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MAGNETIC THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND THERMOELECTRIC CONVERSION SYSTEM INCLUDING THE SAME

Patent code P210017427
File No. 14100
Posted date Feb 19, 2021
Application number P2017-237459
Publication number P2019-106436A
Date of filing Dec 12, 2017
Date of publication of application Jun 27, 2019
Inventor
  • (In Japanese)石田 真彦
  • (In Japanese)桐原 明宏
  • (In Japanese)澤田 亮人
  • (In Japanese)齊藤 英治
  • (In Japanese)井口 亮
  • (In Japanese)追川 康之
  • (In Japanese)小野 正雄
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
Title MAGNETIC THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND THERMOELECTRIC CONVERSION SYSTEM INCLUDING THE SAME
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To protect a surface of parts exposed to high temperature environment and detect temperature and a heat flow distribution of the surface.
SOLUTION: The magnetic thermoelectric conversion element provided on a surface of a support in contact with a heat source includes: a magnetic body; an electrically conductive electromotive body magnetically coupled to the magnetic body; and a heat resistant metal oxide film covering the magnetic body and the electromotive body.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年のエネルギー需要の増加に伴って、様々な動力器において高効率化が求められている。燃焼ガスタービンやジェットエンジンといった内燃機関や、蒸気タービンなどの外燃機関においては、高効率化に向けて動作温度の高温化や、その耐久性の向上が求められている。

特許文献1は、ガスタービン燃焼器を開示している。特許文献1に開示されたガスタービン燃焼器において、アウタケーシングとインナケーシングによって環状のハウジングが形成され、その内部にはアウタライナとインナライナによって環状の燃焼筒が形成されている。燃焼筒の内部には環状の内部空間が形成され、この内部空間が燃焼室として機能する。燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置は、周方向に等間隔に並んで複数配置されている。各燃料噴射装置は、燃料を噴射する燃料噴射弁(燃料噴射ノズル)と半径流型のメインスワーラとを備えている。燃焼器には点火栓(点火装置)が配置される。

特許文献2は、ガスタービンエンジンの一例であるターボファンエンジンを開示している。ターボファンエンジンは、ファンカウルと、コアカウルと、ファンと、低圧圧縮機と、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービンと、シャフトと、主ノズルとを備えている。燃焼器は、高圧圧縮機の下流側に配置されており、高圧圧縮機から送り込まれる圧縮空気と、インジェクタ(燃料噴射ノズル)から供給される燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成する。高圧タービンは、燃焼器の下流側に配置されており、燃焼器から排出される燃焼ガスから回転動力を回収し、高圧圧縮機を駆動する。高圧タービンは、シャフトに固定される複数のタービン動翼と、コア流路に固定される複数のタービン静翼と、シュラウドとを備えている。シュラウドは、タービン動翼のチップに対向して設けられており、燃焼器から排出された燃焼ガスの流路の一部を形成している。シュラウドは、タービン動翼に対向する面(燃焼ガス流路面)に設けられる溝部と、溝部の底部に開口する複数のフィルム冷却孔とを備える。

燃焼ガスタービンやジェットエンジンにおいては、通常その燃焼器内部の温度は1000℃以上になる。この環境下で利用される耐熱材料にはNi基超合金などの1100℃程度の耐熱温度を保つ合金が利用される。また、火力発電などで利用される蒸気タービンなどでは、高温蒸気の温度は600℃~800℃になる。600℃程度までの蒸気タービンでは経済性の理由からフェライト系耐熱鋼が使用されている。600℃を超える蒸気タービンでは、フェライト系を超える耐熱合金であるオーステナイト系耐熱鋼が使用されている。

このような内燃機関や外燃機関等の動力器は、その高効率化を目指し、動作温度の高温化が進んでいる。この動作温度は、既にタービン動翼、タービン静翼等の耐熱合金部材の基材の融点を超えており、各種の冷却技術が採用されている。この基材の耐熱温度を超える温度差は、空気によるフィルム冷却(例えば、上記特許文献2参照)や、後述する熱遮蔽コーティングによって、基材を実効的に冷却している。この熱遮蔽コーティング(Thermal Barrier Coating:TBC)膜は、150℃程度の遮熱効果が実現されている。なお、熱遮蔽コーティングは、遮熱コーティングとも呼ばれる。

通常、TBC膜は熱伝導率の低いトップコートと、基材の酸化を防ぐボンドコートとからなる2層構造をなす。トップコートには、一般にセラミックが採用され、イットリア(Y2O3)や、安定化酸化ジルコニウム(YSZ)などがある。ボンドコートには、基材へのアルミ拡散コーティングによってつくられるPt-Al合金などが利用されている。

たとえば、特許文献3は、YSZよりも高温結晶安定性に優れ、高靭性且つ高い熱遮蔽効果を有する遮熱コーティング用材料を開示している。

種々の熱遮蔽コーティングは、連続的な熱応力負荷や界面の変性のために亀裂が生じ、剥離することがある。この様な熱遮蔽コーティングの剥離は機器に局所的な加熱を引き起こし、重大な事故につながる可能性がある。この様な重大事故によって機器の運転が停止すると、大きな機会費用の損失となる。そこで、この様な事故を未然に防ぐために、機器の部材の温度監視が行われる。

例えば、特許文献4は、ボイラの燃焼炉から発生する排ガスを監視する「ボイラのモニタ装置」を開示している。ボイラは、デポジットの付着を監視するため、排ガスに接触するモニタリングプローブ(モニタ装置)を備えている。プローブは、排ガスに接触する外管と、外管の内側に同心に設けられた内管と、その内管の更に内側に設けられた給水管とを有する。外管と内管との間に形成された環状の間隙には、8個の熱電変換素子が全周に亘って等間隔に配置されている。熱電変換素子は、高温側感熱部と低温側感熱部との間の温度差を検出する。高温側感熱部は、外管の内壁面に接触しており、低温側感熱部は、内管の外壁面に接触している。このような構成の熱電変換デバイスは、いわゆる「ゼーベック素子」等と呼ばれる。高温側感熱部と低温側感熱部との間に温度差が生じると、低温側感熱部を構成する2つの端子電極間に電位差が生じ、端子電極に接続された電流検出部には、上記温度差に応じた電流が流れる。

また、特許文献5は、ガスタービン燃焼器の異常発熱を監視するガスタービン監視装置を開示している。ガスタービン燃焼器は、ガスタービンケーシング内の外筒と燃焼室形成用の燃焼器ライナ胴とを挿入した構成となっている。燃焼器ライナ胴は金属またはセラミックスによって構成されている。燃焼器ライナ胴の頭部には燃料ノズル(燃料噴射ノズル)が組立てられ、この燃料ノズル(燃料噴射ノズル)から燃焼室内に燃料が噴出されて燃焼するようになっている。外胴と燃焼器ライナ胴との間には、ガスタービン圧縮機から吐出される燃焼用空気を燃焼器ライナ胴内の燃焼室に向けて流通させる環状通路が形成されている。特許文献2に開示されたガスタービン監視装置は、ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナ胴の外表面から燃焼時に発せられる赤外放射線を入光して燃焼器ライナ胴の表面温度分布を検出する赤外放射線温度検出器を備える。赤外放射線温度検出器は、ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナ胴の高温域に対応する配置で、ガスタービンケーシングの外側部のフランジ部に取り付けられる。また、特許文献2は、燃焼器ライナ胴は複数の孔(冷却孔)を通して空気を導入するフィルム冷却等を採用していることを記載している。

特許文献6は、燃焼タービンエンジンの運転中に該タービンエンジンの燃焼システムの燃焼ダクトにおける欠陥を検出する方法を開示している。ガスタービンエンジンにおいて用いることが出来る燃焼器は燃料ノズル又は燃料噴射装置を含む。燃焼噴射装置は、燃焼用に燃料及び空気の混合気を集める。燃焼噴射装置の下流側には、燃焼が生じる燃焼室がある。燃焼室は、全体的に、流れスリーブ内に密閉されるライナにより定められる。流れスリーブとライナとの間にはアニュラスが形成される。トランジションピースは、ライナから下流側のタービンセクションに移るときにライナの円形断面から環状断面に移行する。トランジションピースの内壁面は、絶縁被膜で被覆することができる。絶縁被膜は、遮熱コーティングを含むことができる。特定の好ましい環境において、ジルコニア酸化物の遮熱コーティングを用いることができる。第1の電極は、トランジションピースに電気的に接続することができる。トランジションピースは、金属であり、高い導電率を有する。第2の電極は、高温ガス経路に電気的に曝される(且つトランジションピースに接続されない)ように位置付けることができる。第2の電極をトランジションピースに貫通させるが、電気絶縁材料又は構造体によりトランジションピースから電気的に絶縁させ、更に高温ガス流路に曝される導電性先端を有する。第2の電極は、少なくとも部分的には、高温ガス流に曝され且つ第1の電極に近接するように位置付けることができる。

また、この温度監視機能を熱遮蔽コーティングそのものに持たせる試みがある。例えば特許文献7は、燃焼ガスタービンの熱遮蔽コーティングの下地に、単結晶ZnO膜を形成することで、熱流センサとして機能させることを記載している。これは単結晶ZnO膜のc軸を、ガスタービン表面から傾斜させて製膜することで、ZnOの異方的な熱電変換性能によって、ガスタービン表面に垂直な方向の熱流を検出するものである。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は部材表面の保護膜に関し、特に高温環境に暴露される部材表面を保護し、表面の温度や熱流分布を検出できる磁性熱電変換素子及びそれを含む熱電変換システムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
熱源と接する支持体の表面に設けられる磁性熱電変換素子であって、
磁性体と、
前記磁性体に磁気的に結合した電気伝導性を有する起電体と、
前記磁性体と前記起電体とを覆う耐熱性酸化金属膜と、
を有する磁性熱電変換素子。

【請求項2】
 
前記耐熱性酸化金属膜は、10[W/mK]以下の熱伝導率を有することを特徴とする請求項1に記載の磁性熱電変換素子。

【請求項3】
 
前記耐熱性酸化金属膜は、104[W/m2K]以下の熱伝達率を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の磁性熱電変換素子。

【請求項4】
 
前記磁性熱電変換素子は前記支持体の内壁面に設けられ、
前記耐熱性酸化金属膜は、前記磁性体が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の前記熱源と接触する界面を有することを特徴とする、
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。

【請求項5】
 
前記磁性熱電変換素子は前記支持体の外壁面に設けられ、
前記耐熱性酸化金属膜は、前記磁性体が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の前記熱源と前記支持体を介して接触する界面を有することを特徴とする、
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。

【請求項6】
 
熱源と接する支持体の表面に設けられる熱電変換システムであって、
前記支持体の所定の位置に配された少なくとも1つの磁性熱電変換素子であって、磁性体と、前記磁性体に磁気的に結合した電気伝導性を有する起電体と、を有する前記磁性熱電変換素子と、
前記起電体と電気的に接続する配線を介して、熱電変換によって得られた電気的信号を収集する手段とを有し、
前記磁性熱電変換素子と前記配線とが、耐熱性酸化金属膜によって覆われていることを特徴とする熱電変換システム。

【請求項7】
 
前記起電体と前記配線とが同一材料で形成されている、請求項6に記載の熱電変換システム。

【請求項8】
 
前記耐熱性酸化金属膜は、10[W/mK]以下の熱伝導率を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の熱電変換システム。

【請求項9】
 
前記耐熱性酸化金属膜は、104W/m2K]以下の熱伝達率を有することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1つに記載の熱電変換システム。

【請求項10】
 
前記熱電変換システムは前記支持体の内壁面に設けられ、
前記耐熱性酸化金属膜は、前記磁性体が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の前記熱源と接触する界面を有することを特徴とする、
請求項6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。

【請求項11】
 
前記熱電変換システムは前記支持体の外壁面に設けられ、
前記耐熱性酸化金属膜は、前記磁性体が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の前記熱源と前記支持体を介して接触する界面を有することを特徴とする、
請求項6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。

【請求項12】
 
高温ガスに接触する内表面と、冷却流に接触する外表面と、を持つ高温ガス経路部材であって、
前記外表面に形成された磁性層と、
前記磁性層に重なって、前記冷却流に接触する金属層と、
前記金属層から前記外表面に沿って配設された計測線と、
を備えた高温ガス経路部材。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017237459thum.jpg
State of application right Published
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