JP2009260303A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電モジュールの支持基板をなくす構成を採用することにより、熱抵抗を低減して吸熱量を増加させるとともに、熱応力を緩和させる構成を採用して高信頼性を有する熱交換装置を提供する。
【解決手段】熱交換装置は、熱電モジュールの放熱側１５あるいは吸熱側１２の少なくとも一方の電極は支持基板を備えなく、支持基板を備えない電極に高熱伝導性を有する絶縁性樹脂層１4を介して熱交換器が接合されているとともに、該熱交換器は第１絶縁性樹脂層を介して支持基板を備えない電極に接合される接合領域と、接合領域に隣接し該接合領域より突出して形成された非接合領域とからなるコルゲートフィン１３であり、接合領域は支持基板を備えない電極上に配置され、非接合領域は電極間の空隙部に配置され、かつ接合領域と非接合領域とが相隣接して交互に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、この熱電モジュールの放熱側あるいは吸熱側の少なくとも一方に熱交換器が接合された熱交換装置に関する。

従来より、Ｐ型半導体からなる熱電素子とＮ型半導体からなる熱電素子を隣り合わせて交互に配列し、これらの各熱電素子が直列に導電接続されるように、放熱側電極と吸熱側電極との間にハンダなどからなる接合金属により接合して構成された熱電モジュールは広く知られている。ところで、この種の熱電モジュールにおいては、放熱効率を向上させるために、放熱側基板や吸熱側基板に熱交換器を接合して熱交換装置として用いることが種々提案されている。

例えば、特許文献１（特開２００７−９３１０６号公報）にて提案された熱交換装置においては、図７に示すように、相対向して配置された一対の支持基板５１，５６を有する。これらの支持基板５１，５６の対向する内面間に複数の熱電素子５８が配列され、隣り合う熱電素子５８間を一対の電極５２，５７により電気的に連結して熱電モジュール５０ａとしている。そして、一対の支持基板５１，５６のうち、少なくとも一方の支持基板５６の外面側に合金層５５および接合材５４を介して接合されたコルゲートフィン５３を配設して熱交換装置５０としている。

この場合、コルゲートフィン５３は、支持基板５６の外面側に接合された複数の接合領域５３ａと、隣り合う２つの接合領域５３ａ，５３ａをつなぎ、熱電モジュール５０ａとは反対側に突出するように形成された熱交換領域５３ｂとを有し、接合領域５３ａの幅が、隣り合う接合領域５３ａ，５３ａ間の間隔よりも大きくなるようにしている。これにより、熱交換能力が高く、構造が複雑になることなく、信頼性が高い熱交換装置を得ることができる。

特開２００７−９３１０６号公報

しかしながら、上述した特許文献１で提案された熱交換装置を構成する熱電モジュールにおいては、一対の支持基板を有することが必須となる。この場合、支持基板は熱抵抗となるため、熱電モジュールの性能として必要となる最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が劣るという問題を生じた。

また、熱電素子は電極を介して一対の支持基板に接合された構造が採用されているため、熱電素子は支持基板に拘束されることとなる。これにより、熱電素子に対しての熱応力緩和が不充分となって、熱応力に対する信頼性も劣るという問題も生じた。

そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであって、熱電モジュールの支持基板をなくす構成を採用することにより、熱抵抗を低減して吸熱量を増加させるとともに、熱応力を緩和させる構成を採用して高信頼性を有する熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明の熱交換装置は、放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、当該熱電モジュールの放熱側あるいは吸熱側の少なくとも一方に熱交換器が接合されている。そして、上記目的を達成するため、熱電モジュールの放熱側あるいは吸熱側の少なくとも一方の電極は支持基板を備えなく、支持基板を備えない電極に高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層を介して熱交換器が接合されているとともに、該熱交換器は絶縁性樹脂層を介して支持基板を備えない電極に接合される接合領域と、接合領域に隣接し該接合領域より突出して形成された非接合領域とからなるコルゲートフィンであり、接合領域は支持基板を備えない電極上に配置され、非接合領域は電極間の空隙部に配置され、かつ接合領域と非接合領域とが相隣接して交互に形成されていることを特徴とする。

ここで、少なくとも一方の電極は支持基板を備えないことにより、熱抵抗が低減するので、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を大きくすることが可能となる。この場合、支持基板を備えない電極に高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層を介して熱交換器が接合されていると、この熱交換器が支持基板として機能することができるので、支持基板を省略することが可能となる。

そして、熱交換器は絶縁性樹脂層を介して支持基板を備えない電極に接合される接合領域と、この接合領域に隣接し接合領域より突出して形成された非接合領域とからなるコルゲートフィンであり、接合領域は支持基板を備えない電極上に配置され、非接合領域は電極間の空隙部に配置され、かつ接合領域と非接合領域とが相隣接して交互に形成されていると、コルゲートフィンに生じた熱応力は、電極間の空隙部に配置された非接合領域により吸収されることとなるので、熱応力負荷に対する信頼性が向上する。ここで、熱電モジュールの放熱側および吸熱側のいずれにも支持基板を備えなくすると、熱抵抗がさらに低減することとなるので、さらに最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を大きくすることが可能となる。

また、コルゲートフィンの接合領域の幅を当該接合領域間の空隙部の幅よりも大きくすると、熱電素子からの熱をコルゲートフィンに効率よく伝達できるようになるとともに、コルゲートフィンからの熱を熱電素子に効率よく伝達できるようになるので、熱交換効率が向上するので望ましい。また、高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層はポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂のいずれかから形成されるいるのが望ましい。この場合、絶縁性樹脂層中に高熱伝導性を有するフィラーが分散されていると、絶縁性樹脂層の熱伝導性がさらに向上するので望ましい。なお、フィラーはアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末のいずれかから選択して用いるのが望ましい。

本発明の熱交換装置においては、支持基板を備えない電極に高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層を介して熱交換器となるコルゲートフィンが接合されているので、このコルゲートフィンが支持基板として機能することができ、支持基板を省略することが可能となる。これにより、支持基板をなくすような構成とすることができ、熱抵抗が低減し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を大きくすることが可能となる。そして、コルゲートフィンの接合領域は支持基板を備えない電極上に配置され、非接合領域は電極間の空隙部に配置され、かつ接合領域と非接合領域とが相隣接して交互に形成されているので、コルゲートフィンに生じた熱応力は、電極間の空隙部に配置された非接合領域により吸収されることとなる。これにより、熱応力負荷に対する信頼性が向上した熱交換装置が得られることとなる。

本発明の第１実施例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。 本発明の第２実施例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。 本発明の第３実施例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。 本発明の第４実施例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。 図４に示す第４実施例の熱交換装置のコルゲートフィンの要部を示す図であり、図５（ａ）はコルゲートフィンの接合領域の１面に２列の電極が形成された状態を模式的に示す上面図であり、図５（ｂ）はコルゲートフィンの要部の断面を模式的に示す断面図である。 第４実施例の変形例の熱交換装置のコルゲートフィンの要部を示す図であり、図６（ａ）はコルゲートフィンの接合領域の１面に４列の電極が形成された状態を模式的に示す上面図であり、図６（ｂ）はコルゲートフィンの要部の断面を模式的に示す断面図である。 従来例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。

本発明の熱交換装置の実施の形態を以下に説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

１．第１実施例
本第１実施例の熱交換装置１０は、図１に示すように、支持基板１１と、この支持基板１１の下面に形成された放熱側電極１２と、吸熱側熱交換器となるコルゲートフィン１３と、このコルゲートフィン１３の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層１４を介して接合された吸熱側電極１５と、これらの両電極１２，１５間でハンダ接合層（接合金属）１６ａにより電気的に直列接続された多数の熱電素子１６とから構成されている。

なお、吸熱側電極１５の一端部にはリード線１７，１７を接続するための一対の端子部１５ａ，１５ａが形成されている。この場合、放熱側電極１２と、吸熱側電極１５と、これらの両電極１２，１５間で直列接続されるように接合金属１６ａにより接合された複数の熱電素子１６とで熱電モジュール１０ａが構成されることとなる。

ここで、支持基板１１は、高熱伝導性（熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ〜８Ｗ／ｍＫのものが望ましい）で接着性を有し、かつ電気絶縁性を有する厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。そして、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。

放熱側電極１２は、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなる。コルゲートフィン１３は、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている。そして、絶縁性樹脂層１４に接合される接合領域１３ａと、これらの相隣接する接合領域１３ａ間より下方（吸熱側電極１５の反対側）に突出して形成された非接合領域１３ｂとからなる。ここで、接合領域１３ａの幅（ｘ）は非接合領域１３ｂの絶縁性樹脂層１４側の幅（ｙ）よりも大きくなるように形成されている。

絶縁樹脂層１４は、高熱伝導性（熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ〜８Ｗ／ｍＫのものが望ましい）で接着性を有し、かつ電気絶縁性を有する厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。この場合も、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。

一方、吸熱側電極１５も放熱側電極１２と同様に、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなり、両電極１２，１５間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子１６が配置、接合されている。この場合、熱電素子１６はＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるものである。そして、これらがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎ・・・の順に電気的に直列に接続されるように、放熱側電極１２と吸熱側電極１５にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層１６ａ，１６ａが形成されている。なお、各熱電素子１６の両端部のハンダ付け面にはニッケルめっきが施されている。

熱電素子１６としては、室温で高い性能が発揮されるＢｉ-Ｔｅ（ビスマスーテルル）系の熱電材料からなる焼結体を用いのが望ましく、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅの３元素からなる材料を用い、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｓｅの４元素からなる材料を用いるのが好ましい。具体的には、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ_1.9Ｓｂ_0.1Ｔｅ_2.6Ｓｅ_0.4と表される組成のものを使用し、ホットプレス焼結法に形成されたものを用いるようにしている。

本第１実施例の熱交換装置１０においては、支持基板１１は放熱側の片側のみに用いているので、熱抵抗が低下して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上する。また、コルゲートフィン１３の接合領域１３ａ間に対応する箇所には、絶縁性樹脂層１４や吸熱側電極１５が存在することなく、空隙部が形成されているので、これらの空隙部により熱応力を吸収できる構造となる。これにより、熱応力に起因する熱電素子１６のひびや破損の発生が未然に防止でき、信頼性が向上した熱交換装置１０が得られるようになる。

〈熱交換装置１０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換装置１０の作製例を以下に説明する。まず、下面に放熱側電極１２が形成されたポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂製支持基板（厚みは１０〜１００μｍ）１１を用意する。また、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域１３ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）１４を介して吸熱側電極１５が接合されたコルゲートフィン１３を用意する。さらに、複数のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子１６を用意する。

ここで、放熱側電極１２および吸熱側電極１５は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、例えば、ＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパー）などにより、所定の厚み（例えば、７０〜２００μｍ）で所定の電極パターンとなるように形成されている。さらに、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子の先端部（長さ方向の両端部）にはニッケルメッキが施されている。

ついで、コルゲートフィン１３に形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極１５の上に、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子１６を交互に配列するとともに、これらの熱電素子１６の上に、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極１２が形成された絶縁樹脂製支持基板１１を配置する。そして、放熱側電極１２と、これらの下に配置された多数のＰ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子１６とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けするとともに、これらの多数の熱電素子１６と吸熱側電極１５とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けする。

これにより、放熱側電極１２と吸熱側電極１５との間にＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子１６がハンダ接合層１６ａ，１６ａを介して交互に直列接続されることとなる。この後、吸熱側電極１５の一端部に形成された一対の端子部１５ａ，１５ａにリード線１７，１７をハンダ付けにより接続することにより、熱交換装置１０が作製されることとなる。

２．第２実施例
上述した第１実施例の熱交換装置１０においては、吸熱側電極１５にコルゲートフィン１３を配置する例について説明したが、放熱側にもコルゲートフィンを配置するようにしてもよい。そこで、コルゲートフィンを吸熱側と放熱側の両方に配置するようにしたものを第２実施例の熱交換装置２０とした。この場合、本第２実施例の熱交換装置２０は、図２に示すように、上述した第１実施例の熱電モジュール１０ａと同様な熱電モジュール２０ａを備えている。

本第２実施例の熱交換装置２０は、放熱側熱交換器となる第１コルゲートフィン２１と、この第１コルゲートフィン２１の下面全面を被覆するように接合された銅膜あるいは銅合金膜からなる接合膜２２と、この接合膜２２の下面全面を被覆するように接着された高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層２３を介して接合された放熱側電極２４とを備えている。また、吸熱側熱交換器となる第２コルゲートフィン２５と、この第２コルゲートフィン２５の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層２６を介して接合された吸熱側電極２７とを備えている。そして、これらの両電極２４，２７間でハンダ接合層（接合金属）２８ａにより多数の熱電素子２８が電気的に直列接続されて熱電モジュール２０ａが形成されている。なお、吸熱側電極２７の一端部にはリード線２９，２９を接続するための一対の端子部２７ａ，２７ａが形成されている。

ここで、第１コルゲートフィン２１および第２コルゲートフィン２５は、上述したコルゲートフィン１３と同様な材質により形成されており、接合領域２１ａ（２５ａ）と、これらの相隣接する接合領域２１ａ（２５ａ）間より上方（下方）に突出して形成された非接合領域２１ｂ（２５ｂ）とからなる。ここで、接合領域２１ａ（２５ａ）の幅（ｘ）は非接合領域２１ｂ（２５ｂ）の絶縁性樹脂層２３（２６）側の幅（ｙ）よりも大きくなるように形成されている。この場合、接合領域２１ａには、銅膜あるいは銅合金膜からなり、第１コルゲートフィン２１の下面の全領域を被覆するようにして接合膜２２が接合されている。絶縁樹脂層２３，２６は、上述した絶縁樹脂層１４と同様な材質で、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。

この場合も、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。また、放熱側電極２４および吸熱側電極２７は、上述した放熱側電極１２および吸熱側電極１５と同様に、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、両電極２４，２７間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子２８が配置、接合されている。そして、放熱側電極２４と吸熱側電極２７にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層２８ａ，２８ａが形成されている。なお、熱電素子２８も上述した熱電素子１６と同様な組成のもので構成されている。

本第２実施例の熱交換装置２０においては、支持基板を用いていないので、熱抵抗が低下して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上する。また、コルゲートフィン２５の接合領域２５ａ間に対応する箇所には、絶縁性樹脂層２６や吸熱側電極２７が存在することなく、空隙部が形成されているので、これらの空隙部により熱応力が吸収できることとなる。これにより、熱応力に起因する熱電素子２８のひびや破損の発生が未然に防止でき、信頼性が向上した熱交換装置２０が得られるようになる。

〈熱交換装置２０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換装置２０の作製例を以下に説明する。
まず、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域２１ａに接合膜２２が接合され、さらに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）２３を介して放熱側電極２４が接合された第１コルゲートフィン２１を用意する。また、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域２５ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）２６を介して吸熱側電極２７が接合された第２コルゲートフィン２５を用意する。さらに、複数のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子２８を用意する。

ここで、放熱側電極２４および吸熱側電極２７は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、例えば、ＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパー）などにより、所定の厚み（例えば、７０〜２００μｍ）で所定の電極パターンとなるように形成されている。さらに、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子の先端部（長さ方向の両端部）にはニッケルメッキが施されている。

ついで、第２コルゲートフィン２５に形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極２７の上に、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子２８を交互に配列するとともに、これらの熱電素子２８の上に、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極２４が形成された第１コルゲートフィン２１を配置する。そして、放熱側電極２４と、これらの下に配置された多数のＰ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子２８とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けするとともに、これらの多数の熱電素子２８と吸熱側電極２７とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けする。

これにより、放熱側電極２４と吸熱側電極２７との間にＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子２８がハンダ接合層２８ａ，２８ａを介して交互に直列接続されることとなる。この後、吸熱側電極２７の一端部に形成された一対の端子部２７ａ，２７ａにリード線２９，２９をハンダ付けにより接続することにより、熱交換装置２０が作製されることとなる。

３．第３実施例
上述した第２実施例の熱交換装置２０においては、第１コルゲートフィン２１の下面全面を被覆するように接合膜２２が接合され、かつこの接合膜２２の下面全面を被覆するように絶縁樹脂層２３が配置されている。ところが、接合膜２２は設けることなく、コルゲートフィンの接合領域のみに絶縁樹脂層を配置するようにしてもよい。そこで、接合膜の配置を省略し、コルゲートフィンの接合領域のみに絶縁樹脂層を配置するようにしたものを第３実施例の熱交換装置３０とした。この場合、本第３実施例の熱交換装置３０は、図３に示すように、上述した第１実施例の熱電モジュール１０ａと同様な熱電モジュール３０ａを備えている。

本第３実施例の熱交換装置３０は、図３に示すように、放熱側熱交換器となる第１コルゲートフィン３１と、この第１コルゲートフィン３１の下面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層３２を介して接合された放熱側電極３３と、吸熱側熱交換器となる第２コルゲートフィン３４と、この第２コルゲートフィン３４の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層３５を介して接合された吸熱側電極３６とを備えている。そして、これらの両電極３３，３６間でハンダ接合層（接合金属）３７ａにより多数の熱電素子３７が電気的に直列接続されて熱電モジュール３０ａが形成されている。なお、吸熱側電極３６の一端部にはリード線３８，３８を接続するための一対の端子部３６ａ，３６ａが形成されている。

ここで、第１コルゲートフィン３１および第２コルゲートフィン３４は、上述したコルゲートフィン１３と同様な材質により形成されており、接合領域３１ａ（３４ａ）と、これらの相隣接する接合領域３１ａ（３４ａ）間より上方（下方）に突出して形成された非接合領域３１ｂ（３４ｂ）とからなる。ここで、接合領域３１ａ（３４ａ）の幅（ｘ）は非接合領域３１ｂ（３４ｂ）の絶縁性樹脂層３２（３５）側の幅（ｙ）よりも大きくなるように形成されている。絶縁樹脂層３２，３５は、上述した絶縁樹脂層１４と同様な材質で、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。

この場合も、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。また、放熱側電極３３および吸熱側電極３６は、上述した放熱側電極１２および吸熱側電極１５と同様に、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、両電極３３，３６間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子３７が配置、接合されている。そして、放熱側電極３３と吸熱側電極３６にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層３７ａ，３７ａが形成されている。なお、熱電素子３７も上述した熱電素子１６と同様な組成のもので構成されている。

本第３実施例の熱交換装置３０においては、支持基板を用いていないので、熱抵抗が低下して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上する。また、コルゲートフィン３１（３４）の接合領域３１ａ（３４ａ）間に対応する箇所には、絶縁性樹脂層３２（３５）や各電極３３（３６）が存在することなく、空隙部が形成されているので、これらの空隙部により熱応力を吸収できる構造となる。これにより、熱応力に起因する熱電素子３７のひびや破損の発生が未然に防止でき、信頼性が向上した熱交換装置３０が得られるようになる。

〈熱交換装置３０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換装置３０の作製例を以下に説明する。まず、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域３１ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）３２を介して放熱側電極３３が接合された第１コルゲートフィン３１を用意する。また、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域３４ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）３５を介して吸熱側電極３６が接合された第２コルゲートフィン３４を用意する。さらに、複数のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子３７を用意する。

ここで、放熱側電極３３および吸熱側電極３６は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、例えば、ＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパー）などにより、所定の厚み（例えば、７０〜２００μｍ）で所定の電極パターンとなるように形成されている。さらに、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子の先端部（長さ方向の両端部）にはニッケルメッキが施されている。

ついで、第２コルゲートフィン３４に形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極３６の上に、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子３７を交互に配列するとともに、これらの熱電素子３７の上に、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極３３が形成された第１コルゲートフィン３１を配置する。そして、放熱側電極３３と、これらの下に配置された多数のＰ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子３７とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けするとともに、これらの多数の熱電素子３７と吸熱側電極３６とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けする。

これにより、放熱側電極３３と吸熱側電極３６との間にＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子３７がハンダ接合層３７ａ，３７ａを介して交互に直列接続されることとなる。この後、吸熱側電極３６の一端部に形成された一対の端子部３６ａ，３６ａにリード線３８，３８をハンダ付けにより接続することにより、熱交換装置３０が作製されることとなる。

４．第４実施例
上述した各実施例の熱交換装置１０〜３０においては、コルゲートフィンの接合領域の１面に１列の電極（これらの場合は、１列に４個の電極とした）を配置する例について説明したが、接合領域の１面に配置する電極列は１列に限られず、複数列としてもよい。そこで、接合領域の１面に２列の電極列を配置するようにしたものを第４実施例の熱交換装置４０とした。この場合、本第４実施例の熱交換装置４０は、図４に示すように、上述した第１実施例の熱電モジュール１０ａと同様な熱電モジュール４０ａを備えている。

本第４実施例の熱交換装置４０は、図４に示すように、放熱側熱交換器となる第１コルゲートフィン４１と、この第１コルゲートフィン４１の下面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層４２を介して接合された放熱側電極４３と、吸熱側熱交換器となる第２コルゲートフィン４４と、この第２コルゲートフィン４４の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層４５を介して接合された吸熱側電極４６とを備えている。これらの両電極４３，４６間でハンダ接合層（接合金属）４７ａにより多数の熱電素子４７が電気的に直列接続されて熱電モジュール４０ａが形成されている。なお、吸熱側電極４６の一端部にはリード線４８，４８を接続するための一対の端子部４６ａ，４６ａが形成されている。

ここで、第１コルゲートフィン４１および第２コルゲートフィン４４は、上述したコルゲートフィン１３と同様な材質により形成されており、接合領域４１ａ（４４ａ）と、これらの相隣接する接合領域４１ａ（４４ａ）間より上方（下方）に突出して形成された非接合領域４１ｂ（４４ｂ）とからなる。ここで、接合領域４１ａ（４４ａ）には、図５（ａ）に示すように、接合領域の１面に２列の電極列が形成されるように、４個ずつの各電極４３（４６）が２列になるように形成されている。このため、これらの接合領域４１ａ（４４ａ）の幅（Ｘ＝２ｘ＋ｙ）は、上述した各実施例１〜３の接合領域１３ａ，２１ａ（２５ａ），３１ａ（３４ａ）の幅（ｘ）よりもｘ＋ｙだけ大きくなるように形成されている。

絶縁樹脂層４２，４５は、上述した絶縁樹脂層１４と同様な材質で、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。この場合も、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。また、放熱側電極４３および吸熱側電極４６は、上述した放熱側電極１２および吸熱側電極１５と同様に、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、両電極４３，４６間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子４７が配置、接合されている。

そして、放熱側電極４３と吸熱側電極４６にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層４７ａ，４７ａが形成されている。なお、熱電素子４７も上述した熱電素子１６と同様な組成のもので構成されている。

本第４実施例の熱交換装置４０においては、支持基板を用いていないので、熱抵抗が低下して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上する。また、コルゲートフィン４１（４４）の接合領域４１ａ（４４ａ）間に対応する一部の箇所には、絶縁性樹脂層４２（４５）や各電極４３（４６）が存在しない空隙部が形成されることとなるので、これらの空隙部により熱応力を吸収できる構造となる。これにより、熱応力に起因する熱電素子４７のひびや破損の発生が未然に防止でき、信頼性が向上した熱交換装置４０が得られるようになる。

〈熱交換装置４０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換装置４０の作製例を以下に説明する。まず、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域４１ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）４２を介して放熱側電極４３が接合された第１コルゲートフィン４１を用意する。また、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、接合領域４４ａに絶縁樹脂層（厚みは１０〜１００μｍ）４５を介して吸熱側電極４６が接合された第２コルゲートフィン４４を用意する。さらに、複数のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子４７を用意する。

ここで、放熱側電極４３および吸熱側電極４６は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、例えば、ＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパー）などにより、所定の厚み（例えば、７０〜２００μｍ）で所定の電極パターンとなるように形成されている。そして、これらの接合領域４１ａおよび接合領域４４ａには、図５（ａ）に示すように、接合領域の１面に４個ずつの各電極４３（４６）が２列になるように形成されている。さらに、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子の先端部（長さ方向の両端部）にはニッケルメッキが施されている。

ついで、第２コルゲートフィン４４に形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極４６の上に、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子４７を交互に配列するとともに、これらの熱電素子４７の上に、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極４３が形成された第１コルゲートフィン４１を配置する。そして、放熱側電極４３と、これらの下に配置された多数のＰ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子４７とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けするとともに、これらの多数の熱電素子４７と吸熱側電極４６とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けする。

これにより、放熱側電極４３と吸熱側電極４６との間にＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子４７がハンダ接合層４７ａ，４７ａを介して交互に直列接続されることとなる。この後、吸熱側電極４６の一端部に形成された一対の端子部４６ａ，４６ａにリード線４８，４８をハンダ付けにより接続することにより、熱交換装置４０が作製されることとなる。

（変形例）
上述した第４実施例の熱交換装置４０においては、接合領域の１面に２列の電極列を配置する例について説明したが、接合領域の１面に配置する電極列は２列に限らず、複数列としてしてもよい。そこで、本変形例の熱交換装置４０Ａにおいては、図６（ａ）に示すように、接合領域の１面に４列の電極列が形成されるように、４個ずつの各電極４３（４６）が４列になるように形成するようにしている。なお、これらの第１コルゲートフィン４１および第２コルゲートフィン４４は、上述したコルゲートフィン１３と同様な材質により形成されており、接合領域４１ａ（４４ａ）と、これらの相隣接する接合領域４１ａ（４４ａ）間より上方（下方）に突出して形成された非接合領域４１ｂ（４４ｂ）とからなる。この場合、これらの接合領域４１ａ（４４ａ）の幅（Ｘ＝４ｘ＋３ｙ）は、上述した各実施例１〜３の接合領域１３ａ，２１ａ（２５ａ），３１ａ（３４ａ）の幅（ｘ）よりも３ｘ＋３ｙだけ大きくなるように形成されている。

５．評価試験
（１）性能評価（最大吸熱量）
ついで、上述のように構成される各熱交換装置１０，２０，３０，４０，４０Ａ、および従来例の熱交換装置５０（図７参照）を用いて、性能評価の指標となる最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を以下のようにして求めた。即ち、まず、熱交換装置１０，２０，３０，４０，４０Ａ，５０を用いて試験用の熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘを作製した。ついで、これらの熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘをベルジャー内において、各熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘを熱容量が大きい均熱銅板に挟み、各コルゲートフィンと均熱銅板との接触部分にシリコングリースを塗布し、雰囲気を真空にして行った。これにより、下記の表１に示すような結果が得られた。

この場合、Ｐ型半導体化合物素子としてはＢｉ_0.4Ｓｂ_1.6Ｔｅ₃と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としてはＢｉ_1.9Ｓｂ_0.1Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3と表される組成のものを使用し、これらを液体急冷法によって作製した箔状粉末をホットプレス法によりバルク化し、１．５ｍｍ（長さ）×１．５ｍｍ（幅）×１．０ｍｍ（高さ）の寸法になるように切断して形成したものを１００対にして使用した。また、また、各電極１２，１５，２４，２７，３３，３６，４３，４６は厚みが１２０μｍで、１つの電極は１．８ｍｍ×３ｍｍの大きさになるようにパターン形成したものを用いた。さらに、各コルゲートフィン１３，２１，２５，３１，３４，４１，４４は銅製で４０ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅）×１０ｍｍ（高さ）の寸法になるように形成したものを使用した。

そして、上述した第１実施例の熱交換装置１０においては、支持基板１１および絶縁樹脂層１４をポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂にアルミナ粉末をフィラーとして分散させて、厚みが２０μｍになるように形成し、熱交換装置Ａ１（ポリイミド樹脂）、熱交換装置Ａ２（エポキシ樹脂）とした。また、上述した第２実施例の熱交換装置２０においては、絶縁樹脂層２３，２６をポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂にフィラーとしてアルミナ粉末、あるいはアルミナ粉末が５０％（体積率）で窒化アルミニウム粉末が５０％（体積率）となる混合粉末を分散させて、厚みが２０μｍになるように形成し、熱交換装置Ｂ１（ポリイミド樹脂、フィラー：アルミナ）、Ｂ２（エポキシ樹脂、フィラー：アルミナ）、Ｂ３（エポキシ樹脂、フィラー：アルミナ粉末５０％，窒化アルミニウム粉末５０％）とした。

また、上述した第３実施例の熱交換装置３０においては、絶縁樹脂層３２，３５をエポキシ樹脂あるいはポリイミド樹脂にアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末をフィラーとして分散させて、厚みが２０μｍになるように形成し、熱交換装置Ｃ１（エポキシ樹脂、フィラー：アルミナ），Ｃ２（エポキシ樹脂、フィラー：窒化アルミニウム），Ｃ３（エポキシ樹脂、フィラー：酸化マグネシウム）とするとともに、熱交換装置Ｃ４（ポリイミド樹脂、フィラー：アルミナ），Ｃ５（ポリイミド樹脂、フィラー：窒化アルミニウム），Ｃ６（ポリイミド樹脂、フィラー：酸化マグネシウム）とした。

また、上述した第４実施例の熱交換装置４０においては、絶縁樹脂層４２，４５をエポキシ樹脂あるいはポリイミド樹脂に、フィラーとしてアルミナ粉末が５０％（体積率）で窒化アルミニウム粉末が５０％（体積率）となるように分散させて、厚みが２０でμｍになるように形成し、熱交換装置Ｄ１（エポキシ樹脂）、Ｄ２（ポリイミド樹脂）とした。

また、上述した第４実施例の変形例となる熱交換装置４０Ａにおいては、絶縁樹脂層４２，４５をポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂に、フィラーとしてアルミナ粉末が５０％（体積率）で酸化マグネシウム粉末が５０％（体積率）となるように分散させて、厚みが２０でμｍになるように形成し、熱交換装置Ｅ１（ポリイミド樹脂）、Ｅ２（エポキシ樹脂）とした。さらに、上述した従来例（図７参照）の熱交換装置５０においては、支持基板５１，５６をエポキシ樹脂にアルミナ粉末をフィラーとして分散させて、厚みが２０μｍになるように形成し、熱交換装置Ｘとした。

上記表１の結果から明らかなように、本発明の各実施例の熱交換装置１０，２０，３０，４０，４０Ａを用いて作製した熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２は、従来例の熱交換装置５０を用いて作製した熱交換装置Ｘよりも最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上していることが分かる。これは、支持基板を用いないか、用いても片側のみとしたことにより、熱抵抗が低下したためと考えられる。
（２）信頼性評価（ＡＣＲ変化率）

また、上述のように構成される各熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘを用いて、信頼性評価の指標となる交流抵抗値（ＡＣＲ）の変化率（増加率）を以下のようにして求めた。この場合、まず、湿度が９５％で、温度が３０℃の環境下で、各熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘの上部と下部との間の温度差が１０℃から９０℃になるように２分間で昇温させ、この温度を１分間保持した後、この温度が９０℃から１０℃になるまで３分間で降温させるという温度サイクルを１０００００サイクル繰り返して行った。

そして、１万、２万、４万、６万、８万、１０万サイクル後に、各熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘの交流抵抗値（ＡＣＲ）を測定し、温度サイクル前のＡＣＲとの比率（変化率）を求めると下記の表２に示すような結果が得られた。また、１万、２万、４万、６万、８万、１０万サイクル後に、各熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２，Ｘの最大吸熱量（Ｑｍａｘ）も測定し、温度サイクル前の最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との比率（変化率）を求めると下記の表２に示すような結果が得られた。

上記表２の結果から明らかなように、上述のような熱サイクルが６万サイクルを越えるようになると、本発明の各実施例の熱交換装置１０，２０，３０，４０，４０Ａを用いて作製した熱交換装置Ａ１〜Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ２，Ｅ１〜Ｅ２は、従来例の熱交換装置５０を用いて作製した熱交換装置Ｘよりも、ＡＣＲ変化率（％）およびＱｍａｘ変化率（％）が小さくなっていることが分かる。これは、支持基板を用いないか、用いても片側のみとし、かつ各電極１５間、電極２７間、電極３３間、電極３６間、電極４３間および電極４６間に空隙部が形成されていることにより、熱応力を吸収できるような構造となったためと考えられる。

なお、上述した実施の形態においては、合成樹脂材料としてポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂を用いる例について説明したが、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂以外のアラミド樹脂、ＢＴ樹脂（ビスマレイミド・トリアジン樹脂）などを用いるようにしても、上述と同様のことがいえる。
また、上述した実施の形態においては、フィラー材料としてアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末のいずれかを用いる例について説明したが、フィラー材料としてはこれらに限ることなく、熱伝導性が良好な材料であれば、カーボン粉末、炭化ケイ素、窒化ケイ素などを用いるようにしてもよい。また、フィラー材料は１種類だけでもよいが、これらの２種類以上を混合して用いるようにしてもよい。さらに、フィラーの形状は球状、針状またはこれらの混合でも効果がある。

１０…第１実施例の熱交換装置、１０ａ…熱電モジュール、１１…支持基板、１２…放熱側電極、１３…コルゲートフィン、１３ａ…接合領域、１３ｂ…非接合領域、１４…絶縁樹脂層、１５…吸熱側電極、１５ａ…端子部、１６…熱電素子、１６ａ…ハンダ接合層、１７…リード線、２０…第２実施例の熱交換装置、２０ａ…熱電モジュール、２１…第１コルゲートフィン、２１ａ…接合領域、２１ｂ…非接合領域、２２…接合膜、２３…絶縁樹脂層、２４…放熱側電極、２５…第２コルゲートフィン、２５ａ…接合領域、２５ｂ…非接合領域、２６…絶縁樹脂層、２７…吸熱側電極、２７ａ…端子部、２８…熱電素子、２８ａ…ハンダ接合層、２９…リード線、３０…第３実施例の熱交換装置、３０ａ…熱電モジュール、３１…第１コルゲートフィン、３１ａ…接合領域、３１ｂ…非接合領域、３２…絶縁樹脂層、３３…放熱側電極、３４…第２コルゲートフィン、３４ａ…接合領域、３５…絶縁樹脂層、３６…吸熱側電極、３６ａ…端子部、３７…熱電素子、３７ａ…ハンダ接合層、３８…リード線、４０…第４実施例の熱交換装置、４０ａ…熱電モジュール、４１…第１コルゲートフィン、４１ａ…接合領域、４１ｂ…非接合領域、４２…絶縁樹脂層、４３…放熱側電極、４４…第２コルゲートフィン、４４ａ…接合領域、４５…絶縁樹脂層、４６…吸熱側電極、４６ａ…端子部、４７…熱電素子、４７ａ…ハンダ接合層、４８…リード線、４０Ａ…第４実施例の変形例の熱交換装置

Claims (6)

1. 放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、当該熱電モジュールの放熱側あるいは吸熱側の少なくとも一方に熱交換器が接合された熱交換装置であって、
   前記熱電モジュールの前記放熱側あるいは前記吸熱側の少なくとも一方の電極は支持基板を備えなく、
   前記支持基板を備えない電極に高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層を介して前記熱交換器が接合されているとともに、
   前記熱交換器は前記絶縁性樹脂層を介して前記支持基板を備えない電極に接合される接合領域と、前記接合領域に隣接し該接合領域より突出して形成された非接合領域とからなるコルゲートフィンであり、
   前記接合領域は前記支持基板を備えない電極上に配置され、前記非接合領域は前記電極間の空隙部に配置され、かつ前記接合領域と前記非接合領域とが相隣接して交互に形成されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 前記接合領域の両方は前記支持基板を備えない電極上に配置されて、前記非接合領域は前記電極間の空隙部に配置され、かつ前記接合領域と前記非接合領域とが相隣接して交互に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記コルゲートフィンの接合領域の幅は当該接合領域間の空隙部の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換装置。
4. 前記高熱伝導性で接着性を有する絶縁性樹脂層はポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換装置。
5. 前記絶縁性樹脂層中に高熱伝導性を有するフィラーが分散されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換装置。
6. 前記フィラーはアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末のいずれかから選択されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。

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