(57)【要約】【課題】熱交換部材表面の面粗度を制御し、絶縁樹脂層にクラックが生じないようにして熱交換部材と絶縁樹脂層との密着力を向上させるとともに、熱抵抗を低減させて高信頼性を有する熱交換ユニットを提供できるようにする。【解決手段】本発明の熱交換ユニット１０は、複数の長方形状の電極１３（１５）からなる上下一対の電極群に一対の熱電素子１４が直列接続されて接合されているとともに、上下一対の電極群の少なくとも一方が熱交換器１１（１６）の表面に絶縁層１２（１７）を介して配置されている。そして、熱交換器１１（１６）は熱良導性の金属により形成されているとともに、絶縁層１２（１７）に接合された熱交換器１１（１６）の接合面の面粗度（Ｒａ（算術平均粗さ）：ＪＩＳ  Ｂ０６０１）が４．７μｍ以下である。【選択図】  図１
2010199571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の長方形状の電極からなる上下一対の電極群に、複数の一対の熱電素子が直列接続されて接合されているとともに、前記上下一対の電極群の少なくとも一方が熱交換器の表面に絶縁層を介して接合された熱交換ユニットであって、
前記熱交換器は熱良導性の金属により形成されているとともに、
前記絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度（Ｒａ）は４．７μｍ以下であることを特徴とする熱交換ユニット。
【請求項２】
前記絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以上、４．７μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換ユニット。
【請求項３】
前記熱良導性の金属はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換ユニット。
【請求項４】
前記絶縁層は高熱伝導性を有する絶縁樹脂層からなる単独層あるいは当該絶縁樹脂層とアルマイト層との複合層からな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ユニット。
【請求項５】
前記高熱伝導性を有する絶縁樹脂層は高熱伝導性を有するフィラーを含有する絶縁樹脂あるいは接着剤からなることを特徴とする請求項４に記載の熱交換ユニット。
【請求項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、炭化ケイ素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に記載の熱交換ユニット。
【請求項７】
前記絶縁樹脂あるいは接着剤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選択されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱交換ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の長方形状の電極からなる上下一対の電極群に、複数の一対の熱電素子が直列接続されて接合されているとともに、上下一対の電極群の少なくとも一方が熱交換器の表面に絶縁層を介して接合された熱交換ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
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Ｐ型とＮ型の各熱電素子が交互に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はんだ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ユニットとして用いることが、例えば、特許文献１（特開２００３−３３２６４２号公報）や特許文献２（特開２００６−２３４３６２号公報）などの種々の文献で提案されている。
【０００３】
この場合、特許文献１（特開２００３−３３２６４２号公報）にて提案された熱交換ユニット４０においては、図１４に示すように、アルミニウム板からなる熱交換部材（ヒートシンク）４１の上にアルマイト層からなる絶縁層４２を形成すると共に、金属電極４４と同じ配列パターンを有する金属メッキ層４３を絶縁層４２上に一体的に形成し、金属メッキ層４３に金属電極４４が接合されて形成されている。そして、Ｐ型の熱電変換素子４５ａとＮ型の熱電変換素子４５ｂを交互に複数並べ、隣接する熱電変換素子同士を上側の金属電極４６と下側の金属電極４４で電気的に直列接続となるように接合している。なお、上側の金属電極４６と下側の金属電極４４と各熱電変換素子４５ａ，４５ｂとで熱電モジュール４０ａが構成されている。
【０００４】
また、特許文献２（特開２００６−２３４３６２号公報）にて提案された熱交換ユニット５０においては、図１５に示すように、放熱側熱交換体（ヒートシンク）５１と吸熱側熱交換体（ヒートシンク）５２との間に、放熱側電極５３と吸熱側電極５４と複数の熱電変換素子５５とで構成される熱電変換素子モジュール（熱電モジュール）５０ａが配置されて構成されている。この場合、放熱側熱交換体５１と放熱側電極５３との間には樹脂５６ａと金属箔５６ｂとハンダ５６ｃとを介在させている。一方、吸熱側熱交換体５２と吸熱側電極５４との間には樹脂５７ａとグリース５７ｂとを介在させている。そして、樹脂５６ａは放熱側熱交換体５１の表面に溶着されており、樹脂５７ａは吸熱側熱交換体５２の表面に溶着されていて、これらの樹脂５６ａ，５７ａは溶着の際に軟化して各熱交換体５１，５２の表面にある巣やキズに入り込んだ後に硬化するようになされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３２６４２号公報
【特許文献２】特開２００６−２３４３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、絶縁樹脂層の熱伝導性は劣っている。このため、近年においては、絶縁樹脂層の熱伝導性を向上させるために、アルミナ粉末や窒化アルミニウム粉末などからなるフィラーを絶縁樹脂層中に均一に分散させて添加することが行われるようになった。ところが、特許文献１にて提案された熱交換ユニット４０においては、熱交換部材（ヒートシンク）４１の面粗度や、絶縁層４２の厚みに関しては論じられていないとともに、絶縁樹脂層に添加するフィラーに関しては考慮もなされていない。このため、例え、熱交換部材（ヒートシンク）４１がアルミニウム合金で形成されていて、その表面がアルマイト処理されていたとしても、熱交換部材（ヒートシンク）４１と絶縁層４２との密着力を向上させて、熱抵抗を低減させることに関しては十分ではないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２のように、各熱交換体（ヒートシンク）５１，５２の表面にある巣やキズに樹脂５６ａ，５７ａが入り込みやすくするために、各熱交換体５１，５２の表面を粗くすると、絶縁樹脂層の熱伝導性を向上させるために絶縁樹脂層中にフィラーを分散させて用いた場合、絶縁樹脂層に亀裂が発生するという問題が生じた。これは、絶縁樹脂層中に分散されたフィラーは硬いため、熱圧着時の加圧力により絶縁樹脂層に微細なクラックが発生するためである。この場合、ワニス状の樹脂を塗布してから硬化させて絶縁樹脂層を形成させる場合であっても同様であった。
【０００８】
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、熱交換部材表面の面粗度を制御し、絶縁樹脂層にクラックが生じないようにして熱交換部材と絶縁樹脂層との密着力を向上させるとともに、熱抵抗を低減させて高信頼性を有する熱交換ユニットを提供できるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の熱交換ユニットは、複数の長方形状の電極からなる上下一対の電極群に一対の熱電素子が直列接続されて接合されているとともに、上下一対の電極群の少なくとも一方が熱交換器の表面に絶縁層を介して配置されている。そして、上記目的を達成するため、熱交換器は熱良導性の金属により形成されているとともに、絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度（Ｒａ（算術平均粗さ）：ＪＩＳ  Ｂ０６０１）が４．７μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度（Ｒａ（算術平均粗さ）：ＪＩＳ  Ｂ０６０１）が４．７μｍ以下（Ｒａ≦４．７μｍ）であると、熱交換器表面との接合界面に亀裂や破損を生じることなく、均一な厚さの絶縁層を形成することが可能となる。これにより、絶縁層を構成する樹脂層の厚みを１００μｍ以下にしても、この樹脂層に亀裂や破損を生じることなくなるので、当該樹脂層の厚みを薄くすることが可能となって、熱抵抗を低減させることが可能となり、吸熱性能が向上し、かつ高信頼性を有する熱交換ユニットを提供できるようになる。
【００１１】
一方、絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると、熱交換能力が劣化することが明らかになった。これは、絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換器の表面と絶縁層とが接合する面積が小さくなって、熱交換器と絶縁層との界面での熱抵抗が増大するようになる。この結果、熱交換が効率良く行われなくなって、熱交換能力が劣化したためと考えられる。
これらのことから、絶縁層に接合された熱交換器の接合面の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましい。
【００１２】
この場合、製造性およびコストの観点からすると、熱良導性の金属はアルミニウムまたはアルミニウム合金であるのが望ましい。また、絶縁層は高熱伝導性を有する絶縁樹脂層からなる単独層あるいは当該絶縁樹脂層とアルマイト層との複合層からなるのが望ましい。また、高熱伝導性を有する絶縁樹脂層は高熱伝導性を有するフィラーを含有する絶縁樹脂あるいは接着剤からなるのが望ましい。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、炭化ケイ素粉末のいずれかから選択して用いるのが望ましい。また、絶縁樹脂あるいは接着剤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選択して用いるのが望ましい。なお、絶縁樹脂層はシート状の材料を圧着したり、ワニス状材を塗布してから固化するようにして形成すればよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換ユニットにおいては、絶縁樹脂層にクラックが生じないように、絶縁樹脂層に接合される熱交換部材表面の面粗度が最適化されているので、熱交換部材と絶縁樹脂層との密着力を向上させることが可能となって、熱抵抗を低減させて高信頼性を有する熱交換ユニットを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施例の熱交換ユニットの製造過程を模式的に示す側面図であり、図１（ａ）は空冷の第１熱交換部材の表面に絶縁層を介して下側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図１（ｂ）は下側電極の上に熱電素子の複数組が形成され、さらにその上に上側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図１（ｃ）は上側電極の上に絶縁層が形成された空冷の第２熱交換部材が接合された状態を模式的に示す側面図である。
【図２】第１実施例の熱交換ユニットを構成する電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図２（ａ）は下側電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図２（ｂ）は上側電極の配置状態を模式的に示す平面図である。
【図３】第１実施例の熱交換ユニットの最大吸熱量（Ｑｍａｘ）（Ｗ）を測定する状態を模式的に示す図である。
【図４】第１実施例の熱交換ユニットの樹脂層の耐電圧（ｋＶ）を測定する状態を模式的に示す図である。
【図５】第１実施例の熱交換ユニットの熱交換部材の面粗度（μｍ）と耐電圧（ｋＶ）との関係を示すグラフである。
【図６】第２実施例の熱交換ユニットの製造過程を模式的に示す側面図であり、図６（ａ）は水冷の第１熱交換部材の表面に絶縁層を介して下側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図６（ｂ）は下側電極の上に熱電素子の複数組が形成され、さらにその上に上側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図６（ｃ）は上側電極の上に絶縁層が形成された水冷の第２熱交換部材が接合された状態を模式的に示す側面図である。
【図７】第２実施例の熱交換ユニットを構成する電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図７（ａ）は下側電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図７（ｂ）は上側電極の配置状態を模式的に示す平面図である。
【図８】第２実施例の熱交換ユニットの最大吸熱量（Ｑｍａｘ）（Ｗ）を測定する状態を模式的に示す図である。
【図９】第２実施例の熱交換ユニットの熱交換部材の面粗度（μｍ）と耐電圧（ｋＶ）との関係を示すグラフである。
【図１０】第３実施例の熱交換ユニットの製造過程を模式的に示す側面図であり、図１０（ａ）は水冷の第１熱交換部材の上面に絶縁層を介して第１下側電極が形成され、下面に絶縁層を介して第１上側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図１０（ｂ）は第１下側電極の上に熱電素子の複数組が形成され、さらにその上に第２上側電極が形成され、第１上側電極の下に熱電素子の複数組が形成され、さらにその下に第２下側電極が形成された状態を模式的に示す側面図であり、図１０（ｃ）は第２上側電極の上に絶縁層が形成された水冷の第２熱交換部材が接合され、第２下側電極の下に絶縁層が形成された水冷の第３熱交換部材が接合された状態を模式的に示す側面図である。
【図１１】第３実施例の熱交換ユニットを構成する電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図１１（ａ）は第１下側電極および第１上側電極の配置状態を模式的に示す平面図であり、図１１（ｂ）は第２上側電極および第２下側電極の配置状態を模式的に示す平面図である。
【図１２】第３実施例の熱交換ユニットの最大吸熱量（Ｑｍａｘ）（Ｗ）を測定する状態を模式的に示す図である。
【図１３】第３実施例の熱交換ユニットの熱交換部材の面粗度（μｍ）と耐電圧（ｋＶ）との関係を示すグラフである。
【図１４】従来例の熱交換ユニットを模式的に示す断面図である。
【図１５】他の従来例の熱交換ユニットを模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ついで、本発明の熱交換ユニット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。
【００１６】
１．第１実施例
本第１実施例の熱交換ユニット１０は、図１（ｃ）に示すように、表面に絶縁層１２が形成された第１熱交換部材（放熱用あるいは吸熱用の空冷ヒートシンク）１１と、絶縁層１２の上に固定・配置された下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）１３と、下側電極１３の上に接合された複数の熱電素子１４と、複数の熱電素子１４の上に接合された上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）１５と、表面に絶縁層１７が形成された第２熱交換部材（吸熱用あるいは放熱用の空冷ヒートシンク）１６とから構成されている。なお、下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）１３の一端部には一対のリード線（図示せず）を接続するための一対の端子部（図示せず）が形成されている。
この場合、下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）１３と、上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）１５と、これらの両電極１３，１５間で直列接続されるようにはんだなどの接合金属により接合された複数の熱電素子１４とで熱電モジュールＭ（図３参照）が構成されることとなる。
【００１７】
第１熱交換部材１１および第２熱交換部材１６は高熱伝導性を有する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、その表面、即ち、第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．２μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。そして、図の上側から下側（あるいは下側から上側）に突出する多数のフィン１１ａ（１６ａ）が形成されている。
【００１８】
絶縁層１２および絶縁層１７は、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、あるいはアルマイトなどにより形成されている。ここで、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂を絶縁層１２および絶縁層１７に用いる場合、これらの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）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）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するのが望ましい。また、アルマイトを絶縁層１２および絶縁層１７に用いる場合は、アルマイトの上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の層を積層するのが望ましい。
【００１９】
下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）１３および上側電極（下側電極が放熱用電極の場合は吸熱用電極となり、下側電極が吸熱用電極の場合は放熱用電極となる）１５は、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなる。ここで、例えば、下側電極１３は、図２（ａ）に示すように配置され、上側電極１５は、図２（ｂ）に示すように配置されている。この場合、各電極１３および１５の平面形状は長方形状（例えば、長辺の長さは３ｍｍで、短辺の長さが１．８ｍｍ）に形成されている。
【００２０】
これらの両電極１３，１５間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子１４が配置、接合されている。この場合、熱電素子１４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、下側電極１３と上側電極１５にそれぞれＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるはんだにより接合されている。なお、各熱電素子１４の両端部のはんだ付け面にははんだ付けが容易になるようにニッケルめっきが施されている。
【００２１】
熱電素子１４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るのが望ましく、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、本実施例においては、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3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、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4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、１．３５ｍｍ（長さ）×１．３５ｍｍ（幅）×１．５ｍｍ（高さ）の寸法になるように切断して形成したものを使用した。
【００２２】
〈熱交換ユニット１０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換ユニット１０の作製例を以下に説明する。まず、表面に接着性を有する絶縁層１２が形成され、この絶縁層１２とは反対側に多数のフィン１１ａが形成された第１熱交換部材（この場合は、放熱用の空冷ヒートシンクとする）１１を用意する。同様に、表面に接着性を有する絶縁層１７が形成され、この絶縁層１７とは反対側に多数のフィン１６ａが形成された第２熱交換部材（この場合は、吸熱用の空冷ヒートシンクとする）１６を用意する。また、下側電極（この場合は放熱用電極とする）１３と上側電極（この場合は吸熱用電極とする）１５とを用意する。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１４を用意する。
【００２３】
ここで、第１熱交換部材１１および第２熱交換部材１６は高熱伝導性を有する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、その表面、即ち、第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．２μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。また、絶縁層１２，１７は接着性を有しており、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮやＭｇＯやＳｉＣなどの粉末からなるフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層、あるいはアルマイト層の上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層が形成された複合層よりなる。なお、絶縁層１２，１７はシート状の材料を圧着したり、ワニス状材を塗布してから固化するようにして形成すればよい。また、下側電極１３および上側電極１５は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、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。
【００２４】
ついで、図１（ａ）に示すように、第１熱交換部材１１に形成された絶縁層１２の上に所定の電極パターン（図２（ａ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる下側電極１３を接着する。この後、図１（ｂ）に示すように、下側電極１３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１４を交互に配列するとともに、これらの下側電極１３と熱電素子１４とをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。ついで、熱電素子１４の上に、所定の電極パターン（図２（ｂ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる上側電極１５を配置する。
【００２５】
この後、これらの熱電素子１４と上側電極１５とをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。これにより、下側電極１３と上側電極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１４が交互に直列接続されることとなる。
ついで、図１（ｃ）に示すように、第２熱交換部材１６に形成された絶縁層１７が上側電極１５に接するように第２熱交換部材１６を配置した後、上側電極１５を絶縁層１７に接着する。これにより、第１実施例の熱交換ユニット１０が作製されることとなる。
【００２６】
〈熱交換ユニット１０の使用例〉
このような第１実施例の熱交換ユニット１０を用いて温度制御を行う場合、例えば、気体の温度制御に適用することができる。この場合、吸熱用の空冷ヒートシンクとなる第２熱交換部材１６のフィン１６ａを温度制御が必要となる気体に触れるように、この熱交換ユニット１０を配置すればよい。このような状態で、放熱用の下側電極１３と、吸熱用の上側電極１５と、これらの両電極１３，１５間で直列接続されるように接合された複数の熱電素子１４とからなる熱電モジュールＭに電流を流すことにより、吸熱用の上側電極１５は冷却されて吸熱用の第２熱交換部材１６のフィン１６ａを介して温度制御対象の気体から熱を奪うこととなる。一方、放熱用の下側電極１３は加熱されて、この熱を放熱用の第１熱交換部材１１のフィン１１ａを介して放熱されることとなる。
【００２７】
〈最大吸熱量（Ｑｍａｘ）の測定〉
ついで、上述のような構成となる第１実施例の熱交換ユニット１０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、熱交換ユニット１０を用いて試験用の熱交換ユニットＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ３を作製した。ついで、図３に示すように、熱交換ユニット１０（Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ３）を取り付けるための開口が形成された断熱箱Ｘを用意し、この断熱箱Ｘの開口に熱交換ユニット１０（Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ３）を取り付ける。
この場合、吸熱用の第２熱交換部材１６のフィン１６ａが断熱箱Ｘの内側に存在し、放熱用の第１熱交換部材１１のフィン１１ａが断熱箱Ｘの外側に存在するように配置して、断熱箱Ｘの内部から外部に熱を運ぶようにする。また、断熱箱Ｘ中に疑似発熱体としてヒータＨを設置して所定の熱量を発熱させるようにする。
【００２８】
ついで、各熱交換ユニット１０（Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ３）を駆動させて、断熱箱の内外の温度を一致させることができる最大のヒータ発熱量（Ｗ）を最大吸熱量（Ｑｍａｘ）として求めた。ここで、熱交換ユニットＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ３の第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表１〜表３に示すように変化させた場合の最大吸熱量（Ｑｍａｘ）（Ｗ）を求めると、下記の表１〜表３に示すような結果となった。
【００２９】
この場合、絶縁樹脂層１２，１７がポリイミド樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが１５μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＡ１とした。また、絶縁樹脂層１２，１７がワニス状のポリイミド樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが１５μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＡ２とした。さらに、絶縁樹脂層１２，１７がエポキシ樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）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たものを熱交換ユニットＡ３とした。
【００３０】
また、絶縁樹脂層１２，１７がエポキシ樹脂シートに窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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たものを熱交換ユニットＢ１とした。また、絶縁樹脂層１２，１７がワニス状のエポキシ樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）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たものを熱交換ユニットＢ２とした。また、絶縁樹脂層１２，１７がワニス状のエポキシ樹脂に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）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たものを熱交換ユニットＢ３とした。さらに、絶縁樹脂層１２，１７がワニス状のエポキシ樹脂シートに炭化ケイ素（ＳｉＣ）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たものを熱交換ユニットＢ４とした。
【００３１】
また、絶縁樹脂層１２，１７が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にポリイミド樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが１００μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＣ１とした。また、絶縁樹脂層１２，１７が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にエポキシ樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが５０μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＣ２とした。さらに、絶縁樹脂層１２，１７が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にワニス状のエポキシ樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが５０μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＣ３とした。
【００３２】
〈耐電圧（ｋＶ）の測定〉
ついで、熱交換ユニットＡ１〜Ａ３の第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表１に示すように変化させた場合の、各熱交換ユニットＡ１ａ，Ａ１０〜Ａ１９，Ａ２ａ，Ａ２０〜Ａ２９，Ａ３ａ，Ａ３０〜Ａ３９の耐電圧（ｋＶ）を測定すると下記の表１に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＡ１の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＡ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＡ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＡ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＡ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＡ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＡ１４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＡ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＡ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＡ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＡ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＡ１９とした。
【００３３】
また、熱交換ユニットＡ２の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＡ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＡ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＡ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＡ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＡ２３とし、１．３μｍのものを熱交換ユニットＡ２４とし、２．４μｍのものを熱交換ユニットＡ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＡ２６とし、４．３μｍのものを熱交換ユニットＡ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＡ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＡ２９とした。
【００３４】
さらに、熱交換ユニットＡ３の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＡ３ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＡ３０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＡ３１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＡ３２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＡ３３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＡ３４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＡ３５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＡ３６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＡ３７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＡ３８とし、５．０μｍのものを熱交換ユニットＡ３９とした。
【００３５】
この場合、耐電圧を測定するに際しては、図４に示すように、熱交換部材１１（１６）の表面に絶縁層１２（１７）が接合され、かつ絶縁層１２（１７）の表面に所定のパターンとなるように形成された電極１３（１５）が接合されたものを用意し、この電極１３（１５）の上に複数のプローブＰを所定のパターンに対応する位置に配置した後、電極１３（１５）に押し当てて接触させる。そして、各プローブＰに所定の電圧Ｖを印加して、この電圧Ｖを５秒間保持し、漏れ電流が５ｍＡを超えた時の電圧ｋＶを耐電圧（ｋＶ）として求めると下記の表１に示すような結果となった。
【表１】
2010199571.tif 000003
【００３６】
上記表１の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図５の曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３が得られた。上記表１および図５の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００３７】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０７μｍになると、最大級熱量（Ｗ）が急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材１１（１６）の表面と絶縁層１２（１７）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００３８】
同様に、熱交換ユニットＢ１〜Ｂ４の第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表２に示すように変化させた場合の、各熱交換ユニットＢ１ａ，Ｂ１０〜Ｂ１９，Ｂ２ａ，Ｂ２０〜Ｂ２９，Ｂ３ａ，Ｂ３０〜Ｂ３９，Ｂ４ａ，Ｂ４０〜Ｂ４９の耐電圧（ｋＶ）を測定すると下記の表２に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＢ１の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＢ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＢ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＢ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＢ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＢ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＢ１４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＢ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＢ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＢ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＢ１８とし、５．２μｍのものを熱交換ユニットＢ１９とした。
【００３９】
また、熱交換ユニットＢ２の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＢ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＢ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＢ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＢ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＢ２３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＢ２４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＢ２５とし、３．３μｍのものを熱交換ユニットＢ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＢ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＢ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＢ２９とした。
【００４０】
また、熱交換ユニットＢ３の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＢ３ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＢ３０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＢ３１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＢ３２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＢ３３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＢ３４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＢ３５とし、３．３μｍのものを熱交換ユニットＢ３６とし、４．５μｍのものを熱交換ユニットＢ３７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＢ３８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＢ３９とした。
【００４１】
さらに、熱交換ユニットＢ４の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＢ４ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＢ４０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＢ４１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＢ４２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＢ４３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＢ４４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＢ４５とし、３．４μｍのものを熱交換ユニットＢ４６とし、４．５μｍのものを熱交換ユニットＢ４７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＢ４８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＢ４９とした。
【表２】
2010199571.tif 000004
【００４２】
上記表２の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図５の曲線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が得られた。上記表２および図５の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００４３】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０７μｍになると、最大級熱量（Ｗ）が急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材１１（１６）の表面と絶縁層１２（１７）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００４４】
同様に、熱交換ユニットＣ１〜Ｃ３の第１熱交換部材１１の絶縁層１２との接合面、および第２熱交換部材１６の絶縁層１７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表３に示すように変化させた場合の、各熱交換ユニットＣ１ａ，Ｃ１０〜Ｃ１９，Ｃ２ａ，Ｃ２０〜Ｃ２９，Ｃ３ａ，Ｃ３０〜Ｃ３９の耐電圧（ｋＶ）および最大級熱量（Ｗ）を測定すると下記の表３に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＣ１の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＣ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＣ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＣ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＣ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＣ１３とし、１．５μｍのものを熱交換ユニットＣ１４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＣ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＣ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＣ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＣ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＣ１９とした。
【００４５】
また、熱交換ユニットＣ２の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＣ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＣ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＣ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＣ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＣ２３とし、１．５μｍのものを熱交換ユニットＣ２４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＣ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＣ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＣ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＣ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＣ２９とした。
【００４６】
さらに、熱交換ユニットＣ３の熱交換部材１１（１６）の絶縁層１２（１７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＣ３ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＣ３０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＣ３１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＣ３２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＣ３３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＣ３４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＣ３５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＣ３６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＣ３７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＣ３８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＣ３９とした。
【表３】
2010199571.tif 000005
【００４７】
上記表３の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図５の曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が得られた。上記表３および図５の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００４８】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０６μｍになると、最大級熱量（Ｗ）が急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材１１（１６）の表面と絶縁層１２（１７）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材１１（１６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００４９】
２．第２実施例
上述した第１実施例の熱交換ユニット１０においては、空冷ヒートシンクとなる第１熱交換部材１１と第２熱交換部材１６とを用いる例について説明したが、ヒートシンクとしては空冷に限られず、水冷ヒートシンクを用いるようにしてもよい。そこで、本第２実施例においては、水冷ヒートシンクとなる第１熱交換部材と第２熱交換部材とを用いる例について以下に説明することとする。
【００５０】
本第２実施例の熱交換ユニット２０は、図６（ｃ）に示すように、表面に絶縁層２２が形成された第１熱交換部材（放熱用あるいは吸熱用の水冷ヒートシンク）２１と、絶縁層２２の上に固定・配置された下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）２３と、下側電極２３の上に接合された複数の熱電素子２４と、複数の熱電素子２４の上に接合された上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）２５と、表面に絶縁層２７が形成された第２熱交換部材（吸熱用あるいは放熱用の水冷ヒートシンク）２６とから構成されている。なお、下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）２３の一端部には一対のリード線（図示せず）を接続するための一対の端子部（図示せず）が形成されている。
この場合、下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）２３と、上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）２５と、これらの両電極２３，２５の間で直列接続されるようにはんだなどの接合金属により接合された複数の熱電素子２４とで熱電モジュールＭ（図８参照）が構成されることとなる。
【００５１】
第１熱交換部材（放熱用あるいは吸熱用の水冷ヒートシンク）２１および第２熱交換部材２６（第１熱交換部材が放熱用の場合は吸熱用となり、第１熱交換部材が吸熱用の場合は放熱用となる）は、高熱伝導性を有する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、その表面、即ち、第１熱交換部材２１の絶縁層２２との接合面、および第２熱交換部材２６の絶縁層２７との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．１μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。一方、その内部に冷却媒体（この場合は水とする）を一方から他方（この場合は、図の右側から左側）に流通させる複数の流路２１ａ（２６ａ）が形成されている。なお、これらの第１熱交換部材２１および第２熱交換部材２６の一方の表面には、図７（ａ）（ｂ）に示すように、複数の取り付け穴２１ｂ（２６ｂ）がそれぞれ形成されているため、この部分には下側電極２３や上側電極２５を配置することができないこととなる。
【００５２】
絶縁層２２および絶縁層２７は、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、あるいはアルマイトなどにより形成されている。ここで、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂を絶縁層２２および絶縁層２７に用いる場合、これらの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）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）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するのが望ましい。また、アルマイトを絶縁層２２および絶縁層２７に用いる場合は、アルマイトの上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の層を積層するのが望ましい。
【００５３】
下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）２３および上側電極（下側電極が放熱用電極の場合は吸熱用電極となり、下側電極が吸熱用電極の場合は放熱用電極となる）２５は、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなる。ここで、例えば、下側電極２３は、図７（ａ）に示すように配置され、上側電極２５は、図７（ｂ）に示すように配置される。この場合、各電極２３，２５の平面形状は長方形状（例えば、長辺の長さは３ｍｍで、短辺の長さが１．８ｍｍ）に形成されている。
【００５４】
そして、これらの両電極２３，２５間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子２４が配置、接合されている。この場合、熱電素子２４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、下側電極２３と上側電極２５にそれぞれＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるはんだにより接合されている。なお、各熱電素子２４の両端部のはんだ付け面にははんだ付けが容易になるようにニッケルめっきが施されている。
【００５５】
熱電素子２４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るのが望ましく、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、本実施例においては、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3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、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4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、１．３５ｍｍ（長さ）×１．３５ｍｍ（幅）×１．５ｍｍ（高さ）の寸法になるように切断して形成したものを使用した。
【００５６】
〈熱交換ユニット２０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換ユニット２０の作製例を以下に説明する。まず、内部に冷却媒体（この場合は水とする）の複数の流路２１ａが形成され、表面に接着性を有する絶縁層２２が形成された第１熱交換部材（この場合は、放熱用の水冷ヒートシンクとする）２１を用意する。同様に、内部に冷却媒体（この場合は水とする）の複数の流路２６ａが形成され、表面に接着性を有する絶縁層２７が形成された第２熱交換部材（この場合は、吸熱用の水冷ヒートシンクとする）２６を用意する。また、下側電極（この場合は放熱用電極とする）２３と上側電極（この場合は吸熱用電極とする）２５とを用意する。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２４を用意する。
【００５７】
ここで、第１熱交換部材２１および第２熱交換部材２６は高熱伝導性を有する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、その表面、即ち、第１熱交換部材２１の絶縁層２２との接合面、および第２熱交換部材２６の絶縁層２７との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．１μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。また、絶縁層２２，２７は接着性を有しており、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮやＭｇＯやＳｉＣなどのフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層、あるいはアルマイト層の上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層が形成された複合層よりなる。なお、絶縁層２２，２７はシート状の材料を圧着したり、ワニス状材を塗布してから固化するようにして形成すればよい。また、下側電極２３および上側電極２５は、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、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。
【００５８】
ついで、図６（ａ）に示すように、第１熱交換部材２１に形成された絶縁層２２の上に所定の電極パターン（図７（ａ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる下側電極２３を接着する。この後、図６（ｂ）に示すように、下側電極２３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２４を交互に配列するとともに、これらの下側電極２３と熱電素子２４とをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。ついで、熱電素子２４の上に、所定の電極パターン（図７（ｂ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる上側電極２５を配置する。
【００５９】
この後、これらの熱電素子２４と上側電極２５とをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。これにより、下側電極２３と上側電極２５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２４が交互に直列接続されることとなる。
ついで、図６（ｃ）に示すように、第２熱交換部材２６に形成された絶縁層２７が上側電極２５に接するように第２熱交換部材２６を配置した後、上側電極２５を絶縁層２７に接着する。これにより、第２実施例の熱交換ユニット２０が作製されることとなる。
【００６０】
〈熱交換ユニット２０の使用例〉
このような第２実施例の熱交換ユニット２０を用いて温度制御を行う場合、例えば、温度制御が必要とされる被制御対象物（図示せず）から吸熱して暖められた温水を吸熱用の第２熱交換部材２６の流路２６ａの流入側に流入させるとともに、流出側を被制御対象物（図示せず）に流入させる。一方、冷水を第１熱交換部材２１の流路２１ａの流入側に流入させるとともに、流出側を排水するようにする。このような状態で、放熱用の下側電極２３と、吸熱用の上側電極２５と、これらの両電極２３，２５間で直列接続されるように接合された複数の熱電素子２４とからなる熱電モジュールＭに電流を流すことにより、吸熱用の上側電極２５は冷却されて吸熱用の第２熱交換部材２６を介して被制御対象物より流入した温水から熱を奪うこととなる。一方、放熱用の下側電極２３は加熱されて、この熱は放熱用の第１熱交換部材２１の流路２１ａを流れる冷水を介して放熱されることとなる。
【００６１】
〈最大吸熱量（Ｑｍａｘ）の測定〉
ついで、上述のような構成となる第２実施例の熱交換ユニット２０を用いて、性能評価の指標となる最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を実施例１の場合と同様にして求めた。この場合、まず、熱交換ユニット２０を用いて試験用の熱交換ユニットＤ１〜Ｄ３，Ｅ１〜Ｅ２を作製した。ついで、図８に示すように、真空チャンバーＹを用意するとともに、この真空チャンバーＹ内に熱交換ユニット２０（Ｄ１〜Ｄ３，Ｅ１〜Ｅ２）を配置する。ついで、第２熱交換部材２６の流路２６ａの流入側に温水用または熱水用の配管（図示せず）を接続するとともに、同流路２６ａの流出側に排水用の配管（図示せず）を接続する。
一方、第１熱交換部材２１の流路２１ａの流入側に冷却水用の配管（図示せず）を接続するとともに、同流路２１ａの流出側に排水用の配管（図示せず）を接続する。ついで、各熱交換ユニットＤ１〜Ｄ３，Ｅ１〜Ｅ２を駆動させ、流路２１ａへの入水の温度と流路２１ａから出水の温度、および流路２６ａへの入水の温度と流路２６ａから出水の温度を１０分間計測し、入水の温度を上昇させた場合の出水の温度の平均値から最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を換算して求めた。ここで、熱交換ユニットＤ１〜Ｄ３、Ｅ１〜Ｅ２の第１熱交換部材２１の絶縁層２２との接合面、および第２熱交換部材２６の絶縁層２７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表４および表５に示すように変化させた場合の最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を求めると、下記の表４および表５に示すような結果となった。
【００６２】
この場合、絶縁樹脂層２２，２７が厚みが５μｍのアルマイト層の上にポリイミド樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末をフィラーとして分散させて厚みが３０μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＤ１とした。また、絶縁樹脂層２２，２７が厚みが５μｍのアルマイト層の上にエポキシ樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）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たものを熱交換ユニットＤ２とした。さらに、絶縁樹脂層２２，２７が厚みが５μｍのアルマイト層の上にワニス状のエポキシ樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）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たものを熱交換ユニットＤ３とした。また、絶縁樹脂層２２，２７がエポキシ樹脂シートに酸化マグネシウム（ＭｇＯ）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たものを熱交換ユニットＥ１とした。また、絶縁樹脂層２２，２７がエポキシ樹脂シートに炭化ケイ素（ＳｉＣ）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たものを熱交換ユニットＥ２とした。
【００６３】
〈耐電圧（ｋＶ）の測定〉
ついで、熱交換ユニットＤ１〜Ｄ３の第１熱交換部材２１の絶縁層２２との接合面、および第２熱交換部材２６の絶縁層２７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表４に示すように変化させた場合、各熱交換ユニットＤ１ａ，Ｄ１０〜Ｄ１９，Ｄ２ａ，Ｄ２０〜Ｄ２９，Ｄ３ａ，Ｄ３０〜Ｄ３９の耐電圧を上述した実施例１と同様にして測定すると下記の表４に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＤ１の熱交換部材２１（２６）の絶縁層２２（２７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＤ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＤ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＤ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＤ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＤ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＤ１４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＤ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＤ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＤ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＤ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＤ１９とした。
【００６４】
また、熱交換ユニットＤ２の熱交換部材２１（２６）の絶縁層２２（２７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＤ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＤ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＤ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＤ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＤ２３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＤ２４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＤ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＤ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＤ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＤ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＤ２９とした。
【００６５】
さらに、熱交換ユニットＤ３の熱交換部材２１（２６）の絶縁層２２（２７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０６μｍのものを熱交換ユニットＤ３ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＤ３０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＤ３１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＤ３２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＤ３３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＤ３４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＤ３５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＤ３６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＤ３７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＤ３８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＤ３９とした。
【表４】
2010199571.tif 000006
【００６６】
上記表４の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図９の曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が得られた。上記表４および図９の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材２１（２６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００６７】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０６μｍになると最大級熱量（Ｗ）急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材２１（２６）の表面と絶縁層２２（２７）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材２１（２６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００６８】
同様に、熱交換ユニットＥ１〜Ｅ２の第１熱交換部材２１の絶縁層２２との接合面、および第２熱交換部材２６の絶縁層２７との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表５に示すように変化させた場合の、各熱交換ユニットＥ１ａ，Ｅ１０〜Ｅ１９，Ｅ２ａ，Ｅ２０〜Ｅ２９の耐電圧を測定すると下記の表５に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＥ１の熱交換部材２１（２６）の絶縁層２２（２７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＥ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＥ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＥ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＥ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＥ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＥ１４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＥ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＥ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＥ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＥ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＥ１９とした。
【００６９】
同様に、熱交換ユニットＥ２の熱交換部材２１（２６）の絶縁層２２（２７）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＥ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＥ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＥ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＥ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＥ２３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＥ２４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＥ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＥ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＥ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＥ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＥ２９とした。
【表５】
2010199571.tif 000007
【００７０】
上記表５の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図９の曲線Ｅ１，Ｅ２が得られた。上記表５および図９の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材２１（２６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００７１】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０７μｍになると最大級熱量（Ｗ）急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材２１（２６）の表面と絶縁層２２（２７）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材２１（２６）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００７２】
３．第３実施例
上述した第１実施例の熱交換ユニット１０および第２実施例の熱交換ユニット２０においては、各電極１３，１５（２３，２５）を各熱交換部材１１，１６（２１，２６）の表面に均等に配置される例について説明したが、各電極を各熱交換部材の表面に均等に配置できない領域が存在する場合は、これらの領域を避けるようにして各電極を各熱交換部材の表面に配置するようにしてもよく、第３実施例の熱交換ユニット３０として、以下に説明する。
【００７３】
本第３実施例の熱交換ユニット３０は、図１０（ｃ）に示すように、表・裏面に絶縁層３２ａ，３２ｂが形成された第１熱交換部材（吸熱用あるいは放熱用の水冷ヒートシンク）３１と、絶縁層３２ａ，３２ｂの上に固定・配置された第１下側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）３３ａと、絶縁層３２ａ，３２ｂの下に固定・配置された第１上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）３３ｂと、第１下側電極３３ａの上に接合された複数の第１熱電素子３４ａと、第１上側電極の下に接合された複数の第２熱電素子３４ｂと、複数の第１熱電素子３４ａの上に接合された第２上側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）３５ａと、複数の第２熱電素子３４ｂの下に接合された第２下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）３５ｂと、表面に絶縁層３７が形成された第２熱交換部材（放熱用あるいは吸熱用の水冷ヒートシンク）３６と、表面に絶縁層２９が形成された第３熱交換部材（放熱用あるいは吸熱用の水冷ヒートシンク）３８とから構成されている。なお、第１下側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）３３ａの一端部には一対のリード線（図示せず）を接続するための一対の端子部（図示せず）が形成されている。
【００７４】
この場合、第１下側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）３３ａと、第２上側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）３５ａと、これらの両電極３３ａ，３５ａ間で直列接続されるようにはんだなどの接合金属により接合された複数の第１熱電素子３４ａとで第１熱電モジュールＭ１（図１２参照）が構成される。また、第１上側電極（吸熱用あるいは放熱用電極）３３ｂと、第２下側電極（放熱用あるいは吸熱用電極）３５ｂと、これらの両電極３３ｂ，３５ｂ間で直列接続されるようにはんだなどの接合金属により接合された複数の第２熱電素子３４ｂとで第２熱電モジュールＭ２（図１２参照）が構成される。
【００７５】
各熱交換部材（水冷ヒートシンク）３１，３６，３８は、高熱伝導性を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金を鋳造することにより形成されていて、その表面、即ち、熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面は、および熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．１μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。一方、その内部に冷却媒体（この場合は水とする）を一方から他方（この場合は、図の右側から左側）に流通させる複数の流路３１ａ（３６ａ，３８ａ）が鋳込まれて形成されている。このため、これらの表面には、鋳造時の治具の設置により溝や穴が形成されており、図１１に示すような、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの配置不可能領域３１ｃ（３６ｃ，３８ｃ）が形成されている。また、これらの各熱交換部材（水冷ヒートシンク）３１，３６，３８の隅部には、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、複数の取り付け穴３１ｂ（３６ｂ，３８ｂ）がそれぞれ形成されている。
【００７６】
各絶縁層３２ａ，３２ｂ，３７，３９は、厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、あるいはアルマイトなどにより形成されている。ここで、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂を絶縁層３２ａ，３２ｂ，３７，３９に用いる場合、これらの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）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）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するのが望ましい。また、アルマイトを絶縁層３２ａ，３２ｂ，３７，３９に用いる場合は、アルマイトの上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の層を積層するのが望ましい。
【００７７】
各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂは、厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなる。ここで、例えば、第１下側電極３３ａおよび第１上電極３３ｂは、図１１（ａ）に示すように配置され、第２上電極３５ａおよび第２下側電極３５ｂは、図１１（ｂ）に示すように配置される。この場合、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの平面形状は長方形状（例えば、長辺の長さは３ｍｍで、短辺の長さが１．８ｍｍ）に形成されているとともに、隣接する電極間の最短距離ｔが長方形状の短辺の長さ（例えば、１．８ｍｍ）よりも短くなるように配置されている。
【００７８】
そして、第１下側電極３３ａと第２上側電極３５ａとの間で電気的に直列接続されるように多数の第１熱電素子３４ａが配置・接合されている。また、第１上側電極３３ｂと第２下側電極３５ｂとの間で電気的に直列接続されるように多数の第２熱電素子３４ｂが配置・接合されている。この場合、各熱電素子３４ａ，３４ｂ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、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるはんだにより接合されている。なお、各熱電素子３４ａ，３４ｂの両端部のはんだ付け面にははんだ付けが容易になるようにニッケルめっきが施されている。
【００７９】
熱電素子３４ａ，３４ｂ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るのが望ましく、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、本実施例においては、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3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、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4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、１．３５ｍｍ（長さ）×１．３５ｍｍ（幅）×１．５ｍｍ（高さ）の寸法になるように切断して形成したものを使用した。
【００８０】
〈熱交換ユニット３０の作製例〉
上述のような構成となる熱交換ユニット３０の作製例を以下に説明する。まず、内部に冷却媒体（この場合は水とする）の複数の流路３１ａが形成され、上・下表面に接着性を有する絶縁層３２ａ，３２ｂが形成された第１熱交換部材（この場合は、吸熱用の水冷ヒートシンクとする）３１を用意する。同様に、内部に冷却媒体（この場合は水とする）の複数の流路３６ａが形成され、下面に接着性を有する絶縁層３７が形成された第２熱交換部材（この場合は、放熱用の水冷ヒートシンクとする）３６と、内部に冷却媒体（この場合は水とする）の複数の流路３８ａが形成され、上面に接着性を有する絶縁層３９が形成された第３熱交換部材（この場合は、放熱用の水冷ヒートシンクとする）３８とを用意する。また、第１下側電極３３ａと第１上側電極３３ｂと第２上側電極３５ａと第２下側電極３５ｂとを用意する。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３４ａ，３４ｂを用意する。
【００８１】
ここで、各熱交換部材３１，３６，３８は、高熱伝導性を有する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、その表面、即ち、熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面は、および熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面は、面粗度（Ｒａ）が５．１μｍ以下になるように表面仕上げがなされている。また、絶縁層３２ａ，３２ｂ，３７，３９は接着性を有しており、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮやＭｇＯやＳｉＣなどのフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層、あるいはアルマイト層の上に上述したフィラーが分散して添加されたポリイミド樹脂層やエポキシ樹脂層が形成された複合層よりなる。なお、絶縁層３２ａ，３２ｂ，３７，３９はシート状の材料を圧着したり、ワニス状材を塗布してから固化するようにして形成すればよい。また、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂは、銅膜あるいは銅合金膜から形成されており、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。
【００８２】
ついで、図１０（ａ）に示すように、第１熱交換部材３１の上面に形成された絶縁層３２ａの上に所定の電極パターン（図１１（ａ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる第１下側電極３３ａを接着するとともに、第１熱交換部材３１の下面に形成された絶縁層３２ｂの下に所定の電極パターン（図１１（ａ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる第１上側電極３３ｂを接着する。この後、図１０（ｂ）に示すように、第１下側電極３３ａ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３４ａを交互に配列するとともに、これらの第１下側電極３３ａと熱電素子３４ａとをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。
【００８３】
また、第１上側電極３３ｂの下に、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３４ｂを交互に配列するとともに、これらの第１上側電極３３ｂと熱電素子３４ｂとをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。ついで、熱電素子３４ａの上に、所定の電極パターン（図１１（ｂ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる第２上側電極３５ａを配置するとともに、熱電素子３４ｂの下に、所定の電極パターン（図１１（ｂ）参照）となるように形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる第２下側電極３５ｂを配置する。
【００８４】
この後、これらの熱電素子３４ａと第２上側電極３５ａおよび熱電素子３４ｂと第２下側電極３５ｂとをはんだ合金（例えば、ＳｎＳｂ合金やＡｕＳｎ合金やＳｎＡｇＣｕ合金など）などの接合材により接合する。これにより、第１下側電極３３ａと第２上側電極３５ａとの間、および第１上側電極３３ｂと第２下側電極３５ｂ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２４が交互に直列接続されることとなる。
ついで、図１０（ｃ）に示すように、第２熱交換部材３６に形成された絶縁層３７が第２上側電極３５ａに接するように第２熱交換部材３６を配置するとともに、第３熱交換部材３８に形成された絶縁層３９が第２下側電極３５ｂに接するように第３熱交換部材３８を配置した後、第２上側電極３５ａを絶縁層３７に接着し、第２下側電極３５ｂを絶縁層３９に接着する。これにより、第３実施例の熱交換ユニット３０が作製されることとなる。
【００８５】
〈熱交換ユニット３０の使用例〉
このような第３実施例の熱交換ユニット３０を用いて温度制御を行う場合、例えば、温度制御が必要とされる被制御対象物（図示せず）から吸熱して暖められた温水を吸熱用の第１熱交換部材３１の流路３１ａの流入側に流入させるとともに、流出側を被制御対象物（図示せず）に流入させる。一方、冷水を第２熱交換部材３６の流路３６ａおよび第３熱交換部材３８の流路３８ａの流入側に流入させるとともに、流出側を排水するようにする。
【００８６】
このような状態で、放熱用の下側電極３５ａと、吸熱用の上側電極３３ａと、これらの両電極３５ａ，３３ａ間で直列接続されるように接合された複数の熱電素子３４ａとからなる第１熱電モジュールＭ１に電流を流すとともに、放熱用の下側電極３５ｂと、吸熱用の上側電極３３ｂと、これらの両電極３５ｂ，３３ｂ間で直列接続されるように接合された複数の熱電素子３４ｂとからなる第２熱電モジュールＭ２に電流を流すようにする。これにより、吸熱用の上側電極３３ａおよび下側電極３３ｂは冷却されて吸熱用の第１熱交換部材３１を介して被制御対象物より流入した温水から熱を奪うこととなる。一方、放熱用の上側電極３５ａおよび下側電極３５ｂは加熱されて、この熱は放熱用の第２熱交換部材３６の流路３６ａおよび第３熱交換部材３８の流路３８ａを流れる冷水を介して放熱されることとなる。
【００８７】
〈最大吸熱量（Ｑｍａｘ）の測定〉
ついで、上述のような構成となる第３実施例の熱交換ユニット３０を用いて、性能評価の指標となる最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を実施例１の場合と同様にして求めた。この場合、まず、熱交換ユニット３０を用いて試験用の熱交換ユニットＦ１〜Ｆ２，Ｇ１〜Ｇ４を作製した。ついで、図１２に示すように、真空チャンバーＺを用意するとともに、この真空チャンバーＺ内に熱交換ユニット３０（Ｆ１〜Ｆ２，Ｇ１〜Ｇ４）を配置する。
【００８８】
ついで、第１熱交換部材３１の流路３１ａの流入側に温水用または熱水用の配管（図示せず）を接続するとともに、同流路３１ａの流出側に排水用の配管（図示せず）を接続する。一方、第２熱交換部材３６の流路３６ａの流入側に冷却水用の配管（図示せず）を接続するとともに、同流路３６ａの流出側に排水用の配管（図示せず）を接続する。また、第３熱交換部材３８の流路３８ａの流入側に冷却水用の配管（図示せず）を接続するとともに、同流路３８ａの流出側に排水用の配管（図示せず）を接続する。ついで、各熱交換ユニットＦ１〜Ｆ２、Ｇ１〜Ｇ４を駆動させ、流路３１ａへの入水の温度と流路３１ａから出水の温度、流路３６ａへの入水の温度と流路３６ａから出水の温度および流路３８ａへの入水の温度と流路３８ａから出水の温度を１０分間計測し、入水の温度を上昇させた場合の出水の温度の平均値から最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を換算して求めた。ここで、熱交換ユニットＦ１〜Ｆ２、Ｇ１〜Ｇ４の第１熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、第２熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面、および第３熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表６〜表７に示すように変化させた場合の最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を求めると、下記の表６〜表７に示すような結果となった。
【００８９】
この場合、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９がポリイミド樹脂シートにアルミナ粉末をフィラーとして分散させて厚みが１５μｍになるように形成したものを熱交換ユニットＦ１とした。また、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９がワニス状のポリイミド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たものを熱交換ユニットＦ２とした。
また、厚みが１０μｍのアルマイト層の上にエポキシ樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末と窒化アルムニウム（ＡｌＮ）粉末とをフィラーとして分散させて厚みが２０μｍになるように積層形成したものを熱交換ユニットＧ１とした。また、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にワニス状のエポキシ樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末と窒化アルムニウム（ＡｌＮ）粉末とをフィラーとして分散させて厚みが２０μｍになるように積層形成したものを熱交換ユニットＧ２とし、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にエポキシ樹脂シートにアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末と酸化アルムニウム（ＭｇＯ）粉末とをフィラーとして分散させて厚みが２０μｍになるように積層形成したものを熱交換ユニットＧ３とした。さらに、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９が厚みが１０μｍのアルマイト層の上にワニス状のエポキシ樹脂にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末と炭化ケイ素（ＳｉＣ）粉末とをフィラーとして分散させて厚みが２０μｍになるように積層形成したものを熱交換ユニットＧ４とした。
【００９０】
〈耐電圧（ｋＶ）の測定〉
ついで、熱交換ユニットＦ１〜Ｆ２の熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面、および熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表６に示すように変化させた場合、各熱交換ユニットＦ１ａ，Ｆ１０〜Ｆ１９，Ｆ２ａ，Ｆ２０〜Ｆ２９の耐電圧を上述した実施例１と同様にして測定すると下記の表６に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＦ１の熱交換部材３１（３６，３８）の絶縁層３２ａ，３２ｂ（３７，３９）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０８μｍのものを熱交換ユニットＦ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＦ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＦ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＦ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＦ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＦ１４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＦ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＦ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＦ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＦ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＦ１９とした。
【００９１】
また、熱交換ユニットＦ２の熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面、および熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０８μｍのものを熱交換ユニットＦ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＦ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＦ２１とし、面粗度（Ｒａ）が０．５μｍのものを熱交換ユニットＦ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＦ２３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＦ２４とし、２．２μｍのものを熱交換ユニットＦ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＦ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＦ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＦ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＦ２９とした。
【表６】
2010199571.tif 000008
【００９２】
上記表６の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図１３の曲線Ｆ１，Ｆ２が得られた。上記表６および図１３の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材３１（３６，３８）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００９３】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０８μｍになると最大級熱量（Ｗ）急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材３１（３６，３８）の表面と絶縁層３２（３７，３９）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材３１（３６，３８）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【００９４】
同様に、熱交換ユニットＧ１〜Ｇ４の熱交換部材３１の絶縁層３２ａ，３２ｂとの両接合面、熱交換部材３６の絶縁層３７との接合面は、および熱交換部材３８の絶縁層３９との接合面の面粗度（Ｒａ）を下記の表７に示すように変化させた場合、各熱交換ユニットＧ１ａ，Ｇ１０〜Ｇ１９，Ｇ２ａ，Ｇ２０〜Ｇ２９，Ｇ３ａ，Ｇ３０〜Ｇ３９，Ｇ４ａ，Ｇ４０〜Ｇ４９の耐電圧を上述した実施例１と同様にして測定すると下記の表７に示すような結果となった。なお、熱交換ユニットＧ１の熱交換部材３１（３６，３８）の絶縁層３２ａ，３２ｂ（３７，３９）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＧ１ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＧ１０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＧ１１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＧ１２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＧ１３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＧ１４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＧ１５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＧ１６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＧ１７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＧ１８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＧ１９とした。
【００９５】
同様に、熱交換ユニットＧ２の熱交換部材３１（３６，３８）の絶縁層３２ａ，３２ｂ（３７，３９）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＧ２ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＧ２０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＧ２１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＧ２２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＧ２３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＧ２４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＧ２５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＧ２６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＧ２７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＧ２８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＧ２９とした。
【００９６】
同様に、熱交換ユニットＧ３の熱交換部材３１（３６，３８）の絶縁層３２ａ，３２ｂ（３７，３９）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＧ３ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＧ３０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＧ３１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＧ３２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＧ３３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＧ３４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＧ３５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＧ３６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＧ３７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＧ３８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＧ３９とした。
【００９７】
同様に、熱交換ユニットＧ４の熱交換部材３１（３６，３８）の絶縁層３２ａ，３２ｂ（３７，３９）との接合面の面粗度（Ｒａ）が０．０７μｍのものを熱交換ユニットＧ４ａとした。同様に、面粗度（Ｒａ）が０．１μｍのものを熱交換ユニットＧ４０とし、０．３μｍのものを熱交換ユニットＧ４１とし、０．５μｍのものを熱交換ユニットＧ４２とし、１．０μｍのものを熱交換ユニットＧ４３とし、１．６μｍのものを熱交換ユニットＧ４４とし、２．１μｍのものを熱交換ユニットＧ４５とし、３．２μｍのものを熱交換ユニットＧ４６とし、４．４μｍのものを熱交換ユニットＧ４７とし、４．７μｍのものを熱交換ユニットＧ４８とし、５．１μｍのものを熱交換ユニットＧ４９とした。
【表７】
2010199571.tif 000009
【００９８】
上記表７の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)を横軸（Ｘ軸）にプロットし、耐電圧（ｋＶ）を縦軸にプロットしてグラフに表すと、図１３の曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が得られた。上記表７および図１３の結果から、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍ以下であると、耐電圧（ｋＶ）は良好であるのに対して、面粗度Ｒａ(μｍ)が４．７μｍより大きくなると耐電圧（ｋＶ）が急激に低下することが分かる。このことから、熱交換部材３１（３６，３８）の面粗度Ｒａ(μｍ)は４．７μｍ以下であるのが望ましいことが分かる。
【００９９】
一方、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さい０．０７μｍになると最大級熱量（Ｗ）急激に低下して熱交換能力が劣化することが分かる。これは、面粗度Ｒａ(μｍ)が０．１μｍより小さくなると鏡面に近い状態となる。このため、熱交換部材３１（３６，３８）の表面と絶縁層３２（３７，３９）とが接合している面積が小さくなり、両者の界面での熱抵抗が増大し、結果として、熱交換が効率よく行われなくなったためと考えられる。
これらのことから、熱交換部材３１（３６，３８）の面粗度Ｒａ(μｍ)は０．１μｍ以上で、かつ４．７μｍ以下（０．１μｍ≦Ｒａ≦４．７μｍ）であるのが望ましいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
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、炭化ケイ素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。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…第１実施例の熱交換ユニット、１１…第１熱交換部材、１１ａ…フィン、１１ｂ…取付穴、１２…絶縁層、１３…下側電極、１３ａ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、１４…熱電素子、１５…上側電極、１５ａ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、１６…第２熱交換部材、１６ａ…フィン、１６ｂ…取付穴、１７…絶縁層、２０…第２実施例の熱交換ユニット、２１…第１熱交換部材、２１ａ…流路、２１ｂ…取付穴、２２…絶縁層、２３…下側電極、２３ａ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、２４…熱電素子、２５…上側電極、２５ａ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、２６…第２熱交換部材、２６ａ…流路、２６ｂ…取付穴、２７…絶縁層、３０…第３実施例の熱交換ユニット、３１…第１熱交換部材、３１ａ…流路、３１ｂ…取付穴、３１ｃ…電極の配置不可能領域、３２ａ，３２ｂ…絶縁層、３３ａ…第１下側電極、３３ｂ…第１上側電極、３３ｃ，３３ｄ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、３４ａ，３４ｂ…熱電素子、３５ａ…第２上側電極、３５ｂ…第２下側電極、３５ｃ，３５ｄ…電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域、３６…第２熱交換部材、３６ａ…流路、３６ｂ…取付穴、３７…絶縁層、３８…第３熱交換部材、３８ａ…流路、３８ｂ…取付穴、３９…絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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