JP2002139264A

JP2002139264A - 熱交換装置

Info

Publication number: JP2002139264A
Application number: JP2000336095A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Onishi; 徹夫大西; Hitoshi Sato; 等佐藤
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP4350884B2

Abstract

(57)【要約】【課題】熱交換ユニット全体の小型化が図れ、しかも
熱電素子と熱交換器との間の接触熱抵抗が小さくて済む
熱交換装置を提供する。【解決手段】水冷板１１０ａの伝熱面表面には、サー
モモジュール５０の下面側接合板面を構成する各接合板
５０１ａがＯリング６０とＯリング６１との間のエリア
全域に等密度で配置される。具体的には、外側のＯリン
グ６０との境界付近では、該Ｏリング６０の蛇行に沿っ
た任意の形（熱交換板１１０ｂとの間にサーモモジュー
ル５０を固定するためのねじ孔等を避ける形）に配置さ
れ、内側のＯリング６１との境界付近では該Ｏリング６
１を避ける形で接合板５０１ａが配置される。水冷板１
１０ａに対向する熱交換板１１０ｂの伝熱面表面に対し
ても、同様に、接合板５０１ｂがＯリング６０とＯリン
グ６１間エリア内に等密度で配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｐ型素子、Ｎ型素
子とこれらを接合する電極板とにより構成される熱電素
子対を対向する熱交換器間に介在させて成る熱交換装置
に係わり、詳しくは、熱交換器に対する熱電素子対の配
置及び接合方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造ラインにおけるシリ
コンウェハの洗浄、液晶製造ラインにおけるガラス基板
の洗浄等においては、加熱した超純水を利用して上記洗
浄を行っている。

【０００３】また、半導体製造ラインにおいて、フォト
リソグラフィーにより形成したレジストパターンをマス
クとして半導体基板をエッチングし、該エッチングの終
了後、有機溶剤を用いてレジストを剥離する場合、この
剥離に使用する有機溶剤の温度を８０度近くまで加熱し
ている。

【０００４】このように、超純水や有機溶剤等の各種の
流体を冷却あるいは加熱して一定温度の流体を得るため
の素子として、ペルチェ効果を利用して冷却、加熱を行
う電子冷熱素子（サーモモジュール）が知られている。

【０００５】サーモモジュールは、Ｎ型とＰ型の半導体
素子（熱電素子）を縦及び横方向に交互に複数並べたう
えで、隣接する素子同士を上側と下側の接合板（金属電
極）で電気的に直列接続となるよう相互に接合したもの
である。

【０００６】このサーモモジュールに対して、Ｎ型から
Ｐ型の方向に直流電流を流すと、上側の接合板は冷却し
て周囲から熱を奪い、下側の接合板は発熱して周囲に熱
を放出するように動作する。

【０００７】そこで、上述した各種流体を例えば冷却す
る場合には、サーモモジュールの上側の接合板面に冷却
対象の流体（循環水）が通る流路を持つ熱交換器（熱交
換板）を当接させる一方、下側の接合板面には放熱水が
通る流路を持つ熱交換器（水冷板）を当接させた熱交換
ユニットを用意し、このユニット内のサーモモジュール
に対して上述した通電制御を行い、この時に冷却される
上側の接合板面を介して熱交換板の流路を流れる循環水
を目標温度まで冷却する一方、この冷却により奪われた
熱を下側の水冷板の流路を流れる放熱水を介して放出さ
せるようにしている。

【０００８】ところで、この種の従来の熱交換ユニット
では、複数の熱電素子対を矩形に並べて予め部品化した
矩形モジュールを必要数だけ熱交換板と水冷板の間に介
在せしめる構造のものが一般的であった。

【０００９】図９は、従来の熱交換ユニットの水冷板３
０ａに対するサーモモジュールの配置構造を示す図であ
る。図９において、３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、熱電素
子３１２（Ｐ型），３１３（Ｎ型）を複数対配すること
により予め部品化された矩形モジュールであり、各々が
リード線接続端子（３１５ａ，３１６ａ）、（３１５
ｂ，３１６ｂ）、（３１５ｃ，３１６ｃ）を有してい
る。また、３０５，３０６は水冷板３０ａと対向する熱
交換板３０ｂ（図示せず）とを締め付け固定するための
締付ボルト用のねじ孔である。

【００１０】かかる従来の熱交換ユニットによれば、各
矩形モジュール３１ａ，３１ｂ，３１ｃ間をリード線に
より配線するためのスペースを確保したり、水冷板３０
ａと熱交換板３０ｂとを固定する締付ボルト用のねじ孔
３０５，３０６等を塞がないようにするために、各矩形
モジュール３１ａ，３１ｂ，３１ｃ間を一定距離離間す
る必要があり、これによって、ユニット全体の構造が大
型化せざるを得なかった。

【００１１】また、この種の熱交換ユニットでは、サー
モモジュール表面の接合板と、熱交換器（水冷板、熱交
換板）とが共に金属製のため、これらの間を電気的に絶
縁するための工夫が必要であった。

【００１２】図１０は、従来の熱交換ユニットの概念断
面構成を示す図である。

【００１３】この熱交換ユニットにおいて、冷却側熱交
換器は、冷却対象の循環水を流すことのできるステンレ
ス製のパイプ４０ｂをアルミニューム板４０１ｂに鋳込
んで構成される。この冷却側熱交換器は、グリス４０２
ｂ、セラミック板４０３ｂ、半田４０４ｂを介してサー
モモジュール３１（Ｐ型半導体素子３１２，Ｎ型半導体
素子３１３、接合板３１１ａ及び３１１ｂから成る）の
上側の接合板３１１ｂに接合される。

【００１４】同様に、放熱側熱交換器は、放熱水を流す
ことのできるステンレス製のパイプ４０ａをアルミニュ
ーム板４０１ａに鋳込んで構成される。この放熱側熱交
換器は、グリス４０２ａ、セラミック板４０３ａ、半田
４０４ａを介してサーモモジュール３１の下側の接合板
３１１ａに接合される。

【００１５】かかる従来の熱交換ユニットの接合構造に
よれば、サーモモジュール３１の表面の接合板（３１１
ａ，３１１ｂ）と、放熱側及び冷却側の熱交換器とを電
気的に絶縁するために、セラミック板（４０３ａ，４０
３ｂ）を用い、かつグリス（４０２ａ，４０２ｂ）また
は接着剤等により熱交換器に固定していたため、接触熱
抵抗が大きく、熱交換効率が低かった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の熱
交換ユニットは、複数の熱電素子対が集まって矩形にま
とめられた矩形モジュールを必要数だけ熱交換器間に介
在させた構造を有していたため、各モジュール間を一定
距離だけ離して配置する必要があり、ユニット全体の大
型化を招来するという問題点があった。

【００１７】また、従来の熱交換ユニットでは、サーモ
モジュールの接合板面と熱交換器間の電気的絶縁のため
にセラミック板等の絶縁部材を介挿し、グリスまたは接
着剤等により熱交換器に固定していたため、接触熱抵抗
が大きく、熱交換効率の低下を来すという問題点があっ
た。

【００１８】本発明は上述の問題点を解消し、矩形モジ
ュールを用いる場合のようなスペースの無駄を極力無く
して装置全体の小型化が図れ、しかも熱電素子と熱交換
器との間の接触熱抵抗が小さく熱交換効率に優れる熱交
換装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、Ｐ型素子、Ｎ型素子とこれらを
接合する電極板とにより構成される熱電素子対を対向す
る熱交換器間に介在させて成る熱交換装置において、前
記熱交換器の伝熱面表面の任意エリア内に、前記熱電素
子対を任意の数だけ等密度に配置したことを特徴とす
る。

【００２０】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、前記熱電素子対をその外周全周をＯリ
ングで包囲して該Ｏリングと共に前記熱交換器間に締付
ボルトで締め付け固定する機構を有し、前記熱電素子対
を前記Ｏリングの内側でかつ前記締付ボルト用の孔を避
けるエリア内に配置したことを特徴とする。

【００２１】請求項３記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、前記熱交換器は、熱交換対象の流体の
流路を有し、該流路は、当該熱交換器の伝熱面表面の前
記熱電素子対の配置エリアに対応して巡らされ、かつ隣
接する流路間で互いに異なる方向に流体を流し得る形状
に構成されることを特徴とする。

【００２２】請求項４記載の発明は、上記請求項１記載
の発明において、前記熱交換器の伝熱面表面に絶縁性の
溶射膜を形成すると共に、前記絶縁性溶射膜上に、前記
電極板のパターンに対応する導電性の溶射膜を形成し、
前記導電性溶射膜と対向する電極板とを半田を介して接
合したことを特徴とする。

【００２３】請求項記載の発明は、上記請求項１記載の
発明において、前記熱交換器の伝熱面表面に絶縁性の溶
射膜を形成すると共に、前記絶縁性溶射膜上に、前記電
極板のパターンに対応しかつ当該電極板相当の厚みを有
する導電性の溶射膜を形成し、前記導電性溶射膜を前記
電極板として代用し、対向する熱電素子に半田を介して
接合したことを特徴とする。

【００２４】請求項６記載の発明は、上記請求項４また
は５記載の発明において、前記熱電素子対をその外周全
周をＯリングで包囲して該Ｏリングと共に前記熱交換器
間に締付ボルトで締め付け固定する機構を有し、前記絶
縁性溶射膜を、前記Ｏリングの内側でかつ前記締付ボル
ト用の孔を避けるエリアを覆うように形成したことを特
徴とする。

【００２５】請求項７記載の発明は、上記請求項４〜６
記載の発明において、前記絶縁性溶射膜は酸化アルミニ
ュームを溶射して形成され、前記導電性溶射膜は銅を溶
射して形成されることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明に係わる熱交換ユニット１
００の上面図であり、図２は図１における熱交換ユニッ
ト１００の右側面図である。

【００２８】図１及び図２に示すように、この熱交換ユ
ニット１００は、熱交換器（水冷板）１１０ａと熱交換
器（熱交換板）１１０ｂとの間にサーモモジュール５０
と該サーモモジュール５０の外周全周を包囲するＯリン
グ６０とを狭持した構造を有する。

【００２９】熱交換板１１０ｂにはボルト貫通孔１１１
ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ，１１５ｂ，１１６
ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９ｂが設けられる。これ
らボルト貫通孔１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４
ｂ，１１５ｂ，１１６ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９
ｂからそれぞれ貫通させた各締付ボルトを対向する水冷
板１１０ａに設けられたねじ孔１１１ａ，１１２ａ，１
１３ａ，１１４ａ，１１５ａ，１１６ａ，１１７ａ，１
１８ａ，１１９ａ（図３参照）にねじ込むことで、水冷
板１１０ａと熱交換板１１０ｂとを所定の締付力で固定
することができる。

【００３０】なお、水冷板１１０ａと熱交換板１１０ｂ
を上述の如く固定するには、他に、締付ボルトとナット
を用いて締め付ける方法もある。

【００３１】この締め付け固定により、水冷板１１０
ａ、熱交換板１１０ｂ、Ｏリング６０及び後述する内側
Ｏリング６１の４者間による気密スペースが形成され、
該スペース中にサーモモジュール５０が封入されること
となる。

【００３２】サーモモジュール５０を気密封入するの
は、熱交換ユニット１００稼働時の水冷板１１０ａ側ま
たは熱交換板１１０ｂ側が雰囲気空気の露点以下に下が
った場合に生じた結露が当該モジュール５０に流れ込ま
ないように、また、湿った雰囲気がサーモモジュール５
０の周囲に連続的に浸入しないようにするための対策で
ある。

【００３３】水冷板１１０ａ及び熱交換板１１０ｂは、
それぞれ、銅製のもので、内部に各々放熱水及び循環水
を流す流路１２５ａ及び１２５ｂを持ついわゆるＣｕジ
ャケット式熱交換器である。

【００３４】水冷板１１０ａ及び熱交換板１１０ｂの流
路１２５ａ及び１２５ｂの端部には、それぞれ、（流体
入口１２１ａ，流体出口１２２ａ）、（流体入口１２１
ｂ，流体出口１２２ｂ）が形成される。

【００３５】熱交換板１１０ｂの流体入口１２１ｂ，流
体出口１２２ｂには、それぞれ、冷却対象の循環水の流
入管，流出管が連結され、流入管より流入する循環水は
熱交換板１１０ｂ内の流路１２５ｂを通り、流出管より
流出される。

【００３６】また、水冷板１１０ａの流体入口１２１
ａ，流体出口１２２ａには、それぞれ、放熱水の流入
管，流出管が連結され、流入管より流入する放熱水は水
冷板１１０ａ内の流路１２５ａを通り、流出管より流出
される。

【００３７】熱交換板１１０ｂは、水冷板１１０ａの流
体入口１２１ａ，流体出口１２２ａへの流入管，流出管
の配管スペース分だけ当該水冷板１１０ａからオフセッ
トされた状態に取り付けられている。

【００３８】次に、この熱交換ユニット１００における
熱電素子の配置構造について図３及び図４を参照して説
明する。

【００３９】図３は、図２のＡ−Ａ線による断面図であ
り、図４は同Ｂ−Ｂ線による断面図である。

【００４０】図３及び図４からも分かるように、水冷板
１１０ａと熱交換板１１０ｂとの間には、外側のＯリン
グ６０の他、内側のＯリング６１も介在する。

【００４１】外側のＯリング６０は、水冷板１１０ａの
ねじ孔１１２ａ，１１３ａ，１１４ａ，１１５ａ，１１
６ａ，１１７ａ，１１８ａ，１１９ａ、及び熱交換板１
１０ｂのボルト貫通孔１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ，
１１５ｂ，１１６ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９ｂの
内側ぎりぎりに納まる大きさで、かつこれら各孔を避け
るように（塞がないように）要所が蛇行された形状のも
のから成る。

【００４２】内側のＯリング６１は熱交換板１１０ｂの
ボルト貫通孔１１１ｂより大きな径を持ち、該ボルト貫
通孔１１１ｂ及び水冷板１１０ａのねじ孔１１１ａを同
心円状に包囲するように配置される。

【００４３】この外側のＯリング６０と内側のＯリング
６１との間のエリア内にサーモモジュール５０が取り付
けられる。

【００４４】サーモモジュール５０は、Ｐ型熱電素子、
Ｎ型熱電素子とこれらを接合する電極板とにより構成さ
れる熱電素子対を複数備えて成るものであり、具体的に
は、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子を縦及び横方向に交互
に複数対並べたうえで、隣接する素子同士を上側の接合
板（電極板）と下側の接合板とで電気的に直列接続とな
るよう相互に接合したものである。

【００４５】上側の各接合板と下側の各接合板は、それ
ぞれ、上記熱電素子の配列エリアに対応した平面（以
下、上側接合板面、下側接合板面という）を構成する。

【００４６】図３において、水冷板１１０ａの伝熱面表
面には、サーモモジュール５０の例えば下面側接合板面
を構成する複数の接合板５０１ａが上述したＯリング６
０とＯリング６１との間のエリア全域に等密度で配置さ
れている。

【００４７】具体的には、外側のＯリング６０との境界
付近では、該Ｏリング６０との間に無駄なエリアを極力
生じないように、当該Ｏリング６０の蛇行に沿った任意
の形（熱交換板１１０ｂとの間にサーモモジュール５０
を固定するためのねじ孔等を避ける形）に配置されてい
る。

【００４８】また、内側のＯリング６１との境界付近で
は当該Ｏリング６１を避ける形で接合板５０１ａが配置
されている。

【００４９】なお、実際には、水冷板１１０ａの伝熱面
表面に、Ｏリング６０とＯリング６１との間のエリア内
にぎりぎり納まる形状の、後で詳しく述べる溶射による
絶縁層（アルミナ溶射層５１１ａ：図７参照）が形成さ
れ、該絶縁層上に上記各接合板５０１ａが配置される。

【００５０】水冷板１１０ａの伝熱面表面に配置される
各接合板５０１ａには、１つにつきそれぞれ一対ずつの
Ｎ型熱電素子５０２とＰ型熱電素子５０３が立設されて
おり、対向する側（上面側）の接合板面の各接合板５０
１ｂにつながっている。

【００５１】同様に、図４において、熱交換板１１０ｂ
の伝熱面表面には、サーモモジュール５０の上面側接合
板面を構成する複数の接合板５０１ｂがＯリング６０と
Ｏリング６１との間のエリア全域に等密度で配置されて
いる。

【００５２】具体的には、外側のＯリング６０との境界
付近では、当該Ｏリング６０との間に無駄なエリアを極
力生じないように、当該Ｏリング６０の蛇行に沿った任
意の形（水冷板１１０ａとの間にサーモモジュール５０
を固定するためのボルト貫通孔等を避ける形）に配置さ
れ、内側のＯリング６１との境界付近では当該Ｏリング
６１を避ける形で接合板５０１ｂが配置されている。

【００５３】ここでも、熱交換板１１０ｂの伝熱面表面
には、Ｏリング６０とＯリング６１との間のエリア内に
ぎりぎり納まる形状の溶射による絶縁層（アルミナ溶射
層５１１ｂ：図７参照）が形成され、該絶縁層上に上記
各接合板５０１ｂが配置される。

【００５４】そして、熱交換板１１０ｂの伝熱面表面に
配置される各接合板５０１ｂには、１つにつきそれぞれ
一対のＮ型熱電素子５０２とＰ型熱電素子５０３が立設
されており、対向する側（下面側）の接合板面の各接合
板５０１ａにつながっている。

【００５５】上記構造を有するサーモモジュール５０の
末端部の２つの接合板５０１Ｌ（リード電極用）には、
それぞれ、例えば正電極の電極棒１３１と負電極の電極
棒１３２が接続される。

【００５６】この電極棒１３１，１３２間に直流電流を
流すことにより、熱交換板１１０ｂ側の各接合板５０１
ｂが冷却され、これにより熱交換板１１０ｂが冷やさ
れ、当該熱交換板１１０ｂ内の流路１２５ｂを流れる循
環水が冷却される。

【００５７】他方、水冷板１１０ａ側の各接合板５０１
ａが発熱し、この熱が水冷板１１０ａに伝わり、その中
の流路１２５ａを流れる放熱水と熱交換され放熱され
る。

【００５８】図３及び図４からも分かるように、本発明
の熱交換ユニット１００では、熱交換器（水冷板１１０
ａ、熱交換板１００ｂ）の伝熱面表面に、接合板５０１
（該接合板５０１には一対の熱電素子５０２，５０３が
接続されているため、接合板５０１を熱電素子５０２，
５０３と読み替えることもできる）を任意形状エリア内
に任意の数だけ等密度で配置している。

【００５９】この配置構造によれば、図９に示す従来の
熱交換ユニットでネックとなっていた、既製品の矩形の
モジュール間で一定距離を離間させざるを得ないことか
らくる無駄なスペースを無くすることができる。

【００６０】これにより、同数の熱電素子（熱電素子数
によって冷却能力が決まる）を配置する場合のスペース
が従来装置に比べて小さくて済み、サーモモジュール５
０及び熱交換器（水冷板１１０ａ，熱交換板１１０ｂ）
を小型化でき、引いては熱交換ユニット１００全体の小
型化に寄与できる。

【００６１】言い換えれば、本発明に係わる熱交換ユニ
ット１００は、外形形状の大きさが同一の場合、部品化
された矩形モジュールを複数配置する従来ユニットに比
べて、熱交換効率がより高いと言える。

【００６２】この熱交換効率を更に高めるために、本発
明に係わる熱交換ユニット１００では、上述した熱電素
子５０２，５０３の配置構造に合わせて水冷板１１０
ａ、熱交換板１１０ｂの流路の形状にも工夫を凝らして
いる。

【００６３】図５は、本発明に係わる熱交換ユニット１
００の水冷板１１０ａの流路１２５ａの構造を示す図で
ある。

【００６４】図５からも分かるように、この熱交換ユニ
ット１００の水冷板１１０ａでは、流体入口１２１ａか
ら送り込まれる放熱水を流体出口１２２ａに送り出す流
路１２５ａが、上述の如く等密度配置された熱電素子５
０２，５０３をくまなく網羅するように巡らされ、場所
によっては大きく蛇行した部分１２５ａ−１も設けられ
る。

【００６５】また、この水冷板１１０ａの流路１２５ａ
は、基本的に、どの部分においても、隣接する流路（図
５では、２本分が１つの流路に当たる）が互いに異なる
方向に放熱水を流し得る形状に構成されている。

【００６６】かかる流路構造を有する水冷板１１０ａで
は、等密度配置された全ての熱電素子５０２，５０３に
よって、上述した蛇行部分１２５ａ−１を含む流路１２
５ａの全域で途切れのない熱交換作用が働くことにな
る。

【００６７】特に、この水冷板１１０ａでは、例えば、
流体入口１２１ａから取り込まれた直後の十分に冷却さ
れた放熱水に対して、隣接する流路を流れる放熱水つま
り流体出口１２２ａへ流出される直前の放熱により加熱
された放熱水から熱が与えられ、逆に、流体出口１２２
ａへ流出される直前の放熱により加熱された放熱水か
ら、隣接する流路を流れる放熱水つまり流体入口１２１
ａから取り込まれた直後の十分に冷却された放熱水によ
って熱が奪われる。

【００６８】このような熱交換作用（熱相殺作用）が、
流路１２５ａの全域で働く結果、水冷板１１０ａの伝熱
面表面の温度分布を均一に保つことができ、これによ
り、熱交換効率を高めることができる。

【００６９】なお、水冷板１１０ａに対向する熱交換板
１１０ｂにおいても、水冷板１１０ａの流路１２５ａと
同等の形状の流路１２５ｂ（図１の点線で示される部
分）が形成される。

【００７０】これにより、熱交換板１１０ｂでは、例え
ば、流体入口１２１ｂから取り込まれた直後の十分に冷
却されていない循環水に対して、隣接する流路を流れる
循環水つまり流体出口１２２ｂへ流出される直前の十分
に冷却された循環水からの冷却作用が働き、こうした作
用が流路１２５ｂの全域で働く結果、熱交換板１１０ｂ
の伝熱面表面の温度分布を均一に保ちつつ、冷却効果を
高めることができる。

【００７１】ところで、本発明に係わる熱電素子の配置
方法は、矩形の熱交換器に限らず、他の様々な形状の熱
交換器にも適用できるものである。また、熱交換器の板
面の面積により制限されるものでもなく、更には、熱交
換器が上下２層のものに限らず、多層のものにも適用で
きるものである。

【００７２】図６は、本発明の他の実施形態に係わる熱
交換ユニット２００の水冷板２１０ａの熱電素子配置構
造を示す図である。

【００７３】この熱交換ユニット２００の水冷板２１０
ａは、対向する例えばアルミ製の熱交換プレート２１０
ｂ（冷却対象の半導体ウェハを載せるもの：図示せず）
との間にサーモモジュール２５０を狭持して成るもので
あり、熱交換プレート２１０ｂに合わせて円形の形状を
有している。

【００７４】この水冷板２１０ａと熱交換プレート２１
０ｂとの間に狭持されるサーモモジュール２５０もまた
円形形状を有するものである。

【００７５】具体的に、サーモモジュール２５０は、水
冷板２１０ａより円周の小さい円形エリア内に、水冷板
２１０ａと熱交換プレート２１０ｂ間を締め付け固定す
るための締付ボルトの貫通孔（図中、２２１，２２２
等）の位置や、結露対策用のＯリングシール（図示せ
ず）の位置を避けるようにして、熱電素子２５２，２５
３（接合板２５１上にある）を等密度に配置して成るも
のである。

【００７６】この熱交換ユニット２００では、円形の水
冷板２１０ａ及び熱交換プレート２１０ｂに対して、そ
の内周エリア内に熱電素子２５２，２５３を等密度に配
置しているため、熱交換プレート２１０ｂの表面の温度
分布を均一化でき、この上に置かれる半導体ウェハを一
定温度に冷却するうえで極めて有用である。

【００７７】次に、本発明に係わる熱交換ユニット１０
０の熱交換器に対する熱電素子の接合方法について説明
する。

【００７８】図７は、本発明に係わる熱交換ユニット１
００の概念断面構成を示す図であり、例えば図１のＣ−
Ｃ線による断面図に相当する。

【００７９】図７において、放熱水の流路１２５ａを有
する水冷板１１０ａと冷却対象の循環水の流路１２５ｂ
を有する熱交換板１１０ｂとはサーモモジュール５０を
挟んで互いに締め付け固定されている。

【００８０】この締め付け固定は、上述した如く、熱交
換板１１０ｂのボルト貫通孔（図１及び図４参照）から
それぞれ貫通させた各締付ボルトを対向する水冷板１１
０ａに設けられたねじ孔（図３参照）にねじ込むことに
より実現できる。また、締付ボルトとナットを用いて締
め付け固定する方法もある。

【００８１】サーモモジュール５０は、上述したよう
に、Ｎ型熱電素子５０２とＰ型熱電素子５０３を縦及び
横方向に交互に複数並べたうえで、隣接する素子同士を
上側の接合板と下側の接合板とで電気的に直列接続とな
るよう相互に接合して成るものであって、本発明では、
これら各熱電素子５０２，５０３が、対向する熱交換器
（水冷板１１０ａ，熱交換板１１０ｂ）に対して、それ
ぞれ、図３及び図４に示す態様で配置されている。

【００８２】この対向する熱交換器（水冷板１１０ａ，
熱交換板１１０ｂ）のうち、図の下方にある水冷板１１
０ａのサーモモジュール５０側の上面には酸化アルミニ
ューム（アルミナ）の溶射膜５１１ａが形成される。ア
ルミナ溶射膜５１１ａの上には更に銅（Ｃｕ）の溶射膜
５１２が形成される。更に、この銅溶射膜５１２は半田
５１３を介してサーモモジュール５０の下面側の各接合
板５０１ｂに接合されている。

【００８３】他方、図の上方にある熱交換板１１０ｂの
サーモモジュール５０側の上面には、水冷板１１０ａ側
と同様のアルミナ溶射膜５１１ｂが形成される。このア
ルミナ溶射膜５１１ｂはグリス５１４を介してサーモモ
ジュール５０の上面側の各接合板５０１ｂと接合してい
る。

【００８４】この接合構造において、アルミナ溶射膜５
１１ｂは、熱交換板１１０ｂ（銅製）とサーモモジュー
ル５０の上面側の各接合板５０１ｂとの間を電気的に絶
縁する作用を果たす。同様に、アルミナ溶射膜５１１ａ
は、水冷板１１０ａ（銅製）とサーモモジュール５０の
下面側の各接合板５０１ａとの間を電気的に絶縁する作
用を果たす。

【００８５】これらアルミナ溶射膜５１１ａ，５１１ｂ
は、上記絶縁作用をより増強するために、例えば樹脂素
材を含浸させるようにしても良い。

【００８６】また、この接合構造において、サーモモジ
ュール５０の上面側の各接合板５０１ｂとアルミナ溶射
膜５１１ｂとの間に介在するグリス５１４は、水冷板１
１０ａと熱交換板１１０ｂをサーモモジュール５０を挟
んで締め付けた際に、上記各接合板５０１ｂと熱交換板
１１０ｂ間を摺動自在にするための作用を果たす。

【００８７】この作用は、サーモモジュール５０の上面
側の冷却作用と下面側の熱交換作用との温度差に起因す
る熱膨張差を吸収して、サーモモジュール５０と熱交換
板１１０ｂ間の接合破壊を防止するためのものである。

【００８８】次に、この接合構造の形成プロセスについ
て説明する。

【００８９】まず、水冷板１１０ａの伝熱面表面の所定
エリアにアルミナ溶射膜５１１ａを形成する。このアル
ミナ溶射膜５１１ａの形成エリアは、例えば図４におけ
るＯリング６０とＯリング６１との間のエリア全域であ
る。

【００９０】次に、このアルミナ溶射膜５１１ａの上面
に所定パターンのマスク部材を介して銅を溶射すること
により、銅溶射膜５１２を形成する。この時のマスク部
材のマスキングパターンは例えば図４における接合板５
０１（サーモモジュール５０の下面側接合板）の配置に
対応するパターンである。

【００９１】次に、上記パターンから成る銅溶射膜５１
２上にそれぞれ半田５１３を置き、更にその上にサーモ
モジュール５０を下面側の各接合板５０１ａが該当する
銅溶射膜５１２の位置に合うように載置し、この状態を
保ったままこれらの全体を所定温度の加熱炉の中に入れ
て加熱する。

【００９２】これにより、半田５１３が溶解し、その
後、これら全体を加熱炉の中から取り出して冷却すると
半田５１３が固まり、水冷板１１０ａの伝熱面表面にア
ルミナ溶射膜５１１ａ、銅溶射膜５１２を介して各接合
板５０１ａが例えば図４に示す配置パターンで固着、接
合される。

【００９３】一方で、熱交換板１１０ｂの伝熱面表面に
も水冷板１１０ａと同様の方法でアルミナ溶射膜５１１
ｂを形成する。このアルミナ溶射膜５１１ｂの形成エリ
アは、例えば図３におけるＯリング６０とＯリング６１
との間のエリア全域である。

【００９４】次に、このアルミナ溶射膜５１１ｂの上面
にグリス５１４を塗り、この状態で、上述した熱交換板
１１０ａの伝熱面表面に固着されているサーモモジュー
ル５０の上面側接合板５０１ｂにグリス塗布面が当接す
るように熱交換板１１０ｂを覆い被せる。

【００９５】その後、水冷板１１０ａのねじ孔に対して
熱交換板１１０ｂのボルト貫通孔が合わさるように位置
決めしたうえで、熱交換板１１０ｂのボルト貫通孔から
それぞれ貫通させた各締付ボルトを対向する水冷板１１
０ａのねじ孔にねじ込むことにより、水冷板１１０ａと
熱交換板１１０ｂをサーモモジュール５０を挟み込んだ
状態で締め付け、固定する。

【００９６】このように、本発明によれば、極めて薄い
アルミナ溶射膜５１１ａを絶縁層として介在させたうえ
で、銅溶射膜５１２を介して熱交換器（水冷板１１０
ａ）に対する熱電素子（５０２，５０３）の接合を半田
５１３を用いて金属的に行うようにしたため、セラミッ
ク板等の絶縁層を介在させかつグリスや接着剤を用いて
接合していた従来のものに比べて接触熱抵抗が非常に小
さくて済む。

【００９７】なお、上記接合構造形成プロセスにおいて
は、サーモモジュール５０を予め例えば図３及び図４に
示す素子配列となるものを用意しておき、これを水冷板
１１０ａ側の銅溶射膜５１２上に半田付けする例につい
て述べたが、水冷板１１０ａの銅溶射膜５１２上に最初
にサーモモジュール５０の下面側の接合板５０１ａのみ
を半田付けにより固着し、次いでそのうえに熱電素子
（５０２，５０３）を立設し、更にその上に上面側の接
合板５０１ａを接合していくというプロセスを経てサー
モモジュール５０を完成させるようにしても良い。

【００９８】また、図７の例では、水冷板１１０ａの伝
熱面表面のアルミナ溶射膜５１１ａの上に銅溶射による
薄膜（銅溶射膜５１２）を施し、サーモモジュール５０
の下面側の接合板５０１ａに半田５１３により接合して
いるが、変形例としては、上記銅溶射膜５１２をより厚
く形成し、接合板５０１ａの代用としても良い。

【００９９】図８は、その変形例に係わる熱交換ユニッ
ト１００の概念断面構成を示す図でり、図７における熱
交換ユニット１００と同等の部分には同一の符号を付し
ている。

【０１００】この変形例のユニットでは、水冷板１１０
ａの伝熱面表面のアルミナ溶射膜５１１ａの上に、例え
ばサーモモジュール５０の下面側接合板５０１ａと同程
度の厚さ（例えば、1 mm〜1.5mm）に銅を溶射した銅溶
射膜５１５を形成している。そして、この銅溶射膜５１
５を半田５１６，５１６′を介してサーモモジュール５
０のＮ型熱電素子５０２とＰ型熱電素子５０３に接合し
ている。

【０１０１】この構成によれば、銅溶射膜５１５をサー
モモジュール５０の下面側の接合板５０１ａとして代用
でき、図７に示すものと比べた場合、銅溶射膜５１２を
形成してからこれに接合板５０１ａを半田接合するとい
う工程を削減できる。

【０１０２】この他、本発明は、上記し、且つ図面に示
す実施形態に限定することなく、その要旨を変更しない
範囲内で適宜変形して実施できるものである。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱交換器の伝熱面表面の任意エリアに、熱電素子対を任
意の数だけ等密度に配置したため、熱電素子対及び熱交
換器の小型化が図れ、熱交換装置全体の小型化に寄与す
る。

【０１０４】また、本発明の熱電素子配置方法を適用す
ることにより、例えば、熱電素子対をその外周全周をＯ
リングで包囲して該Ｏリングと共に熱交換器間に締付ボ
ルトで締め付けて固定する機構を備えたものでは、熱電
素子対をＯリングの内側でかつ締付ボルト用の孔を避け
るエリア内に配置することで、熱電素子対及び熱交換器
を最大限まで小さくでき、熱交換装置全体をより小型化
できる。

【０１０５】また、本発明では、熱交換器内の流路を、
該熱交換器の伝熱面表面の熱電素子の配置エリアに対応
して巡らし、かつ隣接する流路間で互いに異なる方向に
流体を流し得る形状としたため、熱交換器の伝熱面表面
の温度分布を均一化できる。

【０１０６】また、本発明では、熱交換器の伝熱面表面
に絶縁性の溶射膜を形成すると共に、該絶縁性溶射膜上
に、電極板のパターンに対応する導電性の溶射膜を形成
し、導電性溶射膜と対向する電極板とを半田を介して接
合したため、熱電素子と熱交換器との接合を半田で金属
的に行うことができ、熱電素子と熱交換器の接触抵抗を
小さく抑えて熱交換効率を向上させることができる。

【０１０７】また、上記導電性溶射膜を例えば電極板相
当の厚さに形成し、該導電性溶射膜を電極板として代用
し、対向する熱電素子に半田を介して接合しても良く、
この場合には、導電性溶射膜を形成してからこれに電極
板を半田接合するという工程を削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる熱交換ユニットの上面図。

【図２】図１における熱交換ユニットの右側面図。

【図３】図２のＡ−Ａ線による断面図。

【図４】図２のＢ−Ｂ線による断面図。

【図５】本発明に係わる熱交換ユニットの水冷板の流路
の構造を示す図。

【図６】他の実施形態に係わる熱交換ユニットの水冷板
の熱電素子配置構造を示す図。

【図７】本発明に係わる熱交換ユニットの概念断面構成
を示す図。

【図８】変形例に係わる熱交換ユニットの概念断面構成
を示す図。

【図９】従来の熱交換ユニットの水冷板に対するサーモ
モジュールの配置構造を示す図。

【図１０】従来の熱交換ユニットの概念断面構成を示す
図。

【符号の説明】

１００，２００熱交換ユニット１１０ａ，２１０ａ熱交換器（水冷板）１１０ｂ熱交換器（熱交換板）１１１ａ，１１２ａ，１１３ａ，１１４ａ，１１５ａ，
１１６ａ，１１７ａ，１１８ａ，１１９ａねじ孔１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ，１１５ｂ，
１１６ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９ｂ，２２１，２
２２ボルト貫通孔１２１ａ，１２１ｂ流体入口１２２ａ，１２２ｂ流体出口１２５ａ放熱水の流路１２５ｂ循環水の流路１３１，１３２電極棒５０，２５０サーモモジュール５０１ａ，５０１ｂ，２５１接合板５０１Ｌリード電極用接合板５０２，５０３，２５１，２５２熱電素子６０，６１Ｏリング５１１ａ，５１１ｂアルミナ溶射層５１２，５１５銅溶射層５１３，５１６，５１６′ 半田５１４グリス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型素子、Ｎ型素子とこれらを接合する
電極板とにより構成される熱電素子対を対向する熱交換
器間に介在させて成る熱交換装置において、前記熱交換器の伝熱面表面の任意エリア内に、前記熱電
素子対を任意の数だけ等密度に配置したことを特徴とす
る熱交換装置。
【請求項２】前記熱電素子対をその外周全周をＯリン
グで包囲して該Ｏリングと共に前記熱交換器間に締付ボ
ルトで締め付け固定する機構を有し、前記熱電素子対を
前記Ｏリングの内側でかつ前記締付ボルト用の孔を避け
るエリア内に配置したことを特徴とする請求項１記載の
熱交換装置。
【請求項３】前記熱交換器は、熱交換対象の流体の流
路を有し、該流路は、当該熱交換器の伝熱面表面の前記
熱電素子対の配置エリアに対応して巡らされ、かつ隣接
する流路間で互いに異なる方向に流体を流し得る形状に
構成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換装
置。
【請求項４】前記熱交換器の伝熱面表面に絶縁性の溶
射膜を形成すると共に、前記絶縁性溶射膜上に、前記電極板のパターンに対応す
る導電性の溶射膜を形成し、前記導電性溶射膜と対向する電極板とを半田を介して接
合したことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項５】前記熱交換器の伝熱面表面に絶縁性の溶
射膜を形成すると共に、前記絶縁性溶射膜上に、前記電極板のパターンに対応し
かつ当該電極板相当の厚みを有する導電性の溶射膜を形
成し、前記導電性溶射膜を前記電極板として代用し、対向する
熱電素子に半田を介して接合したことを特徴とする請求
項１記載の熱交換装置。
【請求項６】前記熱電素子対をその外周全周をＯリン
グで包囲して該Ｏリングと共に前記熱交換器間に締付ボ
ルトで締め付け固定する機構を有し、前記絶縁性溶射膜
を、前記Ｏリングの内側でかつ前記締付ボルト用の孔を
避けるエリアを覆うように形成したことを特徴とする請
求項４または５記載の熱交換装置。
【請求項７】前記絶縁性溶射膜は酸化アルミニューム
を溶射して形成され、前記導電性溶射膜は銅を溶射して
形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか記
載の熱交換装置。