(57)【要約】【課題】  熱電素子に直流電流を流してゼーベック係数，電気抵抗率及び熱伝導率などの複数項目の熱電特性を測定するように構成された熱電特性測定装置において，室温より離れた温度領域での測定を可能にする。【解決手段】  熱電特性測定装置は，電流線３０及び熱電対３６が接続された熱電素子１６が収容される内側空間１９を囲み，熱電素子１６からの輻射熱を内側空間１９へ反射する熱リフレクタ１８と，熱リフレクタ１８の温度を熱電素子１６とほぼ同等の温度になるように制御する手段と、電流線３０及び熱電対３６の温度を熱電素子１６とほぼ同等の温度になるように制御する手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子（１６）に直流電流を流したときの前記熱電素子（１６）の温度を測ることにより，前記熱電素子（１６）の熱電特性を測定する装置において，
前記直流電流を流すための電流線（２０，３０）及び前記温度を測るための熱電対（２４，３６）が取り付けられた前記熱電素子（１６）が収容される内側空間（１９）を囲み，前記熱電素子（１６）からの輻射熱を前記内側空間へ反射する熱リフレクタ（１８）を備えた熱電特性測定装置。
【請求項２】
前記熱リフレクタ（１８）の温度を前記熱電素子（１６）とほぼ同等の温度になるように制御する熱リフレクタ温度制御手段を更に備えた請求項１記載の熱電特性測定装置。
【請求項３】
熱電素子（１６）に直流電流を流したときの前記熱電素子（１６）の温度を測ることにより，前記熱電素子（１６）の熱電特性を測定する装置において，
前記熱電素子（１６）に直流電流を流すための電流線（３０）及び前記熱電素子（１６）の温度を測るための熱電対（３６）に結合され，前記電流線（３０）及び前記熱電対（３６）の温度を前記熱電素子（１６）とほぼ同等の温度になるように制御する電線温度制御手段を備えた熱電特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，熱電発電などの熱電変換の用途に用いられる半導体素子（以下，熱電素子という）がもつ熱電特性を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１にあるように，熱電素子に電流を流したときの熱電素子の温度を測ることにより熱電素子の複数項目の熱電特性，例えばゼーベック係数，電気抵抗率及び熱伝導率を測定する方法が知られており，その一つとして，例えば「トランジェント(Transient)法」と呼ばれる方法が知られている。「トランジェント法」を用いた測定装置は，熱電素子に直流電流を流し，熱電素子の両端部にかかる電圧と素子両端の温度差を計測し，これに基づいて，ゼーベック係数，電気抵抗率及び熱伝導率といった複数項目の熱電特性を同時的に求める。この装置では，熱電素子の両端部又は一端部に，熱電対や電流印加のための電線又は電極が取り付けられ，そして，室温付近の温度領域で測定が行なわれる。
【非特許文献１】Richard J. Buist, CRC Handbook of Thermoelectrics,Ed. Rowe, 1995, CRC press, inc. Chapter 18
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱電素子が例えば熱電発電に用いられる場合，室温よりも高い温度領域での熱電特性が解析される必要がある。例えば，室温から摂氏３００度程度までの温度領域の熱電特性が測定されることが要求される。
【０００４】
しかし，上述した，熱電素子に直流電流を流してゼーベック係数，電気抵抗率及び熱伝導率などの複数項目の熱電特性を測定するように構成された従来の熱電特性測定装置では，室温より離れた温度領域での熱電特性の測定が困難である。その理由は，熱電素子と周囲環境との間に余計な熱流が発生し，この熱流が特性測定を妨害するからである。測定温度が室温から離れるほど，熱電素子と周囲環境との間の温度差が大きくなるので，余計な熱流が大きくなり，正確な測定をますます困難にする。
【０００５】
従って，本発明の目的は，熱電素子に直流電流を流してゼーベック係数，電気抵抗率及び熱伝導率などの複数項目の熱電特性を測定するように構成された熱電特性測定装置において，室温より離れた温度領域での熱電特性の測定を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従う，熱電素子に直流電流を流したときの前記熱電素子の温度を測ることにより，前記熱電素子の熱電特性を測定する装置は，前記直流電流を流すための電流線及び前記温度を測るための熱電対が取り付けられた熱電素子が収容される内側空間を囲み，前記熱電素子からの輻射熱を前記内側空間へ反射する熱リフレクタを備えている。
【０００７】
好適な実施形態では，前記熱リフレクタの温度を前記熱電素子とほぼ同等の温度になるように制御する熱リフレクタ温度制御手段が更に設けられる。
【０００８】
本発明の別の観点に従う，熱電素子に直流電流を流したときの前記熱電素子の温度を測ることにより，前記熱電素子の熱電特性を測定する装置は，前記熱電素子に直流電流を流すための電流線及び前記熱電素子の温度を測るための熱電対に結合され，前記電流線及び前記熱電対の温度を前記熱電素子とほぼ同等の温度になるように制御する電線温度制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱リフレクタを備えた熱電特性測定装置によれば，室温より離れた温度領域であっても，熱リフレクタが熱電素子からの輻射熱を反射して内部空間へ戻すため，熱電素子の実効輻射率が低減し，熱電素子と周囲環境との間の熱流が抑制されるので，測定の精度が向上する。
【００１０】
また，熱リフレクタ温度制御手段が更に設けられた場合には，熱電素子と周囲環境との間の熱流がさらに効果的に抑制されるので，測定の精度がより向上する。
【００１１】
本発明の電線温度制御手段を備えた熱電特性測定装置によれば，室温より離れた温度領域であっても，電線温度制御手段が熱電素子に接続された電流線や熱電対の温度を熱電素子の温度とほぼ同等になるように制御するので，電流線や熱電対を通じて流れる熱電素子と周囲環境との間の熱流が抑制されるので，測定の精度がより向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は，本発明の一実施形態に従う熱電特性測定装置の全体構造を示す。
【００１３】
図１に示すように，ヒータブロック１０上に，板状の熱アンカ１２が置かれ，この熱アンカ１２上に，板状の試料ホルダ１４が置かれ，この試料ホルダ１４の表面上の中央部に熱電素子の試料16が固定される。試料１６は，例えばｎ型Bi2Te3のような熱電変換機能をもつ半導体のブロックである。ヒータブロック１０と熱アンカ１２と試料ホルダ１４は，間に隙間ができないよう密着している。
【００１４】
ヒータブロック１０は，図示しない制御装置により駆動され，試料ホルダ１４が所定の設定温度になるように，その加熱量が制御される。熱アンカ１２は，Al2O3又はAlNのような熱伝導性の良好な電気絶縁材料製の部品であって，試料１６に接続された電流線３０及び熱電対３６の温度を試料１６と同等にする役目をもつとともに，電流線３０と熱電対３６をそれぞれ電気的に絶縁し，かつ，試料ホルダ１４と電流線３０との間の電気的絶縁，及び試料ホルダ１４と熱電対３６との間の電気的絶縁を行う。ヒータブロック１０と熱アンカ１２と試料ホルダ１４は，間に隙間ができないよう密着状態で結合されており，これらの部品間の熱伝達は良好である。
【００１５】
試料ホルダ１４は，例えば銅又はアルミニウムのような熱伝導性と電気伝導性の良好な金属製の板である。試料ホルダ１４の表面は，光沢が出るよう平坦に加工され，例えばニッケルのような赤外線の反射率の良い金属でめっきされる。試料ホルダ１４のニッケルめっきされた表面に，試料１６の下端面が半田付け，蝋付け又はその他の電気的及び熱的に界面抵抗の低い冶金的方法で接合される。試料ホルダ１４と試料１６は電気的及び熱的に良好な導通状態にある。試料ホルダ１４の表面のニッケルでめっき層は，試料１６からの輻射熱（赤外線）を高い反射率で反射して試料１６の実効輻射率を低減する役目と，試料ホルダ１４の基材（例えば銅）が試料１６に拡散することを防止する役目とを持つ。
【００１６】
試料ホルダ１４の表面上の試料１６の近傍の２箇所に，測定用の直流電流を流すための電流線２０と，試料ホルダ１４の温度（実質的に試料１６の下端温度）を測定するための熱電対２４が，それぞれ半田２２，２６（又は蝋付けなどの電気的及び熱的に界面抵抗の低い冶金的方法）により接着される。
【００１７】
試料１６の上端面には，電極片２８が接合され，この電極片２８も，試料ホルダ１４と同様，例えばニッケルめっきされた銅又はアルミニウムの小板である。この電極片２８の上面の２箇所に，測定電流を流すための電流線３０と，電極板２８の温度（実質的に試料１６の上端温度）を測定するための熱電対３６が，それぞれ半田３２，３８（又は蝋付けなどの電気的及び熱的に界面抵抗の低い冶金的方法）により接着される。
【００１８】
試料ホルダ１４上に，箱型の熱リフレクタ１８が被せられ，熱リフレクタ１８によって囲まれた内部空間１９内に，試料１６やその周辺の熱電対や電流線２０，３０及び熱電対２４，３６が収容される。熱リフレクタ１８は，例えば銅又はアルミニウムのような熱伝導性の良好な金属製の板である。熱リフレクタ１８の表面（特に内部空間１９に露呈する内面）は，光沢がでるよう平坦に加工され，例えばニッケルのような赤外線の反射率の良い材料でめっきされる。或いは，熱リフレクタ１８は，例えばステンレス鋼のようにそれ自体が赤外線の反射率の高い材料で作られ，その内面は光沢が出るよう平坦に加工される。熱リフレクタ１８の下端面は，試料ホルダ１４の上面に間に隙間ができないよう密着状態で結合されており，両者間の熱伝導性は良好である。熱リフレクタ１８は，試料１６からの輻射熱（赤外線）を高い反射率で反射して内側空間１９へ返し，それにより試料１６の実効輻射率を低減する役目をもつ。熱リフレクタ１８の内側空間１９は，図示しない真空ポンプにより，１０−２以下の真空状態にされる。また，熱リフレクタ１８の一部分には貫通孔（図示せず）が設けられ，内部空間１９内の電流線２０，３０及び熱電対２４，３６がその貫通孔を通って熱リフレクタ１８の外部へ引き出されて，図示しない信号処理装置へ接続される。電流線２０，３０の通過孔は電気絶縁され，熱電対２４，３６の通過孔は極力小さくされる。
【００１９】
試料１６の上端部の電極片２８に接続されている電流線３０と熱電対３６は，その熱リフレクタ１８外へ引き出された部分の途中箇所に，熱伝導性の良い材料で作られた熱アンカ圧着端子４０，４２，４４を有している。この熱アンカ圧着端子４０，４２，４４は，例えば螺子により，熱アンカ１２に密着状態で結合されており，それにより，熱アンカ１２と電流線３０及び熱電対３６との間の熱伝導性が良好になっている。
【００２０】
以上の構成の測定装置において，試料１６の熱電特性の測定は，図示しない信号処理装置により，熱電素子に直流電流を流して行う方法（例えばトランジェント法）を用いて概略次の処理手順で行なわれる。
【００２１】
試料１６の均熱を確保した状態で，試料１６の上端部の電流印加前後の温度差が数度程度になるような大きさの直流電流を試料１６に印加する。その後，試料１６の温度分布が安定したところで電流を遮断する。電流遮断直前の試料１６の上下端の温度，電流遮断直後の試料１６上下端の電圧変化を観測し，最初に試料１６の電気抵抗率，ゼーベック係数を算出する。その後，印加した電流，試料１６の上下端の温度差，試料１６の平均温度，ゼーベック係数の値から，熱伝導率と性能指数を求める。
【００２２】
試料１６の外部環境に対する熱の流出，流入が全く無いときは，無次元性能指数は，ハーマン法による公知の方程式（後述）により求めることが出来る。しかし，試料１６の温度を室温以上又は以下の温度に設定した場合，実際には外部環境に対する熱の流出，流入を零にすることは不可能である。そのため，無次元性能指数の方程式から求めた性能指数，更に，先の計算で求めた電気抵抗率とゼーベック係数を用いて逆算した熱伝導率を初期値として解析計算を行い，より正確な熱伝導率，性能指数を求める。その計算方法の詳細は後に説明する。以上の測定を，試料１６の温度を各設定温度にした状態で行うことで，試料１６の温度毎の熱電性能を評価することができる。
【００２３】
上述した測定において，試料１６の熱伝導率は，ペルチェ吸熱とジュール熱と外部から流出入した熱の総和を試料１６の上下端の温度差で割れば求められる。試料１６の外部環境に対して流出入する熱は，試料１６の上端の温度だけの関数に書き直すことが出来る。外部環境に対して流出入する熱の主な要因は試料１６の熱輻射，試料１６の上端に付けた電流線３０及び熱電対３６による熱伝導，大気による熱伝導，大気の対流による熱流である。これらの値は小さければ小さいほどより正確な測定が出来る。
【００２４】
この測定装置では，試料１６が真空中に設置されるため，まず，大気による熱伝導と，大気の対流による熱流を無視できる。次に，電流線３０及び熱電対３６による熱伝導は，電流線３０及び熱電対３６を細長くすることにより低減できるが，電流線３０及び熱電対３６に発生するジュール熱やノイズの少ない温度測定をすることを考慮すると，電流線３０及び熱電対３６を細長くするには限度がある。そこで，この測定装置では，電流線３０及び熱電対３６の中継地点が，試料ホルダ１４とヒータブロック１０の間に挿入された熱伝導性の良い熱アンカに結合されて，試料１６とほぼ同等の温度にまで加熱される。それにより，設定温度が室温以上であっても以下であっても，電流線３０及び熱電対３６からの熱の流出入が極力小さく抑制される。電流線３０及び熱電対３６の熱伝導率は，その材質とサイズから比較的正確に見積もることが出来るため，電流線３０及び熱電対３６に起因する測定誤差を大幅に低減させることができる。
【００２５】
最後に，最も大きな不確定要因になるのは試料１６の実効輻射率であり，この値を出来るだけ小さく抑え，且つ正確に求めることにより，より正確な熱伝導率を見積もることが出来る。そこで，この測定装置では，試料１６の周りにこれを包囲するように輻射熱を内方へ反射する熱リフレクタ１８が配置され，熱リフレクタ１８が試料１６下部の試料ホルダ１４に密着して試料１６とほぼ同じ温度に保持されて，試料１６からの輻射熱を反射して試料１６の側へ戻す。それにより，設定温度が室温以上であっても以下であっても，試料１６の実効的な輻射率が低減される。
【００２６】
実際，この測定装置における試料１６の実効的な輻射率を算出してみたところ，図２に示すように摂氏１００度から３００度程度の室温よりかなり高い温度領域においてさえ，実効輻射率は０．１５程度の非常に低いものであることが確認された。
【００２７】
従って，この測定装置によれば，室温から大きく外れた温度範囲において熱電素子の性能をより精度良く評価することが可能である。また，単体の熱電素子のみでなく，複数の熱電素子から構成される熱電モジュールの性能評価も可能である。
【００２８】
なお，上述した実施形態では，熱リフレクタ１８の温度を試料１６とほぼ同等の温度にするために，熱リフレクタ１８の下端面を試料ホルダ１４に結合させている。変形例として，この構成に加えて，熱リフレクタ１８の上面へヒータを導入し，熱リフレクタ１８の均熱性を向上させるようにしてもよい。また，別の変形例として，電流線３０及び熱電対３６の温度を試料１６とほぼ同等の温度にするための熱アンカ１２は，ヒータブロック１０と試料ホルダ１４との間に配置される必要は必ずしもなく，別の場所に配置されてもよい。
【００２９】
最後に，この測定装置で採用され得る，トランジェント法による熱電特性の測定処理の具体的な計算を説明する。
【００３０】
図３は，試料を流れる熱流の模式図である。
【００３１】
図３Ａにおいて，試料１６の上部(低温Tc側) の吸熱量(Qc)と，試料１６の下部(高温Th側)の放熱量(Qh)は，それぞれ次の式で表される。
【００３２】
Qc=αTcI−RI2／2−K(Th−Tc)  ・・・式１
Qh=αThI＋RI2／2−K(Th−Tc)   ・・・式２
ここに，Kは熱コンダクタンス，
Iは試料１６を流れる電流であり，
式１＋式２より
Qc＋Qh＝α(Tc+ Th)I−2K(Th−Tc)   ・・・式３
となる。
【００３３】
次に，電流の方向を図３Ｂのように反転した場合を考えると，試料１６の下部(低温Tc’側) の吸熱量(Qc’)と，試料１６の上部(高温Th’側)の放熱量(Qh’)は，それぞれ次の式で表される。
【００３４】
Qc’=αTc’I’−RI’2／2−K(Th’−Tc’)  ・・・式４
Qh’=αTh’I’＋RI’2／2−K(Th’−Tc’)  ・・・式５
ここに，I’は試料１６を流れる電流であり，
式４＋式５より
Qc’＋Qh’＝α(Tc’+Th’)I’−2K(Th’−Tc’)   ・・・式６
となる。
【００３５】
式３+式６より
Qc＋Qh＋Qc’＋Qh’＝α{(Tc+ Th)I＋(Tc’+ Th’)I’}−2K{(Th−Tc)＋(Th’−Tc’)}・・・式７
が得られる。式７の右辺第1項を−Qp，第2項をQκとすると，式７は次のように書きかえられる。
【００３６】
−Qp＝Qκ＋(Qc＋Qh＋Qc’＋Qh’) ・・・式８
式８の括弧内の吸熱および放熱の原因が，輻射(Qri＋Qre)，大気の対流(Qc)，大気による熱伝導(Qa)であるとすると，次式になる。
【００３７】
−Qp＝Qκ＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa ・・・式９
ここで，試料１６の上端部の電流線３０及び熱電対３６からの吸熱(Qw)と，試料１６の下端部の試料ホルダ１４への放熱(Qpl)を考えると，式９は次のように表すことができる。
【００３８】
−Qp＝Qpl＋Qw＋(Qκ＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa)
ここで，外部の温度をTrt，電流線３０及び熱電対３６の熱コンダクタンスをKw，試料ホルダ１４の熱コンダクタンスをKplとすると
Qpl＋Qw＝Kpl{(Th−Trt)+(Trt−Tc’)}+ Kw{(Trt−Tc)+(Th’−Trt)}
であるから，
Qpl＋Qw＝Kpl(Th−Tc’) + Kw(Th’−Tc) ・・・式１０
が得られる。
【００３９】
ここで，試料１６の下端部の温度(Tbot)を一定にして，電流の向きを反転することにより上端部の温度(Ttop)の温度を下端部の温度(Tbot)の上下の温度に振っている。従って，Th=Tc’となり，Qpl＝Kpl(Th−Tc’)＝0となる。このとき，式９は次の様になる。
【００４０】
−Qp＝Qκ＋Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa ・・・式１１
式１１に式７の第1項，第2項を代入すると，
α{(Tc+Th)I＋(Tc’+Th’)I’}＝2K{(Th−Tc)＋(Th’−Tc’)}＋Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa
よって，
α／K＝[2{(Th−Tc)＋(Th’−Tc’)}+{(Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa)/K}]／{(Tc+Th)I＋(Tc’+Th’)I’}
である。
【００４１】
ここで，Da=(Th−Tc)＋(Th’−Tc’)，ITa=(Tc+Th)I/2＋(Tc’+Th’)I’/2，K=κ/L(L=l/s)とすると，
α／κ＝[2Da+{(Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa)L/κ}]／(2LITa)
よって，
α／κ＝Da[1+{(Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa)L/(2Daκ)}]／(LITa)
よって，
α／κ＝CDa／(LITa) ・・・式１２
C=[1+{(Qw＋Qri＋Qre＋Qc＋Qa)L/(2Daκ)}＝1+ QwL/(2Daκ)＋Radi＋Rade＋Conv＋Cair
・・・式１３
ここに，Cは，補正因子（理想的な熱損の無い場合には１）であり，
Radi＝4T3RiL／2κ      Ri＝σ×ε×Internal_surface_area
Rade＝4T3ReL／2κ      Re＝σ×ε×External_surface_area
Conv＝HL／2κ         H＝Convection_coefficient×External_surface_area
Conv＝KaL／κ          Ka＝Air_conductivity×Internal_ surface_area
ここに，σはステファン−ボルツマン定数，
εは輻射率，
Internal_surface_areaは試料１６を囲む環境の表面積，
External_surface_areaは試料１６及び電極の表面積，
Convection_coefficientは対流係数，
Air_conductivityは空気の熱伝導率である，
となる。
【００４２】
ここで計測中の試料１６の電位の関係式は以下のようになる。
【００４３】
Vo＝α(Th−Tc)＋αw(Th−Tc)
Vo’＝α(Th’−Tc’)＋αw(Th’−Tc’)
Vi＝ρLI＋Vo
Vi’＝ρLI’＋Vo’
αw＝電圧電線の絶対熱電能
上式からゼーベック係数αと電気抵抗率ρは以下
α＝２Voa／Da−αw・・・式１４
ρ＝(Via−Voa)／(LIa)・・・式１５
Voa＝(Vo＋Vo’)／2
Via＝(Vi＋Vi’)／2
Ia＝(I＋I’)／2
のように表せる。
【００４４】
式１４÷式１２より，熱伝導率κは，
κ＝２LITaVoa／(CDa2)＋LITaαw／(CDa) ・・・式１６
となり，式１２×式１４÷式１５より，性能指数Zは，
Z＝２CIaVoa／{ITa(Via−Voa)}−(CIaαw/Da)／{ITa(Via−Voa)} ・・・式１７
となる。
【００４５】
本測定装置では，はハーマン法で無次元性能指数を求める式
ZT＝Voa／(Via−Voa)
よりZとκの初期値を求め，式１６より繰り返し計算することにより，最終的なZとκとCを決定する。
【００４６】
以上，本発明の実施形態を説明したが，この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず，本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は，その要旨を逸脱することなく，その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる熱電特性測定装置の斜視図。
【図２】同実施形態における測定温度と輻射率との関係を示す図。
【図３】試料を流れる熱流の模式図。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ヒータブロック
１２  熱アンカ
１４  試料ホルダ
１６  試料
１８  熱リフレクタ
２０，３０  電流線
２４，３６  熱電対
４０，４２，４４  熱アンカ圧着端子
【図１】
2006040989.tif 000003
【図２】
2006040989.tif 000004
【図３】
2006040989.tif 000005