(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、硬化後も弾性を有する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とする電子冷却ユニット。
【請求項２】
Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、無機化合物のフィラーを混入して硬化後も弾性を有する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とする電子冷却ユニット。
【請求項３】
Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、シリコーン系有機化合物に無機化合物のフィラーを混入して硬化後も−６０〜２５０℃の温度範囲にわたって弾性を保持する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とする電子冷却ユニツト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば冷蔵庫、エアコン、冷水機などに使用する電子冷却ユニットに係り、特にペルチエ素子（電子冷却素子）を使用した電子冷却ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換素子のうち、電気エネルギーを投入して所定のものを冷却する素子はペルチエ素子あるいは電子冷却素子と称され、例えばコンパクトな冷蔵庫などの電子冷却ユニットに使用されている。
【０００３】
従来の電子冷却ユニットは図６に示すように、アルミナなどからなる下側絶縁基板１００の上に吸熱側半田層１０１を介して吸熱側電極１０２が形成され、その吸熱側電極１０２の上にＰ形半導体層１０３とＮ形半導体層１０４とがそれぞれ形成されている。このＰ形半導体層１０３とＮ形半導体層１０４とを接続するように放熱側電極１０５が形成され、さらにその上に放熱側半田層１０６を介してアルミナなどからなる上側絶縁基板１０７が設けられている。
【０００４】
前記Ｐ形半導体層１０３とＮ形半導体層１０４は一対になつて下側絶縁基板
１００と上側絶縁基板１０７の間に多数並列に介在されているとともに、電気的には直列に接続されて電子冷却素子群を構成している。
【０００５】
この電子冷却ユニットに所定の電流を流すことにより、下側絶縁基板１００側の方が吸熱され、その周囲が冷却される。一方、上側絶縁基板１０７側は放熱するから、放熱フインやフアンなどによつて外部へ放熱されることにより熱移動が起こる仕組みになつている。
【０００６】
そして前記下側絶縁基板１００と上側絶縁基板１０７の外周部は、図示していないがシール剤によつてシールされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のものは、アルミナセラミツク等からなる絶縁基板と電極との間ならびに電極とＰ型半導体層、Ｎ型半導体層との間が半田付けられているため、熱履歴の繰り返しによつて生じる絶縁基板の反りが電極ならびに半導体層に悪影響を及ぼし、接続不良や断線を生じ、電子冷却ユニットとしての耐用寿命が短い。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、耐用寿命の長い電子冷却ユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、硬化後も弾性を有する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とする電子冷却ユニット。
【００１０】
本発明の第２の手段は、Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、無機化合物のフィラーを混入して硬化後も弾性を有する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第３の手段は、Ｐ形半導体層とＮ形半導体層が並列に配置されて上下の吸熱側電極と放熱側電極によって電気的に接続された電子冷却素子群が、吸熱側基体と放熱側基体の間に介在されるとともに、
剛性を有し熱伝導性の悪い支持体を前記電子冷却素子群を取り囲むようにして吸熱側基体から放熱側基体にかけて配置して、その支持体で電子冷却素子群を保護し、
前記吸熱側電極と吸熱側基体の間ならびに放熱側電極と放熱側基体の間の少なくともいずれか一方に、シリコーン系有機化合物に無機化合物のフィラーを混入して硬化後も−６０〜２５０℃の温度範囲にわたって弾性を保持する接着剤層を介在して、電極が基体に対して水平方向ならびに垂直方向のうちの少なくともいずれか一方の方向に変位可能であることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図とともに説明する。図１は電子冷却ユニットの一部を断面にした側面図、図２はその電子冷却ユニットのシール部付近の拡大断面図である。
【００１３】
図１に示すように、吸熱側基体１と放熱側基体２の間に２つの電子冷却素子群３が所定の間隔をおいて並設されているとともに、その電子冷却素子群３を取り囲むように剛性を有し熱伝導性の悪い支持体１６が介在されている。
【００１４】
この支持体１６は例えば内部に独立した空気層をもつハニカム構造になっており、吸熱側基体１と放熱側基体２の間を後述の樹脂製ボルト（図示せず）で締め付けた際、その締付力は主に支持体１６で受け、前記電子冷却素子群３にはほとんど締付力がかからないように、電子冷却素子群３を保護した構造になっている。図示していないが、前記ボルトの挿通孔は放熱側基体２に形成されている。
【００１５】
前記吸熱側基体１と放熱側基体２の外周部全周にかけてシール部１７が設けられており、本実施例の場合このシール部１７は図２に示すようにＯリング６とシール剤７とから構成されている。
【００１６】
このＯリング６と接する吸熱側基体１ならびに放熱側基体２の周囲には予め溝８が形成され、締め付け力によりＯリング６の一部が溝８内に食い込んだ状態になっている。
【００１７】
前記吸熱側基体１ならびに放熱側基体２のうちの少なくとも一方の基体（本実施例では放熱側基体２）の前記シール部１７と接するシール面１８よりも内周側から、そのシール面１８を横断しないで放熱側基体２の外側に水平方向に貫通する透孔１９が形成されている。図２に示すように透孔１９の電極９（１２）側の開口部付近は、開口に向けて径大となったテーパ孔となっている。
【００１８】
本実施例では透孔１９を放熱側基体２に形成したが、吸熱側基体１に形成することも可能である。ただ、吸熱側基体１に透孔１９を形成して孔内に空気（水分）が存在すると露結の心配があるため、本実施例のように透孔１９は放熱側基体２に形成した方がよい。
【００１９】
図１に示すように放熱側基体２の外側には、例えば金属薄板をジグザグ状に屈曲したものなどからなるフィン２０が一体に取り付けられている。このフィン２０の間を通してリード体２１が前記透孔１９に挿入され、リード体２１の先端部が前記電極９（１２）に半田２２で接続、固定されている。
【００２０】
リード体２１の先端部は所定の長さ被覆が除去され、前記透孔１９のテーパ孔に例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などからなる接着剤２３で閉塞することにより、前記リード体２１の被覆除去部分がその接着剤２３内に埋設される。この接着剤２３内の埋設により、リード体２１の素線と被覆との隙間からの水分の侵入を接着剤２３で阻止することができる。
【００２１】
前記電子冷却素子群３は図３，４に示すように、所定の間隔をおいて配置された吸熱側電極９と、例えばバルク状あるいは膜状（厚膜または薄膜）のＰ形半導体層１０と、例えばバルク状あるいは膜状（厚膜または薄膜）のＮ形半導体層１１と、放熱側電極１２とから構成されている。前記Ｐ形半導体層１０とＮ形半導体層１１とは多数並列に配置され、電気的には図４に示すように直列に接続されている。
【００２２】
このように本実施例の電子冷却素子群３は、アルミナセラミツク等からなる絶縁基板は使用されておらず、モジユール化された状態では一方の面に吸熱側電極９が、他方の面に放熱側電極１２が露呈している。
【００２３】
図３に示すように放熱側基体２と放熱側電極９の間に接着剤層１３を、吸熱側基体１と吸熱側電極９の間にグリース層１４を介在する。
【００２４】
前記接着剤層１３には、例えばシリコーン系などの有機化合物単独、あるいは例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの無機化合物からなるフイラーを適量混入した有機化合物などが使用される。この接着剤層１３は硬化後においても弾性を有し、かつ良好な熱伝導性を有しており、膜厚は２０〜２００μｍが適当である。
【００２５】
この実施例の場合、平均粒径が１０μｍ以下のアルミナ微粒子を適量分散、保持したシリコーン系接着剤で、硬化後においてもゴム弾性を有し、熱伝導率は４．５×１０-3ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、伸率は３０％、引張強さは５０ｋｇｆ／ｃｍ2 であり、−６０〜２５０℃の広い温度範囲にわたつて良好なゴム弾性を保持する。この実施例の場合、シリコーン系接着剤層１３によつて放熱側基体２と放熱側電極１２との間が一体に接合されている。
【００２６】
前記グリース層１４としては、シリコーングリースが好適である。このシリコーングリースは、ベースオイルに対して例えばシリカ、アルミナ、酸化亜鉛などの無機化合物の微細状フイラー（平均粒径１０μｍ以下のもの）を５０重量％以上添加したものが好適である。このようにフイラーを高い含率で分散、保持したシリコーングリース層の熱伝導率は６．０×１０-3ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上と高く、一般のシリコーングリースの３×１０-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃に比較すると、熱伝導率が１桁以上も高い。またこのシリコーングリース層は、−５５〜２００℃までの広い温度範囲にわたつて良好な弾性を保持している。なお、膜厚は２０〜１００μｍが適当である。
【００２７】
前記基体１，２に設けられた溝８にＯリング６の端部をそれぞれ挿入して、基体１，２どうしが適当な圧力をもつて締め付けられる。前記Ｏリング６は例えばニトリルゴムなどの水蒸気を通し難い合成ゴムからなり、前記ボルトはガラス繊維を５０％含有したポリアミド製のものが使用される。
【００２８】
ユニット内部への水分の侵入を極力避けるため、締結用ボルトの挿入孔は放熱側基体２に設けられ、さらにボルト締めされた後、ボルトの頭部はシール剤によって埋め込まれている。
【００２９】
ボルト締めされた後、図１に示すように基体１，２の外周対向部とＯリング６によつて形成される溝部から基体１，２の端面にかけてシール剤７が塗布されてシールされる。
【００３０】
この実施例の場合、中空状のガラス微粒子を２０〜６５重量％（好ましくは３０〜６０重量％）均一に分散したエポキシ樹脂からなるシール剤７が使用される。この中空状ガラス微粒子は２０〜１３０μｍの径を有し、壁厚は０．５〜２μｍ、平均粒子比重は０．１〜０．４で、中空状ガラス微粒子を含有したエポキシ樹脂は、熱伝導率が１×１０-4ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃と低い。
【００３１】
図５は、本発明の変形例を示す図である。この変形例の場合、吸熱側基体１と吸熱側電極９との間、ならびに放熱側基体２と放熱側電極１２との間が弾性を有するシリコーン接着剤層１３によつて接着されている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のように、基体と電極との間に硬化後も弾性を有する接着剤層を介在して、電極が前記基体の面に対して水平方向あるいは（ならびに）垂直方向に変位可能にすれば、熱履歴による電極ならびに半導体層への悪影響が解消され、従来のような接続不良や断線がなく、耐用寿命の長い、性能的に安定した電子冷却ユニットを提供することができる。
【００３３】
前記実施例で説明した電子冷却ユニットでは、従来の電極と絶縁基板とを半田で一体化したものに比較して、冷−暖を繰り返す熱履歴テストにおいて耐用寿命を１０倍程度延長することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２実施例に係る電子冷却ユニットの一部を断面にした側面図である。
【図２】その電子冷却ユニットのシール部付近の拡大断面図である。
【図３】その電子冷却ユニットの電極付近の拡大断面図である。
【図４】電子冷却素子群の拡大斜視図である。
【図５】本発明の変形例における電極付近の拡大断面図である。
【図６】従来の電子冷却ユニットの拡大断面図である。
【符号の説明】
１：吸熱側基体、２：放熱側基体、３：電子冷却素子群、６：Ｏリング、７：接着剤、８：溝、９：吸熱側電極、１０：Ｐ形半導体層、１１：Ｎ形半導体層、１２：放熱側電極、１３：接着剤層、１４：グリース層、１６：支持体、１７：シール部、１８：シール面、１９：透孔、２０：フィン、２１：リード体、２２：半田、２３：接着剤。
【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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