(57)【要約】      （修正有）【課題】より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることのできる熱物性測定装置及び熱物性測定方法を提供する。【解決手段】温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、金属の中央部における第一の温度変化を測定すると共に、金属に、極性が異なり、交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、金属の中央部における第二の温度変化を測定する測定部３と、第二の温度変化と第一の温度変化との比からトムソン係数を算出し、算出されたトムソン係数を用いて金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する演算部４を備えた熱物性測定装置１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、前記金属の中央部における第一の温度変化を測定すると共に、前記金属に、極性が異なり、前記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は前記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、前記金属の中央部における第二の温度変化を測定する測定手段と、
前記第二の温度変化と前記第一の温度変化との比からトムソン係数を算出し、算出された前記トムソン係数を用いて前記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する演算手段を備えた熱物性測定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、
前記金属に正極性若しくは負極性の前記直流電圧又は前記交流電圧を選択的に印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により前記交流電圧を印加したときにおける前記金属の第一の温度変化と、前記正極性若しくは負極性の前記直流電圧を印加したときにおける前記金属の第二の温度変化とを測定する温度測定手段とを含む請求項１に記載の熱物性測定装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、前記交流電圧を生成する量子化交流電圧発生器を含む請求項２に記載の熱物性測定装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、前記交流電圧として正弦波交流電圧又は矩形波交流電圧を前記金属に印加する、請求項２に記載の熱物性測定装置。
【請求項５】
前記演算手段は、
前記正極性の前記直流電圧を印加した時に前記温度測定手段により測定された前記金属の温度と、前記負極性の前記直流電圧を印加した時に前記温度測定手段により測定された前記温度との差を算出して前記第二の温度変化とする、請求項２に記載の熱物性測定装置。
【請求項６】
温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、前記金属の中央部における第一の温度変化を測定する第一のステップと、
前記金属に極性が異なり、前記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は前記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、前記金属の中央部における第二の温度変化を測定する第二のステップと、
前記第二の温度変化と前記第一の温度変化との比からトムソン係数を算出する第三のステップと、
算出された前記トムソン係数を用いて前記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する第四のステップとを有する熱物性測定方法。
【請求項７】
前記第二のステップは、
前記金属に正極性の前記直流電圧を印加して、前記金属の中央部における温度を測定する正電圧印加ステップと、
前記金属に負極性の前記直流電圧を印加して、前記金属の中央部における温度を測定する負電圧印加ステップと、
前記正電圧印加ステップと前記負電圧印加ステップでそれぞれ測定された前記温度の差を算出して前記第二の温度変化とする温度変化算出ステップ、とを含む請求項６に記載の熱物性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体の熱電能や熱伝導率といった熱物性値を測定するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉛、白金等の金属材料の熱電能の絶対値は、物性測定の分野において広く用いられている熱電能の相対測定法に欠かせない物性値である。絶対熱電能は、金属材料の熱電能がゼロとなる状態を利用し、超伝導体を基準物質とした比較測定によって導かれる。この方法は、測定可能な温度領域が超伝導転移温度より低い温度に制限されてしまうことから、測定温度領域を拡大するためには、測定可能なトムソン係数からケルビンの関係式を用いて絶対熱電能を導くことが必要となる。
【０００３】
ここで、以下の特許文献１には、従来の直流法（ＤＣ法）で必要とされた、金属等の試料における熱伝導率、寸法、温度計からの熱損失値を用いずに、トムソン係数を測定する交流法（ＡＣ法）の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ／２０１５／０２５５８６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、特許文献１に記載された上記ＡＣ法では、測定対象となる試料の表面において生じる熱損失まで考慮されていない。このため、理想的な測定環境が求められるが、かかる環境下で測定を行うためには大きなコストが生じるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることのできる熱物性測定装置及び熱物性測定方法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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、上記金属の中央部における第一の温度変化を測定すると共に、上記金属に、極性が異なり、上記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は上記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、上記金属の中央部における第二の温度変化を測定する測定手段と、第二の温度変化と第一の温度変化との比からトムソン係数を算出し、算出されたトムソン係数を用いて上記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する演算手段を備えた熱物性測定装置を提供する。
【０００８】
また、上記課題を解決するため、本発明は、温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、上記金属の中央部における第一の温度変化を測定する第一のステップと、
上記金属に極性が異なり、上記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は上記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、上記金属の中央部における第二の温度変化を測定する第二のステップと、第二の温度変化と第一の温度変化との比からトムソン係数を算出する第三のステップと、算出されたトムソン係数を用いて上記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する第四のステップとを有する熱物性測定方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることのできる熱物性測定装置及び熱物性測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱物性測定装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示された測定部３の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る熱物性測定装置１０の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱物性測定装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、熱物性測定装置１は、バス２と、それぞれバス２に接続された測定部３、演算部４、記憶部５、表示部６、及び操作部７を備える。
【００１３】
ここで、測定部３は、後に詳述するように、金属細線(以下「金属試料」 という。)等が有する熱電特性を測定する。また、操作部７は、ユーザの熱物性測定装置１に対する動作命令を受け付け、演算部４は上記動作命令に応じてトムソン係数、ひいては絶対熱電能や熱伝導率を算出する。また、記憶部５は、測定部３により測定されたデータや演算部４による演算結果を記憶し、表示部６は、上記動作命令に応じて記憶部５に記憶されたデータをユーザが目視により認識できるよう表示する。
【００１４】
図２は、図１に示された測定部３の構成を示す図である。図２に示されるように、測定部３はチャンバ３１と、金属ブロック３２，３３と、熱電対３５，６１，６２と、加熱用ヒータ６３，６４と、温度コントローラ６５と、電圧印加部３０とを含み、電圧印加部３０は正極性直流電源３６と、負極性直流電源３７と、交流電源３８と、スイッチ３９とを含む。ここで、交流電源３８としては、例えば実効値が容易に計算できる量子化交流電圧発生器が用いられるが、他の交流電源であってもよい。
【００１５】
また、金属ブロック３２の温度を測定するための熱電対６１と金属ブロック３３の温度を測定するための熱電対６２の測定点はそれぞれ、金属試料３４と金属ブロック３２，３３とが接続される部分に配置される。
【００１６】
そして、温度コントローラ６５は、熱電対６１，６２で測定された温度に応じたヒータ制御信号Ｈｃを加熱用ヒータ６３，６４へ供給することによって、金属ブロック３２，３３の温度がそれぞれ温度Ｔ1，Ｔ2となるような熱量を供給するよう加熱用ヒータ６３，６４を制御する。具体的には、温度コントローラ６５は、熱電対６１，６２で温度をモニタリングしつつペルチェ素子等を用いることにより、精度のよい温度制御を実現することができる。
【００１７】
そして、かかる構成を有する測定部３に、測定対象として例えば金属試料３４が設置される。金属試料３４の中央部には、トムソン効果による吸熱及び発熱、さらに交流電圧を印加した場合のジュール効果による発熱を測定するために熱電対３５が取り付けられる。このとき、熱電対３５からの熱の流出を低減するため、熱コンダクタンスの十分小さな熱電対が取り付けられる。
【００１８】
また、金属試料３４の両端間には、極性の異なる直流電圧及びそれと実効値が等しい交流電圧を発生することが可能な直流・交流電圧発生器３０が接続される。ここで、交流電源３８により発生される交流電圧や交流電流の波形は周期的であればよく、例えば正弦波や矩形波等が考えられる。
【００１９】
そして、直流・交流電圧発生器３０に含まれたスイッチ３９は、制御信号Ｃｔにより、正極性直流電源３６、負極性直流電源３７、及び交流電源３８を選択的に導通（オン）させる。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を示すフローチャートである。以下において、図３を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を説明する。なお、以下においては、図１及び図２に示された熱物性測定装置１を用いて本方法を実現する場合について説明するが、本方法は熱物性測定装置１に限られず広く適用できることは言うまでもない。
【００２１】
ステップＳ１では、温度勾配を与えた金属試料３４に、交流電源３８をオンすることによって交流電圧又は交流電流を印加して、金属試料３４の中央部における第一の温度変化を熱電対３５により測定する。
【００２２】
次に、ステップＳ２では、正極性直流電源３６若しくは負極性直流電源３７をオンすることによって、金属試料３４に極性が異なり、上記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は上記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、金属試料３４の中央部における第二の温度変化を熱電対３５により測定する。
【００２３】
次に、ステップＳ３では、上記第二の温度変化と上記第一の温度変化との比からトムソン係数を算出するが、後に詳しく説明する。
【００２４】
そして、ステップＳ４では、ステップＳ３で算出されたトムソン係数を用いて金属試料３４の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する。
【００２５】
以下において、図３に示された本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法の具体例につき詳しく説明する。
【００２６】
測定対象金属の表面で生じる熱損失を考慮したトムソン係数を導出するため、以下のような熱解析モデルを考える。図２に示されるように、金属試料の両端に温度差が与えられ、電流が金属試料に印加される。このとき、金属試料に発生した熱流は、金属試料内で拡散し、金属試料の両端に流れる。さらに、金属試料の表面からは金属試料と周囲の温度との温度差に応じた熱損失流が生じる。
【００２７】
このような熱解析モデルにおける熱的な境界条件を満たす金属細線に電流Ｉが流れた場合、ヒータの定常状態での熱伝導方程式は次式（１）のように表現することができる。
【００２８】
【数１】
2019056644.tif 000003
【００２９】
式（１）において、左辺第一項は固体熱伝導、第二項はトムソン効果による発熱及び吸熱、第三項はジュール発熱、第四項は自然対流と輻射による金属表面からの熱損失を表している。ここで、変数Ｔは温度、変数ｘは金属試料の位置座標である。それ以外のパラメータは定数であり、ａは断面積、κは熱伝導率、μはトムソン係数、Ｉは電流、ρは電気抵抗率、ｈは熱伝達係数、Ｐは金属試料の断面における外周長、Ｔ０は金属試料の周囲の温度、εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数である。
【００３０】
ここでは、上記温度差は小さいと仮定して、輻射による熱損失を線形化して解析する。金属試料の両端に一定の温度差ΔＴを与えた場合の境界条件、すなわち一端の温度Ｔ（０）が低温側の温度ＴＣであり、他端の温度Ｔ（Ｌ）が高温側の温度ＴＨであるとき、式（１）の解として次式（２）のような温度分布の解析解が得られる。
【００３１】
【数２】
2019056644.tif 000004
【００３２】
式（２）において、Ｋは金属試料の熱コンダクタンスを表し、金属試料の熱伝導率κ、断面積Ａ、及び長さＬを用いて（κ・Ａ）／Ｌと定義される。また、Ｒは金属試料の電気抵抗であり、（ρ・Ａ）／Ｌで表される。式（２）に含まれた無次元パラメータκ１，κ２は、次式（３）の二次方程式の解である。
【００３３】
【数３】
2019056644.tif 000005
【００３４】
式（３）におけるξは、トムソン熱と金属試料の熱コンダクタンスの比を表す無次元定数である。なお、パラメータκ１，κ２は、トムソン係数μ及び熱伝達係数ｈの関数であり、熱伝達係数ｈがゼロであれば、式（３）の解はトムソン係数となる。
【００３５】
式（２）において必要な温度は金属試料の中央部における温度であるから、式（２）のｘにＬ／２を代入する。さらに、パラメータκ１，κ２はトムソン効果に関連する定数で１よりも十分小さいので、式（２）はパラメータκ１，κ２が０の周りでべき級数に展開することができる。つまり、Ｔ０を（ＴＣ＋ＴＨ）／２とし、３次以上の項を無視すると、式（２）は次式（４）のように表すことができる。
【００３６】
【数４】
2019056644.tif 000006
【００３７】
ここで、式（４）の第一項は金属試料の初期温度、第二項は金属試料表面からの熱損失を含むトムソン熱による温度上昇、第三項は金属試料表面からの熱損失を含むジュール発熱、第四項は金属試料からの熱損失に相当する。
【００３８】
次に、式（４）を基にして、トムソン係数の既知の導出方法を説明する。１次のトムソン効果による吸熱及び発熱は電流の極性に依存するのに対し、ジュール効果や自然対流は電流の極性には依存しない。そこで、電流をプラスの方向に加えた際の温度分布をＴＤＣ＋とし、電流を逆方向に加えた際の温度分布をＴＤＣ−とすると、これらの温度分布は式（４）を用いて次式（５），（６）のように表すことができる。
【００３９】
【数５】
2019056644.tif 000007
【００４０】
【数６】
2019056644.tif 000008
【００４１】
ここで、適用する電流の極性を反転して得られる金属試料中央部の温度差δＴを次式（７）のように定義する。
【００４２】
【数７】
2019056644.tif 000009
【００４３】
上式（７）に式（５）及び式（６）を代入すると、温度差δＴは次式（８）のように表すことができる。つまり、電流の極性反転操作により、ジュール項と２次のトムソン効果の効果が相殺され、直流を印加した場合の温度差δＴを一次のトムソン効果の項のみで表すことが可能になった。
【００４４】
【数８】
2019056644.tif 000010
【００４５】
ここで、式（８）をトムソン係数μについて解くと、金属試料表面からの熱損失を考慮した場合には、次式（９）が得られることになる。
【００４６】
【数９】
2019056644.tif 000011
【００４７】
このように、自然対流等の対流がある場合には、それらによる熱損失と金属試料の熱コンダクタンスの比に相当する補正項が加わる。また、本解析では、金属試料の周囲の温度を試料平均温度としているが、金属試料には温度勾配、ジュール熱の他、トムソン効果による温度上昇があるので、金属試料の温度は均一ではなく、対流や輻射による熱損失は不可避であることが分かる。
【００４８】
次に、直流に交流を組み合わせる交流（ＡＣ）法によるトムソン係数の導出方法を説明する。直流の場合と同様の熱的な境界条件を満たす金属細線に交流電圧ＶＡＣを印加して交流電流Ｉ（ω）が流れた場合、金属細線における定常状態での温度分布Ｔは次式（１０）の熱伝導方程式で表される。
【００４９】
【数１０】
2019056644.tif 000012
【００５０】
ここで、トムソン効果による吸熱及び発熱の効果は正弦波電流に比例することから、トムソン熱が相殺される程度の充分周波数が高い条件では、式（１０）は次式（１１）のように簡素化される。
【００５１】
【数１１】
2019056644.tif 000013
【００５２】
式（１１）の微分方程式は、直流の場合における式（１）においてトムソン項をゼロにした場合に相当し、次式（１２）のように、直ちに金属試料中央部の温度変化を求めることができる。
【００５３】
【数１２】
2019056644.tif 000014
【００５４】
式（１２）は、ジュール発熱による温度上昇に対流による熱損失の補正項が加わった形になっている。すなわち、周波数が十分高い条件の下ではトムソン効果が相殺され、初期に与えられた温度勾配にジュール効果が重畳しただけの温度分布となっている。
【００５５】
ここで、式（１２）を式（８）に代入すると、式（８）は次式（１３）のように変形される。
【００５６】
【数１３】
2019056644.tif 000015
【００５７】
式（１３）には、直流と交流を同一の金属試料に加えたときにおける、金属試料中央部の温度変化の比（δＴ／ΔＴＡＣ）が含まれている。従って、既知の直流（ＤＣ）法によれば、温度計測が必要なために自然対流や輻射による熱損失の影響を直接受けるのに対し、式（１３）に基づいて交流法によりトムソン係数を求める場合には、上記のように温度ではなく温度変化の比を用いるため、上記熱損失の影響を低減することができる。なぜなら、式（１３）を導出する過程で温度変化の比を計算することにより、式（８）と式（１２）に含まれるＰ＊（＝ＰｈＬ／Ｋ）に関する熱損失が相殺されるためである。
【００５８】
具体的には、式（９）を参照すれば、式（１３）を用いてトムソン係数を算出する場合には、トムソン係数に対する熱損失の影響が、これまでの１／６に低減されることが分かる。
【００５９】
なお、上記の熱物性測定方法は、本方法に係るアルゴリズムをプログラムで表現し、図４に示された熱物性測定装置１０に実行させることによっても実現することができる。
【００６０】
ここで、熱物性測定装置１０は、入出力ノード１２と、入出力ノード１２に接続されたバス１３と、それぞれバス１３に接続された中央演算処理装置（ＣＰＵ）１４及びメモリ１５を備える。
【００６１】
このような構成を有する熱物性測定装置１０において、上記プログラムはメモリ１５に格納され、ＣＰＵ１４がメモリ１５から当該プログラムを読み出して実行することにより、本発明の実施の形態に係る上記の熱物性測定方法が実現される。
【００６２】
以上より、本発明の実施の形態に係る熱電能測定方法及び熱物性測定装置によれば、大気やガス雰囲気中でもトムソン係数を測定することができるため、室温以上の測定では真空排気装置や輻射シールドは不要となる。また、ゼーベック係数を導出するために行う室温以下の低温実験でも、熱交換ガスの真空排気が不要となるので、測定におけるターンアラウンド時間を大幅に短縮することができる。
【００６３】
これらより、本発明の実施の形態に係る熱電能測定方法及び熱物性測定装置によれば、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることができることになる。
【符号の説明】
【００６４】
１  熱物性測定装置
３  測定部
４  演算部
３２、３３  金属ブロック
３４  金属細線（金属試料）
３５、６１、６２  熱電対
３６  正極性直流電源
３７  負極性直流電源
３８  交流電源
３９  スイッチ
６３、６４  加熱用ヒータ
６５  温度コントローラ
３０  直流・交流電圧発生器
【図１】
2019056644.tif 000016
【図２】
2019056644.tif 000017
【図３】
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【図４】
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