JP5402343B2 - ペルチェモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェモジュールに関する。

従来、ペルチェ効果を利用して吸熱部から吸収した熱を放熱部において放出する機能を備えたペルチェモジュールが公知である。ペルチェ効果とは、異種の導体や半導体等を接合して直流電流を流した場合、当該接合部の界面において吸熱現象、或いは放熱現象が生じる効果である。

ペルチェモジュールの一例として、Ｐ型の熱電変換材料と、Ｎ型の熱電変換材料とを交互に接合して形成された直列回路に直流電流を流す構成が挙げられる。この構成では、Ｐ型及びＮ型の熱電変換材を接合する接合部のうち、Ｎ型からＰ型の熱電変換材に向けて電流が流れる箇所の接合部には吸熱現象が生じる吸熱部が形成される。一方、Ｐ型の導電型材料側からＮ型の導電型材料側に向けて電流が流れる箇所の接合部には放熱現象が生じる放熱部が形成される。

ペルチェ効果は可逆的な現象であり、直流回路に流す電流の向きを逆転させると、当該逆転前において吸熱現象が生じていた吸熱部からは放熱現象が起き、放熱現象が生じていた放熱部からは吸熱現象が起きるようになる。すなわち、直流回路における電流の流れる方向を逆転させることで吸熱部と放熱部とが相互に入れ替わり、ペルチェモジュールの冷却機能と加熱機能とが切り替えられる。

近年、比較的微小な部分を局所的に冷却、又は加熱するための針状部材を備えたペルチェモジュールが提案されている。図１５は、針状部材を備えたペルチェモジュールの概略構成例を示した図である。図１５に示すように、ペルチェモジュール１００は、Ｐ型半導体５１Ａ、５１ＢとＮ型半導体５２Ａ、５２Ｂを連続して接続したペルチェ素子５０Ａ、５０Ｂを有する。ペルチェ素子５０Ａは、２枚の熱交換プレート５３Ａ、５４Ａの間に、Ｐ型半導体５１ＡとＮ型半導体５２Ａを連続して接続している。また、ペルチェ素子５０Ｂは、２枚の熱交換プレート５３Ｂ、５４Ｂの間に、Ｐ型半導体５１ＢとＮ型半導体５２Ｂを連続して接続している。

熱交換プレート５４Ａ及び５４Ｂの間は接合部３０を介して接合されており、接合部３０の端部からは針部３２が突出して設けられている。そして、針部３２を冷却する場合には、ペルチェ素子５０Ａ側では一端部に配置されるＰ型半導体５１Ａと他端部に配置されるＮ型半導体５２Ａとに所定の電圧が印加される。また、ペルチェ素子５０Ｂ側では、一端部に配置されるＰ型半導体５１Ｂと、他端部に配置されるＮ型半導体５２Ｂとに所定の電圧が印加される。

その結果、熱交換プレート５４Ａ（５４Ｂ）から吸熱された熱が熱交換プレート５３Ａ（５３Ｂ）から放熱され、針部３２が冷却される。逆に、針部３２を加熱する場合には、熱交換プレート５３Ａ（５３Ｂ）から吸熱された熱が熱交換プレート５４Ａ（５４Ｂ）にて放熱されることで当該針部３２が加熱される。

特開２００８−１４１１６１号公報 特開平１１−２９５５６０号公報 特開２００７−８８２０３号公報

図１５に示したペルチェモジュールの構成例では、熱交換プレート５３Ａ、５４Ａ、５３Ｂ、５４Ｂの各々が針部３２の軸線に対して平行に設けられる。そうすると、熱交換プレート５３Ａ（５３Ｂ）から熱交換プレート５４Ａ（５４Ｂ）に向かう熱の輸送方向と、接合部３０及び針部３２における熱の伝導方向が大きく相違してしまい、針部３２の冷却効率を高めることが困難であった。本件は、ペルチェモジュールにおける冷却効率、又は加熱効率を向上させることのできる技術を提供する。

本件の一観点によれば、ペルチェモジュールは、熱電変換プレートと、前記熱電変換プレートの長手方向における一端側の端面に形成された吸熱部と、前記熱電変換プレートの長手方向における他端側の端面に形成された放熱部と、前記熱電変換プレートにおける吸熱部又は放熱部の何れかと熱的に接合される熱交換部と、前記熱電変換プレートの長手方向と平行な軸線を有し、且つ前記熱交換部から前記熱電変換プレートの逆側に向けて突出する針部と、を備える。

本件によれば、ペルチェモジュールの冷却効率又は加熱効率を向上させることができる。

実施例１に係るペルチェモジュールの主要構造を示した概略構成図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視図である。 図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ矢視図である。 実施例１に係るペルチェモジュールにおける熱の輸送方向と熱の伝導方向とを模式的に示した図である。 実施例２に係るペルチェモジュールの主要構造を示した概略構成図である。 図６におけるＡ−Ａ矢視図である。 図６におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 図６におけるＣ−Ｃ矢視図である。 実施例３に係るペルチェモジュールの主要構造を示した概略構成図である。 図１０におけるＡ−Ａ矢視図である。 図１０におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１０におけるＣ−Ｃ矢視図である。 針部の先端構造の一例を示した図である。 従来のペルチェモジュールの構成例を示した図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態に係るペルチェモジュールについて説明する。本実施形態では、例えば局所を冷却又は加熱するための針部を具備するペルチェモジュールを例示的に説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本件のペルチェモジュールは実施形態の構成に限定されない。

〈実施例１〉
実施例１に係るペルチェモジュールを説明する。本実施例に係るペルチェモジュールは
、冷却機能を発揮する。図１は、実施例１に係るペルチェモジュールの主要構造を示した概略構成図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。図４は、図１におけるＣ−Ｃ矢視図である。

図１に示したように、筐体２の内部には、熱電変換プレートとしての１組のＮ型半導体プレート３とＰ型半導体プレート４とが配置されている。本実施例における筐体２は、電気絶縁性を有し、且つ耐熱性の高い樹脂を円筒形状に形成した部材を用いているが、種々の形状及び材料を用いることができる。筐体２における一方の端縁からは、後述する針部１４が筐体２の軸線方向に沿って外方に向けて突出している。以下、筐体２の軸線方向における両端部のうち、針部１４が突設される方の端部を「先端部」と称し、他方の端部を「基端部」と称する。

本実施形態に係るＮ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４は共に板形状を有している。また、Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４は、筐体２における軸線の直交断面内において並列に、且つ互いの長手方向が筐体２の軸線と平行となるように配置されている。Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４は、いわゆる熱電変換材料であり、所定の条件下において電気エネルギーを熱エネルギーに変換する機能を有する。Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４には例えばビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）、鉛・テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）、シリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）等の材料を使用することができる。

例えば、第１導電型プレートの一例であるＮ型半導体プレート３は、Ｂｉ₂Ｔｅ_2.85Ｓ
ｅ_0.15、Ｎ型Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2、Ｎ型ＰｂＴｅの少なくとも何れかを含んでいても良い。また、第２導電型プレートの一例であるＰ型半導体プレート４は、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃、
Ｐ型Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2、Ｐ型ＰｂＴｅの少なくとも何れかを含んでいても良い。

ビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）において、Ｎ型及びＰ型の何れの半導体が得られるかについては、Ｂｉ及びＴｅの組成比によって変動し得る。上記Ｂｉ₂Ｔｅ_2.85Ｓｅ_0.15をＮ型半導体プレート３に採用し、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃をＰ型半導体プレート４に採用することで、ペルチェモジュールに係るペルチェ効果の向上が期待できるが、本実施形態は上記の組成比に限定されるものではない。

また、鉛・テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）においては、例えばＰｂＴｅにＰｂＩ₂をドーパ
ント（不純物）として添加することでＮ型半導体プレート３が製造される。また、Ｐ型半導体プレート４については、ＰｂＴｅにドーパントを添加せず、Ｔｅの組成比や温度領域等を調整することによって製造することができる。また、シリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）においては、例えばＳｉ_0.8Ｇｅ_0.2にリン（Ｐ）をドーパントとして添加することでＮ型半導体プレート３が製造される。また、例えばＳｉ_0.8Ｇｅ_0.2にボロン（Ｂ）をドーパントとして添加することでＰ型半導体プレート４が製造される。

Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４に用いられる材料は、上記の例に限定されるものでなく、例えば、Ｂａ₈Ｇａ₁₆Ｇｅ₃₀等に代表されるカゴ状化合物、ＺｒＮｉＳｉに代表さ
れるようなハーフホイスラー、Ｃａ₃ＣｏＯ₄に代表される酸化物等のように、高効率熱電材料であれば種々の材料を使用することができる。

Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４は支持部材５によって支持されている。図１〜４に示すように、支持部材５は筐体２の軸線方向に沿って延伸する軸部材であり、筐体２と同軸上に配置されている。支持部材５には、当該支持部材５の軸線方向に沿って平行な２つの凹溝６が形成されている。支持部材５は、四角柱体の対向する一対の側面の各々に凹溝６が形成されており、支持部材５における軸線の直交断面はいわゆるＨ型断
面形状となっている。但し、支持部材５の軸線直交断面については、上記の例に限られず、他の形状を採用できる。

一方の凹溝６にはＮ型半導体プレート４が嵌合され、他方の凹溝６にはＰ型半導体プレート４が嵌合される。各半導体プレート３，４と支持部材５とは、例えば耐熱性の優れた接着剤を用いて接着されている。各々の凹溝６は、支持部材５の軸線廻りの角度が１８０°相違する位置に配置されている。つまり、各々の凹溝６は、支持部材５の軸線を挟んで対称となる位置、すなわち互いに対向する位置に設けられている。但し、凹溝６の配置位置や形状は適宜変更でき、また、Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４における保持部材５への固定方法は、接着以外の方法を採用しても良い。

Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４における先端部側の端面同士は、導電性を有する接合部（以下、「先端側ＰＮ接合部」という）７によって電気的に接合されている（図１、図４参照）。一方、Ｎ型半導体プレート３における基端部側の端面には、直流電源１０の正側端子が接続される基端正側電極１１が設けられ、Ｐ型半導体プレート４における基端部側の端面には、直流電源１０の負側端子が接続される基端負側電極１２が設けられる（図１、図２参照）。

基端正側電極１１及び基端負側電極１２の夫々は、リード線を介して直流電源１０と接続される。これによれば、直流電源１０の正側端子、基端正側電極１１、Ｎ型半導体プレート３、先端側ＰＮ接合部７、Ｐ側半導体プレート４、基端負側電極１２、直流電源１０の負側端子を含んで直流回路が形成される。

尚、本実施例では、先端側ＰＮ接合部７、基端正側電極１１、基端負側電極１２の各々に銅（Ｃｕ）を使用しているが、これに限られない。例えばタングステン、モリブデン等を用いても良く、また、Ｎ型半導体プレート３或いはＰ型半導体プレート４との熱伝導性を考慮して使用材料を決定しても良い。

先端側ＰＮ接合部７の表面には、電気絶縁性を有し、且つ熱伝導性の高い熱交換プレート１３が接合されている。つまり、先端側ＰＮ接合部７は、熱交換プレート１３と熱的に接合されている。熱交換プレート１３はいわゆる円板形状を有しており、筐体２の内周面に接する側面を有する。熱交換プレート１３は、一方の底面にて先端側ＰＮ接合部７と接合され、他方の底面において針部１４と熱的に接合されている。針部１４は、例えば円錐体であり、筐体２の軸線方向、すなわちＮ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行な軸線を有する。

尚、針部１４は、Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行な軸線を有していれば、様々な形状を採用することができる。また、熱交換プレート１３は、先端側ＰＮ接合部７及び針部１４との間の熱伝導を円滑に行うことができれば、上記の例に限定されない。熱交換プレート１３は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を材料として形成されたセラミックス体であるが、他の材料を採用しても構わない。

針部１４は、熱交換プレート１３からＮ型及びＰ型半導体プレート３，４の位置する方向とは逆側に向けて突出している。また、針部１４は、先端部側に向かうほど直径が縮小されており、最も先端側に位置する針先端部１４Ａにおける直径は数μｍ程度となっている。針先端部１４Ａは、例えば針部１４の中心軸上に配置されている。

尚、針部１４を構成する材料としては、熱伝導性の優れた材料、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミ（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。また、本実施例では、針部１４と熱交換プレート１３とを別部材としているが、双方の部材を一体的
に形成しても良い。すなわち、針部１４は、先端側ＰＮ接合部７との関係で相互に熱伝導可能な態様であれば、他の様々な形態を採用できる。

ペルチェモジュール１は、直流電源１０から所定の電圧を印加することで得られるペルチェ効果を利用して針先端部１４Ａを冷却する冷却機能（吸熱機能）を発揮する。すなわち、針先端部１４Ａは、ペルチェモジュール１における冷却対象部としての意義を有する。そして、冷却された針先端部１４Ａは、例えば細胞組織などの被冷却部と接触させて用いられる結果、当該被冷却部が冷却される。

直流電源１０から電圧が印加されると、直列回路には、直流電源１０の正側端子→基端正側電極１１→Ｎ型半導体プレート３→先端側ＰＮ接合部７→Ｐ型半導体プレート４→基端負側電極１２→直流電源１０の負側端子の方向に電流が流れる。

Ｎ型及びＰ型半導体の接合部に直流電流を流した場合、Ｎ型半導体からＰ型半導体に向けて電流が流れる接合部（以下、「Ｎ→Ｐ接合部」と表記する）には吸熱現象が生じる「吸熱部」が形成され、Ｐ型半導体からＮ型半導体に向けて電流が流れる接合部（以下、「Ｐ→Ｎ接合部」と表記する）には放熱現象が生じる「放熱部」が形成される。この例では、先端側ＰＮ接合部７が「Ｎ→Ｐ接合部」に該当し、基端正側電極１１及び基端負側電極１２が「Ｐ→Ｎ接合部」に該当する。

より詳しく述べると、直流電源１０からの電圧が印加された場合、Ｎ型半導体プレート３においては電流の流れる方向（以下、「通電方向」という）とは逆向きに電子が移動し、Ｐ型半導体プレート４においては通電方向と同じ方向に正孔が移動する。Ｎ型半導体プレート３の伝導帯と先端側ＰＮ接合部７の伝導帯との間、及びＮ型半導体プレート３と基端正側電極１１との間にはポテンシャルエネルギーのギャップが存在する。

そのため、先端側ＰＮ接合部７からＮ型半導体プレート３へと電子が移動する際に、電子が先端側ＰＮ接合部７から熱を吸収する結果、先端側ＰＮ接合部７が冷却される。一方、Ｎ型半導体プレート３から基端正側電極１１に電子が移動する際に、電子から熱が放出される結果、基端正側電極１１が加熱される。

同様に、Ｐ型半導体プレート４の伝導帯と先端側ＰＮ接合部７の伝導帯との間、及びＰ型半導体プレート４と基端負側電極１２との間にはポテンシャルエネルギーのギャップが存在する。従って、先端側ＰＮ接合部７側から基端負側電極１２側に向けてＰ型半導体プレート４内を移動する正孔によって、先端側ＰＮ接合部７が吸熱されると共に、基端負側電極１２からの放熱が行われる。その結果、先端側ＰＮ接合部７が冷却され、且つ基端負側電極１２が加熱されるペルチェ効果が発揮される。

以上のように、実施例１に係るペルチェモジュール１では、先端側ＰＮ接合部７から吸収された熱が電子や正孔等の荷電粒子によって輸送され、基端正側電極１１及び基端負側電極１２から放出される。本実施例における先端側ＰＮ接合部７は、吸熱部の一例として挙げられる。また、基端正側電極１１及び基端負側電極１２の各々は、放熱部の一例として挙げられる。

先端側ＰＮ接合部７及び熱交換プレート１３、並びに熱交換プレート１３及び針部１４は熱的に接合されているため、先端側ＰＮ接合部７、熱交換プレート１３及び針部１４での各部材間では熱伝導が生じる。すなわち、より高温側の針先端部１４Ａから、ペルチェ効果により冷却されることで低温化された先端側ＰＮ接合部７に向かって、熱が伝導する。その結果、針先端部１４Ａが冷却される。本実施例における熱交換プレート１３は熱交換部の一例として挙げられる。また、Ｎ型半導体プレート３とＰ型半導体プレート４の各
々は熱電変換プレートの一例として挙げられる。

ペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４間における熱の伝導方向の関係について着目する。ここでのペルチェ素子とは、一対のＮ型及びＰ型半導体プレート３，４が電気的に接合されることで形成され、ペルチェ効果を奏する熱電変換素子を指す。

図５に、ペルチェモジュールが冷却機能を発揮する場合のペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、熱の伝導方向とを模式的に示す。ペルチェモジュール１に冷却機能を発揮させる場合、ペルチェ効果に係る熱の輸送方向は、荷電粒子の移動方向であるＮ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向、すなわち筐体２の軸線と平行であり、先端側ＰＮ接合部７（吸熱部）から基端正側電極１１、基端負側電極１２（放熱部）へと向かう方向に一致する。一方、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向は、冷却対象部としての針先端部１４Ａから先端側ＰＮ接合部７へと向かう方向に一致する。

これによれば、冷却対象部（針先端部１４Ａ）、吸熱部（先端側ＰＮ接合部７）、放熱部（基端正側電極１１、基端負側電極１２）がこれらの順にペルチェモジュールの軸方向に沿って配置されることになる。その結果、吸熱部から放熱部へと向かうペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向とが一致する。

つまり、図１５に示した従来例のように、上記熱の輸送方向と熱の伝導方向とが大きく相違することがなく、ペルチェモジュール１によれば、針先端部１４Ａから伝導されてくる熱をより効率良く先端側ＰＮ接合部７にて吸収し、基端正側電極１１及び基端負側電極１２にて効率的に放出することができる。したがって、針先端部１４Ａの冷却効率が向上し、ペルチェモジュール１の冷却機能を向上させることができる。

＜変形例１＞
実施例１の変形例として、ペルチェモジュール１に加熱機能を発揮させ、針先端部１４Ａを加熱対象部として加熱する例を説明する。変形例１では、直流回路の通電方向を実施例１と逆転させる。すなわち、例えば直流電源１０の正側端子を基端負側電極１２にリード線を介して接続し、直流電源１０の負側端子を基端正側電極１１にリード線を介して接続する。その結果、直列回路には、直流電源１０の正側端子→基端負側電極１２→Ｐ型半導体プレート４→先端側ＰＮ接合部７→Ｎ型半導体プレート３→基端正側電極１１→直流電源１０の負側端子の方向に電流が流れる。尚、本変形例において、基端正側電極１１及び基端負側電極１２の接続先を実施例１における接続先と入れ替えるに際して、周知の切り替えスイッチ機構を用いても良いのは勿論である。

ペルチェモジュール１に加熱機能を発揮させる場合、基端正側電極１１及び基端負側電極１２がＮ→Ｐ接合部に該当するため、吸熱現象が生じる。一方、先端側ＰＮ接合部７がＰ→Ｎ接合部に該当するため、放熱現象が生じる。したがって、ペルチェモジュール１に冷却機能を発揮させる場合と比べて、ペルチェモジュール１の吸熱部と放熱部とが相互に入れ替わることになる。

その結果、基端正側電極１１及び基端負側電極１２から吸収された熱が荷電粒子によって先端側ＰＮ接合部７に向かって輸送され、当該先端側ＰＮ接合部７から放出される。これにより、基端正側電極１１及び基端負側電極１２が冷却されると共に先端側ＰＮ接合部７が加熱されるペルチェ効果が発揮される。変形例１では、先端側ＰＮ接合部７が放熱部の一例として挙げられ、基端正側電極１１と基端負側電極１２の各々が吸熱部の一例として挙げられる。

ペルチェ効果によって加熱された先端側ＰＮ接合部７の熱は、熱交換プレート１３、針部１４に伝導されるため、最終的に針先端部１４Ａを加熱することができる。針部１４における針先端部１４Ａは、例えば細胞組織などの被加熱部を加熱するために、当該被加熱部と接触させられる。変形例１において、熱交換プレート１３は熱交換部の一例として挙げられる。また、Ｎ型半導体プレート３とＰ型半導体プレート４の各々は熱電変換プレートの一例として挙げられる。

ペルチェモジュール１に加熱機能を発揮させる場合、ペルチェ効果に係る熱の輸送方向は、同モジュール１に冷却機能を発揮させる場合と逆になる。すなわち、Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行であり、且つ基端正側電極１１及び基端負側電極１２側（吸熱部）から先端側ＰＮ接合部７（放熱部）へと向かう方向に一致する。一方、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４間における熱の伝導方向は、先端側ＰＮ接合部７から加熱対象部としての針先端部１４Ａへと向かう方向に一致する。

これによれば、加熱対象部（針先端部１４Ａ）、放熱部（先端側ＰＮ接合部７）、吸熱部（基端正側電極１１、基端負側電極１２）がこれらの順にペルチェモジュールの軸方向に沿って配置されることになる。その結果、吸熱部から放熱部へと向かうペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向とが一致する。これによれば、針先端部１４Ａに伝導するための熱を効率良く基端正側電極１１及び基端負側電極１２にて吸収し、吸収した熱をＰＮ接合部７にて効率的に放出することが可能となる。その結果、針先端部１４Ａの加熱効率が向上し、ペルチェモジュール１の加熱機能を向上させることができる。

＜実施例２＞
次に、実施例２に係るペルチェモジュールを説明する。実施例２において実施例１と共通する部材は、同一の参照符号を付すことでその詳しい説明を省略する。実施例２では、Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導体プレート４を交互、且つ直列に接合して直列回路を形成する。すなわち、１組のＮ型半導体プレート３とＰ型半導体プレート４とからなるペルチェ素子を複数、直列に接合する。

図６は、実施例２に係るペルチェモジュール１Ａの主要構造を示した概略構成図である。図７は、図６におけるＡ−Ａ矢視図である。図８は、図６におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。図９は、図６におけるＣ−Ｃ矢視図である。ここでは、２組のペルチェ素子を直列に接合した場合を例に説明する。

筐体２の内部には、２個ずつのＮ型及びＰ型半導体プレート３，４が筐体２の軸線方向に沿って配置されている。Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の各々は、筐体２における軸線の直交断面内において並列に、且つ互いの長手方向が筐体２の軸線と平行となるように配置されている。また、筐体２の先端部には、実施例１と同等の針部１４が突出しており、当該針部１４の軸線は筐体２の軸線方向、すなわちＮ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行である。また、ペルチェモジュール１Ａも、実施例１と同等の熱交換プレート１３を備え、針部１４と熱的に接合されている。

Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４は、長手方向が筐体２の軸線方向と平行になるように支持部材５Ａに支持されている。支持部材５Ａは、筐体２の軸線と同軸を有する軸部材である。支持部材５Ａは、凹溝６の配置パターンを除いて実施例１に係る支持部材５と同等である。支持部材５Ａには、当該支持部材５Ａの軸線方向に沿って平行な４つの凹溝６が形成されている。本実施例における支持部材５Ａは、各側面に凹溝６が一つずつ形成された四角柱体である。図８に示すように、各凹溝６は、支持部材５Ａの軸線廻りの角度が
９０°ずつ相違する位置に配置されている。

図８に示すように、各凹溝６に対してＮ型及びＰ型半導体プレート３，４が嵌合及び固定されている。したがって、Ｎ型半導体プレート３とＰ型半導プレート４とは、支持部材５Ａの軸線を中心に放射状に配置される。対向する凹溝６同士には、同種（同型）の半導体プレート同士が固定されている。そのため、支持部材５Ａ（筐体２）の軸線廻りに、Ｎ型半導体プレート３とＰ型半導プレート４とが交互に配置される。

一のＮ型半導体プレート（以下、符号３Ａにて表す）における基端部側の端面と、一のＰ型半導体プレート（以下、符号４Ａにて表す）における基端部側の端面には、それぞれ基端正側電極１１と基端負側電極１２が配設されている。基端正側電極１１はリード線を介して直流電源１０の正側端子と接続され、基端負側電極１２はリード線を介して直流電源１０の負側端子と接続されている。

一のＮ型半導体プレート３Ａと一のＰ型半導体プレート４Ａとの間には、他のＰ型半導体プレート（以下、符号４Ｂにて表す）と他のＮ型半導体プレート（以下、符号３Ｂにて表す）のそれぞれが直列に電気的に接合される。すなわち、一のＮ型半導体プレート３Ａと、他のＰ型半導体プレート４Ｂとにおける先端部側の端面同士は、先端側ＰＮ接合部７Ａによって電気的に接合されている（図９参照）。一のＰ型半導体プレート４Ａと、他のＮ型半導体プレート３Ｂとにおける先端部側の端面同士は、先端側ＰＮ接合部７Ｂによって電気的に接合されている（図９参照）。

先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂは、実施例１に係る先端側ＰＮ接合部７と同等の部材である。他のＰ型半導体プレート４Ｂと、他のＮ型半導体プレート３Ｂとにおける基端部側の端面同士は、基端側ＰＮ接合部８によって電気的に接合されている（図７参照）。基端側ＰＮ接合部８の材料としては、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂ、基端正側電極１１、基端負側電極１２と同様に銅（Ｃｕ）を使用しているが、これに限られるものではなく、例えばタングステン、モリブデン等を用いても良い。なお、基端正側電極１１、基端負側電極１２、基端側ＰＮ接合部８の各々は相互に絶縁されている。また、各先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂは互いに絶縁されている。

また、筐体２の基端部側には、基端正側電極１１及び基端負側電極１２を冷却するための冷却ユニット１５が設けられている。冷却ユニット１５は、例えば図示しないヒートシンク（放熱器）及びファンを有し、基端正側電極１１及び基端負側電極１２からの放熱を促進させる。また、放熱ユニット１５は、例えばヒートパイプを備え、当該ヒートパイプの内部に封入した作動液の蒸発（潜熱の吸収）および凝縮（潜熱の放出）のサイクルを利用して排熱を行っても良いし、他の構成を採用しても良い。基端正側電極１１及び基端負側電極１２からの放熱を促すことにより、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂでの吸熱量が確保され、ペルチェモジュール１の冷却能力の維持が図られる。

上記構成によれば、直流電源１０の正側端子、基端正側電極１１、Ｎ型半導体プレート（３Ａ，３Ｂ）、Ｐ型半導体プレート４（４Ａ，４Ｂ）、先端側ＰＮ接合部７（７Ａ，７Ｂ）、基端側ＰＮ接合部８、基端負側電極１２、直流電源１０の負側端子を含んで直流回路が形成されている。当該直流回路に直流電源１０からの電圧が印加されると、ペルチェモジュール１Ａは冷却機能（吸熱機能）を発揮する。

すなわち、直流電源１０から電圧が印加されると、直流電源１０の正側端子→基端正側電極１１→Ｎ型半導体プレート３Ａ→先端側ＰＮ接合部７Ａ→Ｐ型半導体プレート４Ｂ→基端側ＰＮ接合部８→Ｎ型半導体プレート３Ｂ→先端側ＰＮ接合部７Ｂ→Ｐ型半導体プレート４Ａ→基端負側電極１２→直流電源１０の負側端子の方向に電流が流れる。したがっ
て、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂが吸熱部となり、基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８が放熱部となる。すなわち、ペルチェ効果によって、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂから吸収された熱が荷電粒子によって輸送され、基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８から放出される。その結果、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂが冷却され、且つ基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８が加熱される。

熱交換プレート１３は、各先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂ及び針部１４の双方と熱的に接合されている。したがって、より高温側の針部１４からより低温側の先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂに向かって熱が伝導し、針先端部１４Ａが冷却される。本実施例において、各先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂは吸熱部の一例として挙げられる。基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８は放熱部の一例として挙げられる。また、熱交換プレート１３は熱交換部の一例として挙げられる。また、Ｎ型半導体プレート３は第１導電型プレートの一例、Ｐ型半導体プレート４は第２導電型プレートの一例として挙げられる。

ペルチェ効果に係る熱の輸送方向は、Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行であり、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂから基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８へと向かう方向に一致する。一方、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向は、冷却対象部としての針先端部１４Ａから先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂへと向かう方向に一致する。

したがって、実施例１に係るペルチェモジュール１と同様、冷却対象部（針先端部１４Ａ）、吸熱部（先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂ）、放熱部（基端正側電極１１、基端負側電極１２、基端側ＰＮ接合部８）がこれらの順にペルチェモジュールの軸方向に沿って配置される。その結果、吸熱部から放熱部へと向かうペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向とが一致するため、針先端部１４Ａの冷却効率が向上する。

ところで、ペルチェモジュール１Ａは、実施例１に係るペルチェモジュール１に比して、Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４を交互かつ直列に接合する接合数、すなわちペルチェ素子の接合数が多い。例えば、ペルチェモジュールが有するペルチェ素子の総容積が等しい場合、ペルチェ素子を接合する接合数が多いほどペルチェ効果に係る熱の輸送量が増加する。更には、ペルチェ素子同士を直列に接合する場合、並列接合する場合に比して各接合部に流れる電流の量を低減でき、ジュール熱の発生量も低減できる。

しかし、ペルチェ素子同士の直列接合に際して、図１５に示した従来例のように、熱交換プレート５３Ａ、５４Ａ、５３Ｂ、５４Ｂの各々が針部３２の軸線に対して平行に設置してしまうと、ペルチェ効果に係る熱の輸送方向が針部の軸線と直交方向となってしまう。したがって、この構成においてＮ型及びＰ型半導体プレートを交互に連続して接合していくと、各々の吸熱部が針部の軸線方向に沿って並んで配置される。

ここで、ペルチェモジュールに係る各吸熱部と針先端部との距離、すなわち、熱の伝導経路が長くなると冷却効率の悪化に繋がるおそれがある。したがって、各吸熱部を針部の軸線方向に沿って並んで形成させる場合には、ペルチェ素子の接合数の増加に伴い、各吸熱部から針先端部までの熱伝導経路の平均距離が長くなる。そのため、ペルチェ素子の接合数が多い割にはペルチェモジュールに係る冷却機能の向上に繋がらない可能性がある。

これに対し、本実施例に係るペルチェモジュール１Ａの場合、各Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向が、筐体２及び針部１４の軸線に対して平行である。そのため、
ペルチェ素子の接合数にかかわらず、各吸熱部（先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂ）が熱交換プレート１３の底面に接触して配置される。ここで、熱交換プレート１３の底面と針先端部１４Ａとにおける距離は不変である。よって、本実施例によれば、ペルチェ素子の接合数を増やしても熱伝導経路の平均距離が長くなることが抑止され、以ってペルチェモジュール１Ａに係る冷却機能の向上を好適に図ることができる。

更に、図１５に示した従来例のように、ペルチェモジュールに係る各々の放熱部が針部の軸線方向に沿って並んで配置されると、各放熱部からの放熱を促進させるための冷却ユニットを設ける場合、当該冷却ユニットをコンパクトにすることが難しいという実情がある。これに対して、本実施例によれば、放熱部として機能する基端正側電極１１及び基端負側電極１２が筐体２の基端部に集約される。そのため、冷却ユニット１５及びペルチェモジュールのコンパクト化を可能とし、製造コストの削減も図ることができる。

＜変形例２＞
実施例２の変形例として、ペルチェモジュール１Ａに加熱機能を発揮させ、針先端部１４Ａを加熱対象部として加熱することができる。この場合、変形例１と同様、直流回路に流れる電流の向きを、冷却機能を発揮させるときに比べて逆転させる。その結果、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂには放熱現象が生じる放熱部が形成され、基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８には吸熱現象が生じる吸熱部が形成される。すなわち、ペルチェ効果によって、基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８から吸収された熱が先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂに向かって輸送され、当該先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂが加熱される。加熱された先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂの熱は、熱交換プレート１３、針部１４に伝導され、最終的に針先端部１４Ａが加熱される。

ペルチェモジュール１Ａに加熱機能を発揮させる場合、ペルチェ効果に係る熱の輸送方向は、同モジュール１に冷却機能を発揮させる場合と逆である。すなわち当該熱の輸送方向はＮ型及びＰ型半導体プレート３，４の長手方向と平行であり、且つ基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８から先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂへと向かう方向に一致する。一方、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向は、先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂから加熱対象部としての針先端部１４Ａに向かう方向である。

したがって、実施例１に係るペルチェモジュール１と同様、加熱対象部（針先端部１４Ａ）、放熱部（先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂ）、吸熱部（基端正側電極１１、基端負側電極１２、基端側ＰＮ接合部８）がこれらの順にペルチェモジュールの軸方向に沿って配置される。その結果、吸熱部から放熱部へと向かうペルチェ効果に係る熱の輸送方向と、先端側ＰＮ接合部７〜針部１４における熱の伝導方向とが一致するため、針先端部１４Ａの加熱効率が向上する。変形例２においては、各先端側ＰＮ接合部７Ａ，７Ｂは放熱部の一例として挙げられ、基端正側電極１１、基端負側電極１２、及び基端側ＰＮ接合部８は吸熱部の一例として挙げられる。また、Ｎ型半導体プレート３は第１導電型プレートの一例、Ｐ型半導体プレート４は第２導電型プレートの一例として挙げられる。

＜実施例３＞
次に、実施例３に係るペルチェモジュールを説明する。実施例３に係るペルチェモジュールでは、直列に接合されるペルチェ素子の接合数を実施例２に比べて増加させた例を説明する。ここでは、６組のペルチェ素子を直列に接合する場合を例に説明する。図１０は、実施例３に係るペルチェモジュール１Ｂの主要構造を示した断面図である。図１１は、図１０におけるＡ−Ａ矢視図である。図１２は、図１０におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。図１３は、図１０におけるＣ−Ｃ矢視図である。

筐体２の内部には、６対のＮ型及びＰ型半導体プレート３，４が筐体２の軸線方向に沿
って配置されている。Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の各々は、筐体２における軸線の直交断面内において並列に、且つ互いの長手方向が筐体２の軸線と平行となるように支持部材５Ｂに支持されている。支持部材５Ｂは、軸線方向に沿って１２本の互いに平行な凹溝６が形成された円柱体であり、当該支持部材５Ｂの軸線直交断面はいわゆる歯車形状となっている。

図１２に示すように、各凹溝６に対してＮ型及びＰ型半導体プレート３，４が嵌合及び固定されている。各凹溝６は、支持部材５Ｂの軸線を中心として３０°毎の位置に配置されている。したがって、Ｎ型及びＰ型半導プレート３，４は、支持部材５Ｂの軸線（すなわち、針部１４の軸線）を中心に放射状に配置される。隣接する凹溝６同士には、それぞれ異種の半導体プレートが配置されている。そのため、支持部材５Ｂ（筐体２）の軸線廻りには、Ｎ型半導体プレート３及びＰ型半導プレート４が交互に隣接するように放射状に配置される。

一のＮ型半導体プレート（図中、符号３Ａにて表す）における基端部側の端面には既述の基端正側電極１１が配設されている。また、当該一のＮ型半導体プレート３Ａに隣接する一のＰ型半導体プレート（図中、符号４Ａにて表す）における基端部側の端面には、既述の基端負側電極１２が配設されている（図１１参照）。一のＮ型半導体プレート３Ａと一のＰ型半導体プレート４Ａとの間には、他の（残りの）Ｐ型半導体プレート４とＮ型半導体プレート３がそれぞれ交互に、直列に接合される。Ｎ型及びＰ型半導体プレート３，４の接合に際して、先端部側の端面同士は先端側ＰＮ接合部７によって接合され（図１３参照）、基端部側の端面同士は基端側ＰＮ接合部８によって接合される（図１１参照）。

尚、基端正側電極１１、基端負側電極１２、基端側ＰＮ接合部８の各々は相互に絶縁されている。また、先端側ＰＮ接合部７の各々は相互に絶縁されている。このように構成された直流回路に直流電源１０からの電圧が印加されると、ペルチェモジュール１Ｂは冷却機能（吸熱機能）を発揮する。また、ペルチェモジュール１Ｂに加熱機能を発揮させる場合には、冷却機能を発揮させるときに比べて直流回路に流れる電流の向きを逆転させれば良い。

本実施例では、Ｎ型及びＰ型半導プレート３，４を、針部１４の軸線を中心として放射状に配置する。これによれば、ペルチェモジュール１Ｂが冷却機能を発揮する場合には吸熱部となる一方で、加熱機能を発揮する場合には放熱部となる先端側ＰＮ接合部７を、筐体２内部の中心側の領域では密集して配置させることができる。更には、冷却又は加熱対象部となる針先端部１４Ａは、針部１４の中心軸上に配置されている。したがって、先端側ＰＮ接合部７と針先端部１４Ａとの間の熱の授受が円滑に行われ易くなる。更に、この構成によれば、筐体２内部の軸線直交断面内において、熱伝導に伴う温度分布を針部１４の中心軸に対して対称に形成することができる。そのため、上記軸線直交断面内における温度分布が針部１４の中心軸に対して過度に偏ることを抑制できる。よって、本構成によれば、ペルチェモジュール１Ｂが冷却機能を発揮する際には針先端部１４Ａの冷却を促進させることができ、加熱機能を発揮する際には針先端部１４Ａの加熱を促進させることができる。

以上述べた実施形態において、実施例２及び３に係るペルチェモジュールでは、複数のペルチェ素子を直列に接続する場合を例に説明したが、並列に接合しても良い。

また、本実施形態に係るペルチェモジュールは、Ｐ型又はＮ型の単一の半導体プレートを用いてペルチェ素子を形成しても構わない。例えば、単一のＰ型半導体プレート４を、長手方向が筐体２の軸線と平行になるように配置し、当該Ｐ型半導体プレート４の先端部側及び基端部側のそれぞれの端面に電極を配設する。そして、先端部側の端面に設けられ
た電極を直流電源１０の正側又は負側の何れか一方の端子に接続し、基端部側の端面に設けられた電極を他方の端子に接続すると共に、先端部側の端面に設けられた電極を熱交換プレート１３と熱的に接合しても良い。また、本実施形態に係るペルチェモジュールは、同型（Ｐ型又はＮ型）の半導体プレートを複数個、並列に接合しても良い。このように、単数又は複数からなる同型（Ｐ型又はＮ型）の半導体プレートを用いる場合、ペルチェモジュールにおける製造コストの削減効果を奏する。

次に、本実施形態に係るペルチェモジュールの用途について説明する。本実施形態に係るペルチェモジュールは、先端径が数μｍ程度となるように形成された針部１４を備えるため、細胞組織等などの局所を冷却、又は加熱するのに都合が良い。例えば、人体などに発現した患部を、凍結手術や温熱療法によって治療する際に適用しても良い。ペルチェモジュールにおける冷却機能及び加熱機能の切り替えは、ペルチェモジュールに流す電流の向きを逆転することで容易に行うことができる。

なお、本実施形態に係る針部１４の先端構造は、適宜の変更を採用することができる。例えば、図１４に示すように、針部１４の先端部にカンチレバー１４Ｂを取り付けても良い。カンチレバー１４Ｂは、例えば原子間力顕微鏡やリソグラフィー等の用途で用いられる如く、先端部の曲率半径が１０ｎｍ程度のものを採用しても良い。この場合、細胞を構成している染色体、ミトコンドリア、細胞壁などを単独で冷却又は加熱することができる。なお、針部１４に対するカンチレバー１４Ｂの接合方法は、例えば固定用治具１４Ｃを用いて固定する方法、導電性樹脂等を介して接合する方法等が挙げられる。

また、微粒子は温度変化による離合集散特性を有するため、本実施形態に係るペルチェモジュールは、微粒子の離合、集散に係る制御に用いることもできる。例えば、針先端部１４Ａを微粒子が存在する液体等に接触させた状態でペルチェモジュールに冷却機能を発揮させる。これにより、微粒子を冷却することにより集合させることができる。同様に、ペルチェモジュールに加熱機能を発揮させて微粒子を加熱することにより、微粒子を散逸させることができる。

また、本実施形態に係るペルチェモジュールは、固体、液体、又は気体の流れや振動が存在する場所で、局所的に針先端部１４Ａを接触させることにより、固体、液体、又は気体の流れや振動を制御する用途に適用することができる。また、針部１４をパイプ状にするなどして空洞部を形成し、当該空洞部に気体又は液体等の流体を通過させることで、流体の流れを制御しても良い。

なお、本実施形態に係るペルチェモジュールは、冷却機能及び加熱機能のうち少なくとも何れかの機能を発揮するものであれば良い。また、本実施形態には、本旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得る。

１ ペルチェモジュール
２ 筐体
３ Ｎ型半導体プレート
４ Ｐ型半導体プレート
５ 支持部材
７ 先端側ＰＮ接合部
１０ 直流電源
１１ 基端正側電極
１２ 基端負側電極
１３ 熱交換プレート
１４ 針部
１４Ａ 針先端部

Claims (7)

1. 複数組の第１導電型プレート及び複数組の第２導電型プレートと、
   前記複数組の第１導電型プレート及び前記複数組の第２導電型プレートの長手方向の先端面同士を電気的に直列に接合する導電性の先端側接合部と、
   前記複数組における一の第１導電型プレートの長手方向の基端面と、前記複数組における一の第２導電型プレートの長手方向の基端面とにそれぞれ設けられる電極と、
   前記複数組における他の第１導電型プレートの長手方向の基端面と、前記複数組における他の第２導電型プレートの長手方向の基端面とを電気的に直列に接合する導電性の基端側接合部と、
   前記先端側接合部と熱的に接合されると共に前記先端側接合部における前記第１導電型プレート及び前記第２導電型プレートとの接合面と反対側に配置される熱交換部と、
   前記複数組の第１導電型プレート及び前記複数組の第２導電型プレートの長手方向と平行な軸線を有し、且つ前記熱交換部から前記複数組の第１導電型プレート及び前記複数組の第２導電型プレートの逆側に向けて突出する針部と、
   を備えることを特徴とするペルチェモジュール。
2. 前記第１導電型プレート及び第２導電型プレートの長手方向に沿った側面同士が互いに対向するように支持し、且つ、前記第１導電型プレート及び第２導電型プレートの長手方向の両端面の位置が互いに揃うように支持する支持部材を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載のペルチェモジュール。
3. 前記支持部材の軸線廻りに、前記第１導電型プレート及び前記第２導電型プレートが交互に隣接するように配置されることを特徴とする請求項２に記載のペルチェモジュール。
4. 前記第１導電型プレート及び第２導電型プレートが交互に接合されて直列回路が形成され、
   前記直列回路に一の方向から電流を流した時に、前記一端側の端面では前記第１導電型プレートから前記第２導電型プレートへと電流が流れ、且つ前記他端側の端面では前記第２導電型プレートから前記第１導電型プレートへと電流が流れることを特徴とする請求項
   １から３の何れか一項に記載のペルチェモジュール。
5. 前記第１導電型プレート及び第２導電型プレートは、前記針部の軸線を中心として放射状に配置されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のペルチェモジュール。
6. 前記第１導電型プレートは、Ｂｉ₂Ｔｅ_2.85Ｓｅ_0.15、Ｎ型Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2、Ｎ型ＰｂＴｅの少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のペルチェモジュール。
7. 前記第２導電型プレートは、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃、Ｐ型Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2、Ｐ型ＰｂＴｅの少なくとも何れかを含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のペルチェモジュール。

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