(57)【要約】  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。  温度Ｔ1の金属ブロックと温度Ｔ2の金属ブロックの間に接続することにより温度勾配を与えた金属試料４に交流電圧又は極性の異なる直流電圧を選択的に印加する直流・交流電圧発生器１００と、直流・交流電圧発生器１００により交流電圧を印加したときにおける金属試料４の中央部の温度変化と、極性の異なる直流電圧を印加したときにおける金属試料４の中央部の温度変化とを測定するための熱電対５と、熱電対５により測定された上記二つの温度変化を用いて金属試料４の絶対熱電能や熱伝導率を算出する演算部５４とを備えた熱物性測定装置５０を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度勾配を与えた導体若しくは半導体に交流電圧又は交流電流を印加して、前記導体若しくは半導体の第一の温度変化を測定する第一のステップと、
前記導体若しくは半導体に極性の異なる直流電圧又は直流電流を印加して、前記導体若しくは半導体の第二の温度変化を測定する第二のステップと、
前記第一及び第二のステップで測定された前記第一及び第二の温度変化を用いて前記導体若しくは半導体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三のステップとを有する熱物性測定方法。
【請求項２】
前記第一及び第二のステップにおいては、
前記導体若しくは半導体の両端に前記電圧又は前記電流を印加すると共に、前記導体若しくは半導体の中央部において前記第一及び第二の温度を測定する、請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項３】
前記第一のステップで印加する交流電圧は、前記直流電圧と同じ大きさの実効値を持つ、請求項１又は２に記載の熱物性測定方法。
【請求項４】
前記第二のステップは、
前記導体若しくは半導体に正極性の直流電圧を印加して、前記導体若しくは半導体の温度を測定する正電圧印加ステップと、
前記導体若しくは半導体に負極性の直流電圧を印加して、前記導体若しくは半導体の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導体若しくは半導体の温度の差を算出して前記第一の温度とする温度変化算出ステップ、とを含む請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項５】
前記第二のステップは、前記第一のステップの次に実行され、
前記第二のステップの次に、さらに前記導体若しくは半導体に交流電圧を印加して、前記導体若しくは半導体の温度変化を測定する第四のステップと、
前記第一及び第四のステップで測定された前記温度変化の平均値を算出して前記第一の温度変化とする第五のステップとをさらに有する請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項６】
前記第三のステップは、
前記導体若しくは半導体のトムソン係数を算出するトムソン係数算出ステップと、
前記トムソン係数算出ステップにおいて算出された前記トムソン係数を用いて前記導体若しくは半導体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熱物性算出ステップとを含む、請求項１から５のいずれかに記載の熱物性測定方法。
【請求項７】
温度勾配を与えた導体若しくは半導体に正極性若しくは負極性の直流電圧又は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導体若しくは半導体の第一の温度変化と、前記正極性若しくは負極性の直流電圧を印加したときにおける前記導体若しくは半導体の第二の温度変化とを測定する温度測定手段と、
前記第一及び第二の温度変化を用いて前記導体若しくは半導体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熱物性算出手段とを備えた熱物性測定装置。
【請求項８】
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７に記載の熱物性測定装置。
【請求項９】
前記熱電能算出手段は、
前記正極性の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導体若しくは半導体の温度と、前記負極性の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７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１０】
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を前記導体若しくは半導体に印加する、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１１】
前記電圧印加手段は、前記交流電圧として矩形波交流電圧を前記導体若しくは半導体に印加する、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１２】
前記温度測定手段は、熱電対又は放射温度計からなる、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１３】
前記導体若しくは半導体の両端に接続された二つの金属ブロックと、
前記二つの金属ブロックを異なる温度に設定する温度設定手段とをさらに備えた請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１４】
前記金属ブロックの温度を前記導体若しくは半導体との接続部分で測定する熱電対をさらに備え、
前記温度設定手段は、前記熱電対で測定された温度に応じて前記金属ブロックの温度を設定する、請求項１３に記載の熱物性測定装置。
【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方法及び装置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ている。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、一般的に熱電能Ｓは、金属や半導体に温度差ΔＴを与えた時に発生する電圧ΔＶを用いて、Ｓ＝ΔＶ／ΔＴと定義される。この定義に基づく熱電能の測定値は、正確には測定対象金属と配線材料(金属)との相対値、すなわち熱電能の差に該当するため、測定対象金属の絶対熱電能を求めるためには、配線材料の熱電能を考慮した補正が必要となる。特に、測定対象金属の熱電能が数十μＶ／Ｋ程度の場合には、このような補正の影響を無視することはできない。【０００４】
ところで、熱電能の測定装置は、既にいくつか市販されているが、いずれの装置においても測定原理としては簡便な相対測定法が採用されている。ここで、相対測定法では、装置に含まれた配線材料の絶対熱電能を測定することによって、測定対象金属の熱電能の値を補正する必要があるが、現在においては絶対熱電能を実測する設備がないため、下記の非特許文献２〜４に示されるように、各メーカーとも１９７０年代から８０年代に実施された絶対熱電能の測定データに依存しているのが実情である。【０００５】
具体的には、絶対熱電能の測定については、１９１６年にネットレトン(Nettleton)が金属細線に極性を反転させた直流電圧を印加したときのトムソン係数の算出方法(以下、「ＤＣ反転法」という。)を提案して以来(非特許文献１参照)、ロバート(Robert)らにより鉛、銅、白金などを対象として行われ(非特許文献２〜４参照)、０ケルビン(Ｋ)から１６００ケルビン(Ｋ)までの絶対熱電能が決定された。そして、この測定結果は現在まで広く基準値として採用されている。【０００６】
ここで、上記トムソン係数μは以下の式(１)で表される。【０００７】
【数１】
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【０００８】
なお、上式においてＴ1とＴ2は、測定対象金属の両端に電圧が印加されるときにおける当該両端の温度［Ｋ］であり、Ｉは上記金属に流れる電流［Ａ］、Ｌは上記金属の端から中点までの長さ［ｍ］、κは上記金属の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、ａは上記金属の断面積［ｍ2］、δＴは後述するように極性を反転させた直流電流を測定対象たる金属に流したときに生じる上記金属の中央部(中点)における温度変化の半分［Ｋ］を意味する。【０００９】
そして、絶対熱電能Ｓはケルビンの式、すなわち以下の式(２)により算出される。【００１０】
【数２】
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なお、上式においてＴ0は超伝導転移温度である９２Ｋを意味する。
また、式(２)から、精度の高い絶対熱電能Ｓを求めるためには、トムソン係数μを正確に求める必要があることが分かる。【００１１】
ここで従来の絶対熱電能測定法では、温度勾配を与えた測定対象金属に直流電圧を印加して生じる温度変化を測定することによりトムソン係数を求めたが、トムソン効果による発熱量は同時に発生するジュール熱の約１／１００以下という小さな値を持つものである。【００１２】
そこで、熱量の正確な測定を行うため、トムソン効果により発生する熱流が電流に比例することに着目し、極性を反転させた直流電流を対象物に流すことによって電流により生じるジュール熱の効果を相殺させる上記ＤＣ反転法が採用されている。【００１３】
なお、以下の特許文献１には、熱電能Ｓの上記定義(ΔＶ／ΔＴ)に基づいて熱電能を算出する熱電材料評価装置及び熱電特性評価方法が開示されている。
また、以下の非特許文献１では熱伝導方程式に基づき直流法によりトムソン係数導出式(ネットレトン(Nettlteton)の式)が導かれ、非特許文献２では上記ネットレトンの式を用いて鉛金属のトムソン係数からゼーベック係数が初めて実測されている。
また、非特許文献３では電流注入法により銅金属のトムソン係数からゼーベック係数が初めて実測され、非特許文献４では電流注入法により白金金属のトムソン係数からゼーベック係数が９００Ｋから１６００Ｋの範囲で初めて実測されている。
また、非特許文献５及び６には、交流法を採用した熱電能測定装置が記載されているが、いずれも熱電能を相対的に測定する方法に関する内容となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−１８５６９７号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】H.R.Nettleton,“OnthemeasurementoftheThomsoneffectinwires”,Proc.Phys.Soc.London(1916)
【非特許文献２】R.B.Robert,“Theabsolutescaleofthermoelectricity”,PhilosophicalMagazine,vol.36,no.1,pp.91-107(1977)
【非特許文献３】R.B.Robert,“Theabsolutescaleofthermoelectricity”,PhilosophicalMagazinePartB,vol.43,no6,pp.1125-1135(1981)
【非特許文献４】R.B.Robertetal.,“TheabsolutescaleofthermoelectricityIII”,PhilosophicalMagazinePartB,vol.52,no6,pp.1147-1163(1985)
【非特許文献５】中村高士、田巻明、青野朋義、「交流法熱電能測定装置の試作」、応用物理学会学術講演会講演予稿集、JST資料番号Y0055A、vol.52、no.1、p.41(1991.10)
【非特許文献６】田巻明、青野朋義、「AC法熱電能測定装置の試作と希土類化合物の熱電能の研究」、東京電機大学総合研究所年報、JST資料番号L0877A、no.10、p.167-172(1991.5)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記式(１)を構成する物理量はいずれも測定可能なものであるが、測定対象金属の熱伝導率κや長さＬについては正確な測定が困難であるという問題があった。また、この問題を解決するため、測定対象金属の所定部分の温度を一定に保つように流す電流の大きさを制御する電流注入法も考案されたが、非平衡法の一種であるために複雑な平衡操作が要求されることから、高い技能が必要となるという問題があった。【００１７】
このことから、多くの研究は相対的な熱電能を対象とし、絶対熱電能については十分な検証が行われてこなかった。そして実際に、上記非特許文献２の著者らにより、１９７０年以前に得た過去のデータと改めて測定したデータとの間の不一致も報告され、絶対熱電能の評価法は未だ十分に確立していないという問題がある。【００１８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、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方法及び熱物性測定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】
【００１９】
上記課題を解決するため、温度勾配を与えた導体若しくは半導体に交流電圧又は交流電流を印加して導体若しくは半導体の第一の温度変化を測定し、導体若しくは半導体に極性の異なる直流電圧又は直流電流を印加して導体若しくは半導体の第二の温度変化を測定し、測定された第一及び第二の温度変化を用いて導体若しくは半導体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という手段を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱物性測定装置５０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５５の構成を示す図である。
【図３】図１に示された熱物性測定装置５０を用いて実現される熱物性測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】直流電圧を印加したときの金属試料４の温度分布を示すグラフである。
【図５】交流電圧を印加したときの金属試料４の温度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
最初に、本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を実施する際に利用されるトムソン係数について説明する。
【００２３】
本トムソン係数は、直流(ＤＣ)反転法に交流電圧の印加を組み合わせた交流直流(ＡＣ-ＤＣ)法を利用することを前提とすると、以下のように導出できる。
直流電圧を印加する場合と同様の熱的な境界条件を満たす測定対象金属(金属細線)に交流電圧ＶACを印加して、金属細線に交流電流Ｉ(ω)が流れた場合、金属細線の定常状態での温度分布Ｔは、式(３)の熱伝導方程式で表される。
【００２４】
【数３】
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なお、上式において、ｘは金属細線の一端を原点とする１次元座標(長さ［ｍ］)、μはトムソン係数［μＶ／Ｋ］、Ｉ(ω)は金属細線に流れる電流［Ａ］、ρは金属細線の電気抵抗率［Ω／ｍ］、ｓは金属細線の熱容量［Ｊ／ｇＫ］、ｄは金属細線の質量密度［ｋｇ／ｍ3］、ｔは時間［ｓ］を意味する。
【００２５】
このとき、直流の場合と異なり、時間的に変動する正弦波の交流電圧ＶACが印加されるため、温度は時間と場所の関数となることから、偏微分方程式を解かなくてはならない。この熱伝導方程式は係数に変数を含むため一般に解くことは容易でないが、周波数が十分高い場合には厳密解を比較的容易に求めることができる。
【００２６】
すなわち、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、十分周波数が高い条件(ω＞＞κ／ｓｄＬ2)では、トムソン効果による発熱と吸熱の寄与は打ち消される。周波数領域における数値的シミュレーションによれば、金属細線の大きさにもよるが、１Ｈｚ以上であれば十分な相殺効果が得られる。さらに、熱的平均化が十分になるため、ジュール効果による発熱も時間に対して一定と見なせる。この周波数極限では、式(３)は次式(４)のように簡素化される。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
そして、この微分方程式を満たす解を求めると、次式(５)が得られる。
【数５】
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なお、上式において温度ＴACは金属細線に交流電圧ＶACを印加した時の金属細線の中心部分の温度［Ｋ］を意味し、Ｄはジュール項に関する係数を意味する。
【００２９】
式(５)においては、第１項がジュール発熱による温度上昇、第２項が金属細線に与えられている温度勾配による金属細線中央部の初期温度に相当する。すなわち、印加する交流電圧の周波数が十分高い条件のもとでは、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。ここで、交流電圧を印加した時の温度変化ΔＴACを次式(６)のように定義する。
【００３０】
【数６】
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【００３１】
なお、後述するように、この量は、初期温度(Ｔ1＋Ｔ2)／２を予め熱電対などで測定しておけば、電流を印加した際の温度からその温度を引くことにより実験的に得ることができる。
【００３２】
これより温度変化δＴ、すなわち上記のように、極性を反転させた直流電流を金属細線に流したときの金属細線の中点における温度変化の半分［Ｋ］は、次式(７)のように表すことができる。
【００３３】
【数７】
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【００３４】
ここで、式(７)の分母は、金属細線の電気抵抗Ｒ(＝２ρＬ／ａ)と電流Ｉとの積であるから、金属細線に印加する直流電圧ＶDCに相当する。すなわち、トムソン効果によって生じる温度差は、初期に与えた温度勾配に加えてジュール効果による温度勾配にも比例することを表している。また、金属細線の抵抗が大きい程、温度変化は小さくなることを表している。
【００３５】
なお、ＡＣ-ＤＣ法では直流電圧ＶDCと実効値の等しい交流電圧ＶACを用いていることから、上記直流電圧ＶDCは交流電圧ＶACと表記しても良いので、ここでは後者で表記する。
これより、式(７)に交流電圧ＶAC及び交流電圧ＶACを印加した時の金属細線の温度変化ΔＴACを代入して、同式を右辺のトムソン係数μについて解くと、以下のようなトムソン係数の算出式を得ることができる。
【００３６】
【数８】
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【００３７】
上記の式(８)をネットレトン(Nettleton)の導出した式(１)と比較すると、トムソン係数μを求めるには交流電圧ＶACと交流電圧ＶACを印加した時の金属細線の温度上昇ΔＴACの値が必要とされるが、正確な測定が困難な金属細線の幾何形状や熱伝導率の情報は必要とならないため、トムソン係数μを求めることが原理的に可能なことが分かる。
【００３８】
以下においては、このように導出された式(８)を利用してトムソン係数を得るための熱物性測定装置及び熱物性測定方法について詳しく説明する。なお、本明細書中における同一符号は、同一又は相等部分を示す。
【００３９】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱物性測定装置５０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５０は、ユーザインタフェース５１と、記憶部５３と、演算部５４と、測定部５５と、これらを互いに接続するバス５２とを含む。
【００４０】
ここで、ユーザインタフェース５１は、ユーザの熱物性測定装置５０に対する動作命令を受け付けると共に、生成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機能を有する。また、記憶部５３は、演算部５４が実行するプログラムを格納すると共に、バス５２を介して供給されたデータを記憶する。また、演算部５４は、記憶部５３に予め格納されたプログラムを実行することにより、供給されたデータを対象として所定の演算を行う。そして、測定部５５は、後に詳しく説明するように、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。
【００４１】
図２は、図１に示された測定部５５の構成を示す図である。図２に示されるように、測定部５５はチャンバ１と、金属ブロック２，３と、熱電対５，６１，６２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１００とを含み、電圧印加部１００は正極性直流電源６と、負極性直流電源７と、交流電源８と、スイッチ９とを含む。ここで、交流電源８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。
また、図２に示されるように、金属ブロック２の温度を測定するための熱電対６１と金属ブロック３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４と金属ブロック２，３とが接続される部分に配置される。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２，３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。
【００４２】
そして、かかる構成を有する測定部５５に、測定対象として例えば金属試料４が設置される。
ここで、測定部５５は、熱解析における熱的境界条件を十分に満足できるように設計されている。具体的には、チャンバ１内は熱の対流伝達を抑制するために真空とされ、金属試料４の両端には上記のように、当該金属試料４に温度勾配を与えるために温度Ｔ1，Ｔ2の金属ブロック２，３が接続される。これらの金属ブロック２，３は熱浴としての機能を有するが、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。
【００４３】
なお、金属試料４に温度勾配を与える方法としては、雰囲気制御を可能とする管状炉を用いる他、安定なヒータを利用すること等も考えられる。
【００４４】
また、金属試料４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５が取り付けられる。このとき、熱電対５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１００μｍ以下の熱電対が取り付けられ、熱電対５からの出力電圧はナノボルト直流電圧計によって測定される。なお、９００Ｋ以上の高温領域では、放射温度計を用いることにより温度を測定することも考えられる。
【００４５】
また、金属試料４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１００が接続される。ここで、交流電源８により発生される交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。このとき、最適な周波数は金属試料４の熱的な時定数と深く関連しており、金属試料４の大きさや材質等に応じて異なるため、実験をした上で決定する必要がある。
【００４６】
さらに、直流・交流電圧発生器１００の基準電圧の経時変化(ドリフト)に起因する誤差の発生を抑制するため、スイッチ９は制御信号Ｃｔにより交流電源８、正極性直流電源６、負極性直流電源７、交流電源８の順番に導通(オン)させるが、この動作については後に詳しく説明する。
【００４７】
図３は、図１に示された熱物性測定装置５０により実現される熱電能測定方法を説明するためのフローチャートである。以下において、当該熱電能測定方法を図３を用いて詳しく説明する。
【００４８】
まずステップＳ１において、金属試料４の両端に温度Ｔ1と温度Ｔ2の金属ブロック２，３を設置する。
次に、ステップＳ２において金属試料４の中央部に熱電対５を取り付け、ステップＳ３においてチャンバ１内を真空にする。
次に、ステップＳ４において金属試料４の両端に交流電圧ＶACを印加して、金属試料４の中央部の温度ＴAC1を熱電対５で測定する。
次に、ステップＳ５において金属試料４の両端に正極性の直流電圧Ｖ+DCを印加して、金属試料４の中央部の温度Ｔ+DCを熱電対５で測定する。
次に、ステップＳ６において金属試料４の両端に負極性の直流電圧Ｖ-DCを印加して、金属試料４の中央部の温度Ｔ-DCを熱電対５で測定する。
【００４９】
図４は、直流電圧を印加したときの金属試料４の温度分布を示すグラフである。ここで、横軸は金属試料４の一端からの距離(位置)、縦軸は温度を示す。上記のように、長さ２Ｌの金属試料４の両端には温度Ｔ1と温度Ｔ2の金属ブロック２，３が設置されるため、グラフ４０に示されるように、金属試料４は初期状態において温度Ｔ1，Ｔ2間で一端からの距離に定比例した温度勾配を有する。このことから、金属試料４の中点(位置Ｌ)における初期温度ＴSは(Ｔ1＋Ｔ2)／２であることが分かる。
【００５０】
そして、上記のようにステップＳ５において金属試料４の両端に正極性の直流電圧Ｖ+DCを印加したときの金属試料４の温度分布はグラフ３０で示され、ステップＳ６において金属試料４の両端に負極性の直流電圧Ｖ-DCを印加したときの金属試料４の温度分布はグラフ２０で示される。このとき、電流によるジュール熱の効果がないときの金属試料４の温度分布は、上記のように極性の反転した電流を流すことにより該効果が相殺されることから、グラフ２０とグラフ３０の中間に位置するグラフ１０で示される。これより、金属試料４に直流電圧を印加した場合において、電流による効果を捨象したときの中点における温度ＴDCは(Ｔ+DC＋Ｔ-DC)／２と評価することができる。ここで、図１に示された演算部５４は、温度Ｔ+DCと温度Ｔ-DCとの差の１／２を計算することにより、上記温度変化δＴを算出する。
【００５１】
次に、ステップＳ７において金属試料４の両端に再度交流電圧ＶACを印加して、金属試料４の中央部の温度ＴAC2を熱電対５で測定する。
そして、ステップＳ８において、演算部５４は、温度(ＴAC1＋ＴAC2)／２と初期温度ＴSの差を取ることにより上記温度変化ΔＴACを算出する。
【００５２】
ここで、図５は、交流電圧ＶACを印加したときの金属試料４の温度分布を示すグラフ１１を示す。なお、図５は図４と同様に、横軸は金属試料４の一端からの距離(位置)、縦軸は温度を示し、金属試料４の初期状態における温度勾配がグラフ４０で示される。
【００５３】
グラフ１１は、ステップＳ４及びステップＳ７において交流電圧ＶACが印加されたときの金属試料４の温度分布の平均値を示し、図５に示されるように、上記温度変化ΔＴACは金属試料４の中点におけるグラフ１１とグラフ４０の差として表される。
【００５４】
次に、ステップＳ９において、演算部５４は、記憶部５３に予め格納されたプログラムを実行することにより、得られた温度変化δＴ及び温度変化ΔＴACを用いて上式(８)により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式(２)により金属試料４の絶対熱電能を算出する。
次に、ステップＳ１０において、演算部５４は、ステップＳ９で算出されたトムソン係数を用いて以下のように熱伝導率を算出する。
上記式(１)を熱伝導率κについて解くと以下の式(９)が得られる。
【数９】
2015025586.tif 000011
このことから、式(９)の右辺にステップＳ９で得られたトムソン係数を代入することにより、金属試料４の熱伝導率を算出することができる。
ここで一般的には、熱伝導率を算出するためには加えた熱量の値が必要であるが、かかる熱量を正確に測定することは難しいため、精度の高い値を得ることは容易でないという問題がある。これに対し、上記方法は、測定試料の中央部(中点)における温度変化等といった容易に測定できる物理量だけを用いて熱伝導率を算出することができるため、精度の高い熱伝導率を簡便に得ることができる。
なお、上記のように算出された絶対熱電能や熱伝導率の値は記憶部５３に記憶され、ユーザインタフェース５１は、熱物性測定装置５０のユーザにより入力された所定の動作命令に応じて、当該値をユーザが目視により認識できるよう表示する。
また、上記熱電能測定方法は、測定対象が金属である場合のほか、半導体又は半金属であっても同様な作用効果を得ることができる。
【００５５】
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、簡易な手段により精度よくトムソン係数μを求めることができるため、精度の高い絶対熱電能や熱伝導率の値を簡便に得ることができる。
【００５６】
そして、このように精度の高い絶対熱電能や熱伝導率の値を得ることによって、既存の熱物性測定装置の精度や信頼性を向上させることができると共に、新たな材料の熱電能や熱伝導率の値を算出することによって、従来よりも測定可能な温度範囲が広い熱物性測定装置を実現することができるなど、既存の熱物性測定装置を高機能化させることができる。
【符号の説明】
【００５７】
２，３          金属ブロック
４              金属細線(金属試料)
５，６１，６２  熱電対
６              正極性直流電源
７              負極性直流電源
８              交流電源
９              スイッチ
５０            熱物性測定装置
５４            演算部
５５            測定部
６３，６４      加熱用ヒータ
６５            温度コントローラ
１００          直流・交流電圧発生器
【図１】
2015025586.tif 000012
【図２】
2015025586.tif 000013
【図３】
2015025586.tif 000014
【図４】
2015025586.tif 000015
【図５】
2015025586.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月28日(2014.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
前記金属に極性の異なる直流電圧又は直流電流を印加して、前記金属の第二の温度変化を測定する第二のステップと、
前記第一及び第二のステップで測定された前記第一及び第二の温度変化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三のステップとを有する熱物性測定方法。
【請求項２】
前記第一及び第二のステップにおいては、
前記金属の両端に前記電圧又は前記電流を印加すると共に、前記金属の中央部において前記第一及び第二の温度を測定する、請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項３】
前記第一のステップで印加する交流電圧は、前記直流電圧と同じ大きさの実効値を持つ、請求項１又は２に記載の熱物性測定方法。
【請求項４】
前記第二のステップは、
前記金属に正極性の直流電圧を印加して、前記金属の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直流電圧を印加して、前記金属の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金属の温度の差を算出して前記第二の温度とする温度変化算出ステップ、とを含む請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項５】
前記第二のステップは、前記第一のステップの次に実行され、
前記第二のステップの次に、さらに前記金属に交流電圧を印加して、前記金属の温度変化を測定する第四のステップと、
前記第一及び第四のステップで測定された前記温度変化の平均値を算出して前記第一の温度変化とする第五のステップとをさらに有する請求項１に記載の熱物性測定方法。
【請求項６】
前記第三のステップは、
前記金属のトムソン係数を算出するトムソン係数算出ステップと、
前記トムソン係数算出ステップにおいて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熱物性算出ステップとを含む、請求項１から５のいずれかに記載の熱物性測定方法。
【請求項７】
温度勾配を与えた金属に正極性若しくは負極性の直流電圧又は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、
前記第一及び第二の温度変化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熱物性算出手段とを備えた熱物性測定装置。
【請求項８】
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７に記載の熱物性測定装置。
【請求項９】
前記熱電能算出手段は、
前記正極性の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７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１０】
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を前記金属に印加する、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１１】
前記電圧印加手段は、前記交流電圧として矩形波交流電圧を前記金属に印加する、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１２】
前記温度測定手段は、熱電対又は放射温度計からなる、請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１３】
前記金属の両端に接続された二つの金属ブロックと、
前記二つの金属ブロックを異なる温度に設定する温度設定手段とをさらに備えた請求項７に記載の熱物性測定装置。
【請求項１４】
前記金属ブロックの温度を前記金属との接続部分で測定する熱電対をさらに備え、
前記温度設定手段は、前記熱電対で測定された温度に応じて前記金属ブロックの温度を設定する、請求項１３に記載の熱物性測定装置。
【国際調査報告】
2015025586.tif 000017
2015025586.tif 000018
2015025586.tif 000019
2015025586.tif 000020