JP2019106436A - 磁性熱電変換素子及びそれを含む熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】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すること。【解決手段】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は、磁性体と、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、磁性体と起電体とを覆う耐熱性酸化金属膜と、を有する。【選択図】図２

Description

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。

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(Ｙ_２Ｏ_３)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。

国際公開第２０１１／０９２７７９号 国際公開第２０１３／１２９５３０号 国際公開第２０１０／１１６５６８号 特開２００８−２６１７４７号公報 特許第３８５７４２０号公報 特開２０１２−１４５１０１号公報 特表２０１６−５００７８０号公報

この様に、高温環境下で使用される部材の温度監視を行おうとすると、内部に温度計を設置する必要がある。

しかしながら、特許文献４に記載したような、局所的な温度測定では部材の正確な温度分布は分からず、十分な監視性能を発揮できない。換言すれば、この様な測定は局所的な温度しか計測できず、機器の異常を検出することは困難である。また、複数箇所の温度を検出しようとすると、温度計の数が増加しコストの著しい増加を招くことになる。さらに、温度計を高温環境下に設置することで、熱遮蔽コーティングの寿命以外に、温度計の寿命という別の制約が発生する。熱遮蔽コーティングよりも先に温度計が故障する様な場合、頻繁に機器を停止することとなり、機会損失が増えることになる。

特許文献５では、赤外線放射温度検出器が、燃焼器ライナ胴の特定の領域（高温域）から発された赤外放射線を入光して、その特定の領域の表面温度分布を検出しているだけである。したがって、特許文献５では、燃焼器ライナ胴における全体の表面温度分布を検出することができない。

特許文献６では、部材表面の熱遮蔽コーティングの欠損や劣化を、その表面の導通によって検出している。しかしながら、この様な検出方法は、コーティングの欠損が発生したことを通知することであって、熱負荷の状況を判断しながら適当な運転を教示することはできない。

また、特許文献７のように、特定の材料の単結晶膜を作ることは、コスト及び歩止まりの面で課題がある。特にタービンの様な大面積な部材への適用において、均一な単結晶膜を作ることは製造コストを著しく増大させる。

本発明の目的は、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を提供する。

本発明による磁性熱電変換素子は、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。

本発明による熱電変換システムは、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。

本発明によれば、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。

関連技術に係るガスタービン燃焼器の一例を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁性熱電変換素子を示す部分概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子を示す部分概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システムが適用されるガスタービン燃焼器の概略構成を示す図である。 図４のＡの四角形で囲んだ部分を拡大して示す部分拡大図である。 本発明の第１の実施例に係る温度分布検出装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施例に係る温度分布検出装置の概略構成を示す図であって、（Ａ）は部分断面図、（Ｂ）は概略平面図、（Ｃ）は部分断面図である。 本発明の第３の実施例に係る温度分布検出装置９０の概略構成を示す図であって、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は断面図である。

［関連技術］
本発明の理解を容易するために、本発明が適用される燃焼器について説明する。

図１は本発明が適用される関連技術に係る燃焼器１０の一例を示す概略図である。図示の燃焼器１０は、ガスタービン燃焼器である。ガスタービン燃焼器１０は、環状のハウジング（外胴）１２と、この環状のハウジング（外胴）１２の内部に形成された環状の燃焼筒（燃焼器ライナ胴）１４とを備える。ハウジング１２はケーシングとも呼ばれる。

ガスタービン燃焼器１０には、図示しない圧縮機から送給された圧縮空気（燃焼用空気）が、環状のディフューザ１６を介してハウジング（外胴）１２の環状の内部空間に導入される。

換言すれば、外胴１２と燃焼器ライナ胴１４との間には、圧縮機から吐出された燃焼用空気を燃焼器ライナ胴１４内の燃焼室１８に向けて流通させる環状通路２０が形成されている。

燃焼器ライナ胴１４の頭部には燃焼噴射ノズル２２が組立てられ、この燃焼噴射ノズル２２から燃焼室１８内に燃料が噴射されて燃焼するようになっている。

燃焼器１０の所定の箇所（図示の例では、燃料噴射ノズル２２に近接した位置）に、点火装置２４が配置されている。また、燃焼器１０の別の所定の箇所には、燃焼室１８内の温度を計測するための温度計２６も備えられている。温度計２６としては、熱電対を用いたものが使用される。さらに、燃焼器ライナ胴１４には、環状通路２０と燃焼室１８との間を挿通する、複数の冷却孔２８が形成されている。したがって、図示の燃焼器ライナ胴１４は、複数の冷却孔２８を通して空気を導入するフィルム冷却を採用している。

このように、図示の燃焼器１０は、灯油やジェット燃料などの燃料を燃焼噴射ノズル２２から圧縮空気に連続的に噴射混合させながら燃焼させることで急激に体積を膨張させ、得られた流速の速い燃焼ガスを羽根車（図示せず）の駆動や、ジェット機構（図示せず）に利用するための構成部品である。

より高い効率を得るためには、より高温での燃焼が望ましい。そのため、燃焼器ライナ胴１４には、その内壁面に、耐熱コート３０を施した部材が用いられている。前述したように、耐熱コート３０としては、ＴＢＣ膜や特許文献３に開示されているような熱遮熱コーティングが用いられる。

このような構成の燃焼器１０は、ガスタービンやジェットエンジン等の連続運転の用途が主である。このため、運転中に、冷却孔２８の目詰まりによる局所的な異常燃焼の検出や、耐熱コート３０の劣化を判定できれば、更なる安全性の確保が期待できる。

関連技術では、燃焼状態を、主に熱電対などを用いた温度計２６による温度計測で判断していた。このような計測では、局所的な異常を検出することができない。

また、温度計２６として、前述の特許文献５に開示された赤外線放射温度検出器を用いることも考えられる。しなしながら、この方法では、前述したように、燃焼器ライナ胴１４における全体の表面温度分布を検出することができない。

さらに、上記特許文献６のように、部材表面の熱遮蔽コーティング３０の欠損や劣化を、その表面の導通によって検出することも考えらえる。しかしながら、前述したように、この検出方法は、熱遮蔽コーティング３０に欠損が発生したことを通知しているだけであって、熱負荷の状況を判断しながら適当な運転を教示することはできない。

さらにまた、この温度監視機能を熱遮蔽コーティング３０そのものに持たせるために、上記特許文献７のように、熱遮蔽コーティング３０の下地に、単結晶ＺｎＯ膜を形成することも考えらえる。しかしながら、前述したように、特定の材料の単結晶膜を作ることは、コスト及び歩止まりの面で課題がある。特にタービンの様な大面積な部材への適用において、均一な単結晶膜を作ることは製造コストを著しく増大させる。

［発明の概要］
本発明は、ガスタービン燃焼器１０（図１参照）などにおける高温ガス（燃焼ガス）が流れる環境に適した高温ガス経路部材を提供する。この高温ガス経路部材は、外表面に磁性層と金属層の二層膜からなるスピンゼーベック構造を備える。このスピンゼーベック構造は、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の間の温度差に比例した電圧を生じる。この電圧を外表面に沿って配設された計測線によって読み取ることで、高温ガスや冷却流の流れを阻害せずに、部材の外表面の温度分布を計測できる。

スピンゼーベック構造は、高温ガス経路部材の表面をできる限り覆う様に作成することが好ましい。具体的には、磁性層の上には、複数の金属層が設けられて、実質的にガス経路部材の表面全体の温度分布が検出できることが好ましい。特に、スピンゼーベック電圧は温度差に比例するため、出力の大きな箇所には大きな熱負荷が掛かっていることになり、この負荷を低減する対策を取ることができ、高温ガス経路部材の寿命を長くできる。

［第１の実施形態］
図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０について説明する。図示の磁性熱電変換素子４０は、熱源側に直接接触して配置された場合の素子である。ここで、熱源とは、例えば、図１の例の場合で言えば、燃焼ガスに相当する。

磁性熱電変換素子４０は、支持体５０の第１の表面５０ａ上に設けられている。ここで、支持体５０とは、例えば、図１の例の場合で言えば、燃焼器ライナ胴１４に相当する。したがって、支持体５０の第１の表面５０ａは、図１の燃焼器ライナ胴１４の内壁面に対応する。

支持体５０は、一般的な金属基材から成り、部材の用途に応じて適宜選択できる。例えば、金属基材としては、高クロムフェライト鋼、オーステナイト鋼、Ｎｉ基超合金などがあげられる。

磁性熱電変換素子４０は、密着層５２を介して、支持体５０の第１の表面５０ａ上に密着している。

密着層５２は、拡散層５２２と、ボンディング層５２４とから成る。

ボンディング層５２４は、耐酸化を目的として、支持体５０への金属コーティングによって拡散層５２２と共に形成される。ボンディング層５２４の厚さは典型的には７５μm〜１５０μmである。具体的には、ボンディング層５２４としてはアルミ拡散コーティングなどがあげられる。さらに耐腐食性や耐酸化性が求められる場合には、ボンディング層５２４として、ＭＣｒＡｌＹ (Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ)をプラズマ溶射等によって形成しても良い。

したがって、第１の実施形態では、支持体５０と密着層５２と磁性熱電変換素子４０との組み合わせによって、高温ガス経路部材（５０，５２，４０）が構成されている。

磁性熱電変換素子４０は、磁性体４２と、起電体４４と、耐熱性酸化金属膜４６とを含む。起電体４４は、磁性体４２に磁気的に結合し、電気伝導性を有する。起電体４４には配線４８が接続されている。耐熱性酸化金属膜４６は、磁性体４２、起電体４４、および配線４８を覆う。

耐熱性酸化金属膜４６は、熱遮蔽効果を目的としたセラミックコーティングで、最も一般的なものとして、イットリア安定化ジルコニアの溶射膜や電子ビーム蒸着膜があげられる。耐熱性酸化金属膜４６の厚さは、典型的には、１００μm〜１０００μmである。

なお、耐熱性酸化金属膜４６は、１０［Ｗ／ｍＫ］以下の熱伝導率を有することが好ましく、さらに好ましくは１［Ｗ／ｍＫ］以下の熱伝導率を有することが好ましい。また、耐熱性酸化金属膜４６は、１０^４［Ｗ／ｍ^２Ｋ］以下の熱伝達率を有することが好ましい。換言すれば、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍＫ］であれば耐熱性酸化金属膜４６の厚さは１０００μm以上である必要があり、熱伝導率が１［Ｗ／ｍＫ］であれば耐熱性酸化金属膜４６の厚さは１００μm以上である必要がある。

図示の例では、磁性体４２は磁性絶縁体層から成る。磁性絶縁体層４２を形成する材料は特に限定されないが、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、ヘキサフェライト、ペロブスカイト、コランダム、ルチル型などの強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体があげられる。典型的には、磁性絶縁体層４２の膜厚は１０nm〜４０００nmである。

また、図示の例では、起電体４４は金属層から成る。金属層４４はボンディング層５２４とは電気的に絶縁されている。金属層４４を形成する材料は、逆スピンホール効果を生じるだけのスピン軌道相互作用がある金属であれば特に限定されない。例としては、金属層４４として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔｉなどの単体金属、ＮｉＦｅ、ＦｅＰｔ、ＩｒＭｎ、ＡｕＣｕなどの２元系合金、Ｐｔ/Ｃｕ、Ｐｔ/Ａｕ、Ｐｔ/ＦｅＣｕ、Ｐｔ/Ｔｉ、ＣｏＦｅＢ/Ｔｉ、Ｃｏ/Ｃｕなどの金属２層膜、ＩｒＯ_２、ＳｒＲｕＯ_３などの導電性酸化物などがあげられる。また、金属層４４は、磁性金属であってもよい。例えば、磁性金属としては、磁性合金のパーマロイやなどがあげられる。典型的には、金属層４４の膜厚は１０nm〜１０００nmである。

典型的な材料の組み合わせを与える指針は、磁性絶縁体層（磁性体）４２のキュリー温度、金属層（起電体）４４の融点、ボンディング層５２４、磁性絶縁体層（磁性体）４２、金属層（起電体）４４、耐熱性酸化金属膜４６の４層の間での熱膨張係数の差があげられる。

磁性絶縁体層（磁性体）４２のキュリー点が高ければ高いほど、高温環境での用途に適している。例えばマグネタイト(Ｆｅ_３Ｏ_４)のキュリー点は５８５℃であり、ニッケルフェライト(ＮｉＦｅ_３Ｏ_４)のキュリー点は５９０℃であり、コバルトフェライト(ＣｏＦｅ_２Ｏ_４)のキュリー点は５２０℃であり、これらはフェライト類の中で高いキュリー点を持つ。

金属層（起電体）４４の融点が高ければ高いほど、高温環境での用途に適している。例えばプラチナ（Ｐｔ）の融点は３８００℃であり、タングステン(Ｗ)の融点３４００℃であり、この様な単体金属は高温下で安定である。

ボンディング層５２４、磁性絶縁体層（磁性体）４２、金属層（起電体）４４、耐熱性酸化金属膜４６の４層の間での熱膨張係数の差は、１×１０^−８〜１×１０^−４に収まっていることが好ましい。一例として、ボンディング層５２４をＮｉＣｒＡｌＹまたはＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金(熱膨張係数１４×１０^−６ Ｋ^−１)、耐熱性酸化金属膜４６をイットリア安定化ジルコニア(熱膨張係数１０．５×１０^−６ Ｋ^−１)、金属層（起電体）４４をプラチナ(熱膨張係数８．８×１０^−６ Ｋ^−１)、磁性絶縁層（磁性体）４２をマグネタイト(熱膨張係数１．３×１０^−５ Ｋ^−１)とすると、これらの組み合わせは好適な熱膨張係数の組み合わせに入る。

尚、配線４８は金属層から成る。配線４８を形成する材料は特に限定されないが、金属層（起電体）４４の材料と同じ材料であってもよい。たとえば、金属層（起電体）４４がプラチナ（Ｐｔ）で形成されている場合、配線４８もプラチナ（Ｐｔ）で形成されてよい。このように、金属層（起電体）４４と配線４８とを同じ材料で形成すれば、製造工程を簡略化できる等の利点がある。

磁性絶縁体層（磁性体）４２と金属層（磁性体）４２との組み合わせによって、機能層（４２，４４）が構成される。この機能層（４２，４４）は、スピンゼーベック素子を構成する。

高温ガス経路部材（５０，５２，４０）は、その使用時において、耐熱性酸化金属膜４６側の温度と反対側(低温側熱浴)の温度とに温度差を生じる。この温度差はコーティングの各層の熱抵抗によって分配され、磁性絶縁体層（磁性体）４２中にも温度差が生じる。この温度差によって、スピン流が磁性絶縁体層（磁性体）４２に生じる。金属層（起電体）４４は、磁性絶縁体層（磁性体）４２から流れ込んだスピン流による逆スピンホール効果によって電圧を生じる。この電圧は、スピンゼーベック電圧と呼ばれる。また、スピンゼーベック電圧はスピンゼーベック起電力とも呼ばれる。

このスピンゼーベック電圧は磁性絶縁体層（磁性体）４２に生じた温度差に比例しているため、このスピンゼーベック電圧によって高温ガス経路部材（５０，５２，４０）に生じる温度差を計測できる。また、金属層（起電体）４４が磁性金属である場合には、この温度差に比例した異常ネルンスト電圧が生じる。この場合、スピンゼーベック電圧と異常ネルンスト電圧との合算によって温度差を検出できる。なお、スピンゼーベック効果や異常ネルンスト効果を発揮するために、磁性絶縁体層（磁性体）４２は一方向に磁化していることが必要である。

前述したように、本第１の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０は、支持体５０の内壁面（第１の表面）５０ａに設けられている。そのため、図２に示されるように、耐熱性酸化金属膜４６は、磁性体４２が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の上記熱源と接触する、熱源接触界面を有することになる。

［第１の変形例］
次に、図２を参照して、本発明の第１の変形例に係る磁性熱電変換素子４０について説明する。

第１の変形例に係る磁性熱電変換素子４０は、上述した第１の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０と同様の構成を有するが、後述するように、機能層（４２，４４）およびボンディング層５２４の組成（素材）が異なる。以下では、説明を簡略化するために、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。

第１の実施形態との違いは、第１の変形例では、機能層（４２，４４）の磁性体４２が磁性金属層からなることである。この様な磁性金属層４２の例としては、磁性合金のパーマロイなどがあげられる。

この場合、機能層（４２，４４）で生じた電圧が、ボンディング層５２４を通過して支持体５０に逃げない様に、ボンディング層５２４が電気的な絶縁体であるアルミナなどであることが好ましい。あるいはボンディング層５２４の上に薄い電気的な絶縁層を形成しても良い。

［第２の実施形態］
図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０Ａについて説明する。図示の磁性熱電変換素子４０Ａは、支持体５０を介して熱源に接触する場合の素子である。ここで、熱源とは、例えば、図１の例の場合で言えば、燃焼ガスに相当する。

図示の磁性熱電変換素子４０Ａは、支持体５０の第２の表面５０ｂ上に設けられている。ここで、支持体５０とは、例えば、図１の例の場合で言えば、燃焼器ライナ胴１４に相当する。したがって、支持体５０の第２の表面５０ｂは、図１の燃焼器ライナ胴１４の外壁面に対応する。

磁性熱電変換素子４０Ａは、直接、支持体５０の第２の表面５０ｂ上に密着している。

図示の磁性熱電変換素子４０Ａは、図２に示した磁性熱電変換素子４０と同様の構成を有する。第１の実施形態との相違点は配置だけである。

すなわち、第１の実施形態では、耐熱性酸化金属膜４６は、直接、熱源と接触している。これに対して、第２の実施形態では、耐熱性酸化金属膜４６は、支持体５０を介して、熱源と接触している。

また、第２の実施形態では、密着層５２の代わりに、表面保護層５４が設けられている。

したがって、第２の実施形態では、支持体５０と表面保護層５４と磁性熱電変換素子４０Ａとの組み合わせによって、高温ガス経路部材（５０，５４，４０Ａ）が構成されている。

このように、本第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０Ａは、支持体５０の外壁面（第２の表面）５０ｂに設けられている。そのため、図３に示されるように、耐熱性酸化金属膜４６は、磁性体４２が磁性を損失する温度(キュリー温度)以上の上記熱源と支持体５０を介して接触する、熱源接触界面を有することになる。

別言すると、図示の高温ガス経路部材（５０，５４，４０Ａ）は、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（５０，５４，４０Ａ）は、外表面に形成された磁性層（４２）と、磁性層（４２）に重なって、冷却流に接触する金属層（４４）と、金属層（４４）から外表面に沿って配設された計測線（４８）と、を備える。

この高温ガス経路部材（５０，５４，４０Ａ）の温度検出原理は、上記高温ガス経路部材（５０，５２，４０）と同じであるので、その説明を省略する。

［第３の実施形態］
図４および図５を参照して、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システム６０について説明する。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換システム６０が適用されるガスタービン燃焼器１０Ａの概略構成を示す図である。図５は、図４のＡの四角形で囲んだ部分を拡大して示す部分拡大図である。

図示のガスタービン燃焼器１０Ａは、温度計２６が削除され、その代わりに後述する熱電変換システム６０を備えている点を除いて、図１に示したガスタービン燃焼器１０と同様の構成を有し、動作をする。したがって、図１に示した構成要素と同一の機能を有するものには同一の参照符号を付し、説明の簡略化のために、それらについての説明を省略する。尚、図４では、点火装置２４の図示を省略している。

ガスタービン燃焼器１０Ａは、熱源としての燃焼ガスを有し、支持体５０としての燃焼器ライナ胴１４を備えている。燃焼器ライナ胴１４は、内壁面１４ａと外壁面１４ｂとを持つ。燃焼ガス（熱源）は、燃焼器ライナ胴１４の内壁面１４ａで覆われている。一方、圧縮空気は、燃焼器ライナ胴１４の外壁面１４ｂとケーシング１２とで囲まれた環状通路２０中を通過する。

上述したように、燃焼器ライナ胴１４の内壁面１４ａおよび外壁面１４ｂが、それぞれ、支持体５０の第１の表面５０ａおよび第２の表面５０ｂに対応する。

図示の熱電変換システム６０は、燃焼ガス（熱源）を覆う燃焼器ライナ胴（支持体）１４の外壁面１４ｂに設けられている。

図５に示されるように、熱電変換システム６０は、図３に示された第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０Ａと同様の構成の磁性熱電変換素子６２を、各冷却孔２８を塞ぐことなく、かつ各冷却孔２８の周辺にのみ備えている。

磁性熱電変換素子６２は、スピンゼーベック素子６２２と、断熱層６２４とを含む。スピンゼーベック素子６２２は、図３に示される、磁性体４２と起電体４４との組み合わせから成る。断熱層６２４は、図３に示される、耐熱性酸化金属膜４６から成る。

図４に示されるように、磁性熱電変換素子６２は、燃焼器ライナ胴１４の外壁面１４ｂ上に、折り返した帯状に施工されている。

ディフューザ１６は、燃料噴射ノズル２２の外周に、フランジ部１６２を持つ。このディフューザ１６のフランジ部１６２には、接続電極６４が設けられている。スピンゼーベック素子６２２の配線（図３の配線４８）は、この接続電極６４に接続されている。また、接続電極６４には、耐熱電線６６が接続されている。

したがって、接続電極６４と耐熱電線６６との組み合わせは、配線を介して、スピンゼーベック素子６２２の熱電変換によって得られた電気的信号を収集する収集手段（６４，６６）として働く。

このように、磁性熱電変換素子６２は、燃焼器ライナ胴１４全体の表面積と比較して、非常に小さい取り付け面積を持っており、かつ冷却流れを妨げない薄膜構造を備えている。このため、磁性熱電変換素子６２を燃焼器ライナ胴１４の外壁面１４ｂ上に敷設することにより、若干の冷却効率の損失は生じるものの、燃焼器ライナ胴１４の全体に亘って温度をセンシングすることが可能となる。

したがって、ガスタービン燃焼器１０Ａの動作中に、複数の冷却孔２８のいずれかが閉塞すると、その閉塞した冷却孔２８の周辺温度が上昇する。この周辺温度の上昇に起因して、スピンゼーベック素子６２２のスピンゼーベック起電力に変化が生じる。このスピンゼーベック起電力の変化を、配線（一部の帯）を介して上記収集手段（６４，６６）で収集することにより、冷却孔２８のつまりの発生を検知することができる。

このように、磁性熱電変換素子６２の一部の帯のスピンゼーベック起電力の変化を検出することによって、冷却孔２８のつまりの発生を検出することができる。また、磁性熱電変換素子６２の全ての帯のスピンゼーベック起電力の変化を検出することによって、当該ガスタービン燃焼器１０Ａにおける異常燃焼を検出することが可能となる。

さらに、磁性熱電変換素子６２の一部の帯のスピンゼーベック起電力の変化を検出することによって、間接的ではあるが、燃焼器ライナ胴１４の内壁面１４ａに設けられた耐熱コート３０（図１参照）の剥離も検出することが可能となる。何故なら、もし耐熱コート３０が剥離すると、その剥離箇所の温度が上昇し、その剥離箇所の近傍に設けられた磁性熱電変換素子６２のスピンゼーベック素子６２２においてスピンゼーベック起電力に変化が生じるからである。

燃焼器ライナ胴１４の表面温度は燃焼ガスの流れの後部に向けて上昇する。そのため、冷却孔２８が閉塞する位置で、温度変化量が異なると考えられる。したがって、事前に収集手段（６４，６６）で収集して得られた実測データを参照データとして蓄積しておくことによって、参照データと現在（実際）の実測データとを比較すれば、どの位置で冷却孔２８のつまりが生じたかまでも特定することが可能となる。

図６は、本発明の第１の実施例に係る温度分布検出装置７０の概略構成を示す平面図である。

図示の温度分布検出装置７０は、上述した第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０Ａを使用して、部材（支持体）５０の温度分布を検出する装置である。

なお、図６では、機能層（４２，４４）に対応する部分のみを図示し、他の構成要素の図示を省略している。

図６に示される様に、温度分布検出装置７０では、部材（支持体）５０に生じる温度差の分布を計測するために、金属層（起電体）４４は磁性絶縁体層（磁性体）４２上に、グリッド状にパターニングされて成膜される。グリッド状にパターニングされた金属層（起電体）４４は、部材（支持体）５０の端部にて測定用電極（図示せず）に接続されている。

従って、それぞれの測定用電極における電圧を測定することで、温度分布検出装置７０は、スピンゼーベック効果に起因する電圧（スピンゼーベック電圧）を測定できる。グリッドの縦横の両方向にスピンゼーベック電圧を取り出すために、温度分布検出装置７０においては、磁性絶縁体層（磁性体）４２の磁化Ｍの向きは、図６の太線の矢印で示されるように、グリッドの縦横の向きのどちらとも並行ではない様に設計される。この測定を位置ごとに行うことで、温度分布検出装置７０は、部材（支持体）５０の温度差分布を測定することができ、特に周囲よりも温度差が生じている箇所を特定することができる。

もしくは、グリッドの縦配線に接続する素子と横配線に接続する素子を独立に配することも可能である。その場合には、磁性絶縁体層（磁性体）４２の磁化Ｍの向きは、それぞれの配線が伸びる方向に直交するよう配置することが出来る。

図７は、本発明の第２の実施例に係る温度分布検出装置８０の概略構成を示す図であって、（Ａ）は部分断面図、（Ｂ）は概略平面図、（Ｃ）は部分断面図である。

図示の温度分布検出装置８０は、上述した第１の実施形態（第１の変形例）に係る磁性熱電変換素子４０をガスタービン燃焼器１０（図１参照）に適用して、燃焼器ライナ胴１４の温度分布を検出する装置である。

したがって、温度分布検出装置８０は、燃焼器ライナ胴１４の内壁面１４ａ上に設けられた、機能性コーティング（後述する）を備えている。この機能性コーティングは、図２に図示した磁性熱電変換素子４０に対応する素子である。

図７（Ａ）に示されるように、機能性コーティングは、絶縁層８２、電極層８３、磁性層８４、およびトップ層（図示せず）から成る。絶縁層８２は、図２の密着層５２に相当する。電極層８３は、図２の起電体４４に相当する。磁性層８４は、図２の磁性体４２に相当する。図示しないトップ層は、図２の耐熱性酸化金属膜４６に相当する。

燃焼器ライナ胴１４は、耐熱基材から成る。耐熱基材１４は、ライナの形状を保持する基材であり、ガスタービン燃焼器１０の使用温度においても剛性が担保される金属やセラミックスにより構成される。耐熱基材１４は円筒状であり、その壁面に冷却孔２８（図１参照）を多数有する。

耐熱基材１４は燃焼ガスに触れる高温部と冷却空気に触れる低温部に分かれている。図示の例では、高温部に直接、絶縁層８２、電極層８３、磁性層８４、トップ層（図示せず）が、この順序で積層構造により形成される。

なお、磁性層が絶縁体の場合は、高温部に、磁性層８４、電極層８３、トップ層（図示せず）の順序で積層構造により形成される。

絶縁層８２は、耐熱基材１４および電極層８３を絶縁する物質、例えばセラミックスからなる。耐熱基材１４が伝導性を有しない場合は、絶縁層８２を省略可能である。

電極層８３は磁性層８４との接合によりスピンゼーベック素子を形成する。電極層８３は、熱流に比例した信号を出力する信号層８３−１と、信号を伝搬する配線層８３−２とから成る。

図７（Ｂ）に、電極層８３の構成例を示している。図７（Ｂ）では線上の検出構造の多数設置を行っているが、格子状の配置でも良い。

信号層８３−１は、スピン流電流変換機能を有する材料であれば良い。信号層８３−１により熱流に比例した電圧が出力される。また、電流印加による起電力による抵抗を算出し、その抵抗から信号層８３−１の温度を測定できるために、信号層８３−１は抵抗値の温度依存性があることが望ましい。

温度分布検出装置８０は、配線部８６と計測部（図示せず）とを更に備える。

図７（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、配線層８３−２は信号層８３−１により生成されるセンサ出力を、多極コネクタ８５を介して、外部へ取り出す配線部８６への接続手段を提供する。図７（Ｃ）に示されるように、多極コネクタ８５は、冷却孔２８（図１参照）に挿入されて設けられている。

信号層８３−１におけるセンサ出力は、配線部８６を通じて計測部（図示せず）に送られるため、配線層８３−２および配線部８６における外部起電力が、センサ出力起電力に比べて小さいことが必要となる。信号層８３−１での主な外部起電力はスピンゼーベック電圧が挙げられる。このため、配線層８３−２としての最も望ましい構成は、信号層８３−１を構成する材料と同種の物質または同等のゼーベック係数を有する物質である。

また、配線層８３−２におけるスピンゼーベック出力を避けるために、配線層８３−２を構成する物質は、スピン電流変換効率が十分に小さい、または、磁性層８４との接触面にスピン絶縁体を有する複合構造である必要がある。スピン絶縁体には磁性絶縁体ではない物質、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２であり、１ｎｍ以上の厚さが必要となる。

図７（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、配線層８３−２と配線部８６との間の接続の一つの形態は、耐熱基材１４における冷却孔２８における多極コネクタ８５である。この際、上述のスピンゼーベック電圧を排除するためにサーマルアンカが設置されることが望ましい。

図示しないトップ層は、磁性層８４を動作可能なキュリー温度以下になるよう設計された熱遮蔽層である。

配線部８６における配線は、燃焼器ライナ胴１４の外周を通るように設置されるケーブルであるが、直接、耐熱基材１４に形成されていても良い。配線部８６と計測部（図示せず）との接合部のサーマルアンカが取られていることが、外部起電力防止の観点から必要とされる。

図示しない計測部は、直流起電力を測定可能であれば良い。また、熱流に加えて温度を検出するためには、計測部は、電流印加機能および電流印加時の電圧が測定可能である必要がある。この場合、電流は正負の電流を印加可能であることが望ましい。電流値をI、電圧値をＶとして、抵抗値Ｒは
Ｒ＝[Ｖ(+Ｉ)−Ｖ(-Ｉ)]／Ｉ／２
より求まり、同時に熱流に比例するスピンゼーベック起電力Ｖ_ＳＳＥは
Ｖ_ＳＳＥ＝[Ｖ(+Ｉ)＋Ｖ(-Ｉ)]／２
より測定可能である。ことから、計測部は、+Ｉと-Ｉをある周波数で切り替え、交流電圧と直流電圧を測る機能をもたせることで、同時測定が実現可能である。周波数は高いほど良いが、必要なセンサ信号の時間スケールに合わせて低くして良い。

また、抵抗測定を考慮すると、配線層８３−２は抵抗が低いことが望ましく、良い導体か信号層８３−１の抵抗より十分小さくなるよう厚いことが望ましい。また、配線層８３−２で形成される配線を二重化して４線式の抵抗測定を用いるか、隣接する４本の配線を用いて４線式の抵抗測定を行っても良い。

計測部は、測定したい箇所数分だけ電圧測定可能である必要がある。そのため、計測部としては、電圧計を同数だけ用意するか、リレー端子によって切り替えて計測できれば良い。

本第２の実施例に係る温度分布検出装置８０は、上記により任意の点の熱流および温度を計測可能な手段を提供する。多数の点の空間的・時間的値から、円筒内部の分布を熱拡散方程式に従って推定可能である。また、計測目的により、適切な計測箇所および構造の最適化が可能である。

図８は、本発明の第３の実施例に係る温度分布検出装置９０の概略構成を示す図であって、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は断面図である。

図示の温度分布検出装置９０は、上述した第２の実施形態に係る磁性熱電変換素子４０Ａをガスタービン燃焼器１０（図１参照）に適用して、燃焼器ライナ胴１４の温度分布を検出する装置である。

したがって、温度分布検出装置９０は、燃焼器ライナ胴１４の外壁面１４ｂ上に設けられた、第１乃至第４のセンサ９１、９２、９３、および９４を備えている。第１乃至第４のセンサ９１〜９４は、図８（Ａ）に示されるように、燃焼器ライナ胴１４の外壁面１４ｂ上に位置を変えて設置されている。なお、図示の例では、センサの個数が４であるが、本発明はこれに限定されないのは勿論である。すなわち、センサの個数としては任意の数を選択してよい。

図８（Ｂ）に示されるように、第１乃至第４のセンサ９１〜９４の各々は、図３に図示された磁性熱電変換素子４０Ａから成る。

図示の温度分布検出装置９０は、燃焼器ライナ胴１４の円周に沿って平均化された熱流値および温度を測定することで信号強度を高めることで、高速測定に向けた精度上昇が可能である。

ここで、燃焼器ライナ胴１４の円筒の半径をr、円筒の内部の熱伝導率を反映する経験的パラメータをλとして、計測された熱流ｊqおよび温度Ｔ_０とすると、円筒中心部の温度Ｔは、Ｔ＝Ｔ_０＋ｊｑ r／λで与えられる。これを、位置を変えて設置された第１乃至第４のセンサ９１〜９４における第１乃至第４の温度Ｔ_９１、Ｔ_９２、Ｔ_９３、Ｔ_９４を検出することで、空間プロファイルの監視が可能になる。また、温度分布検出装置９０は、時間の関数として、各温度おける遅れを計算することで、燃焼温度が振動する際には流れ速度が推定可能である。さらに、温度分布検出装置９０は、乱流形成や着火不良の検出が可能である。

１０、１０Ａ 燃焼器（ガスタービン燃焼器）
１２ ハウジング（ケーシング；外胴）
１４ 燃焼筒（燃焼器ライナ胴）
１４ａ 内壁面
１４ｂ 外壁面
１６ ディフューザ
１６２ フランジ部
１８ 燃焼室
２０ 環状通路
２２ 燃料噴射ノズル
２４ 点火装置
２６ 温度計
２８ 冷却孔
３０ 耐熱コート（熱遮熱コーティング）
４０、４０Ａ 磁性熱電変換素子
４２ 磁性体（磁性絶縁体層；磁性金属層）
４４ 起電体（金属層）
４６ 耐熱性酸化金属膜
５０ 支持体
５０ａ 第１の表面
５０ｂ 第２の表面
５２ 密着層
５２２ 拡散層
５２４ ボンディング層
５４ 表面保護層
６０ 熱電変換システム
６２ 磁性熱電変換素子
６２２ スピンゼーベック素子
６２４ 断熱層
６４ 接続電極
６６ 耐熱電線
７０ 温度分布検出装置
８０ 温度分布検出装置
８２ 絶縁層
８３ 電極層
８３−１ 信号層
８３−２ 配線層
８４ 磁性層
８５ 多極コネクタ
８６ 配線部
９０ 温度分布検出装置
９１〜９４ センサ

Claims (12)

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。
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。
3. 前記耐熱性酸化金属膜は、１０^４［Ｗ／ｍ^２Ｋ］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。
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。
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。
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。
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。
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。
9. 前記耐熱性酸化金属膜は、１０^４Ｗ／ｍ^２Ｋ］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。
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。
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。
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。

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