(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電変換モジュールの設置の可否、最適な熱電変換モジュールの選定および発電性能の評価装置の提供。【解決手段】熱電変換モジュール５を収納する熱電変換モジュール収納室１７と冷却媒体を通過させる冷却室１４との２室に冷却パネル７を介在させて区画された気密ケース１３と、熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを冷却パネルと気密ケース１３の加熱側の面１１ｃとにそれぞれ密着させたプローブ１と、プローブ１を収納し、気密ケース１３の加熱側の面１１ｃを露出させると共に加熱面１１ｃ以外の部分を覆う熱遮蔽用ケース１０と、熱遮蔽用ケース１０を支持するアーム２３とを有し、アーム２３をもって熱遮蔽用ケース１０で覆われたプローブ１を熱電変換モジュールの設置予定場所の高温環境に差し入れ、気密ケース１３の冷却室に冷却媒体を供給しながら気密ケース１３の加熱側の面１１ｃを高温に晒して熱電変換モジュールの性能を実測する。【選択図】図２
2013232500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールを収納する熱電変換モジュール収納室と冷却媒体を通過させる冷却室との２室に冷却パネルを介在させて区画された気密ケースと、
前記気密ケースの外部から導入する冷却媒体を前記冷却室内に通過させて前記冷却パネルを介して前記熱電変換モジュールの冷却面側を冷却させる冷却機構とを備え、
かつ前記熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを前記冷却パネルと前記気密ケースの加熱側の面とにそれぞれ密着させたプローブと、
前記プローブを収納し、前記気密ケースの前記加熱側の面を露出させると共に前記加熱面以外の部分を覆う熱遮蔽用ケースと、
前記熱遮蔽用ケースを支持するアームとを有し、
前記アームをもって前記熱遮蔽用ケースで覆われた前記プローブを熱電変換モジュールの設置予定場所の高温環境に差し入れ、前記気密ケースの前記冷却室に前記冷却媒体を供給しながら前記気密ケースの加熱側の面を高温に晒して前記熱電変換モジュールの性能を実測することを特徴とする熱電変換モジュールの評価装置。
【請求項２】
前記気密ケースの前記熱電変換モジュール収容室を減圧または真空にすることにより前記熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを前記冷却パネルと前記気密ケースの加熱側の面とにそれぞれ密着させたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記冷却媒体の貯蔵タンクおよびドレンタンクを備え、これらのタンクと前記気密ケースの冷却室とを屈曲可能なホースで接続し、かつ前記冷却媒体を前記気密ケースに供給するための電動式ポンプまたは手動式ポンプを備える請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの評価装置。  
【請求項４】
水道と気密ケースの冷却室とをホースを介して直結し、前記水道の圧力により水道水を冷却水として供給させるものである請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの評価装置。
【請求項５】
前記プローブの加熱側の面に熱電対を取り付けた請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置。  
【請求項６】
前記プローブの冷却媒体出入り口配管内またはこれらに接続する屈曲可能なホースに熱電対を取り付けた請求項１から５のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置。
【請求項７】
前記アームに屈曲および伸縮の機能を持たせるか、または継ぎ足し式とすることにより、前記アームの長さおよび前記プローブの向きを調節可能な構造とした請求項１から６のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電変換モジュールの最適な設置場所およびそこでの発電性能などを評価する装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、熱電変換モジュール設置の可否、最適な熱電変換モジュールの選定および発電性能を手軽に概略評価するのに好適な熱電変換モジュールの評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ベルト式電気炉、焼成炉、製鉄所の高炉および大型鍛造品の熱処理炉などの熱設備において加熱された被加熱物から放射されるふく射熱、あるいは煙突、排気ガスダクトおよびスチームダクトなどを流れる排ガスや蒸気などの対流熱を、無駄に捨てるのではなく、その熱を利用して発電することが検討されている。例えば、焼却炉や溶融炉などの既存の高温炉の炉壁からの放熱を利用して熱電発電を行う技術として、多数の熱電変換素子の両端面に絶縁基板を配置した熱電変換モジュールを、複数層の耐火物により構成された高温炉の炉壁の外層に埋め込み、その高温側の絶縁基板を外層よりも内側の層の耐火物に密着させ、その低温側の絶縁基板を炉壁外に露出させるか、あるいは冷却ジャケットに密着させることにより、熱電変換モジュールの両端部に温度差を与えて発電することが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
ここで、熱電変換システムの設計に先立って、熱電変換モジュール設置の可否および発電性能を手軽に概略評価することが望ましい。この熱電変換モジュールの評価の方策としては、従来、熱電変換モジュールを設置できそうな環境下に熱電対を設置して温度を測ることが一般的である。そして、熱電対で測定された温度を熱電変換モジュールの高温側にかかる温度と推定して、熱電変換モジュールの熱電半導体材料の選定あるいは設置の可否について判断をしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９００７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱電対で測定した温度を熱電変換モジュールの高温側にかかる温度と推定して、熱電変換モジュールの選定あるいは設置の可否について判断をしたとしても、最適な判断とならないことが本発明者等の実験により判明した。例えば、熱電対による測定温度が３００℃でも、熱電変換モジュールを実際に設置すると、その高温側温度は１００℃程度となり、低温用ＢｉＴｅモジュールでも満足な発電が出来ないことがあった。また測定温度が４００℃なので、高価な高温用のモジュールを設置したところ、モジュールの高温側温度は２００℃程度で、安価なＢｉＴｅモジュールの方が高出力を得られることがわかった。
【０００６】
このように熱電対による温度測定は、熱電変換モジュールを設置しようとする環境における温度を求めることは熱電変換モジュールを設置するに最も適した場所の選定は可能であるが、その状況下において熱電変換モジュールの高温側の温度がどの程度になるのか、さらにはどのようなモジュールを採用すれば良いのかまでは判断できないものである。このため、熱電変換モジュール設置の可否および発電性能を評価する方策として、熱電対による温度測定は不適当である。
【０００７】
このように熱電変換モジュールの高温側温度と熱電対の温度が大きく異なる現象は、熱電変換素子の発電原理に由来するものと思われる。即ち、熱電変換モジュールの通過熱量Ｑに熱電変換モジュールの変換効率ηをかけた値が、熱電変換モジュールの発電電力であることから、大きな電力を得るには積極的に冷却して熱電変換モジュールの低温側温度Ｔｃを下げ、モジュールの温度差ΔＴを大きくすることが重要となる。そこで、熱電変換モジュールで大きな電力を得るには、熱電変換モジュールの温度差ΔＴを大きくすることが重要であることから、高温側が加熱される一方で、熱電変換モジュールの低温側温度Ｔｃを下げるため積極的に冷却している。他方、熱電対では熱電変換モジュールのように積極的な冷却はしていないため、熱電対本体を伝わって逃げるわずかな熱量を無視すれば、熱電対の先端部はほぼ断熱状態（熱的に孤立した状況）といえる。これが熱電変換モジュールの高温側温度と熱電対の温度が大きく異なる理由である。
【０００８】
また、伝熱工学的な解析手法によって、熱電変換モジュールの性能を評価することも考えられる。例えば、流れる加熱流体からの対流で加熱され、水で冷却される熱電変換モジュールの性能は、以下の手順で計算できる。
Ｑ＝ＡΔＴ／Ｒ＝（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｒ
ここに
Ｑ（Ｗ）：モジュールの通過熱量
Ａ（ｍ２）：モジュールの有効面積
ΔＴ（Ｋ）：モジュールの温度差
Ｔｈ（℃）：モジュールの高温側温度
Ｔｃ（℃）：モジュールの低温側温度
Ｒ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：総合熱抵抗＝Ｒｈ＋ＲＭｏｄ＋Ｒｃ
Ｒｈ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：加熱流体の熱抵抗
ＲＭｏｄ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：モジュールの熱抵抗
Ｒｃ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：冷却水の熱抵抗
上記熱量Ｑに熱電変換モジュールの変換効率ηをかけた値が、熱電変換モジュールの発電電力である。
Ｐ＝η×Ｑ
ここに
Ｐ（Ｗ）：熱電変換モジュールの発電電力
η：熱電変換モジュールの変換効率
加熱流体および冷却水の熱抵抗は、各々の流動状況に依存し、以下の熱伝達係数ｈの逆数で定義される。
Ｒ＝１／ｈ
ｈ＝Ｎｕ×λ／Ｌ
ここに
ｈ（Ｗ／ｍ２Ｋ）：熱伝達係数
Ｎｕ：ヌッセルト（Ｎｕｓｓｅｌｄｔ）数（無次元、流速など流れの状況に依存する）
λ（Ｗ／ｍＫ）：流体の熱伝導率
Ｌ（ｍ）：代表寸法
【０００９】
また、熱源の物体からの輻射により加熱され、水で冷却される熱電変換モジュールの性能は、以下の手順で計算できる。
熱源の物体からモジュールへの輻射伝熱量は次式で定義される。
ＱＲａｄ＝σ（Ｔｈ４−Ｔｃ４）×（１／εｈ＋１／εｃ−１）…（１）
ここに
ＱＲａｄ（Ｗ）：輻射伝熱量
σ＝５．６７×１０−８（Ｗ／ｍ２Ｋ４）：ステファン・ボルツマン定数
Ｔｈ（Ｋ）：熱源温度
Ｔｃ（Ｋ）：モジュール高温側温度
εｈ：熱源の輻射率
εｃ：モジュール高温側の輻射率
一方、モジュールから冷却水への伝導・対流による伝熱量は次式で定義される。
ＱＣｏｎ＝ＡΔＴ／Ｒ＝（Ｔｈ?Ｔｃ）／Ｒ…（２）
ここに
ＱＣｏｎ（Ｗ）：モジュールの通過熱量
Ａ（ｍ２）：モジュールの有効面積
ΔＴ（Ｋ）：モジュールの温度差
Ｔｈ（℃）：モジュールの高温側温度
Ｔｃ（℃）：モジュールの低温側温度
Ｒ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：総合熱抵抗＝ＲＭｏｄ＋Ｒｃ
ＲＭｏｄ  （ｍ２Ｋ／Ｗ）：モジュールの熱抵抗
Ｒｃ（ｍ２Ｋ／Ｗ）：冷却水の熱抵抗
冷却水の熱抵抗は、各々の流動状況に依存し、以下の熱伝達係数ｈの逆数で定義される。
Ｒ＝１／ｈ
ｈ＝Ｎｕ×λ／Ｌ
ここに
ｈ（Ｗ／ｍ２Ｋ）：熱伝達係数
Ｎｕ：ヌッセルト（Ｎｕｓｓｅｌｄｔ）数（無次元、流速など流れの状況に依存する）
λ（Ｗ／ｍＫ）：流体の熱伝導率
Ｌ（ｍ）：代表寸法
従って以上の（１）および（２）式から成る連立方程式の解として、Ｑ＝ＱＲａｄ＝ＱＣｏｎを求め
れば、熱電変換モジュールの発電電力が次式で得られる。
Ｐ＝η×Ｑ
ここに
Ｐ（Ｗ）：熱電変換モジュールの発電電力
η：熱電変換モジュールの変換効率
【００１０】
しかしながら伝熱工学的な解析には、現実にはいろいろな困難がともなう。例えば前者の流れる加熱流体からの対流熱伝熱で加熱される場合には、加熱流体の流速または流量を測定せねばならない。また熱伝達係数を求めるにあたって、類似したモデルでの実験データからの推定の正確さが問題となる。一方、固体ふく射熱伝熱で加熱される場合には、熱電変換モジュール受熱面のふく射率を求める必要がある。従って伝熱工学的な解析には相当な労力を要する一方、その正確さには問題があるのが現状である。このことから、熱電変換システムの設計に先立って、熱電変換モジュール設置の可否および発電性能を手軽に概略評価できる方策が求められているのが現状である。  
【００１１】
本発明は、熱電変換モジュールの設置の可否、最適な熱電変換モジュールの選定および発電性能の概略評価ができる熱電変換モジュールの評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するために請求項１に記載の熱電変換モジュールの評価装置は、熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールを収納する熱電変換モジュール収納室と冷却媒体を通過させる冷却室との２室に冷却パネルを介在させて区画された気密ケースと、気密ケースの外部から導入する冷却媒体を冷却室内に通過させて冷却パネルを介して熱電変換モジュールの冷却面側を冷却させる冷却機構とを備え、かつ熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを前記冷却パネルと前記気密ケースの加熱側の面とにそれぞれ密着させたプローブと、プローブを収納し、気密ケースの加熱側の面を露出させると共に加熱面以外の部分を覆う熱遮蔽用ケースと、熱遮蔽用ケースを支持するアームとを有し、アームをもって熱遮蔽用ケースで覆われたプローブを熱電変換モジュールの設置予定場所の高温環境に差し入れ、気密ケースの冷却室に冷却媒体を供給しながら気密ケースの加熱側の面を高温に晒して熱電変換モジュールの性能を実測するようにしている。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の熱電変換モジュールの評価装置において、気密ケースの熱電変換モジュール収容室を減圧または真空にすることにより、熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを冷却パネルと気密ケースの加熱側の面とにそれぞれ密着するようにしている。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの評価装置において、さらに冷却媒体の貯蔵タンクおよびドレンタンクを備え、これらのタンクと気密ケースの冷却室とを屈曲可能なホースで接続し、かつ冷却媒体を気密ケースに供給するための電動式ポンプまたは手動式ポンプを備えるようにしている。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１または２に記載の熱電変換モジュールの評価装置において、さらに水道と気密ケースの冷却室とをホースを介して直結し、水道の圧力により水道水を冷却水として供給させるようにしている。  
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置において、さらにプローブの加熱側の面に熱電対を取り付けるようにしている。  
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置において、さらにプローブの冷却媒体出入り口配管内またはこれらに接続する屈曲可能なホースに熱電対を取り付けるようにしている。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１つに記載の熱電変換モジュールの評価装置において、さらにアームに屈曲および伸縮の機能を持たせるか、または継ぎ足し式とすることにより、アームの長さおよび気密ケース入りモジュールの向きを調節可能な構造としている。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によると、熱電変換モジュールを設置できそうな高温の環境に本装置の先端の熱遮蔽用ケースで覆われたプローブを挿入するだけで、熱電変換モジュールの性能を即座に実測できる。しかも、本発明の熱電変換モジュールの評価装置は、伸縮・屈曲自在なアームの先端に取り付け、ホースにより冷却水を供給しながら、本モジュールの発電性能を実測できる可搬式装置であることから、使用環境に制約受けずに実地評価が可能となる。したがって、熱電変換システムの設計に先立って、熱電変換モジュール設置の可否、最適な熱電変換モジュールの選定および発電性能の概略評価が可能になる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明によると、簡便な方法により確実に熱電変換モジュールの加熱側面と冷却側面とを冷却パネルと気密ケースの加熱側の面とにそれぞれ密着できる。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明によると、プローブ内に導入される冷却流体が自立した供給系を構築しているので、どのような環境下においても熱電変換モジュールの性能評価を即座に実施できる。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明によると、プローブ内に導入される冷却流体が水道直結により、水道の圧力により水道水を冷却水として供給させるようにしているので、新たな冷却水供給源を必要とせず、設備の簡略化と低コスト化が可能となる。  
【００２３】
また、請求項５に記載の発明によると、プローブの加熱側の面に熱電対を取り付けているので、プローブ加熱面の熱電対指示値をモニターしながら、プローブを熱源に接近させることができ、モジュールが最高出力を出せる位置を把握し、その際のモジュール出力および熱電対指示値を記録することができる。しかも、使用している熱電変換モジュールの許容温度を越えそうになった場合は、直ちにプローブを熱源から遠ざけたり、さらに許容温度の高い熱電変換モジュールを封入したプローブを採用して、再度測定を行うことにより、最適な熱電変換モジュールの選定と評価が実施できる。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明によると、プローブの冷却媒体出入り口配管内またはこれらに接続する屈曲可能なホースに熱電対を取り付けて、冷却媒体の入り口側温度と出口側温度との熱電対指示値をリアルタイムでモニターすることができるので、温度差から熱電変換モジュールの冷却に使われた熱量が正確に計算でき、熱電変換モジュールの正確な評価ができる。しかも、冷却不足による熱電変換モジュールの温度上昇によって耐熱温度を超え破損する虞がない。
【００２５】
さらに、請求項７に記載の発明によると、アームに屈曲および伸縮の機能を持たせるか、または継ぎ足し式とすることにより、アームの長さおよび気密ケース入りモジュールの向きを調節可能な構造としているので、より正確な評価が実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の熱電変換モジュールの評価装置の一実施形態を示す原理図である。
【図２】プローブの一実施形態を示す中央縦断面図である。
【図３】図２のプローブの底面図である。
【図４】プローブの他の実施形態を示す平面図であり、熱遮蔽用ケースから露出する気密ケースの加熱側の面を仮想線で示す。
【図５】図４の気密ケースの加熱側のケース半体を例示する斜視図であり、（Ａ）は表側から見た斜視図、（Ｂ）は裏側から見た斜視図である。
【図６】本発明の熱電変換モジュールの評価装置の他の実施形態を示す原理図である。
【図７】本発明の熱電変換モジュールの評価装置のさらに他の実施形態を示す原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１に、本発明にかかる熱電変換モジュールの評価装置の一実施形態を示す。この実施形態の熱電変換モジュールの評価装置は、熱電変換モジュールと冷却機構とを内蔵するプローブ１をプローブ１の加熱面１１ｃだけを露出させるようにして熱遮蔽用ケース１０に収納し、熱遮蔽用ケース１０ごとプローブ１を熱電変換モジュールを設置できそうな高温の環境に差し入れて、冷却水を供給しながら熱遮蔽用ケースから露出した気密ケースの加熱側の面を高温に晒すことで、熱電変換モジュールの性能を即座に実測できるようにしたものである。プローブ１は角度固定可能なヒンジ２３ａを介してアーム２３の先端に取り付けられた熱遮蔽用ケース１０に納められて、アーム２３の操作により、任意の位置・角度に差し入れ可能に設けられている。
【００２９】
ここで、プローブ１は、図２に示すように気密ケース１３内に、熱電変換モジュール５と、この熱電変換モジュールの冷却面側を気密ケース１３の外部から導入する冷却媒体で冷却させる冷却機構とを備え、かつ熱電変換モジュール５の加熱側面と冷却側面とを冷却機構の冷却パネル７と気密ケース１３の加熱側の面１１ｃとにそれぞれ密着させたものである。この密着を気密ケース１３の内部の熱電変換モジュール５を収容する空間即ち熱電変換モジュール収容室１７を減圧または真空にして行うと、簡便な方法で確実に密着できるため好ましい。
【００３０】
このプローブ１は、熱遮蔽用ケース１０に収納され、気密ケース１３の加熱側の面１１ｃを露出させる一方で、加熱面１１ｃ以外の部分は完全に覆われて周囲の高温環境から遮断されている。例えば、ステンレス製の熱遮蔽用ケース１０に気密ケース１３の下ケース１２側が嵌入される開口窓部４０を設け、該開口窓部４０に気密ケース１３のフランジ部分（周縁部）１１ａ，１２ａを引っかけるようにして上ケース１１側を熱遮蔽用ケース１０の外に配置する一方、下ケース１２側を熱遮蔽用ケース１０の内部に収納されるようにして固定されている。ここで、開口窓部４０と気密ケース１３のフランジ部分１１ａ，１２ａとの間には、断熱材からなるパッキング３８を介在させ押さえリング３９でフランジ部分１１ａ，１２ａを熱遮蔽用ケース１０に固定することが好ましい。これにより、熱電変換モジュール５の冷却側並びに冷却機構を高温環境と遮断して冷却環境を保護するようにしている。ちなみに、熱遮蔽用ケース１０の内部には、必要に応じてプローブ１を覆うように断熱材が充填されることがある。
【００３１】
熱遮蔽用ケース１０を伸縮・屈曲自在なアーム２３の先端に取り付け、アーム２３の伸縮あるいは傾きなどの調整により、熱遮蔽用ケース１０から露出するプローブ１の加熱面１１ｃを任意の位置並びに向きに設置させるようにしている。本実施形態の場合、熱遮蔽用ケース１０はアーム２３の先端に角度固定可能なヒンジ２３ａを介して取り付けられ、アーム２３をもって熱遮蔽用ケース１０で覆われたプローブ１を熱電変換モジュールの設置予定場所の高温環境に差し入れられ、熱源の位置に応じて熱遮蔽用ケース１０を任意の角度に向けられる構造であると共に、気密ケース１３の冷却室１４に冷却媒体を供給しながら気密ケース１３の加熱側の面１１ｃを高温に晒して熱電変換モジュール５の性能を実測するようにしている。アーム２３は、ヒンジ２３ｂを介して複数本のリンク２３ｃを角度調整可能に連結したものである。即ち、アーム２３の長さは本評価装置を保持する人から熱源までの距離などを考慮して決めるべきであり、様々な熱源への汎用性を考えると、アーム２３には屈曲および伸縮の機能を持たせるか、または継ぎ足し式で長さを調節可能な構造とすることが望ましい。具体的には、必要に応じてアーム２３には屈曲および伸縮の機能を持たせるか、または継ぎ足し式で長さを調節可能な構造とすることが望ましい。例えば長さを１〜３ｍの範囲で可変とできることが望ましい。また、アーム２３の素材としては、強度および軽量化の観点から、アルムニウム製のパイプまたはアングルなどの使用が好ましい。
【００３２】
熱遮蔽用ケース１０は、プローブ１を収納するとともに、その加熱面１１ｃ以外の部分および出入り口配管１９ａ，１９ｂに接続するホース２７，２８などを熱源から遮蔽する役目を果たす。したがってその材質は、耐熱性の観点でステンレス鋼などが適する。
【００３３】
プローブ１の加熱面１１ｃには熱電対３３がスポット溶接されている。この熱電対３３は素線またはシース直径が０．３ｍｍ以下が適する。この理由は、プローブ１の加熱面１１ｃ側のケース即ち上ケース１１が厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度の薄肉のステンレス製のため、この厚さと同程度の太さの熱電対３３がスポット溶接しやすいためである。また熱電対３３が太いと、加熱面１１ｃ側のケース即ち上ケース１１と内部の熱分変換モジュール５との密着性が損なわれる恐れがあるためでもある。
【００３４】
また、モジュール１の出入り口配管１９ａ，１９ｂ内にも熱電対３４，３５が設けられている。これによって、入口における冷却水の温度と、出口における冷却水の温度とが測定され、温度差から熱電変換モジュール５の冷却に使われた熱量が計算できる。なお、プローブ１の電極９ａ，９ｂには電力ケーブルが接続されている。熱電対３３，３４，３５の補償導線および電力ケーブル２９，３０，３１は、まとめてアーム２３に沿わせてアーム端部まで引き回し、熱電対３３，３４，３５の支持値を表示する図示しない計測器（デジタル温度計またはペンレコーダーなど）およびモジュール出力を表示する図示しない計測器に接続する。
【００３５】
モジュール１の冷却水入り口配管１９ａは、ホース２７によって冷却水タンク２５に接続され、電池駆動式ポンプ２６で冷却水をモジュール１に供給できる。モジュール１を出た冷却水は出口配管１９ｂからホース２８を経て、ドレンタンク２４に貯められる。冷却水タンク２５およびドレンタンク２４の容量は例えば２リッター程度で十分である。
水冷パネル付きプローブに流すべき冷却水の流量は、例えば、以下に求められる。
（前提条件）
冷却水入口温度：２０℃
冷却水出口温度：２５℃
モジュール変換効率：５％（一般的な熱電変換モジュールの性能）
モジュール１個当たりの出力：５Ｗ（一般的な熱電変換モジュールの性能）
除熱すべき熱量：９５Ｗ
以上の前提条件では、除熱すべき熱量およびそのための冷却水流量は次式で計算される。
Ｐ＝ＷＣｐΔＴ
ここに
Ｐ：  除熱すべき熱量（＝９５Ｗ＝０．０９５ｋＷ）
Ｗ：  冷却水流量（ｋｇ／ｓ）
Ｃｐ：  水の比熱（＝４．２ｋＷｓ／ｋｇＫ）
ΔＴ：  冷却水の温度上昇（＝１０Ｋ）
Ｗ＝Ｐ／（ＣｐΔＴ）＝０．０９５／（４．２×５）＝０．００４５（ｋｇ／ｓ）      ＝４．５（ｇ／ｓ）
従って、冷却水タンク容量が２リッターの場合、流せる時間は以下となる。
２０００（ｇ）／４．５（ｇ／ｓ）＝４４４（ｓ）＞７（ｍｉｎ）
本測定は数分で実施可能なため、上述の２リッター程度の冷却水タンク容量で十分である。冷却水タンク２５には耐圧性能は要求されないため、空き瓶やバケツなどでもよい。なお図示していないが、冷却水タンク２５を使用せずに、水道から直接冷却水を供給するようにしても良い。
【００３６】
上述の冷却水流量は、一般的な性能の従来型ＢｉＴｅ熱電変換モジュールにおいて、冷却水の出入り口温度差を５（Ｋ）にするための条件である。実際の熱電変換システムでは冷却水の出入り口温度差が５〜１０（Ｋ）程度となるように設計することが一般的なため、これを参考に決定した。もし上記の冷却水流量が１／２となると、冷却水の出入り口温度差は１０（Ｋ）になる。冷却水流量が上記よりも極端に低下すると、モジュールの冷却が不十分となり、モジュールの発電性能が低下することになり、本装置の目的であるモジュール設置場所の評価に支障をきたすことになる。さらに冷却水流量が低下または断水した場合は、モジュールがその耐熱温度（従来型ＢｉＴｅモジュールでは２００℃前後）を超え、モジュールは破損する。逆に冷却水流量が上記流量を上回ることは何ら問題ない。以上のことから冷却水流量としては、上記計算で与えられる流量以上であることが望ましい。
【００３７】
また、図１の実施形態では電池駆動式ポンプ２６で冷却水をモジュール１に供給するようにしているが、これに特に限定されるものでなく、図６に示すように手動式の空気ポンプ３６により、気密・耐圧製の冷却水タンク３７を加圧して、冷却水を供給させる構造としても良い。
【００３８】
さらには、図７に示すように、熱源の状況によりプローブ１の加熱面１１ｃがアーム２３を保持する人の方を向く必要がある場合がある。この場合には、熱遮蔽用ケース１０が下を向いた状態で、熱遮蔽用ケース１０の側壁をヒンジ２３ａによってアーム２３の先端に固定するように構成されている。
【００３９】
いずれの実施形態においても、プローブ１は、気密性の容器（以下、気密ケースと呼ぶ）１３に熱電変換モジュール５を密封して内部を減圧または真空としている。熱電変換モジュール５は、例えば図２及び図４に示すように、少なくとも一対の熱電半導体２と、熱電半導体２と電気的に接続されている一方の電極３及び他方の電極４から構成され、各電極３，４を直列に接続して端部のリード線８から一対の電極９ａ，９ｂに導通させる電気回路を構成している。ここで、一対の電極９ａ，９ｂは電気絶縁体１８並びに気密シール２１を気密ケース１３の電極取り出し用孔との間に介在させて気密ケース１３の一隅からケース外部に貫通するように設けられている。これにより、気密ケース１３の密封性を保ちつつ、熱電変換モジュール５が発電した電力を気密ケース１３の外側へと取り出すことができるようにしている。
【００４０】
気密ケース１３は、本実施形態の場合、フランジ付き上ケース１１とフランジ付き下ケース１２とで構成され、たとえば熱電変換モジュール５並びに電極９ａ，９ｂなどの付帯装備を収容した後に真空雰囲気下で上部ケースおよび下部ケースの周縁（フランジ１１ａ，１２ａ）部分を電子ビーム溶接などで接合することによって、内部を減圧または真空状態として一体化されている。より具体的には、気密ケース１３は、その内部を冷却パネル７で熱電変換モジュール収納室１７と冷却室１４との２室に分画されている。そして、熱電変換モジュール収納室１７に熱電変換モジュール５が収納されると共に減圧ないし真空引きにより容器外部との間に圧力差が生成されるように設けられている。ここで、上ケース１１の熱電変換モジュール５と対向する面（本明細書では、プローブ１の加熱面と呼ぶ）１１ｃが熱電変換モジュール５の一面に熱を伝える加熱板に相当する。
【００４１】
気密ケース１３の内部即ち熱電変換モジュール収納室１７の圧力は、たとえば、当該気密ケース１３の外の圧力よりも低いものとして少なくとも運転時に０．４気圧以上の差圧が得られる減圧雰囲気又は真空とすることが好ましい。この差圧の存在により気密ケース１３に外からかかる加圧力により、熱電変換モジュールと上ケース１１並びに冷却パネル７とのそれぞれの接触界面において加圧・密着され、接触熱抵抗が低減される。因みに、本発明者等の実験によると、例えば５５０℃、大気圧下で運転するプローブ１を想定すると、室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とすると、５５０℃に加熱した際の内圧Ｐ５５０は絶対圧で０．５５気圧、ゲージ圧で−０．４５気圧となり、十分な温度差を与えるに十分な圧力を付与できることが判明した。この場合の外部から押しつける圧力は０．４５ｋｇ／ｃｍ２＝４．５ｔｏｎ／ｍ２である。
【００４２】
ここで、気密ケース１３の少なくとも熱電変換モジュール５（熱電半導体２の他方の面）と対向する面・加熱面１１ｃが容器内外の圧力差によって変形して熱電変換モジュール５に押圧される程度の柔軟性と、圧力差で破壊せずに気密性を確保できる程度の剛性とを備える伝熱性素材で構成されていることが好ましい。そこで、本実施形態の場合には、少なくとも熱遮蔽用ケース１０の外に露出する上ケース１１が熱伝導性に優れる材料の薄板で形成されている。例えば、熱電半導体２としてＢｉＴｅなどを用いて低温用のプローブ１を構成する場合、熱遮蔽用ケース１０から露出する上ケース１１部分の温度は例えば２５０℃程度以下となるため、上ケース１１の材質としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、構造用鋼（例えばＳ４５Ｃ等）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などを採用できる。また、熱電半導体２として例えばＳｉＧｅやＦｅＳｉなどを用いて高温用のプローブ１を構成する場合、熱遮蔽用ケース１０から露出する上ケース１１部分の温度は例えば６００℃程度となるため、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などの使用が好ましい。さらに高温で測定する場合には、上ケース１１の材質としては、例えばチタン（Ｔｉ）合金やニッケル（Ｎｉ）基耐熱合金（例えばインコネル（Special Metals Corporationの登録商標））などの使用が好ましい。勿論、上ケース１１の材質は例示したものに限定されず、また必ずしも金属に限定されず、耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点から使用環境に応じて使用可能な材質を選定することもある。またプレス成形加工による一体成形品の皿状の上ケース１１を作製することには限定されない。場合によっては、単なる薄板材を箱形の下ケース１２に被せるように溶接付けするようにしても良い。
【００４３】
また、下ケース１２の内側には、熱媒体が流される流路１６が形成される冷却室１４と、熱電変換モジュール５の電極３，４が容器の外に引き出される電極９ａ，９ｂを配置するための電極用溝部２２とが設けられている。この冷却室１４と電極用溝部２２とは、堰２０によって区切られており、冷却室１４を包囲する堰２０の上面に載置するように冷却パネル７を被せることによって下ケース１２の一部、即ち熱電変換モジュール５が配置される部分の下にのみ熱媒体が偏り無く均一に流れる流路１６が設けられている。冷却パネル７は、堰２０の上面に形成された段付きの受座に嵌合させて接合されることによって下ケース１２との間に液密の流路１６を形成する。これにより、外部の冷却水供給源から供給される冷却水で直接冷却パネル７を冷却し、熱電変換モジュール基板６を介して熱電変換モジュール５の一面を効率的に冷却することを実現できる。冷却水供給源としては、例えば冷却水タンク２５とポンプ２６及び配管２７とで構成されている。なお、冷却水としては、特定の物質に限られるものではなく、通常には取り扱いが容易な水の使用が好ましいが、場合によっては油やその他の冷媒などを用いるようにしても良い。
【００４４】
本実施形態の気密ケース１３では、下ケース１２の全域を冷却室１４とせずに、一側に電極を取り出し配置するための電極用溝部２２を設け、冷却パネル７の上方の空間と連通して熱電変換モジュール収納室１７の一部を構成させている。なお、下ケース１２は、本実施形態の場合、熱媒体との共存性に優れた材料からなる薄板をプレス加工などで図に示すように絞り加工によって容器本体が成形されている。また、冷却パネル７および出入り口配管１９ａ，１９ｂの材質は、冷却または加熱媒体との共存性に優れたものが好ましく、例えば水に対してはステンレス鋼などが適する。
【００４５】
冷却水を流す流路１６は、図２及び図３に示すように、下ケース１２の底面から冷却パネル７へ向けて突出する複数の仕切り壁１５によって形成された曲がりくねった１本の溝であり、その両端に熱媒体の入口１９ａと出口１９ｂとがそれぞれ形成されている。熱媒体の入口１９ａと出口１９ｂとは、下ケース１２の底面に開口された孔にろう付けや溶接などで接合された配管によって構成され、外部の熱媒体供給源と可撓性を有するホース２７，２８などによって接続されている。これにより、冷却室１４には、外部冷却水供給源例えば冷却水タンク２５から冷却水を導入しドレンタンク２４に排出する流路１６を形成し、冷却パネル７を介在させて流路１６内を循環する熱媒体で熱電半導体２の一方の面に熱授受を図るようにしている。
【００４６】
また、熱電変換モジュール５は熱伝導性を有する熱電変換モジュール基板６によって支持されている。冷却パネル７を電子ビーム溶接などで下ケース１２の堰２０部分に溶接する必要があるため、冷却パネル７に直接熱電変換モジュール５が搭載される場合には、溶接の熱でモジュールを壊してしまうおそれがある。このため、熱電変換モジュール５を熱伝導性を有する熱電変換モジュール基板６を介して支持するようにしている。この熱電変換モジュール基板６は、例えば電気絶縁性接合材により電極４が接合されている金属板、あるいは電極４が蒸着されたセラミック基板からなり、冷却パネル７に対して例えば接着剤やろう材などを用いて接合され密着されるか、または熱伝導性グリースを塗布して密着されている。なお、セラミック基板の熱電変換モジュール基板６の場合には、冷却パネル７を兼ねることができ、金属・セラミック接着剤によりこれを堰２０に接着しても良い。
【００４７】
このプローブ１の上ケース１１の熱電変換モジュール５と対向する面・加熱面１１ｃと電極板３との間には、図示していないが少なくとも熱伝導性と摺動性（滑り）を備えている滑り材を介在させることが好ましい。この滑り材の介在により上ケース１１と電極３との間の熱的連結が図られると共に、上ケース１１と電極３との間の相対的摺動を容易ならしめる。このため、例えば気密ケース１３が熱膨張しても、気密ケース１３の上ケース１１部分を滑り材の上で滑らせて面方向にスライドさせるので、熱電半導体２および電極３および電極４には、大きなせん断応力は作用しない。従って、プローブ１を大型化しても、脆弱な熱電半導体２を破壊したり、接合面で剥離を生じることはない。また、滑り材が介在する界面は、気密ケース１３内外の差圧により気密ケース１３の外から加圧されるため、良好な密着性により当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体２に大きな温度差を負荷できる。ここで、滑り材としては、カーボンシートや高分子シートなどの熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材あるいは熱伝導性グリースのような粘性物の使用が好ましい。この滑り材としては、電気絶縁性を備えていることが好ましいが、電極部と滑り材との間に電気絶縁材あるいは電気絶縁層が介在されれば、滑り材そのものが電気絶縁性を備える必要はない。
【００４８】
ここで、熱遮蔽用ケース１０の外に露出する加熱側のケース半体（上ケース）１１は、図４及び図５に示すように、内方に収納する熱電変換モジュール５の受熱面と平行な面（加熱面）１１ｃと他方のケース半体（下ケース）１２と接合される周縁１１ａ及び加熱面１１ｃと周縁１１ａとの間を繋ぐ側面１１ｂとを有し、かつ側面１１ｃが周方向に波形を成して可撓面３２を形成するようにした可撓性の容器に構成しても良い。この場合、加熱側ケース半体１１の加熱面１１ｃが熱遮蔽用ケース１０の外に露出して加熱されるため、膨張（加熱面１１ｃとしての面積が増加）を起こしても、側面１１ｂの加熱面１１ｃに近い部分では波形の可撓面３２のピッチが広がるように曲げ変形を起こすことで、加熱面１１ｃの膨張に追従してケース全体を無理なく変形させる。これにより、上ケース１１の加熱面１１ｃは熱電変換モジュール５の面外変形に追従するように面方向に変形し、密着状態を維持することができる。したがって、熱電変換モジュールの受熱面と上ケース１１の加熱面１１ｃとの接触界面における接触熱抵抗を小さくして、熱電半導体に大きな温度差を与えることができるので、出力低下を招く恐れがない。ちなみに、下ケース１２は、熱遮蔽用ケース１０に覆われるため、上ケース１１に比べて大きな熱負荷の変動（温度変化）を受けることが少なく、熱応力が遙かに小さいので、可撓性の容器に構成する必要性は少ない。
【００４９】
上ケース１１は、例えば厚さ０．１ ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工（深絞り加工）したものであり、その側面１１ｂが周方向に波形を成すように形成された可撓面３２を構成することにより、気密ケース１３の上下の受熱面間の熱膨張差に対する熱応力緩和が容易な構造とされている。可撓性容器は、圧力差や熱変形によって破断しない程度の強度を維持できる範囲で可能な限り厚みを薄くすることが好ましい。
【００５０】
ここで、加熱側の上ケース１１は、熱伝導性に優れる材料の薄板で形成されている。いずれも素材の厚さは０．１ ｍｍ〜０．５ ｍｍ程度が適するが、これに限定せずモジュールの大きさや差圧なども考慮して決定することが好ましい。勿論、使用環境に応じて耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点から最も最適なものが、使用可能な材質として選定される。
【００５１】
可撓面３２を有する上ケース１１と下ケース１２との肉厚の差を解消するため、肉厚の薄い上ケース１１の周縁１１ａに下ケース１２とほぼ同じ厚さの補助リングを宛がってビーム溶接によりへり継手を形成するように溶接されている。尚、フランジ１１ａ，１２ａの接合は電子ビーム溶接に限られず、ケース材料に適したその他の溶接法やろう材、接着剤などで接合することが可能である。
【００５２】
以上のように構成された気密ケースと熱電変換モジュールとの組み立てに際しては、例えば溶接前の加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間で構成される気密ケース１３の内部高さは、収納する熱電変換モジュール５およびカーボンシートなどの滑り材やマイカシートなどの各種構成物の合計高さよりも０．２ｍｍ程度小さく設定されている。即ち、下側となる冷却側ケース半体１２に熱電変換モジュール５および各種構成物を入れ、さらに上側となる加熱側ケース反対１１を乗せると、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間には０．２ｍｍ程度の隙間が生ずる。この隙間をケースの周囲から治具により押さえつけて真空下で電子ビーム溶接すると、上側の薄肉の可撓性容器たる加熱側ケース半体１１と下側の薄肉容器たる冷却側ケース反対１２とが変形する（膨らむ）ことにより密封される。電子ビーム溶接は真空チェンバーの中で行うため、容器内部は真空となっている。したがって、収納する熱電変換モジュール５および各種構成物は、波形の可撓面３２付近が変形することにより上下のケース半体１１，１２が完全に密着した状態で１気圧（０．１ MPa=１ kg/cm2）の力で上下から押さえつけられるため、各種構成要素の接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール５に大きな温度差を与えることができる。
【００５３】
以上のように構成されたプローブ１によれば、気密ケース１３は内外の差圧により外側から押圧力を受ける。この押圧力を利用して気密ケース１３の上ケース１１の加熱面１１ｃが熱電変換モジュール５に均一に押しつけられる。気密ケース１３の上ケース１１に受ける熱が熱電変換モジュール５に均一に授受される。他方、熱電変換モジュール５の冷却側の面には気密ケース１３内の流路１６を流れる熱媒体の熱を冷却パネル７及び熱電変換モジュール基板６を介して効率良く伝熱される。しかも、気密ケース１３の下ケース１２部分が熱遮蔽用ケース１０並びに必要に応じて図示していない断熱材で包囲されているので、上ケース１１のみが高温熱源に晒される。したがって、プローブ１に加圧機構を用いて外力を付与しなくとも、熱電変換モジュール５には適宜温度差が与えられる。
【００５４】
このように、本発明のプローブ１は、気密ケース１３内に冷却流体（あるいは加熱流体）を流すように設けられているので、あらゆる環境下においてプローブ１を配置するだけで使用している熱電変換モジュールの設置の可否、最適な熱電変換モジュールの選定および発電性能などを手軽に概略評価することができる。
【００５５】
まず、プローブ１を候補となる熱源の近くに保持できるように、プローブ１の加熱面１１ｃの向き（ひいては熱遮蔽用ケース１０の向き）およびアーム２３の長さ・屈曲度を設定する。次に、冷却水を給水タンク２５から冷却水をプローブ１の冷却室１４内に導入して、流路１６内を通過させてからドレン２４に排出させる。そして、プローブ１の加熱面１１ｃおよび冷却水出入り口温度の熱電対指示値およびモジュール出力をモニターしながら、アーム端部を保持してプローブを上記熱源に接近させる。これにより、モジュールが最高出力を出せる位置を把握し、その際のモジュール出力および上記熱電対指示値を記録する。なお、モジュール出力の測定には、電子付加装置を用いることが望ましい。モジュールはその内部抵抗と外部抵抗（モジュール外部の電力ケーブルの抵抗）が等しい場合に最高出力を出せることがわかっている。一般に寸法４ｃｍ角程度のモジュール１個の内部抵抗は、全長数ｍの電力ケーブルの抵抗に比べて大きいため、電力ケーブル側に抵抗を付加してモジュールの内部抵抗と外部抵抗を釣り合わせる必要がある。したがって、電子付加装置はこれを自動的に実施する機能があり便利である。
【００５６】
なお測定中には、モジュール加熱面１１ｃの温度および冷却水出口温度のモニターおよび冷却水の循環が行われていることの確認を怠らないよう注意することが望まれる。特に、モジュール加熱面１１ｃの温度は、熱電変換モジュール５の許容温度を超えないよう注意することが必要である。本許容温度を超えると、熱電区変換モジュール５がその耐熱温度を超え破損する。また冷却水流量が極端に低下または断水すると、正確な評価ができないばかりか、モジュールがその耐熱温度を超え破損する虞が生ずる。
【００５７】
ここで、気密ケース１３に封入する熱電変換モジュール５としては、想定する熱源に適すると予想されるモジュールであることが望ましいが、それが不明な状況で本発明の装置を用いる観点から考えると、先ずは一般的な低温用のＢｉＴｅモジュールを封入したプローブ１を採用して評価することが好ましい。この場合において、プローブ１の加熱面１１ｃの熱電対３３の指示値がＢｉＴｅモジュールの許容温度（２００℃前後）を越えそうになった場合は、直ちに本モジュールを熱源から遠ざける。そして許容温度のより高い熱電変換モジュール５を封入したプローブを採用して、再度測定を行うことが望ましい。
【００５８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、気密ケース１３の内部を仕切り板７によって熱電変換モジュール収納室１７と冷却室１４との２室に分画し、かつ仕切り板７を冷却パネルとして機能させる例を挙げて主に説明しているが、この冷却構造に限られず、場合によっては気密ケース１３とは別体の独立構造の冷却パネルを内蔵することも可能である。ここで、冷却パネルは、密閉された函体内に熱媒体を通過させる流路を形成したもので、例えばチューブを内蔵したり、あるいはプレス成形によって底面に溝が形成された函体を蓋で封するようにしたものでも良い。また、気密ケース１３を構成する加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との２部材は、必ずしも図２及び図３に示すような、比較的薄肉のプレス成形品をビーム溶接などで重ね合わせるような構造のものに限られず、冷却パネルに例えば図５に示すような加熱側ケース半体１１を直接溶接することによって構成するようにしても良い。
【００５９】
また、本実施形態においては、気密ケース１３の内部に冷媒を流す流路あるいは冷却パネルを配置したプローブ１により、外部の熱源として放射熱や対流熱、あるいはダクトを介した伝熱などを用いるようにした例を挙げて主に説明したが、場合によっては気密ケース１３の内部に加熱媒体を導入して外部の熱源を冷熱源とする環境下において熱電変換モジュールの評価をすることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１  プローブ
５  熱電変換モジュール
７  冷却パネル
１０  熱遮蔽用ケース
１１  上ケース
１２  下ケース
１３  気密ケース
１４  冷却室
１６  流路
１７  熱電変換モジュール収容室
１９ａ  熱媒体入口
１９ｂ  熱媒体出口
２３  アーム
２４  ドレンタンク
２５  給水タンク
２６  電池駆動式ポンプ
２７，２８  ホース
２９，３０，３１  補償導線および電力ケーブル
３３，３４，３５  熱電対
３６  手動式の空気ポンプ
３７  気密・耐圧製の冷却水タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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