WO2019116845A1 - 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
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Definitions
- the present invention relates to a protective film on the surface of a member, and more particularly to a magnetic thermoelectric conversion element capable of protecting the surface of a member exposed to a high temperature environment and detecting surface temperature and heat flow distribution and a thermoelectric conversion system including the same.
- Patent Document 1 discloses a gas turbine combustor.
- an annular housing is formed by the outer casing and the inner casing, and an annular combustion cylinder is formed by the outer liner and the inner liner inside thereof.
- An annular internal space is formed inside the combustion cylinder, and this internal space functions as a combustion chamber.
- a plurality of fuel injection devices for injecting fuel into the combustion chamber are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
- Each fuel injection device includes a fuel injection valve (fuel injection nozzle) that injects fuel and a radial flow type main swirler.
- a spark plug ignition device is disposed in the combustor.
- Patent Document 2 discloses a turbofan engine which is an example of a gas turbine engine.
- the turbofan engine includes a fan cowl, a core cowl, a fan, a low pressure compressor, a high pressure compressor, a combustor, a high pressure turbine, a low pressure turbine, a shaft, and a main nozzle.
- the combustor is disposed downstream of the high pressure compressor, and generates combustion gas by burning a mixture of compressed air fed from the high pressure compressor and fuel supplied from the injector (fuel injection nozzle) Do.
- the high pressure turbine is disposed downstream of the combustor, recovers rotational power from the combustion gas discharged from the combustor, and drives the high pressure compressor.
- the high pressure turbine includes a plurality of turbine blades fixed to the shaft, a plurality of turbine vanes fixed to the core channel, and a shroud.
- the shroud is provided opposite to the tip of the turbine blade and forms a part of a flow path of the combustion gas discharged from the combustor.
- the shroud includes a groove provided on a surface (combustion gas flow channel surface) facing the turbine moving blade, and a plurality of film cooling holes opened at the bottom of the groove.
- the temperature inside the combustor is usually 1000 ° C. or more.
- an alloy such as a Ni-based superalloy which maintains a heat-resistant temperature of about 1100 ° C. is used.
- the temperature of high temperature steam is 600 ° C. to 800 ° C.
- ferritic heat resistant steel is used for economic reasons.
- austenitic heat-resistant steels which are heat-resistant alloys exceeding ferritic, are used.
- Power devices such as internal combustion engines and external combustion engines are aiming to increase their efficiency, and their operating temperatures are increasing.
- This operating temperature has already exceeded the melting point of the base material of the heat-resistant alloy member such as a turbine blade or turbine vane, and various cooling techniques are adopted.
- the temperature difference exceeding the heat resistant temperature of the substrate effectively cools the substrate by film cooling with air (see, for example, Patent Document 2 above) or a heat shielding coating described later.
- the thermal barrier coating (TBC) film achieves a heat shielding effect of about 150 ° C.
- the thermal barrier coating is also called a thermal barrier coating.
- the TBC film has a two-layer structure consisting of a top coat with low thermal conductivity and a bond coat that prevents oxidation of the substrate. Ceramics are generally employed for the top coat, and there are yttria (Y 2 O 3 ), stabilized zirconium oxide (YSZ), and the like.
- the bond coat is made of, for example, a Pt-Al alloy produced by aluminum diffusion coating on a substrate.
- Patent Document 3 discloses a thermal barrier coating material which is superior to YSZ in high-temperature crystal stability, and has high toughness and high heat shielding effect.
- thermal barrier coatings can crack and delaminate due to continuous thermal stress loading and interface modification. Peeling of such thermal barrier coatings can cause localized heating of the equipment and can lead to serious accidents. If the operation of the equipment is stopped due to such a serious accident, there will be a large loss of opportunity costs. Therefore, in order to prevent such an accident, temperature monitoring of members of the device is performed.
- Patent Document 4 discloses a "boiler monitoring device” that monitors the exhaust gas generated from a boiler combustion furnace.
- the boiler is equipped with a monitoring probe (monitoring device) in contact with the exhaust gas in order to monitor deposition of deposits.
- the probe has an outer pipe in contact with the exhaust gas, an inner pipe concentrically provided inside the outer pipe, and a water supply pipe provided further inside the inner pipe.
- eight thermoelectric conversion elements are arranged at equal intervals all around. The thermoelectric conversion element detects a temperature difference between the high temperature side heat sensitive part and the low temperature side heat sensitive part.
- the high temperature side heat sensitive part is in contact with the inner wall surface of the outer tube, and the low temperature side heat sensitive part is in contact with the outer wall surface of the inner pipe.
- the thermoelectric conversion device of such a configuration is called a so-called “Seebeck element” or the like.
- Patent Document 5 discloses a gas turbine monitoring device that monitors abnormal heat generation of a gas turbine combustor.
- the gas turbine combustor is configured such that an outer cylinder in a gas turbine casing and a combustor liner barrel for forming a combustion chamber are inserted.
- the combustor liner cylinder is made of metal or ceramic.
- a fuel nozzle fuel injection nozzle
- fuel is ejected from the fuel nozzle (fuel injection nozzle) into the combustion chamber for combustion.
- an annular passage is formed to allow the combustion air discharged from the gas turbine compressor to flow toward the combustion chamber in the combustor liner cylinder.
- the gas turbine monitoring device disclosed in Patent Document 5 detects the surface temperature distribution of the combustor liner cylinder by receiving infrared radiation emitted from the outer surface of the combustor liner cylinder of the gas turbine combustor during combustion.
- An external radiation temperature detector is provided.
- An infrared radiation temperature detector is mounted to the flange portion of the outer portion of the gas turbine casing in an arrangement corresponding to the high temperature area of the combustor liner barrel of the gas turbine combustor.
- Patent Document 5 describes that a combustor liner cylinder adopts film cooling or the like which introduces air through a plurality of holes (cooling holes).
- U.S. Pat. No. 5,958,015 discloses a method of detecting defects in the combustion ducts of a combustion system of a turbine engine during operation of the combustion turbine engine.
- Combustors that can be used in gas turbine engines include fuel nozzles or fuel injectors.
- the combustion injectors collect a mixture of fuel and air for combustion. Downstream of the combustion injection device is a combustion chamber where the combustion takes place.
- the combustion chamber is generally defined by a liner sealed within the flow sleeve.
- An annulus is formed between the flow sleeve and the liner.
- the transition piece transitions from the circular cross section of the liner to the annular cross section as it moves from the liner to the downstream turbine section.
- the inner wall surface of the transition piece can be coated with an insulating coating.
- the insulating coating can include a thermal barrier coating. Thermal barrier coatings of zirconia oxide can be used in certain preferred environments.
- the first electrode can be electrically connected to the transition piece.
- the transition piece is metal and has high conductivity.
- the second electrode can be positioned to be electrically exposed to the hot gas path (and not connected to the transition piece). A second electrode is penetrated through the transition piece but is electrically isolated from the transition piece by an electrically insulating material or structure and further has a conductive tip exposed to the hot gas flow path. The second electrode can be at least partially exposed to the hot gas flow and positioned proximate to the first electrode.
- Patent Document 7 describes that a single crystal ZnO film is formed on a base of a heat shielding coating of a combustion gas turbine to function as a heat flow sensor. This is to detect the heat flow in the direction perpendicular to the surface of the gas turbine by forming the film by tilting the c-axis of the single crystal ZnO film from the surface of the gas turbine so as to obtain the anisotropic thermoelectric conversion performance of ZnO. .
- thermometer when attempting to monitor the temperature of members used in a high temperature environment, it is necessary to install a thermometer inside.
- thermometer 4 in the local temperature measurement as described in Patent Document 4, the accurate temperature distribution of the member is not known, and sufficient monitoring performance can not be exhibited. In other words, such measurements can only measure local temperatures, making it difficult to detect equipment abnormalities. In addition, if it is going to detect the temperature of multiple places, the number of thermometers will increase and will cause the remarkable increase of cost. Furthermore, placing the thermometer in a high temperature environment creates another limitation of the lifetime of the thermometer besides the lifetime of the thermal barrier coating. If the thermometer breaks down before the heat shield coating, the equipment will be shut down frequently, which will increase the opportunity loss.
- an infrared radiation temperature detector receives infrared radiation emitted from a specific area (high temperature area) of a combustor liner cylinder and detects a surface temperature distribution of the specific area. It is only. Therefore, Patent Document 5 can not detect the entire surface temperature distribution in the combustor liner cylinder.
- An object of the present invention is to provide a magnetic thermoelectric conversion element capable of protecting the surface of a member exposed to a high temperature environment and detecting the surface temperature and heat flow distribution, and a thermoelectric conversion system including the same.
- a magnetic thermoelectric conversion element is a magnetic thermoelectric conversion element provided on a surface of a support in contact with a heat source, the electromotive body having a magnetic substance; and an electrical conductivity magnetically coupled to the magnetic substance. And a heat resistant metal oxide film covering the magnetic body and the electromotive body.
- thermoelectric conversion system is a thermoelectric conversion system provided on a surface of a support in contact with a heat source, wherein at least one magnetic thermoelectric conversion element is disposed at a predetermined position of the support. Thermoelectric conversion through the magnetic thermoelectric conversion element having the magnetic body, and the electric generator having electric conductivity magnetically coupled to the magnetic body; and a wire electrically connected to the electric generator. And a means for collecting an electrical signal obtained by the above method, and the magnetic thermoelectric conversion element and the wiring are covered with a heat resistant metal oxide film.
- the surface of a member exposed to a high temperature environment can be protected, and the temperature and heat flow distribution of the surface can be detected.
- FIG. 1 is a partial schematic cross-sectional view showing a magnetic thermoelectric conversion element according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a partial schematic cross-sectional view showing a magnetic thermoelectric conversion element according to a second embodiment of the present invention. It is a figure showing a schematic structure of a gas turbine burner to which a thermoelectric conversion system concerning a 3rd embodiment of the present invention is applied. It is the elements on larger scale which expand and show the part enclosed by the square of A of FIG. It is a top view which shows schematic structure of the temperature distribution detection apparatus based on the 1st Example of this invention.
- FIG. 1 is a schematic view showing an example of a combustor 10 according to a related art to which the present invention is applied.
- the illustrated combustor 10 is a gas turbine combustor.
- the gas turbine combustor 10 includes an annular housing (outer cylinder) 12 and an annular combustion cylinder (combustor liner cylinder) 14 formed inside the annular housing (outer cylinder) 12.
- the housing 12 is also referred to as a casing.
- compressed air combustion air supplied from a compressor (not shown) is introduced into an annular inner space of the housing (outer shell) 12 via an annular diffuser 16.
- annular passage 20 is formed between the outer shell 12 and the combustor liner cylinder 14 for circulating the combustion air discharged from the compressor toward the combustion chamber 18 in the combustor liner cylinder 14. ing.
- a combustion injection nozzle 22 is assembled at the head of the combustor liner cylinder 14, and fuel is injected from the combustion injection nozzle 22 into the combustion chamber 18 for combustion.
- An igniter 24 is disposed at a predetermined position of the combustor 10 (in the illustrated example, at a position close to the fuel injection nozzle 22).
- a thermometer 26 for measuring the temperature in the combustion chamber 18 is also provided at another predetermined place of the combustor 10. As the thermometer 26, one using a thermocouple is used.
- the combustor liner cylinder 14 is formed with a plurality of cooling holes 28 passing between the annular passage 20 and the combustion chamber 18.
- the illustrated combustor liner cylinder 14 employs film cooling which introduces air through the plurality of cooling holes 28.
- the combustor 10 illustrated in the figure expands the volume rapidly by burning the fuel such as kerosene and jet fuel while continuously injecting and mixing it with the compressed air from the combustion injection nozzle 22, and the obtained flow velocity It is a component for driving a fast combustion gas for driving an impeller (not shown) and a jet mechanism (not shown).
- a member having a heat resistant coat 30 applied to the inner wall surface thereof is used.
- a TBC film or a thermal barrier coating as disclosed in Patent Document 3 is used as the heat-resistant coating 30, a TBC film or a thermal barrier coating as disclosed in Patent Document 3 is used.
- the combustor 10 having such a configuration is mainly used for continuous operation such as a gas turbine and a jet engine. For this reason, if it is possible to detect local abnormal combustion due to clogging of the cooling holes 28 or to determine deterioration of the heat-resistant coat 30 during operation, further security can be expected to be secured.
- the combustion state is mainly determined by temperature measurement by a thermometer 26 using a thermocouple or the like. Such measurement can not detect local abnormalities.
- thermometer 26 It is also conceivable to use the infrared radiation temperature detector disclosed in the above-mentioned Patent Document 5 as the thermometer 26. However, this method can not detect the overall surface temperature distribution at the combustor liner cylinder 14 as described above.
- the present invention provides a high temperature gas path member suitable for an environment in which high temperature gas (combustion gas) flows in a gas turbine combustor 10 (see FIG. 1) and the like.
- the high temperature gas path member has a spin Seebeck structure formed of a two-layer film of a magnetic layer and a metal layer on the outer surface.
- the spin Seebeck structure produces a voltage proportional to the temperature difference between the inner surface in contact with the hot gas and the outer surface in contact with the cooling flow. By reading this voltage with a measurement line disposed along the outer surface, it is possible to measure the temperature distribution on the outer surface of the member without obstructing the flow of the high temperature gas or the cooling flow.
- the spin Seebeck structure is preferably formed to cover the surface of the high temperature gas path member as much as possible. Specifically, it is preferable that a plurality of metal layers be provided on the magnetic layer so that the temperature distribution of the entire surface of the gas path member can be detected substantially. In particular, since the spin Seebeck voltage is proportional to the temperature difference, a large heat load is applied to a portion with a large output, and measures can be taken to reduce this load, and the life of the high temperature gas path member is extended. it can.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- the illustrated magnetic thermoelectric conversion element 40 is an element when it is disposed in direct contact with the heat source side.
- the heat source corresponds to, for example, combustion gas in the case of the example of FIG.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 is provided on the first surface 50 a of the support 50.
- the support 50 corresponds to, for example, the combustor liner cylinder 14 in the case of the example of FIG. 1.
- the first surface 50a of the support 50 corresponds to the inner wall surface of the combustor liner cylinder 14 of FIG.
- the support 50 is made of a general metal base and can be appropriately selected according to the application of the member.
- the metal substrate high chromium ferritic steel, austenitic steel, Ni-based superalloy and the like can be mentioned.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 is in close contact with the first surface 50 a of the support 50 via the adhesion layer 52.
- the adhesion layer 52 includes a diffusion layer 522 and a bonding layer 524.
- the bonding layer 524 is formed together with the diffusion layer 522 by metal coating on the support 50 for the purpose of oxidation resistance.
- the thickness of the bonding layer 524 is typically 75 ⁇ m to 150 ⁇ m.
- the bonding layer 524 may, for example, be an aluminum diffusion coating.
- the high temperature gas path member (50, 52, 40) is configured by the combination of the support 50, the adhesive layer 52 and the magnetic thermoelectric conversion element 40.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 includes a magnetic body 42, an electromotive body 44, and a heat resistant metal oxide film 46.
- the electromotive body 44 is magnetically coupled to the magnetic body 42 and has electrical conductivity.
- the wiring 48 is connected to the electromotive body 44.
- the heat resistant metal oxide film 46 covers the magnetic body 42, the electromotive body 44, and the wiring 48.
- the heat resistant metal oxide film 46 is a ceramic coating for the purpose of a heat shielding effect, and the most common one is a thermal spray film of yttria stabilized zirconia or an electron beam vapor deposition film.
- the thickness of the heat resistant metal oxide film 46 is typically 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
- the heat resistant metal oxide film 46 preferably has a thermal conductivity of 10 [W / mK] or less, more preferably 1 [W / mK] or less.
- the heat-resistant metal oxide film 46 preferably has a heat transfer coefficient of 10 4 [W / m 2 K] or less. In other words, if the thermal conductivity is 10 [W / mK], the thickness of the heat resistant metal oxide film 46 needs to be 1000 ⁇ m or more, and if the thermal conductivity is 1 [W / mK], the heat resistance The thickness of the metal oxide film 46 needs to be 100 ⁇ m or more.
- the magnetic body 42 comprises a magnetic insulator layer.
- the material for forming the magnetic insulator layer 42 is not particularly limited, and examples thereof include garnet ferrite, spinel ferrite, hexaferrite, perovskite, corundum, rutile type ferromagnetic materials, antiferromagnets, and ferrimagnetic materials.
- the thickness of the magnetic insulator layer 42 is 10 nm to 4000 nm.
- the electromotive body 44 is made of a metal layer.
- the metal layer 44 is electrically isolated from the bonding layer 524.
- the material for forming the metal layer 44 is not particularly limited as long as it has a spin-orbit interaction that causes the reverse spin-hole effect.
- the metal layer 44 a single metal such as Pt, Au, Ir, Pd, Ni, W, Ta, Mo, Nb, Cr, Ti, etc., a binary alloy such as NiFe, FePt, IrMn, AuCu, etc., Pt Examples thereof include metal bilayer films such as / Cu, Pt / Au, Pt / FeCu, Pt / Ti, CoFeB / Ti, Co / Cu, and conductive oxides such as IrO 2 and SrRuO 3 .
- the metal layer 44 may be a magnetic metal.
- magnetic metals include permalloy of magnetic alloys and the like.
- the film thickness of the metal layer 44 is 10 nm to 1000 nm.
- the guidelines for giving a typical combination of materials are the Curie temperature of the magnetic insulator layer (magnetic material) 42, the melting point of the metal layer (electric generator) 44, the bonding layer 524, the magnetic insulator layer (magnetic material) 42, metal
- the difference in the thermal expansion coefficient between the layer (electromotive member) 44 and the four layers of the heat resistant metal oxide film 46 can be mentioned.
- the Curie point of magnetite (Fe 3 O 4 ) is 585 ° C.
- the Curie point of nickel ferrite (NiFe 3 O 4 ) is 590 ° C.
- the Curie point of cobalt ferrite (CoFe 2 O 4 ) is 520 ° C.
- the melting point of platinum (Pt) is 3800 ° C.
- the melting point of tungsten (W) is 3400 ° C., and such simple metals are stable at high temperatures.
- the difference in thermal expansion coefficient among the four layers of the bonding layer 524, the magnetic insulator layer (magnetic material) 42, the metal layer (electric generator) 44, and the heat resistant metal oxide film 46 is 1 ⁇ 10 ⁇ 8 to 1 It is preferable to be within ⁇ 10 -4 .
- the bonding layer 524 may be NiCrAlY or NiCoCrAlY alloy (thermal expansion coefficient 14 ⁇ 10 ⁇ 6 K ⁇ 1 ), and the heat resistant metal oxide film 46 may be yttria stabilized zirconia (thermal expansion coefficient 10.5 ⁇ 10 ⁇ 6 K ⁇ 1).
- the wiring 48 is made of a metal layer.
- the material for forming the wiring 48 is not particularly limited, but may be the same material as the material of the metal layer (electromotive member) 44.
- the wiring 48 may also be formed of platinum (Pt).
- the metal layer (electromotive member) 44 and the wiring 48 are formed of the same material, there is an advantage that the manufacturing process can be simplified.
- the combination of the magnetic insulator layer (magnetic material) 42 and the metal layer (magnetic material) 44 constitutes a functional layer (42, 44).
- the functional layers (42, 44) constitute a spin Seebeck element.
- the high temperature gas path member (50, 52, 40) causes a temperature difference between the temperature on the heat resistant metal oxide film 46 side and the temperature on the opposite side (low temperature side heat bath) when it is used. This temperature difference is distributed by the thermal resistance of each layer of the coating, and a temperature difference also occurs in the magnetic insulator layer (magnetic material) 42. A spin current is generated in the magnetic insulator layer (magnetic material) 42 by this temperature difference.
- the metal layer (electromotive member) 44 generates a voltage by the reverse spin Hall effect by the spin current flowing from the magnetic insulator layer (magnetic material) 42. This voltage is called spin Seebeck voltage.
- the spin Seebeck voltage is also called spin Seebeck electromotive force.
- the spin Seebeck voltage is proportional to the temperature difference generated in the magnetic insulator layer (magnetic material) 42
- the temperature difference generated in the high temperature gas path member (50, 52, 40) can be measured by the spin Seebeck voltage.
- the metal layer (electromotive member) 44 is a magnetic metal
- an abnormal Nernst voltage proportional to the temperature difference occurs.
- the temperature difference can be detected by summing the spin Seebeck voltage and the abnormal Nernst voltage.
- the magnetic insulator layer (magnetic material) 42 needs to be magnetized in one direction.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 according to the first embodiment is provided on the inner wall surface (first surface) 50 a of the support 50. Therefore, as shown in FIG. 2, the heat-resistant metal oxide film 46 has a heat source contact interface in contact with the heat source above the temperature (Curie temperature) at which the magnetic body 42 loses magnetism.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40 according to the first modification has a configuration similar to that of the magnetic thermoelectric conversion element 40 according to the first embodiment described above, but as described later, the functional layers (42, 44) and the bonding
- the composition (material) of the layer 524 is different. In the following, in order to simplify the description, only differences from the first embodiment will be described.
- the magnetic body 42 of the functional layer (42, 44) is made of a magnetic metal layer.
- a magnetic metal layer 42 include permalloy of a magnetic alloy and the like.
- thermoelectric conversion element 40A according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
- the illustrated magnetic thermoelectric conversion element 40A is an element in the case of contacting the heat source via the support 50.
- the heat source corresponds to, for example, combustion gas in the case of the example of FIG.
- the illustrated magnetic thermoelectric conversion element 40 A is provided on the second surface 50 b of the support 50.
- the support 50 corresponds to, for example, the combustor liner cylinder 14 in the case of the example of FIG. 1.
- the second surface 50b of the support 50 corresponds to the outer wall of the combustor liner cylinder 14 of FIG.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40A is in close contact with the second surface 50b of the support 50 directly.
- the illustrated magnetic thermoelectric conversion element 40A has a configuration similar to that of the magnetic thermoelectric conversion element 40 shown in FIG. The only difference from the first embodiment is the arrangement.
- the heat resistant metal oxide film 46 is in direct contact with the heat source.
- the heat-resistant metal oxide film 46 is in contact with the heat source via the support 50.
- a surface protection layer 54 is provided instead of the adhesion layer 52.
- the high temperature gas path member (50, 54, 40A) is configured by the combination of the support 50, the surface protective layer 54, and the magnetic thermoelectric conversion element 40A.
- the magnetic thermoelectric conversion element 40A according to the second embodiment is provided on the outer wall surface (second surface) 50b of the support 50. Therefore, as shown in FIG. 3, the heat-resistant metal oxide film 46 has a heat source contact interface, which is in contact via the support 50 with the heat source above the temperature (Curie temperature) at which the magnetic body 42 loses magnetism. It will be.
- the illustrated hot gas path member (50, 54, 40A) has an inner surface in contact with the hot gas and an outer surface in contact with the cooling flow.
- the high temperature gas path member (50, 54, 40A) has a magnetic layer (42) formed on the outer surface and a metal layer (44) overlapping the magnetic layer (42) and in contact with the cooling flow; And 44) a measurement line (48) disposed along the outer surface.
- the temperature detection principle of the high temperature gas path member (50, 54, 40A) is the same as that of the high temperature gas path member (50, 52, 40), and thus the description thereof is omitted.
- thermoelectric conversion system 60 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
- FIG. 4 is a view showing a schematic configuration of a gas turbine combustor 10A to which a thermoelectric conversion system 60 according to a third embodiment of the present invention is applied.
- FIG. 5 is a partially enlarged view showing a portion surrounded by a square of A of FIG. 4 in an enlarged manner.
- the illustrated gas turbine combustor 10A has a configuration similar to that of the gas turbine combustor 10 shown in FIG. 1 except that the thermometer 26 is eliminated and a thermoelectric conversion system 60 described later is provided instead. To work. Therefore, components having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted for the sake of brevity. In FIG. 4, the illustration of the ignition device 24 is omitted.
- the gas turbine combustor 10 ⁇ / b> A has a combustion gas as a heat source, and includes a combustor liner cylinder 14 as a support 50.
- the combustor liner cylinder 14 has an inner wall surface 14a and an outer wall surface 14b.
- the combustion gas (heat source) is covered by the inner wall surface 14 a of the combustor liner cylinder 14.
- compressed air passes through the annular passage 20 surrounded by the outer wall surface 14 b of the combustor liner cylinder 14 and the casing 12.
- the inner and outer wall surfaces 14a and 14b of the combustor liner cylinder 14 correspond to the first surface 50a and the second surface 50b of the support 50, respectively.
- thermoelectric conversion system 60 is provided on the outer wall surface 14 b of the combustor liner cylinder (support) 14 that covers the combustion gas (heat source).
- thermoelectric conversion system 60 blocks the respective cooling holes 28 of the magnetic thermoelectric conversion elements 62 having the same configuration as the magnetic thermoelectric conversion elements 40A according to the second embodiment shown in FIG. And only around the respective cooling holes 28.
- Magnetic thermoelectric conversion element 62 includes spin Seebeck element 622 and heat insulating layer 624.
- the spin Seebeck element 622 is composed of a combination of the magnetic body 42 and the current collector 44 shown in FIG.
- the heat insulating layer 624 comprises the heat resistant metal oxide film 46 shown in FIG.
- the magnetic thermoelectric conversion elements 62 are installed in a folded strip shape on the outer wall surface 14 b of the combustor liner cylinder 14.
- the diffuser 16 has a flange portion 162 on the outer periphery of the fuel injection nozzle 22.
- a connection electrode 64 is provided at the flange portion 162 of the diffuser 16.
- the wiring (the wiring 48 in FIG. 3) of the spin Seebeck element 622 is connected to the connection electrode 64.
- a heat-resistant wire 66 is connected to the connection electrode 64.
- connection electrode 64 and the heat-resistant wire 66 serves as a collection means (64, 66) for collecting an electrical signal obtained by the thermoelectric conversion of the spin Seebeck element 622 through the wire.
- the magnetic thermoelectric conversion element 62 has a very small mounting area as compared to the entire surface area of the combustor liner cylinder 14 and has a thin film structure that does not impede the cooling flow. Therefore, by laying the magnetic thermoelectric conversion element 62 on the outer wall surface 14b of the combustor liner cylinder 14, although a slight loss in cooling efficiency occurs, the temperature is sensed across the entire combustor liner cylinder 14. Is possible.
- the temperature around the closed cooling holes 28 rises. Due to the rise in the ambient temperature, the spin Seebeck electromotive force of the spin Seebeck element 622 changes. The occurrence of clogs in the cooling holes 28 can be detected by collecting the change of the spin Seebeck electromotive force by the collection means (64, 66) through the wiring (a part of the band).
- the occurrence of the clogging of the cooling hole 28 can be detected. Further, by detecting changes in the spin Seebeck electromotive force of all the bands of the magnetic thermoelectric conversion element 62, it is possible to detect abnormal combustion in the gas turbine combustor 10A.
- the heat resistant coat 30 provided on the inner wall surface 14a of the combustor liner cylinder 14 (FIG. It is possible to detect exfoliation (see also). Because, if the heat-resistant coat 30 is peeled off, the temperature of the peeled portion rises, and the spin Seebeck electromotive force is changed in the spin Seebeck element 622 of the magnetic thermoelectric conversion element 62 provided in the vicinity of the peeled portion. is there.
- the surface temperature of the combustor liner cylinder 14 rises towards the rear of the flow of combustion gases. Therefore, it is considered that the temperature change amount is different at the position where the cooling hole 28 is closed. Therefore, if reference data and current (actual) actual measurement data are compared with each other by accumulating the actual measurement data acquired by collecting means (64, 66) in advance as reference data, It is possible to identify even if clogged cooling holes 28 have occurred.
- FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of a temperature distribution detection apparatus 70 according to a first embodiment of the present invention.
- the illustrated temperature distribution detection device 70 is a device that detects the temperature distribution of the member (support) 50 using the magnetic thermoelectric conversion element 40A according to the second embodiment described above.
- FIG. 6 only the part corresponding to a functional layer (42, 44) is shown in figure, and illustration of another component is abbreviate
- the metal layer (electromotive member) 44 is a magnetic insulator layer (magnetic material) in order to measure the distribution of the temperature difference generated in the member (support) 50. 42 are patterned in a grid shape and deposited. A metal layer (electromotive member) 44 patterned in a grid shape is connected to a measurement electrode (not shown) at the end of the member (support) 50.
- the temperature distribution detection device 70 can measure the voltage (spin Seebeck voltage) resulting from the spin Seebeck effect.
- the direction of the magnetization M of the magnetic insulator layer (magnetic material) 42 is indicated by a thick arrow in FIG. 6 in order to extract spin Seebeck voltages in both the vertical and horizontal directions of the grid. It is designed not to be parallel to either the grid's vertical or horizontal orientation.
- the temperature distribution detection device 70 can measure the temperature difference distribution of the member (support) 50, and in particular, it can be specified where the temperature difference is generated relative to the surroundings. it can.
- the elements connected to the vertical lines of the grid and the elements connected to the horizontal lines can be arranged independently.
- the direction of the magnetization M of the magnetic insulator layer (magnetic body) 42 can be arranged to be orthogonal to the direction in which the respective wires extend.
- FIGS. 7A, 7B, and 7C are a partial cross-sectional view, a schematic plan view, and a partial cross-sectional view, respectively, showing a schematic configuration of a temperature distribution detection apparatus 80 according to a second embodiment of the present invention.
- the illustrated temperature distribution detection device 80 applies the magnetic thermoelectric conversion element 40 according to the above-described first embodiment (first modification) to the gas turbine combustor 10 (see FIG. 1), and It is an apparatus which detects 14 temperature distribution.
- the temperature distribution detection device 80 includes a functional coating (described later) provided on the inner wall surface 14 a of the combustor liner cylinder 14.
- This functional coating is an element corresponding to the magnetic thermoelectric conversion element 40 illustrated in FIG.
- the functional coating consists of an insulating layer 82, an electrode layer 83, a magnetic layer 84, and a top layer (not shown).
- the insulating layer 82 corresponds to the adhesion layer 52 of FIG.
- the electrode layer 83 corresponds to the electromotive body 44 of FIG.
- the magnetic layer 84 corresponds to the magnetic body 42 of FIG.
- the top layer (not shown) corresponds to the heat resistant metal oxide film 46 of FIG.
- the combustor liner cylinder 14 comprises a heat resistant substrate.
- the heat-resistant substrate 14 is a substrate that holds the shape of the liner, and is made of metal or ceramic that ensures rigidity even at the operating temperature of the gas turbine combustor 10.
- the heat-resistant substrate 14 is cylindrical and has many cooling holes 28 (see FIG. 1) on its wall surface.
- the heat-resistant substrate 14 is divided into a high temperature portion in contact with the combustion gas and a low temperature portion in contact with the cooling air.
- the insulating layer 82, the electrode layer 83, the magnetic layer 84, and the top layer are directly formed in this order in the laminated structure in the high temperature portion.
- the magnetic layer is an insulator
- the magnetic layer 84, the electrode layer 83, and the top layer are formed in a stacked structure in the order of the high temperature portion.
- the insulating layer 82 is made of a material that insulates the heat-resistant substrate 14 and the electrode layer 83, for example, a ceramic. When the heat-resistant substrate 14 does not have conductivity, the insulating layer 82 can be omitted.
- the electrode layer 83 is joined to the magnetic layer 84 to form a spin Seebeck element.
- the electrode layer 83 includes a signal layer 83-1 that outputs a signal proportional to the heat flow, and a wiring layer 83-2 that propagates the signal.
- FIG. 7B The structural example of the electrode layer 83 is shown to FIG. 7B.
- a large number of detection structures are arranged on a line, but may be arranged in a grid.
- the signal layer 83-1 may be a material having a spin current conversion function.
- the signal layer 83-1 outputs a voltage proportional to the heat flow.
- the temperature distribution detection device 80 further includes a wiring unit 86 and a measurement unit (not shown).
- the wiring layer 83-2 provides a connection means to the wiring portion 86 for extracting the sensor output generated by the signal layer 83-1 to the outside through the multipolar connector 85.
- the multipolar connector 85 is provided by being inserted into the cooling hole 28 (see FIG. 1).
- the external electromotive force in the wiring layer 83-2 and the wiring unit 86 is smaller than the sensor output electromotive force. Is required.
- the main external electromotive force in the signal layer 83-1 is the spin Seebeck voltage. Therefore, the most desirable configuration as the wiring layer 83-2 is the same kind of material as the material constituting the signal layer 83-1 or the material having the same Seebeck coefficient.
- the material constituting the wiring layer 83-2 has a spin current conversion efficiency sufficiently small or a spin insulator on the contact surface with the magnetic layer 84. It is necessary to have a composite structure.
- the spin insulator is a material that is not a magnetic insulator, such as Al 2 O 3 or SiO 2 , and a thickness of 1 nm or more is required.
- one form of connection between the wiring layer 83-2 and the wiring portion 86 is a multipolar connector 85 in the cooling hole 28 in the heat resistant substrate 14. At this time, it is desirable that a thermal anchor be installed to eliminate the above-mentioned spin Seebeck voltage.
- the top layer (not shown) is a heat shielding layer designed to bring the magnetic layer 84 below the operable Curie temperature.
- the wires in the wire portion 86 are cables installed so as to pass through the outer periphery of the combustor liner cylinder 14, but may be formed directly on the heat-resistant substrate 14. It is required from the viewpoint of preventing an external electromotive force that the thermal anchor of the junction of the wiring part 86 and the measurement part (not shown) is taken.
- the measuring part which is not shown in figure should just be able to measure direct current electromotive force.
- the measurement unit needs to be capable of measuring the current application function and the voltage at the time of the current application. In this case, it is desirable that the current be capable of applying positive and negative currents.
- the resistance value R [V (+ I) -V (-I)] / I / 2 Spin Seebeck EMF
- V SSE [V (+ I) + V (-I)] / 2 It is more measurable. Therefore, the measurement unit can realize simultaneous measurement by switching + I and ⁇ I at a certain frequency and providing a function of measuring AC voltage and DC voltage. The higher the frequency, the better, but it may be lowered to the required time scale of the sensor signal.
- the wiring layer 83-2 is desirably low in resistance, and desirably thick so as to be sufficiently smaller than the resistance of the good conductor or the signal layer 83-1.
- the wirings formed in the wiring layer 83-2 may be doubled to use 4-wire resistance measurement, or 4-wire resistance measurement may be performed using four adjacent wirings.
- the measuring unit needs to be able to measure the voltage for the number of points to be measured. Therefore, as a measurement part, the voltmeter should just prepare the same number, or it should just be able to switch and measure by a relay terminal.
- the temperature distribution detection apparatus 80 provides means capable of measuring the heat flow and temperature at any point as described above. From the spatial and temporal values of many points, the distribution inside the cylinder can be estimated according to the thermal diffusion equation. In addition, appropriate measurement points and structures can be optimized depending on the measurement purpose.
- FIGS. 8A and 8B are a schematic perspective view and a sectional view, respectively, showing a schematic configuration of a temperature distribution detection apparatus 90 according to a third embodiment of the present invention.
- the illustrated temperature distribution detection device 90 applies the magnetic thermoelectric conversion element 40A according to the second embodiment described above to the gas turbine combustor 10 (see FIG. 1) to detect the temperature distribution of the combustor liner cylinder 14 It is an apparatus.
- the temperature distribution detection device 90 includes the first to fourth sensors 91, 92, 93 and 94 provided on the outer wall surface 14 b of the combustor liner cylinder 14.
- the first to fourth sensors 91 to 94 are installed at different positions on the outer wall surface 14b of the combustor liner cylinder 14, as shown in FIG. 8A.
- the number of sensors is four, but of course the present invention is not limited to this. That is, any number may be selected as the number of sensors.
- each of the first to fourth sensors 91 to 94 includes the magnetic thermoelectric conversion element 40A illustrated in FIG.
- the illustrated temperature distribution detection device 90 can increase the signal strength by measuring the heat flow value and temperature averaged along the circumference of the combustor liner cylinder 14, thereby enabling an increase in accuracy toward high-speed measurement. is there.
- the temperature distribution detection device 90 can estimate the flow velocity when the combustion temperature oscillates by calculating the delay in each temperature as a function of time. Furthermore, the temperature distribution detection device 90 can detect turbulent flow formation and ignition failure.
- thermoelectric conversion element provided on the surface of a support in contact with a heat source, Magnetic material, An electrically conductive current collector magnetically coupled to the magnetic body; A heat resistant metal oxide film covering the magnetic body and the electromotive body; Magnetic thermoelectric conversion element having
- the magnetic thermoelectric conversion element is provided on the inner wall surface of the support,
- the heat-resistant metal oxide film has an interface in contact with the heat source at a temperature (Curie temperature) or more at which the magnetic substance loses magnetism.
- the magnetic thermoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 3.
- the magnetic thermoelectric conversion element is provided on the outer wall surface of the support,
- the heat-resistant metal oxide film is characterized in that the magnetic body has an interface in contact with the heat source above the temperature (Curie temperature) at which the magnetic material loses magnetism through the support.
- the magnetic thermoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 3.
- thermoelectric conversion system provided on a surface of a support in contact with a heat source, the system comprising: At least one magnetic thermoelectric conversion element disposed at a predetermined position of the support, the magnetic thermoelectric electric element having a magnetic body and an electrically conductive electromotive body magnetically coupled to the magnetic body; A conversion element, And means for collecting an electrical signal obtained by thermoelectric conversion via a wire electrically connected to the electromotive body, The thermoelectric conversion system, wherein the magnetic thermoelectric conversion element and the wiring are covered with a heat resistant metal oxide film.
- thermoelectric conversion system according to appendix 6, wherein the electromotive body and the wiring are formed of the same material.
- thermoelectric conversion system according to claim 6, wherein the heat-resistant metal oxide film has a thermal conductivity of 10 [W / mK] or less.
- thermoelectric conversion system according to any one of appendices 6 to 8, wherein the heat-resistant metal oxide film has a heat transfer coefficient of 10 4 W / m 2 K or less.
- thermoelectric conversion system is provided on the inner wall surface of the support,
- the heat-resistant metal oxide film has an interface in contact with the heat source at a temperature (Curie temperature) or more at which the magnetic substance loses magnetism.
- the thermoelectric conversion system according to any one of appendices 6 to 9.
- thermoelectric conversion system is provided on the outer wall of the support,
- the heat-resistant metal oxide film is characterized in that the magnetic body has an interface in contact with the heat source above the temperature (Curie temperature) at which the magnetic material loses magnetism through the support.
- the thermoelectric conversion system according to any one of appendices 6 to 9.
- a hot gas path member having an inner surface in contact with a hot gas and an outer surface in contact with a cooling flow, A magnetic layer formed on the outer surface, A metal layer overlapping the magnetic layer and in contact with the cooling flow; Measurement lines disposed along the outer surface from the metal layer; High temperature gas path member with.
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Abstract
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。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。
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(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5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5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。
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ことにある。
本発明のある態様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。
本発明の別の態様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]
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。
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。しかしながら、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。
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。
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、104[W/m2K]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、IrO2、SrRuO3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(Fe3O4)のキュリー点は585℃であり、ニッケルフェライト(NiFe3O4)のキュリー点は590℃であり、コバルトフェライト(CoFe2O4)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)44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。
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7A、図7B、図7Cは、それぞれ、本発明の第2の実施例に係る温度分布検出装置80の概略構成を示す部分断面図、概略平面図、および部分断面図である。
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7A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7Bに、電極層83の構成例を示している。図7B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7Bおよび図7C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7C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Al2O3やSiO2であり、1nm以上の厚さが必要となる。
図7Bおよび図7C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VSSEは
VSSE=[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。
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VSSEは
VSSE=[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8Aおよび図8Bは、それぞれ、本発明の第3の実施例に係る温度分布検出装置90の概略構成を示す概略斜視図および断面図である。
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8A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8B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T0とすると、円筒中心部の温度Tは、T=T0+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T91、T92、T93、T94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。
以上、実施形態および実施例などを参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態や実施例に限定されるものではない。本発明お構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しえる様々な変更をすることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記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。
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。
(付記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付記1に記載の磁性熱電変換素子。
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付記1に記載の磁性熱電変換素子。
(付記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付記1又は2に記載の磁性熱電変換素子。
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付記1又は2に記載の磁性熱電変換素子。
(付記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、
付記1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。
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、
付記1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。
(付記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、
付記1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。
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、
付記1乃至3のいずれか1つに記載の磁性熱電変換素子。
(付記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。
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。
(付記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、付記6に記載の熱電変換システム。
前記起電体と前記配線とが同一材料で形成されている、付記6に記載の熱電変換システム。
(付記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付記6又は7に記載の熱電変換システム。
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付記6又は7に記載の熱電変換システム。
(付記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付記6乃至8のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
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付記6乃至8のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
(付記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、
付記6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
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、
付記6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
(付記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、
付記6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
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、
付記6乃至9のいずれか1つに記載の熱電変換システム。
(付記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。
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。
この出願は、2017年12月12日に出願された日本出願特願2017-237459を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
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;耐熱基材)
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;磁性層)
44 起電体(金属層)
46 耐熱性酸化金属膜
48 配線(計測線)
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
12 ハウジング(ケーシング;外胴)
14 燃焼筒(燃焼器ライナ胴;耐熱基材)
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;磁性層)
44 起電体(金属層)
46 耐熱性酸化金属膜
48 配線(計測線)
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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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US16/771,869 US20200395526A1 (en) | 2017-12-12 | 2018-11-21 | Magnetic thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion system including same |
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JP2017237459A JP2019106436A (ja) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 磁性熱電変換素子及びそれを含む熱電変換システム |
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PCT/JP2018/042971 WO2019116845A1 (ja) | 2017-12-12 | 2018-11-21 | 磁性熱電変換素子及びそれを含む熱電変換システム |
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JPH11337067A (ja) * | 1998-05-21 | 1999-12-10 | Toshiba Corp | ガスタービン監視装置 |
WO2012169377A1 (ja) * | 2011-06-09 | 2012-12-13 | 日本電気株式会社 | 熱電変換装置 |
JP2013195123A (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Furuya Kinzoku:Kk | イリジウム‐イリジウム・ロジウム熱電対 |
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JP5625535B2 (ja) * | 2010-06-23 | 2014-11-19 | 株式会社Ihi | 排ガス利用発電装置及び発電システム |
WO2016136363A1 (ja) * | 2015-02-24 | 2016-09-01 | 富士フイルム株式会社 | 熱電変換素子および熱電変換モジュール |
-
2017
- 2017-12-12 JP JP2017237459A patent/JP2019106436A/ja active Pending
-
2018
- 2018-11-21 WO PCT/JP2018/042971 patent/WO2019116845A1/ja active Application Filing
- 2018-11-21 US US16/771,869 patent/US20200395526A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (4)
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JP2013195123A (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Furuya Kinzoku:Kk | イリジウム‐イリジウム・ロジウム熱電対 |
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WO2024024512A1 (ja) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | Blue Industries株式会社 | 検出装置及び分析装置 |
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