(57)【要約】【課題】放熱特性が高く、かつ、高温多湿環境において長期信頼性に優れる熱電モジュールを得ることである。【解決手段】対向する一対の支持基板１ａ，１ｂを有し、これらの支持基板１ａ，１ｂの一方の主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間を電極により電気的に連結した熱電モジュールと、一対の支持基板１ａ，１ｂのうち、少なくとも一方の支持基板１ａ，１ｂにおける他方の主面側に配設されたフィン７とを備え、フィン７は、支持基板１ａ，１ｂの主面に対して略垂直な方向に起立し互いに略平行に配列された複数の熱交換板７ａを有し、該熱交換板７ａの配列方向の中央付近に配設された隣り合う２つの熱交換板７ａ，７ａの間隔が、配列方向の両端付近に配設された隣り合う２つの熱交換板７ａ，７ａの間隔よりも小さい熱交換装置である。【選択図】図２
2007123564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の支持基板を有し、これらの支持基板の一方の主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における他方の主面側に配設されたフィンとを備えた熱交換装置において、前記フィンは、前記支持基板の主面に対して略垂直な方向に起立し互いに略平行に配列された複数の熱交換板を有し、該熱交換板の配列方向の中央付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔が、前記配列方向の両端付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔よりも小さいことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
隣り合う２つの前記熱交換板の間隔は、前記配列方向の中央付近から両端付近に向かって漸次大きくなることを特徴とする請求項２記載の熱交換装置。
【請求項３】
対向する一対の支持基板を有し、これらの支持基板の一方の主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における他方の主面側に配設されたフィンとを備えた熱交換装置において、前記フィンは熱交換媒体が通過する複数の流路を有し、これらの流路のうち、中央付近の流路の断面積が両端付近の流路よりも小さいことを特徴とする熱交換装置。
【請求項４】
前記複数の流路の断面積は、中央付近の流路から両端の流路に向かって漸次大きくなることを特徴とする請求項３記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記フィンの表面には撥水処理が施されている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。
【請求項６】
前記フィンはコルゲートフィンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却あるいは放熱用の熱交換フィンを備え、空調機、冷温庫、発熱体の冷却、熱電発電等に好適に使用され、特に自動車シートの冷却または加温の用途に好適な熱電モジュールを利用した熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ペルチェ効果を用いた熱電モジュールを利用した熱交換装置は、冷却用途の熱交換装置として恒温槽、冷蔵庫、半導体製造装置等に多用されている。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ので、冷温庫や空調機の用途にも使用されている。さらに、この熱電モジュールをは温度差を与えることで電気を取り出すことも可能なため、熱電発電装置としても注目されている。
【０００３】
これらのペルチェ効果を利用した熱電モジュールを用いた熱交換装置の代表的な構造としては、図１に示すように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ配線導体（電極）２ａ、２ｂが形成され、熱電素子３（Ｎ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂ）が配線導体２ａ、２ｂによって挟持されるとともに、電気的に直列に連結されるように構成され、支持基板１ａ，１ｂに熱交換用のフィンが取り付けられている。このＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂは、交互に配列され、電気的に直列になるように配線導体２ａ、２ｂで接続され、さらに外部接続端子４に接続されている。これにより、外部接続端子４から熱電素子３に直流電圧を印加することができ、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱させることができる。
【０００４】
この熱電モジュールにおいて吸熱された熱量は、放熱面から放熱され、同時に放熱面は通電されたジュール発熱も放熱させる必要がある。従って、吸熱あるいは発熱のエネルギーを冷温庫あるいは空調機に用いるためには、放熱面を放熱しやすい構造にする必要がある。放熱特性が悪いと放熱できない熱量が冷却面に移動するため、冷却特性を大幅に低下させる。従って、ペルチェ効果を利用した熱交換装置の冷却効率を高める上で放熱特性を高めることは特に重要である。
【０００５】
放熱面の放熱特性を向上させる方法としては、放熱特性の高い水冷のヒートシンクを接合することが理想的であるが、水冷構造が複雑で大型になるため、一般的にはフィンあるいはファン、さらにはフィン付きのファンなどの熱交換器を放熱面に接着して使用されている。また、冷却面にも熱交換器を使用することで冷却、加熱の両方に使用することが可能になるばかりではなく、フィンを空冷させ、その空気を利用することで冷却あるいは放熱可能な簡易的な空調機として使用可能となる。
【０００６】
ここで、特許文献１に示すように、冷却あるいは放熱の両方に使用が可能な熱電モジュールを利用した熱交換装置のフィンとしては、フィンを構成する部材を均等配置するのが簡便であり、一般的に用いられている。また、特許文献２には、放熱特性を高めるために、熱電素子に直接熱交換用のフィンを接合した熱電モジュールが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３３２６４２号公報
【特許文献２】特開２００２−８４００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、冷却、加熱の両方に用いられる熱交換フィンを兼ね備えた熱電モジュールを利用した熱交換装置は、消費電力と冷却性能の比（冷却性能／消費電力）で示される成績係数（ＣＯＰ）では、未だ実用領域では１以下であり、圧縮型冷凍機のＣＯＰの３〜４と比較すると効率が格段に悪く、限定された用途でしか使用されていない。また、近年では、例えば自動車のシートの冷却など、性能を保証する温度及び湿度の幅が広がり、より過酷な環境での用途が広がっており、性能向上と同時に高い耐久特性及び信頼性が要求されている。
【０００８】
このような見地において、等間に隔配置した熱交換のフィンを設けた熱交換装置では、熱交換媒体（主に空気）の流れを考慮しておらず、熱交換装置内にて熱交換のバラツキがあり、熱交換の効率悪い上、例えば、印加する電圧の正負の反転を繰り返すような場合において、耐久性が劣るという問題がある。更には、また、自動車車内のような高湿となるような場所では、冷却側で結露が発生するため、熱交換効率が低下する。また先述した特許文献２のような構造では熱電モジュールの素子間が短絡するおそれもある。
【０００９】
従って、本発明は、熱交換特性が高く、かつ、高温多湿環境において長期信頼性に優れる熱電モジュールを利用した熱交換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の熱交換装置は、対向する一対の支持基板を有し、これらの支持基板の一方の主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における他方の主面側に配設されたフィンとを備えた熱交換装置において、前記フィンは、前記支持基板の主面に対して略垂直な方向に起立し互いに略平行に配列された複数の熱交換板を有し、該熱交換板の配列方向の中央付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔が、前記配列方向の両端付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔よりも小さいことを特徴とする。本発明における隣り合う２つの前記熱交換板の間隔は、前記配列方向の中央付近から両端付近に向かって漸次大きくなっているのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の熱交換装置は、対向する一対の支持基板を有し、これらの支持基板の一方の主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における他方の主面側に配設されたフィンとを備えた熱交換装置において、前記フィンは熱交換媒体が通過する複数の流路を有し、これらの流路のうち、中央付近の流路の断面積が両端付近の流路よりも小さいことを特徴とするものであってもよい。本発明における前記複数の流路の断面積は、中央付近の流路から両端の流路に向かって漸次大きくなっているのが好ましい。
【００１２】
本発明における前記フィンの表面には撥水処理が施されているのが好ましく、前記フィンはコルゲートフィンであるのがより好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換装置によれば、フィンが、前記支持基板の主面に対して略垂直な方向に起立し互いに略平行に配列された複数の熱交換板を有し、該熱交換板の配列方向の中央付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔が、前記配列方向の両端付近に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔よりも小さいので、熱交換装置に送られる熱交換媒体の流速にばらつきが生じるのを抑制し、速度分布をより均等にすることができるため、熱交換効率のばらつきを抑制することができ、その結果、熱交換装置の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
また、隣り合う２つの前記熱交換板の間隔は、前記配列方向の中央付近から両端付近に向かって漸次大きくなるときには、印加する電圧の正負の反転を繰り返すような場合でも、熱電モジュール内に生じる熱膨張差は緩やかになり、より耐久性が向上する。
【００１５】
本発明の他の熱交換装置によれば、フィンが熱交換媒体が通過する複数の流路を有し、これらの流路のうち、中央付近の流路の断面積が両端付近の流路よりも小さいので、熱交換装置に送られる熱交換媒体の流速にばらつきが生じるのを抑制し、速度分布をより均等にすることができるため、熱交換効率のばらつきを抑制することができ、その結果、熱交換装置の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
また、複数の流路の断面積は、中央付近の流路から両端の流路に向かって漸次大きくなるときには、印加する電圧の正負の反転を繰り返すような場合でも、熱電モジュール内に生じる熱膨張差は緩やかになり、より耐久性が向上する。
【００１７】
また、熱交換フィンには、撥水処理が施されていることが更に望ましい。これは、例えば、自動車用途などのように高温多湿条件下では、冷却側のフィン表面にて結露が生じ、熱交換効を妨げる現象が発生するが、撥水処理を施すことにより、ファン表面に結露がとどまることを防止することができる。また、結露による水分が熱交換装置な内に生じ無いため、熱電モジュール内での漏電を防ぐことができる。
【００１８】
さらには、熱交換フィンに一体型のコルゲートフィンを用いたことにより、フィンによって形成される流路の表面積を増やすことできる上、より均一に熱交換が可能となり、熱交換効率と耐久性の両方が良好な結果となった。
【００１９】
以上のように、本発明によれば、熱交換特性及び耐久特性が優れた熱電モジュールを用いた熱交換装置が得られ、本発明の熱交換装置を冷温庫、空調機等に用いることで熱交換効率が高く、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図２は、本発明の一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、本発明の一実施形態にかかる熱交換装置を示す斜視図である。
【００２１】
図２に示すように、本実施形態にかかる熱交換装置は、支持基板１ａ、１ｂからなる一対の支持基板１と、支持基板１ａおよび支持基板１ｂのそれぞれの一方の主面側（対抗する主面間）に配列された複数のＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂからなる熱電素子３と、支持基板１ａおよび支持基板１ｂのそれぞれの他方の主面側に設けられたフィン７，７とを備えている。支持基板１ａ、１ｂのそれぞれの一方の主面には、隣接するＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂ間を電気的に連結する電極２が複数形成されている。支持基板１ａ、１ｂは金属板８と絶縁層５とからなる。金属板８にはフィン７が連結部材６ａにより固着されている。電極２と熱電素子３は連結部材６ｂにより固着されており、各熱電素子３は、電極２により電気的に直列に連結されている。絶縁層５は、金属板８と電極２を電気的に絶縁させることを目的としている。
【００２２】
このような構造の熱交換装置では、電極２に発生する吸熱または放熱をフィン７に伝熱し、フィン７によって冷却または放熱される。例えば、フィン７に空気を流し空冷させた場合、ことによって、冷却または加熱された空気が発生し、空調機として使用することが可能である。
【００２３】
金属板８の厚みは、熱応力を緩和する見地から、０．５ｍｍ以下、好ましくは０．１〜０．３ｍｍであるのがよい。厚みが０．５ｍｍを超える場合、剛性が高くなり容易に変形できずに応力集中を引き起こし繰り返しの耐久特性を低下させるおそれがある。金属板８の材料は、熱伝導率の高い銅、アルミ、またはそれらを主成分とする合金などが望ましい。
【００２４】
また、電極２の厚みは、熱電素子３へ供給する電流値の見地から、０．１ｍｍ以上であるのがよい。厚みが０．１ｍｍ以下の場合、熱電モジュールを流れる電流値の影響により発熱し、熱交換装置の性能を低下させるおそれがある。電極２の材料は、電気抵抗率の低い銅、アルミ、またはそれらを主成分とする合金などが望ましい。
【００２５】
連結部材６ａ、６ｂは、金属であれば特に限定されるものではなく、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｌなどのロウ材であってもよいが、はんだであるのが望ましい。はんだが好ましい理由は、以下の通りである。すなわち、前述したように熱電モジュールは両面において大きな温度差を発生させるために熱応力が発生しやすい。この熱応力は特に連結部に集中しやすいため、連結部に変形しやすいはんだを用いることで冷熱の繰り返しに対する耐久性を大幅に高めることが可能となる。特に、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、ＺｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一種を主成分とするはんだを用いることで、接合強度を高め、耐久性を高めることができる。具体的なはんだ組成としては、質量％比で、４２Ｓｎ−５８Ｂｉ、９５Ｓｎ−５Ｓｂ、９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ、４８Ｓｎ−５２Ｉｎ、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、８０Ａｕ−２０Ｓｎ、９１Ｓｎ−９Ｚｎなどが好適に使用できる。また、Ｐｂフリーはんだとすることで環境への影響を小さくし、Ｐｂイオンによる耐久性の劣化を抑制することができる。
【００２６】
連結部材６ａ、６ｂの厚みは、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１０〜３０μｍにするのがよい。これにより、電極２と連結部材６ｂ、熱交換器７と連結部材６ａの界面に密着不良が生じるのを防止し、熱抵抗を低減させることができる。この厚みが５μｍ未満である場合、密着していない空間が発生しやすくなり熱抵抗を増大させると同時に密着性を低下させるおそれがある。特にそのような密着不良の領域は応力も集中しやすく繰り返し使用における耐久性も劣化させるおそれがある。さらには、連結部材６ｂは熱電素子３の発熱に伴う高温熱の影響を受けやすい為、連結部材６ｂの溶融温度は、連結部材６ａの溶融温度より高温であることが望ましい。
【００２７】
支持基板１は、連結部材８で熱交換器７と連結される面と反対側の面に絶縁層５を形成するが、この絶縁層５は高い絶縁性とある程度の柔軟性が必要なことから樹脂製であることが望ましい。絶縁層５としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、エポキシ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の少なくとも１種を用いることで前述した高温高湿環境においても化学的に安定した特性を得ることができる。絶縁層５の厚みは、０．０１ｍｍ以上にすることが絶縁性を保つ上で好ましく、より好ましくは０．０２ｍｍ以上、さらに好ましくは０．０３ｍｍ以上、特に好ましくは０．０３〜０．１ｍｍであるのがよい。支持基板１の表面に絶縁層５を形成する方法としては、ドクターブレード法やスクリーン印刷法などの既存の方法で、金属板８上に樹脂材料を均一に成膜したのち、電極基板２を重ね、例えば２００〜４００℃程度の温度をかけながら応力をかけ圧着する熱圧着による方法が例示できる。
【００２８】
絶縁層５には、無機酸化物または無機窒化物といった高熱伝導性のフィラーを含有することが絶縁層の熱伝導率を高め、熱抵抗を低減させるうえで好ましい。フィラーの添加率は、３０体積％以上、好ましくは３０〜７０体積％であるのがよい。また、フィラーは、粒径が１μｍ以上、好ましくは１０〜１００μｍ程度で、鱗片状の粒子であるのが、熱伝導率を高める上で好ましい。フィラーとしては、例えばアルミナ、酸化亜鉛、酸化ケイ素などの酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物を例示することができる。
【００２９】
フィン７は放熱するための構造を有しているものであれば特に限定されず、図２に示すような空気が流れる空間を有する構造や放熱用のピンが多数ある構造のフィンなどが例と上げられる。さらにファンを兼ね備えたものであれば空冷が同時に可能となる。また、フィン７の表面積を大きくするために、フィン表面に凹凸を設けても良いが、圧力損失が大きくなり送風装置が大型化する為、図３に示すような波形（ウェーブ）の加工を施したコルゲートフィンが望ましい。
【００３０】
フィン７を構成する材料は、銅またはアルミニウムであるのが、高い熱伝導率が得られ、熱交換特性を高める上で望ましい。特に、金属板８とフィン７は両方とも同じ材料で熱膨張率を合わせることで、連結時の熱応力を低減することができる。さらに、両方とも銅を用いることがはんだ接合を容易にさせる上で好ましい。アルミニウムを用いる場合は、表面にＳｎなどのメッキ層を形成することではんだ接合が可能になる。
【００３１】
本発明では、図４に示すように、フィン７が熱電モジュールの表面の金属板８上に、熱交換効率を高める必要のある流路の断面積を他の流路よりも大きく配置されていることが重要である。このフィンの配置により、熱熱モジュールからの熱をフィンを介して熱交換媒体と効率よく熱交換できる。これは、フィン７で形成される流路内を流れる熱交換媒体の流量を均等にすることにより、熱電素子３が放熱・吸熱する熱を均等にフィン７から熱交換媒体へ伝えることができ、例えば、印加する電圧の正負の反転を繰り返すような場合でも、熱電モジュール内に生じる熱膨張差は緩やかになり、より耐久性が向上する。
【００３２】
通常、管内を通ってフィン７へ送られる空気のような熱交換媒体は、中心部分の流量が最も早く、壁面へ緩やかに遅くなることから、複数の流路のうち、中央付近の流路の断面積が両端付近の流路よりも小さいことが望ましい。また、この熱交換媒体の流量分布を考慮し、流路の断面積は、中央の流路から両端の流路に向かって漸次大きくなることがさらに望ましい。
【００３３】
ここで、本発明において「流路の断面積」とは、支持基板に垂直で、かつ、流路に垂直（流路内を流れる流体の進行方向に垂直）な断面において、流路を構成する部材（熱交換板、支持基板の主面など）で囲まれた領域の面積をいう。例えば、流路の一部が開口している場合には、開口部分の両端を結ぶ直線と当該流路を構成する部材とで囲まれた領域の面積をいう。
【００３４】
また、上記と同様の理由から、フィン７は、支持基板１ａ，１ｂの主面に対して略垂直な方向に起立し互いに略平行に配列された複数の熱交換板７ａ、７ａ、・・・、７ａを有し、該熱交換板７ａの配列方向の中央に配設された隣り合う２つの熱交換板の間隔ｃ１が、配列方向の両端に配設された隣り合う２つの熱交換板７ａの間隔ｃ２よりも小さくなるようにしてもよい。また、隣り合う２つの熱交換板７ａ，７ａの間隔は、配列方向の中央付近から両端付近に向かって漸次大きくなるのがさらに好ましい。
【００３５】
また、フィン７の表面には、フッ素、シリコンを主成分とする撥水コーティングを設けることが望ましい。市販のフッ素、または、シリコンを含有する有機溶剤をスプレーまたはディッピングなどの方法で薄膜塗布し、乾燥して皮膜を形成する。この撥水コーティングにより、例えば、車内のような高温高湿中で本発明のような熱交換装置を作動させた場合、冷却側のフィンに結露が発生する。結露が発生したフィンは、空気のような熱交換媒体の場合、フィン表面の水の膜により熱伝達が劣化し、熱交換装置自体の性能を低下することになる。また、この結露による水滴が熱電モジュール内に浸入した場合、電気的なショートを起こし、漏電につながる恐れがある。結露を押さえる為には、頻繁に熱電素子３に印加する電圧の正負の反転を繰り返し、フィンを常に乾燥させるような回路的な手段も効果的である。
【００３６】
さらには、フィン７はコルゲートフィンであることが望ましい。コルゲートフィンにすることにより、フィンによって形成される流路の表面積を増やすことできる上、より均一に熱交換が可能となり、熱交換効率と耐久性の両方が良好な結果となる。さらには、一体型のフィンであることにより、フィン７全体が均熱化しやすくなり、強度的に弱い電極２と連結部材６ｂ、熱交換器７と連結部材６ａの界面の熱応力を弱める結果となり、例えば、印加する電圧の正負の反転を繰り返すような場合において、耐久性のが向上する。
【００３７】
フィン７は、熱交換装置自体の熱容量を小さくするためにも、厚みが０．３ｍｍ以下であることが望まれる。０．３ｍｍ以上では、複雑な折り曲げ形状が困難で、フィン７の形状を一体型のコルゲートを形成することが難しい。さらには、図４に示すように、フィン７を製造加工する際に、フィン７の半田接合部分において、接合長さａに対し、折れ曲がり加工長さｂの占める長さが１５〜６２％である事が更に望ましい。１５％以下では、接合部材６ａにはんだを用いるような場合、フィン７の側面まで接合部材６ａが這い上がらず、金属板８から接合部材６ａを伝わってくる熱伝達が劣る結果となり、熱交換装置の性能が低下する結果となる。また、６２％以上では、フィン７の下部からの熱伝達が少なくなるため、熱交換装置の性能が低下する結果となる。
【００３８】
次に、本実施形態にかかる熱電モジュール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。
【００３９】
これらの熱電材料を用いて公知の技術により熱電素子３を作製する。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。
【００４０】
次に、前述した支持基板１を準備する。本発明では、支持基板１内の絶縁層５は樹脂製であるのが好ましい。金属板８を樹脂層５の一方の面に、電極２を樹脂層５の他方の面に形成する方法としては、公知の方法であれば良いが、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８および電極２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２が金属配線された支持基板１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。
【００４１】
次に、熱電素子３と支持基板１上の電極２を接合部材６ｂにて接合する。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３を配列する。熱電素子３はＮ型とＰ型の２種類の素子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。熱電素子３を配列した後、はんだを配列させた反対の絶縁基板を上面に設置する。配置された熱電素子を挟んだ絶縁基板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１内の絶縁層５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。
【００４２】
次に、得られた熱電素子３の両面に取り付けられた金属板８とフィン７を連結部材６ａにて連結する。使用するフィン７はその用途によって形、材質が異なるが、冷却を主とする空調機器として使用する場合は、銅製のフィンが好ましく、特に空冷で使用する場合、空気と接触する面積が増えるように波状の形で作製されたコルゲートフィンが望ましい。また、放熱側のフィン７をより熱交換量が大きいものにすることによって放熱をよくし、冷却特性を向上させることも一般的である。
【００４３】
連結部材６ａにはんだ用いて連結させる場合は、はんだを両面の金属板８上に印刷したのちフィン７を両側に配置し、熱電素子３を接合させた場合と同様に両側に応力をかけながら加熱することで連結できる。このとき、印刷に使用するはんだの種類、量によって連結状態の厚み、耐熱性、密着性を調整することが可能である。連結される金属の面の凹凸が大きく荒れた面にすることでアンカー効果が発生し、密着性を高めることができる。最後に、得られたフィン７が連結された熱電モジュールに電流を通電するためのリード線４をはんだこて等で接合し、フィン７の表面にスプレーなどの方法で撥水コート処理し、本発明の熱交換装置が得られる。
【００４４】
上記のようにして得られた熱交換装置は、熱電モジュールからの熱をフィン７から均一に空気のような熱交換媒体へ伝えることができるため、熱電モジュール内の熱応力の発生が小さく、さらには、冷却側の結露は、撥水コートにより熱交換装置から排出されるため、長期間、冷却と加熱を交互に用いるような用途においても高い耐久特性を有する。
【実施例】
【００４５】
以下に本発明の実施例を示す。
【００４６】
まず、サイズが１．５ｍｍ角の熱電素子と、表１に示す材質でサイズが４０ｍｍ×２０ｍｍの支持基板を準備した。支持基板は０．１ｍｍの銅板の間にエポキシ樹脂に粒径０．００１ｍｍのアルミナ粒子を５０ｖｏｌ％混ぜた絶縁層をドクターブレード法により形成し、３００℃、０．５ＭＰａｋｇ／ｍｍ２の条件で加熱加圧し作成した。その後、片面をパターンエッチングし、電極パターンを形成した。その後、熱電素子を９５Ｓｎ−５Ｓｂのはんだで電極に接合し、熱電モジュールを作製した。
【００４７】
次に、表２に示すような１９枚の羽根（熱交換板）で構成された流路分布（熱交換板の間隔）の異なるフィン(a)〜(c)を用意し（表２参照）、４２Ｓｎ−５８Ｂｉのはんだで接合した。なお、コルゲート形状は、高さ０．２ｍｍ、幅５ｍｍのウェーブ形状の加工を施した。フィンの撥水処理は、フッ素樹脂系のコーティングをスプレー処理で施した。
【００４８】
なお、表２中の「フィン間隔Ｎｏ．」は、図２に示すような配置状態で熱交換装置を見たときに、最も左に位置する隣り合う２つの熱交換板の間を「フィン間隔Ｎｏ．１」とし、右の向かって順にＮｏ．１８まで番号を付したものである。
【００４９】
（耐久試験）
得られた熱交換器装置に５０Ｗの電力を投入して温度差を発生させながら、温度２５％、湿度４０％の条件下で、両方のフィンにそれぞれ４ｍ／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ΔＴ１とし、冷却能力を計算した。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、耐久試験後の熱電モジュールの抵抗値の変化を計算した。さらに、温度２５℃湿度８０％の環境で、両方のフィンにそれぞれ４ｍ／ｓｅｃの風を放熱、冷却面にあてて、１００時間通電し、連続通電後の冷却能力の変化も冷却側の風の入り口温度と出口温度の差を温度差ΔＴ１を測定を試験前後の差ΔＴ２を算出した。結果を表１に示す。
【表１】
2007123564.tif 000003
【００５０】
【表２】
2007123564.tif 000004
【００５１】
表１において、フィン７の流路の間隔を中心部を狭く、端部を広くした試料ＮＯ．２は、流路が等間隔のフィンを用いた試料Ｎｏ．１より、冷却効果（ΔＴ１）が大きく、反転通電サイクル試験後の熱電モジュールの抵抗変化が小さい。また、流路の間隔を中心部から漸次大きくしたフィンを用いた試料Ｎｏ．３は、反転通電サイクル試験後の熱電モジュールの抵抗変化が更に小さく、良好な結果となった。
【００５２】
また、撥水処理を施した試料Ｎｏ．４〜９は、撥水処理を施していな試料Ｎｏ．１〜３に比べ、高湿下での連続通電前後でのΔT1の差（ΔT２）が小さく、高湿下でも更に良好な耐久性が確認された。
【００５３】
さらには、フィンをコルゲートフィンとした場合、コルゲート形状でないフィンを用いた試料Ｎｏ．２〜９に比べ、ΔＴ１が大きく、冷却効果が大きくなる。また、コルゲートフィンにおいても、フィン７の流路の間隔を中心部を狭く、端部を広くした試料Ｎｏ．８は、流路が等間隔のフィンを用いた試料Ｎｏ．７より、冷却効果（ΔＴ１）が大きく、反転通電サイクル試験後の熱電モジュールの抵抗変化が小さい。また、流路の間隔を中心部から漸次小さくしたフィンを用いた試料Ｎｏ．８は、反転通電サイクル試験後の熱電モジュールの抵抗変化が更に小さく、良好な結果となった。
【００５４】
以上のように、本発明の範囲内であるＮｏ．２〜９は、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１に比べ、冷却温度も低く、反転通電サイクル試験後の抵抗変化率も小さく、耐湿試験後の温度差の変化も小さい結果となり、本発明品の反転運転及び高湿下における耐久特性が優れていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来のペルチェ効果を用いた熱交換装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる熱交換装置を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる熱交換装置を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる熱交換装置のフィン接合部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  支持基板
２  配線導体
３  熱電素子
３ａ  Ｎ型熱電素子
３ｂ  Ｐ型熱電素子
４  外部接続端子
５  絶縁層  
６  連結部材
６ａ  連結部材
６ｂ  連結部材
７  フィン
７ａ  熱交換板
８  金属板
【図１】
2007123564.tif 000005
【図２】
2007123564.tif 000006
【図３】
2007123564.tif 000007
【図４】
2007123564.tif 000008