(57)【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水冷板と熱交換板との間に介在させて成る熱交換装置において、
水冷板と熱交換板の外周に形成された締め付け用の外周側貫通孔と、
水冷板と熱交換板の内側に形成された締め付け用の内側貫通孔と、
水冷板と熱交換板との間に介在され、外周側貫通孔を回避するように当該外周側貫通孔の内側側近に配置された外側のＯリングと、
水冷板と熱交換板との間に介在され、内側貫通孔を包囲するように配置された内側のＯリングと
が設けられ、
外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア内に、熱電素子対が等密度に配置され、
外周側貫通孔と、内側貫通孔を介して水冷板と熱交換板とが締結されてなる
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
水冷板と熱交換板は、熱交換対象の流体の流路を有し、該流路は、当該水冷板と熱交換板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３】
水冷板と熱交換板の伝熱面表面であって、外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア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４】
水冷板と熱交換板の伝熱面表面であって、外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア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５】
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３、４のいずれかに記載の熱交換装置。
【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３０ａ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）、（３１５ｂ，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３０ａ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４０２ｂ、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（３１１ａ，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，４０３ｂ）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記載の発明は、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水冷板と熱交換板との間に介在させて成る熱交換装置において、
水冷板と熱交換板の外周に形成された締め付け用の外周側貫通孔と、
水冷板と熱交換板の内側に形成された締め付け用の内側貫通孔と、
水冷板と熱交換板との間に介在され、外周側貫通孔を回避するように当該外周側貫通孔の内側側近に配置された外側のＯリングと、
水冷板と熱交換板との間に介在され、内側貫通孔を包囲するように配置された内側のＯリングと
が設けられ、
外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア内に、熱電素子対が等密度に配置され、
外周側貫通孔と、内側貫通孔を介して水冷板と熱交換板とが締結されてなる
ことを特徴とする。
【００２１】
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、水冷板と熱交換板は、熱交換対象の流体の流路を有し、該流路は、当該水冷板と熱交換板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３記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、水冷板と熱交換板の伝熱面表面であって、外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア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４記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、水冷板と熱交換板の伝熱面表面であって、外側のＯリングの内側でかつ内側のＯリングの外側となるエリア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。
【００２５】
請求項５記載の発明は、上記請求項３、４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１００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１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ，１１５ｂ，１１６ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９ｂが設けられる。これらボルト貫通孔１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ，１１５ｂ，１１６ｂ，１１７ｂ，１１８ｂ，１１９ｂ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，１１３ａ，１１４ａ，１１５ａ，１１６ａ，１１７ａ，１１８ａ，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１１０ａ、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５０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１２１ｂ，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１２１ａ，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，１１６ａ，１１７ａ，１１８ａ，１１９ａ、及び熱交換板１１０ｂ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。
【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５０１ｂ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５０１ｂ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５０１ａ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１１０ａ、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５０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１１０ａ、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１００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５０２，５０３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１２５ａ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、隣接する流路を流れる放熱水つまり流体入口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２１０ａは、対向する例えばアルミ製の熱交換プレート２１０ｂ（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２１０ｂ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２５２，２５３（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１００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１００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１１０ａ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１１０ａ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５１１ｂ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１１０ａ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５０１（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５１２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５１１ｂ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１１０ａ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１１０ａ）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１１０ａ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５１５を半田５１６，５１６′を介してサーモモジュール５０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，２２１，２２２  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
６０，６１  Ｏ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
【図１】
0004350884.tif 000002
【図２】
0004350884.tif 000003
【図３】
0004350884.tif 000004
【図４】
0004350884.tif 000005
【図５】
0004350884.tif 000006
【図６】
0004350884.tif 000007
【図７】
0004350884.tif 000008
【図８】
0004350884.tif 000009
【図９】
0004350884.tif 000010
【図１０】
0004350884.tif 000011