JP2008182011A - 熱電変換システム信頼性評価装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実環境での熱電変換システムの信頼性試験を行うことができる熱電変換システム信頼性評価装置を提供する。
【解決手段】複数のモジュールより成る熱電変換システム１１の温度負荷面を加熱する加熱部２１と、温度負荷面の反対側の面を冷却する低温側冷却部２２と、熱電変換システム１１の温度負荷面の温度を計測する高温側温度計測センサ１９と、温度負荷面の反対側の面の温度を計測する低温側温度計測センサ２０と、球面座を有し熱電変換システム１１全体を均一に圧接する均一圧接力負荷機構部２３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のモジュールより成る熱電変換システムの信頼性を評価する熱電変換システム信頼性評価装置及び方法に関する。

一般に、電熱変換システムは複数の電熱変換モジュールから構成され、熱電変換モジュールは高温面と低温面との温度差で発電を行うものである。すなわち、高温面に熱を与えて低温面を冷却して、その温度差で発電する。

図７は熱電変換システムの一例を示す構成図である。図７に示すように、熱電変換システム１１は複数の電熱変換モジュール１２から構成され、各々の電熱変換モジュール１２は配線１３で電気的に接続されている。そして、高温面に与えられた熱を効率的に取り込めるように電熱変換モジュール１２を熱源に対して圧接して押さえつけられている。

このような熱電変換システム１１の信頼性評価を行う場合には、複数の熱電変換モジュール１２で構成された熱電変換システム１１に対して信頼性評価試験を行うのではなく、１個単位の個々の熱電変換モジュールに対して信頼性評価試験を行っている。すなわち、信頼性評価試験は、個々の熱電変換モジュールに対して、熱を繰り返し与える熱サイクル試験や一定の熱を与える熱劣化試験が行われる。

このような熱電変換モジュール信頼性評価装置としては、熱を与える手段として炉を備え、１個単位の熱電変換モジュールを炉の中に入れ、モジュールを加熱・冷却するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
熱電変換工学−基礎と応用−（株式会社リアライズ社） p.344,表6.

しかし、このような熱電変換モジュール信頼性評価装置においては、１個単位の熱電変換モジュールを炉の中に入れ、単に熱を与えて試験を行うものであるため、熱電変換モジュールの高温面が高温、他方の低温面が低温というように熱電変換モジュール内に温度差がついておらず、また、熱電変換モジュールを圧接した状況を再現していないことから、実環境で使用されることを想定した複数の熱電変換モジュールから構成される熱電変換システムの評価ができない。

すなわち、熱電変換モジュールより構成される熱電変換システムが実環境で使用される場合には、高温面が高温、他方の低温面が低温というように熱電変換モジュール内に温度差がついており、また、熱を効率的に取り込めるように熱電変換モジュールを熱源に圧接して押さえつけていることから、従来の熱電変換モジュール信頼性評価装置においては、これらを再現しているとは言えない。

例えば、熱電変換モジュール１２に圧接力を負荷するためには、図８に示すように、ネジ１４により熱電変換モジュール１２に圧接力を負荷することや、図９に示すように、バネ１５により熱電変換モジュール１２に圧接力を負荷することが考えられるが、これらの方式では、圧接力に片当たりが生じ、熱電変換システム１１を構成する個々の熱電変換モジュール１２に均一な圧接力を負荷するのが困難である。

本発明の目的は、実環境での熱電変換システムの信頼性試験を行うことができる熱電変換システム信頼性評価装置及び方法を得ることである。

本発明の熱電変換システム信頼性評価装置は、複数のモジュールより成る熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部と、前記温度負荷面の反対側の面を冷却する低温側冷却部と、熱電変換システムの温度負荷面の温度を計測する高温側温度計測センサと、前記温度負荷面の反対側の面の温度を計測する低温側温度計測センサと、球面座を有し前記熱電変換システム全体を均一に圧接する均一圧接力負荷機構部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、熱電変換システムの温度負荷面である高温面と、その反対側の面の低温面との間に温度差を与えながら、複数の電熱変換モジュールに均一な圧接力を負荷することができるので、実環境での熱電変換システムの信頼性試験を行うことができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に関わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。熱電変換システム１１は温度負荷面を支持する高温側治具１７と、温度付加面の反対側の面を支持する低温側治具１８とで挟持される。そして、熱電交換システム１２の温度負荷面の温度は高温側温度計測センサ１９で検出され、熱電交換システム１２の温度負荷面の反対側面の温度は低温側温度計測センサ２０で検出される。

熱電変換システム１１の温度負荷面は加熱部２１で加熱され、熱電変換システム１１の温度負荷面の反対側の面は低温側冷却部２２で冷却される。これにより、熱電変換システム１１の温度負荷面とその反対側の面との間に温度差を生じさせるようにしている。加熱部２１としては例えばヒータが用いられ、低温側冷却部２２としては例えば水冷冷却盤やペルチェ素子による冷却を行う冷却盤が用いられる。

また、天板２５は支持棒２６で支持され、天板２５を挟んで均一圧接力負荷機構部２３およびネジ式ハンドル２４が設けられている。

天板２５には、ネジ式ハンドル２４のネジ部（図示せず）と螺合するネジ支持部２４ａが設けられている。一方、ネジ式ハンドル２４によって、加熱部２１に負荷を与える移動式天板２５ａは、支持棒２６に上下移動可能に支持されている。均一圧接力負荷機構部２３は球面座を有し、熱電変換システム１１全体を均一に圧接するものであり、ネジ式ハンドル２４により圧接力が均一圧接力負荷機構部２３に負荷される。

このように、球面座を有する均一圧接力負荷機構部２３により熱電変換システム１１に圧接力を負荷するので、熱電変換システム１１に対して均一な圧接力を負荷することが可能となる。また、熱電変換システム１１の温度負荷面を加熱部２１により加熱し、他方の面を低温側冷却部２２により冷却していることから、熱電変換システム１１に温度差がついており、実用環境下に近い状態の信頼性評価を行うことができる。

第１の実施の形態によれば、熱電変換システム１１の上下面に温度差を与えながら、複数のモジュールに均一な圧接力を負荷するという実環境を模擬する機構が備わっているので、実環境で使用される熱電変換システムの信頼性試験を提供できる熱電変換システム信頼性評価装置を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、均一圧接力負荷機構部２３は、ネジ式ハンドル２４による圧接力を調整する負荷荷重調整機構部２７を備えたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

負荷荷重調整機構部２７は、例えばバネを有し、天板２５でバネを受けており、バネを受けている天板２５と支持棒２６との間にネジは切っておらず、単に貫通しているだけとしている。そして、ネジ式ハンドル２４を圧接力が負荷される方向に動かすと、天板２５が図中矢印Ｘの方向に動き出すようになっている。

ここで、バネの圧縮量を測定すれば、これにバネ定数を乗じることにより圧接力を計測することができ、この圧接力を調整するようにネジ式ハンドル２４を動かすことができる。また、熱電変換システム１１は、圧接力を負荷しているので、長時間の高温試験を行っている際に、圧縮変形することも考えられる。このような場合、ネジで圧接力を与えているだけであれば、圧縮変形に伴い圧接力が減少するが、第２の実施の形態では、バネにより圧接力を負荷しているので、圧縮変形した場合も継続的にほぼ一定の圧接力を負荷することができる。

第２の実施の形態によれば、負荷荷重調整機構部２７により圧接力を調整することができ、また、試験中に一定の圧接力を継続して与えることができるので、実環境で使用される熱電変換システム１１に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、均一圧接力負荷機構部２３は、ネジ式のハンドル２４に代えて、アクチュエータ２８とし、均一圧接力負荷機構部２３の圧接力による熱電変換システム１１への荷重を検知する荷重センサ２９と、荷重センサ２９で検知した荷重が所定値になるように駆動部３０を介してアクチュエータ２８を制御する制御部３１とを備えたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

すなわち、第３の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置１６は第１の実施の形態におけるネジ式ハンドル２４の部分にアクチュエータ２８を備え、また、アクチュエータを駆動する駆動装置３０と、圧接力荷重を感知するための荷重センサ２９と、制御部３１とを備えている。

アクチュエータ２８が圧接力を負荷すると、荷重センサ２９が圧接力の荷重値を検知し、検出された荷重データが制御部３０に取り込まれる。制御部３０では取り込まれたデータと予め設定した目標値との差を計算し、制御データとして駆動部３０を通じてアクチュエータ２８にフィードバックされるようになっている。

ここで、アクチュエータ２８は電動式アクチュエータあるいは油圧式アクチュエータのいずれであってもよい。電動式アクチュエータの場合には駆動装置３０は電源装置となり、油圧式アクチュエータの場合には駆動装置３０は油圧源装置となる。

第３の実施の形態によれば、荷重センサ２９で検知される圧接力荷重値が目標値となるようにフィードバック制御を行いながら試験を行えるので、試験を行っている間、一定の圧接力を継続して与えることができる。従って、実環境で使用される熱電変換システム１１に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。

（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部２１に対し、加熱部２１を冷却する高温側冷却部３２を設けたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第４の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置１６は第１の実施の形態における温度負荷面を加熱する加熱部２１の上部に、高温側冷却部３２を備えている。なお、高温側冷却部３２は熱電変換システムの温度負荷面側を冷却するものであり、冷却水による水冷あるいはペルチェ素子による電子冷却のいずれの冷却方式であってもよい。

熱電変換システム１１の信頼性評価の際には、熱サイクルに対する信頼性を評価することも多くあり、熱電変換システム１１の温度負荷面の温度を昇降する必要がある。昇温の際には加熱部２１に通電して温度を上昇させ、降温の際には通常、加熱部２１の電流を遮断して自然放熱により温度を下げるが、自然放熱による降温は時間が掛かり、繰り返し温度の昇降を行う熱サイクル試験の効率が著しく悪い。具体的には、２００℃から５０℃までの降温に要する時間が３分の１以下となった。

第４の実施の形態においては、温度負荷面側にも高温側冷却部３２を設けているので、熱サイクル試験において、降温時間が短縮され効率の良い試験を実施することができる。また、サイクル数の非常に多い試験を行うことも可能となる。

第４の実施の形態によれば、温度の昇降を行う熱サイクル試験において、降温の時間が短縮されるので、実環境で使用される熱電変換システムに対して、長期的に起こり得る熱サイクルの劣化評価のための信頼性試験を短時間で行うことができる。

（第５の実施の形態）
図５は本発明の第５の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。この第５の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、低温側温度計測センサ２０で検知した温度が所定値になるように冷却調整部３３を介して低温側冷却部２２を制御する温度制御部３４を設けたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示すように、第５の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置１６は、低温側冷却部２２の冷却を調整する冷却調整部３３と、低温側温度計測センサ２０で検知した温度が所定値になるように冷却調整部３３を調節する温度制御部３４とが追加して設けられている。

この構成では、低温側温度計測センサ２０により計測された低温側温度が温度制御部３４に取り込まれる。温度制御部３４は取り込まれたデータと、予め設定した低温側温度目標値との差を計算し、制御データとして冷却調整部３４を通じて低温側冷却部２２にフィードバックされるようになっている。

ここで、低温側冷却部２２は、冷却水による冷却を行う冷却部あるいは低温側冷却部２２がペルチェ素子による電子冷却を行う冷却部のいずれを用いることも可能であり、冷却水による冷却を行う冷却部である場合には、冷却調整部３３は冷却水水量調整装置となり、低温側冷却部２２がペルチェ素子による冷却を行う冷却部である場合には、冷却調整部３３はペルチェ素子用電流調整装置となる。

第５の実施の形態によれば、低温側温度計測センサ２０により計測された低温側温度が目標値となるようにフィードバック制御を行いながら試験を行えるので、試験を行っている間、低温側の温度を一定に保つことができる。従って、実環境で使用される熱電変換システムに対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。

（第６の実施の形態）
図６は本発明の第６の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置１６の構成図である。この第６の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、熱電変換システム１１を囲む環境槽３５を設けたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第６の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置１６は、熱電変換システム１１を囲む環境槽３５を備えている。環境槽３５は腐食環境槽ユニットなどを内蔵しており、蒸気、真空、大気、ガス等様々な環境下での試験が可能となっている。

第６の実施の形態によれば、様々な実機環境を模擬して試験を行えるので、実環境で使用される熱電変換システム１１に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に関わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 本発明の第２の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 本発明の第４の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 本発明の第５の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 本発明の第６の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置の構成図。 熱電変換システムの一例を示す構成図。 熱電変換システムの圧接の仕方の一例を示す斜視図。 熱電変換システムの圧接の仕方の他の一例を示す斜視図。

符号の説明

１１…熱電変換システム、１２…熱電変換モジュール、１３…配線、１４…ネジ、１５…バネ、１６…熱電交換システム信頼性評価装置、１７…高温側治具、１８…低温側治具、１９…高温側温度計測センサ、２０…低温側温度計測センサ、２１…加熱部、２２…低温側冷却部、２３…均一圧接力負荷機構部、２４…ネジ式ハンドル、２４ａ…ネジ支持部、２５…天板、２５ａ…移動式天板、２６…支持棒、２７…負荷荷重調整機構部、２８…アクチュエータ、２９…荷重センサ、３０…駆動装置、３１…熱電変換システム、３２…高温側冷却部、３３…冷却調整部、３４…温度制御部、３５…環境槽

Claims (11)

1. 複数のモジュールより成る熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部と、前記温度負荷面の反対側の面を冷却する低温側冷却部と、熱電変換システムの温度負荷面の温度を計測する高温側温度計測センサと、前記温度負荷面の反対側の面の温度を計測する低温側温度計測センサと、球面座を有し前記熱電変換システム全体を均一に圧接する均一圧接力負荷機構部とを備えたことを特徴とする熱電変換システム信頼性評価装置。
2. 前記均一圧接力負荷機構部は、ネジ式のハンドルで前記球面座を介して前記熱電変換システムを圧接することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
3. 前記均一圧接力負荷機構部は、前記ネジ式のハンドルによる圧接力を調整する負荷荷重調整機構部を備えたことを特徴とする請求項２記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
4. 前記均一圧接力負荷機構部は、ネジ式のハンドルに代えて、電動式アクチュエータまたは油圧式アクチュエータとしたことを特徴とする請求項２または３に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
5. 前記均一圧接力負荷機構部の圧接力による前記熱電変換システムへの荷重を検知する荷重センサと、前記荷重センサで検知した荷重が所定値になるように電動式アクチュエータまたは油圧式アクチュエータを制御する制御部とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
6. 前記熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部に、前記加熱部を冷却する高温側冷却部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
7. 前記低温側冷却部または前記高温側冷却部は、ペルチェ素子による電子冷却を行う冷却部であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
8. 前記低温側冷却部または前記高温側冷却部は、冷却水による冷却を行う冷却部であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
9. 前記低温側温度計測センサで検知した温度が所定値になるように前記低温側冷却部を制御する温度制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
10. 前記熱電変換システムを囲む環境槽を備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システム信頼性評価装置。
11. 複数のモジュールより成る熱電変換システムの温度負荷面を加熱し、前記温度負荷面の反対側の面を冷却し、前記熱電変換システム全体を均一に圧接することを特徴とする熱電変換システム信頼性評価方法。

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