JP2008182011A - Device and method for evaluating reliability on thermoelectric conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のモジュールより成る熱電変換システムの信頼性を評価する熱電変換システム信頼性評価装置及び方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion system reliability evaluation apparatus and method for evaluating the reliability of a thermoelectric conversion system including a plurality of modules.
一般に、電熱変換システムは複数の電熱変換モジュールから構成され、熱電変換モジュールは高温面と低温面との温度差で発電を行うものである。すなわち、高温面に熱を与えて低温面を冷却して、その温度差で発電する。 Generally, an electrothermal conversion system is composed of a plurality of electrothermal conversion modules, and the thermoelectric conversion module generates electric power with a temperature difference between a high temperature surface and a low temperature surface. That is, heat is applied to the high temperature surface to cool the low temperature surface, and power is generated with the temperature difference.
図7は熱電変換システムの一例を示す構成図である。図7に示すように、熱電変換システム11は複数の電熱変換モジュール12から構成され、各々の電熱変換モジュール12は配線13で電気的に接続されている。そして、高温面に与えられた熱を効率的に取り込めるように電熱変換モジュール12を熱源に対して圧接して押さえつけられている。
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating an example of a thermoelectric conversion system. As shown in FIG. 7, the
このような熱電変換システム11の信頼性評価を行う場合には、複数の熱電変換モジュール12で構成された熱電変換システム11に対して信頼性評価試験を行うのではなく、1個単位の個々の熱電変換モジュールに対して信頼性評価試験を行っている。すなわち、信頼性評価試験は、個々の熱電変換モジュールに対して、熱を繰り返し与える熱サイクル試験や一定の熱を与える熱劣化試験が行われる。
When the reliability evaluation of such a
このような熱電変換モジュール信頼性評価装置としては、熱を与える手段として炉を備え、1個単位の熱電変換モジュールを炉の中に入れ、モジュールを加熱・冷却するものがある(例えば、非特許文献1参照)。
しかし、このような熱電変換モジュール信頼性評価装置においては、1個単位の熱電変換モジュールを炉の中に入れ、単に熱を与えて試験を行うものであるため、熱電変換モジュールの高温面が高温、他方の低温面が低温というように熱電変換モジュール内に温度差がついておらず、また、熱電変換モジュールを圧接した状況を再現していないことから、実環境で使用されることを想定した複数の熱電変換モジュールから構成される熱電変換システムの評価ができない。 However, in such a thermoelectric conversion module reliability evaluation apparatus, one unit of thermoelectric conversion module is put into a furnace and a test is performed simply by applying heat. As the other low-temperature surface has a low temperature, there is no temperature difference in the thermoelectric conversion module, and the situation where the thermoelectric conversion module is pressed is not reproduced. Evaluation of a thermoelectric conversion system composed of these thermoelectric conversion modules is not possible.
すなわち、熱電変換モジュールより構成される熱電変換システムが実環境で使用される場合には、高温面が高温、他方の低温面が低温というように熱電変換モジュール内に温度差がついており、また、熱を効率的に取り込めるように熱電変換モジュールを熱源に圧接して押さえつけていることから、従来の熱電変換モジュール信頼性評価装置においては、これらを再現しているとは言えない。 That is, when a thermoelectric conversion system composed of thermoelectric conversion modules is used in a real environment, there is a temperature difference in the thermoelectric conversion module such that the high temperature surface is high temperature and the other low temperature surface is low temperature, Since the thermoelectric conversion module is pressed and pressed against the heat source so as to efficiently take in heat, it cannot be said that these are reproduced in the conventional thermoelectric conversion module reliability evaluation apparatus.
例えば、熱電変換モジュール12に圧接力を負荷するためには、図8に示すように、ネジ14により熱電変換モジュール12に圧接力を負荷することや、図9に示すように、バネ15により熱電変換モジュール12に圧接力を負荷することが考えられるが、これらの方式では、圧接力に片当たりが生じ、熱電変換システム11を構成する個々の熱電変換モジュール12に均一な圧接力を負荷するのが困難である。
For example, in order to apply a pressure contact force to the
本発明の目的は、実環境での熱電変換システムの信頼性試験を行うことができる熱電変換システム信頼性評価装置及び方法を得ることである。 The objective of this invention is obtaining the thermoelectric conversion system reliability evaluation apparatus and method which can perform the reliability test of the thermoelectric conversion system in a real environment.
本発明の熱電変換システム信頼性評価装置は、複数のモジュールより成る熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部と、前記温度負荷面の反対側の面を冷却する低温側冷却部と、熱電変換システムの温度負荷面の温度を計測する高温側温度計測センサと、前記温度負荷面の反対側の面の温度を計測する低温側温度計測センサと、球面座を有し前記熱電変換システム全体を均一に圧接する均一圧接力負荷機構部とを備えたことを特徴とする。 A thermoelectric conversion system reliability evaluation apparatus according to the present invention includes a heating unit that heats a temperature load surface of a thermoelectric conversion system including a plurality of modules, a low-temperature side cooling unit that cools a surface opposite to the temperature load surface, and a thermoelectric A high temperature side temperature measurement sensor for measuring the temperature of the temperature load surface of the conversion system, a low temperature side temperature measurement sensor for measuring the temperature of the surface opposite to the temperature load surface, and a spherical seat, and the entire thermoelectric conversion system. And a uniform pressure contact force load mechanism portion for uniformly pressing.
本発明によれば、熱電変換システムの温度負荷面である高温面と、その反対側の面の低温面との間に温度差を与えながら、複数の電熱変換モジュールに均一な圧接力を負荷することができるので、実環境での熱電変換システムの信頼性試験を行うことができる。 According to the present invention, a uniform pressure contact force is applied to a plurality of electrothermal conversion modules while providing a temperature difference between a high temperature surface which is a temperature load surface of the thermoelectric conversion system and a low temperature surface on the opposite side. Therefore, it is possible to perform a reliability test of the thermoelectric conversion system in an actual environment.
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に関わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。熱電変換システム11は温度負荷面を支持する高温側治具17と、温度付加面の反対側の面を支持する低温側治具18とで挟持される。そして、熱電交換システム12の温度負荷面の温度は高温側温度計測センサ19で検出され、熱電交換システム12の温度負荷面の反対側面の温度は低温側温度計測センサ20で検出される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a thermoelectric exchange system
熱電変換システム11の温度負荷面は加熱部21で加熱され、熱電変換システム11の温度負荷面の反対側の面は低温側冷却部22で冷却される。これにより、熱電変換システム11の温度負荷面とその反対側の面との間に温度差を生じさせるようにしている。加熱部21としては例えばヒータが用いられ、低温側冷却部22としては例えば水冷冷却盤やペルチェ素子による冷却を行う冷却盤が用いられる。
The temperature load surface of the
また、天板25は支持棒26で支持され、天板25を挟んで均一圧接力負荷機構部23およびネジ式ハンドル24が設けられている。
The
天板25には、ネジ式ハンドル24のネジ部(図示せず)と螺合するネジ支持部24aが設けられている。一方、ネジ式ハンドル24によって、加熱部21に負荷を与える移動式天板25aは、支持棒26に上下移動可能に支持されている。均一圧接力負荷機構部23は球面座を有し、熱電変換システム11全体を均一に圧接するものであり、ネジ式ハンドル24により圧接力が均一圧接力負荷機構部23に負荷される。
The
このように、球面座を有する均一圧接力負荷機構部23により熱電変換システム11に圧接力を負荷するので、熱電変換システム11に対して均一な圧接力を負荷することが可能となる。また、熱電変換システム11の温度負荷面を加熱部21により加熱し、他方の面を低温側冷却部22により冷却していることから、熱電変換システム11に温度差がついており、実用環境下に近い状態の信頼性評価を行うことができる。
As described above, since the pressure contact force is applied to the
第1の実施の形態によれば、熱電変換システム11の上下面に温度差を与えながら、複数のモジュールに均一な圧接力を負荷するという実環境を模擬する機構が備わっているので、実環境で使用される熱電変換システムの信頼性試験を提供できる熱電変換システム信頼性評価装置を得ることができる。
According to the first embodiment, there is provided a mechanism for simulating an actual environment in which a uniform pressure contact force is applied to a plurality of modules while giving a temperature difference to the upper and lower surfaces of the
(第2の実施の形態)
図2は本発明の第2の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、均一圧接力負荷機構部23は、ネジ式ハンドル24による圧接力を調整する負荷荷重調整機構部27を備えたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a configuration diagram of the thermoelectric exchange system
負荷荷重調整機構部27は、例えばバネを有し、天板25でバネを受けており、バネを受けている天板25と支持棒26との間にネジは切っておらず、単に貫通しているだけとしている。そして、ネジ式ハンドル24を圧接力が負荷される方向に動かすと、天板25が図中矢印Xの方向に動き出すようになっている。
The load load
ここで、バネの圧縮量を測定すれば、これにバネ定数を乗じることにより圧接力を計測することができ、この圧接力を調整するようにネジ式ハンドル24を動かすことができる。また、熱電変換システム11は、圧接力を負荷しているので、長時間の高温試験を行っている際に、圧縮変形することも考えられる。このような場合、ネジで圧接力を与えているだけであれば、圧縮変形に伴い圧接力が減少するが、第2の実施の形態では、バネにより圧接力を負荷しているので、圧縮変形した場合も継続的にほぼ一定の圧接力を負荷することができる。
Here, if the amount of compression of the spring is measured, the pressure contact force can be measured by multiplying this by the spring constant, and the
第2の実施の形態によれば、負荷荷重調整機構部27により圧接力を調整することができ、また、試験中に一定の圧接力を継続して与えることができるので、実環境で使用される熱電変換システム11に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。
According to the second embodiment, the pressure contact force can be adjusted by the load
(第3の実施の形態)
図3は本発明の第3の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。この第3の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、均一圧接力負荷機構部23は、ネジ式のハンドル24に代えて、アクチュエータ28とし、均一圧接力負荷機構部23の圧接力による熱電変換システム11への荷重を検知する荷重センサ29と、荷重センサ29で検知した荷重が所定値になるように駆動部30を介してアクチュエータ28を制御する制御部31とを備えたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram of the thermoelectric exchange system
すなわち、第3の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置16は第1の実施の形態におけるネジ式ハンドル24の部分にアクチュエータ28を備え、また、アクチュエータを駆動する駆動装置30と、圧接力荷重を感知するための荷重センサ29と、制御部31とを備えている。
That is, the thermoelectric conversion system
アクチュエータ28が圧接力を負荷すると、荷重センサ29が圧接力の荷重値を検知し、検出された荷重データが制御部30に取り込まれる。制御部30では取り込まれたデータと予め設定した目標値との差を計算し、制御データとして駆動部30を通じてアクチュエータ28にフィードバックされるようになっている。
When the
ここで、アクチュエータ28は電動式アクチュエータあるいは油圧式アクチュエータのいずれであってもよい。電動式アクチュエータの場合には駆動装置30は電源装置となり、油圧式アクチュエータの場合には駆動装置30は油圧源装置となる。
Here, the
第3の実施の形態によれば、荷重センサ29で検知される圧接力荷重値が目標値となるようにフィードバック制御を行いながら試験を行えるので、試験を行っている間、一定の圧接力を継続して与えることができる。従って、実環境で使用される熱電変換システム11に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。
According to the third embodiment, the test can be performed while performing feedback control so that the pressure contact force load value detected by the
(第4の実施の形態)
図4は本発明の第4の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。この第4の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、熱電変換システムの温度負荷面を加熱する加熱部21に対し、加熱部21を冷却する高温側冷却部32を設けたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram of a thermoelectric exchange system
第4の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置16は第1の実施の形態における温度負荷面を加熱する加熱部21の上部に、高温側冷却部32を備えている。なお、高温側冷却部32は熱電変換システムの温度負荷面側を冷却するものであり、冷却水による水冷あるいはペルチェ素子による電子冷却のいずれの冷却方式であってもよい。
The thermoelectric conversion system
熱電変換システム11の信頼性評価の際には、熱サイクルに対する信頼性を評価することも多くあり、熱電変換システム11の温度負荷面の温度を昇降する必要がある。昇温の際には加熱部21に通電して温度を上昇させ、降温の際には通常、加熱部21の電流を遮断して自然放熱により温度を下げるが、自然放熱による降温は時間が掛かり、繰り返し温度の昇降を行う熱サイクル試験の効率が著しく悪い。具体的には、200℃から50℃までの降温に要する時間が3分の1以下となった。
When evaluating the reliability of the
第4の実施の形態においては、温度負荷面側にも高温側冷却部32を設けているので、熱サイクル試験において、降温時間が短縮され効率の良い試験を実施することができる。また、サイクル数の非常に多い試験を行うことも可能となる。
In the fourth embodiment, since the high temperature
第4の実施の形態によれば、温度の昇降を行う熱サイクル試験において、降温の時間が短縮されるので、実環境で使用される熱電変換システムに対して、長期的に起こり得る熱サイクルの劣化評価のための信頼性試験を短時間で行うことができる。 According to the fourth embodiment, in the thermal cycle test that raises and lowers the temperature, the temperature lowering time is shortened. Therefore, the thermal cycle that can occur in the long term is compared with the thermoelectric conversion system used in the actual environment. A reliability test for deterioration evaluation can be performed in a short time.
(第5の実施の形態)
図5は本発明の第5の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。この第5の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、低温側温度計測センサ20で検知した温度が所定値になるように冷却調整部33を介して低温側冷却部22を制御する温度制御部34を設けたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram of a thermoelectric exchange system
図5に示すように、第5の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置16は、低温側冷却部22の冷却を調整する冷却調整部33と、低温側温度計測センサ20で検知した温度が所定値になるように冷却調整部33を調節する温度制御部34とが追加して設けられている。
As shown in FIG. 5, the thermoelectric conversion system
この構成では、低温側温度計測センサ20により計測された低温側温度が温度制御部34に取り込まれる。温度制御部34は取り込まれたデータと、予め設定した低温側温度目標値との差を計算し、制御データとして冷却調整部34を通じて低温側冷却部22にフィードバックされるようになっている。
In this configuration, the low temperature side temperature measured by the low temperature side
ここで、低温側冷却部22は、冷却水による冷却を行う冷却部あるいは低温側冷却部22がペルチェ素子による電子冷却を行う冷却部のいずれを用いることも可能であり、冷却水による冷却を行う冷却部である場合には、冷却調整部33は冷却水水量調整装置となり、低温側冷却部22がペルチェ素子による冷却を行う冷却部である場合には、冷却調整部33はペルチェ素子用電流調整装置となる。
Here, the low temperature
第5の実施の形態によれば、低温側温度計測センサ20により計測された低温側温度が目標値となるようにフィードバック制御を行いながら試験を行えるので、試験を行っている間、低温側の温度を一定に保つことができる。従って、実環境で使用される熱電変換システムに対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことができる。
According to the fifth embodiment, the test can be performed while performing feedback control so that the low temperature side temperature measured by the low temperature side
(第6の実施の形態)
図6は本発明の第6の実施の形態に係わる熱電交換システム信頼性評価装置16の構成図である。この第6の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、熱電変換システム11を囲む環境槽35を設けたものである。図1に示した第1の実施の形態と同一要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram of a thermoelectric exchange system
第6の実施の形態に係わる熱電変換システム信頼性評価装置16は、熱電変換システム11を囲む環境槽35を備えている。環境槽35は腐食環境槽ユニットなどを内蔵しており、蒸気、真空、大気、ガス等様々な環境下での試験が可能となっている。
The thermoelectric conversion system
第6の実施の形態によれば、様々な実機環境を模擬して試験を行えるので、実環境で使用される熱電変換システム11に対して、より正確な評価を行える信頼性試験を行うことが可能となる。
According to the sixth embodiment, since various real machine environments can be simulated and tested, a reliability test that can perform more accurate evaluation can be performed on the
11…熱電変換システム、12…熱電変換モジュール、13…配線、14…ネジ、15…バネ、16…熱電交換システム信頼性評価装置、17…高温側治具、18…低温側治具、19…高温側温度計測センサ、20…低温側温度計測センサ、21…加熱部、22…低温側冷却部、23…均一圧接力負荷機構部、24…ネジ式ハンドル、24a…ネジ支持部、25…天板、25a…移動式天板、26…支持棒、27…負荷荷重調整機構部、28…アクチュエータ、29…荷重センサ、30…駆動装置、31…熱電変換システム、32…高温側冷却部、33…冷却調整部、34…温度制御部、35…環境槽
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