JP2001174095A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で熱損失が少なく、熱交換能力の高い熱
交換器を提供する。 【解決手段】 階層状に配置された、放熱側熱交換体
６，１９及び吸熱側熱交換体３と、放熱側熱交換体６，
１９及び吸熱側熱交換体３の間に介挿された熱電変換素
子モジュール２とを備え、放熱側熱交換体６，１９と吸
熱側熱交換体３との間で熱交換を行なう熱交換器におい
て、熱電変換素子モジュール２の外周端部よりも内側の
みを、放熱側熱交換体６，１９又は吸熱側ブロック３の
外側から圧接して固定する固定手段１０，１１，２０，
２１を備えたことを特徴とする熱交換器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換素子を使
用した熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、熱電変換素子を使用して冷媒
や薬液等を温度制御するための熱交換器が知られてい
る。図７は、特開平８−１９３７６６号公報による熱交
換器の断面図を示している。

【０００３】同図において熱交換器１は、内部の薬液流
路５に薬液を流す伝熱ブロック体３の両側に、モジュー
ル化された熱電変換素子２を高熱伝導性のシリコングリ
ースを介して密着させ、熱電変換素子モジュール２の外
側を内部の冷却水路７に冷却水を流す放熱体６で挟み込
んで構成されている。そして、放熱体６の外側から固定
板１０を当接させ、熱交換器１の四隅に配置された締付
ボルト１１で固定板１０，１０を図中上下方向に締めつ
けることにより、伝熱ブロック体３、熱電変換素子モジ
ュール２、及び放熱体６を相互に圧接固定している。こ
のような構成の熱交換器１において、熱電変換素子モジ
ュール２に電流を流すことにより、熱電変換素子モジュ
ール２の電極間に温度差を生じさせ、伝熱ブロック体３
を流れる薬液を冷却又は加熱して所定の温度に制御して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平８−１９３７６６号公報に開示された従来技術に
は、次に述べるような問題がある。即ち、締付ボルト１
１が熱交換器１の四隅に配設されているので、締付ボル
ト１１で固定板１０を締めつけた際に、放熱体６の四隅
が、中央部に比較してより強く締めつけられる。そのた
め、図８に示すように、放熱体６の端部が締めつけによ
ってたわみ、中央部が浮き上がる。その結果、熱電変換
素子モジュール２と放熱体６との間に隙間８が生じるこ
とになる。また、これにより熱電変換素子モジュール２
も不均一な力を受け、熱電変換素子モジュール２と伝熱
ブロック体３との間にも隙間８が生じることがある。

【０００５】そして、このような隙間８によって熱の伝
達効率が低下し、冷媒や薬液を所望の温度に制御できな
かったり、又は所望の温度に制御するために、より多く
の電力を必要としたりするという問題がある。さらに
は、締めつけの度合いによってこのような隙間８の大き
さが変化し、熱がよく伝わったり伝わらなかったりして
熱伝達率が変動するので、冷媒や薬液を所望の温度に正
確に制御するのが困難となる。また、熱電変換素子モジ
ュール２に不均一な力がかかるため、熱電変換素子モジ
ュール２が変形したり冷却能力が低下したりすることが
ある。また、このとき放熱体６のたわみを防ぐために締
付ボルト１１の締めつけを弱くすると、熱電変換素子モ
ジュール２と伝熱ブロック体３及び放熱体６との間の密
着性が低下し、やはり熱が効率的に伝わらないという問
題がある。或いはこのような問題に対し、固定板１０の
四隅以外の位置、例えば熱交換器１の中央部近傍に締付
ボルト１１を配置するような対策も考えられる。しかし
ながら、締付ボルト１１の近傍には熱電変換素子モジュ
ール２を配置することができないために、熱電変換素子
モジュール２を熱交換器のより外周側に配置しなければ
ならず、同等の熱交換を行なうためには熱交換器１が大
型化してしまうという問題がある。

【０００６】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、小型で熱交換能力の高い熱交換器を提供す
ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、第１発明は、階層状に配置され
た、放熱側熱交換体及び吸熱側熱交換体と、放熱側熱交
換体及び吸熱側熱交換体の間に介装された熱電変換素子
モジュールとを備え、放熱側熱交換体と吸熱側熱交換体
との間で熱交換を行なう熱交換器において、熱電変換素
子モジュールの外周端部から内周側のみを、放熱側熱交
換体又は吸熱側熱交換体の外側から圧接して固定する固
定手段を備えている。

【０００８】第１発明によれば、熱電変換素子モジュー
ルの外周端部の面一又はその内周側のみを、放熱側熱交
換体又は吸熱側熱交換体の外側から圧接して固定するよ
うにしている。即ち、熱電変換素子モジュールよりも外
周側を圧接せず、熱電変換素子モジュールが裏面にある
場所のみを圧接している。これにより、放熱側熱交換体
及び吸熱側熱交換体が熱電変換素子モジュールに対して
略均一に圧接されるので、放熱側熱交換体及び吸熱側熱
交換体と、熱電変換素子モジュールとの間に隙間が生じ
ることがない。従って、熱伝達がこのような隙間で遮ら
れることがなく、熱交換が確実に行なわれるので、熱損
失が小さい。また、熱伝達が効率的に行なわれるので、
少ない消費電力及び小さな熱交換器によって、大きな熱
量を熱交換可能である。さらには、熱の交換量が常に一
定となるので、例えば温度制御を行なうような場合に
も、正確に制御することが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
による実施形態を詳細に説明する。尚、各実施形態にお
いて、前記従来技術の説明に使用した図、及びその実施
形態よりも前出の実施形態の説明に使用した図と同一の
要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

【００１０】まず、第１実施形態を説明する。図１は、
本実施形態による熱交換器の断面図、図２はそのＡ−Ａ
視平面図である。同図において、熱交換器１は、銅やア
ルミニウム合金等、熱伝導率の高い金属で構成され、薬
液や冷媒等が通る薬液流路５を有する吸熱側熱交換体３
を備えている。吸熱側熱交換体３の両面には、アルミナ
等の絶縁プレート１５，１５を介して、熱電変換素子モ
ジュール２，２がそれぞれ配設されている。

【００１１】熱電変換素子モジュール２は、多数個のＰ
型熱電変換素子１２とｎ型熱電変換素子１３とを、例え
ば銅のプレート等で構成された電極１４，１４で互いに
接続し、モジュール化して構成されている。本実施形態
では、このようなモジュールを直列又は並列に電気的に
接続したものを複数個並べた配置としているが、大型の
モジュールを１個だけ用いてもよい。

【００１２】熱電変換素子モジュール２，２の外側に
は、絶縁プレート１５，１５を介して、例えば銅製の放
熱側熱交換体６が配置されている。放熱側熱交換体６の
内部には、冷却水が通る冷却水流路７が形成されてい
る。熱電変換素子モジュール２と絶縁プレート１５との
間、並びに絶縁プレート１５と吸熱側熱交換体３及び放
熱側熱交換体６との間には高熱伝導性のシリコングリー
スが塗布され、密着性を良くして熱の伝導性を高めてい
る。或いは、シリコングリースの代わりに高熱伝導性の
接着剤が塗布されている場合もある。尚、説明において
は、階層状に重ねられた熱交換体３，６のうち、最も上
方にある熱交換体３，６のさらに上方、及び最も下方に
ある熱交換体３，６のさらに下方を、外側と称する。

【００１３】このような熱電変換素子モジュール２に図
示しない制御回路によって電流を流すことにより、熱電
変換素子モジュール２の電極１４，１４間に温度差を生
じさせ、放熱側熱交換体６の内部を通過する薬液又は冷
媒等を冷却している。また、例えば温度センサで薬液又
は冷媒等の温度を測定し、その信号を制御回路に取り入
れるようにすれば、薬液又は冷媒等を所定の温度に制御
することも可能となっている。尚、本実施形態では薬液
又は冷媒等を冷却するようにして説明しているが、熱電
変換素子モジュール２の電流を流す方向を変更すること
により、薬液又は冷媒等を加熱することも可能である。

【００１４】放熱側熱交換体６の外側には固定板１０が
当接され、四隅に配置された締付ボルト１１により、放
熱側熱交換体６を両側から圧接している。このとき、固
定板１０の放熱側熱交換体６に当接する面には、複数個
並べられた熱電変換素子モジュール２の最外周部から内
周側が、より高くなるような凸部１６が形成されてい
る。このとき、凸部１６は、熱電変換素子モジュール２
の最外周部に面一に合わせられていてもよく、最外周部
より内周側のみであってもよい。このような固定板１０
を放熱側熱交換体６に当てがって四隅の締付ボルト１１
を締めると、固定板１０の凸部１６のみが放熱側熱交換
体６に当接する。従って、放熱側熱交換体６の、熱電変
換素子モジュール２が裏面に配置された部位にのみ圧接
力がかかり、放熱側熱交換体６がたわむことがない。即
ち、熱電変換素子モジュール２を略均一に圧接すること
が可能となり、熱電変換素子モジュール２と放熱側熱交
換体６との間に隙間８が生じることがなく、全面にわた
って密着する。

【００１５】このとき、凸部１６は、放熱側熱交換体６
に設けるようにしてもよい。即ち、放熱側熱交換体６が
固定板１０に当接する面の、熱電変換素子モジュール２
の最外周部から内周側に設けてもよい。また、凸部１６
は固定板１０や放熱側熱交換体６と一体と限られるもの
ではなく、別の板等によって形成してもよい。また、こ
のとき凸部１６は剛体であれば、固定板１０や放熱側熱
交換体６と異なる材質であってもよい。さらに図１に示
すように、凸部１６の外周側に、ゴムやバネ等の弾性体
１８を固定板１０と放熱側熱交換体６との間に介装させ
ると、固定板１０が歪むのを防止できるのでなお良い。

【００１６】以上説明したように本実施形態によれば、
熱交換器１を両側から圧接して固定する固定板１０に、
熱電変換素子モジュール２の最外周部から内周側を高く
した凸部１６を設けている。そして、この固定板１０を
締付ボルト１１で締めつけて、熱交換器１を固定してい
る。これにより、固定板１０の四隅を締付ボルト１１で
締めつけた場合に、熱電変換素子モジュール２よりも内
周側にある固定板１０の凸部１６のみが放熱側熱交換体
６を押すことになる。従って、放熱側熱交換体６の、裏
面に熱電変換素子モジュール２がある部分が均一に押さ
れ、放熱側熱交換体６がたわむことがない。即ち、熱電
変換素子モジュール２と放熱側熱交換体６及び吸熱側熱
交換体３との間が均一に密着するので、熱の伝達が効率
良く、しかも常に一定の伝達率で行なわれ、少ない電力
で正確な温度制御を行なうことが可能となる。

【００１７】また、このような固定手段を取ることによ
り、締付ボルト１１を強く締めつけても、熱電変換素子
モジュール２と放熱側熱交換体６及び吸熱側熱交換体３
との間が離れることがない。従って、締付ボルト１１
を、より強固に締めつけることが可能となり、熱電変換
素子モジュール２と放熱側熱交換体６及び吸熱側熱交換
体３との間の密着性が向上する。即ち、熱が効率的に伝
わるようになり、少ない電力で精度良く薬液や冷媒を温
度制御することが可能となる。さらに、締付ボルト１１
を熱交換器１の四隅のみに設け、中央部には設けていな
いので、締付ボルト１１が熱電変換素子モジュール２の
配置を妨げることがない。従って、熱交換器１を大型化
することなく、このような効果を実現することが可能で
ある。尚、熱電変換素子モジュール２が１個のみ配置さ
れている場合には、その外周端部から内周側が高くなる
ように凸部１６を設ければよい。

【００１８】本実施形態の他の実施例を図３に示す。同
図においては、固定板１０の熱電変換素子モジュール２
の最外周部から内周側に、複数の突起１７を設けてい
る。これにより、この突起１７が、放熱側熱交換体６
の、裏側に熱電変換素子モジュール２がある部位にのみ
当接する。従って、放熱側熱交換体６がたわむことがな
く、熱電変換素子モジュール２と放熱側熱交換体６及び
吸熱側熱交換体３との間に隙間８が生じないので、上述
したものと同様の効果が得られる。なお、上記実施形態
の説明では、締付ボルト１１は固定板１０の外側から締
めつけるように説明しているが、これに限られるもので
はなく、バネ等の弾性体や、ターンバックル等で固定板
１０の内側から引っ張って、熱交換器１を圧接固定する
ようなものでもよい。即ち、階層状に配置されている放
熱側熱交換体６及び吸熱側熱交換体３のうち、最も外側
に配置された放熱側熱交換体６又は吸熱側熱交換体３の
外側から、固定板１０が圧接するような形であればよ
い。また、上記実施形態では、最も外側にある放熱側熱
交換体６又は吸熱側熱交換体３の両外側に凸部１６や突
起１７を設けるようにしているが、いずれか片側だけで
もよい。即ち、片方の放熱側熱交換体６又は吸熱側熱交
換体３の外側のみに凸部１６や突起１７を設けて圧接す
るようにしても、従来技術よりも隙間８を少なくするこ
とが可能であり、熱損失を小さくする効果がある。

【００１９】次に、第２実施形態について説明する。図
４は、本実施形態による熱交換器１の断面図である。同
図において、熱交換器１は、吸熱側熱交換体３と、図示
しないファンによって空冷冷却される放熱フィン１９
と、吸熱側熱交換体３及び放熱フィン１９の間に介装さ
れた熱電変換素子モジュール２とを備えている。そし
て、熱電変換素子モジュール２に電流を流すことにより
電極１４，１４間に温度差が生じ、吸熱側熱交換体３の
内部に設けられた薬液流路５を通過する薬液又は冷媒等
を冷却する。

【００２０】放熱フィン１９の外側には、Ｃ字型のクリ
ップ２０が、放熱フィン１９を挟み込んで押さえてい
る。クリップ２０は、バネの性状を有しており、放熱フ
ィン１９からはずすとバネ力でＣ字型の口を閉じるよう
に構成されている。このバネ力で、放熱フィン１９及び
吸熱側熱交換体３を挟み込み、熱電変換素子モジュール
２を圧接している。このとき、クリップ２０の先端部
は、熱電変換素子モジュール２の外周部から内周側で放
熱フィン１９及び吸熱側熱交換体３に当接している。即
ち、クリップ２０の先端が当接する放熱フィン１９及び
吸熱側熱交換体３の裏面に熱電変換素子モジュール２が
あるようにし、クリップ２０によって放熱フィン１９及
び吸熱側熱交換体３を熱電変換素子モジュール２ごと押
さえている。これにより、放熱フィン１９及び吸熱側熱
交換体３がたわむことがなく、熱電変換素子モジュール
２と放熱フィン１９及び吸熱側熱交換体３との間に隙間
８ができないようになっている。

【００２１】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、クリップ２０によって、放熱フィン１９及び吸熱側
熱交換体３の、裏面に熱電変換素子モジュール２のある
位置を押さえている。これにより、熱電変換素子モジュ
ール２と放熱フィン１９及び吸熱側熱交換体３との間が
均一に圧接されるので、第１実施形態と同様にこれらの
間に隙間８ができず、常に良好に密着する。従って、両
者の間で熱の伝達が効率良く、しかも常に一定の伝達率
で行なわれるので、少ない電力で正確な温度制御を行な
うことが可能となる。また、クリップ２０のバネ力によ
って、熱交換器１を圧接している。これにより、常にほ
ぼ一定の力で熱電変換素子モジュール２を放熱フィン１
９及び吸熱側熱交換体３に圧接できるので、組立時に締
付ボルト１１の締付トルクを管理する必要がない。さら
に、クリップ２０はワンタッチで取付が可能であり、四
隅の締付ボルト１１を締めるのに比べて、組み立ての手
間が省力化される。また、四隅に締付ボルト１１を配置
するのに比べて場所を取らず、熱交換器１が小型化す
る。尚、本実施形態においては、空冷式の熱交換器１に
ついて説明したが、これに限られるものではない。即
ち、放熱フィン１９の代わりに、第１実施形態と同様の
内部に冷却水を流す冷却水路７を有する放熱側熱交換体
６を備えた水冷式の熱交換器１に対しても応用可能であ
る。

【００２２】図５に、本実施形態の他の実施例を示す。
同図において、放熱フィン１９はＣ字型のクランプ２１
によって挟み込まれており、クランプ２１の上部に設け
られたネジ部２２を回転させることにより、熱交換器１
を圧接している。このとき、クランプ２１の先端は、熱
電変換素子モジュール２の外周部から内周側で放熱フィ
ン１９及び吸熱側熱交換体３に当接している。これによ
り、熱電変換素子モジュール２と放熱フィン１９及び吸
熱側熱交換体３との間に隙間８ができないようにするこ
とが可能である。

【００２３】尚、上記各実施形態において、放熱側熱交
換体６の冷却水路７には、冷却水ではなく、不凍液など
の他の冷媒を流すようにしてもよい。そのような場合に
は、腐食が少ないので、放熱側熱交換体６をアルミニウ
ム又はその合金で構成してもよい。さらには、冷媒や薬
液等を冷却又は加熱するばかりではなく、水や或いは他
の液体を冷却又は加熱する熱交換器１に対しても適用可
能である。また、このような熱電変換素子モジュール２
を使用した熱交換器１は、半導体製造用に使用されるの
が最も一般的であるが、勿論、他の目的に使用されるも
のでもよい。また、放熱側熱交換体６及び吸熱側熱交換
体３を交互に２段又は３段に階層状に重ねた熱交換器１
について説明したが、これに限られるものではなく、さ
らに多段の階層を有するような熱交換器１についても同
様である。

【００２４】また、図６に示すように上記の固定手段
を、半導体ウェハ２４を冷却又は加熱するための温度調
整プレート２３に利用してもよい。同図において温度調
整プレート２３は、載置プレート２５と冷却水路７を備
えた放熱側熱交換体６とを略平行に配置し、その間に熱
電変換素子モジュール２を介装している。載置プレート
２５の上面には位置決めピン２６が設置され、この位置
決めピン２６上に半導体ウェハ２４を載置し、熱電変換
素子モジュール２で熱交換を行なって、半導体ウェハ２
４の温度を制御する。載置プレート２５と放熱側熱交換
体６とは、第２実施形態で説明したようなクリップ２０
で挟み込んで固定されている。これにより、熱電変換素
子モジュール２の接触面に隙間８が生じるのを防止し、
熱損失を減らして熱交換効率を向上させることが可能で
ある。即ち、薬液や冷媒を冷却又は加熱する熱交換器ば
かりでなく、このような半導体ウェハ２４の温度を制御
する温度調整プレート２３においても、本発明を応用可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態による熱交換器の断面図。

【図２】熱交換器の平面図。

【図３】熱交換器の断面図。

【図４】第２実施形態による熱交換器の断面図、

【図５】熱交換器の断面図。

【図６】温度調整プレートの断面図。

【図７】従来技術による熱交換器の断面図。

【図８】熱交換器の断面図。

【符号の説明】

１：熱交換器、２：熱電変換素子モジュール、３：吸熱
側熱交換体、５：薬液流路、６：放熱側熱交換体、７：
冷却水流路、８：隙間、１０：固定板、１１：締付ボル
ト、１２：Ｐ型熱電変換素子、１３：ｎ型熱電変換素
子、１４：電極、１５：絶縁プレート、１６：凸部、１
７：突起、１８：弾性体、１９：放熱フィン、２０：ク
リップ、２１：クランプ、２２：ネジ部、２３：温度調
整プレート、２４：半導体ウェハ、２５：載置プレー
ト、２６：位置決めピン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 階層状に配置された、放熱側熱交換体
   (6,19)及び吸熱側熱交換体(3,23)と、 放熱側熱交換体(6,19)及び吸熱側熱交換体(3)の間に介
   装された熱電変換素子モジュール(2)とを備え、 放熱側熱交換体(6,19)と吸熱側熱交換体(3,23)との間で
   熱交換を行なう熱交換器において、 放熱側熱交換体(6,19)又は吸熱側熱交換体(3,23)の、熱
   電変換素子モジュール(2)の外周端部から内周側のみ
   を、外側から圧接して固定する固定手段(10,11,20,21)
   を備えたことを特徴とする熱交換器。