(57)【要約】  【課題】熱電モジュールに関して、超格子構造を有する熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮することができる熱電モジュールを提供する。  【解決手段】超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と導電性材料９から構成されるＰ型熱電素子１４と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と導電性材料９からなるＮ型熱電素子１５の表面のうち、通電方向に対して平行な面にそれぞれ絶縁性材料１２を塗布することで、Ｐ型熱電素子１４やＮ型熱電素子１５が第二ハンダ１１内に埋没しても、第二ハンダと導電性材料９との電気絶縁性を、確保できるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を、第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールにおいて、前記導電性材料の表面のうち、通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成することを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を、第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールにおいて、前記Ｐ型熱電素子および前記Ｎ型熱電素子の表面のうち、通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成することを特徴とする熱電モジュール。
【請求項３】
前記導電性材料はＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，の少なくとも一種類以上含む金属であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記絶縁材料は、耐熱性高分子材料であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記第一ハンダと、前記第二ハンダは融点の異なるハンダであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記ハンダは、Ｓｎ−Ｉｎハンダ、Ｓｎ−Ｚｎハンダ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ｓｂハンダ、Ｓｎ−Ａｕハンダのいずれかであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電モジュールを用いた冷蔵庫。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電モジュールを用いた局所冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペルチェ効果を有する熱電素子を用いた熱電モジュールおよび熱電モジュール適用機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、フロンガスを使用しない冷却媒体として、冷凍冷蔵庫やクーラーへの適用が検討されているが、従来の冷却媒体であるコンプレッサーに比べて冷却性能や冷却効率が劣るため、実用化には至ってないのが現状である。
【０００３】
近年、超格子構造を有する熱電素子薄膜（例えば、非特許文献１参照）が非常に高い冷却性能を持つことが発表され、ペルチェ式冷凍冷蔵庫やペルチェ式エアコンディショナーの実用化に一歩前進したように見える。
【０００４】
しかし、この熱電素子薄膜の膜厚は、数μｍ〜数十μｍという厚さであるため取り扱いにくく、熱電素子薄膜単体のみを用いてモジュール化することは容易ではない。
【０００５】
熱電素子薄膜をモジュール化する従来の方法としては、バルク状熱電素子の両端にそれぞれ、超格子構造を有する熱電素子薄膜を接合する方法（例えば、特許文献１参照）や、リソグラフィー工程を用いた方法（例えば、特許文献２参照）が報告されている。
【０００６】
以下、図面を参照しながら上記従来の熱電モジュールを説明する。図４、図５及び、図６は、それぞれ従来の熱電モジュールの断面図である。
【０００７】
図４に示される従来の熱電モジュールは、バルク状のＰ型熱電素子１と、バルク状のＮ型熱電素子２と、電極３及び、ハンダ４から構成されている。ここでバルクとは、熱電素子の原材料を溶解させて作製した溶製材料や、熱電素子の合金粉末を焼結した焼結材料のことである。
【０００８】
また、図５に示す従来の熱電モジュールは、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と、電極３及び、断熱膜７とから構成されている。
【０００９】
また、図６に示す従来の熱電モジュールは、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と、バルク状のＰ型熱電素子１と、バルク状のＮ型熱電素子２及び、電極３とから構成されている。
【００１０】
以上のように構成された従来の熱電モジュールについて、以下その動作を説明する。
【００１１】
図４に示された熱電モジュールにおいて、電流は、電極３、ハンダ４、バルク状のＰ型熱電素子１、ハンダ４、電極３、ハンダ４、バルク状のＮ型熱電素子２、ハンダ４、電極３というπ型の経路を経ることで、一方の電極３では発熱現象、他方の電極３では吸熱現象が発現する。
【００１２】
また、図５に示された熱電モジュールは、リソグラフィーの工程を用いて、電極３、断熱膜７、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６を形成したものであり、図４と同様に電流は、電極３、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、電極３、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６、電極３というπ型の経路を
経ることで、一方の電極３では発熱現象、他方の電極３では吸熱現象を発現する。
【００１３】
また、図６に示された熱電モジュールは、バルク状のＰ型熱電素子１、バルク状のＮ型熱電素子２の両端にそれぞれ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６を接合し、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と電極３、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と電極３とをそれぞれ接合したものであり、図４、図５と同様に電流は、電極３、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、バルク状のＰ型熱電素子１、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、電極３、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６、バルク状のＮ型熱電素子２、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６、電極３というπ型の経路を経ることで、一方の電極３では発熱現象、他方の電極３では吸熱現象を発現する。
【非特許文献１】Rama Venkatasubramanian, Edward Siivola, Thomas Colpitts & Brooks O' Quinn, Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature, vol 413,597-602,2001
【特許文献１】特開平１１−３３０５６９号公報（第７頁、図１）
【特許文献２】特開平８−１２５２３７号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図４に示される従来の熱電モジュールは熱電素子を組み立てる工法として確立しているが、熱電モジュールの低温面の温度や吸熱量などの冷却性能は、バルク状のＰ型熱電素子１とバルク状のＮ型熱電素子の性能指数によって決定される為、冷却性能を示す性能指数においてＺ＝３．０×１０-19（l／Ｋ）が限界であり、さらなる冷却性能の向上は困難である。
【００１５】
また、図５に示されるような従来のモジュールにおいては、バルク状熱電素子よりも熱伝導率を低く抑えた超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６を用いることで、性能指数が大きくなるため、十分な冷却性能を期待できるが、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６の膜厚が数μｍ〜数十μｍと非常に薄いため、温度の異なる基板間で熱リークが生じ、ペルチェ効果による吸熱量が減少してしまうという課題が存在した。
【００１６】
さらに、図６に示されるような従来のモジュールにおいては、バルク状のＰ型熱電素子１、バルク状のＮ型熱電素子２の両端にそれぞれ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６を接合し、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と電極３、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と電極３とをそれぞれ接合するとあるが、この熱電モジュールを動作させると、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５とバルク状のＰ型熱電素子１、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と電極３とのそれぞれの接合面において熱膨張による反りが発生し、モジュールが破壊されるという問題がある。
【００１７】
また、電極３の素材によっては、電極３を構成する成分がモジュールを動作させている時に、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜１や超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜中に拡散し、性能が劣化するという問題がある。
【００１８】
さらに、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６をそれぞれハンダ４によって接合すると、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６がそれぞれハンダ４内に埋没してしまい、バルク状のＰ型熱電素子１とバルク状のＮ型熱電素子２がそれぞれハンダ４と直接、電気的に接続してしまうことで、電極３からの電流が薄膜状の熱電素子を通ることなく、バルク状の
Ｐ型熱電素子１やバルク状のＮ型熱電素子２を通過し、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５や超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６内を通過しないため、熱電モジュールの冷却性能はバルク状のＰ型熱電素子１とバルク状のＮ型熱電素子２の性能指数に依存してしまうといった問題がある。
【００１９】
本発明は、これら従来の課題を解決するものであり、冷却性能の高い熱電材料薄膜を用いた熱電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールであり、前記導電性材料の表面のうち通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成するものである。
【００２１】
これにより、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができるという作用を有する。ここで、超格子構造とは、二種類以上の異なる組成からなる半導体を少なくとも二層以上積層させた構造である。
【００２２】
また、本発明は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールであり、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子の表面のうち通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成するものである。
【００２３】
これにより、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させることができ、また、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の通電方向に対して平行な面からの電流の侵入を防ぎ、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができる熱電モジュールを提供することができる。
【００２５】
また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させ、また、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の通電方向に対して平行な面からの電流の侵入を防ぎ、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができる熱電モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の請求項１に記載の発明は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールであり、前記導電性材料の表面のうち通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成するものである。
【００２７】
これにより、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができるという作用を有する。ここで、超格子構造とは、二種類以上の異なる組成からなる半導体を少なくとも二層以上積層させた構造である。
【００２８】
請求項２に記載の発明は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＰ型熱電素子と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜を第一ハンダを介して導電性材料の通電方向に対して垂直な二面に熱的かつ電気的に接続することで構成されたＮ型熱電素子とをそれぞれ第二ハンダを介して電極と電気的に直列に接続することで作製された熱電モジュールであり、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子の表面のうち通電方向に対して平行な全ての面に絶縁性材料からなる層を形成するものである。
【００２９】
これにより、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させることができ、また、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の通電方向に対して平行な面からの電流の侵入を防ぎ、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜および前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができるという作用を有する。
【００３０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明における導電性材料に、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，の少なくとも一つ以上含む金属を用いるものである。これにより、前記Ｐ型熱電材料薄膜と、前記Ｎ型熱電材料薄膜のそれぞれで吸収した熱量を、他方の前記Ｐ型熱電材料薄膜、前記Ｎ型熱電材料薄膜へ素早く移動させることができるという作用を有する。
【００３１】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明における絶縁性
材料に、耐熱性高分子材料を用いるものである。これにより、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜とがそれぞれ、第二ハンダ内に埋没しても導電性材料と第二ハンダ間の絶縁性が高く保たれ、電極からの電流を短絡させることなく、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をそれぞれ通過させることができるという作用を有する。
【００３２】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第一ハンダは、前記第二ハンダと融点の異なるハンダを用いるものである。
【００３３】
これにより、第二ハンダを用いて前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子を前記電極に接合する際、第一ハンダが融解することなく、前記超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と前記導電性材料間、前記超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜と前記導電性材料間の接合を維持できるという作用を有する。
【００３４】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記ハンダに、Ｓｎ−Ｉｎハンダ、Ｓｎ−Ｚｎハンダ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ｓｂハンダ、Ｓｎ−Ａｕハンダのいずれかを用いるものである。これにより、鉛成分が無いため、廃棄時の処理工程が容易になるという作用を有する。
【００３５】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電モジュールを冷蔵庫に用いるものである。これにより、冷却器側熱交換器から吸収した冷蔵庫の熱を熱電モジュールにより大量に吸収できるという作用を有する。
【００３６】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電モジュールをレーザーダイオードやＣＣＤ等の半導体装置等の局所冷却装置に用いるものである。これにより、冷却器側熱交換器から吸収した半導体装置の熱を局所冷却装置により大量に吸収できるという作用を有する。
【００３７】
以下、本発明による熱電モジュールの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による熱電モジュールの断面図である。
【００３９】
図１に示すように、熱電モジュール８は、電極３と、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６と、導電性材料９と、第一ハンダ１０と、第二ハンダ１１、絶縁性材料１２、Ｎｉメッキ層１３とから構成される。
【００４０】
また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５及び、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜はそれぞれ、ＭＯＣＶＤ法により作製されたものであり、それぞれＢｉ2Ｔｅ3（膜厚１０〜５０Å）／Ｓｂ2Ｔｅ3（膜厚１０〜１００Å）、Ｂｉ2Ｔｅ3（膜厚１０〜５０Å）／Ｂｉ2Ｓｅ3（膜厚１０〜１００Å）により構成される。
【００４１】
また、電極３と導電性材料９は、電気伝導率、熱伝導率が良い銅であり、第一ハンダ１０は融点が比較的高いＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、第二ハンダ１１は第一ハンダ１０よりも融点の低いＳｎ−Ｉｎハンダにより構成される。また、絶縁性材料１２は、第一ハンダ１０、第二ハンダ１１の融点以上の温度で使用できるエポキシ樹脂により構成され、印刷法により塗布される。
【００４２】
まず、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６の通電方向に垂直な面にそれぞれ、Ｎｉメッキ１３（図示せず）を溶射により塗布する。
【００４３】
次に、導電性材料９の通電方向に対して垂直なそれぞれの面にクリーム状の第一ハンダ１０をスクリーン印刷法により塗布し、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５をそれぞれ接合し、リフロー工程を経てＰ型熱電素子１４を得た。また同様に、導電性材料９の通電方向に対して垂直なそれぞれの面にクリーム状の第一ハンダ１０をスクリーン印刷法により塗布し、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６をそれぞれ接合し、リフロー工程を経てＮ型熱電素子１５を得た。
【００４４】
このＰ型熱電素子１４と、Ｎ型熱電素子１５の通電方向に対して平行なそれぞれの面に絶縁性材料１２をスクリーン印刷法により塗布した後、Ｐ型熱電素子１４、Ｎ型熱電素子１５の通電方向に対して垂直なそれぞれの面にクリーム状の第二ハンダ１１をスクリーン印刷法により塗布し、電極３をそれぞれ接合した後、リフロー工程を経ることで熱電モジュール８を得た。
【００４５】
以上のように構成された熱電モジュールについて、以下その動作を説明する。
【００４６】
以上のように構成された熱電モジュールは、導電性材料９と第二ハンダ１１との間に、絶縁性材料１２を介して接合しているため、電気絶縁性が確保され、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６が第二ハンダ１１内に埋没しても、電極からの電流をすべて、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６にそれぞれ導くことができ、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６の冷却性能を十分に発揮させることができる。
【００４７】
また、導電性材料９と超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、導電性材料９と超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６、それぞれの接合に第一ハンダ１０と第二ハンダ１１を用いることで、モジュールの動作時に発生する各部材の熱膨張率の違いによる熱応力を緩和することができる。また、Ｐ型熱電素子１４及び、Ｎ型熱電素子１５の通電方向に対して垂直なそれぞれの面に第二ハンダ１１を塗布することで、電極３との接合面に発生する熱応力を緩和することができる。
【００４８】
また、第二ハンダ１１は第一ハンダ１０と融点が異なるため、第二ハンダ１１のリフロー工程で、第一ハンダ１０が融解することなく、導電性材料９と超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５、導電性材料９と超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６それぞれの接合を保つことができる。
【００４９】
なお、本発明の実施の形態１において電極３と導電性材料９をそれぞれ銅としたが、電極３と導電性材料９は、銅以外にも電気伝導率および熱伝導率が高い銀や金または、これらの金属を含む合金であれば同様の効果が得られる。
【００５０】
また、第一ハンダ１０と第二ハンダ１１をそれぞれ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ｉｎハンダとしたが、第一ハンダ１０と第二ハンダ１１は、Ｓｎ−Ｉｎハンダ、Ｓｎ−Ｚｎハンダ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ｓｂハンダ、Ｓｎ−Ａｕハンダの中から一つずつ選択され、かつ、第一ハンダ１０は第二ハンダの融点を超えるものであれば同様の効果が得られる。
【００５１】
また、Ｎｉメッキの塗布方法を溶射としたが、蒸着や電気メッキ及び無電解メッキでも
よい。また、絶縁性材料１２をエポキシ樹脂としたが、絶縁性材料１２は、室温（２０℃）での体積抵抗率が１０10Ωｃｍ以上である耐熱性高分子材料であり、かつ、絶縁性材料の適用温度が第一ハンダ１０と第二ハンダ１１の融点以上であれば同様の効果が得られる。
【００５２】
また、絶縁性材料１２の塗布方法を印刷法としたが、液状の絶縁性材料で満たされた槽にＰ型熱電素子１４及び、Ｎ型熱電素子１５の通電方向に対して垂直なそれぞれの面以外を浸すことで形成してもよい。
【００５３】
また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５及び、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６の通電方向に対して垂直な面にそれぞれＮｉメッキ層１３を施したが、電極３や導電性材料９や第一ハンダ１０や第二ハンダ１１をそれぞれ構成する成分が、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５内、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６内に拡散しないようであれば、Ｎｉメッキ層１３を用いなくてもよい。
【００５４】
また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５および超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜６、導電性材料９、電極３の形状は一切指定しない。また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５及び、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜はそれぞれ、Ｂｉ2Ｔｅ3（膜厚１０〜５０Å）／Ｓｂ2Ｔｅ3（膜厚１０〜１００Å）、Ｂｉ2Ｔｅ3（膜厚１０〜５０Å）／Ｂｉ2Ｓｅ3（膜厚１０〜１００Å）としたが、性能指数が向上する膜厚の比や積層回数については問わない。
【００５５】
また、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜５及び、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜をＭＯＣＶＤで作製したとあるが、ＭＢＥ法やスパッタリング法等の薄膜形成方法であれば何でもよい。
【００５６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による冷蔵庫の概略図である。
【００５７】
図２において、熱電モジュール８は本発明の実施の形態１で作製された熱電モジュールであり、熱電材料薄膜は、室温付近で優れた冷却性能を示すビスマス・テルル系を使用した。
【００５８】
本実施の形態２は、実施の形態１による熱電モジュールに、さらに、冷却側熱交換器１６と、放熱側熱交換器１７と、冷却側ファン１８と、放熱側ファン１９と、断熱材２０と、冷蔵庫２１、冷却側ブロック２２とを設けたものである。
【００５９】
以上のように構成された冷蔵庫について、以下その動作を説明する。
【００６０】
まず、熱電モジュール８に電流が流れると、熱電モジュール８は冷蔵庫２１内の熱を冷却側熱交換器１６と冷却側ブロック２２介して吸収し、冷蔵室２３の熱を吸収する。冷蔵室２３の温度を均一にするため、冷却側ファン１８を用いて冷気を循環させる。
【００６１】
この冷却工程と同時に熱電モジュール８は、冷蔵室２３から吸収した熱を放熱側熱交換器１７と、放熱側ファン１９を用いて庫外へ放出する。
【００６２】
また、冷蔵庫２１は高い断熱性能を持った断熱材２０で構成されているため、外部より冷蔵庫２１内部へ侵入する熱はほとんどなく、冷蔵室２３はほぼ一定の温度で保たれる。
【００６３】
次に、熱電モジュール８の低温端を０℃で保つ条件において、熱電モジュール８を使用
したときの試算結果を（表１）に示す。あわせて従来の熱電モジュールを使用したときの試算結果と比較した。
【００６４】
【表１】
2005109141.tif 000003
【００６５】
以上のように本実施の形態の冷蔵庫は、（表１）の結果から超格子構造を有する熱電素子薄膜からなる熱電モジュール８と、冷却側熱交換器１６と、放熱側熱交換器１７と、冷却側ファン１８と、放熱側ファン１９と、断熱材２０と、冷蔵庫２１とから構成することで、従来の熱電モジュールを使用した冷蔵庫よりも高い成績係数で駆動することができる。
【００６６】
なお、本発明の実施の形態２において、熱電モジュール８の熱交換方式を、冷却側熱交換器１６と、放熱側熱交換器１７と、冷却側ファン１８と、放熱側ファン１９による空冷方式としたが、液体循環による水冷方式でも同様の効果が得られる。
【００６７】
また、熱電モジュール８を一つ使用したが、冷蔵室、冷凍室、野菜室等の部屋数や、冷却能力の大小に応じて熱電モジュールを複数個使用しても同様の効果が得られる。
【００６８】
また、断熱材２０としては、グラスウールやロックウール等の鉱物系材料や、ポリスチレンフォームやフェノールフォーム等の発泡プラスチック系材料、発泡ガラスや発泡炭化カルシウム等の発泡無機質系材料、炭化発泡コルクやセルロースウール等の木質系繊維材料、フラックス繊維やハンフ繊維等の植物系繊維材料などが考えられるが、材料の種類や形状は一切指定しない。
【００６９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による局所冷却装置の概略図である。
【００７０】
図３において、熱電モジュール８は本発明の実施の形態１で作製された熱電モジュールであり、熱電材料薄膜は、室温付近で優れた冷却性能を示すビスマス・テルル系を使用した。本発明における半導体装置２４は、一例としてレーザーダイオードとした。
【００７１】
本実施の形態３は、実施の形態１による熱電モジュールに、さらに、半導体装置２４と、放熱側熱交換器１７と、放熱側ファン１９とを設けたものである。
【００７２】
以上のように構成された局所冷却装置について、以下その動作を説明する。
【００７３】
まず、熱電モジュール８に電流が流れると、熱電モジュール８は半導体装置２４の動作とともに発生した熱を吸収し、半導体装置２４を冷却し、また、熱電モジュール８は、半導体装置２４から吸収した熱を放熱側熱交換器１７と、放熱側ファン１９を用いて大気へ放出する。
【００７４】
次に、熱電モジュール８の低温端の温度を１０℃に保つ条件において、熱電モジュール８を使用したときの試算結果を（表２）に示す。あわせて従来の熱電モジュールを使用したときの試算結果と比較した。
【００７５】
【表２】
2005109141.tif 000004
【００７６】
以上のように本実施の形態の局所冷却装置は、（表２）の結果から、本発明の実施の形態１で使用した熱電モジュール８を用いることで、従来の熱電モジュールよりもより高い冷却性能を有する熱電モジュール８と、放熱側熱交換器１７と、放熱側ファン１９とから構成されているので、従来の熱電モジュールを使用した局所冷却装置よりもより高い成績係数を得ることができ、半導体装置２４の発熱を効率良く動作させることができる。
【００７７】
なお、本発明の実施の形態３において、半導体装置をレーザーダイオードとしたが、ＣＣＤや液晶プロジェクターやＣＰＵ等の発熱を伴う半導体装置であれば、同様の効果が得られる。
【００７８】
また、熱電モジュール８の熱交換方式を、放熱側熱交換器１７と、放熱側ファン１９による空冷方式としたが、液体循環による水冷方式でも同様の効果が得られる。熱電モジュール８を直接、半導体装置２４に取り付けられない場合は、冷却側にも熱交換器やファン
を使用しても同様の効果が得られる。また、熱電モジュール８を一つ使用したが、冷却能力の大小に応じて熱電モジュールを複数個使用しても同様の効果が得られる。
【００７９】
また、ファンとしては、プロペラファン、シロッコファンなどが考えられるが、ファンの種類や大きさ、取り付け位置については一切指定しない。また、断熱材２０としては、グラスウールやロックウール等の鉱物系材料や、ポリスチレンフォームやフェノールフォーム等の発泡プラスチック系材料、発泡ガラスや発泡炭化カルシウム等の発泡無機質系材料、炭化発泡コルクやセルロースウール等の木質系繊維材料、フラックス繊維やハンフ繊維等の植物系繊維材料などが考えられるが、材料の種類や形状は一切指定しない。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明にかかる熱電モジュールおよび熱電モジュール適用機器は、超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜と、超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜の冷却性能を十分に発揮させることができる熱電モジュールを提供することができ、熱電モジュールを適用する機器等の分野で効率を高める要求に対して有用である。  
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明による熱電モジュールの実施の形態１の断面図
【図２】本発明による冷蔵庫の実施の形態２の概略図
【図３】本発明による半導体冷却装置の実施の形態３の概略図
【図４】従来の熱電モジュールの断面図
【図５】従来の熱電モジュールの断面図
【図６】従来の熱電モジュールの断面図
【符号の説明】
【００８２】
３    電極
５    超格子構造を有するＰ型熱電材料薄膜
６    超格子構造を有するＮ型熱電材料薄膜
８    熱電モジュール
９    導電性材料
１０  第一ハンダ
１１  第二ハンダ
１２  絶縁性材料
１３  Ｎｉメッキ層
１４  Ｐ型熱電素子
１５  Ｎ型熱雷素子
１６  冷却側熱交換器
１７  放熱側熱交換器
１８  冷却側ファン
１９  放熱側ファン
２０  断熱材
２１  冷蔵庫
２２  冷却用ブロック
２３  冷蔵室
２４  半導体装置
【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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