JP5229382B2 - 熱電変換モジュール及びその修復方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱電素子材料により形成された複数のブロックを備えた熱電変換モジュール及びその修復方法に関する。
熱電変換素子には、熱により発電する熱発電素子と、電気により熱を移送するペルチェ素子とがある。これらの熱発電素子及びペルチェ素子の基本的な構造は同じである。
熱電変換素子は、アルミナ等の熱伝導性が良好な絶縁体からなる一対の伝熱板と、それらの伝熱板の間に配置されたｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックと、ｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックを直列に接続する電極とを有している。１個のｐ型半導体ブロックと１個のｎ型半導体ブロックだけでは熱電変換素子としての能力が十分でないので、通常はｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックをそれぞれ十数個〜数百個使用している。すなわち、通常は一対の伝熱板間にｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックを交互に十数個〜数百個並べて直列に接続し、熱電変換モジュールとしている。熱電変換モジュールには、直列接続されたｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックの集合体の両端に接続された一対の引出電極が設けられている。
一対の引出電極を電源に接続してｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックに電流を流すと、ペルチェ効果により一方の伝熱板から他方の伝熱板に熱が移送される。また、２枚の伝熱板に温度差を与えると、ゼーベック効果によりｐ型半導体ブロックとｎ型半導体ブロックとの間に電位差が発生し、引出電極から電流を取り出すことができる。
特開平８−３２１２５号公報
特開２００８−９１４４２号公報
特開平１１−３２４９２号公報
ところで、熱電変換モジュールは、絶縁物により形成された伝熱板、半導体により形成された半導体ブロック及び金属により形成された電極など、熱膨張係数が相互に異なる複数の部材を組み合わせて形成されている。また、半導体ブロックと電極とは通常はんだにより接続されているが、はんだも固有の熱膨張係数を有している。そのため、一対の伝熱板に大きな温度差が繰り返し加わると、各部材の接合部分に大きな歪（熱歪）が繰り返し発生して断線に至ることがある。
前述したように熱電変換モジュールでは複数個のｐ型半導体ブロックと複数個のｎ型半導体ブロックとが直列接続されているので、一箇所でも断線が起きると熱電変換モジュールとして機能しなくなってしまう。
なお、複数の熱電変換モジュールを使用する熱電変換システムにおいて、各熱電変換モジュールの良否を検出して不具合が発生した熱電変換モジュールを自動的にバイパスするバイパス回路を設けることが提案されている。この技術を使用し、熱電変換モジュール内で断線が発生したときに断線箇所をバイパスして、熱電変換素子モジュールを修復することが考えられる。しかし、前述したように熱電変換モジュール内には十数個〜数百個のｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックが含まれているので、各半導体ブロック毎にパイパス回路を用意しようとすると必要なバイパス回路の数が多くなり、現実的ではない。
よって、熱電素子材料により形成された複数のブロックを備えた熱電変換モジュールにおいて、断線等の不具合が発生した場合に容易に修復できる熱電変換モジュール及びその修復方法を提供することを目的とする。
一観点によれば、第１の伝熱板及び第２の伝熱板と、前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の間に配置された熱電素子材料からなる複数のブロックと、前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の前記ブロック側の面上にそれぞれ形成されて前記複数のブロックを直列接続する複数の端子電極と、前記ブロックが直列接続されてなる集合体の両端に接続された引出電極とを有し、前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の少なくとも一方には、前記ブロックと反対側の面から前記端子電極に到達する孔と、隣接する孔間を連絡する溝とが形成されている熱電変換モジュールが提供される。
上記熱電変換モジュールでは、伝熱板の外側の面に、端子電極に到達する孔と、隣接する孔間を連絡する溝とが形成されている。従って、断線等の不具合が発生した場合は、テスターのテストピン（プローブ）の先端を孔に挿入し、端子電極に接触させて不具合が発生した箇所を探索することができる。また、不具合が発生した箇所の孔とそれの孔に隣接する孔、及びそれらの孔間を連絡する溝内に導電体を挿入することにより、不具合が発生した箇所をバイパス（迂回）する回路が形成される。
この場合、不具合が発生した部分がバイパスされるため、熱電変換効率は不具合が発生した部分に相当する割合で減少する。しかし、一般的に熱電変換モジュールは多数のブロック（熱電変換素子材料により形成されたブロック）を有しているため、熱電変換効率の減少は僅かであり、熱電変換効率の減少は実用上無視することができる。
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す斜視図（模式図）、図２は同じくその断面図（模式図）、図３は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。
図１は第１の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す斜視図（模式図）、図２は同じくその断面図（模式図）、図３は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。
本実施形態に係る熱電変換モジュール１０は、熱伝導性が良好な絶縁体からなる一対の伝熱板１１間に、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３を交互にかつマトリクス状に複数配置して形成されている。これらのｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３は、伝熱板１１の内側の面（半導体ブロック１２，１３側の面）に形成された複数の端子電極１４を介して直列接続されている。そして、直列接続されたｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３の集合体の両端には、引出電極１５ａ，１５ｂが接続されている。
本実施形態では、伝熱板１１が、一辺が４ｃｍの正方形、厚さが０．８ｍｍのアルミナ（酸化アルミニウム）の板からなるとする。また、ｐ型半導体ブロック１２はＢｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3からなり、ｎ型半導体ブロック１３はＢｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15からなるものとする。これらの半導体ブロック１２，１３の大きさは、底面が３ｍｍ×３ｍｍ、高さが５ｍｍである。また、ｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３の数はいずれも１２個、すなわちｐｎペア数が１２であるとする。但し、伝熱板１１の材質及び大きさ、並びにｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３の組成、大きさ及び数等は適宜選択すればよく、上述した例に限定されるものではない。
端子電極１４は銅の薄膜により形成されている。一方、半導体ブロック１２，１３の端面にはＮｉがめっきされており、端子電極１４と半導体ブロック１２，１３とはＢｉＳｎ系はんだにより接合されている。ここでは、Ｂｉ含有量が約５８ｗｔ％、Ｓｎ含有量が約４２ｗｔ％のＢｉＳｎはんだを使用して端子電極１４と半導体ブロック１２，１３とが電気的に接続されているものとする。
図３に示すように、伝熱板１１には、各半導体ブロック１２，１３に整合する位置に、外側の面（半導体ブロック１２，１３と反対側の面）から端子電極１４まで到達する孔１６が設けられている。孔１６の大きさは後述するデジタルテスターのテストピンの先端が入る大きさであればよく、ここでは孔１６の大きさを２ｍｍ×２ｍｍとする。
また、伝熱板１１の外側の面には、隣接する半導体ブロック１２，１３のうち端子電極１４で接続されていない半導体ブロック１２，１３間の領域に整合する位置に、孔１６間をつなぐ溝１７が形成されている。溝１７の深さは例えば０．４ｍｍであり、幅は例えば０．８ｍｍ、長さは例えば２ｍｍである。溝１６の大きさも、上記の例に限定されるものでなく適宜設定すればよい。
この熱電変換モジュール１０は熱発電素子として使用され、例えば一方の伝熱板１１の温度は０℃、他方の伝熱板１１の温度は１００℃になる。熱電変換モジュール１０は、長期間使用すると、熱膨張の繰り返し等により半導体ブロック１２，１３と端子電極１４との間で断線が発生することがある。
以下、上記の熱電変換モジュールにおける断線修復方法について、図４の模式図を参照して説明する。
図４に示す熱電変換モジュール１０は、長期間の使用にともなう熱膨張の繰り返しにより断線が発生して、引出電極１５ａ，１５ｂから出力が得られなくなったとする。この場合、図４に示すようにデジタルテスター２０の一方のテストピン２１ａを引出電極１５ａ（又は引出電極１５ｂ）に接続する。そして、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａ（又は引出電極１５ｂ）に近い端子電極１４から順番（接続順）に接触させて、引出電極１５ａ（又は引出電極１５ｂ）と各端子電極１４との間の導通の有無を判定する。但し、全部の孔１６にテストピン２１ｂを挿入する必要はなく、１つの端子電極１４に接続する２つの孔１６のうちいずれか一方の孔１６のみにテストピン２１ａを挿入すればよい。ここでは、図４に示すように、孔１６ａまでは導通が確認されたが、孔１６ｂでは導通がないことが判明したとする。この場合、半導体ブロック１３ａとその上側又は下側の端子電極１４との間で断線（接続不良）が発生しているものと考えられる。
このようにして断線箇所を特定した後、孔１６ａと、その孔１６ａにつながる溝１７ａ及び孔１６ｃにエポキシ系導電ペースト（例えば、藤倉化成株式会社製ドータイトＦＡ−３３等）を注入する。この場合、孔１６ａにつながる端子電極１４と孔１６ｃにつながる端子電極１４との間の電気的接続を確保できるだけの量の導電ペーストを注入する必要がある。但し、導電ペーストを孔１６ａ，１６ｃ及び溝１７ａが埋まるまでいっぱいに注入するのではなく、次の工程で絶縁性充填剤を充填する分の隙間を残しておくことも重要である。
なお、本実施形態では半導体ブロック１３ａの上側の孔１６ａとその孔１６ａにつながる溝１７ａ及び孔１６ｃとに導電ペーストを注入しているが、半導体ブロック１３ａの下側の孔１６ｂとその孔１６ｂにつながる溝１７ｂ及び孔１６ｄに導電ペーストを注入してもよい。
上述したように孔１６ａ，１６ｃ及び溝１７ａに導電ペーストを注入した後、例えば１５０℃の温度で３０分間熱処理して導電ペーストを硬化させる。その後、伝熱板１１の外側の面の絶縁性を確保するために、図５に示すように、硬化後の導電ペースト２５の上に絶縁性充填剤（例えば東亞合成株式会社製アロンセラミックＤ）２６を注入し、大気中で１５０℃の温度で１５０分間熱処理して硬化させる。
このようにして断線が発生したｎ型半導体ブロック１３ａとその隣のｐ型半導体ブロック１２ａとをバイパスする導通路を形成することにより、断線が発生した熱電変換モジュール１０の修復が完了する。修復後の熱電変換モジュール１０は、ｐｎペア数が１ペア分減少するので、熱電変換出力は修復前（断線発生前）の１１／１２になる。しかし、この程度の出力減少は許容範囲であり、実用上問題となることは殆どない。
なお、本実施形態では断線箇所の修復材としてエポキシ系導電ペーストを用いたが、導電ペーストに替えて例えばＳｎＰｄやＢｉＳｎ又はＳｎＡｇ系はんだを用いてもよい。この場合、はんだと端子電極１４を形成する銅との熱膨張係数の差が小さく、熱膨張の繰り返しに対する修復部分の信頼性が高い。
一方、一般的なはんだの融点は、組成にも大きく依存するが、２００℃以下と比較的低い。これに対し上述のエポキシ系導電ペーストは、一旦硬化すれば２５０℃以上の高温でも使用することができるものがある。
断線箇所の修復材として導電ペーストを使用するかはんだを使用するかは、熱電変換モジュール１０の使用状況等に応じて適宜選択すればよい。
また、上記の例では熱電変換モジュール１０の断線箇所を検出して修復する場合について説明したが、断線に至らないまでも素子材料の劣化等により局所的に不具合が発生することもある。このような場合、例えばデジタルテスターのテストピンを半導体ブロック１２，１３の両側の端子電極１４に順次接続して抵抗値を測定し、その測定値が基準値（例えば初期抵抗値よりも１０％高い値）を超えたときに不具合が発生していると判定し、上述の実施形態と同様の手順により修復を行うようにしてもよい。後述の各実施形態においても同様である。
（変形例）
上記第１の実施形態ではデジタルテスター２０のテストピン２１ａを引出電極１５ａに接続し、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａに近い端子電極１４から順番に接触させて導通の有無を調べ、断線箇所を特定している。この場合、Ｎ個の半導体ブロックがあるとすると、最大Ｎ−１回の検査が必要となる。以下に、少ない回数で断線箇所を特定する方法について説明する。
上記第１の実施形態ではデジタルテスター２０のテストピン２１ａを引出電極１５ａに接続し、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａに近い端子電極１４から順番に接触させて導通の有無を調べ、断線箇所を特定している。この場合、Ｎ個の半導体ブロックがあるとすると、最大Ｎ−１回の検査が必要となる。以下に、少ない回数で断線箇所を特定する方法について説明する。
ここでは、図６に示すように、熱電変換モジュール１０がＮ個（Ｎ＝１６）の半導体ブロックにより形成されているものとする。なお、図６では、ｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックを、いずれも符号２８で示している。
まず、デジタルテスター２０（図４参照）の一方のテストピン２１ａを引出電極１５ａに接続し、他方のテストピン２１ｂをＮ／２番目の半導体ブロック２８に接続された端子電極１４ａに接続する。このとき、テストピン２１ｂを挿入する孔１６を、図６中に矢印Ｉで示す。
ここで、導通がなければ断線箇所は引出電極１５ａと端子電極１４ａとの間にあり、導通があれば断線箇所は端子電極１４ａと引出電極１５ｂとの間にあることがわかる。ここでは導通がなく、断線箇所は引出電極１５ａと端子電極１４ａとの間にあると判定したものとする。
次に、デジタルテスター２０の一方のテストピン２１ａを引出電極１５ａに接続したまま、他方のテストピン２１ｂをＮ／４番目の半導体ブロック２８に接続した端子電極１４ｂに接続する。このとき、テストピン２１ｂを挿入する孔１６を、図６中に矢印IIで示す。
ここで、導通がなければ断線箇所は引出電極１５ａと端子電極１４ｂとの間にあり、導通があれば断線箇所は端子電極１４ｂと端子電極１４ａとの間にあることがわかる。ここでは、導通が確認できて、断線箇所が端子電極１４ｂと端子電極１４ａとの間にあると判定したものとする。
次に、デジタルテスタ２０のテストピン２１ｂを端子電極１４ａに接続したまま、テストピン２１ａを（Ｎ／４＋Ｎ／８）番目の半導体ブロック２８に接続した端子電極１４ｃに接続する。このとき、テストピン２１ａを挿入する孔１６を、図６中に矢印IIIで示す。
ここで、導通があれば断線箇所は端子電極１４ｂと端子電極１４ｃとの間にあり、導通がなければ断線箇所は端子電極１４ｃと端子電極１４ａとの間にあることがわかる。
このように、検査範囲を２つに分けてどちら側に断線（又は不良）箇所があるのかを調べることを繰り返すことにより、少ない回数で断線箇所を特定することができる。半導体ブロック２８の数をＮとすると、約Ｌｏｇ2Ｎ回の検査で断線箇所を特定することができる。
（第２の実施形態）
図７は第２の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）、図８は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。図７，図８において、図２，図３と同一物には同一符号を付している。
図７は第２の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）、図８は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。図７，図８において、図２，図３と同一物には同一符号を付している。
本実施形態の熱電変換モジュール３０が第１の実施形態の熱電変換モジュール１０と異なる点は、伝熱板１１に設けられた孔１６及び溝１７にゴムキャップ３１が挿入されていることにあり、その他の基本的な構造は第１の実施形態と同様である。
ゴムキャップ３１は、熱伝導性が良好なゴム（樹脂）により形成されている。ここでは、ゴムキャップ３１が、信越化学工業株式会社製放熱シリコンゴム（ＴＣ−ＢＧ）により形成されているものとする。伝熱板１１を形成するアルミナの密度は約４ｇ／ｃｍ3であるのに対し、上記の放熱シリコンゴムの密度は約１．５ｇ／ｃｍ3である。
以下、上記の熱電変換モジュール３０における断線修復方法について、図９，図１０を参照して説明する。
本実施形態においても、例えば第１の実施形態と同様に、デジタルテスター２０の一方のテストピン２１ａを引出電極１４ａ（又は引出電極１５ｂ）に接続し、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａ（又は引出電極１５ｂ）に近い端子電極１４から順番に接触させて、引出電極１５ａ（又は引出電極１５ｂ）と各端子電極１４との間の導通の有無を判定する。この場合、図９に示すようにゴムキャップ３１を取り外す必要はなく、テストピン２１ｂの先端をゴムキャップ３１に突き刺して、テストピン２１ｂと端子電極１４とを接触させる。
第１の実施形態と同様にして断線箇所を特定したら、断線箇所に対応する位置のゴムキャップ３１を取り外し、図１０に示すように予め用意された金属の薄板からなる補修金具３２を孔１６及び溝１７にかしめて嵌め込む。この補修金具３２により、断線箇所の端子電極１４とその隣の端子電極１４との間が電気的に接続（バイパス）される。このようにして、断線箇所の修復が完了する。
第１の実施形態では伝熱板１１の孔１６及び溝１７が熱伝導性が低い空気で満たされているため、孔１６及び溝１７がない場合に比べて伝熱板１１の熱伝導性が低下する。これに対し、本実施形態においては、伝熱板１１の孔１６及び溝１７内に予め熱伝導性が良好なシリコンゴムからなるキャップ３１を挿入しておくので、伝熱板１１の熱伝導性の低下が抑制される。また、ゴムキャップ３１は導通検査時に取り外す必要がなく、そのため導通検査時の作業効率の低下が少なくてすむ。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に断線箇所の孔１６及び溝１７内に導電ペーストを注入して修復を行ってもよい。また、前述の変形例に示した方法により断線箇所を探索してもよい。
（第３の実施形態）
図１１は第３の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）、図１２は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。図１１，図１２において、図２，図３と同一物には同一符号を付している。
図１１は第３の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）、図１２は伝熱板に設けられた孔及び溝を拡大して示す断面図である。図１１，図１２において、図２，図３と同一物には同一符号を付している。
本実施形態の熱電変換モジュール４０が第１の実施形態の熱電変換モジュール１０と異なる点は、伝熱板１１に設けられた孔１６及び溝１７にセラミックキャップ４１が挿入されていることにあり、その他の基本的な構造は第１の実施形態と同様である。
本実施形態において、セラミックキャップ４１は伝熱板１１と同じ材料、すなわちアルミナにより形成されている。従って、セラミックキャップ４１の熱伝導性、密度及び熱膨張係数は、伝熱板１１と同じである。
以下、上記の熱電変換モジュール４０における断線修復方法について、図１３を参照して説明する。
本実施形態では、断線が発生した箇所を探索する場合、セラミックキャップ４１を伝熱板１１から取り外す。そして、例えば第１の実施形態（図４参照）と同様に、デジタルテスター２０の一方のテストピン２１ａを引出電極１５ａに接続し、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａに近い端子電極１４から順番に接触させて導通の有無を調べる。
このようにして断線箇所を特定したら、図１３に示すように、断線箇所に対応する位置の孔１６ａ及びその孔１６ａに溝１７を介してつながる孔１６ｂに、金属製のばね４２を挿入する。そして、それらのばね４２の上に金属板４３を被せて、ばね４２の弾性力と金属板４３とを利用して断線箇所の端子電極１４とその隣の端子電極１４とを相互に電気的に接続する。この場合、金属板４３は、図１３に示すように溝１７の底部に接触するようにすることが好ましい。
その後、金属板４３の上にセラミック系接着剤４４（例えば、東亞合成株式会社製アロンセラミックＤ）を注入し、例えば１５０℃の温度で１８０分間熱処理してセラミック系接着剤４４を硬化させる。また、修復箇所以外の孔１６及び溝１７には、元どおりにセラミックキャップ４１を挿入しておく。このようにして、断線発生箇所の修復が完了する。
本実施形態においては、伝熱板１１に設けられた孔１６及び溝１７に伝熱板１１と同一材料からなるセラミックキャップ４１を挿入しているので、第１の実施形態に比べて伝熱板１１の熱伝導効率が向上する。また、本実施形態においては、金属製ばね４２、金属板４３及びセラミック系接着剤４４を用いて断線箇所を修復するので、修復箇所は例えば５００℃以上の高温にも耐えることができる。このため、本実施形態に係る修復方法は、高温で使用する熱電変換モジュールにも適用できる。
（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの修復方法を示す模式図である。図１４において、図１と同一物には同一符号を付している。
図１４は、第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの修復方法を示す模式図である。図１４において、図１と同一物には同一符号を付している。
本実施形態の熱電変換モジュール５０は加熱炉５５のステンレス製の壁に接合されており、加熱炉５５の壁から取り外すことができない。この熱電変換モジュール５０は、加熱炉５５からの熱によって発電する。
熱電変換モジュール５０は、第１の実施形態のモジュール１０と同様に、一対の伝熱板１１ａ，１１ｂ間に複数のｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３を交互に配置して形成されている。これらのｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３は、伝熱板１１ａ，１１ｂの内側の面（半導体ブロック１２，１３側の面）に形成された複数の端子電極１４により直列接続されている。そして、直列接続されたｐ型半導体ブロック１２及びｎ型半導体ブロック１３の集合体の両端には、引出電極１５ａ，１５ｂが接続されている。
加熱炉５５の壁と接触しないほうの伝熱板１１ｂには、第１の実施形態と同様に、外側の面から端子電極１４に到達する孔１６と、相互に隣接する２つの端子電極１４にそれぞれ到達する２つの孔１６間を連絡する溝１７とが設けられている。しかし、加熱炉５５の壁に接触するほうの伝熱板１１ａには、孔及び溝が設けられていない。
以下、上記の熱電変換モジュールにおける断線修復方法について説明する。
本実施形態に係る熱電変換モジュール５０は、断線が発生しても伝熱板１１ａ側の端子電極１４にデジタルテスターのテストピンを接触させることができない。しかし、本実施形態においても、デジタルテスターの一方のテストピンを引出電極１５ａに接続し、他方のテストピンを伝熱板１１ｂ側の端子電極１４に引出電極１５ａに近いものから順番に接触させて、導通の有無を調べる。
例えば図１５に示すように、ｎ型半導体ブロック１３ａとその下側の端子電極１４ｂとの間で断線が発生したとする。断線箇所を特定するためには、上述のように引出電極１５ａにデジタルテスター２０の一方のテストピン２１ａを接続し、他方のテストピン２１ｂを引出電極１５ａに近い端子電極１４から順番に接触させる。ここでは、ｎ型半導体ブロック１３ａの上側の端子電極１４ａまでは導通があるが、ｐ型半導体ブロック１２ａの上の端子電極１４ｃでは導通がないとする。この場合、ｎ型半導体ブロック１３ａとその上側の端子電極１４ａとの間、ｎ型半導体ブロック１３ａとその下側の端子電極１４ｂとの間、ｐ型半導体ブロック１２ａとその下側の端子電極１４ｂとの間、及びｐ型半導体ブロック１２ａとその上側の端子電極１４ｃとの間のいずれかで断線が発生していると考えることができる。
本実施形態では、導通が確認できる端子電極１４ａと、その端子電極１４ａに隣接していて導通が確認できない端子電極１４ｂとの間をつなぐ孔１６ａ，１６ｂ及び溝１７ａ内に、第１の実施形態と同様に導電ペースト（例えばドータイトＦＡ−３３）を導入する。そして、例えばドライヤーを用いて１５０℃の温度で６０分間加熱して導電ペーストを硬化させ、導電ペーストを介して端子電極１４ａ，１４ｃ間を電気的に接続する。また、必要に応じて、導電ペーストの上に絶縁性充填剤を注入し、伝熱板１１ｂの表面の絶縁性を確保する。なお、導電ペーストに替えて、第２の実施形態で説明した補修金具や、第３の実施形態で説明したばねと金属板を用いてもよい。
このように、一方の伝熱板１１ｂのみに孔１６及び溝１７を形成した場合も、断線箇所を簡単かつ確実に修復することができる。
（第５の実施形態）
図１６は、第５の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）である。
図１６は、第５の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面図（模式図）である。
本実施形態の熱電変換モジュール６０は、一対の伝熱板６１ａ，６１ｂ間に、複数個のｎ型半導体ブロック６２が一定のピッチで配置されている。伝熱板６１ａ，６１ｂはいずれもアルミナ等の熱伝導性が良好な絶縁体により形成されている。また、ｎ型半導体ブロック６２は、例えばＣａＭｎＯ3等の酸化物により形成されている。
伝熱板６１ａ，６１ｂの内側の面（半導体ブロック６２側の面）には、半導体ブロック６２と接続される端子電極６４が設けられている。そして、半導体ブロック６２の伝熱板６１ａ側の端子電極６４と、該半導体ブロック６２に隣接する半導体ブロック６２の伝熱板６１ｂ側の端子電極６４とは、接続部材６３を介して相互に電気的に接続されている。すなわち、伝熱板６１ａ，６１ｂ間に配置された複数のｎ型半導体ブロック６２は、端子電極６４及び接続部材６３を介して直列接続されている。この直列接続された半導体ブロック６２の集合体の両端には、引出電極６５ａ，６５ｂが接続されている。
本実施形態においても、一方の伝熱板６１ｂには各ｎ型半導体ブロック６２に対応する位置に、外側の面から端子電極６４に到達する孔６６と、隣接する孔６６間を連絡する溝６７とが設けられている。また、他方の電極板６１ａには、孔及び溝は設けられていない。
以下、上記の熱電変換モジュールにおける断線修復方法について説明する。
熱電変換モジュール６０に断線が発生した場合、第４の実施形態と同様に、デジタルテスターの一方のテストピンを引出電極６５ａに接続する。そして、他方のテストピンを伝熱板６１ｂ側の端子電極６４に引出電極６５ａに近いものから順番に接触させ、導通の有無を調べて断線箇所を特定する。
断線箇所が特定できたら、例えば第１の実施形態と同様に、断線箇所の半導体ブロック６２上の孔６６と、その孔６６に隣接する孔６６と、それらの孔６６間を連絡する溝６７とに導電ペーストを注入する。そして、例えばドライヤーを用いて１５０℃の温度で６０分間加熱し、導電ペーストを硬化させる。この導電ペーストを介して、断線箇所の端子電極６４間が電気的に接続される。また、必要に応じて、導電ペーストの上に絶縁性充填剤を注入し、伝熱板６１ｂの表面の絶縁性を確保する。なお、導電ペーストに替えて、第２の実施形態で説明した補修金具や、第３の実施形態で説明したばねと金属板とを用いて、断線箇所の端子電極６４間の導通を確保してもよい。このようにして、本実施形態に係る熱電変換モジュールの補修が完了する。
本実施形態においても、断線箇所を簡単かつ確実に補修することができる。上述の実施形態では熱電変換モジュールがｎ型半導体ブロックのみで形成されている場合について説明したが、熱電変換モジュールをｐ型半導体ブロックのみで形成することもできる。
なお、上述した各実施形態においては熱電素子材料としてＢｉＴｅ材料（Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3、Ｂｉ2Ｔｅ2.85Ｓｅ0.15）又は遷移金属酸化物（ＣａＭｎＯ3）を使用してブロック（半導体ブロック）を形成した場合について説明したが、他の熱電素子材料によりブロックを形成してもよい。
熱電素子材料には、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系、シリサイド系、スクッテルダイト系、遷移金属酸化物系、亜鉛アンチモン系、ホウ素化合物、クラスター固体及びカーボンナノチューブなどがある。
ＢｉＴｅ系材料にはＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ及びそれらの化合物がある。また、ＰｂＴｅ系材料には、ＰｂＴe、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ及びそれらの化合物がある。更に、ＳｉＧｅ系材料には、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｉＧｅ等があり、シリサイド系材料にはＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ及びＣｅＳｉがある。スクッテルダイト系材料は、ＭＸ3又はＲＭ4Ｘ12と記載される化合物である。但し、ＭはＣｏ、Ｒｈ及びＩｒのいずれかの元素であり、ＸはＡｓ、Ｐ及びＳｂのいずれかの元素であり、ＲはＬａ、Ｙｂ及びＣｅのいずれかの元素である。
遷移金属酸化物系材料には、ＣａＭｎＯ、ＮａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ及びＢａＢｉＣｏＯ等がある。また、亜鉛アンチモン系材料には例えばＺｎＳｂがあり、ホウ素化合物材料にはＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ及びＬｉＢ等がある。また、クラスター固体材料にはＢクラスター、Ｓｉクラスター、Ｃクラスター、ＡｌＲｅ及びＡｌＲｅＳｉがある。また、酸化亜鉛系材料には例えばＺｎＯがある。
これらの熱電素子材料から、熱電変換モジュールの使用環境等に応じて適切な材料を選択すればよい。
Claims (10)
- 第１の伝熱板と第２の伝熱板と、
前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の間に配置された熱電素子材料を含む複数のブロックと、
前記第１の伝熱板及び第２の伝熱板の前記ブロック側の面上にそれぞれ形成されて前記複数のブロックを直列接続する複数の端子電極と、
前記ブロックが直列接続されてなる集合体の両端に接続された引出電極とを有し、
前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の少なくとも一方には、前記ブロックと反対側の面から前記端子電極に到達する孔と、隣接する孔間を連絡する溝とが形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記孔及び前記溝内に、樹脂製キャップが着脱自在に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
- 前記孔及び前記溝内に、前記伝熱板と同じ材料からなるキャップが着脱自在に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
- 前記ブロックは、ｐ型半導体材料からなるｐ型半導体ブロックとｎ型半導体材料からなるｎ型半導体ブロックとを含み、前記集合体は、前記ｐ型半導体ブロックと前記ｎ型半導体ブロックとが交互に接続されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
- 第１の伝熱板と第２の伝熱板と、前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の間に配置された熱電素子材料を含む複数のブロックと、前記第１の伝熱板及び第２の伝熱板の前記ブロック側の面上にそれぞれ形成されて前記複数のブロックを直列接続する複数の端子電極と、前記ブロックが直列接続されてなる集合体の両端に接続された引出電極とを有し、前記第１の伝熱板及び前記第２の伝熱板の少なくとも一方には、前記ブロックと反対側の面から前記端子電極に到達する孔と、隣接する孔間を連絡する溝とが形成されている熱電変換モジュールの修復方法において、
テスターのピンを前記孔を介して前記端子電極に接触させて断線箇所を特定する工程と、
断線箇所の前記ブロックに接続する端子電極とその端子電極に隣接する端子電極との間を、前記孔及び前記溝を介して電気的に接続する工程と
を有することを特徴とする熱電変換モジュールの修復方法。 - 前記端子電極間の電気的接続は、前記孔及び前記溝内に導電ペーストを注入して行うことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュールの修復方法。
- 前記端子電極間の電気的接続は、前記孔及び前記溝内にはんだを注入して行うことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュールの修復方法。
- 前記端子電極間の電気的接続は、前記孔及び前記溝内に金属板により形成された補修金具を挿入して行うことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュールの修復方法。
- 前記端子電極間の電気的接続は、前記孔内に配置した金属製ばねと、前記孔及び前記溝内に配置されて前記金属製ばね間を電気的に接続する金属板とにより行うことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュールの修復方法。
- 更に、前記孔及び前記溝内に絶縁性充填剤を充填して前記伝熱板の表面の絶縁性を確保することを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールの修復方法。
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