜（ハ）のことが分かる
（イ））通常の使用形態、即ち常温で通電し、吸熱側が常温より低く、放熱側が常温より高くなるように使用する場合は、電極203，204、及び仕切板201の伸縮が比較的小さいため、仕切板201及び電極203，204にかかる熱応力は比較的小さい。
（ロ）図８（ａ）に示すような吸熱部及び放熱部が常温よりも高い使用形態、あるいは図８（ｂ）に示すような吸熱部及び放熱部が常温よりも高い使用形態では、仕切板201にかかる熱応力がは無視できない程大きくなる。
（ハ）仕切板201の伸縮は、中心部から遠い縁付近程大きくなり、従って熱応力も縁付近程大きくなる。
【００１６】
仕切板201のサイズが10cm×10cm、12cm×12cmと大型になれば、縁付近の熱応力はさらに大きくなるので、仕切板201の熱歪みも大きくなる。この大きな熱歪みにより熱電半導体結晶202n，202pと電極203，電極204との間の接合が外れてしまうことがある。また、仕切板210や電極203，204と比較して脆い材質からなる熱電半導体結晶202が破損してしまうことがある。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、仕切板と、その仕切板に貫通された状態で固定された熱電半導体結晶と、その熱電半導体結晶の両端面に接続された電極とを具備した熱電素子において、仕切板の熱歪みを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る熱電素子は、仕切板と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定された熱電半導体結晶と、前記熱電半導体結晶の両端面に接続された電極とを具備した熱電素子において、前記仕切板の縁付近に切り込みを複数個設けたことを特徴とする熱電素子である。この構成により、熱電素子の仕切板の伸縮が切り込みにより吸収されるため、仕切板の熱歪みが抑制される。
【００１９】
ここで、仕切板の伸縮は、仕切板の中心部から外側に向かう程大きくなるので、切り込みは少なくとも縁付近に設ける。また、機械的強度を損なわない範囲で、出来るだけ多く設けることが望ましい。さらに、切り込みは、仕切板の縁にかかるように形成しても良いし、縁にかからないように形成しても良い。また、隣接する熱電半導体結晶の間に形成しても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、仕切板と、前記仕切板を貫通した状態でその仕切板に固定された熱電半導体結晶と、その熱電半導体結晶の両端に固定された電極と具備した熱電素子において、仕切板に切り込みを形成したので、仕切板の伸縮を切り込みにより吸収して仕切板の熱歪みを抑制することができる。このため、仕切板の熱歪みによる熱電半導体結晶の破損及び電極の剥離が防止される。したがって、熱電素子のさらなる長寿命化を実現することができ、特に大型の仕切板を備えた熱電素子の長寿命化に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１乃至図３は本発明の第１の実施形態の熱電素子の構成を示す図である。ここで、図１（ａ）は平面（上面）図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。また、図２は底面図、図３は図１（ａ）から平面側の電極を取り除いた様子を示す平面図である。
【００２２】
図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図３に示すように、熱電素子１は、仕切板２と、仕切板２を貫通した状態で仕切板１に固定された熱電半導体結晶３と、熱電半導体結晶３の上端にハンダにより接合された上側電極４と、熱電半導体結晶３の下端にハンダにより接合された下側電極５とを備えている。熱電半導体結晶３は、図５あるいは図６と同じく、ｎ型熱電半導体結晶及びｐ型熱電半導体結晶からなり、それらが仕切板１に交互に配列され、電気的に直列に接続される。仕切板２はユニレート（登録商標）等のポリエステル系樹脂製であり、そのサイズはほぼ７cm×７cm×0.8mmである。熱電半導体結晶３のサイズは直径2.3mm、長さ2.3mmである。上側電極４及び下側電極５はいずれも銅製であり、そのサイズは5.5mm×2.5mm×300μmである。ただし、熱電半導体結晶３、及び電極４，５については、図示の便宜上、小さめに記載した。
【００２３】
本実施の形態の熱電素子１では、仕切板２の四辺における隅の付近には、各辺毎に一つずつ切り込み21を設けた。切り込み21の形状は短冊状つまり平面形状（仕切板２の上面から見た形状）は細長い矩形であり、その外側は仕切板２の縁に達している。つまり、仕切板２の縁にかかるように縁からその内側に形成されている。
【００２４】
以上のように構成された熱電素子１に対して、常温において図示されていない直流電源から通電されると、吸熱側、放熱側共に、それぞれの温度と常温との温度差に応じて伸縮する。ここで、図１における左右方向の伸縮について説明する。図７及び図８を参照しながら説明したように、仕切板２の左右方向の伸縮は、仕切板１の中心部から遠ざかり縁部に近づくに従って大きくなる。このとき、図１に示す熱電素子１において仕切板２のＸ−Ｘ線上の伸縮は切り込み21において不連続となる。つまり、切り込み21がない場合、仕切板２の伸縮量は、Ｘ−Ｘ線に沿って中央から左右に進むに従って大きくなるが、切り込み21があることで、それらの切り込み毎に伸縮量がゼロにリセットされた状態になる。この結果、切り込み21がない場合に伸縮量が最大となる縁付近における伸縮量を小さくすることが可能となる。Ｘ−Ｘ線と直交し、かつ切り込み21を通る線上についても同様である。この結果、仕切板２の熱歪みを抑制し、熱電半導体結晶３及び電極４，５にかかる応力を低減することにより、熱電半導体結晶３の破損及び電極４，５の剥離を防止できるので、熱電素子１の長寿命化を実現することができる。
【００２５】
なお、仕切板２の二つの隅（図１では下端の左右の隅）の付近は短冊状の切り込みからなるカシメ端子取り付け用加工孔22，23が設けられている。このカシメ端子取り付け用加工孔22，23は熱電素子１にリード線を接続するために使用される。また、仕切板２の一つの角に設けた三角形の切り欠き24、切り欠き24の右側の縁の中央に設けた半円形の切り欠き25、及び半円形の切り欠き25を設けた縁と対向する縁の付近に設けた孔26は、いずれも熱電素子１の製造時に使用されるものであるが、孔26は図１における仕切板２の横方向については切り込み21と同様、仕切板２の熱歪みを抑制するはたらきをする。
【００２６】
〔第２の実施形態〕
図４は本発明の第２の実施形態の熱電素子の構成を示す図である。この図は平面側の電極を取り除いた様子を示す平面図である。この図において、図３と同一又は対応する構成要素には図３で使用した符号を付した。また、本実施形態において、平面側及び底面側の電極のパターンは図１及び図２と同一であるため、図示を省略した。
【００２７】
本実施の形態では、切り込みの配置が第１の実施の形態と異なる。即ち、第１の実施形態において縦方向に延びている左右の縁の付近にそれぞれ一対ずつ形成されていた切り込みを設けずに、横方向に延びている上下の縁（辺）の付近において、隣接する熱電半導体結晶３の間に切り込み27を形成した。切り込み27の平面形状はほぼ矩形であり、横方向に延びている上下の縁とほぼ平行に形成されており、長さは切り込み21より短い。また、切り込み27は、図４の横方向について、第１の実施形態とは異なり、仕切板２の縁付近だけでなく、仕切板２の中心付近にも形成した。このため、横方向については、第１の実施形態よりもさらに熱歪みが小さくなる。また、切り込み27を、熱歪みに対して最も弱い熱電半導体結晶３に接触するように設けたので、熱電半導体結晶３にかかる熱応力を最大限に抑制し、その結果、熱電半導体結晶３の破損及び電極４，５の剥離を最小限にし、熱電素子１の長寿命化を実現することができる。
【００２８】
なお、以上説明した第１及び第２の実施形態では、仕切板２のサイズを７cm×７cmとしたが、本発明はより大きなサイズの仕切板を備えた熱電素子に対しても同様に適用可能であり、仕切板のサイズが大きい程、本発明による熱歪み抑制効果が有効に発揮される。また、切り込みの数は、仕切板１の機械的強度を損なわない範囲で、出来るだけ多く設けることが望ましい。さらに、切り込みの形状も矩形に限定されるものではなく、他の形状でも良い。また、第１及び第２の実施形態では、切り込み21が仕切板２の縁にかかるように形成したが、切り込み21が縁にかからないように縁の内側からさらに内側に向けて形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態の熱電素子の平面図及び断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の熱電素子の底面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の熱電素子から平面側の電極を取り除いた様子を示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の熱電素子から平面側の電極を取り除いた様子を示す平面図である。
【図５】従来の熱電素子の正面図及び斜視図である。
【図６】両側スケルトン構造の熱電素子の正面図である。
【図７】図６に示した熱電素子の通常の使用時における仕切板の伸縮を説明するための図である。
【図８】図６に示した熱電素子の通常とは異なる使用時における仕切板の伸縮を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…熱電素子、２…仕切板、３…熱電半導体結晶、４，５…電極、21，27…切り込み。
【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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【図７】
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【図８】
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