JPH07202275A - 電子冷却素子の集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 産業用冷却装置や建築の空調設備・住宅用冷
暖房設備にペルチエ効果を利用した電子冷却を実用化出
来るようにして完全脱フロンを実現する。 そのために １．電子冷却素子の集合体を工業的に低コストで大量生
産する方法 ２．冷却・加熱しようとする流体への効率的な熱移動を
可能にする電子冷却素子の集合体の形状とその応用方法
とを提供する。 【構成】 １．可撓性，耐熱性のある薄い２枚の樹脂シ
ートに耐熱性の接着剤で銅箔を貼りつけエッチングして
一定幅の銅帯をさらに狭い間隔で平行に形成し，互いの
銅帯を平行に半ピッチずらして平行に向き合わせてこの
銅帯に挟むようにして直流電圧を印加するとペルチエ効
果を生じる対をなす半導体を間隔をもって並べた状態で
ＨＯＴ側とＣＯＬＤ側の熱伝導体に挟んで圧着し，半田
で銅帯と半導体を溶着して電子冷却素子の集合体を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はペルチエ効果を応用し
た冷却を実用的に行なうための設備に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の電子冷却素子の集合体は
直流の電圧を印加するとペルチエ効果を生じる対をなす
半導体を数組または数十組または数百組を同数に区切ら
れてほぼ方形に１対のセラミックなどの電気絶縁体の板
の上にエッチングなどの方法で配置された電気導体の板
に挟んで電気的に直列に半田接続して固定しその外側に
さらに熱伝導体の板を取付けて１つの電子冷却素子の集
合体として製品化していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが前記の電子冷
却素子の集合体では複数組の対の半導体が所定のほぼ方
形のスペースに収められるために多数が連続的に一直線
状に配置される事はなく所定の方形の辺の長さの中で数
回または数十回に渉ってターンする形状となっていて，
工業的に連続的大量生産するのに不便であった。

【０００４】さらに在来の電子冷却素子の集合体の外形
は方形で平面的であるため，その主目的たる熱伝導体と
の接触部分の形状も平面とならざるを得ず，またユニッ
ト単体での強度を得るためと各対をなす半導体の導電部
分相互の絶縁性を保つため，ある程度の厚さのあるセラ
ミックなどの電気絶縁性をもつ板で外装を施しているの
でこれと接する熱伝導体にいたるまでにかなりの熱抵抗
があるばかりでなく，流れを伴う液体との熱交換に便利
な円筒状のパイプや，気体との対流熱伝達に便利な密度
の高いフィン状の熱伝導体と接続するのが容易ではな
く，無理に熱伝導体を形成しようとすると熱伝導体が大
きくなり，目的の流体までの熱通過抵抗が大きくなっ
て，そのため電子冷却素子の集合体の両端の温度差が大
きくなり，電気入力に対する冷却効果の効率が低く抑え
られ勝ちであった。

【０００５】また１対の半導体に印加するに適切な直流
電圧は現存する半導体では０．１ボルト以下と極めて低
いため１００ないし２００ボルトといった商用電源電圧
で使用するには数千組の半導体を直列接続しなくてはな
らず，在来の製造方法では容易なことではなく，さらに
直列接続のいずれか一ヶ所が断線してもその組に通ずる
数千組の半導体の列は全く効果を発揮しなくなるなど信
頼性の面でも欠点があった。

【０００６】従って，電子冷却は圧縮式冷凍機などに較
べて作動部分がなくきわめて単純な装置によってフロン
冷媒や石化燃料を使用することなく冷却効果を生じる事
が可能であるにもかかわらず，製造コストが高く，形状
的に実用性に欠けるなどの理由からほとんど商業的実用
に供する事が出来なかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はこの点を改良す
るためになされた。特許請求の項で述べたように耐熱性
かつ可撓性のある樹脂の薄板に耐熱性の接着剤を用いて
一定幅の可撓性のある薄い銅帯を前記一定幅より狭い間
隔を保って平行に貼り付けるかまたはエッチングによっ
て形成し，前記銅帯の長手方向にそって，直流電圧を印
加するとペルチエ効果を生じる対をなす半導体を一定の
間隔を保って同じ向きに配列して半田で溶着した半完成
の電子冷却素子の集合体をこれを取付ける熱伝導体の寸
法に合わせて用意する。これに前記と同じ銅帯を平行に
同じ間隔を保って耐熱性の接着剤をもちいて貼り付ける
かまたはエッチングによって形成した耐熱性，可撓性の
ある樹脂の薄板を半導体を挟んで銅帯が相対するよう
に，かつ，銅帯を半ピッチずらして平行になるようにし
て半田で溶着すれば電子冷却素子の集合体が完成するよ
うにしておく。

【０００８】電子冷却素子のＣＯＬＤ側もＨＯＴ側も気
体との熱交換を行なう場合は熱伝導体と電子冷却素子の
接合面は平面が望ましく，この場合は前記半完成の電子
冷却素子の集合体の半導体の半田接合されるべき面にク
リーム半田を塗布し，前記の銅帯のみを付した樹脂の薄
板の銅帯には半田メッキを施して，両者をＣＯＬＤ側の
熱伝導体とＨＯＴ側の熱伝導体の間に，相互の銅帯が半
ピッチずれて平行になるような正常な位置関係を保つよ
うにして挟み込み，ボルト絞めなどの方法によって圧着
した状態で半田が溶ける温度まで加熱して接合する。こ
のようにして，ＣＯＬＤ側とＨＯＴ側の熱伝導体完全に
密着した状態で電子冷却素子の集合体が完成される。

【０００９】電子冷却素子のＣＯＬＤ側とＨＯＴ側の両
方が液体と，または片方が液体，他方が気体と熱交換を
行なう場合は同心の直径の異なる２重管の間隙に電子冷
却素子の集合体を挟みこむのが望ましく，この場合は前
記半完成の電子冷却素子の集合体を直径の小さな内管の
外側に樹脂の薄板を接して銅帯を管の軸に直角をなすよ
うに巻き付け，半導体の半田接合されるべき面にクリー
ム半田を塗布し，前記銅帯のみを付した樹脂の薄板の銅
帯には半田メッキを施して，銅帯を内側に前記内管に巻
き付けた半完成の電子冷却素子の集合体の外側に銅帯が
管の軸に直角をなすように，かつ相互の銅帯が半ピッチ
ずれて平行になるように巻き付け，これを外管の内径に
収納したのち，内管の内部から拡管して外管の内側と内
管の外側に電子冷却素子の集合体の両面の樹脂の薄板が
圧着されるようにして，半田が溶ける温度まで外管を加
熱して接合する。このようにして同心の２重管の間隙に
挟まれ両方の管に密着した状態で電子冷却素子の集合体
が完成される。

【００１０】ＨＯＴ側もＣＯＬＤ側も流過する液体と熱
交換する場合には前記外管のさらに外側に同心のジャケ
ットを取付け，このジャケットと内管の双方にそれぞれ
の液体を流過させればよい。またＨＯＴ側とＣＯＬＤ側
のいずれかが気体，他方が液体の場合には外管の外側に
フィンを装着して，フィン側に気体，内管に液体をそれ
ぞれ流過させればよい。

【００１１】段落

【０００９】および

【００１０】のいずれの場合もＨＯＴ側とＣＯＬＤ側の
温度差の要求が大きい場合には複数の前記電子冷却素子
の集合体を熱伝導体の板を挟んで重ねて複数層の電子冷
却素子の集合体を形成すれば良い。

【００１２】

【作用】本発明では電子冷却素子の集合体を製造するに
あたって実際に使われる寸法に近い幅の耐熱性・可撓性
のある樹脂の薄板を使用し，実際に使われる長さまたは
エンドレスの状態で前記可撓性のある一定幅の薄い銅帯
を前記一定幅より狭い間隔を保って耐熱性のある接着剤
で平行に貼り付けるかエッチングによって形成し，この
銅帯の長手方向にそって，直流電圧を印加するとペルチ
エ効果を生じる対をなす半導体を一定の間隔を保って同
じ向きに配列して半田で銅帯に溶着して半完成の電子冷
却素子の集合体を形成し，これに前記と同一寸法の薄い
可撓性のある一定幅の銅帯を前記一定幅より狭い間隔を
保って耐熱性のある接着剤で平行に貼り付けるかエッチ
ングによって形成した薄い耐熱性，可撓性のある樹脂板
をようして相互の半田接合されるべき面に半田メッキす
るかクリーム半田を塗布するなどして準備し，実際にＨ
ＯＴ側・ＣＯＬＤ側の熱伝導体に組み込んだ際に前記両
者を正常な位置関係に向かい合わせて配置し圧着した状
態で加熱して半田を溶かして溶着し，電子冷却素子の集
合体を完成させるようにしたから，在来の方法で作られ
た小型の電子冷却素子のユニットよりも工業的に連続的
大量生産をするのが容易である。

【００１３】また半完成の状態の前記電子冷却素子の集
合体は薄い可撓性の樹脂板を基礎材料にしているため平
面的に保管をしてもロール状に丸めて保管しても，また
搬送してもそれなりに充分の強度が有り，在来のユニッ
トに使われていた強度と電気絶縁性を保つためのある程
度の厚みのあるセラミック板より，遥かに薄くて済み従
って熱抵抗も少なく，効率よく熱伝達ができる。

【００１４】さらに本発明による電子冷却素子の集合体
は前記のごとく半完成の状態で２枚に別れて用意され，
それを実際に組み込むＨＯＴ側とＣＯＬＤ側の熱伝導体
の間に相互に正常な位置関係になるように挟んでから加
熱して両者を半田接合して電子冷却素子の集合体を完成
させるので，熱伝導体の形状が平面的であっても，円筒
状であっても，その形状に応じて直接に密着形成される
ので，熱伝導体に対しても，熱を伝えようとするＨＯＴ
側・ＣＯＬＤ側の流体に対しても，非常に小さい熱抵抗
で熱伝達ができる。

【００１５】さらに本発明による電子冷却素子の集合体
は電気的直列に数百個接続された対をなす半導体素子が
前記半導体素子を挟んで相対する各々の面の銅帯によっ
て全部電気的並列にも接続されているので，電気的断線
が生じても，断線を生じたその１対の半導体以外には全
く影響を与える事無く，その他の全数の半導体は有効に
冷却効果を発揮する事が出来る。

【００１６】１枚の熱伝導体の板を挟んで２組の前記電
子冷却素子の集合体を配置しさらにそんそと側をＨＯＴ
側とＣＯＯＬ側の熱伝導体で挟んで密着形成した２層式
の電子冷却素子の集合体では１層式のものに較べてＨＯ
Ｔ側とＣＯＬＤ側の温度差が２倍になっても同様の冷却
性能が得られる。

【００１７】

【実施例】以下，本発明の実施例について図面に添って
説明する。

【図１】は本発明による半完成の電子冷却素子の集合体
１を示す。図中２は基本材料となる厚さ２０ミクロンの
の耐熱性ポリイミドのシート，３は３５ミクロンの銅箔
を前記ポリイミドのシート２に貼り付けている耐熱性の
接着剤の２５ミクロンの層で，４はエッチングによっ
て，前記銅箔が２．５ミリ幅で０．５ミリ間隔で残るよ
うにして生じた銅帯５の０．５ミリの間隔，６・７は前
記２．５ミリ幅の銅帯５の上に同方向に揃えて相互に
０．５ミリの間隔８を保って，銅帯５の長手方向には３
ミリの間隔９を保って半田層１０で溶着された直流電圧
を印加するとペルチエ効果を生じる対をなす１ミリの立
方形の半導体素子を示す。

【００１８】

【図２】は

【図１】に示す半完成の電子冷却素子の集合体１に半導
体素子６・７を溶着する以前の状態と同様で銅帯１１の
表面に半田メッキを施し半田層１２を形成したポリイミ
ドのシート１３を示す。

【００１９】

【図３】は前記半完成の電子冷却素子の集合体１と前記
銅帯１１のみを耐熱性接着剤の層４で接着した耐熱性の
ポリイミドシート２を主材料とする加工済みのポリイミ
ドのシート１３とを半導体素子６・７を挟んで銅帯５が
平行して相対するように，かつ，銅帯５・１１が相互に
半ピッチすなわち本実施例では１．５ミリずれるように
組み合わせた状態を示す。

【図３】で明らかなように両者を半田で溶着すれば，各
対の半導体素子６・７は両面の銅帯５・１１を通じて電
気的に直列にまた同時にそれぞれ片側の銅帯を通じて電
気的並列に接続される。

【００２０】

【図４】は前記半完成の電子冷却素子の集合体１の半導
体素子６・７の，前記銅帯のみを付した加工済みのポリ
イミドシート１３の銅帯１１に接すべき面１４にクリー
ム半田１５を塗布し，前記半完成の電子冷却素子の集合
体１と前記銅帯１１のみを付した加工ずみのポリイミド
シート１３を

【図３】の状態に組合わせＨＯＴ側の熱伝導体１６とＣ
ＯＬＤ側の熱伝導体１７の間に挟んでボルト１８，ナッ
ト１９とを用いて圧着しポリイミドシート１３側の熱伝
導体１５を加熱して半田を溶着して完成した平面の伝熱
面をもつ電子冷却素子の集合体２０を示す。

【００２１】

【図５】は半完成の電子冷却素子の集合体１を直径１０
ミリの銅管２１の外側にその銅帯５が銅管２１の軸に直
角をなすように巻き付け，半導体素子６・７の外面１４
にクリーム半田１５を塗布し，この外側に前記銅帯１１
のみを付した加工済みのポリイミドシート１３をその銅
帯１１を内側にして銅管２１の軸に直角をなし，かつ，
前記半完成の電子冷却素子の集合体１の銅帯５と半ピッ
チ，すなわち１．５ミリずれるように巻き付け，それを
内径１３ミリ，肉厚１ミリの銅管２２の中央に挿入した
後に内側の銅管２１を内側から機械的または流体を介し
て圧力を掛けて拡管し，前記半完成の電子冷却素子の集
合体１の内面と内側の銅管２１の外面，半完成の電子冷
却素子の集合体１の半導体素子６・７のクリーム半田１
５を塗布した外面１４と前記銅帯１１のみを付した加工
済みのポリイミドシート１３の銅帯１１の内面，同じく
ポリイミドシート１３の外面と外側の銅管２２の内面が
それぞれ相互に密着した状態にして，外側の銅管２２を
加熱して半田を溶着して完成した円筒形の伝熱面をもつ
電子冷却素子の集合体２３を示す。

【００２２】

【図６】は

【図３】に示す円筒形の伝熱面をもつ電子冷却素子の集
合体２３のさらに外側に一組の半完成の電子冷却素子の
集合体１と加工済みのポリイミドシート１３を段落

【００２１】に述べたと同様の方法で巻き付けこれを内
径１８ミリの銅管２４を４００℃程度に加熱して，その
中央に挿入し，銅管２４の熱収縮によって銅管２４の内
面が内容物に圧着されながら半田を溶着させて完成され
た２層式の円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の集合体
２５を示す。これは無論の事３層以上の多層式の円筒形
の伝熱面を持つ電子冷却素子の集合体も，さらに多層式
の平面の伝熱面を持つ電子冷却素子の集合体も製作可能
な事を意味する。

【００２３】

【図７】は

【図５】に示した円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の
集合体２０の外側の銅管２２のさらに外側に内径２０ミ
リの銅管製の水用ジャケット２６を取付けて，ＨＯＴ側
もＣＯＬＤ側も熱媒体として液体を流過させるに適した
形状にした液体〜液体用の熱伝導体を持つ電子冷却素子
の集合体２７を示す。

【００２４】

【図８】は

【図５】に示した円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の
集合体２０の外側の銅管２２に直径１５ミリのバーリン
グ穴加工を施した肉厚０．３ミリのアルミ製のフィン２
８を３ミリピッチにはめこんで固定したものでＨＯＴ
側，ＣＯＬＤ側の熱媒体のいずれか一方が液体で他方が
気体である場合に銅管２０の内側に接して液体の熱媒体
を，外側のフィン２８に接して気体の熱媒体を流過させ
るに適した形状にした液体〜気体用の熱伝導体を持つ電
子冷却素子の集合体２９を示す。

【００２５】

【発明の効果】本発明では

【図１】〜

【図３】に示すように可撓性のポリイミドのシートを基
本材料としこれに電子冷却用半導体素子を取付けて電子
冷却素子の集合体を形成したから，大きい版の定尺のポ
リイミドシートに合わせてでも，一定幅のエンドレス状
の形状でも，使用に適した１個の製品の大きさに合わせ
てでも自由な大きさで製作することが出来るので工業的
に連続的大量生産が出来るようになった。

【００２６】基本材料として使用している可撓性ポリイ
ミドシートは極めて薄いので電子冷却半導体素子から熱
伝導体に至るまでの熱抵抗が小さく電子冷却素子の集合
体のＨＯＴ側とＣＯＬＤ側の温度差を小さくすることが
出来る。従って，電気入力に対する冷却効果の効率を実
用的に高める事が可能となった。

【００２７】

【図３】に示すように半完成の電子冷却素子の集合体と
銅帯のみを付したポリイミドのシードを各々の銅帯が平
行に，かつ，半ピッチずらして半田で溶着して電子冷却
素子の集合体を形成したから対をなす電子冷却用半導体
素子は銅帯によって電気的に直列に，かつ，銅帯に添っ
て電気的に並列に接続されているので，半導体素子個体
の断線事故に起因する全体のあるいは大きな範囲での事
故を防ぐ事が出来電子冷却素子の集合体全体の信頼性を
数百倍向上することが出来た。

【００２８】

【図４】に示すように２つの熱伝導体の間隙に電子冷却
素子の集合体を挟んで密着させ，加熱して半田接合した
から平面の熱伝導と電子冷却素子の集合体の密着度が極
めて良好で，熱媒体と電子冷却素子の集合体の表面温度
の差が小さくなり，電気入力に対する冷却効果の効率を
さらに向上させることが出来た。

【００２９】

【図５】に示すように同心の直径の異なる２重管の熱伝
導体の間隙に電子冷却素子の集合体をを密着挿入して半
田接合したから円筒形の熱伝導体と電子冷却素子の集合
体の密着度が良好で，熱媒体と電子冷却素子の集合体の
表面温度の差が小さくなり電気入力に対する冷却効果の
効率をさらに向上させることができた。

【００３０】

【図６】に示すように２重管の外側にさらに同心の熱伝
導体を設けこの間隙に電子冷却素子の集合体を密着挿入
して半田接合したから１層の場合に較べてＨＯＴ側，Ｃ
ＯＬＤ側の温度差が大きくてもも同様の冷却性能を発揮
することが出来る。

【００３１】

【図７】に示すように２重管の外側にさらに同心に銅管
の水ジャケットを取付けたから液体の熱媒体相互の使用
に極めて便利で熱媒体と電子冷却素子の集合体の表面温
度の差が小さくなり電気入力に対する冷却効果の効率を
さらに向上することが出来た。

【００３２】

【図８】に示すように２重管の外側にフィンを密着固定
したから内側の管の内部に接して液体，フィンに接して
気体の熱媒体を流過するように使用すれば，極めて便利
で，かつ，熱媒体と電子冷却素子の集合体の表面温度の
差が小さくなり電気入力に対する冷却効果の効率をさら
に向上することが出来た。

【００３３】以上の様にして今日まで実用的な面で全く
顧みられなかった電子冷却を実用化し，脱フロンの冷却
を実現するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半完成の電子冷却素子の集合体で
ある。

【図２】本発明による銅帯のみを付した加工済み樹脂シ
ートである。

【図３】両者を正常な位置関係に組み合わせて電子冷却
素子の集合体を形成すべく用意された状態をを示す。

【図４】本発明による平面的な伝熱面を持つ電子冷却素
子の集合体である。

【図５】本発明による円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素
子の集合体である。

【図６】本発明による２層式の円筒形の伝熱面を持つ電
子冷却素子の集合体である。

【図７】本発明による液体〜液体用の熱伝導体を持つ電
子冷却素子の集合体である。

【図８】本発明による気体〜液体用の熱伝導体を持つ電
子冷却素子の集合体である。

【符号の説明】

１． 半完成の電子冷却素子の集合体 ２． 耐熱性のポリイミドシート ３． 耐熱性接着剤の層 ４． 銅帯の間隔 ５． 銅帯 ６． 対をなす半導体の一方の個体 ７． 対をなす半導体の他方の個体 ８． 対をなす半導体の個体相互の間隔 ９． 隣あう対をなす半導体の間隔 １０． 半田層 １１． 銅帯 １２． 半田層 １３． 加工済みのポリイミドシート １４． 対をなす半導体の接合されるべき面 １５． クリーム半田 １６． 平面の伝熱面を持つＨＯＴ側の熱伝導体 １７． 平面の伝熱面を持つＣＯＬＤ側の熱伝導体 １８． ボルト １９． ナット ２０． 平面の伝熱面を持つ電子冷却素子の集合体 ２１． 内側の銅管 ２２． 外側の銅管 ２３． 円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の集合体 ２４． ２層式の円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の
集合体の外側の銅管 ２５． ２層式の円筒形の伝熱面を持つ電子冷却素子の
集合体 ２６． 銅管製の水用ジャケット ２７． 液体〜液体用の熱伝導体を持つ電子冷却素子の
集合体 ２８． フィン ２９． 気体〜液体用の熱伝導体を持つ電子冷却素子の
集合体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項 １】耐熱性かつ可撓性のある樹脂の薄板に耐
   熱性の接着剤を用いて一定幅の可撓性のある薄い銅帯を
   前記一定幅より狭い間隔を保って平行に貼り付けるかエ
   ッチングによって形成し，前記銅帯の長手にそって，直
   流電圧を印加するとペルチエ効果を生じる対をなす半導
   体を一定の間隔を保って同じ向きに配列して半田などで
   溶着し，前記半導体を挟んで相対するように前記と同一
   の銅帯を接着またはエッチングを施した樹脂の薄板を半
   導体を挟んで銅帯が向かいあうように，かつ，半ピッチ
   ずれて平行になるようにして半導体に接した状態で配置
   し，両面から熱伝導体で挟んで圧着した状態で半導体と
   銅帯の間を同様に半田などで溶着したことを特色とする
   電子冷却素子の集合体。
2. 【請求項 ２】熱伝導体の板を複数の前記電子冷却素子
   の集合体の間に挟み，複数層として組み立てた第１項の
   電子冷却素子の集合体。