JP5540338B2 - 熱電変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、フェーズドアレイ空中線等に実装された送受信モジュールの発する熱を電力に変換する熱電発電モジュールを備える熱電変換装置に関するものである。
従来より、熱電発電素子で構成される熱電発電モジュールを用いて排熱を回収することにより、電力変換する熱電変換装置が知られている。
例えば、下記特許文献１に係る電力変換装置としてのインバータ装置では、熱電発電モジュールのインバータへの取り付けにおいて、組立性を向上させると共にコストを低減させている。
また、フェーズドアレイ空中線における送受信モジュールの冷却方式としては、例えば、下記特許文献２、３に開示されたものが知られている。特許文献２に係る空冷方式においては、アレイ面におけるモジュールの発熱による温度分布がアレイ面中心に対し水平，垂直方向何れも対称性を有するようにしてモジュールの発熱による影響を抑圧する方式が採用されている。また、特許文献３に係る空冷方式においては、流量計などの特別な装置を別個に用意することなく、複数の、気冷を要する気冷本体を含む気冷装置中の上記各個所を常に最適の空気流量で冷却されるように、常に監視可能な気冷装置を提供することにより、送受信モジュールに使用されている高出力半導体素子を効率的に動作させる方式が紹介されている。
しかしながら、従来の液冷方式による冷却は、送受信モジュールの排熱を放熱させるのみであり、その排熱を有効利用して発電させる機構はないことから、送受信モジュールに使用されている半導体素子効率により、送受信モジュールのシステム効率が決まり、結果的に熱損失が大きいため、消費電力量が多く、供給電力量により得られる出力も制限を受ける。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フェーズドアレイ空中線等における送受信モジュールの発生した排熱を、熱電発電モジュールで電力に変換して有効利用可能とした熱電変換装置を提供することにある。
さらに、もう一つの目的は、熱電発電モジュールで発生した電力を送受信モジュールに供給して送受信モジュールの効率を向上させると共に消費電力量を抑制可能な熱電変換装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の熱電変換装置は、送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールは前記送受信モジュールが実装された基板の温度検知手段を有し、設定された排熱回収温度範囲において熱を電力に変換することを特徴とする。
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールは前記送受信モジュールが実装された基板の温度検知手段を有し、設定された排熱回収温度範囲において熱を電力に変換することを特徴とする。
前記第１の態様において、前記冷却パネルの冷却パイプ内にメッシュ蓄熱材を挿入するとよい。
本発明の第２の態様の熱電変換装置は、送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記冷却パネルの冷却パイプ内にメッシュ蓄熱材を挿入したことを特徴とする。
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記冷却パネルの冷却パイプ内にメッシュ蓄熱材を挿入したことを特徴とする。
前記第１又は第２の態様において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を前記送受信モジュールに供給するとよい。
前記第１又は第２の態様において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を直流−直流変換する変換器を介して前記送受信モジュールに供給するとよい。
前記第１又は第２の態様において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を前記送受信モジュールに供給する際に、負荷変動制御装置により前記送受信モジュール側の負荷変動に対応させて供給電力量を制御するとよい。
本発明の第３の態様の熱電変換装置は、送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールが発生した電力を直流−直流変換する変換器を介して前記送受信モジュールに供給し、負荷変動制御装置により前記送受信モジュール側の負荷変動に対応させて供給電力量を制御することを特徴とする。
前記第１乃至第３の態様において、前記送受信モジュールがフェーズドアレイ空中線に実装されているとよい。
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールが発生した電力を直流−直流変換する変換器を介して前記送受信モジュールに供給し、負荷変動制御装置により前記送受信モジュール側の負荷変動に対応させて供給電力量を制御することを特徴とする。
前記第１乃至第３の態様において、前記送受信モジュールがフェーズドアレイ空中線に実装されているとよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明に係る熱電変換装置よれば、フェーズドアレイ空中線等における送受信モジュールの発生した排熱を、熱電発電モジュールで電力に変換して有効利用可能である。また、熱電発電モジュールの発生電力を送受信モジュールに供給する場合、送受信モジュールの効率を向上させると共に消費電力量を抑制可能である。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図１乃至図４は本発明の実施の形態であってフェーズドアレイ空中線循環冷却構造に適用した場合を示す。
図１及び図２において、フェーズドアレイ空中線１は、アレイ面２に配列する図示しない多数のアンテナ素子を有し、アンテナ素子を励振する位相制御用の信号を送出する送受信モジュール３が各アンテナ素子に対応して配列されている。フェーズドアレイ空中線１は、さらに送受信モジュール３の背後に配置された冷却パネル１１と、冷却パネル１１内を蛇行する冷却パイプ１２にフロン冷媒を循環させて冷却する循環式冷却装置１０とを具備している。各送受信モジュール３は送信電力を発生するための高出力半導体素子（ＧａＮ素子）４を有している。また、冷却パネル１１及び冷却パイプ１２は熱伝導の良好な金属製である。
図２及び図３に示すように、送受信モジュール３は、絶縁基板５のアレイ面２側に高出力半導体素子４を実装しており、熱電変換装置２０の主要構成要素である熱電発電モジュール２１は、高出力半導体素子４が実装された絶縁基板５（送受信モジュール３の排熱面となる）と、冷却パネル１１間に挟み込まれて配設されている。熱電発電モジュール２１は多数のペルチェ素子等の熱電発電素子２２を内蔵したものであり、ゼーベック効果等を利用して発電するものである。なお、図２では説明の都合上、絶縁基板５と熱電発電モジュール２１との間、及び熱電発電モジュール２１と冷却パネル１１との間には隙間があるが、実際は熱電発電モジュール２１の高温側は絶縁基板５に密着し（熱的に接触し）、低温側は冷却パネル１１に密着（熱的に接触）している。また、図３において、１個の熱電発電モジュール２１に１個の冷却パネル１１が対応するごとく図示されているが、実際には冷却パネル１１は充分広い面積を持ち、その上に多数の熱電発電モジュール２１が配置され、それらを共通に冷却する。熱電発電モジュール２１は、アレイ面２の冷却を阻害することなく排熱回収を行うと同時に温度差発電（高温側と低温側との温度差による発電）を実施し、使用されている高出力半導体素子４への電力供給源となる。
図３に示すように、送受信モジュール３の絶縁基板５の発する熱を効率的に回収するために、冷却パネル１１の熱容量を均一に保持し、温度差が維持できるように、パネル１１内の冷却パイプ１２内にメッシュ蓄熱材１３が挿入されている。これにより蓄熱効果を向上させることができる。また、絶縁基板５内に銅コンスタンタン薄膜素子等の熱電対２５が均一に実装されている。この熱電対２５は基板５の温度検知手段であり、各送受信モジュール３の基板５の温度をモニターしている。そして送受信モジュール３の発生温度に適応した範囲において熱を電力に変換する。つまり、モニターした基板温度が予め設定された排熱回収温度範囲内である場合に基板５の熱を電力に変換する動作を行う。例えば、送受信モジュール３への電源投入直後のように基板５の温度が低い場合には排熱回収を行わない動作をする。
図４に示すように、熱電変換装置２０は主要構成要素である熱電発電モジュール２１の他に、熱電発電モジュール２１が発生した電力を直流−直流変換（昇圧）できるＤＣ−ＤＣ変換器２６と、２次電池２７と、負荷変動制御装置２８とを具備している。ＤＣ−ＤＣ変換器２６は熱電発電モジュール２１の発生電圧を送受信モジュール３への電力供給に適した所定電圧に昇圧するものであり、送受信モジュール３に直接出力する経路と２次電池２７に出力する経路とを有する。２次電池２７はＤＣ−ＤＣ変換器２６で昇圧された所定電圧の電力で充電されるようになっている。
送受信モジュール３への電力供給はＤＣ−ＤＣ変換器２６から直接的に、あるいは２次電池２７を介し間接的に負荷変動制御装置２８を通して行われる。負荷変動制御装置２８にはフェーズドアレイ空中線１の負荷変動に関する情報も入力されており、負荷変動に応じて送受信モジュール３への電力供給量を制御する。ここでフェーズドアレイ空中線１の負荷変動とは、送受信モジュール３の送信電力変動や、使用する送受信モジュール３の個数の変動（状況に応じて送受信に使用する送受信モジュール３の個数を変化させる場合）である。
以上の実施の形態の全体的な動作を説明する。送受信モジュール３に本来の電源装置から電力が供給されると、送受信モジュール３が内蔵する高出力半導体素子４が発熱し、これが実装された絶縁基板５の温度が上昇する。絶縁基板５の熱は、これと冷却パネル１１間に挟み込まれた熱電発電モジュール２１を通して、冷却パネル１１側に放熱され、冷却パネル１１の熱は冷却パイプ１２内を循環するフロン冷媒で冷やされる。熱電対２５でモニターした基板５の温度が予め設定された排熱回収温度範囲にまで上昇すると、熱電発電モジュール２１は基板５と冷却パネル１１間の温度差による発電を行い、その電力はＤＣ−ＤＣ変換器２６で昇圧されて送受信モジュール３への電力供給に適した電圧とされ、ＤＣ−ＤＣ変換器２６から直接的に、あるいは２次電池２７を介し間接的に、負荷変動制御装置２８を通して送受信モジュール３に電力供給されることになる。
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
(1) 熱電発電モジュール２１により、アレイ面２の冷却を阻害することなく送受信モジュール３の排熱回収を行うと同時に温度差発電を実施することができ、使用されている高出力半導体素子４へ電力を供給することによって、供給電力を増加させ、生成する電波の送信出力効率を向上させると共に消費電力量を抑制することができる。
(2) 熱電発電モジュール２１は送受信モジュール３が実装された基板５の温度検知手段としての熱電対２１を有し、送受信モジュール３の発生温度に適応した範囲（設定された排熱回収温度範囲）において熱を電力に変換することで、効率良く排熱を電力に変換することができ、この電力を送受信モジュール３に供給することで発電効率を向上させることができる。
(3) 熱電発電モジュール２１が発生した電力を直流−直流変換（昇圧）できるＤＣ−ＤＣ変換器２６を具備し、送受信モジュール３へ直接的あるいは間接的に（２次電池２７利用により）効率的な電力供給を行うことにより、フェーズドアレイ空中線から効率的に送信電力を発生させることができる。
(4) 熱電発電モジュール２１が発生した電力を送受信モジュール３に供給する際に、フェーズドアレイ空中線で生成する電波の送信出力の負荷変動を負荷変動制御装置２８によりモニターしつつ、供給するする電力供給量を適切に把握して制御することによって、電波の送信出力効率を維持させるとともに給電効率の変動を低減させ得る。
(5) 送受信モジュール３が実装された絶縁基板５の発する熱を効率的に回収するために、冷却パネル１１の熱容量を均一に保持し、温度差が維持できるように、パネル１１内の冷却パイプ１２内にメッシュ蓄熱材１３を挿入したので、蓄熱効果を向上させることができる。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
すなわち、前記実施の形態においては、高出力半導体素子としてＧａＮ素子で構成されたフェーズドアレイ空中線の送受信モジュールを想定しているが、これに限られるものではない。例えば、高出力半導体素子を用いた強力な電磁波を放出する装置への応用であってもよい。
また、前記実施の形態においては、放熱手段として液冷循環の冷却パネルを採用しているが、これに限られず、任意の放熱手段を採用することができる。また、水冷に限られず、空冷式の放熱手段を採用することもできる。
また、前記実施の形態では、循環冷却装置の冷媒としてフロン冷媒が用いられているが、二酸化炭素等、任意の流体を冷媒として採用することができる。
１ フェーズドアレイ空中線
２ アレイ面
３ 送受信モジュール
４ 高出力半導体素子
５ 絶縁基板
１０ 循環式冷却装置
１１ 冷却パネル
１２ 冷却パイプ
１３ メッシュ蓄熱材
２０ 熱電変換装置
２１ 熱電発電モジュール
２２ 熱電発電素子
２５ 熱電対
２６ ＤＣ−ＤＣ変換器
２７ ２次電池
２８ 負荷変動制御装置
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Claims (8)
- 送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールは前記送受信モジュールが実装された基板の温度検知手段を有し、設定された排熱回収温度範囲において熱を電力に変換することを特徴とする熱電変換装置。 - 請求項１に記載の熱電変換装置において、前記冷却パネルの冷却パイプ内にメッシュ蓄熱材を挿入したことを特徴とする熱電変換装置。
- 送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記冷却パネルの冷却パイプ内にメッシュ蓄熱材を挿入したことを特徴とする熱電変換装置。 - 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を前記送受信モジュールに供給することを特徴とする熱電変換装置。
- 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を直流−直流変換する変換器を介して前記送受信モジュールに供給することを特徴とする熱電変換装置。
- 請求項５に記載の熱電変換装置において、前記熱電発電モジュールが発生した電力を前記送受信モジュールに供給する際に、負荷変動制御装置により前記送受信モジュール側の負荷変動に対応させて供給電力量を制御することを特徴とする熱電変換装置。
- 送受信モジュールと、それを冷却する冷却パネルと、熱を電力に変換する熱電発電素子を内蔵した熱電発電モジュールとを備え、
前記熱電発電モジュールに温度差を付けるように、前記熱電発電モジュールが前記送受信モジュールと前記冷却パネルとの間に挟み込まれた、挟み込み構造を有するとともに、前記熱電発電モジュールが発生した電力を直流−直流変換する変換器を介して前記送受信モジュールに供給し、負荷変動制御装置により前記送受信モジュール側の負荷変動に対応させて供給電力量を制御することを特徴とする熱電変換装置。 - 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、前記送受信モジュールがフェーズドアレイ空中線に実装されていることを特徴とする熱電変換装置。
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