JPH08125236A - 高温用熱流束調節器 - Google Patents
高温用熱流束調節器Info
- Publication number
- JPH08125236A JPH08125236A JP6260131A JP26013194A JPH08125236A JP H08125236 A JPH08125236 A JP H08125236A JP 6260131 A JP6260131 A JP 6260131A JP 26013194 A JP26013194 A JP 26013194A JP H08125236 A JPH08125236 A JP H08125236A
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- Japan
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- temperature metal
- high temperature
- metal
- temperature
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温金属の熱流束を調節し低温金属を所定の
温度分布に加熱可能とする。 【構成】 熱源１により加熱される少なくとも一つの高
温金属２と、真空又は流体を充填した空隙４を介してそ
れぞれの高温金属２に対向して並設される少なくとも一
つの低温金属３と、それぞれの高温金属２及びそれぞれ
の低温金属３にリード５を経由して接続され、それぞれ
の高温金属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金属３
を所定温度に制御する電気制御回路６とを備える。 【効果】 熱流束の差を緩和又は局所的に集中し、低温
金属を所定の温度に加熱することができる。また可動部
が不必要なため、高温で長時間使用が可能となる。
温度分布に加熱可能とする。 【構成】 熱源１により加熱される少なくとも一つの高
温金属２と、真空又は流体を充填した空隙４を介してそ
れぞれの高温金属２に対向して並設される少なくとも一
つの低温金属３と、それぞれの高温金属２及びそれぞれ
の低温金属３にリード５を経由して接続され、それぞれ
の高温金属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金属３
を所定温度に制御する電気制御回路６とを備える。 【効果】 熱流束の差を緩和又は局所的に集中し、低温
金属を所定の温度に加熱することができる。また可動部
が不必要なため、高温で長時間使用が可能となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電子エネルギー変換
技術の応用に係り、特に太陽エネルギーや原子力エネル
ギー等を熱源とするシステムの熱エネルギーを、高温で
安定して利用することのできる高温用熱流束調節器に関
する。
技術の応用に係り、特に太陽エネルギーや原子力エネル
ギー等を熱源とするシステムの熱エネルギーを、高温で
安定して利用することのできる高温用熱流束調節器に関
する。
【０００２】
【従来の技術】熱電子エネルギー変換とは、熱電子放出
により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する手法の
ことであり、従来の熱電子変換器は、図８に示すよう
に、エミッター（高温金属又は高温電極）１２と、作動
流体１４を介して並設されるコレクター（低温金属又は
低温電極）１３と、作動流体１４との三つの主要素より
なる構成である。エミッター１２に高温熱量Ｑinを加え
ることにより、エミッター１２の電子のうちのあるもの
はエミッター１２の束縛力に打ち勝つだけのエネルギー
をもっており、作動流体１４の一部となりコレクター１
３に向けて移動する熱電子放出を行う。熱電子がコレク
ター１３に達すると熱エネルギーとなりコレクター１３
を加熱する。したがって両電極間に両電極間のエネルギ
ーの差に相当する起電力が発生し、この起電力により外
部抵抗Ｒを有する回路１６に電流が流れる。コレクター
は、作動流体による熱伝導及びエミッターからの熱輻射
により加熱され、除熱量Ｑoutが除去される（G.W.Sutto
n編、橘 他訳、「直接エネルギー変換」好学社、１９
６８、参照）。なおエミッター材料には、タングステ
ン、レニウム、モリブデン等の高融点金属が用いられ、
コレクター材料には、ニッケル、ニオブ及びモリブデン
等が用いられている。
により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する手法の
ことであり、従来の熱電子変換器は、図８に示すよう
に、エミッター（高温金属又は高温電極）１２と、作動
流体１４を介して並設されるコレクター（低温金属又は
低温電極）１３と、作動流体１４との三つの主要素より
なる構成である。エミッター１２に高温熱量Ｑinを加え
ることにより、エミッター１２の電子のうちのあるもの
はエミッター１２の束縛力に打ち勝つだけのエネルギー
をもっており、作動流体１４の一部となりコレクター１
３に向けて移動する熱電子放出を行う。熱電子がコレク
ター１３に達すると熱エネルギーとなりコレクター１３
を加熱する。したがって両電極間に両電極間のエネルギ
ーの差に相当する起電力が発生し、この起電力により外
部抵抗Ｒを有する回路１６に電流が流れる。コレクター
は、作動流体による熱伝導及びエミッターからの熱輻射
により加熱され、除熱量Ｑoutが除去される（G.W.Sutto
n編、橘 他訳、「直接エネルギー変換」好学社、１９
６８、参照）。なおエミッター材料には、タングステ
ン、レニウム、モリブデン等の高融点金属が用いられ、
コレクター材料には、ニッケル、ニオブ及びモリブデン
等が用いられている。
【０００３】高温用熱流束調節器は熱電子エネルギー変
換技術を応用したものである。物体表面の微小面積ΔＦ
を通じて単位時間に伝達される熱量をΔＱとすると、ｑ
＝ΔＱ／ΔＦで表される熱流束ｑが、熱源より流れて高
温金属を加熱する。しかし通常、物体の表面温度や流体
の温度は必ずしも一様ではなく、低温金属を所定温度に
制御するため、高温金属の熱流束を一様分布又は局所に
集中させる等の調節が必要である。熱流束を調節するに
は、高温金属と低温金属との間に挿入する断熱板の数を
増減したり、両者間の位置関係を変更する等して熱抵抗
を調節する方法があるが、可動部を伴うので高温使用に
は適さなかった。
換技術を応用したものである。物体表面の微小面積ΔＦ
を通じて単位時間に伝達される熱量をΔＱとすると、ｑ
＝ΔＱ／ΔＦで表される熱流束ｑが、熱源より流れて高
温金属を加熱する。しかし通常、物体の表面温度や流体
の温度は必ずしも一様ではなく、低温金属を所定温度に
制御するため、高温金属の熱流束を一様分布又は局所に
集中させる等の調節が必要である。熱流束を調節するに
は、高温金属と低温金属との間に挿入する断熱板の数を
増減したり、両者間の位置関係を変更する等して熱抵抗
を調節する方法があるが、可動部を伴うので高温使用に
は適さなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の高温用熱流束調
節器にあっては、高温金属の熱流束を調節するには、低
温金属との間に挿入する断熱板の数を増減したり、両者
間の位置関係を変更する等の対応があるが、可動部を伴
うので高温使用に適さない問題点があった。
節器にあっては、高温金属の熱流束を調節するには、低
温金属との間に挿入する断熱板の数を増減したり、両者
間の位置関係を変更する等の対応があるが、可動部を伴
うので高温使用に適さない問題点があった。
【０００５】本発明の目的は、高温金属の熱流束を調節
し低温金属を所定の温度分布に制御するのに好適な高温
用熱流束調節器を提供することにある。
し低温金属を所定の温度分布に制御するのに好適な高温
用熱流束調節器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る高温用熱流束調節器は、熱源により加
熱される少なくとも一つの高温金属と、真空又は流体を
充填した空隙を介してそれぞれの高温金属に対向して並
設される少なくとも一つの低温金属と、それぞれの高温
金属及びそれぞれの低温金属に接続されそれぞれの高温
金属の熱流束を調節しかつそれぞれの低温金属を所定温
度に制御する電気制御回路とを備えてなる構成とする。
め、本発明に係る高温用熱流束調節器は、熱源により加
熱される少なくとも一つの高温金属と、真空又は流体を
充填した空隙を介してそれぞれの高温金属に対向して並
設される少なくとも一つの低温金属と、それぞれの高温
金属及びそれぞれの低温金属に接続されそれぞれの高温
金属の熱流束を調節しかつそれぞれの低温金属を所定温
度に制御する電気制御回路とを備えてなる構成とする。
【０００７】そして電気制御回路は、熱電子発電器をそ
れぞれの高温金属及びそれぞれの低温金属に電気的負荷
として作用させるものである構成でもよい。
れぞれの高温金属及びそれぞれの低温金属に電気的負荷
として作用させるものである構成でもよい。
【０００８】
【作用】本発明によれば、熱源により高温に加熱された
高温金属の表面より熱電子が放出され、この時、熱エネ
ルギーが電気エネルギーに変換される。また放出された
熱電子が低温金属に凝縮する時、電気エネルギーが熱エ
ネルギーに変換される。熱源側の高温金属と高温金属と
対向して並設される低温金属との間の熱の移動形態は、
熱放射、空隙に存在する希薄蒸気等の流体及び絶縁体の
熱伝導の他に、熱電子放出による熱の移動があり、この
熱電子放出による熱の移動を電気制御回路により制御
し、高温金属の熱流束をほぼ均一に又は局所的に集中さ
せるように調節することにより、低温金属が所定の温度
分布に制御される。
高温金属の表面より熱電子が放出され、この時、熱エネ
ルギーが電気エネルギーに変換される。また放出された
熱電子が低温金属に凝縮する時、電気エネルギーが熱エ
ネルギーに変換される。熱源側の高温金属と高温金属と
対向して並設される低温金属との間の熱の移動形態は、
熱放射、空隙に存在する希薄蒸気等の流体及び絶縁体の
熱伝導の他に、熱電子放出による熱の移動があり、この
熱電子放出による熱の移動を電気制御回路により制御
し、高温金属の熱流束をほぼ均一に又は局所的に集中さ
せるように調節することにより、低温金属が所定の温度
分布に制御される。
【０００９】
【実施例】本発明の一実施例を図１を参照しながら説明
する。図１に示すように、熱源１により加熱される少な
くとも一つの高温金属（エミッター）２と、真空又は流
体を充填した空隙４を介してそれぞれの高温金属２に対
向して並設される少なくとも一つの低温金属（コレクタ
ー）３と、それぞれの高温金属２及びそれぞれの低温金
属３にリード５を経由して接続され、それぞれの高温金
属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金属３を所定温
度に制御する電気制御回路６とを備えてなり、電気制御
回路６は、熱電子発電器をそれぞれの高温金属２及びそ
れぞれの低温金属３に電気的負荷として作用させるもの
である構成である。
する。図１に示すように、熱源１により加熱される少な
くとも一つの高温金属（エミッター）２と、真空又は流
体を充填した空隙４を介してそれぞれの高温金属２に対
向して並設される少なくとも一つの低温金属（コレクタ
ー）３と、それぞれの高温金属２及びそれぞれの低温金
属３にリード５を経由して接続され、それぞれの高温金
属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金属３を所定温
度に制御する電気制御回路６とを備えてなり、電気制御
回路６は、熱電子発電器をそれぞれの高温金属２及びそ
れぞれの低温金属３に電気的負荷として作用させるもの
である構成である。
【００１０】すなわち熱源１は、熱源１側の高温金属２
を加熱する原子炉又は太陽熱エネルギー等の高温部であ
る。高温金属２が高温に加熱されると、続いて低温金属
３が加熱される。空隙４には、セシウム等の希薄蒸気が
充填されたり、真空に保たれたりしており、さらに高温
金属２及び低温金属３を固定する等のため、セラミック
絶縁体が置かれることがある。この時、高温金属２より
低温金属３への熱の移動は、熱放射によるもの、希薄蒸
気やセラミック絶縁体の熱伝導によるものの他に、熱電
子的作用による熱電子の放出及び凝縮による熱の移動が
伴う。この熱電子的作用による熱の移動の大小、さらに
正負を、リード５を経由して電気制御回路６により制御
することにより、熱流束を調節することができる。
を加熱する原子炉又は太陽熱エネルギー等の高温部であ
る。高温金属２が高温に加熱されると、続いて低温金属
３が加熱される。空隙４には、セシウム等の希薄蒸気が
充填されたり、真空に保たれたりしており、さらに高温
金属２及び低温金属３を固定する等のため、セラミック
絶縁体が置かれることがある。この時、高温金属２より
低温金属３への熱の移動は、熱放射によるもの、希薄蒸
気やセラミック絶縁体の熱伝導によるものの他に、熱電
子的作用による熱電子の放出及び凝縮による熱の移動が
伴う。この熱電子的作用による熱の移動の大小、さらに
正負を、リード５を経由して電気制御回路６により制御
することにより、熱流束を調節することができる。
【００１１】真空又は希薄蒸気中に置かれた高温金属か
らは、単位面積当り（１）式に示す電流（電子）が放出
される。 Ｊ＝１２０．４×Ｔ2×exp（−Φ／（ＫＴ）） 〔Ａ／cm2〕……（１） Ｔ：金属温度〔°Ｋ〕 Φ：金属の仕事関数〔eＶ〕 Ｋ：ボルツマン定数≒８．６２×１／１０5〔eＶ／°
Ｋ〕 この作用により、熱電子的に電子をやり取りしている金
属間では、電子放出及び電子凝縮による熱の移動が発生
する。この時、熱エネルギーは電子のポテンシャルエネ
ルギーに、あるいはその逆に、直接変換されている。２
つの金属間で生じる電子のポテンシャルエネルギーの差
を電気出力として外部に取り出すのが、熱電子発電器の
基本である。外部に取り出せる電流及び電圧は、外部で
起こる電位降下、つまり熱電子的に電子が飛び交う２つ
の金属の電位差に依存する。
らは、単位面積当り（１）式に示す電流（電子）が放出
される。 Ｊ＝１２０．４×Ｔ2×exp（−Φ／（ＫＴ）） 〔Ａ／cm2〕……（１） Ｔ：金属温度〔°Ｋ〕 Φ：金属の仕事関数〔eＶ〕 Ｋ：ボルツマン定数≒８．６２×１／１０5〔eＶ／°
Ｋ〕 この作用により、熱電子的に電子をやり取りしている金
属間では、電子放出及び電子凝縮による熱の移動が発生
する。この時、熱エネルギーは電子のポテンシャルエネ
ルギーに、あるいはその逆に、直接変換されている。２
つの金属間で生じる電子のポテンシャルエネルギーの差
を電気出力として外部に取り出すのが、熱電子発電器の
基本である。外部に取り出せる電流及び電圧は、外部で
起こる電位降下、つまり熱電子的に電子が飛び交う２つ
の金属の電位差に依存する。
【００１２】熱電子発電器の出力特性は、一般に図２に
示すようになる。 ａ ２０〔Ａ〕，−１〔Ｖ〕 ｂ １０〔Ａ〕， １〔Ｖ〕 ｃ −２．５〔Ａ〕， １〔Ｖ〕とすると、ｂは、熱
電子発電器の一般的な出力である。ａは、高温金属から
より多くの電子を引出し（電子冷却し）、外部から供給
された電気エネルギーとともに低温金属を加熱する。こ
の時、熱電子発電器は発電器ではなく、電気的負荷とし
て作用する（２０×（−１）＝−２０〔Ｗ〕）。Ｃは、
高温金属からの熱電子は（ほとんど）低温金属に達せ
ず、一方、低温金属からの熱電子が外部回路で高いポテ
ンシャルエネルギーを得て高温金属を加熱する。この時
も熱電子発電器は負荷として作用する（−２．５×２＝
−５〔Ｗ〕）。なお電気制御回路は、形状、材質、温度
の等しい熱電子発電器を図３及び図４に示すように接続
すると電力を消費しない。ａ，ｂ及びｃの発電形態は、
接続の方式及び個数により前記の電流、電圧に落ち着く
ものであり、発電器の形状等により限定されるものでは
ない。また電気制御回路に電力消費が許容されるなら、
さらに高度な熱流束・温度制御が可能となる。
示すようになる。 ａ ２０〔Ａ〕，−１〔Ｖ〕 ｂ １０〔Ａ〕， １〔Ｖ〕 ｃ −２．５〔Ａ〕， １〔Ｖ〕とすると、ｂは、熱
電子発電器の一般的な出力である。ａは、高温金属から
より多くの電子を引出し（電子冷却し）、外部から供給
された電気エネルギーとともに低温金属を加熱する。こ
の時、熱電子発電器は発電器ではなく、電気的負荷とし
て作用する（２０×（−１）＝−２０〔Ｗ〕）。Ｃは、
高温金属からの熱電子は（ほとんど）低温金属に達せ
ず、一方、低温金属からの熱電子が外部回路で高いポテ
ンシャルエネルギーを得て高温金属を加熱する。この時
も熱電子発電器は負荷として作用する（−２．５×２＝
−５〔Ｗ〕）。なお電気制御回路は、形状、材質、温度
の等しい熱電子発電器を図３及び図４に示すように接続
すると電力を消費しない。ａ，ｂ及びｃの発電形態は、
接続の方式及び個数により前記の電流、電圧に落ち着く
ものであり、発電器の形状等により限定されるものでは
ない。また電気制御回路に電力消費が許容されるなら、
さらに高度な熱流束・温度制御が可能となる。
【００１３】本発明の他の実施例を図５を参照しながら
説明する。図１に示す実施例と異なるところは、一つの
熱源１に対して複数の高温金属及び低温金属を備えてい
る点である。熱源１に複数の高温金属２を接触させると
ともにそれぞれの高温金属２に複数の低温金属３を空隙
４を介して並設させ、リード５を経由して接続されそれ
ぞれの高温金属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金
属３を所定温度に制御する電気制御回路６を備えている
構成である。
説明する。図１に示す実施例と異なるところは、一つの
熱源１に対して複数の高温金属及び低温金属を備えてい
る点である。熱源１に複数の高温金属２を接触させると
ともにそれぞれの高温金属２に複数の低温金属３を空隙
４を介して並設させ、リード５を経由して接続されそれ
ぞれの高温金属２の熱流束を調節してそれぞれの低温金
属３を所定温度に制御する電気制御回路６を備えている
構成である。
【００１４】熱源１に、例えばラジオアイソトープ等の
固形発熱体を想定した場合、固形発熱体の表面温度分布
の差を緩和するため、又は固形発熱体の中心温度を融点
以上に高くしないため、多数の高温金属及び低温金属を
備えることが有効である。すなわち熱源１の中央部分の
温度が特に高い場合、中央部の高温金属２ａ及び低温金
属３ａの組合せにより、熱源１より大きな熱流束を得
て、その一部を電気エネルギーに変換し、この電気エネ
ルギーをリード５及び電気制御回路６を経由して両端部
分に供給することにより、外側より見た時の各々の低温
金属３ａの温度及び熱流束の差をなくすことができる。
また電気制御回路６を逆に用いることにより、一部の低
温金属３ａの温度及び熱流束を他の部分より大きくする
ことができる。なお高温金属２ａ及び低温金属３ａの組
合せは、１対１に対応している必要はない。高温金属２
ａ及び低温金属３ａの形状が相違していてもよく、その
一例を図６及び図７に示す。図６に示す実施例は、高温
金属２ｂが一個で熱源１に接触しかつ空隙４を介して複
数の低温金属３ｂが並設されている構成である。また図
７に示す実施例は、形状の異なる複数の高温金属２ｃが
熱源１に接触し、空隙４を介して複数の低温金属３ｃが
並設されている構成である。本実施例によれば、低温金
属の温度分布の精度をさらに向上することができる。
固形発熱体を想定した場合、固形発熱体の表面温度分布
の差を緩和するため、又は固形発熱体の中心温度を融点
以上に高くしないため、多数の高温金属及び低温金属を
備えることが有効である。すなわち熱源１の中央部分の
温度が特に高い場合、中央部の高温金属２ａ及び低温金
属３ａの組合せにより、熱源１より大きな熱流束を得
て、その一部を電気エネルギーに変換し、この電気エネ
ルギーをリード５及び電気制御回路６を経由して両端部
分に供給することにより、外側より見た時の各々の低温
金属３ａの温度及び熱流束の差をなくすことができる。
また電気制御回路６を逆に用いることにより、一部の低
温金属３ａの温度及び熱流束を他の部分より大きくする
ことができる。なお高温金属２ａ及び低温金属３ａの組
合せは、１対１に対応している必要はない。高温金属２
ａ及び低温金属３ａの形状が相違していてもよく、その
一例を図６及び図７に示す。図６に示す実施例は、高温
金属２ｂが一個で熱源１に接触しかつ空隙４を介して複
数の低温金属３ｂが並設されている構成である。また図
７に示す実施例は、形状の異なる複数の高温金属２ｃが
熱源１に接触し、空隙４を介して複数の低温金属３ｃが
並設されている構成である。本実施例によれば、低温金
属の温度分布の精度をさらに向上することができる。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、温度分布の大きい熱源
により加熱される高温金属の熱流束を調節することによ
り、熱流束の差を緩和又は局所的に集中することがで
き、低温金属を所定の温度に加熱することができる。ま
た可動部が不必要なため、高温で長時間使用に耐える効
果がある。
により加熱される高温金属の熱流束を調節することによ
り、熱流束の差を緩和又は局所的に集中することがで
き、低温金属を所定の温度に加熱することができる。ま
た可動部が不必要なため、高温で長時間使用に耐える効
果がある。
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】熱電子発電器の出力特性を示すグラフである。
【図３】電気制御回路の熱電子発電器の接続方式の例を
示す図である。
示す図である。
【図４】電気制御回路の熱電子発電器の接続方式の例を
示す図である。
示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図８】従来の熱電子変換器を示す図である。
１ 熱源 ２ 高温金属 ３ 低温金属 ４ 空隙 ５ リード ６ 電気制御回路
Claims (2)
- 【請求項１】 熱源により加熱される少なくとも一つの
高温金属と、真空又は流体を充填した空隙を介してそれ
ぞれの高温金属に対向して並設される少なくとも一つの
低温金属と、それぞれの高温金属及びそれぞれの低温金
属に接続されそれぞれの高温金属の熱流束を調節しかつ
それぞれの低温金属を所定温度に制御する電気制御回路
とを備えてなることを特徴とする高温用熱流束調節器。 - 【請求項２】 電気制御回路は、熱電子発電器をそれぞ
れの高温金属及びそれぞれの低温金属に電気的負荷とし
て作用させるものであることを特徴とする請求項１記載
の高温用熱流束調節器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6260131A JPH08125236A (ja) | 1994-10-25 | 1994-10-25 | 高温用熱流束調節器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6260131A JPH08125236A (ja) | 1994-10-25 | 1994-10-25 | 高温用熱流束調節器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08125236A true JPH08125236A (ja) | 1996-05-17 |
Family
ID=17343737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6260131A Withdrawn JPH08125236A (ja) | 1994-10-25 | 1994-10-25 | 高温用熱流束調節器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08125236A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007037319A (ja) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Daikin Ind Ltd | 熱電子発電素子 |
-
1994
- 1994-10-25 JP JP6260131A patent/JPH08125236A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007037319A (ja) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Daikin Ind Ltd | 熱電子発電素子 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
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