JP4350884B2

JP4350884B2 - Heat exchanger

Info

Publication number: JP4350884B2
Application number: JP2000336095A
Authority: JP
Inventors: 徹夫大西; 等佐藤
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP2002139264A

Description

【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
６０，６１Ｏ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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat exchange device in which a thermoelectric element pair constituted by a P-type element, an N-type element, and an electrode plate for joining these elements is interposed between opposing heat exchangers. The present invention relates to an improvement in the arrangement of thermoelectric element pairs and bonding methods.
[0002]
[Prior art]
For example, in the cleaning of a silicon wafer in a semiconductor manufacturing line and the cleaning of a glass substrate in a liquid crystal manufacturing line, the cleaning is performed using heated ultrapure water.
[0003]
Also, in a semiconductor production line, when a semiconductor substrate is etched using a resist pattern formed by photolithography as a mask, and the resist is peeled off using an organic solvent after the etching is completed, the temperature of the organic solvent used for the peeling is set. Heats to nearly 80 degrees.
[0004]
Thus, as an element for cooling or heating various fluids such as ultrapure water and organic solvents to obtain a fluid having a constant temperature, an electronic cooling element (thermo module) that uses the Peltier effect for cooling and heating. It has been known.
[0005]
The thermo module is configured by arranging a plurality of N-type and P-type semiconductor elements (thermoelectric elements) alternately in the vertical and horizontal directions, and electrically connecting adjacent elements with upper and lower bonding plates (metal electrodes). They are joined together in series connection.
[0006]
When a direct current is applied to the thermo module from the N-type to the P-type, the upper joining plate cools and takes heat away from the surroundings, and the lower joining plate generates heat and releases heat to the surroundings. To work.
[0007]
Therefore, for example, when cooling the various fluids described above, a heat exchanger (heat exchange plate) having a flow path through which the fluid to be cooled (circulated water) passes is joined to the upper joint plate surface of the thermo module. Prepare a heat exchange unit with a heat exchanger (water-cooled plate) that has a flow path through which the facility water passes on the lower joint plate surface, and apply the above-mentioned energization control to the thermo module in this unit. The circulating water flowing through the flow path of the heat exchange plate is cooled to the target temperature via the upper joint plate surface cooled at this time, while the heat taken away by this cooling is passed through the flow path of the lower water cooling plate. It is made to discharge through flowing facility water.
[0008]
By the way, this type of conventional heat exchange unit generally has a structure in which a required number of rectangular modules, in which a plurality of thermoelectric element pairs are arranged in a rectangular shape, are previously formed as parts, are interposed between the heat exchange plate and the water cooling plate.
[0009]
FIG. 9 is a view showing the arrangement structure of the thermo module with respect to the water cooling plate 30a of the conventional heat exchange unit. In FIG. 9, 31a, 31b, and 31c are rectangular modules that are pre-partified by arranging a plurality of thermoelectric elements 312 (P-type) and 313 (N-type), and each includes a lead wire connection terminal (315a, 316a), (315b, 316b), (315c, 316c). Reference numerals 305 and 306 denote screw holes for fastening bolts for fastening and fixing the water-cooling plate 30a and the heat exchange plate 30b (not shown) facing each other.
[0010]
According to such a conventional heat exchange unit, a space for wiring between the rectangular modules 31a, 31b, and 31c with lead wires is secured, or a fastening bolt for fixing the water cooling plate 30a and the heat exchange plate 30b is used. In order not to block the screw holes 305, 306, etc., it is necessary to separate the rectangular modules 31a, 31b, 31c from each other by a certain distance, and as a result, the structure of the entire unit has to be increased in size. .
[0011]
Moreover, in this type of heat exchange unit, the joining plate on the surface of the thermo module and the heat exchanger (water-cooled plate, heat exchange plate) are both made of metal, so there is a contrivance to electrically insulate them. It was necessary.
[0012]
FIG. 10 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of a conventional heat exchange unit.
[0013]
In this heat exchange unit, the cooling side heat exchanger is configured by casting a stainless steel pipe 40b capable of flowing circulating water to be cooled into an aluminum plate 401b. This cooling side heat exchanger has a bonding plate 311b on the upper side of the thermo module 31 (consisting of a P-type semiconductor element 312, an N-type semiconductor element 313, and bonding plates 311a and 311b) via grease 402b, a ceramic plate 403b, and solder 404b. To be joined.
[0014]
Similarly, the heat radiating side heat exchanger is configured by casting a stainless steel pipe 40a through which radiating water can flow into an aluminum plate 401a. This heat radiation side heat exchanger is joined to the joining plate 311a on the lower side of the thermo module 31 through the grease 402a, the ceramic plate 403a, and the solder 404a.
[0015]
According to the joining structure of the conventional heat exchange unit, in order to electrically insulate the joining plate (311a, 311b) on the surface of the thermo module 31 and the heat exchanger on the heat radiation side and the cooling side, the ceramic plate ( 403a, 403b) and grease (402a, 402b) or an adhesive, etc., were fixed to the heat exchanger, so that the contact thermal resistance was large and the heat exchange efficiency was low.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional heat exchange unit has a structure in which a required number of rectangular modules each having a plurality of thermoelectric element pairs gathered together in a rectangular shape are interposed between the heat exchangers. There is a problem in that it is necessary to arrange them apart by a distance, resulting in an increase in the size of the entire unit.
[0017]
In addition, in the conventional heat exchange unit, an insulating member such as a ceramic plate is inserted for electrical insulation between the joining surface of the thermo module and the heat exchanger, and is fixed to the heat exchanger with grease or adhesive. Therefore, there is a problem that the contact thermal resistance is large and the heat exchange efficiency is lowered.
[0018]
The present invention eliminates the above-mentioned problems, minimizes the waste of the space as in the case of using a rectangular module, and reduces the overall size of the apparatus, and further reduces the contact thermal resistance between the thermoelectric element and the heat exchanger. It aims at providing the heat exchange apparatus which is excellent in heat exchange efficiency.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to claim 1 provides a thermoelectric element pair constituted by a P-type element, an N-type element and an electrode plate for joining them, between a water-cooling plate and a heat exchange plate facing each other. In the heat exchange device intervening in
An outer peripheral side through hole for fastening formed on the outer periphery of the water cooling plate and the heat exchange plate;
An inner through hole for fastening formed inside the water cooling plate and the heat exchange plate,
An outer O-ring interposed between the water-cooling plate and the heat exchange plate and disposed near the inner side of the outer peripheral side through hole so as to avoid the outer peripheral side through hole;
An inner O-ring interposed between the water-cooling plate and the heat exchange plate and arranged to surround the inner through hole;
Is provided,
Thermoelectric element pairs are arranged with equal density in the area inside the outer O-ring and outside the inner O-ring,
A water cooling plate and a heat exchange plate are fastened through an outer peripheral side through hole and an inner through hole .
[0021]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the water cooling plate and the heat exchange plate have a flow path of a fluid to be heat exchanged, and the flow path is formed by the water cooling plate and the heat exchange plate . It is characterized by being configured in a shape that can be circulated corresponding to the arrangement area of the thermoelectric element pair on the surface of the heat transfer surface and that allows fluid to flow in different directions between adjacent flow paths.
[0022]
The invention described in claim 3 is the heat transfer surface of the water-cooled plate and the heat exchange plate according to the invention described in claim 1, wherein the surface is inside the outer O-ring and outside the inner O-ring. While forming an insulating sprayed film,
On the insulating sprayed film, a conductive sprayed film corresponding to the pattern of the electrode plate is formed,
The conductive sprayed film and the opposing electrode plate are joined via solder.
[0023]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the heat transfer surface of the water-cooled plate and the heat exchange plate is an area inside the outer O-ring and outside the inner O-ring. While forming an insulating sprayed film,
On the insulating sprayed film, a conductive sprayed film corresponding to the pattern of the electrode plate and having a thickness corresponding to the electrode plate is formed.
The conductive sprayed coating is used as a substitute for the electrode plate, and is bonded to an opposing thermoelectric element via solder.
[0025]
The invention according to claim 5 is the invention according to claims 3 and 4, wherein the insulating sprayed film is formed by spraying aluminum oxide, and the conductive sprayed film is formed by spraying copper. It is characterized by.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0027]
FIG. 1 is a top view of a heat exchange unit 100 according to the present invention, and FIG. 2 is a right side view of the heat exchange unit 100 in FIG.
[0028]
As shown in FIGS. 1 and 2, the heat exchange unit 100 includes a thermo module 50 and an entire outer periphery of the thermo module 50 between a heat exchanger (water cooling plate) 110a and a heat exchanger (heat exchange plate) 110b. It has a structure in which an O-ring 60 surrounding the periphery is held.
[0029]
Bolt through holes 111b, 112b, 113b, 114b, 115b, 116b, 117b, 118b, and 119b are provided in the heat exchange plate 110b. Screw holes 111 a, 112 a, 113 a, 114 a, 114 a, 114 a, 114 a, 114 b, 113 b, 114 b, 115 b, 116 b, 117 b, 117 b, 118 b, and 119 b, respectively, are provided in the opposing water cooling plate 110 a. By screwing into 115a, 116a, 117a, 118a, and 119a (see FIG. 3), the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b can be fixed with a predetermined tightening force.
[0030]
In addition, in order to fix the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b as described above, there is another method of tightening using a tightening bolt and a nut.
[0031]
By this tightening and fixing, an airtight space is formed between four members of the water cooling plate 110a, the heat exchange plate 110b, the O-ring 60, and an inner O-ring 61 described later, and the thermo module 50 is enclosed in the space.
[0032]
The thermo module 50 is hermetically sealed so that the dew condensation that occurs when the water cooling plate 110a side or the heat exchange plate 110b side when the heat exchange unit 100 is operated falls below the dew point of the ambient air does not flow into the module 50. Further, this is a measure for preventing a moist atmosphere from continuously entering the periphery of the thermo module 50.
[0033]
The water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b are made of copper, and are so-called Cu jacket type heat exchangers having flow paths 125a and 125b through which facility water and circulating water flow, respectively.
[0034]
(Fluid inlet 121a, fluid outlet 122a) and (fluid inlet 121b, fluid outlet 122b) are formed at the ends of the flow paths 125a and 125b of the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b, respectively.
[0035]
The fluid inlet 121b and the fluid outlet 122b of the heat exchange plate 110b are connected to an inflow pipe and an outflow pipe for circulating water to be cooled, respectively, and the circulating water flowing in from the inflow pipe flows through the flow path 125b in the heat exchange plate 110b. And is discharged from the outflow pipe.
[0036]
The fluid inlet 121a and the fluid outlet 122a of the water cooling plate 110a are connected to the inflow pipe and the outflow pipe of the facility water, respectively. The facility water flowing in from the inflow pipe flows out through the flow path 125a in the water cooling plate 110a. It flows out of the pipe.
[0037]
The heat exchange plate 110b is attached in a state offset from the water cooling plate 110a by the piping space of the inflow pipe and the outflow pipe to the fluid inlet 121a and the fluid outlet 122a of the water cooling plate 110a.
[0038]
Next, the arrangement structure of thermoelectric elements in the heat exchange unit 100 will be described with reference to FIGS.
[0039]
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[0040]
As can be seen from FIGS. 3 and 4, an inner O-ring 61 is also interposed between the water-cooled plate 110 a and the heat exchange plate 110 b in addition to the outer O-ring 60.
[0041]
The outer O-ring 60 includes screw holes 112a, 113a, 114a, 115a, 116a, 117a, 118a, and 119a of the water cooling plate 110a, and bolt through holes 112b, 113b, 114b, 115b, 116b, and 117b of the heat exchange plate 110b. 118b and 119b are small enough to fit inside, and are formed in a meandering shape so as to avoid these holes (so as not to be blocked).
[0042]
The inner O-ring 61 has a larger diameter than the bolt through hole 111b of the heat exchange plate 110b, and is disposed so as to concentrically surround the bolt through hole 111b and the screw hole 111a of the water cooling plate 110a.
[0043]
The thermo module 50 is attached in an area between the outer O-ring 60 and the inner O-ring 61.
[0044]
The thermo module 50 includes a plurality of thermoelectric element pairs including a P-type thermoelectric element, an N-type thermoelectric element, and an electrode plate that joins the P-type thermoelectric element, specifically, an N-type thermoelectric element and a P-type. After arranging a plurality of pairs of thermoelectric elements alternately in the vertical and horizontal directions, adjacent elements are joined to each other so that they are electrically connected in series with the upper joining plate (electrode plate) and the lower joining plate. Is.
[0045]
Each upper joining plate and each lower joining plate constitute a plane corresponding to the arrangement area of the thermoelectric elements (hereinafter, referred to as an upper joining plate surface and a lower joining plate surface).
[0046]
In FIG. 3, on the heat transfer surface of the water-cooled plate 110a, a plurality of bonding plates 501a constituting, for example, the lower surface side bonding plate surface of the thermo module 50 are provided over the entire area between the O-ring 60 and the O-ring 61 described above. Arranged at equal density.
[0047]
Specifically, in the vicinity of the boundary with the outer O-ring 60, an arbitrary shape (heat exchange plate) along the meandering of the O-ring 60 is used so as not to generate a useless area with the O-ring 60 as much as possible. 110b and avoiding a screw hole for fixing the thermo module 50).
[0048]
Further, in the vicinity of the boundary with the inner O-ring 61, the joining plate 501a is disposed so as to avoid the O-ring 61.
[0049]
In practice, an insulating layer (alumina sprayed layer 511a: figure) having a shape that fits in the area between the O-ring 60 and the O-ring 61 on the heat transfer surface of the water-cooled plate 110a. 7), and the bonding plates 501a are disposed on the insulating layer.
[0050]
A pair of N-type thermoelectric elements 502 and P-type thermoelectric elements 503 are erected on each joining plate 501a disposed on the heat transfer surface of the water-cooled plate 110a. ) Are connected to the respective joining plates 501b on the joining plate surface.
[0051]
Similarly, in FIG. 4, a plurality of bonding plates 501 b constituting the upper surface side bonding plate surface of the thermo module 50 are arranged on the heat transfer surface of the heat exchange plate 110 b over the entire area between the O-ring 60 and the O-ring 61. Are arranged with equal density.
[0052]
Specifically, in the vicinity of the boundary with the outer O-ring 60, an arbitrary shape (water-cooled plate 110a) along the meandering of the O-ring 60 is used so as not to generate a useless area with the O-ring 60 as much as possible. The joint plate 501b is disposed so as to avoid the O-ring 61 in the vicinity of the boundary with the inner O-ring 61. .
[0053]
Again, an insulating layer (alumina sprayed layer 511b: see FIG. 7) is formed on the surface of the heat transfer surface of the heat exchange plate 110b by thermal spraying in a shape that fits in the area between the O-ring 60 and the O-ring 61. The bonding plates 501b are disposed on the insulating layer.
[0054]
A pair of N-type thermoelectric elements 502 and P-type thermoelectric elements 503 are erected on each of the bonding plates 501b arranged on the heat transfer surface of the heat exchange plate 110b. It is connected to each joining plate 501a on the joining plate surface on the lower surface side.
[0055]
For example, a positive electrode bar 131 and a negative electrode bar 132 are connected to the two joining plates 501L (for lead electrodes) at the end of the thermo module 50 having the above-described structure.
[0056]
By flowing a direct current between the electrode rods 131 and 132, each joining plate 501b on the side of the heat exchange plate 110b is cooled, whereby the heat exchange plate 110b is cooled, and the flow path 125b in the heat exchange plate 110b is passed through. The flowing circulating water is cooled.
[0057]
On the other hand, each joining plate 501a on the side of the water cooling plate 110a generates heat, and this heat is transmitted to the water cooling plate 110a, and heat is exchanged with the facility water flowing through the flow path 125a therein to dissipate heat.
[0058]
As can be seen from FIGS. 3 and 4, in the heat exchange unit 100 of the present invention, the joining plate 501 (on the joining plate 501 is provided on the heat transfer surface of the heat exchanger (water-cooled plate 110 a, heat exchange plate 100 b)). Since the pair of thermoelectric elements 502 and 503 are connected, the joining plate 501 can be read as the thermoelectric elements 502 and 503) are arranged in an arbitrary shape in an arbitrary density at an equal density.
[0059]
According to this arrangement structure, there is no wasted space due to the necessity of separating a certain distance between ready-made rectangular modules, which has become a bottleneck in the conventional heat exchange unit shown in FIG. Can do.
[0060]
As a result, the space for arranging the same number of thermoelectric elements (the cooling capacity is determined by the number of thermoelectric elements) can be smaller than that of the conventional apparatus, and the thermo module 50 and the heat exchanger (water cooling plate 110a, heat exchange plate 110b). Can be reduced, and in turn can contribute to downsizing of the entire heat exchange unit 100.
[0061]
In other words, it can be said that the heat exchange unit 100 according to the present invention has higher heat exchange efficiency than the conventional unit in which a plurality of component rectangular modules are arranged when the size of the outer shape is the same.
[0062]
In order to further increase the heat exchange efficiency, in the heat exchange unit 100 according to the present invention, the shape of the flow path of the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b is devised in accordance with the arrangement structure of the thermoelectric elements 502 and 503 described above. It is fancy.
[0063]
FIG. 5 is a view showing the structure of the flow path 125a of the water cooling plate 110a of the heat exchange unit 100 according to the present invention.
[0064]
As can be seen from FIG. 5, in the water cooling plate 110a of this heat exchange unit 100, the thermoelectric elements 502, the flow paths 125a for sending the facility water sent from the fluid inlet 121a to the fluid outlet 122a are arranged at the same density as described above. A part 125 a-1 that is circulated so as to cover all of 503 and greatly meanders depending on the place is also provided.
[0065]
Further, the flow path 125a of the water-cooled plate 110a basically allows the facility water to flow in different directions from each other in adjacent portions (in FIG. 5, two lines correspond to one flow path). It is configured in shape.
[0066]
In the water-cooled plate 110a having such a flow path structure, all the thermoelectric elements 502 and 503 arranged at an equal density have an uninterrupted heat exchange action over the entire flow path 125a including the meandering portion 125a-1. Become.
[0067]
In particular, in this water-cooled plate 110a, for example, with respect to the sufficiently cooled facility water immediately after being taken in from the fluid inlet 121a, by the heat dissipation just before flowing out to the facility water flowing through the adjacent flow path, that is, the fluid outlet 122a. Heat is given from the heated facility water, and conversely, from the facility water heated by the radiation just before flowing out to the fluid outlet 122a, the facility water immediately after being taken in from the facility water, that is, the fluid inlet 121a flowing in the adjacent flow path. Heat is taken away by the cooled cooling water.
[0068]
As a result of such heat exchange action (heat canceling action) working in the entire area of the flow path 125a, the temperature distribution on the heat transfer surface of the water cooling plate 110a can be kept uniform, thereby increasing the heat exchange efficiency. Can do.
[0069]
In addition, also in the heat exchange plate 110b facing the water cooling plate 110a, a channel 125b (portion indicated by a dotted line in FIG. 1) having the same shape as the channel 125a of the water cooling plate 110a is formed.
[0070]
Thereby, in the heat exchange plate 110b, for example, the circulating water that has not been sufficiently cooled immediately after being taken in from the fluid inlet 121b, the circulating water flowing in the adjacent flow path, that is, the fluid immediately before flowing out to the fluid outlet 122b. As a result of the cooling action from the sufficiently cooled circulating water and the action acting on the entire flow path 125b, it is possible to enhance the cooling effect while keeping the temperature distribution on the heat transfer surface of the heat exchange plate 110b uniform. it can.
[0071]
By the way, the arrangement method of the thermoelectric element concerning this invention is applicable not only to a rectangular heat exchanger but to a heat exchanger of other various shapes. Moreover, it is not limited by the area of the plate surface of the heat exchanger. Furthermore, the heat exchanger is not limited to the upper and lower two layers but can be applied to a multilayered one.
[0072]
FIG. 6 is a diagram showing a thermoelectric element arrangement structure of the water cooling plate 210a of the heat exchange unit 200 according to another embodiment of the present invention.
[0073]
The water cooling plate 210a of the heat exchange unit 200 is formed by sandwiching a thermo module 250 between an opposing heat exchange plate 210b made of, for example, aluminum (on which a semiconductor wafer to be cooled is placed: not shown). Yes, it has a circular shape to match the heat exchange plate 210b.
[0074]
The thermo module 250 sandwiched between the water cooling plate 210a and the heat exchange plate 210b also has a circular shape.
[0075]
Specifically, the thermo module 250 includes a through-hole of a fastening bolt (221, 222 in the figure) for fastening and fixing between the water cooling plate 210a and the heat exchange plate 210b in a circular area having a smaller circumference than the water cooling plate 210a. Etc.) and the position of an O-ring seal (not shown) for preventing dew condensation, and the thermoelectric elements 252 and 253 (on the joining plate 251) are arranged at equal density. .
[0076]
In this heat exchange unit 200, since the thermoelectric elements 252 and 253 are arranged at equal density in the inner peripheral area of the circular water cooling plate 210a and the heat exchange plate 210b, the temperature of the surface of the heat exchange plate 210b The distribution can be made uniform, which is extremely useful for cooling a semiconductor wafer placed thereon to a constant temperature.
[0077]
Next, a method for joining thermoelectric elements to the heat exchanger of the heat exchange unit 100 according to the present invention will be described.
[0078]
FIG. 7 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of the heat exchange unit 100 according to the present invention, and corresponds to, for example, a cross-sectional view taken along line CC in FIG.
[0079]
In FIG. 7, the water cooling plate 110 a having the facility water flow path 125 a and the heat exchange plate 110 b having the circulating water flow path 125 b to be cooled are fastened and fixed to each other with the thermo module 50 interposed therebetween.
[0080]
As described above, this tightening and fixing is performed by screw holes (see FIG. 3) provided in the opposing water-cooled plates 110a with the respective bolts respectively penetrated from the bolt through holes (see FIGS. 1 and 4) of the heat exchange plate 110b. ). There is also a method of tightening and fixing using tightening bolts and nuts.
[0081]
As described above, the thermo module 50 includes a plurality of N-type thermoelectric elements 502 and P-type thermoelectric elements 503 arranged alternately in the vertical and horizontal directions, and the adjacent elements are connected to the upper and lower bonding plates. In the present invention, these thermoelectric elements 502 and 503 are connected to opposing heat exchangers (water cooling plate 110a and heat exchange plate 110b). On the other hand, it arrange | positions in the aspect shown in FIG.3 and FIG.4, respectively.
[0082]
Among the opposing heat exchangers (water cooling plate 110a, heat exchange plate 110b), a sprayed film 511a of aluminum oxide (alumina) is formed on the upper surface of the water cooling plate 110a at the lower side of the figure on the thermo module 50 side. . A copper (Cu) sprayed film 512 is further formed on the alumina sprayed film 511a. Further, the copper sprayed film 512 is bonded to each bonding plate 501 b on the lower surface side of the thermo module 50 via the solder 513.
[0083]
On the other hand, the same alumina sprayed film 511b as the water-cooled plate 110a side is formed on the upper surface of the heat exchange plate 110b on the thermo module 50 side in the upper part of the figure. The alumina sprayed film 511b is bonded to each bonding plate 501b on the upper surface side of the thermo module 50 via grease 514.
[0084]
In this joining structure, the alumina sprayed film 511b serves to electrically insulate between the heat exchange plate 110b (made of copper) and each joining plate 501b on the upper surface side of the thermo module 50. Similarly, the alumina sprayed film 511a serves to electrically insulate between the water-cooled plate 110a (made of copper) and each bonding plate 501a on the lower surface side of the thermo module 50.
[0085]
These alumina sprayed films 511a and 511b may be impregnated with, for example, a resin material in order to further enhance the insulating action.
[0086]
Further, in this joining structure, the grease 514 interposed between each joining plate 501b on the upper surface side of the thermo module 50 and the alumina sprayed film 511b fastens the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b with the thermo module 50 interposed therebetween. At this time, the above-described bonding plate 501b and the heat exchange plate 110b are slidable.
[0087]
This action absorbs the difference in thermal expansion caused by the temperature difference between the cooling action on the upper surface side and the heat exchange action on the lower surface side of the thermo module 50, thereby preventing the joint failure between the thermo module 50 and the heat exchange plate 110b. Is for.
[0088]
Next, a process for forming this junction structure will be described.
[0089]
First, the alumina sprayed film 511a is formed in a predetermined area on the surface of the heat transfer surface of the water cooling plate 110a. The area where the alumina sprayed film 511a is formed is, for example, the entire area between the O-ring 60 and the O-ring 61 in FIG.
[0090]
Next, a copper sprayed film 512 is formed by spraying copper on the upper surface of the alumina sprayed film 511a through a mask member having a predetermined pattern. The masking pattern of the mask member at this time is, for example, a pattern corresponding to the arrangement of the bonding plate 501 (the lower surface side bonding plate of the thermo module 50) in FIG.
[0091]
Next, the solder 513 is placed on the copper sprayed film 512 having the above pattern, and the thermo module 50 is placed thereon so that the bonding plates 501a on the lower surface side match the position of the corresponding copper sprayed film 512. While maintaining this state, the whole is placed in a heating furnace at a predetermined temperature and heated.
[0092]
As a result, the solder 513 is melted, and then, when the whole is taken out from the heating furnace and cooled, the solder 513 is solidified, and the surface of the heat-transfer surface of the water-cooled plate 110a is set via the alumina sprayed film 511a and the copper sprayed film 512. The joining plate 501a is fixed and joined in the arrangement pattern shown in FIG. 4, for example.
[0093]
On the other hand, the alumina sprayed film 511b is formed on the heat transfer surface of the heat exchange plate 110b in the same manner as the water cooling plate 110a. The area where the alumina sprayed film 511b is formed is, for example, the entire area between the O-ring 60 and the O-ring 61 in FIG.
[0094]
Next, grease 514 is applied to the upper surface of the alumina sprayed film 511b, and in this state, the grease application surface is applied to the upper surface side joining plate 501b of the thermo module 50 fixed to the heat transfer surface of the heat exchange plate 110a. The heat exchange plate 110b is covered so as to come into contact.
[0095]
Then, after positioning so that the bolt through-hole of the heat exchange plate 110b may be aligned with the screw hole of the water-cooled plate 110a, the water-cooled plate facing each of the fastening bolts respectively penetrated from the bolt through-hole of the heat exchange plate 110b By screwing into the screw hole 110a, the water cooling plate 110a and the heat exchange plate 110b are tightened and fixed in a state where the thermo module 50 is sandwiched.
[0096]
As described above, according to the present invention, the very thin alumina sprayed film 511a is interposed as an insulating layer, and the thermoelectric element (502, 503) for the heat exchanger (water-cooled plate 110a) is interposed via the copper sprayed film 512. Since the bonding is performed metallically using the solder 513, the contact thermal resistance is very small compared to the conventional one in which an insulating layer such as a ceramic plate is interposed and bonded using grease or an adhesive. That's it.
[0097]
In the bonding structure forming process, a thermo module 50 having an element arrangement shown in FIGS. 3 and 4 is prepared in advance, and this is soldered onto the copper sprayed film 512 on the water cooling plate 110a side. As described above, only the bonding plate 501a on the lower surface side of the thermo module 50 is first fixed by soldering on the copper sprayed film 512 of the water-cooled plate 110a, and then the thermoelectric elements (502, 503) are erected thereon. Further, the thermo module 50 may be completed through a process of joining the upper surface side joining plate 501a thereon.
[0098]
Further, in the example of FIG. 7, a thin film (copper sprayed film 512) by copper spraying is applied on the alumina sprayed film 511 a on the heat transfer surface of the water-cooled plate 110 a, and the solder 513 is bonded to the bonding plate 501 a on the lower surface side of the thermo module 50. However, as a modification, the copper sprayed film 512 may be formed thicker and used as a substitute for the bonding plate 501a.
[0099]
FIG. 8 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of the heat exchange unit 100 according to the modification, and the same reference numerals are given to the same parts as those of the heat exchange unit 100 in FIG.
[0100]
In the unit of this modification, on the alumina sprayed film 511a on the surface of the heat transfer surface of the water cooling plate 110a, for example, the same thickness as that of the lower surface side joining plate 501a of the thermo module 50 (for example, 1 mm to 1.5 mm). A copper sprayed film 515 is formed by spraying copper. The copper sprayed film 515 is bonded to the N-type thermoelectric element 502 and the P-type thermoelectric element 503 of the thermo module 50 via solders 516 and 516 ′.
[0101]
According to this configuration, the copper sprayed film 515 can be substituted for the bonding plate 501a on the lower surface side of the thermo module 50. When compared with the bonding plate 501a shown in FIG. 7, after forming the copper sprayed film 512, the bonding plate 501a is formed thereon. The process of soldering can be reduced.
[0102]
In addition, the present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and can be implemented with appropriate modifications within a range not changing the gist thereof.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since an arbitrary number of thermoelectric element pairs are arranged at an equal density in an arbitrary area of the heat transfer surface of the heat exchanger, the thermoelectric element pairs and the heat exchanger can be downsized. This contributes to miniaturization of the entire heat exchange device.
[0104]
Further, by applying the thermoelectric element arrangement method of the present invention, for example, a mechanism for fixing a thermoelectric element pair by surrounding the entire outer periphery with an O-ring and tightening the O-ring together with a heat exchanger with a fastening bolt. With the thermoelectric element pair, the thermoelectric element pair and the heat exchanger can be reduced to the maximum by arranging the thermoelectric element pair inside the O-ring and in the area avoiding the holes for the tightening bolts. Can be made smaller.
[0105]
In the present invention, the flow path in the heat exchanger is circulated corresponding to the arrangement area of the thermoelectric elements on the surface of the heat transfer surface of the heat exchanger, and the fluid is allowed to flow in different directions between the adjacent flow paths. Since the shape is obtained, the temperature distribution on the heat transfer surface of the heat exchanger can be made uniform.
[0106]
In the present invention, an insulating sprayed film is formed on the heat transfer surface of the heat exchanger, and a conductive sprayed film corresponding to the pattern of the electrode plate is formed on the insulating sprayed film. Since the thermal sprayed film and the opposing electrode plate are joined via solder, the thermoelectric element and the heat exchanger can be joined metallically with solder, and the contact resistance between the thermoelectric element and the heat exchanger can be kept small. Heat exchange efficiency can be improved.
[0107]
In addition, the conductive sprayed film may be formed to a thickness corresponding to, for example, an electrode plate, and the conductive sprayed film may be used as an electrode plate and joined to the opposing thermoelectric element via solder. The process of soldering the electrode plate to the conductive sprayed film after forming the conductive sprayed film can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a heat exchange unit according to the present invention.
2 is a right side view of the heat exchange unit in FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 5 is a view showing a structure of a flow path of a water cooling plate of a heat exchange unit according to the present invention.
FIG. 6 is a view showing a thermoelectric element arrangement structure of a water cooling plate of a heat exchange unit according to another embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of a heat exchange unit according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of a heat exchange unit according to a modification.
FIG. 9 is a view showing an arrangement structure of a thermo module with respect to a water cooling plate of a conventional heat exchange unit.
FIG. 10 is a diagram showing a conceptual cross-sectional configuration of a conventional heat exchange unit.
[Explanation of symbols]
100, 200 heat exchange unit 110a, 210a heat exchanger (water cooling plate)
110b Heat exchanger (heat exchange plate)
111a, 112a, 113a, 114a, 115a, 116a, 117a, 118a, 119a Screw holes 111b, 112b, 113b, 114b, 115b, 116b, 117b, 118b, 119b, 221, 222 Bolt through holes 121a, 121b Fluid inlet 122a, 122b Fluid outlet 125a Flow path of facility water 125b Flow path of circulating water 131, 132 Electrode rods 50, 250 Thermo modules 501a, 501b, 251 Bonding plate 501L Lead electrode bonding plates 502, 503, 251, 252 Thermoelectric elements 60, 61 O-rings 511a, 511b Alumina sprayed layer 512, 515 Copper sprayed layer 513, 516, 516 ′ Solder 514 Grease

Claims

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。In a heat exchange device in which a thermoelectric element pair constituted by a P-type element, an N-type element and an electrode plate for joining them is interposed between an opposing water-cooling plate and a heat exchange plate ,
An outer peripheral side through hole for fastening formed on the outer periphery of the water cooling plate and the heat exchange plate;
An inner through hole for fastening formed inside the water cooling plate and the heat exchange plate,
An outer O-ring interposed between the water-cooling plate and the heat exchange plate and disposed near the inner side of the outer peripheral side through hole so as to avoid the outer peripheral side through hole;
An inner O-ring interposed between the water-cooling plate and the heat exchange plate and arranged to surround the inner through hole;
Is provided,
Thermoelectric element pairs are arranged with equal density in the area inside the outer O-ring and outside the inner O-ring,
A heat exchange apparatus, wherein a water cooling plate and a heat exchange plate are fastened via an outer peripheral side through hole and an inner through hole .

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。 The water cooling plate and the heat exchange plate have a flow path for the fluid to be heat exchanged, and the flow path circulates corresponding to the arrangement area of the thermoelectric element pair on the heat transfer surface of the water cooling plate and the heat exchange plate. The heat exchange device according to claim 1, wherein the heat exchange device is configured to have a shape in which fluid can flow in different directions between adjacent flow paths.

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。 Forming an insulating sprayed film on the surface of the heat transfer surface of the water-cooled plate and the heat exchange plate, inside the outer O-ring and outside the inner O-ring;
A conductive sprayed film corresponding to the pattern of the electrode plate is formed on the insulating sprayed film,
The heat exchange apparatus according to claim 1, wherein the conductive sprayed film and the electrode plate facing each other are joined via solder.

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。 Forming an insulating sprayed film on the surface of the heat transfer surface of the water-cooled plate and the heat exchange plate, inside the outer O-ring and outside the inner O-ring;
On the insulating sprayed film, a conductive sprayed film corresponding to the pattern of the electrode plate and having a thickness corresponding to the electrode plate is formed.
2. The heat exchange apparatus according to claim 1, wherein the conductive sprayed film is used as the electrode plate, and is joined to an opposing thermoelectric element via solder.

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。 5. The heat exchange apparatus according to claim 3, wherein the insulating sprayed film is formed by spraying aluminum oxide, and the conductive sprayed film is formed by spraying copper.