熱電冷却装置
【課題】発熱体を冷却するための熱電冷却素子を有する冷却装置に関し、熱電冷却素子による冷却効率を向上させる。
【解決手段】多数の前記熱電冷却素子１０，１１が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニット４が形成されるとともに、複数の前記冷却素子ユニット４が複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニット４の間に、これら冷却素子ユニット４に対して熱の出入りを行う伝熱部材７，８が介装され、その伝熱部材７を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニット４における吸熱部４ａと他方の前記冷却素子ユニット４における吸熱部４ａとが同一の前記伝熱部材７に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材８を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニット４における発熱部４ｂと他方の前記冷却素子ユニット４における発熱部４ｂとが他の前記伝熱部材８に熱伝達可能に接触している。
【解決手段】多数の前記熱電冷却素子１０，１１が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニット４が形成されるとともに、複数の前記冷却素子ユニット４が複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニット４の間に、これら冷却素子ユニット４に対して熱の出入りを行う伝熱部材７，８が介装され、その伝熱部材７を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニット４における吸熱部４ａと他方の前記冷却素子ユニット４における吸熱部４ａとが同一の前記伝熱部材７に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材８を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニット４における発熱部４ｂと他方の前記冷却素子ユニット４における発熱部４ｂとが他の前記伝熱部材８に熱伝達可能に接触している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を冷却する冷却装置に関し、特に熱電冷却素子を有する熱電冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス機器は、電子制御を行うための電子回路が設けられた基板上に中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップを実装している。ＣＰＵおよびＭＰＵ等の半導体チップは、高速での演算、制御等の処理を行うために、集積度および動作周波数の速度がきわめて高くなり、そのため動作中にそのチップ自体が高温になり多量の熱を放出する発熱体となる。高速演算処理により発熱した半導体チップ（発熱体）は、ファンを用いるフィン等のヒートシンク、ヒートパイプ（ＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）等により構成される冷却装置によって半導体チップが良好に動作するように冷却がなされる。しかし、今後、さらにＣＰＵなどの半導体チップが高性能化することおよび高性能化されても熱源である半導体チップ自体の寸法がほぼ同じか小さくなっていることにより、現在の市販のエレクトロニクス機器にはほとんど使用されていないペルチェ効果などを利用した熱電半導体素子（ＴＥＣ）等を使ったものが必要となる。
【０００３】
ＣＰＵおよびＭＰＵ等の半導体チップを冷却する熱電半導体素子は、一般にｐ型の熱電半導体素子とｎ型の熱電半導体素子とを接合部である金属電極を介して交互に直列に接続して、複数のｐ−ｎ接合対が形成されることにより作成される。また、ペルチェ効果による吸熱（冷却）および放熱（発熱）を最適に利用するために複数のｐ−ｎ接合対を「π」形の構造にして電気的に直列に結合される。この「π」形の構造、いわゆるπ形結合は、図６を参照して説明すると、ｐ型の熱電半導体素子１０１とｎ型の熱電半導体素子１０２と金属電極１０３とから形成される一対のｐ−ｎ接合対１０４を、向きを揃えて複数並べて金属電極１０３で接合して形成される。
【０００４】
このようにπ形結合された熱電半導体素子においては、ｎ型の熱電半導体素子１０２からｐ型の熱電半導体素子１０１に電源１０５により電流Ｉを流すと、図６のπ形の上部で吸熱、下部で発熱が起こり、熱が上部から下部へ向かってポンピングされる。すなわち電子がｐ型からｎ型の方向（電流はｎ型からｐ型の方向）に流れる中央の金属電極１０３と、ｐ型の熱電半導体素子１０１とｎ型の熱電半導体素子１０２とのそれぞれの境界つまり図６の上部では、電子は低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ移行するので、周囲の結晶格子から振動エネルギーを吸収して、吸熱現象が起こる。逆に、電子がｎ型からｐ型の方向に流れる左端の金属電極１０３とｐ型の熱電半導体素子１０１との境界および右端の金属電極１０３とｎ型の熱電半導体素子１０２との境界の二箇所つまり図６の下部では、上部で振動エネルギを吸収した電子は高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に移行するので、余った振動エネルギを周囲の結晶格子に与えて、発熱現象が起こる。
【０００５】
このπ形結合されたｐ−ｎ接合対を電気的に直列に複数、例えば数十個から数百個を並べて接続することによりモジュール化された熱電半導体素子は、直列に接続された複数のｐ−ｎ接合対の両極に電流を流すと、ｐ−ｎ接合対の接合部の一方で冷却（吸熱）、ｐ−ｎ接合対の接合部の他方で発熱（放熱）する状態になるペルチェ効果による冷却装置（ＴＥＣ）として利用することができる。また、このようにモジュール化された熱電半導体素子は、接合部の一方で吸熱させて高温状態にし、かつ、接合部の他方を接合部の一方より低温状態にして、この一方の接合部と他方の接合部とに温度差を生じさせると、温度差によって起電力を発生するゼーベック効果により発電装置（ＴＥＧ）として利用することができる。
【０００６】
図７に示す装置は、このような熱電半導体素子を利用した冷却装置（ＴＥＣ）を構成する一般的な熱電冷却モジュール２０１である。この熱電冷却モジュール２０１では、ｐ型の熱電半導体素子２０２とｎ型の熱電半導体素子２０３とがπ結合されて、熱電半導体素子２０２，２０３が電気的に直列、かつ熱伝導的に並列になるように向きを揃えて二次元方向つまり平面状に並べられている。また、この熱電冷却モジュール２０１では、上記のとおり配列されて接続された熱電半導体素子２０２，２０３が通電性良好な端子、例えば適切な大きさの銅板２０４を介して、電気的に絶縁性であり、かつ熱伝導性であるセラミック材質のベース部材２０５に挟まれた構成となっている。このモジュール２０１では、電源２０６により熱電半導体素子２０２，２０３に電圧を印加して電流Ｉを流すと、セラミック材質のベース部材２０５を構成する一方の面が一様に冷却（吸熱）側となり、他方の面が一様に発熱（放熱）側となる。このモジュール２０１の冷却および発熱の効果は、上記のように平面状に熱電半導体素子２０２，２０３が構成されることから、熱電半導体素子２０２，２０３の数に依存する。そして、熱電半導体素子２０２，２０３の数は、ベース部材の平面の面積により決まる。
【０００７】
特許文献１に記載の冷却装置は、熱電クーラー（ＴＥＣ）を取り付ける際にセラミック基板を用いないで構成されている。一般に、ＴＥＣが通電されることによって一方が吸熱し他方が放熱するため、この温度差によってセラミック基板が膨張することから、熱電半導体素子にせん断応力が集中し、信頼性の確保が難しくなる。このため、熱電半導体素子の大きさには限界がある。その大きさの限界は３０〜４０ｍｍ角とされ、ＴＥＣの性能は素子の高さに依存し、素子の高さを低くすることによる高性能化のために熱電半導体素子の高さを低くすると、大きさの限界がさらに低下するという問題点がある。
【０００８】
このため、特許文献１に記載の冷却装置では、セラミック基板の代わりに、所定の電気接続領域、たとえば、スルーホール、開口部等を備えた一対の樹脂基板を用いる。このスルーホールに熱および電気伝導性に優れた金属を充填して充填金属層を形成し、電気回路金属層を樹脂基板の外側に配置し、熱電半導体素子のそれぞれの面を充填金属層を介して電気回路金属層と接続する。このように構成されることから、特許文献１に記載の冷却装置では、熱電半導体素子の厚さを薄くして、高性能かつ大型化できる構成となっている。
【０００９】
特許文献１に記載の冷却装置によれば、セラミック基板を用いないで、スルーホールが素子にかかる応力を緩和する応力緩和構造となっているため、ＴＥＣ面積の大型化に伴う歪による応力を小さくすることができる。そのため、大型化が可能であり、高い信頼性を得ることができる。また、セラミックを用いた基板に比べ、安価な絶縁性樹脂を用いるので、セラミックを用いた冷却装置より安価に製造することができる。さらに、この特許文献１に記載の冷却装置は、熱伝導率の低いセラミック基板を用いない構造であるので、熱抵抗を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】再表２００６／０１９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の図７に示した冷却モジュールや特許文献１に記載の冷却装置では、熱電冷却素子が吸熱（冷却）側と放熱（発熱）側との向きが揃えられて平面状に配列されているため、設置された平面のみでしか熱電半導体素子を配置することができない。そして、熱電半導体素子による効果は、熱電半導体素子と基板などの設置部材とが接触する底面積の総和に比例する。したがって、その効果は、平面状に熱電冷却素子が配置されていることにより、その設置された平面の面積に限定されてしまう。
【００１２】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、熱電半導体素子を設置できる面積を増やして熱電半導体素子による冷却能力および冷却効果をさらに向上させる熱電冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、通電することにより、吸熱部と発熱部とが相互に反対側の面に生じる多数の熱電冷却素子を備え、その吸熱部により発熱体で発生した熱を冷却する熱電冷却装置において、前記多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニットが形成されるとともに、複数の前記冷却素子ユニットが複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニットの間に、これら冷却素子ユニットに対して熱の出入りを行う伝熱部材が介装され、その伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部とが同一の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部とが他の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触していることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱電冷却素子は、前記吸熱部と前記発熱部との温度の差から、起電力が生じる構成を含むことを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記冷却素子ユニットにおける吸熱部に接触する前記伝熱部材、および前記冷却素子ユニットにおける発熱部に接触する前記伝熱部材は、Ｌ字型の伝熱部材を複数並べて配置されて形成されることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記伝熱部材は、潜熱の形で熱を輸送することを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明おいて、前記伝熱部材は、ベーパチャンバであることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記伝熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記冷却素子ユニットは、一方の面で吸熱し他方の面で発熱するように、ポリイミドシート上に複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかの発明において、前記伝熱部材に外設されて、前記伝熱部材もしくは前記冷却素子ユニットから排出される熱が伝達され、伝達された熱を前記熱電冷却装置の外部に放出する放熱部材を備えることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項１ないし８のいずれかの発明において、前記放熱部材が、フィンを備えていることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項１ないし９のいずれかの発明において、前記伝熱部材と前記冷却素子ユニットとの間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれかの発明において、前記発熱体と前記伝熱部材との間および前記伝熱部材と前記放熱部材との間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２４】
請求項１２の発明は、請求項１ないし１１のいずれかの発明において、組み付けられた前記伝熱部材の周囲を囲んで補強するフレームを有することを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２５】
請求項１３の発明は、請求項１ないし１２のいずれかの発明において、前記熱電冷却素子はペルチェ効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２６】
請求項１４の発明は、請求項１ないし１３のいずれかの発明において、前記冷却素子ユニットは入力電力を変動させることにより、前記伝熱部材から吸収する熱量および前記伝熱部材に向けて放出する熱量が調整されることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２７】
請求項１５の発明は、請求項１ないし１４のいずれかの発明において、前記熱電冷却素子はゼーベック効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする熱電冷却装置である。
【発明の効果】
【００２８】
この発明の請求項１の発明によれば、多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて冷却素子ユニットが形成され、その複数の冷却素子ユニットが複数層に積層されて、さらに、その伝熱部材を挟んで位置する一方の冷却素子ユニットの吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットの吸熱部とが同一の伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の冷却素子ユニットの発熱部と他方の前記冷却素子ユニットの発熱部とが他の伝熱部材に熱伝達可能に接触している。このように伝熱部材と冷却素子ユニットとが位置することから、冷却素子ユニットが立体的かつ層状に積層されて配置される。そのため、冷却素子ユニットを多数設置でき、それにより熱電冷却素子を配置する数を増やせることから、この装置における発熱体を冷却する能力が向上される。また、発熱体を直接に冷却素子ユニットに接触させて冷却を行わない、言い換えると伝熱部材が介装されているため、熱膨張や熱応力による冷却素子ユニットもしくは熱電冷却素子の破損を防ぐことができる。
【００２９】
請求項２の発明によれば、冷却素子ユニットが立体的かつ層状に積層されて配置されることから、発電をするための熱電冷却素子を配置する数が増やせる。これにより、熱電冷却素子による吸熱部と発熱部との温度の差による起電力が増加し、電力を回収する能力を向上することができる。
【００３０】
請求項３の発明によれば、冷却装置が複数のＬ字型の伝熱部材を配列することにより形成されることから、冷却素子ユニットを層状に配置する隙間を設けるのが容易になる。また、冷却素子ユニットの吸熱部に接触する伝熱部材および冷却素子ユニットの発熱部に接触する伝熱部材の製造が容易となる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、伝熱部材は吸収された熱を輸送する際、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができる。
【００３２】
請求項５の発明によれば、伝熱部材がベーパチャンバであることから、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができ、発熱体の近傍にあるスペースが限られた場合であっても冷却能力を向上できる。
【００３３】
請求項６の発明によれば、伝熱部材がヒートパイプであることから、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができ、発熱体の近傍にあるスペースが限られた場合であっても冷却効率を向上できる。
【００３４】
請求項７の発明によれば、一方の面が吸熱側、他方の面が発熱側にポリイミドシート状に予め複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることから、このように構成された冷却素子ユニットが積層され、これに伝熱部材が介装されて熱電冷却装置が組み立てられることにより、効率的に熱電冷却装置が生産できる。
【００３５】
請求項８の発明によれば、発熱体から吸収した熱を放熱部材により熱電冷却装置の外部に放出することができる。
【００３６】
請求項９の発明によれば、発熱体から吸収した熱を放熱性の高いフィンにより効率よく熱電冷却装置の外部に放出することができる。
【００３７】
請求項１０の発明によれば、サーマルグリスにより伝熱部材と冷却素子ユニットとの間の熱抵抗を低減でき、効率よく熱を伝達できる。
【００３８】
請求項１１の発明によれば、サーマルグリスにより発熱体と伝熱部材との間および伝熱部材と放熱部材との間の熱抵抗を低減でき、効率よく熱を伝達できる。
【００３９】
請求項１２の発明によれば、フレームによって組み付けられた伝熱部材と冷却素子ユニットもしくは装置全体の強度を増すことができる。
【００４０】
請求項１３の発明によれば、ペルチェ効果により発熱体を冷却する能力を向上できる。
【００４１】
請求項１４の発明によれば、入力電力を変動させることにより、冷却素子ユニットが伝熱部材から吸収する吸熱量および冷却素子ユニットが伝熱部材に対して発熱する発熱量を調整することから、必要な吸熱および発熱以上に入力電力を上げることによる電力の消費を抑えることができる。
【００４２】
請求項１５の発明によれば、ゼーベック効果により熱電冷却素子による吸熱部と発熱部との温度の差による起電力から電力を回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明に係る熱電冷却装置と発熱体とを模式的に表す側面図である。
【図２】この発明に係る熱電冷却装置を構成する第２冷却手段（冷却素子ユニット）を模式的に表す図である。
【図３】この発明に係る熱電冷却装置の主要部を模式的に表し、内部を上視する横断面図である。
【図４】この発明に係る熱電冷却装置の周囲にフレームが取り付けられた状態を模式的に表す上面図である。
【図５】この発明に係る熱電冷却装置の周囲にフレームが取り付けられた状態を模式的に表す正面図である。
【図６】熱電半導体素子のπ結合について説明するための模式図である。
【図７】従来の熱電冷却モジュールを模式的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に示されるこの発明の熱電冷却装置（ＴＥＣ）１は、発熱体２を冷却する装置である。この発熱体２は、パーソナルコンピュータなどのエレクトロニクス機器に設けられ、基板上に実装される中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップなどである。このような半導体チップなどである発熱体２は、近年、高速での演算、制御等の処理を行うために、集積度および動作周波数の速度がきわめて高くなり、そのため動作中にそのチップ自体が高温になり多量の熱を放出する。また、高温となることによる異常動作を防止するために、動作周波数には制限が設けられており、さらに高速に動作させるためには冷却が必要となる。
【００４５】
この発熱体２を冷却するために、この発明の熱電冷却装置１は、図１ないし５に示される第１冷却手段３と第２冷却手段４と第３冷却手段５とフレーム６を有する。以下、熱伝達経路順に説明する。
【００４６】
まず、第１冷却手段３について説明する。図１に示すように、第１冷却手段３は、Ｌ字型の部材７，８で構成されており、組み付けられたその上端部が発熱体２と熱伝達が可能な状態で接触している。この接触面には、熱抵抗を低くする目的で発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の平面度を上げるため、言い換えれば、発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の凹凸を埋めるためにサーマルグリスが塗布されている。また、第１冷却手段３を構成するＬ字型の部材７，８は、Ｌ字型のベーパチャンバもしくはヒートパイプまたは熱伝性が高く加工性のよい高純度の銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材から形成される第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とにより構成されている。
【００４７】
ベーパチャンバもしくはヒートパイプは、熱を潜熱の形で輸送する優れた熱輸送能力を持つ２相の熱輸送デバイスである。このベーパチャンバもしくはヒートパイプには、作用する液体である作動液が、密閉された容器の内部に封入されている。容器の一方の端部が熱せられると、作動液の蒸発が惹き起こされ、その蒸気は容器の冷たい他方の端部に移動して液体に戻る。液体に戻った作動液は、ウィックなどの毛管構造を介して、再び一方の端部に移動する。このベーパチャンバもしくはヒートパイプは、蒸発時の潜熱が大きいので、容器の一方の端部と他方の端部との非常に小さな温度差で非常に多くの熱量を輸送できる。なお、作動液は、適用される作動温度に基づいて、適切なものが選ばれる。例えば、高性能のパーソナルコンピュータなどに適用する場合、作動温度は通常５０〜１００℃であり、この作動範囲での作動液には水が最も適している。潜熱の形で熱を輸送することから、ベーパチャンバもしくはヒートパイプは、同じ寸法の無垢の銅などと比較して非常に熱抵抗が低い。また、ベーパチャンバは、熱の流れがヒートパイプの一次元的な流れと比較して２次元的になることにより、高い熱輸送能力と低い熱抵抗を持つ。さらに、ベーパチャンバは、同じ寸法のヒートパイプと比較して熱抵抗が低い。一方、ヒートパイプは、ベーパチャンバと比較して製造されたものを折り曲げたり、平板化して所定の形状にすることが可能である。
【００４８】
また、銅は、加工が容易であり、他の金属よりも熱伝導性が良好であるため、後述する第２冷却手段４による冷却力により発熱体２の冷却が十分おこなえるような状況で、第１冷却手段３を構成する部材として利用できる。
【００４９】
第１冷却手段３は、Ｌ字型に曲げられて成形された上記に説明したベーパチャンバもしくはヒートパイプまたは銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材のいずれかである同じ形状の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とを組み合わせることにより構成される。以下、第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とをベーパチャンバもしくはヒートパイプとして説明する。
【００５０】
図１に示すように、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが交互に複数並べられ、そのＬ字型の凹部同士が所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、かつ、そのＬ字型の凹部の背面同士が所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。つまり、複数ある第１の伝熱部材７における上面７ａが、面一に隙間を詰めて揃られた状態で配置および結合される。この結合された複数の上面７ａが、発熱体２から放熱された熱を吸収する第１冷却手段３における吸熱面３ａを構成する。このように並べられて結合された複数ある各第１の伝熱部材７に対して、第１の伝熱部材７における内側面７ｂと外側面７ｃとの隙間に第２の伝熱部材８が、内側面７ｂと第２の伝熱部材８における内側面８ａとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、さらに外側面７ｃと第２の伝熱部材８における外側面８ｂとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。また、第１の伝熱部材７における内上面７ｄと第２の伝熱部材８における上面８ｃとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、さらに第１の伝熱部材７における底面７ｅと第２の伝熱部材８における内下面８ｄとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。一方、複数ある第２の伝熱部材８における底面８ｅが、面一に隙間を詰めて揃られた状態で配置および結合される。この結合された複数の底面８ｅが、第３冷却手段５へと熱を放出する第１冷却手段３における放熱面３ｂを構成する。
【００５１】
このように複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが配置されることから、第１冷却手段３の内部には、層状の隙間が形成される。つまり、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、交互に複数並べられて、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、かつ、第１の伝熱部材７の外側面７ｃと第２の伝熱部材８の外側面８ｂとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置されることから、図１に示すような層状の隙間が第１冷却手段３の内部に形成される。また、このように配置された状態で複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが、図示しない支持部材や一般的な締結方法により固定される。なお、このような層状の隙間が形成できる構成であれば、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とは、同じ形状でなくても構わない。そして、この層状の隙間のそれぞれに第２冷却手段（ＴＥＣ、冷却素子ユニット）４が設置される。言い換えると、この層状の隙間に冷却素子ユニット４が、交互に複数並べられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とを挟んで積層された構造となる。
【００５２】
図２に示すように、第２冷却手段（ＴＥＣ、冷却素子ユニット）４は、高い耐熱性と絶縁性とをもつ有機高分子で、電子回路部品に広く使われるポリイミドシート９上に、複数のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とを交互に直列に配線された状態で配置することにより構成される。この熱電半導体素子１０，１１について説明すると、一例としてこれらは絶対熱電率の大きいセラミック複合材料を素材として形成されており、例えばｐ型の熱電半導体素子１０としては、Ｂi2 Ｓb8 Ｔe15 、Ｂi を添加したＧe Ｔe 、Ａg Ｓb Ｔe2 、Ｃr Ｓi2 、ＭnＳｉ1.73 などを使用することができる。またｎ型の熱電半導体素子１１としてＢi Ｔe2 Ｓe 、Ｐを添加したＩn Ａs 、Ｃo Ｓi などを採用することができる。
【００５３】
この各熱電半導体素子１０，１１は、ポリイミドシート９上に配置および固定されやすくなり、かつ第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８との層状の隙間に設置された際に効率よく熱伝達できるようにその寸法が所定の大きさとなるように規定されている。なお、このような所定の寸法となるように、各熱電半導体素子１０，１１の製造方法では、先ず添加元素を含む出発材料を粉末化し、あるいは溶解混合して得たインゴットを粉砕して粉末化し、その後、バインダーを加えて造粒する。得られた粉粒体をふるい分けして、粒径を揃え、これを所定のダイスに入れて、冷間プレスして圧粉体を得る。つぎにその圧粉体を真空中で加熱し、バインダーを除去するための脱脂と焼結とを連続して行う。そして、大気中で加熱して熱処理を施し、所定の特性を与えて、さらに必要に応じてスライシングして所定の寸法の各熱電半導体素子１０，１１を得る。
【００５４】
この各熱電半導体素子１０，１１は、電流が流れることにより素子の一方の面が吸熱（冷却）面１０ａ，１１ａとなり、他方の面が放熱（発熱）面１０ｂ，１１ｂとなる。このような作用が生じるｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とを図示しない金属電極を介して電気的に直列にいわゆるπ形結合されたｐ−ｎ接合対１２に、電流Ｉを流すと、π形の一方で吸熱、他方で発熱が起こり、熱が一方から他方へ向かってポンピングされる。すなわち電子がｐ型からｎ型の方向に流れる金属電極とｐ型の熱電半導体素子１０における吸熱面１０ａとの境界および電子がｐ型からｎ型の方向（電流はｎ型からｐ型の方向）に流れる金属電極とｎ型の熱電半導体素子１１における吸熱面１１ａとのそれぞれの境界では、電子は低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ移行するので、周囲の結晶格子から振動エネルギーを吸収して、吸熱現象が起こる。逆に、電子がｎ型からｐ型の方向に流れる金属電極とｐ型の熱電半導体素子１０における放熱面１０ｂとの境界および電子がｎ型からｐ型の方向に流れる金属電極とｎ型の熱電半導体１１における放熱面１１ｂとの境界では、振動エネルギを吸収した電子は高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に移行するので、余った振動エネルギを周囲の結晶格子に与えて、放熱現象が起こる。
【００５５】
このように一方が吸熱側となり、他方が放熱側となって、ペルチェ効果による作用が得られるｐ−ｎ接合対１２が、複数並べられて、電気的に直列にπ形結合されて連結されてポリイミドシート９上に配置される。また、複数対のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは、ポリイミドシート９上に二次元方向に格子状に配列されて形成される。さらに、ポリイミドシート９上の複数対のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは、前述の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とから形成される層状の隙間、具体的には第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士および第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士の寸法に適合するように配置されて、統一のある纏まり（集合）を成している。このように纏まって配置されたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域がポリイミドシート９上に複数設けられている。そして、このｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域ごとに、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが直列に結線された一方の端部と他方の端部とに導線１３が設けられている。
【００５６】
このように構成された冷却素子ユニット（第２冷却手段）４は、その一方の面が一様に吸熱面４ａとなり、他方の面が一様に放熱面４ｂとなる。そして、図１または図３に示すように、この吸熱面４ａが第１の伝熱部材７の放熱面である内側面７ｂおよび外側面７ｃに熱伝達可能に対向させて配置されて取り付けられる。一方、冷却素子ユニット４の放熱面４ｂは、第２の伝熱部材８の吸熱面である内側面８ａおよび外側面８ｂに熱伝達可能に対向させて配置されて取り付けられる。言い換えると、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと冷却素子ユニット４の吸熱面４ａとが対向して熱伝達可能に取り付けられ、かつ冷却素子ユニット４の放熱面４ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとが、対向して熱伝達可能に取り付けられて、この内側面７ｂと内側面８ａとの隙間に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。また、第２の伝熱部材８の外側面８ｂと冷却素子ユニット４の放熱面４ｂとが対向して熱伝達可能に取り付けられ、かつ冷却素子ユニット４の吸熱面４ａと第１の伝熱部材７の外側面７ｃとが、対向して熱伝達可能に取り付けられて、この外側面８ｂと外側面７ｃとの隙間に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。このように複数設けられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に、層状に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。
【００５７】
この冷却素子ユニット４が、複数の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に層状に設けられる際、冷却素子ユニット４の熱電半導体素子１０，１１と伝熱部材７，８とが接触する境界は、電気的に絶縁性を有し、かつ熱的には伝導性となるように構成される。そのため、例えば、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とのポリイミドシート９上での設置状態は、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１との吸熱面１０ａ，１１ａおよび放熱面１０ｂ，１１ｂがむき出しの状態もしくはセラミックでコーティングされた状態もしくはサーマルグリスが塗布された状態のうちの少なくともいずれかの状態とされる。
【００５８】
また、シート状の冷却素子ユニット４が複数設けられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に配置される際、この層状の隙間に対して、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士もしくは第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士に適合させて、一枚のシート状の冷却素子ユニット４を折り曲げて配置することが可能である。また、複数に分割されたシート状の冷却素子ユニット４を、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士もしくは第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士に適合させて、各層ごとに配置する構成であってもよい。
【００５９】
このように第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間にそれぞれ配置された冷却素子ユニット４は、ポリイミドシート９上に纏まって配置されたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域同士を結線するために、その領域同士を結線するために設けられた導線１３を介して、隣り合う層間に配置された冷却素子ユニット４をコネクタ１４により接続する。また、図１に示すように、第１冷却手段３の左右両側には、第１の伝熱部材７の底面７ｅと第２の伝熱部材８の内下面８ｄとの隙間および第１の伝熱部材７の内上面７ｄと第２の伝熱部材８の上面８ｃとの隙間が設けられている。このように第１冷却手段３の左右両側には、開放された部分が設けられている。この開放された部分からすべてが直列に結線された冷却素子ユニット４の一方端のｐ型の熱電半導体素子１０に接続されている導線１３が、図示しない電源装置に接続され、また冷却素子ユニット４の他方端のｎ型の熱電半導体素子１１に接続されている導線１３が、図示しない電源装置に接続される。この電源装置は、図示しない制御装置および／またはセンサなどにより第２冷却手段（冷却素子ユニット）４による冷却状態を自動もしくは手動で調整する機能を有する。
【００６０】
また、図１に示すように、この発明の熱電冷却装置１には、第１冷却手段３における放熱面３ｂに対向して熱伝達可能に接触させた第３冷却手段（放熱部材）５が設けれらている。この接触面には、熱抵抗を低くする目的で第１冷却手段３における放熱面３ｂと第３冷却手段５とが接触する面の平面度を上げるため、言い換えれば、発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の凹凸を埋めるためにサーマルグリスが塗布されている。この第３冷却手段５は、複数のフィン１５が設けられたアルミニウムなどを成形したヒートシンク５である。複数のフィン１５は間隔を開けて多数設けられている。これにより、その表面積は、層状に設けられた複数のフィン１５により大きくされている。なお、このヒートシンク５には、図示しないファンなどの送風装置を設けることにより、さらに放熱力を高める構成としてもよい。また、第２冷却手段４による冷却力により発熱体２の冷却が十分おこなえるような状況では、静粛性の観点から図示しないファンなどの送風装置を使わない構成であってよい。
【００６１】
さらに、冷却素子ユニット４が層状に収容され、複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが組み付けられた第１冷却手段３の外周には、図４および図５に示すフレーム６が設けられる。このフレーム６は第１冷却手段３の側面の周囲を覆い、熱伝達のために発熱体２が第１冷却手段３と接触する面および第１冷却手段３が第３冷却手段５と接触する面が開放された状態になるように成形されている。なお、このフレーム６の材質については、電気的には絶縁性を有する材質であってよい。
【００６２】
つぎに、本発明の他の実施の形態を図面を参照して説明する。この他の実施の形態における熱電冷却装置１は、図１から図３に示すように上述した実施の形態における第２冷却手段（冷却素子ユニット）４と同様の構成である第１発電手段（ＴＥＧ）１７を有する。また、その他の構成についてもほぼ同一であるため、同一の構成について説明を省略する。この第１発電手段１７においては、冷却素子ユニット４をＴｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＴＥＧ）として利用する。つまり、この第１発電手段１７は、ポリイミドシート９上に複数設けられたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とにより冷却素子ユニット４と同様に構成される。また、この第１発電手段１７の構成および熱電冷却装置１における配置は、第２冷却手段４と同様であり、その吸熱面４ａと放熱面４ｂと同様に吸熱面１７ａと発熱面１７ｂとを有している。そして、その直列にπ結合された第１発電手段１７（冷却素子ユニット４）の両端部の導線１３が図示しない蓄電装置などに接続されている。なお、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは実施の形態とは用途が違うため、異なった構成の素子を用いてもよい。
【００６３】
以下、本発明の実施の形態における熱電冷却装置１の動作について説明する。図１の第１冷却手段３の吸熱面３ａに接触して配置された発熱体２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップなどであり、高速に動作するためその表面が高温になる。高温となった発熱体２から放出される熱は、発熱体２と第１冷却手段３との接触面に塗布されたサーマルグリスを介して熱伝達可能に発熱体２と接触している第１冷却手段３における吸熱面３ａから吸収される。第１冷却手段３が吸熱することにより、発熱体２が冷却される。
【００６４】
発熱体２と接触して位置する第１冷却手段３における吸熱面３ａすなわち複数の第１の伝熱部材７の上面７ａに吸収された熱は、ベーパチャンバもしくはヒートパイプである第１の伝熱部材７の上面７ａ側で、内部の液体（作動液）の蒸発を惹き起こす。その蒸気は、エネルギ状態の低い第１の伝熱部材７における底面７ｅ側に移動する。第１の伝熱部材７の底面７ｅ側に移動した蒸気は、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと外側面７ｃとを介して、図示しない電源装置によりその両端部の導線１３に電圧が印加された冷却素子ユニット４における第１の伝熱部材７の内側面７ｂと外側面７ｃとに対向したそれぞれの吸熱面４ａにより冷却される。その冷却された蒸気は、液体に戻り、ウィックなどの毛細管力により再度、第１の伝熱部材７の上面７ａ側に戻る。なお、この第１の伝熱部材７が銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材である場合には、通常の金属の熱伝導と同様に熱が伝導される。この場合、第１の伝熱部材７が、一様に高温となろうとし、そのため、第１の伝熱部材７における他方の端部も高温となる。また、冷却の際、図示しない電源装置に設けられた制御装置および／またはセンサにより発熱体２が適切に冷却されるように自動もしくは手動にて調整される。
【００６５】
一方、第１の伝熱部材７の放熱面である内側面７ｂから放出された熱は、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、第１の伝熱部材７の内側面７ｂに対向して接触する冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収され、また、第１の伝熱部材７の放熱面である外側面７ｃから放出された熱は、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、第１の伝熱部材７の外側面７ｃに対向した別の冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収される。内側面７ｂから冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収された熱は、ペルチェ効果により、その冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送される。外側面７ｃから別の冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収された熱は、ペルチェ効果により、別の冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送される。
【００６６】
冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送された熱と別の冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側から放出された熱とは、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、同一の第２の伝熱部材８の内側面８ａと外側面８ｂとに放出される。第２の伝熱部材８の内側面８ａと外側面８ｂとに吸収された熱は、第２の伝熱部材８における上面８ｃ側の作動液の蒸発を惹き起こす。その蒸気は、エネルギ状態の低い第２の伝熱部材８における底面８ｅ側に移動する。第２の伝熱部材８の底面８ｅ側に移動した蒸気は、複数の第２の伝熱部材８の底面８ｅすなわち第１冷却手段３における放熱面３ｂにサーマルグリス等を介して熱伝達可能に接触された第３冷却手段（ヒートシンク）５により冷却される。このヒートシンク５に伝達された熱は複数のフィン１５によって、発熱体２に熱による影響を与えない状態で大気中などに放出される。さらに、第３冷却手段５にファンを取り付けた場合には、フィン１５による熱がファンに送風されてさらに効率よく放熱される。
【００６７】
つぎに、本発明の他の実施の形態における熱電冷却装置１の動作について説明する。第１発電手段１７は、ゼーベック効果を利用したものであり、発熱体２で発熱した熱は、実施の形態と同様に、第１の伝熱部材７における内側面７ｂに輸送される。第１の伝熱部材７の内側面７ｂに輸送された熱は、サーマルグリスを介してポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０，１１の吸熱（冷却）面１０ａ，１１ａにより吸収される。各熱電半導体素子１０，１１の吸熱面１０ａ，１１ａに吸収された熱は、直列にπ結合された各熱電半導体素子１０，１１のゼーベック効果により、発電電力に変換される。この熱を発電電力に変換する作用は、ポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０の吸熱面１０ａ，１１ａが高温となり、それにより、各熱電半導体素子１１の放熱（発熱）面１０ｂ，１１ｂが相対的に低温となることで、その温度差による吸熱面１０ａ，１１ａと放熱面１０ｂ，１１ｂとのエネルギ状態の違いから各熱電半導体素子１０，１１に起電力が発生することによる。そして、導線１３を介して図示しないバッテリなどに蓄電されるか、もしくは、発電電力として利用される。
【００６８】
一方、ポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０，１１の発熱面１０ｂ，１１ｂへと輸送された熱が、第２の伝熱部材８の内側面８ａおよび外側面８ｂに吸収される。第２の伝熱部材８の内側面８ａおよび外側面８ｂから第３冷却手段５により放熱されるまでの熱の伝達経路については本発明の実施の形態と同様である。なお、この他の実施の形態における熱電冷却装置１の動作つまり、冷却素子ユニット４を発電素子として使用する動作は、実施の形態における冷却要求が低い場合もしくは熱電冷却の必要のない構成もしくは発熱体２の発熱が熱電冷却の必要のない状況である場合に実施の形態において実行されうる。
【００６９】
以上のように構成される熱電冷却装置１によれば、まず、第１冷却手段３では、発熱体２からの熱はサーマルグリスを介して第１冷却手段３の吸熱面３ａに吸収されるため、熱抵抗を低く第１冷却手段３に熱を伝達できる。また、第１冷却手段３が熱抵抗の低いベーパチャンバもしくはヒートパイプで構成されていることによって、熱抵抗を低く第２冷却手段４に熱を輸送できる。また、第１冷却手段３が熱抵抗の低いベーパチャンバもしくはヒートパイプで構成されていることによって、熱を潜熱の形で輸送して伝達するため、熱抵抗が低く効率のよい熱輸送を行えると同時に発熱体２の近傍が限られた冷却スペースであっても、効率よく冷却できる。また、第１冷却手段３が設けられたことにより、直接に発熱体からの熱を第２冷却手段４すなわち第１発電手段１７の熱電半導体素子１０，１１で吸収しないので、熱膨張や熱応力による熱電半導体素子１０，１１の破損等が発生しない。また、第１冷却手段３における第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、Ｌ字型の部材であることから、それを複数並べて容易に冷却素子ユニット４を層状に配置するための隙間を層状に形成することができ、製造性が向上する。さらに、第２冷却手段４への熱伝達は、サーマルグリスを介して行われるため、第１冷却手段３から第２冷却手段４への熱伝達が効率よく行える。
【００７０】
つぎに、第２冷却手段４では、冷却素子ユニット４がポリイミドシート９上に複数設けられたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが交互に格子状に配置され、交互に電気的直列に結線されてπ結合されているため、導線１３およびコネクタ１４を接続するのみで、すべての熱電半導体素子１０，１１が直列π結合で結線できる。また、冷却素子ユニット４がポリイミドシート９上にｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが電気的に直列に配置されて、さらに一方の面が吸熱面４ａとなり、他方の面が放熱面４ｂとなるように予め構成されることから、このように構成された冷却素子ユニット４を第１冷却手段３の内部に構成された層状の隙間にそれぞれ配置すればよいので、生産性が向上する。
【００７１】
この熱電冷却装置１によれば、第１冷却手段３における第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、上記のように複数の層状の隙間を構成し、その層状の隙間に複数の冷却素子ユニット４を熱伝達可能に配置して積層させることにより、設置できる熱電半導体素子１０，１１の数が増えて、冷却素子ユニット４の吸熱面（冷却面）４ａの面積が大きくなることから、第２冷却手段４での冷却効果もしくは第１発電手段１７の発電効果が向上される。また、第２冷却手段４による冷却は制御装置により、熱電半導体素子１０，１１に印加する電圧が調整できることから、要求される吸熱（冷却）および放熱（発熱）能力以上に入力電力を上げることによる電圧の消費が抑制できる。
【００７２】
そして、第１冷却手段３の第２の伝熱部材８から第３冷却手段５への熱の伝達がサーマルグリスを介して行われることから、熱を効率よく伝達できる。また、複数のフィン１５などにより構成される第３冷却手段５が設けられていることから、発熱体２から吸収した熱を、発熱体２に熱の影響を与えない大気中などの発熱体２から離れた場所に熱を放出することができる。さらに、第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とにより構成された第１冷却手段３の周囲にフレーム６が設けられたことから、装置全体の強度を増して保持することができる。
【００７３】
なお、この熱電冷却装置１は、上記構成では第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８との二つの伝熱部材７，８を有する構成を示したが、例えば、第２の伝熱部材８を省略して、第１の伝熱部材７から伝達された熱を第２冷却手段４から直接に第３冷却手段５で放熱する構成であってもよい。この場合、第２冷却手段４の放熱面４ｂから直接に第３冷却手段５が熱伝達可能に接触する構成となる。また、上述したようにこの熱電冷却装置１は、第２冷却手段４の構成が冷却を行う構成と発電を行う構成とを組み合わせて同時に熱電冷却と熱電発電とを調整可能に実行できる構成であってもよい。さらに第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とは、Ｌ字型の伝熱部材である構成としたが、第１冷却手段３の内部に形成される層状の隙間に対して冷却素子ユニット４を積層させて介装できれば、Ｌ字型の部材に限定されず、例えばＴ字型の部材などを用いてもよい。その場合、例えばＴ字型の伝熱部材の凹部同士を所定の隙間を設けて対向させて配置することにより、本発明の実施の形態と同様に第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが介装されて冷却素子ユニット４を積層させて配置する構成とする。
【００７４】
この発明と実施の形態との対応関係について述べると、この発明にかかる熱電冷却素子は実施例における熱電半導体素子１０，１１であり、また、この発明にかかる放熱部材は、第３冷却手段５である。
【符号の説明】
【００７５】
４…冷却素子ユニット（第２冷却手段）、 ４ａ…吸熱部（吸熱面、冷却面）、 ４ｂ…発熱部（発熱面、放熱面）、 ７…伝熱部材（第１の伝熱部材）、 ８…伝熱部材（第２の伝熱部材）、 １０，１１…熱電冷却（半導体）素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を冷却する冷却装置に関し、特に熱電冷却素子を有する熱電冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス機器は、電子制御を行うための電子回路が設けられた基板上に中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップを実装している。ＣＰＵおよびＭＰＵ等の半導体チップは、高速での演算、制御等の処理を行うために、集積度および動作周波数の速度がきわめて高くなり、そのため動作中にそのチップ自体が高温になり多量の熱を放出する発熱体となる。高速演算処理により発熱した半導体チップ（発熱体）は、ファンを用いるフィン等のヒートシンク、ヒートパイプ（ＨＰ）、ベーパチャンバ（ＶＣ）、ループヒートパイプ（ＬＨＰ）等により構成される冷却装置によって半導体チップが良好に動作するように冷却がなされる。しかし、今後、さらにＣＰＵなどの半導体チップが高性能化することおよび高性能化されても熱源である半導体チップ自体の寸法がほぼ同じか小さくなっていることにより、現在の市販のエレクトロニクス機器にはほとんど使用されていないペルチェ効果などを利用した熱電半導体素子（ＴＥＣ）等を使ったものが必要となる。
【０００３】
ＣＰＵおよびＭＰＵ等の半導体チップを冷却する熱電半導体素子は、一般にｐ型の熱電半導体素子とｎ型の熱電半導体素子とを接合部である金属電極を介して交互に直列に接続して、複数のｐ−ｎ接合対が形成されることにより作成される。また、ペルチェ効果による吸熱（冷却）および放熱（発熱）を最適に利用するために複数のｐ−ｎ接合対を「π」形の構造にして電気的に直列に結合される。この「π」形の構造、いわゆるπ形結合は、図６を参照して説明すると、ｐ型の熱電半導体素子１０１とｎ型の熱電半導体素子１０２と金属電極１０３とから形成される一対のｐ−ｎ接合対１０４を、向きを揃えて複数並べて金属電極１０３で接合して形成される。
【０００４】
このようにπ形結合された熱電半導体素子においては、ｎ型の熱電半導体素子１０２からｐ型の熱電半導体素子１０１に電源１０５により電流Ｉを流すと、図６のπ形の上部で吸熱、下部で発熱が起こり、熱が上部から下部へ向かってポンピングされる。すなわち電子がｐ型からｎ型の方向（電流はｎ型からｐ型の方向）に流れる中央の金属電極１０３と、ｐ型の熱電半導体素子１０１とｎ型の熱電半導体素子１０２とのそれぞれの境界つまり図６の上部では、電子は低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ移行するので、周囲の結晶格子から振動エネルギーを吸収して、吸熱現象が起こる。逆に、電子がｎ型からｐ型の方向に流れる左端の金属電極１０３とｐ型の熱電半導体素子１０１との境界および右端の金属電極１０３とｎ型の熱電半導体素子１０２との境界の二箇所つまり図６の下部では、上部で振動エネルギを吸収した電子は高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に移行するので、余った振動エネルギを周囲の結晶格子に与えて、発熱現象が起こる。
【０００５】
このπ形結合されたｐ−ｎ接合対を電気的に直列に複数、例えば数十個から数百個を並べて接続することによりモジュール化された熱電半導体素子は、直列に接続された複数のｐ−ｎ接合対の両極に電流を流すと、ｐ−ｎ接合対の接合部の一方で冷却（吸熱）、ｐ−ｎ接合対の接合部の他方で発熱（放熱）する状態になるペルチェ効果による冷却装置（ＴＥＣ）として利用することができる。また、このようにモジュール化された熱電半導体素子は、接合部の一方で吸熱させて高温状態にし、かつ、接合部の他方を接合部の一方より低温状態にして、この一方の接合部と他方の接合部とに温度差を生じさせると、温度差によって起電力を発生するゼーベック効果により発電装置（ＴＥＧ）として利用することができる。
【０００６】
図７に示す装置は、このような熱電半導体素子を利用した冷却装置（ＴＥＣ）を構成する一般的な熱電冷却モジュール２０１である。この熱電冷却モジュール２０１では、ｐ型の熱電半導体素子２０２とｎ型の熱電半導体素子２０３とがπ結合されて、熱電半導体素子２０２，２０３が電気的に直列、かつ熱伝導的に並列になるように向きを揃えて二次元方向つまり平面状に並べられている。また、この熱電冷却モジュール２０１では、上記のとおり配列されて接続された熱電半導体素子２０２，２０３が通電性良好な端子、例えば適切な大きさの銅板２０４を介して、電気的に絶縁性であり、かつ熱伝導性であるセラミック材質のベース部材２０５に挟まれた構成となっている。このモジュール２０１では、電源２０６により熱電半導体素子２０２，２０３に電圧を印加して電流Ｉを流すと、セラミック材質のベース部材２０５を構成する一方の面が一様に冷却（吸熱）側となり、他方の面が一様に発熱（放熱）側となる。このモジュール２０１の冷却および発熱の効果は、上記のように平面状に熱電半導体素子２０２，２０３が構成されることから、熱電半導体素子２０２，２０３の数に依存する。そして、熱電半導体素子２０２，２０３の数は、ベース部材の平面の面積により決まる。
【０００７】
特許文献１に記載の冷却装置は、熱電クーラー（ＴＥＣ）を取り付ける際にセラミック基板を用いないで構成されている。一般に、ＴＥＣが通電されることによって一方が吸熱し他方が放熱するため、この温度差によってセラミック基板が膨張することから、熱電半導体素子にせん断応力が集中し、信頼性の確保が難しくなる。このため、熱電半導体素子の大きさには限界がある。その大きさの限界は３０〜４０ｍｍ角とされ、ＴＥＣの性能は素子の高さに依存し、素子の高さを低くすることによる高性能化のために熱電半導体素子の高さを低くすると、大きさの限界がさらに低下するという問題点がある。
【０００８】
このため、特許文献１に記載の冷却装置では、セラミック基板の代わりに、所定の電気接続領域、たとえば、スルーホール、開口部等を備えた一対の樹脂基板を用いる。このスルーホールに熱および電気伝導性に優れた金属を充填して充填金属層を形成し、電気回路金属層を樹脂基板の外側に配置し、熱電半導体素子のそれぞれの面を充填金属層を介して電気回路金属層と接続する。このように構成されることから、特許文献１に記載の冷却装置では、熱電半導体素子の厚さを薄くして、高性能かつ大型化できる構成となっている。
【０００９】
特許文献１に記載の冷却装置によれば、セラミック基板を用いないで、スルーホールが素子にかかる応力を緩和する応力緩和構造となっているため、ＴＥＣ面積の大型化に伴う歪による応力を小さくすることができる。そのため、大型化が可能であり、高い信頼性を得ることができる。また、セラミックを用いた基板に比べ、安価な絶縁性樹脂を用いるので、セラミックを用いた冷却装置より安価に製造することができる。さらに、この特許文献１に記載の冷却装置は、熱伝導率の低いセラミック基板を用いない構造であるので、熱抵抗を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】再表２００６／０１９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の図７に示した冷却モジュールや特許文献１に記載の冷却装置では、熱電冷却素子が吸熱（冷却）側と放熱（発熱）側との向きが揃えられて平面状に配列されているため、設置された平面のみでしか熱電半導体素子を配置することができない。そして、熱電半導体素子による効果は、熱電半導体素子と基板などの設置部材とが接触する底面積の総和に比例する。したがって、その効果は、平面状に熱電冷却素子が配置されていることにより、その設置された平面の面積に限定されてしまう。
【００１２】
この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、熱電半導体素子を設置できる面積を増やして熱電半導体素子による冷却能力および冷却効果をさらに向上させる熱電冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、通電することにより、吸熱部と発熱部とが相互に反対側の面に生じる多数の熱電冷却素子を備え、その吸熱部により発熱体で発生した熱を冷却する熱電冷却装置において、前記多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニットが形成されるとともに、複数の前記冷却素子ユニットが複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニットの間に、これら冷却素子ユニットに対して熱の出入りを行う伝熱部材が介装され、その伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部とが同一の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部とが他の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触していることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱電冷却素子は、前記吸熱部と前記発熱部との温度の差から、起電力が生じる構成を含むことを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記冷却素子ユニットにおける吸熱部に接触する前記伝熱部材、および前記冷却素子ユニットにおける発熱部に接触する前記伝熱部材は、Ｌ字型の伝熱部材を複数並べて配置されて形成されることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記伝熱部材は、潜熱の形で熱を輸送することを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明おいて、前記伝熱部材は、ベーパチャンバであることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明において、前記伝熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記冷却素子ユニットは、一方の面で吸熱し他方の面で発熱するように、ポリイミドシート上に複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれかの発明において、前記伝熱部材に外設されて、前記伝熱部材もしくは前記冷却素子ユニットから排出される熱が伝達され、伝達された熱を前記熱電冷却装置の外部に放出する放熱部材を備えることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項１ないし８のいずれかの発明において、前記放熱部材が、フィンを備えていることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項１ないし９のいずれかの発明において、前記伝熱部材と前記冷却素子ユニットとの間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項１ないし１０のいずれかの発明において、前記発熱体と前記伝熱部材との間および前記伝熱部材と前記放熱部材との間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２４】
請求項１２の発明は、請求項１ないし１１のいずれかの発明において、組み付けられた前記伝熱部材の周囲を囲んで補強するフレームを有することを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２５】
請求項１３の発明は、請求項１ないし１２のいずれかの発明において、前記熱電冷却素子はペルチェ効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２６】
請求項１４の発明は、請求項１ないし１３のいずれかの発明において、前記冷却素子ユニットは入力電力を変動させることにより、前記伝熱部材から吸収する熱量および前記伝熱部材に向けて放出する熱量が調整されることを特徴とする熱電冷却装置である。
【００２７】
請求項１５の発明は、請求項１ないし１４のいずれかの発明において、前記熱電冷却素子はゼーベック効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする熱電冷却装置である。
【発明の効果】
【００２８】
この発明の請求項１の発明によれば、多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて冷却素子ユニットが形成され、その複数の冷却素子ユニットが複数層に積層されて、さらに、その伝熱部材を挟んで位置する一方の冷却素子ユニットの吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットの吸熱部とが同一の伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の冷却素子ユニットの発熱部と他方の前記冷却素子ユニットの発熱部とが他の伝熱部材に熱伝達可能に接触している。このように伝熱部材と冷却素子ユニットとが位置することから、冷却素子ユニットが立体的かつ層状に積層されて配置される。そのため、冷却素子ユニットを多数設置でき、それにより熱電冷却素子を配置する数を増やせることから、この装置における発熱体を冷却する能力が向上される。また、発熱体を直接に冷却素子ユニットに接触させて冷却を行わない、言い換えると伝熱部材が介装されているため、熱膨張や熱応力による冷却素子ユニットもしくは熱電冷却素子の破損を防ぐことができる。
【００２９】
請求項２の発明によれば、冷却素子ユニットが立体的かつ層状に積層されて配置されることから、発電をするための熱電冷却素子を配置する数が増やせる。これにより、熱電冷却素子による吸熱部と発熱部との温度の差による起電力が増加し、電力を回収する能力を向上することができる。
【００３０】
請求項３の発明によれば、冷却装置が複数のＬ字型の伝熱部材を配列することにより形成されることから、冷却素子ユニットを層状に配置する隙間を設けるのが容易になる。また、冷却素子ユニットの吸熱部に接触する伝熱部材および冷却素子ユニットの発熱部に接触する伝熱部材の製造が容易となる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、伝熱部材は吸収された熱を輸送する際、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができる。
【００３２】
請求項５の発明によれば、伝熱部材がベーパチャンバであることから、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができ、発熱体の近傍にあるスペースが限られた場合であっても冷却能力を向上できる。
【００３３】
請求項６の発明によれば、伝熱部材がヒートパイプであることから、潜熱の形で熱を輸送することから、低い熱抵抗で熱を輸送することができ、発熱体の近傍にあるスペースが限られた場合であっても冷却効率を向上できる。
【００３４】
請求項７の発明によれば、一方の面が吸熱側、他方の面が発熱側にポリイミドシート状に予め複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることから、このように構成された冷却素子ユニットが積層され、これに伝熱部材が介装されて熱電冷却装置が組み立てられることにより、効率的に熱電冷却装置が生産できる。
【００３５】
請求項８の発明によれば、発熱体から吸収した熱を放熱部材により熱電冷却装置の外部に放出することができる。
【００３６】
請求項９の発明によれば、発熱体から吸収した熱を放熱性の高いフィンにより効率よく熱電冷却装置の外部に放出することができる。
【００３７】
請求項１０の発明によれば、サーマルグリスにより伝熱部材と冷却素子ユニットとの間の熱抵抗を低減でき、効率よく熱を伝達できる。
【００３８】
請求項１１の発明によれば、サーマルグリスにより発熱体と伝熱部材との間および伝熱部材と放熱部材との間の熱抵抗を低減でき、効率よく熱を伝達できる。
【００３９】
請求項１２の発明によれば、フレームによって組み付けられた伝熱部材と冷却素子ユニットもしくは装置全体の強度を増すことができる。
【００４０】
請求項１３の発明によれば、ペルチェ効果により発熱体を冷却する能力を向上できる。
【００４１】
請求項１４の発明によれば、入力電力を変動させることにより、冷却素子ユニットが伝熱部材から吸収する吸熱量および冷却素子ユニットが伝熱部材に対して発熱する発熱量を調整することから、必要な吸熱および発熱以上に入力電力を上げることによる電力の消費を抑えることができる。
【００４２】
請求項１５の発明によれば、ゼーベック効果により熱電冷却素子による吸熱部と発熱部との温度の差による起電力から電力を回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明に係る熱電冷却装置と発熱体とを模式的に表す側面図である。
【図２】この発明に係る熱電冷却装置を構成する第２冷却手段（冷却素子ユニット）を模式的に表す図である。
【図３】この発明に係る熱電冷却装置の主要部を模式的に表し、内部を上視する横断面図である。
【図４】この発明に係る熱電冷却装置の周囲にフレームが取り付けられた状態を模式的に表す上面図である。
【図５】この発明に係る熱電冷却装置の周囲にフレームが取り付けられた状態を模式的に表す正面図である。
【図６】熱電半導体素子のπ結合について説明するための模式図である。
【図７】従来の熱電冷却モジュールを模式的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に示されるこの発明の熱電冷却装置（ＴＥＣ）１は、発熱体２を冷却する装置である。この発熱体２は、パーソナルコンピュータなどのエレクトロニクス機器に設けられ、基板上に実装される中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップなどである。このような半導体チップなどである発熱体２は、近年、高速での演算、制御等の処理を行うために、集積度および動作周波数の速度がきわめて高くなり、そのため動作中にそのチップ自体が高温になり多量の熱を放出する。また、高温となることによる異常動作を防止するために、動作周波数には制限が設けられており、さらに高速に動作させるためには冷却が必要となる。
【００４５】
この発熱体２を冷却するために、この発明の熱電冷却装置１は、図１ないし５に示される第１冷却手段３と第２冷却手段４と第３冷却手段５とフレーム６を有する。以下、熱伝達経路順に説明する。
【００４６】
まず、第１冷却手段３について説明する。図１に示すように、第１冷却手段３は、Ｌ字型の部材７，８で構成されており、組み付けられたその上端部が発熱体２と熱伝達が可能な状態で接触している。この接触面には、熱抵抗を低くする目的で発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の平面度を上げるため、言い換えれば、発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の凹凸を埋めるためにサーマルグリスが塗布されている。また、第１冷却手段３を構成するＬ字型の部材７，８は、Ｌ字型のベーパチャンバもしくはヒートパイプまたは熱伝性が高く加工性のよい高純度の銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材から形成される第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とにより構成されている。
【００４７】
ベーパチャンバもしくはヒートパイプは、熱を潜熱の形で輸送する優れた熱輸送能力を持つ２相の熱輸送デバイスである。このベーパチャンバもしくはヒートパイプには、作用する液体である作動液が、密閉された容器の内部に封入されている。容器の一方の端部が熱せられると、作動液の蒸発が惹き起こされ、その蒸気は容器の冷たい他方の端部に移動して液体に戻る。液体に戻った作動液は、ウィックなどの毛管構造を介して、再び一方の端部に移動する。このベーパチャンバもしくはヒートパイプは、蒸発時の潜熱が大きいので、容器の一方の端部と他方の端部との非常に小さな温度差で非常に多くの熱量を輸送できる。なお、作動液は、適用される作動温度に基づいて、適切なものが選ばれる。例えば、高性能のパーソナルコンピュータなどに適用する場合、作動温度は通常５０〜１００℃であり、この作動範囲での作動液には水が最も適している。潜熱の形で熱を輸送することから、ベーパチャンバもしくはヒートパイプは、同じ寸法の無垢の銅などと比較して非常に熱抵抗が低い。また、ベーパチャンバは、熱の流れがヒートパイプの一次元的な流れと比較して２次元的になることにより、高い熱輸送能力と低い熱抵抗を持つ。さらに、ベーパチャンバは、同じ寸法のヒートパイプと比較して熱抵抗が低い。一方、ヒートパイプは、ベーパチャンバと比較して製造されたものを折り曲げたり、平板化して所定の形状にすることが可能である。
【００４８】
また、銅は、加工が容易であり、他の金属よりも熱伝導性が良好であるため、後述する第２冷却手段４による冷却力により発熱体２の冷却が十分おこなえるような状況で、第１冷却手段３を構成する部材として利用できる。
【００４９】
第１冷却手段３は、Ｌ字型に曲げられて成形された上記に説明したベーパチャンバもしくはヒートパイプまたは銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材のいずれかである同じ形状の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とを組み合わせることにより構成される。以下、第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とをベーパチャンバもしくはヒートパイプとして説明する。
【００５０】
図１に示すように、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが交互に複数並べられ、そのＬ字型の凹部同士が所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、かつ、そのＬ字型の凹部の背面同士が所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。つまり、複数ある第１の伝熱部材７における上面７ａが、面一に隙間を詰めて揃られた状態で配置および結合される。この結合された複数の上面７ａが、発熱体２から放熱された熱を吸収する第１冷却手段３における吸熱面３ａを構成する。このように並べられて結合された複数ある各第１の伝熱部材７に対して、第１の伝熱部材７における内側面７ｂと外側面７ｃとの隙間に第２の伝熱部材８が、内側面７ｂと第２の伝熱部材８における内側面８ａとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、さらに外側面７ｃと第２の伝熱部材８における外側面８ｂとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。また、第１の伝熱部材７における内上面７ｄと第２の伝熱部材８における上面８ｃとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、さらに第１の伝熱部材７における底面７ｅと第２の伝熱部材８における内下面８ｄとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置される。一方、複数ある第２の伝熱部材８における底面８ｅが、面一に隙間を詰めて揃られた状態で配置および結合される。この結合された複数の底面８ｅが、第３冷却手段５へと熱を放出する第１冷却手段３における放熱面３ｂを構成する。
【００５１】
このように複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが配置されることから、第１冷却手段３の内部には、層状の隙間が形成される。つまり、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、交互に複数並べられて、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置され、かつ、第１の伝熱部材７の外側面７ｃと第２の伝熱部材８の外側面８ｂとが所定の隙間を設けて対向した状態で配置されることから、図１に示すような層状の隙間が第１冷却手段３の内部に形成される。また、このように配置された状態で複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが、図示しない支持部材や一般的な締結方法により固定される。なお、このような層状の隙間が形成できる構成であれば、この第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とは、同じ形状でなくても構わない。そして、この層状の隙間のそれぞれに第２冷却手段（ＴＥＣ、冷却素子ユニット）４が設置される。言い換えると、この層状の隙間に冷却素子ユニット４が、交互に複数並べられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とを挟んで積層された構造となる。
【００５２】
図２に示すように、第２冷却手段（ＴＥＣ、冷却素子ユニット）４は、高い耐熱性と絶縁性とをもつ有機高分子で、電子回路部品に広く使われるポリイミドシート９上に、複数のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とを交互に直列に配線された状態で配置することにより構成される。この熱電半導体素子１０，１１について説明すると、一例としてこれらは絶対熱電率の大きいセラミック複合材料を素材として形成されており、例えばｐ型の熱電半導体素子１０としては、Ｂi2 Ｓb8 Ｔe15 、Ｂi を添加したＧe Ｔe 、Ａg Ｓb Ｔe2 、Ｃr Ｓi2 、ＭnＳｉ1.73 などを使用することができる。またｎ型の熱電半導体素子１１としてＢi Ｔe2 Ｓe 、Ｐを添加したＩn Ａs 、Ｃo Ｓi などを採用することができる。
【００５３】
この各熱電半導体素子１０，１１は、ポリイミドシート９上に配置および固定されやすくなり、かつ第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８との層状の隙間に設置された際に効率よく熱伝達できるようにその寸法が所定の大きさとなるように規定されている。なお、このような所定の寸法となるように、各熱電半導体素子１０，１１の製造方法では、先ず添加元素を含む出発材料を粉末化し、あるいは溶解混合して得たインゴットを粉砕して粉末化し、その後、バインダーを加えて造粒する。得られた粉粒体をふるい分けして、粒径を揃え、これを所定のダイスに入れて、冷間プレスして圧粉体を得る。つぎにその圧粉体を真空中で加熱し、バインダーを除去するための脱脂と焼結とを連続して行う。そして、大気中で加熱して熱処理を施し、所定の特性を与えて、さらに必要に応じてスライシングして所定の寸法の各熱電半導体素子１０，１１を得る。
【００５４】
この各熱電半導体素子１０，１１は、電流が流れることにより素子の一方の面が吸熱（冷却）面１０ａ，１１ａとなり、他方の面が放熱（発熱）面１０ｂ，１１ｂとなる。このような作用が生じるｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とを図示しない金属電極を介して電気的に直列にいわゆるπ形結合されたｐ−ｎ接合対１２に、電流Ｉを流すと、π形の一方で吸熱、他方で発熱が起こり、熱が一方から他方へ向かってポンピングされる。すなわち電子がｐ型からｎ型の方向に流れる金属電極とｐ型の熱電半導体素子１０における吸熱面１０ａとの境界および電子がｐ型からｎ型の方向（電流はｎ型からｐ型の方向）に流れる金属電極とｎ型の熱電半導体素子１１における吸熱面１１ａとのそれぞれの境界では、電子は低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ移行するので、周囲の結晶格子から振動エネルギーを吸収して、吸熱現象が起こる。逆に、電子がｎ型からｐ型の方向に流れる金属電極とｐ型の熱電半導体素子１０における放熱面１０ｂとの境界および電子がｎ型からｐ型の方向に流れる金属電極とｎ型の熱電半導体１１における放熱面１１ｂとの境界では、振動エネルギを吸収した電子は高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に移行するので、余った振動エネルギを周囲の結晶格子に与えて、放熱現象が起こる。
【００５５】
このように一方が吸熱側となり、他方が放熱側となって、ペルチェ効果による作用が得られるｐ−ｎ接合対１２が、複数並べられて、電気的に直列にπ形結合されて連結されてポリイミドシート９上に配置される。また、複数対のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは、ポリイミドシート９上に二次元方向に格子状に配列されて形成される。さらに、ポリイミドシート９上の複数対のｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは、前述の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とから形成される層状の隙間、具体的には第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士および第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士の寸法に適合するように配置されて、統一のある纏まり（集合）を成している。このように纏まって配置されたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域がポリイミドシート９上に複数設けられている。そして、このｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域ごとに、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが直列に結線された一方の端部と他方の端部とに導線１３が設けられている。
【００５６】
このように構成された冷却素子ユニット（第２冷却手段）４は、その一方の面が一様に吸熱面４ａとなり、他方の面が一様に放熱面４ｂとなる。そして、図１または図３に示すように、この吸熱面４ａが第１の伝熱部材７の放熱面である内側面７ｂおよび外側面７ｃに熱伝達可能に対向させて配置されて取り付けられる。一方、冷却素子ユニット４の放熱面４ｂは、第２の伝熱部材８の吸熱面である内側面８ａおよび外側面８ｂに熱伝達可能に対向させて配置されて取り付けられる。言い換えると、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと冷却素子ユニット４の吸熱面４ａとが対向して熱伝達可能に取り付けられ、かつ冷却素子ユニット４の放熱面４ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとが、対向して熱伝達可能に取り付けられて、この内側面７ｂと内側面８ａとの隙間に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。また、第２の伝熱部材８の外側面８ｂと冷却素子ユニット４の放熱面４ｂとが対向して熱伝達可能に取り付けられ、かつ冷却素子ユニット４の吸熱面４ａと第１の伝熱部材７の外側面７ｃとが、対向して熱伝達可能に取り付けられて、この外側面８ｂと外側面７ｃとの隙間に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。このように複数設けられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に、層状に冷却素子ユニット４が挟まれた（介装された）構成となる。
【００５７】
この冷却素子ユニット４が、複数の第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に層状に設けられる際、冷却素子ユニット４の熱電半導体素子１０，１１と伝熱部材７，８とが接触する境界は、電気的に絶縁性を有し、かつ熱的には伝導性となるように構成される。そのため、例えば、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とのポリイミドシート９上での設置状態は、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１との吸熱面１０ａ，１１ａおよび放熱面１０ｂ，１１ｂがむき出しの状態もしくはセラミックでコーティングされた状態もしくはサーマルグリスが塗布された状態のうちの少なくともいずれかの状態とされる。
【００５８】
また、シート状の冷却素子ユニット４が複数設けられた第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間に配置される際、この層状の隙間に対して、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士もしくは第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士に適合させて、一枚のシート状の冷却素子ユニット４を折り曲げて配置することが可能である。また、複数に分割されたシート状の冷却素子ユニット４を、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと第２の伝熱部材８の内側面８ａとの相対する面同士もしくは第１の伝熱部材８の外側面８ｂと第２の伝熱部材７の外側面７ｃとの相対する面同士に適合させて、各層ごとに配置する構成であってもよい。
【００５９】
このように第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが構成する隙間にそれぞれ配置された冷却素子ユニット４は、ポリイミドシート９上に纏まって配置されたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが設けられた領域同士を結線するために、その領域同士を結線するために設けられた導線１３を介して、隣り合う層間に配置された冷却素子ユニット４をコネクタ１４により接続する。また、図１に示すように、第１冷却手段３の左右両側には、第１の伝熱部材７の底面７ｅと第２の伝熱部材８の内下面８ｄとの隙間および第１の伝熱部材７の内上面７ｄと第２の伝熱部材８の上面８ｃとの隙間が設けられている。このように第１冷却手段３の左右両側には、開放された部分が設けられている。この開放された部分からすべてが直列に結線された冷却素子ユニット４の一方端のｐ型の熱電半導体素子１０に接続されている導線１３が、図示しない電源装置に接続され、また冷却素子ユニット４の他方端のｎ型の熱電半導体素子１１に接続されている導線１３が、図示しない電源装置に接続される。この電源装置は、図示しない制御装置および／またはセンサなどにより第２冷却手段（冷却素子ユニット）４による冷却状態を自動もしくは手動で調整する機能を有する。
【００６０】
また、図１に示すように、この発明の熱電冷却装置１には、第１冷却手段３における放熱面３ｂに対向して熱伝達可能に接触させた第３冷却手段（放熱部材）５が設けれらている。この接触面には、熱抵抗を低くする目的で第１冷却手段３における放熱面３ｂと第３冷却手段５とが接触する面の平面度を上げるため、言い換えれば、発熱体２と第１冷却手段３とが接触する面の凹凸を埋めるためにサーマルグリスが塗布されている。この第３冷却手段５は、複数のフィン１５が設けられたアルミニウムなどを成形したヒートシンク５である。複数のフィン１５は間隔を開けて多数設けられている。これにより、その表面積は、層状に設けられた複数のフィン１５により大きくされている。なお、このヒートシンク５には、図示しないファンなどの送風装置を設けることにより、さらに放熱力を高める構成としてもよい。また、第２冷却手段４による冷却力により発熱体２の冷却が十分おこなえるような状況では、静粛性の観点から図示しないファンなどの送風装置を使わない構成であってよい。
【００６１】
さらに、冷却素子ユニット４が層状に収容され、複数の第１の伝熱部材７と複数の第２の伝熱部材８とが組み付けられた第１冷却手段３の外周には、図４および図５に示すフレーム６が設けられる。このフレーム６は第１冷却手段３の側面の周囲を覆い、熱伝達のために発熱体２が第１冷却手段３と接触する面および第１冷却手段３が第３冷却手段５と接触する面が開放された状態になるように成形されている。なお、このフレーム６の材質については、電気的には絶縁性を有する材質であってよい。
【００６２】
つぎに、本発明の他の実施の形態を図面を参照して説明する。この他の実施の形態における熱電冷却装置１は、図１から図３に示すように上述した実施の形態における第２冷却手段（冷却素子ユニット）４と同様の構成である第１発電手段（ＴＥＧ）１７を有する。また、その他の構成についてもほぼ同一であるため、同一の構成について説明を省略する。この第１発電手段１７においては、冷却素子ユニット４をＴｈｅｒｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＴＥＧ）として利用する。つまり、この第１発電手段１７は、ポリイミドシート９上に複数設けられたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とにより冷却素子ユニット４と同様に構成される。また、この第１発電手段１７の構成および熱電冷却装置１における配置は、第２冷却手段４と同様であり、その吸熱面４ａと放熱面４ｂと同様に吸熱面１７ａと発熱面１７ｂとを有している。そして、その直列にπ結合された第１発電手段１７（冷却素子ユニット４）の両端部の導線１３が図示しない蓄電装置などに接続されている。なお、ｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とは実施の形態とは用途が違うため、異なった構成の素子を用いてもよい。
【００６３】
以下、本発明の実施の形態における熱電冷却装置１の動作について説明する。図１の第１冷却手段３の吸熱面３ａに接触して配置された発熱体２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等の高性能な半導体チップなどであり、高速に動作するためその表面が高温になる。高温となった発熱体２から放出される熱は、発熱体２と第１冷却手段３との接触面に塗布されたサーマルグリスを介して熱伝達可能に発熱体２と接触している第１冷却手段３における吸熱面３ａから吸収される。第１冷却手段３が吸熱することにより、発熱体２が冷却される。
【００６４】
発熱体２と接触して位置する第１冷却手段３における吸熱面３ａすなわち複数の第１の伝熱部材７の上面７ａに吸収された熱は、ベーパチャンバもしくはヒートパイプである第１の伝熱部材７の上面７ａ側で、内部の液体（作動液）の蒸発を惹き起こす。その蒸気は、エネルギ状態の低い第１の伝熱部材７における底面７ｅ側に移動する。第１の伝熱部材７の底面７ｅ側に移動した蒸気は、第１の伝熱部材７の内側面７ｂと外側面７ｃとを介して、図示しない電源装置によりその両端部の導線１３に電圧が印加された冷却素子ユニット４における第１の伝熱部材７の内側面７ｂと外側面７ｃとに対向したそれぞれの吸熱面４ａにより冷却される。その冷却された蒸気は、液体に戻り、ウィックなどの毛細管力により再度、第１の伝熱部材７の上面７ａ側に戻る。なお、この第１の伝熱部材７が銅を中空もしくは中実にＬ字型に成型した部材である場合には、通常の金属の熱伝導と同様に熱が伝導される。この場合、第１の伝熱部材７が、一様に高温となろうとし、そのため、第１の伝熱部材７における他方の端部も高温となる。また、冷却の際、図示しない電源装置に設けられた制御装置および／またはセンサにより発熱体２が適切に冷却されるように自動もしくは手動にて調整される。
【００６５】
一方、第１の伝熱部材７の放熱面である内側面７ｂから放出された熱は、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、第１の伝熱部材７の内側面７ｂに対向して接触する冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収され、また、第１の伝熱部材７の放熱面である外側面７ｃから放出された熱は、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、第１の伝熱部材７の外側面７ｃに対向した別の冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収される。内側面７ｂから冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収された熱は、ペルチェ効果により、その冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送される。外側面７ｃから別の冷却素子ユニット４の吸熱面４ａにより吸収された熱は、ペルチェ効果により、別の冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送される。
【００６６】
冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側に輸送された熱と別の冷却素子ユニット４の放熱面４ｂ側から放出された熱とは、接触面に塗布されたサーマルグリス等を介して、同一の第２の伝熱部材８の内側面８ａと外側面８ｂとに放出される。第２の伝熱部材８の内側面８ａと外側面８ｂとに吸収された熱は、第２の伝熱部材８における上面８ｃ側の作動液の蒸発を惹き起こす。その蒸気は、エネルギ状態の低い第２の伝熱部材８における底面８ｅ側に移動する。第２の伝熱部材８の底面８ｅ側に移動した蒸気は、複数の第２の伝熱部材８の底面８ｅすなわち第１冷却手段３における放熱面３ｂにサーマルグリス等を介して熱伝達可能に接触された第３冷却手段（ヒートシンク）５により冷却される。このヒートシンク５に伝達された熱は複数のフィン１５によって、発熱体２に熱による影響を与えない状態で大気中などに放出される。さらに、第３冷却手段５にファンを取り付けた場合には、フィン１５による熱がファンに送風されてさらに効率よく放熱される。
【００６７】
つぎに、本発明の他の実施の形態における熱電冷却装置１の動作について説明する。第１発電手段１７は、ゼーベック効果を利用したものであり、発熱体２で発熱した熱は、実施の形態と同様に、第１の伝熱部材７における内側面７ｂに輸送される。第１の伝熱部材７の内側面７ｂに輸送された熱は、サーマルグリスを介してポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０，１１の吸熱（冷却）面１０ａ，１１ａにより吸収される。各熱電半導体素子１０，１１の吸熱面１０ａ，１１ａに吸収された熱は、直列にπ結合された各熱電半導体素子１０，１１のゼーベック効果により、発電電力に変換される。この熱を発電電力に変換する作用は、ポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０の吸熱面１０ａ，１１ａが高温となり、それにより、各熱電半導体素子１１の放熱（発熱）面１０ｂ，１１ｂが相対的に低温となることで、その温度差による吸熱面１０ａ，１１ａと放熱面１０ｂ，１１ｂとのエネルギ状態の違いから各熱電半導体素子１０，１１に起電力が発生することによる。そして、導線１３を介して図示しないバッテリなどに蓄電されるか、もしくは、発電電力として利用される。
【００６８】
一方、ポリイミドシート９上の各熱電半導体素子１０，１１の発熱面１０ｂ，１１ｂへと輸送された熱が、第２の伝熱部材８の内側面８ａおよび外側面８ｂに吸収される。第２の伝熱部材８の内側面８ａおよび外側面８ｂから第３冷却手段５により放熱されるまでの熱の伝達経路については本発明の実施の形態と同様である。なお、この他の実施の形態における熱電冷却装置１の動作つまり、冷却素子ユニット４を発電素子として使用する動作は、実施の形態における冷却要求が低い場合もしくは熱電冷却の必要のない構成もしくは発熱体２の発熱が熱電冷却の必要のない状況である場合に実施の形態において実行されうる。
【００６９】
以上のように構成される熱電冷却装置１によれば、まず、第１冷却手段３では、発熱体２からの熱はサーマルグリスを介して第１冷却手段３の吸熱面３ａに吸収されるため、熱抵抗を低く第１冷却手段３に熱を伝達できる。また、第１冷却手段３が熱抵抗の低いベーパチャンバもしくはヒートパイプで構成されていることによって、熱抵抗を低く第２冷却手段４に熱を輸送できる。また、第１冷却手段３が熱抵抗の低いベーパチャンバもしくはヒートパイプで構成されていることによって、熱を潜熱の形で輸送して伝達するため、熱抵抗が低く効率のよい熱輸送を行えると同時に発熱体２の近傍が限られた冷却スペースであっても、効率よく冷却できる。また、第１冷却手段３が設けられたことにより、直接に発熱体からの熱を第２冷却手段４すなわち第１発電手段１７の熱電半導体素子１０，１１で吸収しないので、熱膨張や熱応力による熱電半導体素子１０，１１の破損等が発生しない。また、第１冷却手段３における第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、Ｌ字型の部材であることから、それを複数並べて容易に冷却素子ユニット４を層状に配置するための隙間を層状に形成することができ、製造性が向上する。さらに、第２冷却手段４への熱伝達は、サーマルグリスを介して行われるため、第１冷却手段３から第２冷却手段４への熱伝達が効率よく行える。
【００７０】
つぎに、第２冷却手段４では、冷却素子ユニット４がポリイミドシート９上に複数設けられたｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが交互に格子状に配置され、交互に電気的直列に結線されてπ結合されているため、導線１３およびコネクタ１４を接続するのみで、すべての熱電半導体素子１０，１１が直列π結合で結線できる。また、冷却素子ユニット４がポリイミドシート９上にｐ型の熱電半導体素子１０とｎ型の熱電半導体素子１１とが電気的に直列に配置されて、さらに一方の面が吸熱面４ａとなり、他方の面が放熱面４ｂとなるように予め構成されることから、このように構成された冷却素子ユニット４を第１冷却手段３の内部に構成された層状の隙間にそれぞれ配置すればよいので、生産性が向上する。
【００７１】
この熱電冷却装置１によれば、第１冷却手段３における第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが、上記のように複数の層状の隙間を構成し、その層状の隙間に複数の冷却素子ユニット４を熱伝達可能に配置して積層させることにより、設置できる熱電半導体素子１０，１１の数が増えて、冷却素子ユニット４の吸熱面（冷却面）４ａの面積が大きくなることから、第２冷却手段４での冷却効果もしくは第１発電手段１７の発電効果が向上される。また、第２冷却手段４による冷却は制御装置により、熱電半導体素子１０，１１に印加する電圧が調整できることから、要求される吸熱（冷却）および放熱（発熱）能力以上に入力電力を上げることによる電圧の消費が抑制できる。
【００７２】
そして、第１冷却手段３の第２の伝熱部材８から第３冷却手段５への熱の伝達がサーマルグリスを介して行われることから、熱を効率よく伝達できる。また、複数のフィン１５などにより構成される第３冷却手段５が設けられていることから、発熱体２から吸収した熱を、発熱体２に熱の影響を与えない大気中などの発熱体２から離れた場所に熱を放出することができる。さらに、第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とにより構成された第１冷却手段３の周囲にフレーム６が設けられたことから、装置全体の強度を増して保持することができる。
【００７３】
なお、この熱電冷却装置１は、上記構成では第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８との二つの伝熱部材７，８を有する構成を示したが、例えば、第２の伝熱部材８を省略して、第１の伝熱部材７から伝達された熱を第２冷却手段４から直接に第３冷却手段５で放熱する構成であってもよい。この場合、第２冷却手段４の放熱面４ｂから直接に第３冷却手段５が熱伝達可能に接触する構成となる。また、上述したようにこの熱電冷却装置１は、第２冷却手段４の構成が冷却を行う構成と発電を行う構成とを組み合わせて同時に熱電冷却と熱電発電とを調整可能に実行できる構成であってもよい。さらに第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とは、Ｌ字型の伝熱部材である構成としたが、第１冷却手段３の内部に形成される層状の隙間に対して冷却素子ユニット４を積層させて介装できれば、Ｌ字型の部材に限定されず、例えばＴ字型の部材などを用いてもよい。その場合、例えばＴ字型の伝熱部材の凹部同士を所定の隙間を設けて対向させて配置することにより、本発明の実施の形態と同様に第１の伝熱部材７と第２の伝熱部材８とが介装されて冷却素子ユニット４を積層させて配置する構成とする。
【００７４】
この発明と実施の形態との対応関係について述べると、この発明にかかる熱電冷却素子は実施例における熱電半導体素子１０，１１であり、また、この発明にかかる放熱部材は、第３冷却手段５である。
【符号の説明】
【００７５】
４…冷却素子ユニット（第２冷却手段）、 ４ａ…吸熱部（吸熱面、冷却面）、 ４ｂ…発熱部（発熱面、放熱面）、 ７…伝熱部材（第１の伝熱部材）、 ８…伝熱部材（第２の伝熱部材）、 １０，１１…熱電冷却（半導体）素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電することにより、吸熱部と発熱部とが相互に反対側の面に生じる多数の熱電冷却素子を備え、その吸熱部により発熱体で発生した熱を冷却する熱電冷却装置において、
前記多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニットが形成されるとともに、
複数の前記冷却素子ユニットが複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニットの間に、これら冷却素子ユニットに対して熱の出入りを行う伝熱部材が介装され、
その伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部とが同一の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部とが他の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触していることを特徴とする熱電冷却装置。
【請求項２】
前記熱電冷却素子は、前記吸熱部と前記発熱部との温度の差から、起電力が生じる構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電冷却装置。
【請求項３】
前記冷却素子ユニットにおける吸熱部に接触する前記伝熱部材および前記冷却素子ユニットにおける発熱部に接触する前記伝熱部材は、Ｌ字型の伝熱部材を複数並べて配置されて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電冷却装置。
【請求項４】
前記伝熱部材は、潜熱の形で熱を輸送することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項５】
前記伝熱部材は、ベーパチャンバであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項６】
前記伝熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項７】
前記冷却素子ユニットは、一方の面で吸熱し他方の面で発熱するように、ポリイミドシート上に複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項８】
前記伝熱部材に外設されて、前記伝熱部材もしくは前記冷却素子ユニットから排出される熱が伝達され、伝達された熱を前記熱電冷却装置の外部に放出する放熱部材を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項９】
前記放熱部材が、フィンを備えていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１０】
前記伝熱部材と前記冷却素子ユニットとの間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１１】
前記発熱体と前記伝熱部材との間および前記伝熱部材と前記放熱部材との間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１２】
組み付けられた前記伝熱部材の周囲を囲んで補強するフレームを有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１３】
前記熱電冷却素子はペルチェ効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却素子ユニットは入力電力を変動させることにより、前記伝熱部材から吸収する熱量および前記伝熱部材に向けて放出する熱量が調整されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１５】
前記熱電冷却素子はゼーベック効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１】
通電することにより、吸熱部と発熱部とが相互に反対側の面に生じる多数の熱電冷却素子を備え、その吸熱部により発熱体で発生した熱を冷却する熱電冷却装置において、
前記多数の熱電冷却素子が二次元方向に配列されて、冷却素子ユニットが形成されるとともに、
複数の前記冷却素子ユニットが複数層に積層され、かつ各層の前記冷却素子ユニットの間に、これら冷却素子ユニットに対して熱の出入りを行う伝熱部材が介装され、
その伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける吸熱部とが同一の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触し、かつ他の伝熱部材を挟んで位置する一方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部と他方の前記冷却素子ユニットにおける発熱部とが他の前記伝熱部材に熱伝達可能に接触していることを特徴とする熱電冷却装置。
【請求項２】
前記熱電冷却素子は、前記吸熱部と前記発熱部との温度の差から、起電力が生じる構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電冷却装置。
【請求項３】
前記冷却素子ユニットにおける吸熱部に接触する前記伝熱部材および前記冷却素子ユニットにおける発熱部に接触する前記伝熱部材は、Ｌ字型の伝熱部材を複数並べて配置されて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電冷却装置。
【請求項４】
前記伝熱部材は、潜熱の形で熱を輸送することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項５】
前記伝熱部材は、ベーパチャンバであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項６】
前記伝熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項７】
前記冷却素子ユニットは、一方の面で吸熱し他方の面で発熱するように、ポリイミドシート上に複数対のｐ型素子とｎ型素子とがπ結合されて構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項８】
前記伝熱部材に外設されて、前記伝熱部材もしくは前記冷却素子ユニットから排出される熱が伝達され、伝達された熱を前記熱電冷却装置の外部に放出する放熱部材を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項９】
前記放熱部材が、フィンを備えていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１０】
前記伝熱部材と前記冷却素子ユニットとの間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１１】
前記発熱体と前記伝熱部材との間および前記伝熱部材と前記放熱部材との間には、小さな隙間や凹凸を埋めて、空気より熱伝導性がよいサーマルグリスが設けられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１２】
組み付けられた前記伝熱部材の周囲を囲んで補強するフレームを有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１３】
前記熱電冷却素子はペルチェ効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却素子ユニットは入力電力を変動させることにより、前記伝熱部材から吸収する熱量および前記伝熱部材に向けて放出する熱量が調整されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【請求項１５】
前記熱電冷却素子はゼーベック効果を有する熱電半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の熱電冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−８２２７２（Ｐ２０１１−８２２７２Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３１９０６（Ｐ２００９−２３１９０６）
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月５日（２００９．１０．５）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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