JP2000068565A - Peltier element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、加熱および冷却操
作に用いられるペルチェ素子に関する。[0001] The present invention relates to a Peltier device used for heating and cooling operations.
【0002】[0002]
【従来の技術】異種の導体または半導体を接触させて電
流を流した時に接点でジュール熱以外に熱の発生または
吸収が起こる現象がペルチェ効果として知られている。
このペルチェ効果による熱の吸収は、冷却作用として冷
蔵庫から半導体冷却装置まで広範囲の機器に応用されて
いる。2. Description of the Related Art The phenomenon in which heat is generated or absorbed in addition to Joule heat at a contact when a current is caused to flow by contacting different kinds of conductors or semiconductors is known as the Peltier effect.
The absorption of heat by the Peltier effect is applied to a wide range of equipment from a refrigerator to a semiconductor cooling device as a cooling action.
【0003】図3は従来のペルチェ素子の断面図、図4
は図3のペルチェ素子の詳細な構成を示す一部拡大断面
図である。FIG. 3 is a sectional view of a conventional Peltier device, and FIG.
FIG. 4 is a partially enlarged sectional view showing a detailed configuration of the Peltier device of FIG. 3.
【0004】図3に示すように、ペルチェ素子2は、対
向するように配置された第1基板10aおよび第2基板
10bを備える。第1基板10aと第2基板10bとの
間に複数のP型熱電材料3およびN型熱電材料4が交互
に配置されている。複数のP型熱電材料3および複数の
N型熱電材料4は複数の金属電極8a,8bにより直列
に接続されている。[0004] As shown in FIG. 3, the Peltier device 2 includes a first substrate 10a and a second substrate 10b arranged to face each other. A plurality of P-type thermoelectric materials 3 and N-type thermoelectric materials 4 are alternately arranged between the first substrate 10a and the second substrate 10b. The plurality of P-type thermoelectric materials 3 and the plurality of N-type thermoelectric materials 4 are connected in series by a plurality of metal electrodes 8a and 8b.
【0005】P型熱電材料3およびN型熱電材料4の一
面は金属電極8aを介して第1基板10aに接合されて
いる。また、P型熱電材料3およびN型熱電材料4の他
面は金属電極8bを介して第2基板10bに接合されて
いる。第1基板10aおよび第2基板10bの外側に
は、熱源等の第1伝熱体13aおよび放熱装置等の第2
伝熱体13bがそれぞれ接合されている。[0005] One surface of the P-type thermoelectric material 3 and one surface of the N-type thermoelectric material 4 are joined to a first substrate 10a via a metal electrode 8a. The other surfaces of the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 are joined to the second substrate 10b via the metal electrodes 8b. Outside the first substrate 10a and the second substrate 10b, a first heat transfer body 13a such as a heat source and a second heat
The heat transfer bodies 13b are respectively joined.
【0006】図4に示すように、第1基板10aおよび
第2基板10bの対向する面には金属層12がそれぞれ
形成されている。P型熱電材料3の両面は半田9によっ
てそれぞれ金属電極8a,8bに接合されている。同様
に、N型熱電材料4の両面は半田9によってそれぞれ金
属電極8a,8bに接合されている。また、金属電極8
aは半田9によって第1基板10aに接合されている。
同様に、金属電極8bは半田9によって第2基板10b
に接合されている。As shown in FIG. 4, a metal layer 12 is formed on opposing surfaces of a first substrate 10a and a second substrate 10b. Both surfaces of the P-type thermoelectric material 3 are joined to the metal electrodes 8a and 8b by solder 9, respectively. Similarly, both surfaces of the N-type thermoelectric material 4 are joined to the metal electrodes 8a and 8b by solder 9, respectively. In addition, the metal electrode 8
a is joined to the first substrate 10a by the solder 9.
Similarly, the metal electrode 8b is soldered to the second substrate 10b
Is joined to.
【0007】P型熱電材料およびN型熱電材料として
は、例えばBi−Te系が用いられている。代表的なP
型熱電材料は(Bi0.25Sb0.75)2 Te3 、代表的な
N型熱電材料はBi2 (Te0.95Se0.05)3 である。As the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material, for example, a Bi-Te system is used. Representative P
The type thermoelectric material is (Bi 0.25 Sb 0.75 ) 2 Te 3 , and a typical N-type thermoelectric material is Bi 2 (Te 0.95 Se 0.05 ) 3 .
【0008】このようなペルチェ素子2に通電すると、
P型熱電材料3およびN型熱電材料4に熱の移動が起こ
り、第1基板10aと第2基板10bとの間に温度差が
発生し、第1基板10aおよび第2基板10bの一方が
吸熱側となり、一方が放熱側となる。そのため、第1伝
熱体13aおよび第2伝熱体13bを冷却または加熱す
ることが可能となる。When power is supplied to such a Peltier element 2,
Heat is transferred to the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 to generate a temperature difference between the first substrate 10a and the second substrate 10b, and one of the first substrate 10a and the second substrate 10b absorbs heat. Side and one side is the heat dissipation side. Therefore, it is possible to cool or heat the first heat transfer body 13a and the second heat transfer body 13b.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
ペルチェ素子2では、通電時に第1基板10aおよび第
2基板10bの熱膨張および熱収縮により、第1基板1
0aと金属電極8aとの接合部、第2基板10bと金属
電極8bとの接合部、金属電極8a,8bとP型熱電材
料3との接合部および金属電極8a,8bとN型熱電材
料4との接合部にせん断応力が作用する。それにより、
P型熱電材料3およびN型熱電材料4の内部にもせん断
応力が作用する。However, in the conventional Peltier device 2 described above, the first substrate 1a and the second substrate 10b are thermally expanded and contracted when the first substrate 10a and the second substrate 10b are energized.
0a and metal electrode 8a, second substrate 10b and metal electrode 8b, metal electrodes 8a and 8b and P-type thermoelectric material 3, and metal electrodes 8a and 8b and N-type thermoelectric material 4 A shear stress acts on the joint with the metal. Thereby,
Shear stress also acts inside the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4.
【0010】特に、第1基板10aおよび第2基板10
bの両端部に近付くほど熱膨張および熱収縮の影響は大
きくなり、作用するせん断応力も大きくなる。In particular, the first substrate 10a and the second substrate 10
The closer to both ends of b, the greater the effect of thermal expansion and thermal contraction and the greater the acting shear stress.
【0011】ペルチェ素子2を、加熱と冷却を繰り返す
ヒートサイクル運転の用途に使用する場合、ペルチェ素
子2内の上記の各箇所には、そのヒートサイクルに対応
して変動するせん断応力が作用する。その結果、ペルチ
ェ素子2内の前述の各箇所が疲労して破損したり、経時
的に性能が低下したりする。When the Peltier device 2 is used for a heat cycle operation in which heating and cooling are repeated, a shear stress that fluctuates according to the heat cycle acts on each of the above-mentioned portions in the Peltier device 2. As a result, the above-described portions in the Peltier element 2 are fatigued and damaged, or the performance decreases over time.
【0012】そこで、特開平8−186296号公報に
は、第1基板10aと金属電極8aとの接合および第2
基板10bと金属電極8bとの接合の少なくとも一方に
シリコンゴムなどのゴム状物質を用いることによって、
ペルチェ素子内に作用するせん断応力を緩和する方法が
開示されている。これにより、ペルチェ素子の寿命の向
上および性能の低下防止を図っている。Therefore, Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 8-186296 discloses that the bonding between the first substrate 10a and the metal electrode 8a and the second
By using a rubber-like substance such as silicon rubber for at least one of the bonding between the substrate 10b and the metal electrode 8b,
A method for relaxing a shear stress acting in a Peltier device is disclosed. Thereby, the life of the Peltier element is improved and the performance is prevented from lowering.
【0013】しかしながら、上記の方法では、第1基板
10aと金属電極8aとの間および、第2基板10bと
金属電極8bとの間の少なくとも一方に、シリコンゴム
などの比較的熱伝導率の低い物質が介在するため、ペル
チェ素子の冷却能力および加熱能力が低下する。However, in the above method, at least one of the space between the first substrate 10a and the metal electrode 8a and the space between the second substrate 10b and the metal electrode 8b has a relatively low thermal conductivity such as silicon rubber. Due to the presence of the substance, the cooling capacity and the heating capacity of the Peltier element decrease.
【0014】本発明の目的は、高性能で寿命が長く、伝
熱効率の高いペルチェ素子を提供することである。An object of the present invention is to provide a Peltier device having high performance, long life and high heat transfer efficiency.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段および発明の効果】第1の
発明に係るペルチェ素子は、対向するように配置された
一対の基板と、一対の基板間に交互に配列されたP型熱
電材料およびN型熱電材料と、P型熱電材料およびN型
熱電材料を接続するとともに一対の基板の対向する面に
それぞれ接合された複数の電極層とを備え、一対の基板
の両端部ほど中央部に比べて一対の基板のうち一方の基
板に対向する各P型熱電材料および各N型熱電材料の一
面が他方の基板に対向する他面に対して両端部側にずれ
た位置に設けられたものである。Means for Solving the Problems and Effects of the Invention A Peltier device according to the first invention comprises a pair of substrates arranged to face each other, a P-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates, and An N-type thermoelectric material, comprising a plurality of electrode layers that connect the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material and are respectively joined to opposing surfaces of the pair of substrates, and wherein both ends of the pair of substrates are closer to the center than to the center. One surface of each of the P-type thermoelectric materials and each of the N-type thermoelectric materials facing one of the pair of substrates is provided at a position shifted to both ends with respect to the other surface facing the other substrate. is there.
【0016】本発明に係るペルチェ素子においては、一
対の基板の両端部ほど中央部に比べて、一方の基板に対
向する各P型熱電材料および各N型熱電材料の一面が、
他方の基板に対向する他面に対して両端部側にずれた位
置に設けられている。それにより、各P型熱電材料およ
び各N型熱電材料において、一方の基板側の一面では両
端部に向かう方向に予めせん断応力が作用し、他方の基
板側では中央部に向かう方向に予めせん断応力が作用し
ている。したがって、一方の基板が熱収縮した際に、一
方の基板側における各P型熱電材料および各N型熱電材
料の一面が中央部に向かう方向に移動することにより、
一方の基板側の一面で予め作用している両端部に向かう
方向のせん断応力が相殺される。また、他方の基板が熱
膨張した際に、他方の基板側における各P型熱電材料お
よび各N型熱電材料の他面が両端部に向かう方向に移動
することにより、他方の基板側の他面で予め作用してい
る中央部に向かう方向のせん断応力が相殺される。In the Peltier device according to the present invention, one surface of each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material facing one substrate is closer to both ends of the pair of substrates than at the center.
It is provided at a position shifted toward both ends with respect to the other surface facing the other substrate. Thus, in each of the P-type thermoelectric materials and each of the N-type thermoelectric materials, a shear stress is applied in advance toward one end on one surface of one substrate, and a shear stress is applied in a direction toward the center on the other substrate. Is working. Therefore, when one substrate thermally contracts, one surface of each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material on the one substrate side moves in the direction toward the center,
The shear stress in the direction toward both ends acting in advance on one surface on one substrate side is canceled. Also, when the other substrate thermally expands, the other surface of each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material on the other substrate side moves in the direction toward both ends, so that the other surface of the other substrate side This cancels out the shearing stress acting in the direction toward the center in advance.
【0017】その結果、作動時にP型熱電材料およびN
型熱電材料に作用するせん断応力を低減または消滅させ
ることが可能となる。また、加熱および冷却を繰り返す
ヒートサイクル運転時にもP型熱電材料およびN型熱電
材料に作用する最大のせん断応力を低減することが可能
となる。As a result, the P-type thermoelectric material and N
It becomes possible to reduce or eliminate the shear stress acting on the mold thermoelectric material. In addition, the maximum shear stress acting on the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material can be reduced even during a heat cycle operation in which heating and cooling are repeated.
【0018】この場合、せん断応力を低減するために、
一方の基板と電極層との間または他方の基板と電極層と
の間に熱伝導率の低い物質を介在させる必要がない。In this case, in order to reduce the shear stress,
There is no need to interpose a substance having low thermal conductivity between one substrate and the electrode layer or between the other substrate and the electrode layer.
【0019】したがって、性能が高くなり、かつ寿命が
長くなり、しかも高い伝熱効率が得られる。Therefore, the performance is enhanced, the life is prolonged, and high heat transfer efficiency is obtained.
【0020】第2の発明に係るペルチェ素子は、対向す
るように配置された一対の基板と、一対の基板間に交互
に配列されたP型熱電材料およびN型熱電材料と、P型
熱電材料およびN型熱電材料を接続するとともに一対に
基板の対向する面にそれぞれ接合された複数の電極層と
を備え、一対の基板の両端部ほど中央部に比べて各P型
熱電材料および各N型熱電材料が傾斜したものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided a Peltier device comprising: a pair of substrates arranged to face each other; a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates; And a plurality of electrode layers joined to the opposing surfaces of the substrate in a pair, respectively, so that both end portions of the pair of substrates are closer to both ends than the central portion. The thermoelectric material is inclined.
【0021】本発明に係るペルチェ素子においては、一
対の基板の両端部ほど中央部に比べて各P型熱電材料お
よび各N型熱電材料が傾斜している。それにより、各P
型熱電材料および各N型熱電材料において、一方の基板
側の一面では両端部に向かう方向に予めせん断応力が作
用し、他方の基板側の他面では中央部に向かう方向に予
めせん断応力が作用している。したがって、一方の基板
が熱収縮した際に、各P型熱電材料および各N型熱電材
料が逆方向に傾斜することにより、一方の基板側の一面
で予め作用している両端部に向かう方向のせん断応力
が、一方の基板の熱収縮により作用するせん断応力によ
り相殺される。また、他方の基板が熱膨張した際に、各
P型熱電材料および各N型熱電材料が逆方向に傾斜する
ことにより、他方の基板側の他面で予め作用している中
央部に向かう方向のせん断応力が、他方の基板の熱膨張
により作用するせん断応力により相殺される。In the Peltier device according to the present invention, each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material are inclined closer to both ends of the pair of substrates than to the center. Thereby, each P
In the type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material, a shear stress acts in a direction toward both ends on one surface of one substrate side, and a shear stress acts in a direction toward a center portion on the other surface of the other substrate side in advance. are doing. Therefore, when one substrate thermally contracts, each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material incline in the opposite direction, so that the direction toward the both ends acting in advance on one surface of the one substrate side is reduced. The shear stress is offset by the shear stress acting due to the thermal shrinkage of one of the substrates. Further, when the other substrate thermally expands, the respective P-type thermoelectric materials and the respective N-type thermoelectric materials are inclined in opposite directions, so that the direction toward the central portion acting in advance on the other surface of the other substrate is achieved. Is offset by the shear stress acting due to the thermal expansion of the other substrate.
【0022】その結果、作動時にP型熱電材料およびN
型熱電材料に作用するせん断応力を低減または消滅させ
ることが可能となる。また、加熱および冷却を繰り返す
ヒートサイクル運転時にもP型熱電材料およびN型熱電
材料により作用する最大せん断応力を低減することが可
能となる。As a result, the P-type thermoelectric material and N
It becomes possible to reduce or eliminate the shear stress acting on the mold thermoelectric material. In addition, the maximum shear stress acting on the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material can be reduced even during a heat cycle operation in which heating and cooling are repeated.
【0023】この場合、せん断応力を消滅させるため
に、一対の基板のうち一方の基板とそれに接合される電
極層との間または他方の基板とそれに接合される電極層
との間に熱伝導率の低い物質を介在させる必要がない。In this case, in order to eliminate the shear stress, the thermal conductivity between one of the pair of substrates and the electrode layer bonded thereto or between the other substrate and the electrode layer bonded thereto is reduced. There is no need to intervene substances with low
【0024】したがって、性能が高くなり、かつ寿命が
長くなり、しかも高い伝熱効率が得られる。Therefore, the performance is enhanced, the life is prolonged, and high heat transfer efficiency is obtained.
【0025】第3の発明に係るペルチェ素子は、対向す
るように配置された一対の基板と、一対の基板間に交互
に配置されたP型熱電材料およびN型熱電材料と、P型
熱電材料およびN型熱電材料を接続するとともに一対の
基板に対向する面にそれぞれ接合された複数の電極層と
を備え、作動時に一対の基板の熱膨張または熱収縮によ
り各P型熱電材料および各N型熱電材料に作用するせん
断応力の方向と逆方向に各P型熱電材料およびN型熱電
材料に予めせん断応力が付与(作用)されたものであ
る。According to a third aspect of the present invention, there is provided a Peltier device comprising: a pair of substrates arranged to face each other; a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates; And a plurality of electrode layers connected to the surfaces facing the pair of substrates, respectively, and each of the P-type thermoelectric materials and each of the N-type thermoelectric materials due to thermal expansion or contraction of the pair of substrates during operation. Shear stress is applied (acted) in advance to each P-type thermoelectric material and N-type thermoelectric material in a direction opposite to the direction of the shear stress acting on the thermoelectric material.
【0026】本発明に係るペルチェ素子においては、作
動時に一対の基板の熱膨張または熱収縮により各P型熱
電材料および各N型熱電材料に作用するせん断応力の方
向と逆方向に各P型熱電材料および各N型熱電材料に予
めせん断応力が付与(作用)されている。したがって、
一方の基板が熱収縮した際に、各P型熱電材料および各
N型熱電材料に予め付与されているせん断応力が熱収縮
により作用するせん断応力により相殺される。また、他
方の基板が熱膨張した際に、各P型熱電材料および各N
型熱電材料に予め付与されているせん断応力が熱膨張に
より作用するせん断応力により相殺される。その結果、
作動時に各P型熱電材料および各N型熱電材料に作用す
るせん断応力を低減または消滅させることが可能とな
る。また、加熱および冷却を繰り返すヒートサイクル運
転時にもP型熱電材料およびN型熱電材料に作用する最
大のせん断応力を低減することが可能となる。In the Peltier device according to the present invention, each P-type thermoelectric element operates in a direction opposite to the direction of shear stress acting on each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material due to thermal expansion or thermal contraction of a pair of substrates. The material and each N-type thermoelectric material have been given shearing stress (action) in advance. Therefore,
When one substrate thermally contracts, the shear stress applied to each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material in advance is offset by the shear stress acting due to the thermal contraction. When the other substrate thermally expands, each P-type thermoelectric material and each N-type
The shear stress applied to the mold thermoelectric material in advance is offset by the shear stress acting due to thermal expansion. as a result,
It becomes possible to reduce or eliminate the shear stress acting on each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material during operation. In addition, the maximum shear stress acting on the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material can be reduced even during a heat cycle operation in which heating and cooling are repeated.
【0027】この場合、せん断応力を低減するために、
一対の基板のうち一方の基板とそれに接合される電極層
との間または他方の基板とそれに接合される電極層との
間に熱伝導率に低い物質を介在させる必要がない。In this case, in order to reduce the shear stress,
There is no need to interpose a substance having low thermal conductivity between one of the pair of substrates and the electrode layer bonded thereto or between the other substrate and the electrode layer bonded thereto.
【0028】したがって、性能が高くなり、かつ寿命が
長くなり、しかも高い伝熱効率が得られる。Therefore, the performance is enhanced, the life is extended, and high heat transfer efficiency is obtained.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施例におけるペ
ルチェ素子の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a Peltier device according to an embodiment of the present invention.
【0030】図1に示すように、ペルチェ素子100
は、対向するように配置されたセラミックスからなる第
1基板10aおよびセラミックスからなる第2基板10
bを備える。第1基板10aと第2基板10bとの間に
複数のP型熱電材料3および複数のN型熱電材料4が交
互に配列されている。複数のP型熱電材料3および複数
のN型熱電材料4は、第1基板10aの中心および第2
基板10bの中心を通る中心軸に対し、対称に配置され
る。As shown in FIG. 1, the Peltier device 100
Are a first substrate 10a made of ceramic and a second substrate 10 made of ceramic
b. A plurality of P-type thermoelectric materials 3 and a plurality of N-type thermoelectric materials 4 are alternately arranged between the first substrate 10a and the second substrate 10b. The plurality of P-type thermoelectric materials 3 and the plurality of N-type thermoelectric materials 4 are provided at the center of the first substrate 10a and in the second
They are arranged symmetrically with respect to a central axis passing through the center of the substrate 10b.
【0031】複数のP型熱電材料3およびN型熱電材料
4は、複数の金属電極8a,8bにより直列に接続され
ている。各金属電極8aは隣接する一対のP型熱電材料
3およびN型熱電材料4を接続し、各金属電極8bは各
金属電極8aに対してずれた位置の一対のN型熱電材料
4およびP型熱電材料3を接続している。The plurality of P-type thermoelectric materials 3 and N-type thermoelectric materials 4 are connected in series by a plurality of metal electrodes 8a and 8b. Each metal electrode 8a connects a pair of adjacent P-type thermoelectric materials 3 and N-type thermoelectric material 4, and each metal electrode 8b has a pair of N-type thermoelectric materials 4 and P-type The thermoelectric material 3 is connected.
【0032】P型熱電材料3およびN型熱電材料4の第
1基板側端面5aは金属電極8aを介して第1基板10
aに接合されている。また、P型熱電材料3およびN型
熱電材料4の第2基板側端面5bは金属電極8bを介し
て第2基板10bに接合されている。The first substrate-side end surfaces 5a of the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 are connected to the first substrate 10 via metal electrodes 8a.
a. Further, the second substrate-side end surfaces 5b of the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 are joined to the second substrate 10b via the metal electrodes 8b.
【0033】各P型熱電材料3および各N型熱電材料4
は、ペルチェ素子100の非作動(非通電)時におい
て、第1基板10aおよび第2基板10bの中央部に比
べて両端部側ほど外側に傾斜するように変形した状態
で、第1基板10aと第2基板10bとの間に接合され
ている。すなわち、各P型熱電材料3および各N型熱電
材料4の第1基板側端面5aの位置は、第2基板側端面
5bの位置に対して第1基板10aの両端部側にずれて
いる。また、各P型熱電材料3および各N型熱電材料4
の第1基板側端面5aと第2基板側端面5bとの間の各
ずれ量は、両端部に向かうほど大きく設定されている。Each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4
The first substrate 10a and the first substrate 10a are deformed so that, when the Peltier device 100 is not operated (non-energized), the first substrate 10a and the second substrate 10b are deformed so as to incline outward toward both ends as compared with the center. It is joined to the second substrate 10b. That is, the position of the first substrate-side end surface 5a of each P-type thermoelectric material 3 and each of the N-type thermoelectric materials 4 is shifted toward both ends of the first substrate 10a with respect to the position of the second substrate-side end surface 5b. Each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4
The amount of displacement between the first substrate side end surface 5a and the second substrate side end surface 5b is set to be larger toward both ends.
【0034】それにより、各P型熱電材料3および各N
型熱電材料4の第1基板側端面5aには第1基板10a
の両端部に向かう方向のせん断応力が作用し、その大き
さは両端部に近いほど大きくなる。各P型熱電材料3お
よび各N型熱電材料4の第2基板側端面5bには第2基
板10bの中央部に向かう方向のせん断応力が作用し、
その大きさは両端部に近いほど大きくなる。Thus, each P-type thermoelectric material 3 and each N
A first substrate 10a is provided on an end surface 5a of the mold thermoelectric material 4 on the first substrate side.
The shear stress acts in the direction toward both ends, and the magnitude of the shear stress increases toward the both ends. A shear stress in the direction toward the center of the second substrate 10b acts on the second substrate side end surface 5b of each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4,
Its size increases as it approaches the ends.
【0035】P型熱電材料3およびN型熱電材料4と金
属電極8a,8bとの接合部の詳細な構成は図4に示し
た構成と同様である。また、金属電極8a,8bと第1
基板10aおよび第2基板10bとの接合部の詳細な構
成も図4に示した構成と同様である。The detailed structure of the joint between the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 and the metal electrodes 8a and 8b is the same as the structure shown in FIG. Further, the first and second metal electrodes 8a and 8b
The detailed configuration of the joint between the substrate 10a and the second substrate 10b is the same as the configuration shown in FIG.
【0036】このようなペルチェ素子100の作動(通
電)時には、P型熱電材料3およびN型熱電材料4に熱
の移動が起こり、第1基板10aと第2基板10bとの
間に温度差が発生する。本実施例では、第1基板10a
を低温側、第2基板10bを高温側とする。When the Peltier device 100 is operated (energized), heat is transferred to the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4, and a temperature difference between the first substrate 10a and the second substrate 10b occurs. appear. In the present embodiment, the first substrate 10a
Is the low temperature side, and the second substrate 10b is the high temperature side.
【0037】図2は図1のペルチェ素子の作動時におけ
る断面図である。図2に示すように、第1基板10aが
熱収縮し、第2基板10bが熱膨張している。そのた
め、各P型熱電材料3および各N型熱電材料4の第1基
板側端面5aが第1基板10aの中央部に向かう方向に
移動し、第2基板側端面5bが第2基板10bの両端部
に向かう方向に移動する。その結果、図1の非作動時と
は逆に、各P型熱電材料3および各N型熱電材料4の第
1基板側端面5aが、第2基板側端面5bより中央部側
にずれるように各P型熱電材料3および各N型熱電材料
4が変形する。また、そのずれ量は両端部に近いほど大
きい。すなわち、各P型熱電材料3および各N型熱電材
料4が両端部ほど中央部に比べて内側に傾斜するように
変形する。FIG. 2 is a sectional view of the Peltier device shown in FIG. 1 during operation. As shown in FIG. 2, the first substrate 10a is thermally contracted, and the second substrate 10b is thermally expanded. Therefore, the first substrate-side end surface 5a of each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4 moves in the direction toward the center of the first substrate 10a, and the second substrate-side end surface 5b moves to both ends of the second substrate 10b. Move in the direction toward the part. As a result, contrary to the non-operating state in FIG. 1, the first substrate-side end surface 5a of each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4 is shifted toward the center from the second substrate-side end surface 5b. Each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4 are deformed. In addition, the shift amount is larger as the distance from both ends is increased. That is, each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4 are deformed so that both end portions are inclined more inward than the central portion.
【0038】これにより、P型熱電材料3およびN型熱
電材料4の第1基板側端面5aには、第1基板10aの
中央部に向かう方向のせん断応力が作用し、第2基板側
端面5bには第2基板10bの両端部に向かう方向のせ
ん断応力が作用する。これらのせん断応力の方向は、図
1の非作動時の作用方向と逆である。したがって、非作
動時に作用していたせん断応力が第1基板10aの熱収
縮および第2基板10bの熱膨張により作用するせん断
応力で相殺される。As a result, a shear stress in the direction toward the center of the first substrate 10a acts on the first substrate-side end surface 5a of the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4, and the second substrate-side end surface 5b , A shear stress acts in a direction toward both ends of the second substrate 10b. The direction of these shear stresses is opposite to the direction of action when not actuated in FIG. Therefore, the shear stress acting during non-operation is offset by the shear stress acting due to the thermal contraction of the first substrate 10a and the thermal expansion of the second substrate 10b.
【0039】このように、作動時に各P型熱電材料3お
よび各N型熱電材料4の第1基板側端面5aおよび第2
基板側端面5bに作用するせん断応力の方向と逆方向の
せん断応力を、非作動時に第1基板側端面5aおよび第
2基板側端面5bに作用させておくことにより、作動時
にP型熱電材料3およびN型熱電材料4内に作用するせ
ん断応力が低減または消滅する。同時に、P型熱電材料
3と金属電極8a,8bとの接合部、N型熱電材料3と
金属電極8a,8bとの接合部、金属電極8aと第1基
板10aとの接合部および金属電極8bと第2基板10
bとの接合部に作用するせん断応力も低減または消滅す
る。As described above, at the time of operation, the first substrate-side end face 5a of each P-type thermoelectric material 3 and each N-type thermoelectric material 4 and the second
By applying a shear stress in the direction opposite to the direction of the shear stress acting on the substrate side end face 5b to the first substrate side end face 5a and the second substrate side end face 5b during non-operation, the P-type thermoelectric material 3 can be operated during operation. And the shear stress acting in the N-type thermoelectric material 4 is reduced or eliminated. At the same time, the junction between the P-type thermoelectric material 3 and the metal electrodes 8a and 8b, the junction between the N-type thermoelectric material 3 and the metal electrodes 8a and 8b, the junction between the metal electrode 8a and the first substrate 10a, and the metal electrode 8b And the second substrate 10
The shear stress acting on the joint with b is also reduced or eliminated.
【0040】特に、非作動時にP型熱電材料3およびN
型熱電材料4の第1基板側端面5aおよび第2基板側端
面5bに作用するせん断応力の大きさを、作動時に作用
するせん断応力の大きさと同一に設定した場合、作動時
にP型熱電材料3およびN型熱電材料4内に作用する最
大せん断応力の大きさを、従来のペルチェ素子に比べ半
減させることができる。In particular, the P-type thermoelectric material 3 and N
When the magnitude of the shear stress acting on the first substrate side end face 5a and the second substrate side end face 5b of the mold thermoelectric material 4 is set to be the same as the magnitude of the shear stress acting during operation, the P-type thermoelectric material 3 during operation In addition, the magnitude of the maximum shear stress acting in the N-type thermoelectric material 4 can be reduced by half as compared with the conventional Peltier device.
【0041】第1基板10aの熱収縮の影響は第1基板
10aの両端部に近いほど大きい。同様に、第2基板1
0bの熱膨張の影響も第2基板10bの両端部に近いほ
ど大きい。そのため、作動時にP型熱電材料3およびN
型熱電材料4の第1基板側端面5aおよび第2基板側端
面5bに作用するせん断応力の大きさは、両端部に近い
ほど大きくなる。The influence of the thermal shrinkage of the first substrate 10a increases as the distance from both ends of the first substrate 10a increases. Similarly, the second substrate 1
The effect of thermal expansion of 0b is also greater nearer to both ends of the second substrate 10b. Therefore, the P-type thermoelectric material 3 and N
The magnitude of the shear stress acting on the first substrate-side end surface 5a and the second substrate-side end surface 5b of the mold thermoelectric material 4 increases as the distance from both ends increases.
【0042】本実施例では、非作動時のP型熱電材料3
およびN型熱電材料4の第1基板側端面5aおよび第2
基板側端面5bに作用するせん断応力を両端部に近いほ
ど大きくしているため、作動時に作用するせん断応力を
効率的に相殺することができる。In this embodiment, the non-operating P-type thermoelectric material 3
And the first substrate-side end face 5a of the N-type thermoelectric material 4 and the second
Since the shear stress acting on the substrate-side end face 5b is increased nearer to both ends, the shear stress acting during operation can be effectively canceled.
【0043】これらにより、加熱または冷却を繰り返す
ようなヒートサイクル運転の用途にペルチェ素子100
を使用した場合でも、ペルチェ素子100内の各部の疲
労の防止およびそれによる経時的な性能の低下が防止で
きる。Thus, the Peltier device 100 can be used for a heat cycle operation in which heating or cooling is repeated.
Can prevent the fatigue of each part in the Peltier device 100 and the deterioration of the performance over time.
【0044】また、保冷庫などのようにほぼ一定の温度
で使用するものについては、作動時におけるP型熱電材
料3およびN型熱電材料4内に作用するせん断応力がほ
ぼ0となるように、非作動時にP型熱電材料3およびN
型熱電材料4の第1基板側端面5aおよび第2基板側端
面5bにせん断応力を作用させることも可能である。For a device used at a substantially constant temperature, such as a refrigerator, the shear stress acting on the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 during operation becomes substantially zero. Non-operating P-type thermoelectric material 3 and N
It is also possible to apply a shear stress to the first substrate side end surface 5a and the second substrate side end surface 5b of the mold thermoelectric material 4.
【0045】また、せん断応力を消滅または低減するた
めに金属電極8a,8bと第1基板10aおよび第2基
板10bとの間に熱伝導率の低い物質を介在させる必要
がないため、ペルチェ素子の伝熱効率が高くなる。Further, since it is not necessary to interpose a substance having low thermal conductivity between the metal electrodes 8a and 8b and the first and second substrates 10a and 10b in order to eliminate or reduce the shear stress, the Peltier element is not required. Heat transfer efficiency increases.
【0046】ペルチェ素子100の製造方法としては、
第1基板10aおよび第2基板10bを作動時の温度に
それぞれ設定し、P型熱電材料3およびN型熱電材料4
と接合する。これにより、P型熱電材料3およびN型熱
電材料4の第1基板側端面5aおよび第2基板側端面5
bに予めせん断応力が作用する。作動時に温度変動があ
る場合は、第1基板10aを作動時の最低温度に設定し
かつ第2基板10bを作動時の最高温度に設定する。ま
た、治具等を用いて第1基板10aおよび第2基板10
bの少なくとも一方の基板を機械的に変形させた状態
で、P型熱電材料3およびN型熱電材料4と接合するこ
とにより、ペルチェ素子100を作製することも可能で
ある。The method for manufacturing the Peltier device 100 is as follows.
The first substrate 10a and the second substrate 10b are set to the operating temperature, respectively, and the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4
To join. Thereby, the first substrate-side end surface 5a and the second substrate-side end surface 5 of the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 are formed.
A shear stress acts on b in advance. If the temperature fluctuates during operation, the first substrate 10a is set to the lowest temperature during operation and the second substrate 10b is set to the highest temperature during operation. Also, the first substrate 10a and the second substrate 10
The Peltier element 100 can also be manufactured by bonding at least one substrate b to the P-type thermoelectric material 3 and the N-type thermoelectric material 4 while mechanically deforming the substrate.
【図1】本発明の実施例におけるペルチェ素子の断面図
である。FIG. 1 is a sectional view of a Peltier device according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1のペルチェ素子の作動時における断面図で
ある。FIG. 2 is a cross-sectional view of the Peltier device shown in FIG. 1 during operation.
【図3】従来のペルチェ素子の断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a conventional Peltier device.
【図4】図3のペルチェ素子の詳細な構成を示す一部拡
大断面図である。FIG. 4 is a partially enlarged sectional view showing a detailed configuration of the Peltier device of FIG. 3;
3 P型熱電材料 4 N型熱電材料 5a 第1基板側端面 5b 第2基板側端面 8a 金属電極 8b 金属電極 10a 第1基板 10b 第2基板 100 ペルチェ素子 Reference Signs List 3 P-type thermoelectric material 4 N-type thermoelectric material 5a First substrate side end surface 5b Second substrate side end surface 8a Metal electrode 8b Metal electrode 10a First substrate 10b Second substrate 100 Peltier element
Claims (3)
と、 前記一対の基板間に交互に配列されたP型熱電材料およ
びN型熱電材料と、 前記P型熱電材料および前記N型熱電材料を接続すると
ともに前記一対の基板の対向する面にそれぞれ接合され
た複数の電極層とを備え、 前記一対の基板の両端部ほど中央部に比べて前記一対の
基板のうち一方の基板に対向する各P型熱電材料および
各N型熱電材料の一面が他方の基板に対向する他面に対
して両端部側にずれた位置に設けられたことを特徴とす
るペルチェ素子。A pair of substrates arranged to face each other; a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates; a P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material And a plurality of electrode layers respectively joined to opposing surfaces of the pair of substrates, and both end portions of the pair of substrates are opposed to one of the pair of substrates as compared to a central portion. A Peltier device, wherein one surface of each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material is provided at a position shifted toward both ends with respect to the other surface facing the other substrate.
と、 前記一対の基板間に交互に配列されたP型熱電材料およ
びN型熱電材料と、 前記P型熱電材料および前記N型熱電材料を接続すると
ともに前記一対の基板の対向する面にそれぞれ接合され
た複数の電極層とを備え、 前記一対の基板の両端部ほど中央部に比べて各P型熱電
材料および各N型熱電材料が傾斜したことを特徴とする
ペルチェ素子。2. A pair of substrates arranged so as to face each other; a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates; a P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material And a plurality of electrode layers respectively joined to opposing surfaces of the pair of substrates. Each of the P-type thermoelectric materials and the N-type thermoelectric materials is closer to both ends of the pair of substrates than at the center. A Peltier device characterized by being inclined.
と、 前記一対の基板間に交互に配列されたP型熱電材料およ
びN型熱電材料と、 前記P型熱電材料およびN型熱電材料を接続するととも
に前記一対の基板の対向する面にそれぞれ接合された複
数の電極層とを備え、 作動時に前記一対の基板の熱膨張または熱収縮により各
P型熱電材料および各N型熱電材料に作用するせん断応
力の方向と逆方向に前記各P型熱電材料および前記各N
型熱電材料に予めせん断応力が付与されていることを特
徴とするペルチェ素子。3. A pair of substrates disposed so as to face each other, a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material alternately arranged between the pair of substrates, and the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material. A plurality of electrode layers that are connected and are respectively joined to opposing surfaces of the pair of substrates, and act on each P-type thermoelectric material and each N-type thermoelectric material by thermal expansion or contraction of the pair of substrates during operation. The respective P-type thermoelectric materials and the respective N
A Peltier device, wherein a shear stress is previously applied to a thermoelectric material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10234384A JP2000068565A (en) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | Peltier element |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
ID=16970162
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JP (1) | JP2000068565A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006012467A (en) * | 2004-06-23 | 2006-01-12 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell |
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CN108807451A (en) * | 2014-05-09 | 2018-11-13 | 美国亚德诺半导体公司 | Wafer level thermoelectric energy collector |
-
1998
- 1998-08-20 JP JP10234384A patent/JP2000068565A/en active Pending
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