(57)【要約】【課題】熱電モジュールの配置可能領域の分布位置および占有面積を最適化して、均一で十分な吸熱量（あるいは放熱量）が得られるようにする。【解決手段】本発明の熱交換装置１０は、複数の長方形状の電極１３（１５）の上に一対の熱電素子１４が接合されて直列接続されているとともに、少なくとも一方の電極１３（１５）が熱交換器１１（１６）の表面に絶縁層１２（１７）を介して形成されている。そして、熱交換器１１（１６）の表面に絶縁層１２（１７）を介して形成された電極１３（１５）の形成領域の面積は熱交換器１１（１６）の表面の電極の配置可能領域の面積に対して５０％以上で、かつ電極の配置不可能領域の面積が熱交換器１１（１６）の全表面の面積に対して２０％以下であるとともに、各電極１３（１５）において隣接する電極同士の最短距離が電極の短辺の長さよりも短く形成されている。【選択図】  図１
2009295878.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配置された熱交換装置であって、
前記熱交換器の表面に絶縁層を介して配置された電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積が当該電極の配置可能領域の面積に対して５０％以上で、かつ当該電極の配置不可能領域の面積が前記熱交換器の当該電極が配置される面の全表面積に対して２０％以下であるとともに、
隣接する電極間の最短距離が前記長方形状の電極の短辺の長さよりも短くなるように配置されていることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
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に記載の熱交換装置。
【請求項３】
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２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
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３に記載の熱交換装置。
【請求項５】
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３あるいは請求項４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、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た熱交換装置に関する。
【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装置として用いることが種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２００３−３３２６４２号公報）にて提案された熱交換装置５０においては、図１６（ａ）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）５１の上にアルマイト層からなる絶縁層５２を形成すると共に、金属電極５４と同じ配列パターンを有する金属メッキ層５３を絶縁層５２上に一体的に形成し、金属メッキ層５３に金属電極５４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５５ａとＮ型の熱電変換素子５５ｂ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５６と下側の金属電極５４で電気的に直列接続となるように接合している。
【０００４】
この場合、下側の金属電極５４と、Ｐ型の熱電変換素子５５ａとＮ型の熱電変換素子５５ｂとからなる複数の熱電変換素子５５と、上側の金属電極５６とで熱電モジュール５０ａが構成されることとなる。通常、このような熱電モジュール５０ａが汎用製品として市販されており、このような熱電モジュール５０ａを用いて熱交換装置５０が形成されることとなる。
【特許文献１】特開２００３−３３２６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなに熱電モジュール５０ａを用いて熱交換装置５０を形成する場合、図１６（ｂ）に示すように、アルミニウム板からなる熱交換部材５１の上にアルマイト層からなる絶縁層５２を形成するとともに、この絶縁層５２の上に金属電極５４と同じ配列パターンを有する金属メッキ層５３を形成して、熱電モジュール５０ａの実装部５７ａ，５７ｂ，５７ｃを形成する。その後、これらの実装部５７ａ，５７ｂ，５７ｃの上に各熱電モジュール５０ａを接合して熱交換装置５０が形成されることとなる。
【０００６】
しかしながら、上述のように、熱交換部材５１の上に熱電モジュール５０ａの実装部５７ａ，５７ｂ，５７ｃを形成すると、熱交換部材５１の上で熱電モジュール５０ａが実装される領域と、そうでない領域（熱電モジュール５０ａが実装されない配置不可能領域）とが形成されることとなる。そして、このような熱電モジュールが実装されない配置不可能領域が形成されるようになると、熱電モジュールの配置可能領域（実装部）と配置不可能領域との間の温度差が大きくなる。このため、均熱性が劣り、放熱負荷に部分的な偏在が生じた熱交換装置５０が形成されることとなり、熱交換装置５０の全体としては、十分な吸熱量（あるいは放熱量）が得られないという問題を生じた。
【０００７】
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、熱交換部材の表面に配置される熱電モジュールの配置可能領域の分布位置および占有面積を最適化して、十分な吸熱量（あるいは放熱量）が得られるようにして、低消費電力で高信頼性を有する熱交換装置を提供できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の熱交換装置は、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、これらの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、熱交換器の表面に絶縁層を介して配置された電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積が当該電極の配置可能領域の面積に対して５０％以上で、かつ当該電極の配置不可能領域の面積が熱交換器の当該電極が配置される面の全表面積に対して２０％以下であるとともに、隣接する電極間の最短距離が長方形状の電極の短辺の長さよりも短くなるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
ここで、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積比率が５０％未満であると、熱源からの熱を均一に吸収できなくなるため、熱吸収のロスが増大して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下するという実験結果が得られた。ところが、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積の比率（面積比率）が５０％以上になると、熱源からの熱が均一に吸収できるようになるため、熱吸収のロスが減少するようになるという実験結果が得られた。また、電極の配置不可能領域の面積比率が２０％を越えると急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下するのに対して、電極の配置不可能領域の面積比率が２０％以下になると、急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上するという実験結果が得られた。
【００１０】
このため、本発明においては、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積の比率（面積比率）が５０％以上になるように設定しているとともに、電極の配置不可能領域の面積比率を２０％以下になるように設定している。この結果、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が大きくて、十分な吸熱量（あるいは放熱量）が得られるとともに、低消費電力で高信頼性を有する熱交換装置を提供できるようになる。
【００１１】
この場合、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。この場合、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。さらに、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、ペースト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】
【００１２】
本発明の熱交換装置においては、熱交換部材の表面に配置される熱電モジュールの配置可能領域の分布位置および占有面積が最適化されているので、十分な吸熱量（あるいは放熱量）が得られ、低消費電力で高信頼性を有する熱交換装置を提供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】
【００１３】
ついで、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。なお、図１は第１実施例の熱交換装置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下側電極の上に形成され、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。
【００１４】
図２は第１実施例の熱交換装置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は第１実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。図４は第１実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。図５は第２実施例の熱交換装置の製造過程を模式的に示す側面図であり、図５（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５（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５（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。
【００１５】
図６は第２実施例の熱交換装置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６（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６（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７は第２実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。図８は第２実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。図９は第３実施例の熱交換装置の製造過程を模式的に示す側面図であり、図９（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９（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９（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。
【００１６】
図１０は第３実施例の熱交換装置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１０（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１０（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１１は第３実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。図１２は第３実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。図１３は熱交換部材の表面に防湿用部材を配置するための溝を形成した状態を模式的に示す平面図である。図１４は第１実施例の熱交換装置の電極の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。図１５は第３実施例の熱交換装置の電極の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【００１７】
１．第１実施例
本第１実施例の熱交換装置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が構成されることとなる。
【００１８】
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および第２熱交換部材１６（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、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。なお、これらの第１熱交換部材１１および第２熱交換部材１６の表面（フィン１１ａ（１６ａ）が形成された面の反対側）には、図２（ａ）（ｂ）に示すように、複数の取り付け穴１１ｂ（１６ｂ）がそれぞれ形成されているため、この部分には下側電極１３や上側電極１５を配置することができず、下側電極１３や上側電極１５の配置不可能領域が形成されることとなる。この場合、配置不可能領域の面積が熱交換部材１１，１６の平坦面の面積に対して２０％以下、本第１実施例においては７％になるように設定されている。
【００１９】
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。
【００２０】
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）に形成されているとともに、隣接する電極１３，１３（１５，１５）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。
ここで、複数の下側電極１３（あるいは上側電極１５）からなる電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域１３ａ（あるいは１５ａ）の面積が、これらの下側電極１３（あるいは上側電極１５）の配置可能領域（第１熱交換部材（第２熱交換部材１６）の平坦面の全面積から上述した下側電極１３や上側電極１５の配置不可能領域を除外した部分）の面積に対して５０％以上となるように設定されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
〈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、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。
【００２４】
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なる。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、ペースト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。
【００２５】
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。
【００２６】
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実施例の熱交換装置１０が作製されることとなる。
【００２７】
〈熱交換装置１０の使用例〉
このような第１実施例の熱交換装置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、この熱交換装置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。
【００２８】
〈最大吸熱量の測定〉
ついで、上述のような構成となる第１実施例の熱交換装置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、熱交換装置１０を用いて試験用の熱交換装置Ａ１〜Ａ４を作製した。ついで、図３に示すように、熱交換装置１０（Ａ１〜Ａ４）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の開口に熱交換装置１０（Ａ１〜Ａ４）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。ついで、各熱交換装置１０（Ａ１〜Ａ４）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。
【００２９】
この場合、絶縁樹脂層１２，１７が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１５μｍになるように形成したものを熱交換装置Ａ１とした。また、絶縁樹脂層１２，１７がエポキシ樹脂に窒化アルミニ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たものを熱交換装置Ａ２とし、厚みが１０μｍのアルマイト層に、ポリイミド樹脂に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１００μｍになるように積層形成したものを熱交換装置Ａ３とし、厚みが１０μｍのアルマイト層に、ポリイミド樹脂に炭化ケイ素粉末をフィラーとして分散させて厚みが８０μｍになるように積層形成したものを熱交換装置Ａ４とした。
【００３０】
そして、これらの熱交換装置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の下側電極（吸熱用）１３および上側電極（放熱用）１５の電極間隔（電極間距離；ｔ）を下記の表１に示すように変化させて、電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域１３ａ，１５ａ（図２参照）の面積を変化させて、各熱交換部材１１，１６の配置可能領域の面積に対する面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めると、下記の表１に示すような結果となった。なお、熱電素子１４の素子数は４２０対とし、各電極１３，１５は銅製で、厚みを１２０μｍとし、第１熱交換部材１１および第２熱交換部材１６はアルミニウム製で、平坦面のサイズは１００ｍｍ×１００ｍｍで、フィン１１ａ，１６ａの高さを３５ｍｍとし、フィン１１ａ，１６ａに対してファンを駆動させて強制空冷するようにした。
【表１】
2009295878.tif 000003
【００３１】
上記表１の結果から、面積比率（％）を横軸に表し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を縦軸に表してグラフに示すと、図４に示すような結果となった。表１および図４の結果から明らかなように、電極の配置不可能領域の面積比率が７％の場合、面積比率（電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域１３ａ，１５ａの面積の比率）が５０％以上で、電極１３，１３（１５，１５）間の最短距離ｔが電極１３，１３（１５，１５）の短辺の長さ（１．８ｍｍ）よりも短くなるように配置されていると、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上することが分かる。
【００３２】
これは、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域１３ａ，１５ａの面積の比率（面積比率）が５０％以上になると、熱源からの熱が均一に吸収できるようになるため、熱吸収のロスが減少したためと考えられる。一方、面積比率が５０％未満であると、熱源からの熱を均一に吸収できなくなるため、熱吸収のロスが増大して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下したと考えられる。
【００３３】
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、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。
【００３４】
本第２実施例の熱交換装置２０は、図５（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が構成されることとなる。
【００３５】
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６（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ず、下側電極２３や上側電極２５の配置不可能領域が形成されることとなる。この場合、配置不可能領域の面積が熱交換部材２１，２６の平坦面の面積に対して２０％以下、本第２実施例においては１４％になるように設定されている。
【００３６】
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。
【００３７】
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６（ａ）に示すように配置され、上側電極２５は、図６（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。
そして、複数の下側電極２３（あるいは上側電極２５）からなる電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域２３ａ（あるいは２５ａ）の面積は、こらの下側電極２３（あるいは上側電極２５）の配置可能領域（第１熱交換部材（第２熱交換部材２６）の平坦面の全面積から上述した下側電極２３や上側電極２５の配置不可能領域を除外した部分）の面積に対して５０％以上となるように設定されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
〈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、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。
【００４１】
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なる。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、ペースト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。
【００４２】
ついで、図５（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６（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５（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６（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。
【００４３】
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５（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実施例の熱交換装置２０が作製されることとなる。
【００４４】
〈熱交換装置２０の使用例〉
このような第２実施例の熱交換装置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。
【００４５】
〈最大吸熱量の測定〉
ついで、上述のような構成となる第２実施例の熱交換装置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、熱交換装置２０を用いて試験用の熱交換装置Ｂ１，Ｂ２を作製した。ついで、図７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内に熱交換装置２０（Ｂ１，Ｂ２）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、各熱交換装置Ｂ１〜Ｂ２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）を換算して行った。
【００４６】
この場合、絶縁樹脂層２２，２７が厚みが５μｍのアルマイト層に、ポリイミド樹脂に窒化アルミニウム粉末をフィラーとして分散させて厚みが３０μｍになるように積層形成したものを熱交換装置Ｂ１とした。また、絶縁樹脂層２２，２７がエポキシ樹脂に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たものを熱交換装置Ｂ２とした。
【００４７】
そして、これらの熱交換装置Ｂ１，Ｂ２の下側電極（吸熱用）２３および上側電極（放熱用）２５の電極間隔（電極間距離；ｔ）を下記の表２に示すように変化させて、電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域２３ａ，２５ａ（図６参照）の面積を変化させて、各熱交換部材２１，２６の配置可能領域の面積に対する面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めると、下記の表２に示すような結果となった。なお、熱電素子２４の素子数は５４０対とし、各電極２３，２５は銅製で、厚みを１２０μｍとし、第１熱交換部材２１および第２熱交換部材２６はアルミニウム製で、厚みが１５ｍｍで、平坦面のサイズは１００ｍｍ×１２０ｍｍとした。
【表２】
2009295878.tif 000004
【００４８】
上記表２の結果から、面積比率（％）を横軸に表し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を縦軸に表してグラフに示すと、図８に示すような結果となった。表２および図８の結果から明らかなように、電極の配置不可能領域の面積比率が１４％の場合、面積比率（電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域２３ａ，２５ａの面積の比率）が５０％以上で、電極２３，２３（２５，２５）間の最短距離ｔが電極２３，２３（２５，２５）の短辺の長さ（１．８ｍｍ）よりも短くなるように配置されていると、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上することが分かる。
【００４９】
これは、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域２３ａ，２５ａの面積の比率（面積比率）が５０％以上になると、熱源からの熱が均一に吸収できるようになるため、熱吸収のロスが減少したためと考えられる。一方、面積比率が５０％未満であると、熱源からの熱を均一に吸収できなくなるため、熱吸収のロスが増大して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下したと考えられる。
【００５０】
３．第３実施例
上述した第１実施例の熱交換装置１０および第２実施例の熱交換装置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実施例の熱交換装置３０として、以下に説明する。
【００５１】
本第３実施例の熱交換装置３０は、図９（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。
【００５２】
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が構成される。
【００５３】
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、鋳造時に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１０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１０（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ため、この部分も、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂに対する配置不可能領域となる。この場合、配置不可能領域の面積が各熱交換部材３１，３６，３８の平坦面の面積に対して２０％以下、本第３実施例においては１８％になるように設定されている。
【００５４】
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。
【００５５】
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１０（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１０（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。
そして、複数の各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂからなる電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域３３ｃ（３３ｄ）あるいは３５ｃ（３５ｄ）の面積は、こらの各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの配置可能領域（各熱交換部材３１，３６，３８の平坦面の全面積から上述した各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの配置不可能領域を除外した部分）の面積に対して５０％以上となるように設定されている。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
〈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、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。
【００５９】
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なる。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、ペースト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。
【００６０】
ついで、図９（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１０（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１０（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９（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。
【００６１】
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１０（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１０（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。
【００６２】
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９（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実施例の熱交換装置３０が作製されることとなる。
【００６３】
〈熱交換装置３０の使用例〉
このような第３実施例の熱交換装置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。
【００６４】
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。
【００６５】
〈最大吸熱量の測定〉
ついで、上述のような構成となる第３実施例の熱交換装置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、熱交換装置３０を用いて試験用の熱交換装置Ｃ１，Ｃ２を作製した。ついで、図１１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内に熱交換装置３０（Ｃ１，Ｃ２）を配置する。
【００６６】
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、各熱交換装置Ｃ１〜Ｃ２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）を換算して行った。
【００６７】
この場合、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９が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１５μｍになるように形成したものを熱交換装置Ｃ１とした。また、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９が厚みが１０μｍのアルマイト層に、エポキシ樹脂にアルミナ粉末と窒化アルミニウム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装置Ｃ２とした。
【００６８】
そして、これらの熱交換装置Ｃ１，Ｃ２の各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの電極間隔（電極間距離；ｔ）を下記の表３に示すように変化させて、電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域３３ｃ（３３ｄ），３５ｃ（３５ｄ）（図１０参照）の面積を変化させて、各熱交換部材３１，３６，３８の配置可能領域の面積に対する面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めると、下記の表３に示すような結果となった。なお、熱電素子３４ａ，３４ｂの素子数は５０４対とし、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂは銅製で、厚みを１２０μｍとし、第１熱交換部材３１、第２熱交換部材３６および第３熱交換部材３８はアルミニウム製で、厚みが１５ｍｍで、平坦面のサイズは１００ｍｍ×１２０ｍｍとした。
【表３】
2009295878.tif 000005
【００６９】
上記表３の結果から、面積比率（％）を横軸に表し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を縦軸に表してグラフに示すと、図１２に示すような結果となった。表３および図１２の結果から明らかなように、電極の配置不可能領域の面積比率が１８％の場合、面積比率（電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域３３ｃ（３３ｄ），３５ｃ（３５ｄ）の面積の比率）が５０％以上で、電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ間の最短距離ｔが電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの短辺の長さ（１．８ｍｍ）よりも短くなるように配置されていると、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上することが分かる。
【００７０】
これは、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域３３ｃ（３３ｄ），３５ｃ（３５ｄ）の面積の比率（面積比率）が５０％以上になると、熱源からの熱が均一に吸収できるようになるため、熱吸収のロスが減少したためと考えられる。一方、面積比率が５０％未満であると、熱源からの熱を均一に吸収できなくなるため、熱吸収のロスが増大して最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下したと考えられる。
【００７１】
上述した表１および図４の結果、表２および図８の結果、表３および図１２の結果から、電極の配置不可能領域の面積比率を７％、１４％、１８％、即ち、２０％以下（なお、２０％以下とする理由については、以下で検討する）とした場合、熱源からの熱が均一に吸収できるようにして熱吸収のロスを減少させるためには、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積の比率（面積比率）を５０％以上にする必要があるということができる。
【００７２】
４．電極の配置不可能領域の検討
次いで、電極の配置不可能領域の面積比率についての検討を行った。そこで、実施例１の構造の熱交換装置１０とを用いて、図１３に示すように、熱交換部材１１，１６の表面に設けられる防湿シール用の加工溝１８，１９の幅（ｌ）の大きさを変化させて試験用の熱交換装置Ｄを作製した後、電極の配置不可能領域の面積比率と、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めた。この場合、熱交換部材１１に設けれた防湿シール用の加工溝１８と熱交換部材１６に設けれた防湿シール用の加工溝１９との間に、例えば、ブチルゴム材を挿入し、これを接着剤で固着することにより、熱交換装置１０の防湿性が向上するので、このために防湿シール用の加工溝１８，１９が設けられる。
【００７３】
この場合、電極の配置不可能領域の面積比率を変化させても各電極１３，１５の配置可能領域１３ａ，１５ａ（図２参照）の面積比率が６０％になるように、各電極１３，１５の電極間隔（電極間距離；ｔ）を下記の表４に示すように変化させた。なお、熱電素子１４の素子数は３２０対とし、各電極１３，１５は銅製で、厚みを１２０μｍとした。また、熱交換部材１１，１６はアルミニウム製で、平坦面のサイズは９０ｍｍ×９０ｍｍで、フィン１１ａ，１６ａの高さを４０ｍｍとし、フィン１１ａ，６ａに対してファンを駆動させて強制空冷するようにした。さらに、絶縁樹脂層１２，１７は、厚みが５μｍのアルイト層に、エポキシ樹脂に窒化アルミニウム粉末をフィラーとして分散させて厚みが３０μｍになるように積層形成したものとした。そして、各電極１３，１５の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めると、下記の表４に示すような結果となった。
【表４】
2009295878.tif 000006
【００７４】
上記表４の結果から、電極の配置不可能領域の面積比率（％）を横軸に表し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を縦軸に表してグラフに示すと、図１４に示すような結果となった。表４および図１４の結果から明らかなように、電極の配置不可能領域の面積比率（熱交換部材１１，１６の平坦面の面積に対する電極の配置不可能領域の面積の比率）が２０％を越えると急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下するのに対して、電極の配置不可能領域の面積比率が２０％以下になると、急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上することが分かる。
【００７５】
また、実施例３の構造の熱交換装置３０を用いて、上述と同様に、防湿シール用の加工溝（図示せず）の幅の大きさを変化させて試験用の熱交換装置Ｅを作製した後、電極の配置不可能領域の面積比率と、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めた。この場合は、電極の配置不可能領域の面積比率を変化させて、各電極の配置可能領域の面積比率が５５％になるように、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの電極間隔を下記の表５に示すように変化させた。
【００７６】
なお、熱電素子３４ａ，３４ｂの素子数は５５２対とし、各電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂは銅製で、厚みを１２０μｍとした。また、熱交換部材３１，３６，３８はアルミニウム製で、平坦面のサイズは１１０ｍｍ×１３０ｍｍで、厚みを１５ｍｍとした。さらに、絶縁樹脂層３２ａ，３２ｂ，３７，３９は、厚みが５μｍのアルイト層に、エポキシ樹脂に窒化アルミニウム粉末をフィラーとして分散させて厚みが３０μｍになるように積層形成したものとした。そして、各電極３２ａ，３２ｂ，３７，３９の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を求めると、下記の表５に示すような結果となった。
【表５】
2009295878.tif 000007
【００７７】
上記表５の結果から、配置不可能領域の面積比率（％）を横軸に表し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を縦軸に表してグラフに示すと、図１５に示すような結果となった。表５および図１５の結果から明らかなように、電極の配置不可能領域の面積比率（熱交換部材３１，３６，３８の平坦面の面積に対する電極の配置不可能領域の面積の比率）が２０％を越えると急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が低下するのに対して、電極の配置不可能領域の面積比率が２０％以下になると、急激に最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上することが分かる。
【００７８】
上述した表１および図４の結果、表２および図８の結果、表３および図１２の結果、ならびに表４および図１４の結果、表５および図１５の結果を総合勘案すると、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）を大きくするためには、電極の配置不可能領域の面積比率を２０％以下に規制するとともに、電極の配置可能領域の面積に対する電極群の最外周を結ぶ直線で囲まれた領域の面積の比率（面積比率）を５０％以上にする必要があるということができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１実施例の熱交換装置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下側電極の上に形成され、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実施例の熱交換装置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実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。
【図４】第１実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施例の熱交換装置の製造過程を模式的に示す側面図であり、図５（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５（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５（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６】第２実施例の熱交換装置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６（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６（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７】第２実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。
【図８】第２実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【図９】第３実施例の熱交換装置の製造過程を模式的に示す側面図であり、図９（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９（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９（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１０】第３実施例の熱交換装置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１０（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１０（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１１】第３実施例の熱交換装置の最大吸熱量を測定する状態を模式的に示す図である。
【図１２】第３実施例の熱交換装置の電極形成領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【図１３】熱交換部材の表面に防湿用部材を配置するための溝を形成した状態を模式的に示す平面図である。
【図１４】第１実施例の熱交換装置の電極の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【図１５】第３実施例の熱交換装置の電極の配置不可能領域の面積比率と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）との関係を示すグラフである。
【図１６】従来例の熱交換装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…第１実施例の熱交換装置、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、１８，１９…加工溝、２０…第２実施例の熱交換装置、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実施例の熱交換装置、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】
2009295878.tif 000008
【図２】
2009295878.tif 000009
【図３】
2009295878.tif 000010
【図４】
2009295878.tif 000011
【図５】
2009295878.tif 000012
【図６】
2009295878.tif 000013
【図７】
2009295878.tif 000014
【図８】
2009295878.tif 000015
【図９】
2009295878.tif 000016
【図１０】
2009295878.tif 000017
【図１１】
2009295878.tif 000018
【図１２】
2009295878.tif 000019
【図１３】
2009295878.tif 000020
【図１４】
2009295878.tif 000021
【図１５】
2009295878.tif 000022
【図１６】
2009295878.tif 000023