ペルチェモジュール
【課題】導電型に拘わらずΠ型のペルチェモジュールの形成を可能とし、また、同一モジュール内で温度勾配を形成することが可能なペルチェモジュールを提供する。
【解決手段】ペルチェモジュール１を、第１のＮ型熱電半導体２と、第２のＮ型熱電半導体３と、これら第１のＮ型熱電半導体２及び第２のＮ型熱電半導体３を結合する接合用金属電極４と、第１のＮ型熱電半導体２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、第２のＮ型熱電半導体３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６と、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを設ける。通電手段により第１のＮ型熱電半導体２と第２のＮ型熱電半導体３への通電量を異ならせることで同一モジュール内に温度勾配を形成する。
【解決手段】ペルチェモジュール１を、第１のＮ型熱電半導体２と、第２のＮ型熱電半導体３と、これら第１のＮ型熱電半導体２及び第２のＮ型熱電半導体３を結合する接合用金属電極４と、第１のＮ型熱電半導体２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、第２のＮ型熱電半導体３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６と、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを設ける。通電手段により第１のＮ型熱電半導体２と第２のＮ型熱電半導体３への通電量を異ならせることで同一モジュール内に温度勾配を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電型に拘わらず対をなす熱電半導体を接合用金属導体を介してΠ型に結合して構成されるペルチェモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱電モジュールは、図１５に示すように、Ｎ型熱電半導体１００とＰ型熱電半導体２００とを接合用金属電極４でギリシャ文字のΠ（パイ）型に直列結合し、Ｎ型熱電半導体１００の前記接合用金属電極４と反対側に第１の金属電極５を接続し、Ｐ型熱電半導体２００の接合用金属電極４とは反対側に第２の金属電極６を接続して構成されているもので、直流電源３００から直流電圧を印加すると、Ｎ型熱電半導体１００とＰ型熱電半導体２００とからなる直列回路に電流が流れ、ペルチェ効果により、各半導体の接合部の一方の面において発熱し、他方の面において吸熱する特性を有している。即ち、直流電圧の印加により、熱流が発生し、これにより熱電モジュールの一面側から他面側への熱移動が行われる（例えば、特許文献１、２等参照）。
【０００３】
例えば、図１５（ａ）に示すように、Ｎ型熱電半導体１００からＰ型熱電半導体２００へ電流を流すことにより、ペルチェ効果によって、電子が一定方向に流れ、図面の上部では、吸熱がなされて温度が低下し（冷却され）、また、反対側の下部では、放熱がなされて温度が上昇する（加熱される）。また、図１５（ｂ）に示すように、Ｐ型熱電半導体２００からＮ型熱電半導体１００へ電流を流すことにより、図面の上部では、放熱がなされて温度が上昇し（加熱され）、また、反対側の下部では、吸熱がなされて温度が低下する（冷却される）。
【０００４】
このような熱電モジュールは、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを併用すると、Ｐ型の熱電能は正の符号を持ち、また、Ｎ型の熱電能は負の符号を持つため、相対熱電能が非常に大きくなり、大きな熱電効果が得られる。このため、通常においては、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを対にして用いるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５-１８７８１３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体を構成する物質によっては、Ｎ型熱電半導体のみしか存在しないものも多い。また、まれではあるが、Ｐ型熱電半導体しか存在しない物質もある。したがって、Ｎ型とＰ型のいずれかの導電型の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成することができれば、様々な物質をペルチェモジュールに採用することが可能となる。また、Π型の単体のペルチェモジュールにおいて、温度勾配を持たせることができれば、実用面において幅広い応用が期待できる。
【０００７】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、導電型に拘わらずΠ型のペルチェモジュールの形成を可能とし、また、同一モジュール内で温度勾配を形成することが可能なペルチェモジュールを提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、本発明に係るペルチェモジュールは、第１の熱電半導体と、 第２の熱電半導体と、これら第１の熱電半導体及び第２の熱電半導体を結合する接合用金属電極と、前記第１の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第１の金属電極と、前記第２の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第２の金属電極と、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴としている。
ここで、第１の熱電半導体と第２の熱電半導体は、いずれも同じ導電型（Ｎ型又はＰ型）の熱電半導体であっても、異なる導電型の熱電半導体（第１の熱電半導体をＮ型熱電半導体とし、第２の熱電半導体をＰ型熱電半導体）としてもよい。
【０００９】
したがって、このような構成によれば、Ｎ型またはＰ型のいずれか一方の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成した場合においても、各閉回路に流れる電流の向きに応じて、第１の熱電半導体と接合用金属電極との接合部において、また、第２の熱電半導体と接合用金属電極との接合部において吸熱又は放熱させることが可能となる。
【００１０】
ここで、通電手段は、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路の通電量を一定にするものであっても、それぞれの通電量を調整可能とすることで、吸熱量および放熱量を制御するものであってもよい。
【００１１】
通電手段は、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第１の電源と、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第２の電源とを有するものであっても、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する共通の電源であってもよい。尚、共通の電源を設ける場合においては、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路のそれぞれの通電量を調節する可変抵抗を設けるようにしてもよい。
【００１２】
上述した構成においては、２つの熱電半導体を用いてペルチェモジュールを構成した場合であるが、ｎ個の熱電半導体を用いて構成する場合には、ｎ個の熱電半導体と、前記ｎ個の熱電半導体を結合する結合用金属電極と、それぞれの熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられたｎ個の金属電極と、隣り合う熱電半導体の金属電極同士を接続して形成される各閉回路に通電する通電手段とを具備して構成してもよい。
特に、このような構成において、ｎ個の熱電半導体を同じ導電型の熱電半導体で構成する場合においては、隣り合う閉回路で通電手段による電流の向きを逆にするとよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように、本発明によれば、第１の熱電半導体と第２の熱電半導体とを接合用金属電極で結合し、接合用金属電極と第１の熱電半導体に接続される第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の熱電半導体に接続される第２の金属電極とを接続して構成される閉回路のそれぞれに通電手段により通電するようにしたので、Ｎ型又はＰ型のいずれか一方の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成した場合においても、第１の熱電半導体と接合用金属電極との接合部と、第２の熱電半導体と接合用金属電極との接合部で電流の向きに応じて吸熱又は放熱させることが可能となり、同一のペルチェモジュール内で温度勾配を形成することが可能となる。
【００１４】
また、通電手段により、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電量と、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電量とを別々に調節するようにすれば、接合用金属電極に任意の温度勾配を調節することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、ｎ個の熱電半導体を結合用金属電極で結合し、隣り合う熱電半導体に設けられた金属電極同士を接続して構成される各閉回路に通電手段により通電するようにしたので、Ｎ型又はＰ型のいずれか一方の導電型の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを連続的に形成する場合においても、電流の向きに応じて、各熱電半導体と接合用金属電極との接合部で吸熱又は放熱させることが可能となり、各閉回路の通電量を調整することにより、温度勾配を容易に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係るペルチェモジュールの第１の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図２】図２は、本発明に係るペルチェモジュールの第２の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を設けた例を示す。
【図３】図３は、本発明に係るペルチェモジュールの第３の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを同じにした例を示す。
【図４】図４は、本発明に係るペルチェモジュールの第４の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを互いに同じにした例を示す。
【図５】図５は、本発明に係るペルチェモジュールの第５の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きが互いに異なる例を示す。
【図６】図６は、本発明に係るペルチェモジュールの第６の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を有すると共にそれぞれの熱電半導体への通電量を調節する２つの可変抵抗を有する例を示す。
【図７】図７は、本発明に係るペルチェモジュールの第７の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図８】図８は、本発明に係るペルチェモジュールの第８の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図９】図９は、本発明に係るペルチェモジュールの第９の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを同じにした例を示す。
【図１０】図１０は、本発明に係るペルチェモジュールの第１０の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を有すると共にそれぞれの熱電半導体への通電量を調節する２つの可変抵抗を有する例を示す。
【図１１】図１１（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの可変電流源を設けた構成図であり、図１１（ｂ）は、（ａ）の構成において、可変電流源の電流を０〜３６Ａまで変化させた場合の冷却温度（Ｓ１による測定温度）と、冷却温度と加熱温度との差（Ｓ２による測定温度とＳ１による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの可変電流源を設けた構成図であり、図１２（ｂ）は、（ａ）の構成において、加熱側の電流を一定とし、冷却側の電流を０〜２４Ａまで変化させた場合の加熱側温度（Ｓ１による測定温度）、冷却側温度（Ｓ２による測定温度）、加熱側温度と冷却側温度との差（Ｓ１による測定温度とＳ２による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１３】図１３（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの可変電流源を設けた構成図であり、図１３（ｂ）は、（ａ）の構成において、冷却側の電流を一定とし、加熱側の電流を０〜２４Ａまで変化させた場合の加熱側温度（Ｓ１による測定温度）、冷却側温度（Ｓ２による測定温度）、加熱側温度と冷却側温度との差（Ｓ１による測定温度とＳ２による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明に係るペルチェモジュールの第１１の構成例を示す図であり、Ｎ型熱電半導体を３つ以上並設し、隣り合う熱電半導体に設けられた金属電極同士を接続して構成される各閉回路に通電手段により通電する構成例を示す図であり、（ａ）はＮ型熱電半導体を３つ並設した構成例、（ｂ）はＮ型熱電半導体を４つ並設した構成例を示す。
【図１５】図１５は、従来のペルチェモジュールの構成を示す図であり、（ａ）は対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体を備えたペルチェモジュールに、Ｎ型熱電半導体からＰ型熱電半導体へ電流を流した状態を示す図であり、（ｂ）は対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体を備えたペルチェモジュールに、Ｐ型熱電半導体からＮ型熱電半導体へ電流を流した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
まず、熱電半導体として同じ導電型（Ｎ型）の熱電半導体のみを用いたΠ型のペルチェモジュールについて説明する。
【００１９】
この例において、ペルチェモジュール１は、図１に示されるように、第１のＮ型熱電半導体２と、第２のＮ型熱電半導体３と、これら第１のＮ型熱電半導体２及び第２のＮ型熱電半導体３を結合する接合用金属電極４と、第１のＮ型熱電半導体２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、第２のＮ型熱電半導体３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６とを備え、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電手段により通電するようにしている。
【００２０】
このような構成は、いろいろ考えられるが、同図に示されるように、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される第１の閉回路と、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される第２の閉回路とを並列に形成するために、接合用金属電極４に接続する共用線７を設け、この共用線７を第１の支線８を介して第１の金属電極５に接続し、また、共用線７を第２の支線９を介して第２の金属電極６に接続し、この例においては、それぞれの支線８，９に直流電圧源（支線８に第１の直流電圧源１０、支線９に第２の直流電圧源１１）を設けて各熱電半導体２，３に通電するようにしている。
【００２１】
ここで、直流電圧源１０，１１による電流の流れは、Ｎ型熱電半導体２，３と接合用金属電極４との接合部が冷却されるように設定されており、２つの閉回路のそれぞれにおいて、同じ大きさの直流電流が供給されており、Ｎ型熱電半導体２，３と接合用金属電極４との接合部が同程度に冷却されるようになっている。また、各金属電極５，６には、内部に冷水が流通せれるようになっており、一定の温度（例えば、１８度）となるように冷却されている。
【００２２】
したがって、上述の構成例においては、第１のＮ型熱電半導体２、接合用金属電極４、及び、第２のＮ型熱電半導体３を直列接続して構成されたΠ型のユニポーラ型ペルチェモジュールにおいて、第１のＮ型熱電半導体２に通電する閉回路と第２のＮ型熱電半導体３に通電する閉回路とを設けるようにしたので、Ｎ型熱電半導体のみを用いてΠ型のペルチェモジュールを構成した場合においても、各熱電半導体との接合部分で、電流の向きに応じて冷却（吸熱）または加熱（放熱）が可能となる。
尚、上述の構成において、それぞれの直流電圧源１０，１１の向きを逆にするか、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に置き換えれば、冷却と加熱を逆にすることが可能となる。
【００２３】
また、上述の例では、共用線７から分岐するそれぞれの支線８，９に、それぞれのＮ型熱電半導体２，３に通電するための直流電圧源１０，１１を設けた例を示したが、図２に示されるように、１つの直流電圧源１２を共用線７に設けて電源を共用するようにしてもよい。
【００２４】
また、接合用金属電極４に温度勾配を持たせたい場合には、図３に示されるように、図１で示す構成に対して、一方の直流電圧源１１を逆向きに接続し、それぞれの閉回路の電流の向きを同方向（図中、時計回り）としてもよい。このような構成においては、接合用金属電極４の一方の端部が加熱され、他方の端部が冷却されるので、大きな温度勾配を形成することが可能となる。尚、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に変更した場合や、図１の構成において、直流電圧源１０を逆向きに接続する場合には、冷却加熱の向きが逆になる。
【００２５】
以上の例では、温度勾配を持たせるために直流電圧源を用いた例を示したが、図４に示されるように、図３の直流電圧源１０，１１に代えて、第１及び第２の直流電流源１３，１４（第１の直流電流源１３の電流をＩ１、第２の直流電流源１４の電流をＩ２）を用いて一方の閉回路に大きな電流を流し、他方の閉回路に小さな電流を流すことで（Ｉ１＞Ｉ２）、接合用金属電極４の一方の端部を強く冷却し、他方の端部を弱く加熱するようにしてもよい。このような構成においては、温度勾配を調整するために有用であるが、より温度勾配を小さく（緩やかに）したい場合には、図５に示すように、直流電流源１４の向きを逆にすることで、接合用金属電極４の一方の端部を強く冷却し、他方の端部を弱く冷却することも可能となる。以上の構成においては、主として定電流源を用いることを想定したが、それぞれの定電流源の代わりに可変電流源を用い、温度勾配の状態（温度勾配のレンジや勾配の大きさ等）を可変させるようにしてもよい。尚、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に変更した場合には、冷却加熱の向きが逆になる。
【００２６】
さらに、温度勾配を可変させる構成としては、図６に示されるように、図２の構成に対して、各支線８，９に可変抵抗１５，１６を設け、各熱電半導体２，３へ流す電流量を可変抵抗１５，１６で調節するようにしてもよい。このような構成においても、接合用金属電極４の温度勾配の状態（温度勾配のレンジや勾配の大きさ等）を可変させることが可能となるので、利用箇所や用途に応じて温度勾配が調節可能となる。
【実施例２】
【００２７】
次に、熱電半導体としてＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを対にしてΠ型に結合したペルチェモジュールについて説明する。
【００２８】
この例において、ペルチェモジュールは、図７に示されるように、Ｎ型熱電半導体２２と、Ｐ型熱電半導体２３と、これらＮ型熱電半導体２２及びＰ型熱電半導体２３を結合する接合用金属電極４と、Ｎ型熱電半導体２２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、Ｐ型熱電半導体２３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６とを備え、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電手段により通電するようにしている。
【００２９】
このような構成は、いろいろ考えられるが、同図に示されるように、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される第１の閉回路と、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される第２の閉回路とを並列に形成するために、接合用金属電極４に接続する共用線７を設け、この共用線７を第１の支線８を介して第１の金属電極５に接続し、また、共用線７を第２の支線９を介して第２の金属電極６に接続し、この例においては、それぞれの支線８，９に直流電圧源１０，１１を設けて各熱電半導体２２，２３に通電するようにしている。
【００３０】
ここで、直流電圧源１０，１１による電流の流れは、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部が冷却されるように設定され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部が加熱されるように設定されており、２つの閉回路のそれぞれにおいて、同じ大きさの直流電流が供給されるようになっている。
【００３１】
したがって、上述の構成においては、Ｎ型熱電半導体２２、接合用金属電極４、及び、Ｐ型熱電半導体２３を直列接続して構成されたΠ型のバイポーラ型ペルチェモジュールにおいて、Ｎ型熱電半導体２２に通電する閉回路とＰ型熱電半導体２３に通電する閉回路とをそれぞれ設けるようにしたので、Ｎ型熱電半導体２２とＰ型熱電半導体２３とを用いてΠ型のペルチェモジュールを構成した場合においても、それぞれの熱電半導体２２，２３との接合部分で、電流の向きに応じて冷却（吸熱）または加熱（放熱）が可能となり、また、接合用金属電極４に温度勾配を持たせることが可能となる。
【００３２】
また、この例では、共用線７から分岐するそれぞれの支線８，９に、それぞれの熱電半導体２２，２３に通電するための直流電圧源１０，１１を設けた例を示したが、接合用金属電極４に温度勾配を持たせたい場合には、例えば、図８に示されるように、図７で示す直流電圧源１０，１１を第１及び第２の直流電流源１３，１４に置き換え、Ｐ型熱電半導体２３に供給される電流（Ｉ２）をＮ型熱電半導体２２に供給される電流（Ｉ１）よりも小さく設定してもよい。このような構成においては、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱加熱されることになるので、接合用金属電極４には、図７の構成と比べて、異なるレンジの温度勾配を形成することが可能となる。
【００３３】
また、図９に示されるように、図８で示す構成の直流電流源１４の電流の向きを逆にし、Ｐ型熱電半導体側に供給される電流（Ｉ２）をＮ型熱電半導体に供給される電流（Ｉ１）よりも小さく設定すれば、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱冷却されることになるので、接合用金属電極４には、図８で示す温度勾配よりも緩やかな温度勾配を形成させることが可能になる。
【００３４】
さらに、図１０に示されるように、１つの直流電圧源１２を共用線７に設けた図６の構成に対して、各支線８，９に可変抵抗１５，１６を設け、各熱電半導体２２，２３へ流す電流量を可変抵抗１５，１６で調節するようにしてもよい。このような構成においては、例えば、同図に示されるように、Ｎ型熱電半導体側に供給される電流（Ｉ１）をＰ型熱電半導体に供給される電流（Ｉ２）よりも大きく設定すれば、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱加熱されることになるので、接合用金属電極４の温度勾配のレンジを、弱加熱の領域から強冷却の領域にかけて変更することが可能となる（異なるレンジの温度勾配を形成することが可能となる）。
【００３５】
以上の構成において、図１１に示されるように、共用線７に可変電流源１７を設置し、また、第１及び第２の金属電極５，６を水冷して１６℃に保ち、２５℃の室温で可変電流源１７による電流を０〜３６Ａまで変化させてペルチェモジュール１の温度変化を測定した。より具体的には、接合用金属電極４にその表面の温度を検出する第１の熱電対Ｓ１を設置し、また、第１の金属電極５にその表面の温度を検出する第２の熱電対Ｓ２を設置し、可変電流源１７の電流を変化させてそれぞれの熱電対で検出した温度から、接合用金属電極４の温度（Ｓ１により検出された冷却側温度（●））と、第１の金属電極５の温度（Ｓ２により検出された放熱側温度（■））と、これらＳ２で検出された放熱側温度とＳ１で検出された冷却側温度との差（Ｓ２−Ｓ１:◆）を測定した。その結果を、図１１（ｂ）に示す。
【００３６】
この図からわかるように、電流が流れていないとき（０Ａのとき）は、接合用金属電極４の温度と第１の金属電極５の温度はほぼ同じであり、電流を流していくと、電流が大きくなるほど冷却側温度は低く、また、放熱側温度は高くなり、温度差が大きくなる。このように、ユニポーラ型のペルチェモジュールにおいても温度制御が十分に可能であることが示された。
【００３７】
また、図１２で示されるように、第１のＮ型熱電半導体２と接合用金属電極４との接合部が加熱するように第１の直流電流源１３を支線８に設け、また、第２のＮ型熱電半導体３と接合用金属電極４との接合部が冷却するように第２の直流電流源１４を支線９に設け、第１のＮ型熱電半導体２に流れる電流を一定とし、第２のＮ型熱電半導体３に流れる電流を０〜２４Ａまで変化させ、そのときの接合用金属電極４の第１のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第１の熱電対Ｓ１で検出し、接合用金属電極４の第２のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第２の熱電対Ｓ２で検出し、Ｓ１により検出される加熱側温度（●）と、Ｓ２により検出される冷却側温度（■）と、Ｓ１で検出された温度とＳ２で検出された温度との差（Ｓ１−Ｓ２：◆）をそれぞれ測定した。その結果を、図１２（ｂ）に示す。
【００３８】
この結果から分かるように、冷却側の電流を大きくしていくと、冷却側温度は低下していき、これに引きずられて、加熱側温度も低下してくるが、電流が大きくなると、全体として、温度差（Ｓ１−Ｓ２）が徐々に大きくなり、温度勾配が少しずつ大きくなってくることが分かる。
【００３９】
さらに、図１３で示されるように、図１２の構成において、第２のＮ型熱電半導体３に流れる電流を一定とし、第１のＮ型熱電半導体２に流れる電流を０〜２４Ａまで変化させ、そのときの接合用金属電極４の第１のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第１の温度センサＳ１で検出し、第２のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第２の温度センサＳ２で検出し、Ｓ１により検出される加熱側温度（●）と、Ｓ２により検出される冷却側温度（■）と、Ｓ１により検出された温度とＳ２により検出された温度との差（Ｓ１−Ｓ２：◆）をそれぞれ測定した。その結果を、図１３（ｂ）に示す。
【００４０】
この結果から分かるように、加熱側の電流を大きくしていくと、加熱側温度は上昇していき、これに引きずられて、冷却側温度も上昇していくが、電流が大きくなると、全体として、温度差（Ｓ１−Ｓ２）が徐々に大きくなり、温度勾配が少しずつ大きくなってくることが分かる。
【００４１】
したがって、上述したペルチェモジュールを用いれば、１つのモジュール内に温度勾配を形成することが可能になるので、このようなペルチェモジュールを利用すれば、同一面上で温度条件を変えて多くの試験を一度に行うことが可能となり、また、温度勾配をつけることで、ガスや液体を輸送させる場合等にも利用可能となる。
【実施例３】
【００４２】
尚、上述の構成例においては、２つの熱電半導体を用いた例を示したが、図１４（ａ）に示されるように、３つのＮ型熱電半導体（第１、第２、第３の熱電半導体３１，３２，３３）を接合用金属電極４で結合し、第１の熱電半導体３１に接合用金属電極４から離して第１の金属電極４１を設け、第２の熱電半導体３２に接合用金属電極４から離して第２の金属電極４２を設け、第３の熱電半導体４３に接合用金属電極４から離して第３の金属電極４３を設け、第１の金属電極４１と第２の金属電極４２との間に第１の直流電流源５１、また、第２の金属電極４２と第３の金属電極４３との間に第２の直流電流源５２を設けて構成するようにしてもよい。
【００４３】
このような構成においても、Ｎ型熱電半導体のみを用いてΠ型のペルチェ素子を連接した場合において、熱電半導体３１，３２，３３との接合部分において、電流の向きに応じて冷却または加熱させることが可能となり、特に隣り合う閉回路で電流の向きを逆向きとすることで、温度勾配を大きく形成することが可能となり、この例では接合用金属電極４の中心ほど温度が高く、両端にいくほど温度が低くなる温度勾配を形成することが可能となる。この際、電流の大きさを変えることで、温度勾配の付け方を調整することが可能となる。
【００４４】
上述の構成は、さらにｎ個の熱電半導体を並設する場合に発展させることが可能であり、例えば、図１４（ｂ）に示されるように、４個の熱電半導体３１〜３４を並設して接合用金属電極４で結合し、隣り合う閉ループで電流の向きが逆になるように通電すれば、接合用金属電極の表面に冷却と加熱を交互に変化させる温度勾配を形成することが可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
１ ペルチェモジュール
２ 第１のＮ型熱電半導体
３ 第２のＮ型熱電半導体
４ 接合用金属電極
５ 第１の金属電極
６ 第２の金属電極
１０，１１，１２ 直流電圧源
１３，１４，５１，５２，５３ 直流電流源
１５，１６ 可変抵抗
２２ Ｎ型熱電半導体
２３ Ｐ型熱電半導体
３１ 第１のＮ型熱電半導体
３２ 第３のＮ型熱電半導体
３４ 第４のＮ型熱電半導体
４１ 第１の金属電極
４２ 第２の金属電極
４３ 第３の金属電極
４４ 第４の金属電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電型に拘わらず対をなす熱電半導体を接合用金属導体を介してΠ型に結合して構成されるペルチェモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱電モジュールは、図１５に示すように、Ｎ型熱電半導体１００とＰ型熱電半導体２００とを接合用金属電極４でギリシャ文字のΠ（パイ）型に直列結合し、Ｎ型熱電半導体１００の前記接合用金属電極４と反対側に第１の金属電極５を接続し、Ｐ型熱電半導体２００の接合用金属電極４とは反対側に第２の金属電極６を接続して構成されているもので、直流電源３００から直流電圧を印加すると、Ｎ型熱電半導体１００とＰ型熱電半導体２００とからなる直列回路に電流が流れ、ペルチェ効果により、各半導体の接合部の一方の面において発熱し、他方の面において吸熱する特性を有している。即ち、直流電圧の印加により、熱流が発生し、これにより熱電モジュールの一面側から他面側への熱移動が行われる（例えば、特許文献１、２等参照）。
【０００３】
例えば、図１５（ａ）に示すように、Ｎ型熱電半導体１００からＰ型熱電半導体２００へ電流を流すことにより、ペルチェ効果によって、電子が一定方向に流れ、図面の上部では、吸熱がなされて温度が低下し（冷却され）、また、反対側の下部では、放熱がなされて温度が上昇する（加熱される）。また、図１５（ｂ）に示すように、Ｐ型熱電半導体２００からＮ型熱電半導体１００へ電流を流すことにより、図面の上部では、放熱がなされて温度が上昇し（加熱され）、また、反対側の下部では、吸熱がなされて温度が低下する（冷却される）。
【０００４】
このような熱電モジュールは、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを併用すると、Ｐ型の熱電能は正の符号を持ち、また、Ｎ型の熱電能は負の符号を持つため、相対熱電能が非常に大きくなり、大きな熱電効果が得られる。このため、通常においては、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを対にして用いるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５-１８７８１３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体を構成する物質によっては、Ｎ型熱電半導体のみしか存在しないものも多い。また、まれではあるが、Ｐ型熱電半導体しか存在しない物質もある。したがって、Ｎ型とＰ型のいずれかの導電型の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成することができれば、様々な物質をペルチェモジュールに採用することが可能となる。また、Π型の単体のペルチェモジュールにおいて、温度勾配を持たせることができれば、実用面において幅広い応用が期待できる。
【０００７】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、導電型に拘わらずΠ型のペルチェモジュールの形成を可能とし、また、同一モジュール内で温度勾配を形成することが可能なペルチェモジュールを提供することを主たる課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するために、本発明に係るペルチェモジュールは、第１の熱電半導体と、 第２の熱電半導体と、これら第１の熱電半導体及び第２の熱電半導体を結合する接合用金属電極と、前記第１の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第１の金属電極と、前記第２の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第２の金属電極と、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴としている。
ここで、第１の熱電半導体と第２の熱電半導体は、いずれも同じ導電型（Ｎ型又はＰ型）の熱電半導体であっても、異なる導電型の熱電半導体（第１の熱電半導体をＮ型熱電半導体とし、第２の熱電半導体をＰ型熱電半導体）としてもよい。
【０００９】
したがって、このような構成によれば、Ｎ型またはＰ型のいずれか一方の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成した場合においても、各閉回路に流れる電流の向きに応じて、第１の熱電半導体と接合用金属電極との接合部において、また、第２の熱電半導体と接合用金属電極との接合部において吸熱又は放熱させることが可能となる。
【００１０】
ここで、通電手段は、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路の通電量を一定にするものであっても、それぞれの通電量を調整可能とすることで、吸熱量および放熱量を制御するものであってもよい。
【００１１】
通電手段は、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第１の電源と、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第２の電源とを有するものであっても、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する共通の電源であってもよい。尚、共通の電源を設ける場合においては、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路のそれぞれの通電量を調節する可変抵抗を設けるようにしてもよい。
【００１２】
上述した構成においては、２つの熱電半導体を用いてペルチェモジュールを構成した場合であるが、ｎ個の熱電半導体を用いて構成する場合には、ｎ個の熱電半導体と、前記ｎ個の熱電半導体を結合する結合用金属電極と、それぞれの熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられたｎ個の金属電極と、隣り合う熱電半導体の金属電極同士を接続して形成される各閉回路に通電する通電手段とを具備して構成してもよい。
特に、このような構成において、ｎ個の熱電半導体を同じ導電型の熱電半導体で構成する場合においては、隣り合う閉回路で通電手段による電流の向きを逆にするとよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように、本発明によれば、第１の熱電半導体と第２の熱電半導体とを接合用金属電極で結合し、接合用金属電極と第１の熱電半導体に接続される第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極と第２の熱電半導体に接続される第２の金属電極とを接続して構成される閉回路のそれぞれに通電手段により通電するようにしたので、Ｎ型又はＰ型のいずれか一方の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを形成した場合においても、第１の熱電半導体と接合用金属電極との接合部と、第２の熱電半導体と接合用金属電極との接合部で電流の向きに応じて吸熱又は放熱させることが可能となり、同一のペルチェモジュール内で温度勾配を形成することが可能となる。
【００１４】
また、通電手段により、接合用金属電極と第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電量と、接合用金属電極と第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電量とを別々に調節するようにすれば、接合用金属電極に任意の温度勾配を調節することが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、ｎ個の熱電半導体を結合用金属電極で結合し、隣り合う熱電半導体に設けられた金属電極同士を接続して構成される各閉回路に通電手段により通電するようにしたので、Ｎ型又はＰ型のいずれか一方の導電型の半導体を用いてΠ型のペルチェモジュールを連続的に形成する場合においても、電流の向きに応じて、各熱電半導体と接合用金属電極との接合部で吸熱又は放熱させることが可能となり、各閉回路の通電量を調整することにより、温度勾配を容易に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係るペルチェモジュールの第１の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図２】図２は、本発明に係るペルチェモジュールの第２の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を設けた例を示す。
【図３】図３は、本発明に係るペルチェモジュールの第３の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを同じにした例を示す。
【図４】図４は、本発明に係るペルチェモジュールの第４の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを互いに同じにした例を示す。
【図５】図５は、本発明に係るペルチェモジュールの第５の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きが互いに異なる例を示す。
【図６】図６は、本発明に係るペルチェモジュールの第６の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を有すると共にそれぞれの熱電半導体への通電量を調節する２つの可変抵抗を有する例を示す。
【図７】図７は、本発明に係るペルチェモジュールの第７の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電圧源を有し、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図８】図８は、本発明に係るペルチェモジュールの第８の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が、他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを異ならせた例を示す。
【図９】図９は、本発明に係るペルチェモジュールの第９の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの直流電流源を有し、一方の直流電流源から供給される電流が他方の直流電流源から供給される電流より小さく設定され、電流の向きを同じにした例を示す。
【図１０】図１０は、本発明に係るペルチェモジュールの第１０の構成例を示す図であり、対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの直流電圧源を有すると共にそれぞれの熱電半導体への通電量を調節する２つの可変抵抗を有する例を示す。
【図１１】図１１（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に通電する共通の１つの可変電流源を設けた構成図であり、図１１（ｂ）は、（ａ）の構成において、可変電流源の電流を０〜３６Ａまで変化させた場合の冷却温度（Ｓ１による測定温度）と、冷却温度と加熱温度との差（Ｓ２による測定温度とＳ１による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの可変電流源を設けた構成図であり、図１２（ｂ）は、（ａ）の構成において、加熱側の電流を一定とし、冷却側の電流を０〜２４Ａまで変化させた場合の加熱側温度（Ｓ１による測定温度）、冷却側温度（Ｓ２による測定温度）、加熱側温度と冷却側温度との差（Ｓ１による測定温度とＳ２による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１３】図１３（ａ）は、本発明に係るペルチェモジュールにおいて、対をなすＮ型熱電半導体を用いて構成され、それぞれの熱電半導体に個別に通電するための２つの可変電流源を設けた構成図であり、図１３（ｂ）は、（ａ）の構成において、冷却側の電流を一定とし、加熱側の電流を０〜２４Ａまで変化させた場合の加熱側温度（Ｓ１による測定温度）、冷却側温度（Ｓ２による測定温度）、加熱側温度と冷却側温度との差（Ｓ１による測定温度とＳ２による測定温度との差）を測定した結果を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明に係るペルチェモジュールの第１１の構成例を示す図であり、Ｎ型熱電半導体を３つ以上並設し、隣り合う熱電半導体に設けられた金属電極同士を接続して構成される各閉回路に通電手段により通電する構成例を示す図であり、（ａ）はＮ型熱電半導体を３つ並設した構成例、（ｂ）はＮ型熱電半導体を４つ並設した構成例を示す。
【図１５】図１５は、従来のペルチェモジュールの構成を示す図であり、（ａ）は対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体を備えたペルチェモジュールに、Ｎ型熱電半導体からＰ型熱電半導体へ電流を流した状態を示す図であり、（ｂ）は対をなすＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体を備えたペルチェモジュールに、Ｐ型熱電半導体からＮ型熱電半導体へ電流を流した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
まず、熱電半導体として同じ導電型（Ｎ型）の熱電半導体のみを用いたΠ型のペルチェモジュールについて説明する。
【００１９】
この例において、ペルチェモジュール１は、図１に示されるように、第１のＮ型熱電半導体２と、第２のＮ型熱電半導体３と、これら第１のＮ型熱電半導体２及び第２のＮ型熱電半導体３を結合する接合用金属電極４と、第１のＮ型熱電半導体２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、第２のＮ型熱電半導体３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６とを備え、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電手段により通電するようにしている。
【００２０】
このような構成は、いろいろ考えられるが、同図に示されるように、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される第１の閉回路と、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される第２の閉回路とを並列に形成するために、接合用金属電極４に接続する共用線７を設け、この共用線７を第１の支線８を介して第１の金属電極５に接続し、また、共用線７を第２の支線９を介して第２の金属電極６に接続し、この例においては、それぞれの支線８，９に直流電圧源（支線８に第１の直流電圧源１０、支線９に第２の直流電圧源１１）を設けて各熱電半導体２，３に通電するようにしている。
【００２１】
ここで、直流電圧源１０，１１による電流の流れは、Ｎ型熱電半導体２，３と接合用金属電極４との接合部が冷却されるように設定されており、２つの閉回路のそれぞれにおいて、同じ大きさの直流電流が供給されており、Ｎ型熱電半導体２，３と接合用金属電極４との接合部が同程度に冷却されるようになっている。また、各金属電極５，６には、内部に冷水が流通せれるようになっており、一定の温度（例えば、１８度）となるように冷却されている。
【００２２】
したがって、上述の構成例においては、第１のＮ型熱電半導体２、接合用金属電極４、及び、第２のＮ型熱電半導体３を直列接続して構成されたΠ型のユニポーラ型ペルチェモジュールにおいて、第１のＮ型熱電半導体２に通電する閉回路と第２のＮ型熱電半導体３に通電する閉回路とを設けるようにしたので、Ｎ型熱電半導体のみを用いてΠ型のペルチェモジュールを構成した場合においても、各熱電半導体との接合部分で、電流の向きに応じて冷却（吸熱）または加熱（放熱）が可能となる。
尚、上述の構成において、それぞれの直流電圧源１０，１１の向きを逆にするか、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に置き換えれば、冷却と加熱を逆にすることが可能となる。
【００２３】
また、上述の例では、共用線７から分岐するそれぞれの支線８，９に、それぞれのＮ型熱電半導体２，３に通電するための直流電圧源１０，１１を設けた例を示したが、図２に示されるように、１つの直流電圧源１２を共用線７に設けて電源を共用するようにしてもよい。
【００２４】
また、接合用金属電極４に温度勾配を持たせたい場合には、図３に示されるように、図１で示す構成に対して、一方の直流電圧源１１を逆向きに接続し、それぞれの閉回路の電流の向きを同方向（図中、時計回り）としてもよい。このような構成においては、接合用金属電極４の一方の端部が加熱され、他方の端部が冷却されるので、大きな温度勾配を形成することが可能となる。尚、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に変更した場合や、図１の構成において、直流電圧源１０を逆向きに接続する場合には、冷却加熱の向きが逆になる。
【００２５】
以上の例では、温度勾配を持たせるために直流電圧源を用いた例を示したが、図４に示されるように、図３の直流電圧源１０，１１に代えて、第１及び第２の直流電流源１３，１４（第１の直流電流源１３の電流をＩ１、第２の直流電流源１４の電流をＩ２）を用いて一方の閉回路に大きな電流を流し、他方の閉回路に小さな電流を流すことで（Ｉ１＞Ｉ２）、接合用金属電極４の一方の端部を強く冷却し、他方の端部を弱く加熱するようにしてもよい。このような構成においては、温度勾配を調整するために有用であるが、より温度勾配を小さく（緩やかに）したい場合には、図５に示すように、直流電流源１４の向きを逆にすることで、接合用金属電極４の一方の端部を強く冷却し、他方の端部を弱く冷却することも可能となる。以上の構成においては、主として定電流源を用いることを想定したが、それぞれの定電流源の代わりに可変電流源を用い、温度勾配の状態（温度勾配のレンジや勾配の大きさ等）を可変させるようにしてもよい。尚、Ｎ型熱電半導体２，３をＰ型熱電半導体に変更した場合には、冷却加熱の向きが逆になる。
【００２６】
さらに、温度勾配を可変させる構成としては、図６に示されるように、図２の構成に対して、各支線８，９に可変抵抗１５，１６を設け、各熱電半導体２，３へ流す電流量を可変抵抗１５，１６で調節するようにしてもよい。このような構成においても、接合用金属電極４の温度勾配の状態（温度勾配のレンジや勾配の大きさ等）を可変させることが可能となるので、利用箇所や用途に応じて温度勾配が調節可能となる。
【実施例２】
【００２７】
次に、熱電半導体としてＮ型熱電半導体とＰ型熱電半導体とを対にしてΠ型に結合したペルチェモジュールについて説明する。
【００２８】
この例において、ペルチェモジュールは、図７に示されるように、Ｎ型熱電半導体２２と、Ｐ型熱電半導体２３と、これらＮ型熱電半導体２２及びＰ型熱電半導体２３を結合する接合用金属電極４と、Ｎ型熱電半導体２２に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第１の金属電極５と、Ｐ型熱電半導体２３に接続されると共に接合用金属電極４から離して設けられた第２の金属電極６とを備え、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される閉回路、及び、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される閉回路に通電手段により通電するようにしている。
【００２９】
このような構成は、いろいろ考えられるが、同図に示されるように、接合用金属電極４と第１の金属電極５とを接続して構成される第１の閉回路と、接合用金属電極４と第２の金属電極６とを接続して構成される第２の閉回路とを並列に形成するために、接合用金属電極４に接続する共用線７を設け、この共用線７を第１の支線８を介して第１の金属電極５に接続し、また、共用線７を第２の支線９を介して第２の金属電極６に接続し、この例においては、それぞれの支線８，９に直流電圧源１０，１１を設けて各熱電半導体２２，２３に通電するようにしている。
【００３０】
ここで、直流電圧源１０，１１による電流の流れは、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部が冷却されるように設定され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部が加熱されるように設定されており、２つの閉回路のそれぞれにおいて、同じ大きさの直流電流が供給されるようになっている。
【００３１】
したがって、上述の構成においては、Ｎ型熱電半導体２２、接合用金属電極４、及び、Ｐ型熱電半導体２３を直列接続して構成されたΠ型のバイポーラ型ペルチェモジュールにおいて、Ｎ型熱電半導体２２に通電する閉回路とＰ型熱電半導体２３に通電する閉回路とをそれぞれ設けるようにしたので、Ｎ型熱電半導体２２とＰ型熱電半導体２３とを用いてΠ型のペルチェモジュールを構成した場合においても、それぞれの熱電半導体２２，２３との接合部分で、電流の向きに応じて冷却（吸熱）または加熱（放熱）が可能となり、また、接合用金属電極４に温度勾配を持たせることが可能となる。
【００３２】
また、この例では、共用線７から分岐するそれぞれの支線８，９に、それぞれの熱電半導体２２，２３に通電するための直流電圧源１０，１１を設けた例を示したが、接合用金属電極４に温度勾配を持たせたい場合には、例えば、図８に示されるように、図７で示す直流電圧源１０，１１を第１及び第２の直流電流源１３，１４に置き換え、Ｐ型熱電半導体２３に供給される電流（Ｉ２）をＮ型熱電半導体２２に供給される電流（Ｉ１）よりも小さく設定してもよい。このような構成においては、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱加熱されることになるので、接合用金属電極４には、図７の構成と比べて、異なるレンジの温度勾配を形成することが可能となる。
【００３３】
また、図９に示されるように、図８で示す構成の直流電流源１４の電流の向きを逆にし、Ｐ型熱電半導体側に供給される電流（Ｉ２）をＮ型熱電半導体に供給される電流（Ｉ１）よりも小さく設定すれば、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱冷却されることになるので、接合用金属電極４には、図８で示す温度勾配よりも緩やかな温度勾配を形成させることが可能になる。
【００３４】
さらに、図１０に示されるように、１つの直流電圧源１２を共用線７に設けた図６の構成に対して、各支線８，９に可変抵抗１５，１６を設け、各熱電半導体２２，２３へ流す電流量を可変抵抗１５，１６で調節するようにしてもよい。このような構成においては、例えば、同図に示されるように、Ｎ型熱電半導体側に供給される電流（Ｉ１）をＰ型熱電半導体に供給される電流（Ｉ２）よりも大きく設定すれば、Ｎ型熱電半導体２２と接合用金属電極４との接合部は強冷却され、また、Ｐ型熱電半導体２３と接合用金属電極４との接合部は弱加熱されることになるので、接合用金属電極４の温度勾配のレンジを、弱加熱の領域から強冷却の領域にかけて変更することが可能となる（異なるレンジの温度勾配を形成することが可能となる）。
【００３５】
以上の構成において、図１１に示されるように、共用線７に可変電流源１７を設置し、また、第１及び第２の金属電極５，６を水冷して１６℃に保ち、２５℃の室温で可変電流源１７による電流を０〜３６Ａまで変化させてペルチェモジュール１の温度変化を測定した。より具体的には、接合用金属電極４にその表面の温度を検出する第１の熱電対Ｓ１を設置し、また、第１の金属電極５にその表面の温度を検出する第２の熱電対Ｓ２を設置し、可変電流源１７の電流を変化させてそれぞれの熱電対で検出した温度から、接合用金属電極４の温度（Ｓ１により検出された冷却側温度（●））と、第１の金属電極５の温度（Ｓ２により検出された放熱側温度（■））と、これらＳ２で検出された放熱側温度とＳ１で検出された冷却側温度との差（Ｓ２−Ｓ１:◆）を測定した。その結果を、図１１（ｂ）に示す。
【００３６】
この図からわかるように、電流が流れていないとき（０Ａのとき）は、接合用金属電極４の温度と第１の金属電極５の温度はほぼ同じであり、電流を流していくと、電流が大きくなるほど冷却側温度は低く、また、放熱側温度は高くなり、温度差が大きくなる。このように、ユニポーラ型のペルチェモジュールにおいても温度制御が十分に可能であることが示された。
【００３７】
また、図１２で示されるように、第１のＮ型熱電半導体２と接合用金属電極４との接合部が加熱するように第１の直流電流源１３を支線８に設け、また、第２のＮ型熱電半導体３と接合用金属電極４との接合部が冷却するように第２の直流電流源１４を支線９に設け、第１のＮ型熱電半導体２に流れる電流を一定とし、第２のＮ型熱電半導体３に流れる電流を０〜２４Ａまで変化させ、そのときの接合用金属電極４の第１のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第１の熱電対Ｓ１で検出し、接合用金属電極４の第２のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第２の熱電対Ｓ２で検出し、Ｓ１により検出される加熱側温度（●）と、Ｓ２により検出される冷却側温度（■）と、Ｓ１で検出された温度とＳ２で検出された温度との差（Ｓ１−Ｓ２：◆）をそれぞれ測定した。その結果を、図１２（ｂ）に示す。
【００３８】
この結果から分かるように、冷却側の電流を大きくしていくと、冷却側温度は低下していき、これに引きずられて、加熱側温度も低下してくるが、電流が大きくなると、全体として、温度差（Ｓ１−Ｓ２）が徐々に大きくなり、温度勾配が少しずつ大きくなってくることが分かる。
【００３９】
さらに、図１３で示されるように、図１２の構成において、第２のＮ型熱電半導体３に流れる電流を一定とし、第１のＮ型熱電半導体２に流れる電流を０〜２４Ａまで変化させ、そのときの接合用金属電極４の第１のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第１の温度センサＳ１で検出し、第２のＮ型熱電半導体側の端部の温度を第２の温度センサＳ２で検出し、Ｓ１により検出される加熱側温度（●）と、Ｓ２により検出される冷却側温度（■）と、Ｓ１により検出された温度とＳ２により検出された温度との差（Ｓ１−Ｓ２：◆）をそれぞれ測定した。その結果を、図１３（ｂ）に示す。
【００４０】
この結果から分かるように、加熱側の電流を大きくしていくと、加熱側温度は上昇していき、これに引きずられて、冷却側温度も上昇していくが、電流が大きくなると、全体として、温度差（Ｓ１−Ｓ２）が徐々に大きくなり、温度勾配が少しずつ大きくなってくることが分かる。
【００４１】
したがって、上述したペルチェモジュールを用いれば、１つのモジュール内に温度勾配を形成することが可能になるので、このようなペルチェモジュールを利用すれば、同一面上で温度条件を変えて多くの試験を一度に行うことが可能となり、また、温度勾配をつけることで、ガスや液体を輸送させる場合等にも利用可能となる。
【実施例３】
【００４２】
尚、上述の構成例においては、２つの熱電半導体を用いた例を示したが、図１４（ａ）に示されるように、３つのＮ型熱電半導体（第１、第２、第３の熱電半導体３１，３２，３３）を接合用金属電極４で結合し、第１の熱電半導体３１に接合用金属電極４から離して第１の金属電極４１を設け、第２の熱電半導体３２に接合用金属電極４から離して第２の金属電極４２を設け、第３の熱電半導体４３に接合用金属電極４から離して第３の金属電極４３を設け、第１の金属電極４１と第２の金属電極４２との間に第１の直流電流源５１、また、第２の金属電極４２と第３の金属電極４３との間に第２の直流電流源５２を設けて構成するようにしてもよい。
【００４３】
このような構成においても、Ｎ型熱電半導体のみを用いてΠ型のペルチェ素子を連接した場合において、熱電半導体３１，３２，３３との接合部分において、電流の向きに応じて冷却または加熱させることが可能となり、特に隣り合う閉回路で電流の向きを逆向きとすることで、温度勾配を大きく形成することが可能となり、この例では接合用金属電極４の中心ほど温度が高く、両端にいくほど温度が低くなる温度勾配を形成することが可能となる。この際、電流の大きさを変えることで、温度勾配の付け方を調整することが可能となる。
【００４４】
上述の構成は、さらにｎ個の熱電半導体を並設する場合に発展させることが可能であり、例えば、図１４（ｂ）に示されるように、４個の熱電半導体３１〜３４を並設して接合用金属電極４で結合し、隣り合う閉ループで電流の向きが逆になるように通電すれば、接合用金属電極の表面に冷却と加熱を交互に変化させる温度勾配を形成することが可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
１ ペルチェモジュール
２ 第１のＮ型熱電半導体
３ 第２のＮ型熱電半導体
４ 接合用金属電極
５ 第１の金属電極
６ 第２の金属電極
１０，１１，１２ 直流電圧源
１３，１４，５１，５２，５３ 直流電流源
１５，１６ 可変抵抗
２２ Ｎ型熱電半導体
２３ Ｐ型熱電半導体
３１ 第１のＮ型熱電半導体
３２ 第３のＮ型熱電半導体
３４ 第４のＮ型熱電半導体
４１ 第１の金属電極
４２ 第２の金属電極
４３ 第３の金属電極
４４ 第４の金属電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱電半導体と、
第２の熱電半導体と、
これら第１の熱電半導体及び第２の熱電半導体を結合する接合用金属電極と、
前記第１の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第１の金属電極と、
前記第２の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第２の金属電極と、
前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路の通電量を調整可能することを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項３】
前記第１の熱電半導体と前記第２の熱電半導体は、いずれも同じ導電型の熱電半導体であることを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項４】
前記第１の熱電半導体と前記第２の熱電半導体は、異なる導電型の熱電半導体であることを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項５】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第１の電源と、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第２の電源とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のペルチェモジュール。
【請求項６】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する共通の電源であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のペルチェモジュール。
【請求項７】
ｎ個の熱電半導体と、
前記ｎ個の熱電半導体を結合する結合用金属電極と、
それぞれの熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられたｎ個の金属電極と
隣り合う熱電半導体の金属電極同士を接続して形成される各閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項８】
前記熱電半導体は、いずれも同じ導電型の熱電半導体であり、隣り合う前記閉回路は、前記通電手段による電流の向きが逆であることを特徴とする請求項７記載のペルチェモジュール。
【請求項１】
第１の熱電半導体と、
第２の熱電半導体と、
これら第１の熱電半導体及び第２の熱電半導体を結合する接合用金属電極と、
前記第１の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第１の金属電極と、
前記第２の熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられた第２の金属電極と、
前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項２】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路の通電量を調整可能することを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項３】
前記第１の熱電半導体と前記第２の熱電半導体は、いずれも同じ導電型の熱電半導体であることを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項４】
前記第１の熱電半導体と前記第２の熱電半導体は、異なる導電型の熱電半導体であることを特徴とする請求項１記載のペルチェモジュール。
【請求項５】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第１の電源と、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する第２の電源とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のペルチェモジュール。
【請求項６】
前記通電手段は、前記接合用金属電極と前記第１の金属電極とを接続して構成される閉回路、及び、前記接合用金属電極と前記第２の金属電極とを接続して構成される閉回路に通電する共通の電源であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のペルチェモジュール。
【請求項７】
ｎ個の熱電半導体と、
前記ｎ個の熱電半導体を結合する結合用金属電極と、
それぞれの熱電半導体に接続されると共に前記接合用金属電極から離して設けられたｎ個の金属電極と
隣り合う熱電半導体の金属電極同士を接続して形成される各閉回路に通電する通電手段とを具備することを特徴とするペルチェモジュール。
【請求項８】
前記熱電半導体は、いずれも同じ導電型の熱電半導体であり、隣り合う前記閉回路は、前記通電手段による電流の向きが逆であることを特徴とする請求項７記載のペルチェモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１００９３９（Ｐ２０１１−１００９３９Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６２８９（Ｐ２００９−２５６２８９）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（５９２２１８３００）学校法人神奈川大学 (243)
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（５９２２１８３００）学校法人神奈川大学 (243)
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