(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極としてアルミニウム溶射電極を用いた熱電変換モジュールにおいて破損が生じた場合、その破損箇所の熱電素子に貫通孔を開け、該貫通孔にアルミニウム棒を嵌挿し、その上下部分をアルミハンダにより上記アルミニウム溶射電極に接触固定することを特徴とする熱電変換モジュールの補修方法。
【請求項２】
請求項１記載の補修方法により再生された熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換モジュールの補修方法に関するものであり、本発明の補修方法の対象の熱電変換モジュールは、熱を直接電気に変換するもので、特に発電プラントやゴミ焼却施設などの大規模な排熱を熱源とする熱電発電装置において有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換モジュールは、通常複数個のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを交互に配置し、これらの熱電素子を金属などの導電性材料を介して電気的に直列に接続することによって作製される。この熱電変換モジュールは、熱電素子に温度差を与えることによりゼーベック効果による熱起電力を発生し、電気的な負荷を接続することにより熱の一部を電力に変換して取り出すことができる。この熱電変換モジュールを用いた発電装置は、構造が簡単で、振動、騒音、摩耗などを生じる可動部がなく、熱源の規模を選ばないなどの特徴があるため、携帯型電源や、各種の排熱を電力として回収し有効利用する手段として注目されている。
【０００３】
一般に、このような熱電変換モジュールは、例えば、次のような方法で作製される。まず、ｐ型及びｎ型熱電材料を焼結し、得られた焼結体を、電極との接合面にはんだ付けをするためのニッケルめっきなどの表面処理を施した後、所望の大きさに切断し、ｐ型及びｎ型熱電素子を作製する。次に、ｐ型及びｎ型熱電素子を交互に多数配置し、ｐ型及びｎ型熱電素子を交互に電気的に直列となるように直接あるいは金属を介して接続して、熱電変換モジュールを得る。
また、熱電変換モジュールを熱的に接触させる他の部材から電気的に絶縁する必要があることと機械的強度の向上のために、電極面を、熱伝導性の良いアルミナセラミックスなどの電気的な絶縁板とはんだ接合することが行われている。
また、この他にも、電極面が絶縁板と固定されていないスケルトンタイプといわれるものが一般的に知られている。
このような熱電変換モジュールに係わる全般的な技術は、例えば、「熱電半導体とその応用」（西田勲、上村欣一著、日刊工業新聞社発行）や「熱電変換システム技術総覧」（梶川武信他編、リアライズ社発行）に詳述されている。
【０００４】
また、信頼性を向上させた熱電変換モジュールとして、各接合部での熱膨張率の差によって生ずる破損を解決するために、各熱電素子を金属ペーストを介して金属セグメントで挟み込みネジ止めによって固定する方法（例えば、特開平８−２５５９３５号公報、特開平８−３０６９６５号公報などを参照）や、小型の素子を用いた熱電変換モジュールの機械的強度の向上のため、熱電素子を樹脂、セラミックス又はガラスなどの絶縁性の物質に埋め込まれた構造を有する熱電変換モジュール（例えば、特開平８−１８１０９号公報、特開平８−１５３８９９号公報などを参照）も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱電変換モジュールにおいて、熱電変換モジュールの性能劣化に伴う個々の熱電素子が破損又は熱電素子に接続された電極が剥離した場合、熱電素子が直列接続されているために、熱電モジュールの性能が低下し使用に耐えなくなる事態が発生する。斯かる事態が発生した場合、従来では補修方法もなく、大部分が正常であっても、モジュールごと廃棄せざるを得なかった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、熱電変換モジュールに破損が生じた場合、該破損箇所を補修して、熱電変換モジュールを再生し、製品寿命の向上を図ることができる熱電変換モジュールの補修方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を、下記の熱電変換モジュールの補修方法を提供することにより達成したものである。
「電極としてアルミニウム溶射電極を用いた熱電変換モジュールにおいて破損が生じた場合、その破損箇所の熱電素子に貫通孔を開け、該貫通孔にアルミニウム棒を嵌挿し、その上下部分をアルミハンダにより上記アルミニウム溶射電極に接触固定することを特徴とする熱電変換モジュールの補修方法。」
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電変換モジュールの補修方法を図面に示す実施形態について説明する。
本発明の熱電変換モジュールの補修方法を実施するにあたっては、まず、熱電変換モジュールの破損箇所を同定する。
熱電変換モジュールを構成する熱電素子が一部破損したり、アルミニウム溶射電極の一部が熱電素子より剥離するなどにより、熱電変換モジュールが破損した場合、モジュールの内部抵抗が上昇する。
そのため、例えば、図１に示すように熱電変換モジュール１０を構成する熱電素子１１が破損した場合、該破損した熱電素子の同定は、モジュールの内部抵抗が増加するためＬＣＲメータのプローブで、埋め込まれた各熱電素子に接触する上下電極を走査することにより行うことができる。
【０００９】
破損箇所が同定できたら、図２に示すように、破損箇所の熱電素子１１の中央部付近及び該熱電素子１１に接触する上下両面のアルミニウム溶射電極１２を貫通する貫通孔１３を開け、電極に開けた貫通孔１３の周囲に、金属下地層１７を貫通しない深さの溝１４を設ける。該溝１４は上下両電極の表面に設ける。
上記貫通孔１３は、その形状が特に制限されるものではないが、円筒状が好ましく、その場合、径は、上記貫通孔１３の周辺部には一部素子を残すことが好ましいため、上記溶射電極１２の面に平行な、素子の断面の、差渡し長さの短い方の長さの９０％以下とすることが好ましい。また、上記溝１４の径は、上記溶射電極１２の差渡し長さの短い方を上限とし、上記貫通孔１３の径を下限とする。さらに、上記溝１４の周辺部には、上記溶射電極１２の一部を残すことが修理箇所の強度を確保する上で効果的であることから、上記溝１４の径は、上記溶射電極１２の差渡し長さの短い方の９５％以下であって、かつ上記貫通孔１３の径の１．１〜４倍であることが好ましい。
また、上記溝１４の深さは、上記金属下地層１７を貫通しない深さである。さらに、上記溝１４の底部には、上記溶射電極１２の一部を残すことが修理箇所の強度を確保する上で効果的であることから、上記溝１４の深さは、上記溶射電極１２の厚さの９５％以下が好ましく、より好ましくは上記溶射電極１２の厚さの５０〜８５％である。
【００１０】
次に、図３に示すように、上記貫通孔１３にアルミニウム棒１５を嵌挿する。
次いで、好ましくは熱電変換モジュール全体をホットプレートなどで２００〜２５０℃に予備加熱しながら、上記溝１４にアルミハンダ１６を流し込み肉盛りし、上記アルミニウム棒１５の上下部分を上記アルミニウム溶射電極１２にハンダ付けする。
余分なアルミハンダ１６は、エンドミルなどを用いて切削除去し、熱電変換モジュール全体の電極面の平面性を確保する。この際、図３に示す熱電変換モジュールの高温側面（図の上側）のように、余分なアルミハンダ１６と共に溝１４の周囲のアルミニウム溶射電極１２も切削し、電極面が所定の電極面の水準より低くなるようにすることが、熱伝導率の高いアルミニウムからの無駄な伝熱を妨げることができるので好ましい。上記切削した電極面は、所定の電極面の水準より０．１〜０．５ｍｍ低くすることが好ましい。
以上により熱電素子が破損し内部抵抗が増加した熱電変換モジュールの補修が完了し、図３に示すような本発明の補修方法により再生された熱電変換モジュールが得られる。尚、図中、１８はｐ型及びｎ型熱電素子を交互に配置、収容するための電気的且つ熱的絶縁性型枠である。
【００１１】
【作用】
熱電素子の破損やアルミニウム溶射電極の剥離などにより熱電変換モジュールの発電性能が低下した場合、従来はモジュールごと廃棄していたが、本発明の熱電変換モジュールの補修方法によれば、比較的簡単な工程で熱電変換モジュールを再生でき、製品寿命の向上を図ることができる。
【００１２】
【実施例】
以下に本発明の熱電変換モジュールの補修方法の実施例を挙げる。
【００１３】
実施例１
熱電素子が破損した熱電変換モジュール（サンプル No.１〜３）の補修を、次のようにして行った。
熱電変換モジュールの熱電素子が破損した場合、内部抵抗が増加し発電性能が低下する。そこで、各サンプルについて、ＬＣＲメータのプローブで各電極を走査し破損した熱電素子を同定した。各サンプルの破損した熱電素子の個数は、下記〔表１〕に示す通りであった。
破損した熱電素子の中央部付近に３ｍｍ径の貫通孔を開け、貫通孔の周囲のアルミニウム溶射電極をエンドミルで切削除去して電極部に６ｍｍ径及び電極面からの深さ１ｍｍの溝を両面に設けた（図２を参照）。
次いで、上記貫通孔にアルミニウム棒を嵌挿した。このアルミニウム棒によって破損した熱電素子の代わりに導通が確保される。
次に、モジュール全体をホットプレートで２００℃に予備加熱しながら、上記溝にアルミハンダを流し込み肉盛りし、上記アルミニウム棒の上下部分を上記アルミニウム溶射電極にハンダ付けした。
余分なアルミハンダをエンドミルで切削除去し、電極面の平面性を確保した。この時、高温側面は、使用時の温度上昇を避けるため、電極面が所定の電極面の水準より０．３ｍｍ低くなるまで切削した。また、低温側面は、所定の電極面と同一の高さにて切削した。
以上により破損した熱電素子の補修が完了し、図３に示すような本発明の補修方法により再生された熱電変換モジュールを得た。
このようにして再生されたサンプル No.１〜３の熱電変換モジュールの補修前後の内部抵抗の測定結果を下記〔表１〕に示す。この結果から明らかなように、本発明の補修方法により再生されたサンプル No.１〜３の熱電変換モジュールは、何れも設計値に対して満足する値を示し、本発明の補修方法によれば、熱電変換モジュールの再生が可能となり、製品寿命の向上を図ることができることを確認した。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
【発明の効果】
本発明の熱電変換モジュールの補修方法によれば、熱電変換モジュールに破損が生じた場合、該破損箇所を補修して、熱電変換モジュールを再生し、製品寿命の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、熱電変換モジュールの破損箇所の断面図である。
【図２】図２は、破損箇所の熱電素子に補修用の貫通孔及び溝を設けた状態の断面図である。
【図３】図３は、破損箇所の補修が完了した熱電変換モジュールの補修部分の断面図である。
【符号の説明】
１０  熱電変換モジュール
１１  熱電素子
１２  アルミニウム溶射電極
１３  貫通孔
１４  溝
１５  アルミニウム棒
１６  アルミハンダ
１７  下地層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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