JP3739739B2 - Electronic cooling unit - Google Patents
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Description
【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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic cooling unit used in, for example, a refrigerator, an air conditioner, and a water chiller, and more particularly to an electronic cooling unit using a Peltier element (electronic cooling element).
[0002]
[Prior art]
Among thermoelectric conversion elements, an element that cools a predetermined element by supplying electric energy is called a Peltier element or an electronic cooling element, and is used in an electronic cooling unit such as a compact refrigerator.
[0003]
As shown in FIG. 6, in the conventional electronic cooling unit, a heat
[0004]
A large number of the P-
[0005]
By passing a predetermined current through the electronic cooling unit, the lower
[0006]
The outer peripheral portions of the lower
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional one is soldered between the insulating substrate made of alumina ceramic or the like and the electrode and between the electrode and the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. Thus, the warping of the insulating substrate that occurs adversely affects the electrodes and the semiconductor layer, resulting in poor connection and disconnection, and the useful life of the electronic cooling unit is short.
[0008]
An object of the present invention is to eliminate such drawbacks of the prior art and provide an electronic cooling unit having a long service life.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first means of the present invention is an electronic cooling element in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and are electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes. A group is interposed between the heat absorption side substrate and the heat dissipation side substrate,
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
An adhesive layer having elasticity after curing is interposed between at least one of the heat absorption side electrode and the heat absorption side base and between the heat dissipation side electrode and the heat dissipation side base, so that the electrode is horizontally oriented with respect to the base and An electronic cooling unit that is displaceable in at least one of vertical directions.
[0010]
According to a second means of the present invention, there is provided an electronic cooling element group in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes, While being interposed between the heat dissipating side substrate,
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
Between the heat absorption side electrode and the heat absorption side substrate and between at least one of the heat radiation side electrode and the heat radiation side substrate, an inorganic compound filler is mixed and an adhesive layer having elasticity even after curing is interposed. Is displaceable in at least one of a horizontal direction and a vertical direction with respect to the base body.
[0011]
According to a third means of the present invention, there is provided an electronic cooling element group in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes, While being interposed between the heat dissipating side substrate,
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
A temperature of −60 to 250 ° C. even after curing by mixing an inorganic compound filler into a silicone-based organic compound between at least one of the heat absorption side electrode and the heat absorption side substrate and between the heat dissipation side electrode and the heat dissipation side substrate. The electrode is displaceable in at least one of a horizontal direction and a vertical direction with respect to the substrate with an adhesive layer that retains elasticity over a range.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view in which a part of the electronic cooling unit is sectioned, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of the vicinity of the seal portion of the electronic cooling unit.
[0013]
As shown in FIG. 1, two electronic cooling element groups 3 are juxtaposed at a predetermined interval between the heat
[0014]
The
[0015]
In the present embodiment, a
[0016]
A
[0017]
The
[0018]
In this embodiment, the
[0019]
As shown in FIG. 1, a
[0020]
The leading end portion of the
[0021]
As shown in FIGS. 3 and 4, the electronic cooling element group 3 includes an
[0022]
As described above, the electronic cooling element group 3 of the present embodiment does not use an insulating substrate made of alumina ceramic or the like. In the modular state, the heat
[0023]
As shown in FIG. 3, an
[0024]
For the
[0025]
In this example, a silicone adhesive in which an appropriate amount of alumina fine particles having an average particle size of 10 μm or less is dispersed and held, and has rubber elasticity even after curing, and has a thermal conductivity of 4.5 × 10 −3 cal / cm. • sec · ° C., elongation of 30%, tensile strength of 50 kgf /
[0026]
As the grease layer 14, silicone grease is suitable. This silicone grease is preferably one in which a fine filler of an inorganic compound such as silica, alumina, zinc oxide or the like (having an average particle size of 10 μm or less) is added to the base oil by 50% by weight or more. Thus, the thermal conductivity of the silicone grease layer in which the filler is dispersed and held at a high content is as high as 6.0 × 10 −3 cal / cm · sec · ° C. or more, which is 3 × 10 −4 cal / cm of general silicone grease. -Compared to sec. ° C, the thermal conductivity is higher by one digit or more. The silicone grease layer maintains good elasticity over a wide temperature range from −55 to 200 ° C. The appropriate film thickness is 20 to 100 μm.
[0027]
The ends of the O-
[0028]
In order to avoid the penetration of moisture into the unit as much as possible, the insertion hole for the fastening bolt is provided in the heat-radiating
[0029]
After the bolting, as shown in FIG. 1, a sealing
[0030]
In the case of this embodiment, a sealing
[0031]
FIG. 5 is a diagram showing a modification of the present invention. In the case of this modification, the heat
[0032]
【The invention's effect】
If an adhesive layer having elasticity even after curing is interposed between the substrate and the electrode as in the present invention so that the electrode can be displaced horizontally or (and) perpendicular to the surface of the substrate. The adverse effects of the heat history on the electrodes and the semiconductor layer are eliminated, and there is no connection failure or disconnection as in the conventional case, and a performance-stable electronic cooling unit having a long service life can be provided.
[0033]
In the electronic cooling unit described in the above embodiment, the service life can be extended by about 10 times in a thermal history test in which cooling and heating are repeated, as compared with a conventional one in which an electrode and an insulating substrate are integrated with solder. It was.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view, partly in section, of an electronic cooling unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of a seal portion of the electronic cooling unit.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of an electrode of the electronic cooling unit.
FIG. 4 is an enlarged perspective view of an electronic cooling element group.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of an electrode in a modification of the present invention.
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a conventional electronic cooling unit.
[Explanation of symbols]
1: heat absorption side substrate, 2: heat radiation side substrate, 3: electronic cooling element group, 6: O-ring, 7: adhesive, 8: groove, 9: heat absorption side electrode, 10: P-type semiconductor layer, 11: N-type Semiconductor layer, 12: heat radiation side electrode, 13: adhesive layer, 14: grease layer, 16: support, 17: seal part, 18: seal surface, 19: through hole, 20: fin, 21: lead body, 22 : Solder, 23: Adhesive.
Claims (3)
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。An electronic cooling element group in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes is interposed between the heat absorption side base and the heat dissipation side base. With
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
An adhesive layer having elasticity after curing is interposed between at least one of the heat absorption side electrode and the heat absorption side base and between the heat dissipation side electrode and the heat dissipation side base, so that the electrode is horizontally oriented with respect to the base and An electronic cooling unit that is displaceable in at least one of vertical directions.
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。An electronic cooling element group in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes is interposed between the heat absorption side base and the heat dissipation side base. With
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
Between the heat absorption side electrode and the heat absorption side substrate and between at least one of the heat radiation side electrode and the heat radiation side substrate, an inorganic compound filler is mixed and an adhesive layer having elasticity even after curing is interposed. The electronic cooling unit can be displaced in at least one of a horizontal direction and a vertical direction with respect to the substrate.
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。An electronic cooling element group in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are arranged in parallel and electrically connected by upper and lower heat absorption side electrodes and heat dissipation side electrodes is interposed between the heat absorption side base and the heat dissipation side base. With
A support having rigidity and poor thermal conductivity is disposed from the heat absorption side substrate to the heat dissipation side substrate so as to surround the electronic cooling element group, and the electronic cooling element group is protected by the support,
A temperature of −60 to 250 ° C. even after curing by mixing an inorganic compound filler into a silicone-based organic compound between at least one of the heat absorption side electrode and the heat absorption side substrate and between the heat dissipation side electrode and the heat dissipation side substrate. An electronic cooling unit characterized in that an electrode is displaceable in at least one of a horizontal direction and a vertical direction with respect to a substrate through an adhesive layer that retains elasticity over a range.
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