(57)【要約】電子部材等を冷却するのに適する、熱電素子を利用した冷却方法及びその冷却方法を用いた小型の冷却装置を提供するため、例えば図２（ａ）に示すように、Ｐｔの金属薄膜の両端にｎ型半導体及びｐ型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記ｎ型半導体の他端部と、前記ｐ型半導体の他端部にＣｕの電極を各々接合して、ｎ型半導体からｐ型半導体の方向に電流を流すと、ｎ型半導体側全体が独立して吸熱作用を生じて図示のような温度分布で冷却する。金属薄膜をＣｕとしたときには（ｂ）に示すように両半導体側が同様に冷却する。金属薄膜をＰｂとしたときにはｐ型半導体側がｎ型半導体側より特に冷える。この作用を利用して、半導体レーザ素子の冷却等のエレクトロニクス素子の冷却のほか、生・化学反応等のために用いるマイクロスケールの反応装置の冷却に有効に使用することもできる。
2004105145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属の両端にｎ型半導体及びｐ型半導体の各端部を互いに離間して接合し、
前記ｎ型半導体の他端部に第２金属を、前記ｐ型半導体の他端部に第３金属を接合し、
前記第２金属と第３金属のいずれか一方から前記半導体と前記第１金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却作用を行うことを特徴とする熱電素子利用冷却方法。
【請求項２】
前記第１金属と前記第２金属とは異なる種類の金属であり、前記第２金属と前記第３金属とは同一種類の金属であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子利用冷却方法。
【請求項３】
前記金属は全て同一種類の金属であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子利用冷却方法。
【請求項４】
前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第２金属に接合し、次いでｎ型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第１金属の端部に接合し、次いで前記第１金属の他端部にｐ型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第３金属を接合し、前記第３金属に負電極である金属電極に接合することを特徴とする請求項１記載の熱電素子利用冷却方法。
【請求項５】
少なくとも前記第１金属は薄膜であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子利用冷却方法。
【請求項６】
前記ｎ型半導体とｐ型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第１金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置することを特徴とする請求項１記載の薄膜分離化熱電素子利用冷却方法。
【請求項７】
第１金属の両端にｎ型半導体及びｐ型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記ｎ型半導体の他端部に第２金属を、前記ｐ型半導体の他端部に第３金属を接合してなる半導体分離化部材からなり、
前記第２金属と第３金属のいずれか一方から前記半導体と前記第１金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却を行うことを特徴とする熱電素子利用冷却装置。
【請求項８】
前記第１金属と前記第２金属とは異なる種類の金属であり、前記第２金属と前記第３金属とは同一種類の金属であることを特徴とする請求項７記載の熱電素子利用冷却装置。
【請求項９】
前記金属は全て同一種類の金属であることを特徴とする請求項７記載の熱電素子利用冷却装置。
【請求項１０】
前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第２金属に接合し、次いでｎ型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第１金属の端部に接合し、次いで前記第１金属の他端部にｐ型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第３金属を接合し、前記第３金属に負電極である金属電極に接合した半導体分離化部材を用いることを特徴とする請求項７記載の熱電素子利用冷却方法。
【請求項１１】
少なくとも前記第１金属は薄膜であることを特徴とする請求項７記載の熱電素子利用冷却装置。
【請求項１２】
前記ｎ型半導体とｐ型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第１金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置することを特徴とする請求項７記載の薄膜分離化熱電素子利用冷却装置。
【請求項１３】
前記熱電素子利用冷却装置を、レーザー発信装置、半導体集積回路、コンピューター、反応器、熱交換器、工作機械、携帯電話のいずれかに組み込んだことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一つに記載の熱電素子利用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、異種金属の接合部分に生じるペルチェ効果を利用した熱電素子利用冷却方法及び装置に関し、特に半導体を介して金属を接合した部分に生じるペルチェ効果を利用して、任意の位置にある電子回路素子やマイクロリアクタ等を冷却するのに適した熱電素子利用冷却方法及びその冷却方法を利用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  各種装置の作動によって熱が発生する際には、それらの装置が効率よく機能するため、また機能損傷を生じないようにするために冷却を行うことは必須のことであり、それぞれの装置において種々の冷却手段を採用している。【０００３】  近年の半導体技術の進歩により小さな素子内に多くの回路を組み込むことができるようになった反面、例えばＣＰＵを初めとする高密度回路素子等の電子デバイスにおいては発熱が多くなり、熱によってこれらの装置の機能低下、或いは破損が生じる。【０００４】  その対策として従来は冷却ファンを駆動して周囲の空気の強制的な入れ替えを行い、また、回路素子基板の裏面等に放熱フィンを設けてこの部分に集中的に冷却風を流通することができるようにしている。また、特にレーザ発光ダイオードは多くの熱を発生し、出力が大きくなるほどより多くの熱を発生するため、ダイオード素子、及びその駆動回路を含む基板の冷却を上記のような手段で行うほか、水冷によって冷却を行うこともある。【０００５】  このような冷却手段は放熱フィンの構造部分、冷却ファンの構造部分等において大型化せざるを得ず、電子デバイスを含めた装置全体が大型化し、また冷却ファンの駆動により騒音を発生する問題もあった。その対策として特定の成分からなる半導体の熱電材料を用い、その通電によって生じるペルチェ効果による冷却側を前記のような電子デバイスに接触させて冷却することも行われている。このような熱電素子を用いることにより、小型、無音、長寿命、メンテナンス不要、老廃物無し、廃熱による発電、フロン無しの冷却等の種々のメリットがあり、多くの熱電変換素子の研究がなされている。【０００６】  しかしながら従来用いられている熱電材料はバルク材からなり、小型化するには限界があった。その対策として、例えば特開昭６３−７６４６３号公報に示されるように、ペルチェ効果を生じる熱電素子を薄膜化することが提案され、更に例えば特開平６−３１８７３８号公報に示されるようにこの薄膜熱電素子を積層することにより多くの電流を流すことができるようにしたものも提案されている。
【特許文献１】特開昭６３−７６４６３号公報
【特許文献２】特開平６−３１８７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  電気デバイスの冷却は上記のように重要であり、その冷却手段はなくてはならないものとなっており、それを小型化するために薄膜ペルチェ熱電素子を用いることが提案されているが、ペルチェ効果を生じる熱電素子は、例えば前記特開平６−３１８７３６号公報に記載されているように、Ｃｕ２Ｏ、ＮｉＯ、Ｍｎ２Ｏ３のＰ型半導体金属酸化物、ＺｎＯ、ＭｏＳ、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＯ、ＣｕＯのＮ型半導体金属酸化物等が用いられ、その製造に際しては同公報に記載しているように多くの手数を要するほか、高度の半導体製造技術を必要とする。【０００８】  また、近年、半導体微細加工技術を用いて、マイクロスケールの反応容器や分析用チャネルなどをシリコン、あるいはガラスなどの基板上に形成する技術開発が行われている。このようにして製作したマイクロチップでは、表面積／体積比の増大などの効果により、従来に比べて高速かつ高精度な反応分析が可能となり、また、コンパクトでかつ自動化されたシステムが実現できる。【０００９】  このようなシステムは今後の生・化学反応技術の一分野として確立することが注目されている。その際に上記のような微少領域において所定の条件で反応を行わせる必要があり、したがって微少領域の温度制御を行うことが重要な要素となる。特に、高コヒーレント固体レーザーでは、沸騰限界熱流速を数桁上回る高熱流束除熱が求められている。これらの技術分野においてもペルチェ効果を利用した冷却装置による温度制御手段は小型化と温度制御の容易さの点で有効であるが、その際にもより小型化した冷却手段が必要となり、その開発が期待されている。【００１０】  上記のような課題を解決するため、本発明者等は特願平２００１−３３６９４０号に示すような技術を提案している。本発明は上記技術と同一原理により吸熱作用を行わせるようにし、これを発展させた技術であるので、最初先の出願にも記載している本発明の基本原理に関する部分を説明する。【００１１】  ２種の金属を接触させると、各金属の仕事関数および自由電子数の差により、その差を埋める方向に電子は一方の金属から他方の金属に移り、両者の間に電位差が起きる。このようにして起きる電気が接触電位であり、２種の金属の接点を加熱すると、自由電子の動きが活発になり、熱エネルギーと電気エネルギーとの間に交換が行われ熱電効果が生じる。この熱電効果には、２種の金属の両端を互いに接続させ、その両接続部分を異なった温度に保つことにより起電力が生じるゼーベック効果と、その逆に２種の金属の両端を互いに接続させ、電流を流したときジュール熱以外に熱が発生し、もしくは吸熱が生じるペルチェ効果とが存在することが知られている。【００１２】  上記のように異種金属を接続した時の表面電位分布モデルについて検討するに際して、金と白金を互いに線状に接続したものを用いて検討を行うと、このような接触型の薄膜熱電素子の場合には、図７のような表面電位分布モデルが考えられる。即ち、金・白金薄膜における電位は、金及び白金の仕事関数を考慮すると図７の実線Ａのような電位になる。金及び白金薄膜にはそれぞれ抵抗があり、電位に傾きを持つため表面電位は点線Ｂのようになる。また、金、白金接合部において電子の再配置により、金薄膜及び金厚膜から白金薄膜に電子が移動し、金、白金接合部において化学ポテンシャルが一致していることを考慮すると、同図中の一点鎖線Ｃのような電位分布になると考えられる。【００１３】  図７（ａ）には金薄膜から白金薄膜へ、（ｂ）には白金薄膜から金薄膜への通電を示している。白金薄膜から金薄膜へ通電が行われているときのＤ点において、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているときよりΔＶｐだけ電位が大きくなっていることが明らかである。これより、表面電位分布計測による白金側における電位差と定性的に一致し、フェルミ順位による電位を考慮した表面電位分布モデルが正しいことがわかる。【００１４】  図８には金と白金を互いに重なりをもつように製膜した接合型薄膜熱電素子の表面電位分布モデルを示しており、この場合も前記と同様に製膜し、互いに１ｍｍ程度の重なりをもつものを作成して検討すると、この場合についても前記接触型と同様にフェルミ順位による電位差を考慮した電位分布モデルを作成すると、金薄膜から白金薄膜に通電が行われているとき、接合部分において吸熱の可能性があり、白金薄膜から金薄膜に通電が行われているときの金厚膜においても吸熱の可能性があることがわかる。【００１５】  先の出願においてはこのような基本原理に基いてなされたものであり、図９（ａ）には第１金属Ａ薄膜１と金属Ｂ薄膜２と第２金属Ａ薄膜３を、互いに半導体薄膜４、５を介して接続して異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を形成した例を模式的に示している。【００１６】  実際にこの冷却装置を製作する際には、この第１金属Ａ薄膜１と第２金属Ａ薄膜３は前記と同様に金を用い、金属Ｂ薄膜としては白金を用いる。この薄膜の厚さは任意に設定することができるが、前記実験例と同様に、５００Å〜４０００Å程度のものが用いられる。また、その幅についても任意に設定することができるが、これも前記実施例と同様に４ｍｍ程度のものを用いることができる。【００１７】  また、先の出願においては、２種の金属を接合する部分に半導体薄膜４、５を設け、接合される両金属間で金属電位分布を保つことができるようにしている。なお、この半導体は前記従来のペルチェ効果をなすための半導体とは異なり、単に電子の連続的な流れを切る為に用いているものである。したがって各半導体共にＰ型半導体であっても良く、またＮ型半導体であっても良く、更にいずれかがＰ型半導体、他側がＮ型半導体としてもその作用は同じである。ただし、各半導体は、金属Ａと金属Ｂの中間の仕事関数をもつものを選択することが好ましい。【００１８】  上記のような異種金属薄膜接続体を用いた冷却装置において、その仕事関数をみると図９（ｂ）に示すように、金属Ａと金属Ｂの仕事関数の相違により基本的には図中凹型の特性を備え、その途中において半導体４、５の仕事関数の高さ部分に小さな段を生じている特性となる。なお、前記小さな段の高さの差が両半導体の仕事関数の差であり、両半導体共に同じものを使用した場合には両者の高さは一致する。【００１９】  このような装置に対して図９（ｃ）に示すように電流ｉを流すと、その仕事関数に対応した電位差として同図に示すような電圧の変化が生じることとなり、第２金属Ａ薄膜３��金属Ｂ薄膜２との間で発熱作用を生じ、金属Ｂ薄膜２と第１金属Ａ薄膜１との間で吸熱作用を生じる。この特性に対応して、実際の各薄膜の抵抗を考慮した表面電位については図９（ｄ）に示すような特性となる。【００２０】  上記のような原理に基づく異種金属薄膜接続体からなる冷却装置を実際に製作する際は、例えば図１０（ａ）に示すようにシリコン基板１０上に金属Ｂ薄膜１１を形成し、その両端に第１半導体薄膜１２と第２半導体薄膜１３を形成し、第１半導体薄膜１２の上に端部が位置するように第１金属Ａ薄膜１４を形成し、第２半導体薄膜１３の上に端部が位置するように第２金属Ａ薄膜１５を形成する。各金属の選定は任意に行うことができるが、前記のように金属Ａを金、金属Ｂを白金に設定しても良く、また、第１半導体と第２半導体共にＰ型半導体であっても良く、またＮ型半導体であっても良く、更にいずれかをＰ型半導体、他側をＮ型半導体としても良い。【００２１】  このような冷却装置を実際の装置に対して適用するに際しては、図１０（ｂ）に示すように、第１金属Ａ薄膜１４と金属Ｂ薄膜１１間で吸熱作用を行う方向に電流を流している状態では、この第１金属Ａ薄膜１４の端部位置に冷却したいエレクトロニクス素子１６を形成、或いは載置する。それにより、このエレクトロニクス素子１６は冷却され、且つこの冷却装置に対する通電量の制御によって冷却能力をコントロールし、エレクトニクス素子の温度制御を行うことができる。【００２２】  先に出願した上記のような技術により、吸熱部分を空間的に独立させることができ、また、薄膜分離化熱電素子の吸熱部を積層することによって、より多くの電流をを流すことができるので、冷却能力が増大し、冷却能力が増大する。このため、半導体素子の局所高熱流束除去技術や強制対流熱伝達面の能動制御技術等への応用が期待できるようになった。その後より実際の装置に適用が容易で、より効率的に各種部材を冷却をすることができるようにすることを課題として更に研究を進めた結果、本発明が得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】  上記課題を解決するため、本発明による熱電素子利用冷却方法は、第１金属の両端にｎ型半導体及びｐ型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記ｎ型半導体の他端部に第２金属を、前記ｐ型半導体の他端部に第３金属を接合し、前記第２金属と第３金属のいずれか一方から前記半導体と前記第１金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却作用を行うようにしたものである。【００２４】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、前記第１金属と前記第２金属とは異なる種類の金属であり、前記第２金属と前記第３金属とは同一種類の金属としたものである。【００２５】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、前記金属は全て同一種類の金属としたものである。【００２６】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第２金属に接合し、次いでｎ型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第１金属の端部に接合し、次いで前記第１金属の他端部にｐ型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第３金属を接合し、前記第３金属に負電極である金属電極に接合したものである。【００２７】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、少なくとも前記第１金属は薄膜としたものである。【００２８】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却方法は、前記熱電素子利用冷却方法において、前記ｎ型半導体とｐ型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第１金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置したものである。【００２９】  また、本発明による熱電素子利用冷却装置は、第１金属の両端にｎ型半導体及びｐ型半導体の各端部を互いに離間して接合し、前記ｎ型半導体の他端部に第２金属を、前記ｐ型半導体の他端部に第３金属を接合してなる半導体分離化部材からなり、前記第２金属と第３金属のいずれか一方から前記半導体と前記第１金属を通して他方の電極に通電し、吸熱作用を行う接合部分により冷却を行うようにしたものである。【００３０】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、前記第１金属と前記第２金属とは異なる種類の金属であり、前記第２金属と前記第３金属とは同一種類の金属としたものである。【００３１】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、前記金属は全て同一種類の金属としたものである。【００３２】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、前記金属は全て仕事関数の異なった種類の金属であり、正極である金属電極を最も仕事関数の大きな第２金属に接合し、次いでｎ型半導体を間に挟んで次に大きな仕事関数の金属である第１金属の端部に接合し、次いで前記第１金属の他端部にｐ型半導体を間に挟んで最も仕事関数の小さな金属である第３金属を接合し、前記第３金属に負電極である金属電極に接合した半導体分離化部材を用いるたものである。【００３３】  また、本発明による他の熱電素子��用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、少なくとも前記第１金属は薄膜としたものである。【００３４】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置において、前記ｎ型半導体とｐ型半導体のいずれか一方の吸熱側を、前記第１金属またはリード線によって任意の発熱箇所に配置したものである。【００３５】  また、本発明による他の熱電素子利用冷却装置は、前記熱電素子利用冷却装置を、レーザー発信装置、半導体集積回路、コンピューター、反応器、熱交換器、工作機械、携帯電話のいずれかに組み込んだものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】  本発明は上記のような本発明者等による先の出願の発明に引き続き、各種実験を行うことによりなされたものであるので、その実験経過に沿って説明する。【００３７】  最初、半導体の上下端面に直列になるように金属電極を接続し、模擬薄膜分離型熱電素子を作成した。吸熱端部になる試料金属はＣｕ、Ｐｔ、Ｐｂの３種類で実験を行った。【００３８】  電極銅板は長さ３０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚みは電極銅板のジュール熱を押さえるため１ｍｍとした。半導体部分は市販のビスマステルル系半導体を活用した。半導体は１辺が２ｍｍの立方体である。また、温度分布は放射温度計を用いて、放射率を一定と仮定して計測した。実験装置の概要及び、動作状態を図１に示す。図１でＮ、Ｐと示している部分はそれぞれｎ型及びｐ型半導体を意味している。図のように、Ｃｕ（正極）−ｎ型半導体−試料金属−ｐ型半導体−Ｃｕ（負極）の構成として実験した。一方向に発熱端、吸熱端を揃えるため、ｎ型からｐ型へ電流を流す。このとき、上端ではＱｈの吸熱があり、下端ではＱｃの発熱が起こる。【００３９】  今回作成した熱電素子の性能を図２に示す。Ｃｕ板を試料金属として使用した場合２４ｍＡの時に最大で１０．２℃の温度降下があった。電流を大きくすると、温度降下はジュール熱の増大と共に飽和しつつあるので１５ｍＡで実験を行った。更に、電気伝導度のより大きなビスマステルル系のｎ型、ｐ型半導体を用いることにより、電位８Ａに対して、最大で３１℃の温度降下が実現し、温度降下量は、８Ａ迄は増加し続け、最大値までは到達しない実験結果も得られた。【００４０】  図３に電極として銅材を用い、Ｃｕ−Ｐｔ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｕ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｐｂ−Ｃｕの組み合わせ、及びＰｔ−Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ａｕ−Ｐｔに対して１５ｍＡの電流を流した場合の温度分布を示す。（ａ）のＣｕ−Ｐｔ−Ｃｕの組み合わせでは、半導体内部に付いてみるとｎ型ではｐ型に比べ冷却効果が約４℃大きく、Ｃｕ電極と半導体間の接続部では発熱するが、Ｐｔ使用時における充分な冷却熱量によってそれらの部分に冷却効果が及ぶことがわかる。【００４１】  次に図３（ｂ）のＣｕ−Ｃｕ−Ｃｕの組み合わせでは、室温より約８℃低下する。また、両半導体自体の温度はほとんど変わりなく、室温より２℃程度低下する。またｎ型とｐ型とでは温度降下の差はあまり見られなかった。（ｃ）のＣｕ−Ｐｂ−Ｃｕの組み合わせでは、両半導体の温度差を比較すると、ｐ型の方が２℃程度冷却効果が大きいことがわかる。また、Ｃｕ電極板と半導体との接触部では、発熱がＰｔ使用時と同様に調節される。更に、基準としてのＣｕの仕事関数に付いてみると、ｎ型半導体は大きな仕事関数をもっているＰｔ使用時より冷却効果が大きいと考えられる。また、Ｃｕより小さな仕事関数をもつ導線を用いたときには、ｐ型はより冷却効果が大きいことがわかる。また、Ｐｔ使用時には冷却効果は熱が発生すると思われる部分にも及び、ｎ型半導体の全体を冷却可能となる。図３（ｄ）（ｅ）には発明者が更に実験を行った結果を示しており、（ｄ）はＰｔ−Ａｕ−Ａｇの組み合わせ、（ｅ）はＡｇ−Ａｕ−Ｐｔの組み合わせの実験結果を示し、これらにおいても先の組み合わせにおけるものと同様の効果を奏することがわかる。【００４２】  上記の冷却特性の差は図４に示す電子から見た電位図で説明することができる。それぞれ仕事関数はＰｔ：５．６５ｅＶ、Ｃｕ：４．６５ｅＶ、Ｐｂ：４．２５ｅＶである。この仕事関数の差は、半導体と金属の接合部分におけるショットキー障壁の値に対応するものである。通電した場合、電子はｐ型で電子が上方向に移動するよりもｎ型の方が吸熱量が大きくなる。Ｃｕの場合はｐ型、ｎ型で移動量がほとんど同じなので吸熱量に差がない。Ｐｂの場合は、ｐ型の方がｎ型に比べて電位差が大きいので、吸熱量が大きくなると説明できる。【００４３】  この原理を使うと、Ｐｔを使う場合のｎ型半導体近傍、また、Ｐｂを使う場合のｐ型半導体近傍で、半導体部分が全体として冷却される現象が説明できる。また、ｎ型半導体とｐ型半導体を接続する金属素材において、両半導体を接続する部分は任意の長さのリード線とすることができ、したがって冷却部分を任意の位置に容易に配置することができる。上記実験からも、ＰｔとＣｕの場合ｎ型半導体全体が冷却されており、片側の半導体全体を冷却できることが実証されている。【００４４】  また、図５に吸熱部側の半導体端部の冷却効果の時間特性を示す。図の勾配を使用し吸熱量を計算した。前記実験に用いた薄膜分離化熱電素子の吸熱量は、単位時間あたりの温度変化に、半導体の吸熱部分の質量と比熱を掛けたもので算出すると約１６．５ｍＷとなった。また、異種金属の仕事関数の差は最大でも１ｅＶ程度であり、半導体部分での電位差等を考えると、１ｅＶに相当する１Ｖのオーダーの冷却が生じると推定できる。実験時の電流値は１５ｍＡであるから、仕事関数から期待できる吸熱量は１５ｍＷ程である。これは今回の実験で得られた吸熱量と定量的によく一致し、本発明が理論通りに使用できることがわかる。同様に、５Ａ印加時の場合、吸熱量は１Ｗ程度となった。【００４５】  この原理からわかるように、上記の例においては少なくともｎ型半導体とｐ型半導体に接合する金属として薄膜金属を用いた例を示しているが、薄膜金属に限らず任意の金属を用いることができ、また、各半導体間をリード線によって接続することもできる。また、各半導体の他端部に接合する電極として例えばｎ型半導体とｐ型半導体の端部に接合する金属を第１金属とし、ｎ型半導体の他端部に接合する金属を第２金属、ｐ型半導体の他端部に接合する金属を第３金属とするとき、これら第２金属及び第３金属に対して各々電極を接続し、これらの電極に正または負の電位を印可する構成にした場合にも同様の効果を生じることができる。このような構成の時、前記の例においては、第１金属としてＰｔ、Ｃｕ、Ｐｂを用いており、第２金属と第３金属としてＣｕを用いたこととなる。【００４６】  この金属の組み合わせとしては、例えば図６（ａ）に示すように、前記第１金属としてＡｇを用い、第２金属としてＰｔ、第３金属としてＡｇを用い、Ｃｕのリード線で電源と接続して、Ｃｕ（正極）−Ｐｔ−ｎ型半導体−Ａｕ−ｐ型半導体−Ａｇ−Ｃｕ（負極）の接続構成とし、或いは同図（ｂ）に示すように第１金属としてＣｕを用い、第２金属としてＰｔ、第３金属としてＰｂを用い、同様にＣｕのリード線で電源と接続��て、Ｃｕ（正極）−Ｐｔ−ｎ型半導体−Ｃｕ−ｐ型半導体−Ｐｂ−Ｃｕ（負極）のような接続構成とし、仕事関数を連続的に低下させる方式も冷却効果が大きいことがわかった。【００４７】  本発明による異種金属薄膜接続体による冷却方法及び装置は、エレクトロニクス素子として、例えば半導体レーザ素子の冷却に効果的に利用することができるが、エレクトロニクス素子の冷却に限らず、生・化学反応等のために用いるマイクロスケールの反応装置の冷却等の広範囲の分野に用いることができる。【００４８】  本発明による冷却方法は上記のように構成したので、本発明者等による先に提案した技術と同様に、片側の半導体全体を冷却することができ、ｎ型・ｐ型の半導体を空間的に分離化することにより、冷却部分を空間的に独立させることができる。その際、両半導体の薄膜接合武官をリード線により結ぶこともでき、その自由度は更に大きくなる。そのため、半導体素子の局所高熱流速除去技術や強制対流熱伝達面の能動制御技術等への広範囲の応用が可能となる。特に、ｎ型半導体とｐ型半導体を接続する金属素材において、両半導体を接続する部分は任意の長さのリード線とすることができ、したがって冷却部分を任意の位置に容易に配置することができる。【００４９】  特に、仕事関数の異なる金属電極材料を選択し、電流の流す方向を任意に選択することにより、ｎ型半導体及びｐ型の半導体のいずれかの部分で任意に冷却効果を生じさせることができるようになるため、より実際の装置への適用が容易となり、より効率的に各種部材を冷却をすることもできるようになる。【００５０】  また、その冷却効果は金属の仕事関数の差を考えたモデルで計算された値に定量的にほぼ一致するため、各用途に対応した適切な冷却効果を設定し設計することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】  本発明による冷却装置は、金属薄膜を半導体を介して接続するのみで生じるペルチェ効果を利用して冷却作用を行うことができ、簡単な半導体製造技術を用いるのみで容易に製造することができ、極めて小型化することができるので極小の電子部材を初めとする各種部材の冷却装置としてコンパクトに、且つ容易に適用することができる。【００５２】  特に本発明による冷却装置は、レーザー発信装置、半導体集積回路、コンピューター、反応器、熱交換器、工作機械、携帯電話機等に有効に組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】［図１］本発明の実施例の基本構成における動作状態及び実験装置の概要を示す図である。
［図２］試料金属がＣｕの場合の模擬薄膜分離型熱電素子の性能図である。
［図３］本発明において各種金属素材を用いて温度分布を測定した結果を示す図である。
［図４］本発明について仕事関数を変えた熱電素子の電子電位図である。
［図５］電流値１５ｍＡのときの試料金属の最大温度降下を示すグラフである。
［図６］本発明の他の実施例を示す図である。
［図７］金属膜の端部を互いに線接続したときの表面電位分布を示す図である。
［図８］金属膜の端部を互いに重ね合わせて面接属したときの表面電位分布を示す図である。
［図９］本発明の実施例の基本構成と各種特性、及び冷却作用の原理を示す図である。
［図１０］本発明による冷却装置の断面図であり、（ａ）は冷却装置の基本構成を示し、（ｂ）はその冷却装置によりエレクトロニクス素子を冷却する状態を示す図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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