JP4663469B2

JP4663469B2 - 熱交換装置

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Publication number: JP4663469B2
Application number: JP2005283005A
Authority: JP
Inventors: 浩一長崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2007093106A

Description

本発明は、ペルチェ効果を利用して冷却、加熱、発電等に好適に使用される熱電モジュールに関する。

従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、冷却用途などの熱電モジュールとして恒温槽、冷蔵庫、半導体製造装置等に使用されている。また、電流を反転させることで冷却と加熱の両方が可能であるため、冷温庫や空調機としても使用されている。

図１は、従来の熱電モジュールを示す一部破断斜視図である。図１に示すように、この熱電モジュールは、対向して配置された一対の支持基板１ａ、１ｂを有し、これらの支持基板１ａ、１ｂの対向する内面間に複数の熱電素子３ａ、３ｂが配列され、隣り合う熱電素子３ａ、３ｂ間を電極２ａ、２ｂにより電気的に連結したものであり、リード線４を通じて電力が供給される構造を有している。

このような熱電モジュールを備えた冷却装置としては、フィンプレートと受熱ブロックの間にペルチェ効果を有する熱電モジュールを挟み込んでこれらをスタッドボルトにより一体化したもの（特許文献１参照）、ペルチェ素子に接続される熱交換器の形状を変更し、熱効率を高めたもの（特許文献２参照）、熱交換器としてコルゲートフィンを用いた熱電装置（特許文献３参照）等がある。
特開平９−１１３０５８号公報特開平７−１９８２８４号公報特開平２−２８８３７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置においては、熱電モジュールとフィンとの
熱抵抗が高いために冷却効率が低くなるばかりでなく、スタッドボルトからの熱の逆流が避けられず、十分な冷却性能を得ることができなかった。しかも、スタッドボルト等によって熱電モジュールを部分的に強固に固定すると、複雑な構造になるばかりか、機械的な歪みや熱的な歪みが発生し、信頼性の低いものとなる。

また、特許文献２に記載の熱交換器においては、フィンピッチが２〜４ｍｍのため、複数のフィンを持った熱交換器を得るためには大型のものとなるため、小型で高性能なものを得るのは困難である。

さらに、特許文献３に記載の熱電装置においては、フィンと熱電基板が熱的に接触しているだけであり、また、フィンの形状もコルゲートフィンの長さを適宜設定するだけであり、熱効率の改善には限界があった。

したがって、本発明の目的は、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提供することにある。

本発明の熱交換装置は、対向して配置された一対の支持基板を有し、これらの支持基板の対向する内面間に複数の熱電素子が配列され、隣り合う熱電素子間を電極により電気的に連結した熱電モジュールと、前記一対の支持基板のうち、少なくとも一方の支持基板の外面側に配設されたコルゲートフィンとを備えた熱交換装置において、前記コルゲートフィンは、前記支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う２つの前記接合領域をつなぎ、前記熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、前記接合領域の幅が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きく、かつ前記コルゲートフィンは、前記熱電モジュールに接合材により接合されており、該接合材は、前記接合領域と前記支持基板の外面との間に充填され、大きさが０．００１〜２ｍｍの球状で前記接合材の体積に対して占める割合が０．０１〜６０パーセントの空隙が存在することを特徴とする。

また、本発明における前記複数の接合領域は、前記複数の熱電素子にほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているのがよい。

さらに、前記熱交換領域における対向する内面間の最大間隔が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいのが好ましく、前記熱交換領域は、対向する内面間の間隔が前記支持基板から遠ざかるにつれて大きくなるのがより好ましい。

本発明における前記支持基板は樹脂層を含んでいるのがよく、前記樹脂層はアルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるのがよい。

本発明の熱交換装置よれば、コルゲートフィンが、支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う２つの接合領域をつなぎ、熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、接合領域の幅が隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいので、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を大きくすることができる。これにより、熱交換効率を高め、十分な放熱性を確保し、熱応力を低下させることができる。また、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を大きくすることで、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接合強度を高めることができる。したがって、本発明によれば、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。

また、コルゲートフィンが熱電モジュールに接合材により接合されており、接合材がコルゲートフィンと支持基板の外面との間に部分的に充填されているときには、コルゲートフィンと支持基板の外面との間の全域に充填されている場合と比較して、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができる。これにより、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を低減するとともに、発生した熱応力を分散し吸収することができるので、より信頼性の高い熱交換装置とすることができる。具体的には、接合材が接合領域と支持基板の外面との間にのみ充填されているとき、すなわちコルゲートフィンの形状を利用して接合材を接合領域に対応する部分にのみ充填するときには、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を均一に分散し低減させることができるので、より信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。また、他の具体例として、接合領域と支持基板の外面との間に接合材が充填されており、かつ、空隙が存在するときには、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができ、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。

また、複数の接合領域が複数の熱電素子にほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているときには、各熱電素子からの熱をコルゲートフィンの対応する接合領域に効率よく伝達することができるので、熱交換効率をより向上させることができる。

さらに、熱交換領域における対向する内面間の最大間隔が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいとき、熱交換領域における対向する内面間の間隔が支持基板から遠ざかるにつれて大きくなるときには、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を確保しつつ、熱交換領域の表面積を増加させることができるので、熱交換効率をより向上させることができる。

また、支持基板が樹脂層を含むとき、さらには樹脂層がアルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるときには、高い効率を確保しつつ、熱応力の発生も少ない信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、放熱特性及び耐久特性が優れた熱交換装置が得られ、本発明の熱交換装置を用いて冷温庫、空調機等に用いることで冷却効率が高く、高温高湿の環境下でも長期間使用することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態にかかる熱交換装置について図面を参照し詳細に説明する。図２は本実施形態にかかる熱交換装置を示す断面図である。図３はこの熱交換装置に用いられているコルゲートフィンを示す断面図である。図２及び図３に示すように、本実施形態にかかる熱交換装置は、対向して配置された一対の支持基板１ａ、１ｂを有し、これらの支持基板１ａ、１ｂの対向する内面間に複数の熱電素子３ａ、３ｂが配列され、隣り合う熱電素子３ａ、３ｂ間を電極２により電気的に連結した熱電モジュール６と、一対の支持基板１ａ、１ｂのうち、一方の支持基板１ａの外面側に配設されたコルゲートフィン７とを備えている。

支持基板１ａの外面とコルゲートフィン７との間には、支持基板１ａとコルゲートフィン７との接合が容易になるように、金属層５が配設されている。この金属層５としては、Ｃｕ等のメッキを施した金属板であってもよく、Ｃｕ板などを熱間接合したものであってもよい。

コルゲートフィン７は、支持基板１ａの外面側に接合された複数の接合領域７ａと、隣り合う２つの接合領域７ａ、７ａをつなぎ、熱電モジュール６とは反対側に凸の形状である熱交換領域７ｂとを有している。

本実施形態にかかる熱交換装置は、接合領域７ａの幅ａが隣り合う接合領域７ａ、７ａ間の間隔ｂよりも大きくなるように設計されているので、高い信頼性を備えている。すなわち、コルゲートフィン７と熱電モジュール６との接触面積（接合面積）を大きくすることができるので、熱交換効率が高まって十分な放熱性を確保して熱応力を低下させることができる。また、コルゲートフィン７と熱電モジュール６との接合面積を大きくすることで、コルゲートフィン７と熱電モジュール６との接合強度を高めることができる。

ここで、接合領域７ａの幅ａと接合領域７ａ、７ａ間の間隔ｂは、ａ＞ｂ（すなわち、（ａ／ｂ）＞１）の関係を満足すれば本発明の効果を得ることができるが、好ましくは（ａ／ｂ）≧１．５とするのがよく、より好ましくは（ａ／ｂ）≧２とするのがよい。これにより、熱電モジュール６の放熱性が大幅に向上し、熱交換装置の効率をさらに高めることが可能になるとともに、接合面積が増加することによる高い接合強度を得ることができる。一方で、（ａ／ｂ）＞１０になると、熱電モジュール６とコルゲートフィン７の間に発生する熱応力が大きくなるおそれがあり、信頼性が若干低下する傾向にある。したがって、最も好ましい範囲は、２≦（ａ／ｂ）≦１０である。一方、接合領域７ａの幅ａと接合領域７ａ、７ａ間の間隔ｂとが（ａ／ｂ）≦１である場合には、放熱性及び接合強度を向上させることができず、熱交換効率及び信頼性を高めることはできない。

このような本実施形態にかかる熱交換装置では、熱電素子３ａ、３ｂによって生じた吸熱あるいは放熱をコルゲートフィン７に効率よく伝熱することができる。このとき、コルゲートフィン７の熱交換領域７ｂに空気や液体などの熱交換媒体を流すことによって、この熱交換媒体を冷却あるいは加熱して、空調機などとして使用することが可能になる。また、コルゲートフィン７を直接断熱された空間に入れることで冷温庫を容易に作製できる。

なお、図２に示す本実施形態にかかる熱交換装置では、コルゲートフィン７が一方の支持基板１ａの外面に配置されている形態を示しているが、本発明では他方の支持基板１ｂの外面にもコルゲートフィン７を配設してもよい。このような構造にすることにより、冷却及び加熱の両方に利用可能な熱交換装置を実現することができる。

ここで、本実施形態において「接合領域」とは、コルゲートフィン７における接合材８との接触部位のことをいう。「接合領域の幅」とは、コルゲートフィン７と接合材８とが接している界面を支持基板１ａ（又は１ｂ）に投影したときの両端の幅のことをいう。また、この「両端の幅」とは、熱交換領域７ｂの流路（熱交換媒体が通過する流路）に略垂直な方向の長さをいう。また、「接合領域間の間隔」とは、隣り合う２つの接合領域の端部間の間隔のことをいう。すなわち、隣り合う２つの接合領域の端部を支持基板１ａ（又は１ｂ）にそれぞれ投影したときの間隔であって、熱交換領域７ｂの流路（熱交換媒体が通過する流路）に略垂直な方向の長さをいう。

コルゲートフィン７は、接合材８により熱電モジュール６に接合されている。接合材８は、コルゲートフィン７と支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間に、部分的に充填されているのがよい。これにより、コルゲートフィン７と金属板５との間の全域に充填されている場合と比較して、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができるので、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を低減するとともに、発生した熱応力を分散し吸収することができる。

ここで、本実施形態において「部分的に充填する」とは、例えば、接合材８を接合領域７ａと支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間にのみに充填する形態（図２に示すように接合領域間には接合材８が存在しない形態）や、接合領域７ａと支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間に接合材８を充填し、かつ、接合領域７ａと金属層５との間に空隙を設けること等をいう。ここでいう「空隙」とは、金属層５からコルゲートフィン７まで通じる大きな空隙であってもよく、また、接合材８中に分散する複数の小さな空隙であってもよい。

前者の場合、すなわち図２に示すように接合材８を接合領域７ａと支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間にのみに充填する形態の場合、コルゲートフィン７を支持基板１ａへ投影したときの投影面積ｃに対して、コルゲートフィン７と金属層５との間に充填された接合材８を支持基板１ａに投影したときの投影面積ｄの割合は、好ましくは（ｄ／ｃ）≧１０％、より好ましくは（ｄ／ｃ）≧３０％に設定されるのがよい。一方、（ｄ／ｃ）＝１００％になる場合、すなわちコルゲートフィン７と支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間の全域に接合材８が充填される場合は、応力が緩和されにくく、信頼性が低下する恐れがあるので好ましくない。したがって、（ｄ／ｃ）比は１０〜９５％の範囲であるのがよく、さらに好ましくは３０〜９０％の範囲であるのがよい。

後者の場合、すなわち接合領域７ａと金属層５との間に接合材８を充填し、かつ、接合領域７ａと金属層５との間に空隙を設ける場合には、熱電モジュール６とコルゲートフィン７の間に発生する熱応力を、より細かく分散させることができ、きわめて信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。また、空隙ｅの大きさは、０．００１〜２ｍｍの直径を持つ略球状が良く、より好ましくは０．０１〜１ｍｍが良い。また、空隙ｅの数は、特に限定されるものではなく、少なくとも１つ以上あることで熱応力を緩和する効果を得ることができる。接合材８の体積に対して空隙ｅが占める割合は０．０１〜６０％、好ましくは１〜５０％であるのがよい。この空隙ｅの割合がこの範囲であることにより、適度な応力緩和効果と接合強度を維持することができる。

また、複数の接合領域７ａが複数の熱電素子３ａ、３ｂにほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているとき（図示せず）には、各熱電素子からの熱を対応する接合領域に効率よく伝達することができるので、熱交換効率をより向上させることができる。また、熱電モジュール６とコルゲートフィン７の間に発生する熱応力を、分散させることができ、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。

ここで、本発明において「ほぼ対向する位置にそれぞれ配置されている」とは、１つの接合領域７ａと１つの熱電素子３ａ（又は３ｂ）とが１対１でほぼ対向する位置に配置されている形態、１つの接続領域７ａと複数の熱電素子３ａ，３ｂとが１対複数でほぼ対向する位置に配置されている形態、複数の接合領域７ａと１つの熱電素子３ａ（又は３ｂ）とが複数対１でほぼ対向する位置に配置されている形態などをいう。具体的には、例えば、１つの接合領域７ａと２つの熱電素子３ａ、３ｂとが１対２でほぼ対向する位置に配置されている形態が挙げられる。この形態では、１つの接合領域７ａと１つの電極２とが１対１でほぼ対向する位置に配置されることになるので、熱交換効率の点でより好ましい。

また、熱交換領域７ｂにおける対向する内面間の最大間隔ｈを、隣り合う接合領域７ａ、７ａ間の間隔ｂよりも大きくすることによって、熱交換領域７ｂの表面積を大きくすることができるので、熱電モジュール６の放熱性が大幅に向上し、効率の高い熱交換装置を得ることができる。具体的には、熱交換領域７ｂの最大間隔ｈに対して隣り合う接合領域７ａ、７ａ間の間隔ｂの比（ｈ−ｂ）／ｂを１％以上とするのがよいが、１５０％を越えると熱電モジュール６の放熱性が低下する傾向にあるので、より好ましくは１〜１５０％の範囲であるのがよく、さらに好ましくは５〜５０％の範囲であるのがよい。

本実施形態では、熱交換領域７ｂは、対向する内面間の間隔が支持基板１ａから遠ざかるにつれて大きくなるように形成されている。これにより、熱電モジュール６の放熱性が大幅に向上し、効率の高い熱交換装置を得ることができる。このとき、熱交換領域７ｂの内面の傾斜角度ｊは、支持基板１ａ（又は１ｂ）に垂直な直線に対して１°以上傾斜しているのがよいが、傾斜角度が５０°を越えると熱電モジュール６の放熱性が低下する傾向にあるので、１〜５０°の範囲が良く、さらに好ましくは２〜１０°の範囲が良い。

また、支持基板１ａ，１ｂは樹脂層を含んでいてもよい。すなわち、支持基板１ａ，１ｂとして樹脂板を用いてもよく、また、金属やセラミックスからなる基板に樹脂層を積層したものを支持基板１ａ，１ｂとして用いてもよい。さらに、樹脂層は、アルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるのがよい。これにより、高い絶縁性と効率を確保しつつ、熱応力の発生も少ない信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。

樹脂層１０の厚みは、５００μｍ以下とするのが良いが、安定した絶縁性を確保するためには１０μｍ以上が好ましい。したがって、樹脂層１０の厚みは１０〜５００μｍが良く、さらに好ましくは、５０〜２００μｍが良い。また、この樹脂層１０として熱硬化性樹脂を用いる場合には、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール等の各種樹脂を用いることができ、これらは高温下でも化学的に安定して使用可能である。しかし、ポリ塩化ビニール、アクリル樹脂、ポリアセタール樹脂等の熱可塑性樹脂を支持基板１ａ，１ｂの樹脂層に用いた場合、特に高温下での強度や絶縁性が劣ることがあるため、好ましくない。

また、アルミナセラミックス１１の粒径は２０〜１００μｍが適切であり、これによって、樹脂層１０の強度を高めると共に、熱伝導性も高め、放熱特性を向上することができる。

コルゲートフィン７を構成する材料としては、公知のものが使用でき、特に限定されるものではないが、例えば熱伝導性の高い銅、無酸素銅、リン青銅などを用いることができる。また、耐食性に優れたアルミニウム製のフィンであってもよい。

また、コルゲートフィンを例えば図２に示すような形状に成形するには、雌型を使ったプレス成形や押出成形または鍛造などの方法を用いることができる。

以下、本実施形態にかかる熱電モジュール６の製造方法について説明する。まず、公知の技術で作製された熱電材料からなる熱電素子３ａ，３ｂを準備する。この熱電材料は、ビスマス、テルル系材料が高い熱電特性を得られる点で好ましい。また、熱電材料としては、一度溶融させて固化した溶製材料、合金粉末を粉砕しホットプレス等で焼結させた焼結材料、ブリッジマン法などにより一方向に凝固させた単結晶材料などを使用することができるが、特に単結晶材料が高性能である点で好ましい。熱電素子の作製方法は、インゴットをスライスして、ニッケルなどでメッキ、蒸着、溶射などにより反応防止層を形成した後、ダイシング加工を行い、素子を得る方法がある。また、単結晶状の棒に耐環境性を有するエポキシ樹脂などの耐メッキ性の樹脂をコーティングした後、切断し、電解メッキ、無電界メッキなどで切断面のみにニッケルを成膜させる方法がコストと水分による腐食をさらに防止する上で好ましい。また、ニッケル層の上にＳｎまたはＡｕの層を配設することが連結部材との連結性を高める上で好ましい。

次に、前述した支持基板１ａ、１ｂを準備する。本発明では、支持基板１ａ、１ｂは熱硬化性樹脂等から成る樹脂層１０を含むことが好ましい。支持基板１の主面に電極２を形成する方法としては、公知の方法が適宜使用できるが、熱圧着による接着が容易であるため望ましい。接着強度を高めるために接着剤をコーティングする方法など施しても良い。これらの面に金属板および電極を接着した後に片面あるいは両面をフォトレジスト法によりパターンエッチングを行い、電極が金属配線された絶縁基板が得られる。パターンエッチングする金属としてはアルミニウムまたは銅がよく、特に銅が熱伝導率及び電気伝導性も高いため好ましい。さらに支持基板１の外面側には、電極２と同様の方法で、金属層５を形成しておくのがよい。

次に、熱電素子３ａ、３ｂと支持基板１ａを接合する。まず、支持基板１ａに形成した電極２の表面にはんだを配列する。はんだを配列する方法はいくつかあるが、スクリーン印刷法により配列する方法が容易である。ついで、はんだが配列された電極２の表面に熱電素子３ａ、３ｂを配列する。熱電素子３ａ、３ｂはＮ型とＰ型の２種類の素子であり、これらを千鳥状に配列する。接合する方法としては公知の技術であればいずれでも良いが、Ｎ型およびＰ型それぞれを別々に振動させながら配列穴加工された冶具に振り込む振込み式で配列させた後、転写し絶縁基板上に配列する方法が簡便で好ましい。ついで、電極２を配列した支持基板１ｂを準備し、上記と同様にして電極２の表面にはんだを配列する。この支持基板１ｂを熱電素子３ａ、３ｂの他方側の端部に設置する。配置された熱電素子を挟んだ支持基板１ａ、１ｂを公知の技術によりはんだ接合する。はんだ接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱などいずれでも良いが、支持基板１ａ、１ｂに樹脂を用いる場合、上下面に応力をかけながら加熱することがはんだと素子の密着性を高める上で好ましい。

次に、上記で得られた熱電モジュール６にコルゲートフィン７を接合材８により接合する。ここで、接合材８はコルゲートフィン７に部分的に接合するのが良い。接合材８がコルゲートフィン７と支持基板１ａの外面との間に部分的に充填されるようにするためには、例えば、支持基板１ａの外面側に配設された金属層５に対して、あらかじめパターンエッチング等を行って、コルゲートフィン７のうち、本当に接合したい接合領域７ａの部分にのみ金属層５を設けておけば良い。すなわち、接合材８が金属層５部分のみに濡れるようにしておけば良い。同様にして、接合材８を接合領域７ａのうちでさらに部分的に充填することもできる。このようにして接合材８は、金属層５とコルゲートフィン７の接合領域７ａとに挟まれた部分のみに充填され、発生する応力を緩和することが可能となる。

また、別の方法として、接合材８そのものをスクリーン印刷等の手法を使って金属層５の上に巧みに塗り分けることによっても接合材８を部分的に充填することが可能となる。

また、接合材８を接合領域７ａと支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間にのみに充填するためには、コルゲートフィン７そのものの形状を利用すればよい。具体的には、例えば支持基板１ａの外面側に全面的に配設された金属層５に対して、接合材８をスクリーン印刷等の手法を使って１０〜５０μｍのごく薄く設けて、コルゲートフィン７を接合すれば、接合材８は金属層５とコルゲートフィン７の接触した部分しか充填されない。これによって、接合材８を接合領域７ａと支持基板１ａの外面側に配設された金属層５との間にのみ見事に充填することができる。

さらにまた、接合材８を、接合領域７ａと支持基板１ａの外面との間に充填しつつ、空隙を存在させるためには、あらかじめ接合材８の中に発泡剤等を添加しておくことによって可能となる。例えば、接合材８の中に必要な空隙量に見合ったロジンやパラフィンなどを添加しておくことによって、所望の空隙を得ることができる。しかるに、支持基板１ａの外面側に配設された金属層５に対して、発泡剤を添加した接合材８をスクリーン印刷等の手法を使って２００μｍ等の厚みで設けて、コルゲートフィン７を接合すれば、接合材８は金属層５とコルゲートフィン７の間に空隙を保持しながら充填されることになる。

最後に、コルゲートフィン７に連結された熱電モジュール６に対し、熱電モジュール６に電流を通電するためのリード線４（図示せず）をはんだこて等で接合し、本発明の熱交換装置が得られる。

Ｎ型熱電素子材料としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５、Ｐ型熱電素子の材料としてＢｉ_０．４Ｓｂ_１．６Ｔｅ_３からなる合金粉末を準備した。なお、Ｎ型熱電素子の材料にはドーパントとしてＩを０．１重量％添加した。これらの熱電素子材料を成形したのち水素還元雰囲気で焼結させ、断面寸法２ｍｍ、高さ２．５ｍｍの熱電素子を得た。この熱電素子の支持基板として、大きさが３０×６０ｍｍの支持基板を用意した。この支持基板の一方の主面（内面）側には１２０対の熱電素子を配列し、隣接する前記熱電素子間を電極により電気的に連結して熱電モジュールとした。また、前記支持基板の他方の主面（外面）側には冷却用と放熱用のコルゲートフィンを各々接合し、熱電モジュールと合わせ熱交換装置とした。

コルゲートフィンは、図２に示すような支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、熱電モジュールとは反対側に凸の形状で、かつ、隣り合う２つの接合領域をつなぐ熱交換領域とを有したものとした。ここで前記接合領域の幅ａと、隣り合う接合領域間の間隔ｂを様々に変化させた熱交換装置を準備した。また、コルゲートフィンと支持基板の外面との間の接合状態および空隙状態を様々に変化させたものを準備した。また、支持基板としては、熱交換器と熱電モジュールを絶縁するために、絶縁層としてアルミナセラミック基板、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いたものを準備した。
得られた熱交換装置に５０Ｗの電力を投入して温度差を発生させながら、コルゲートフィンに６ｍ／ｓｅｃの風を放熱、冷却面にあてて、冷却側の風の入り口温度と出口温度の差を温度差とし、流れた空気の比熱から冷却性能を計算した。同時に通電を１分おきに反転させる耐久試験を１００００サイクル実施し、耐久試験後の冷却性能の変化を計算した。結果を表１に示す。

なお、試料No.２を除く他の試料については、コルゲートフィンの接合領域と支持基板の外面との間にのみ充填した。試料No.２については、コルゲートフィンの接合領域と支持基板の外面との間だけでなく、隣り合う接合領域間にも接合材を充填した。

また、試料No.１，２を除く他の試料については、複数の接合領域を、複数の熱電素子に対向する位置に配置した。試料No.１，２については、接合領域を、熱電素子に対して無秩序に配置した。

試料No.３１の絶縁層としては熱可塑性樹脂を用い、試料No.３２の絶縁層としてはアルミナを用い、他の試料の絶縁層としては熱硬化性樹脂を用いた。絶縁層に含まれる粒子としては、試料No.２９がアルミニウムを用い、他の試料がアルミナを用いた。

コルゲートフィンにおける接合領域の幅ａが、隣り合う接合領域間の間隔ｂよりも大きくした熱交換装置は、目標とする２０Ｗａｔｔ以上の冷却性能が確認され、かつ冷却性能の変化率も目標値２０％を下回ることができ、良好な特性を示した。

特に、接合領域の幅ａと隣り合う接合領域間の間隔ｂの比を、ａ／ｂ≧２とした熱交換装置は、実施例Ｎｏ．４〜３２にみられるように２５Ｗａｔｔ以上の高い冷却性能が得られた。

また、コルゲートフィンが接合材により熱電モジュールに接合されており、接合材がコルゲートフィンと支持基板の外面との間に部分的に充填されている熱交換装置は、実施例Ｎｏ．３〜３２にみられるように、２０Ｗａｔｔ以上のより良好な冷却性能が得られた。

同様に、接合材が接合領域と支持基板の外面との間に充填されており、隣り合う接合領域間には充填されていない熱交換装置は、実施例Ｎｏ．３〜３２にみられるように、２０Ｗａｔｔ以上の良好な冷却性能が得られた。

さらに、接合領域と支持基板の外面との間に接合材が充填されており、かつ、空隙が存在する熱交換装置は、実施例Ｎｏ．３〜１２および実施例Ｎｏ．１４〜３０にみられるように、耐久試験後の冷却性能の変化率が１０％以下と優れた値を示した。しかし、実施例Ｎｏ．１３にみられるように、接合材中に空隙を全く含まない熱交換装置の場合、冷却性能の変化率がやや劣っていた。

また、接合領域を、熱電素子３に対向およびほぼ対向する位置に配置した実験例Ｎｏ．４〜３２にみられるように、耐久試験後の冷却性能の変化率が２０％以下と良好な値を示した。

また、実験例Ｎｏ．２１〜２４にみられるように、熱交換領域の最大幅を熱交換領域と接合領域の境界部間の幅よりも大きくし、熱交換器の熱交換領域が熱電モジュールの支持基板から遠ざかるにつれて大きくなる離隔部を有するようにした熱交換器は、３０Ｗａｔｔ以上の特に優れた冷却性能が得られた。

また、実験例Ｎｏ．３〜３２にみられるように、アルミナセラミックスを含んだ熱硬化性樹脂層からなる支持基板を用いた熱交換器の冷却性能と変化率は、目標値を十分達成できるものであり、電気絶縁性も全く問題なく使用できることがわかった。

（比較例）
本発明の範囲外であるＮｏ．１，２は、接合領域の幅がこれらの接合領域間の間隔と同等以下であるので、熱電モジュールの放熱性は向上することなく、熱交換装置の効率を高めることができなかったので不適であった。また、従来技術に基づく熱交換装置も試作してみたが、冷却性能および変化率共に満足できるものではなかった。

従来の熱電モジュールを示す斜視図である。本発明の一実施形態にかかる熱電モジュールを示す断面図である。図２の熱交換装置に用いられているコルゲートフィンを示す断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ支持基板
２電極
３熱電素子
３ａＮ型熱電素子
３ｂＰ型熱電素子
４リード線
５金属層
６熱電モジュール
７コルゲートフィン
７ａ接合領域
７ｂ熱交換領域
８接合材
９樹脂層

Claims

対向して配置された一対の支持基板を有し、これらの支持基板の対向する内面間に複数の熱電素子が配列され、隣り合う熱電素子間を電極により電気的に連結した熱電モジュールと、前記一対の支持基板のうち、少なくとも一方の支持基板の外面側に配設されたコルゲートフィンとを備えた熱交換装置において、前記コルゲートフィンは、前記支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う２つの前記接合領域をつなぎ、前記熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、前記接合領域の幅が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きく、かつ前記コルゲートフィンは、前記熱電モジュールに接合材により接合されており、該接合材は、前記接合領域と前記支持基板の外面との間に充填され、大きさが０．００１〜２ｍｍの球状で前記接合材の体積に対して占める割合が０．０１〜６０パーセントの空隙が存在することを特徴とする熱交換装置。
前記複数の接合領域は、前記複数の熱電素子にほぼ対向する位置にそれぞれ配置されている請求項１に記載の熱交換装置。
前記熱交換領域における対向する内面間の最大間隔が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きい請求項１または２に記載の熱交換装置。
前記熱交換領域は、対向する内面間の間隔が前記支持基板から遠ざかるにつれて大きくなる請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換装置。
前記支持基板は樹脂層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換装置。
前記樹脂層はアルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなる請求項５に記載の熱交換装置。