(57)【要約】  熱電モジュールの性能を精度良く評価可能な熱電モジュール発電評価装置を提供する。  熱電モジュールの発電性能を評価する熱電モジュール発電評価装置であって、前記熱電モジュールの高温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記高温面に接して配置される加熱面を有する加熱部と、前記熱電モジュールの低温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記熱電モジュールの低温面に接して配置される冷却面を有する冷却部と、前記熱電モジュールに接続される電力取出し線とを備えており、前記電力取出し線の少なくとも１部は、前記冷却部の冷却面上に密着して配置されることを特徴とする熱電モジュール発電評価装置。【選択図】図４
2017164104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電モジュールの発電性能を評価する熱電モジュール発電評価装置であって、
前記熱電モジュールの高温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記高温面に接して配置される加熱面を有する加熱部と、
前記熱電モジュールの低温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記低温面に接して配置される冷却面を有する冷却部と、
前記熱電モジュールに接続される電力取出し線とを備えており、
前記電力取出し線の少なくとも１部は、前記冷却部の冷却面上に密着して配置されることを特徴とする熱電モジュール発電評価装置。
【請求項２】
前記電力取出し線は、所定の幅を有するシート状配線であることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項３】
前記冷却部の冷却面は、前記加熱部の加熱面よりも大きい面積を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項４】
前記加熱部と前記冷却部との間に前記熱電モジュールを配置可能に構成され、
前記加熱部と前記冷却部との間で前記熱電モジュールを加圧する加重部を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項５】
前記冷却部の冷却面と前記熱電モジュールの低温面との間に配置される弾力性のある伝熱シートを備えている請求項１〜４のいずれかに記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項６】
前記伝熱シートは、電気絶縁性を更に備える請求項５に記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項７】
前記加熱部は、熱膨張率が１５×１０−6／Ｋ以下、かつ、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の耐酸化性材料からなる加熱板本体を備えており、前記加熱面は、前記加熱板本体の一方面であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項８】
前記加熱板本体は、ステンレス、ニッケル基超合金、又は、セラミックスから形成されていることを特徴とする請求項７に記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項９】
前記加熱板本体の内部に配置されるカートリッジヒーター及び温度センサーを備えており、前記カートリッジヒーター及び前記温度センサーは、前記加熱板本体の厚み方向に対して、前記熱電モジュール側に偏らせて設置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の熱電モジュール発電評価装置。
【請求項１０】
前記熱電モジュールの周囲を覆うと共に、前記冷却部の前記冷却面を被覆する断熱部材を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱電モジュール発電評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュール発電評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車、工場、焼却場等からの排気ガスが放出されている。この放出される排気ガスは、例えば、５００℃以上といった温度をもつ良質な熱エネルギーである。このような熱エネルギーは希薄分散して放出されるが、その総量は莫大で、一次供給エネルギーの７０％弱にも達するといわれている。【０００３】
近年、この希薄分散して放出される熱エネルギーを有効利用する技術として、ゼーベック効果を用いた熱電発電が注目されている。熱電発電には温度差により電圧を発生する熱電材料を直列接続し、高電圧化する熱電モジュールの製造が必要であるが、これまでの熱電モジュールの殆どは熱電材料が金属系の材料であるため、３００℃以上の高温、空気中では酸化により使用することが困難であった。しかし、最近では酸化物やケイ化物（シリサイド）など高温でも酸化耐久性のある熱電材料を用いた熱電モジュールが開発されつつある。【０００４】
ここで、熱電モジュールの出力、発電効率、長期耐久性などの評価には、熱電モジュールに温度差をつけるための加熱部と冷却部、発電性能評価の計測器とパーソナルコンピュータなどを備えた非特許文献１〜３に示すような評価装置により行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】コトヒラ工業株式会社製評価装置< http://www.kotohira.biz/lineup/heating_equipment.html>
【非特許文献２】株式会社アルバック製評価装置< http://www.ulvac-es.co.jp/products/mini-pem/>
【非特許文献３】株式会社ＫＲＩ製評価装置< http://www.kri-inc.jp/ts/dept/pdf/dm2-1.pdf#search=%>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱電モジュールの出力、発電効率、長期耐久性などの評価を行う従来の評価装置は、熱電モジュールの空気中での耐久性の低さから、試料を真空チャンバーなどに入れて測定を行うものであり、実用化条件での性能評価には適さないものであった。また、耐久性の高い熱電モジュールの開発のためには、高温、空気中での熱電モジュールの性能計測を精度よく行うことが出来る評価装置が求められている。【０００７】
本発明は、上述の状況に鑑み、熱電モジュールの性能を精度良く評価可能な熱電モジュール発電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】
【０００８】
本発明の前記目的は、熱電モジュールの発電性能を評価する熱電モジュール発電評価装置であって、前記熱電モジュールの高温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記高温面に接して配置される加熱面を有する加熱部と、前記熱電モジュールの低温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、前記低温面に接して配置される冷却面を有する冷却部と、前記熱電モジュールに接続される電力取出し線とを備えており、前記電力取出し線の少なくとも１部は、前記冷却部の冷却面上に密着して配置されることを特徴とする熱電モジュール発電評価装置により達成される。【０００９】
また、上記熱電モジュール発電評価装置において、前記電力取出し線は、所定の幅を有するシート状配線であることであることが好ましい。【００１０】
また、前記冷却部の冷却面は、前記加熱部の加熱面よりも大きい面積を備えていることが好ましい。【００１１】
また、前記加熱部と前記冷却部との間に前記熱電モジュールを配置可能に構成され、前記加熱部と前記冷却部との間で前記熱電モジュールを加圧する加重部を更に備えることが好ましい。【００１２】
また、前記冷却部の冷却面と前記熱電モジュールの低温面との間に配置される弾力性のある伝熱シートを備えていることが好ましい。この伝熱シートは、電気絶縁性を更に備えることが好ましい。【００１３】
また、前記加熱部は、熱膨張率が１５×１０−６／Ｋ以下、かつ、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の耐酸化性材料からなる加熱板本体を備えており、前記加熱面は、前記加熱板本体の一方面であることが好ましい。【００１４】
また、前記加熱板本体は、ステンレス、ニッケル基超合金、又は、セラミックスから形成されていることが好ましい。【００１５】
また、前記加熱板本体の内部に配置されるカートリッジヒーター及び温度センサーを備えており、前記カートリッジヒーター及び前記温度センサーは、前記加熱板本体の厚み方向に対して、熱電モジュール側に偏らせて設置されていることが好ましい。【００１６】
また、前記熱電モジュールの周囲を覆うと共に、前記冷却部の前記冷却面を被覆する断熱部材を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱電モジュールの性能を精度良く評価可能な熱電モジュール発電評価装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置を示す概略構成側面図である。
【図２】図１に示す熱電モジュール発電評価装置が備える加熱部に関し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）のＢ方向から見た側面図である。
【図３】図１に示す熱電モジュール発電評価装置が備える冷却部に関し、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図４】図１に示す熱電モジュール発電評価装置の要部拡大概略側面図であり、（ａ）はリード線がモジュール試料の低温側の電極端に接続される場合を示す側面図、（ｂ）はリード線がモジュール試料の高温側の電極端に接続される場合を示す側面図である。
【図５】図１に示す熱電モジュール発電評価装置によって計測される熱電モジュール試料大出力を説明するための説明図である。
【図６】図１に示す熱電モジュール発電評価装置によって計測される熱電モジュール試料の開放電圧、内部抵抗を説明するための説明図である。
【図７】図１に示す熱電モジュール発電評価装置が備える加重部であって、空圧式あるいは油圧式の加重部を説明するための説明図である。
【図８】図１に示す熱電モジュール発電評価装置が備える加重部の変形例であって、レバー式プレス方式の加重部を説明するための説明図である。
【図９】図１に示す熱電モジュール発電評価装置が備える加重部の変形例であって、ねじとバネを用いた方式の加重部を説明するための説明図である。
【図１０】図９に示す加重部の変形例を説明するための説明図である。
【図１１】図１に示す熱電モジュール発電評価装置の変形例に関する要部拡大概略断面図である。
【図１２】図１に示す熱電モジュール発電評価装置の変形例に関する要部拡大概略側面図である。
【図１３】図１に示す熱電モジュール発電評価装置により性能評価される熱電モジュール試料の平面図の一例である。
【図１４】（ａ）は図１３のＣ方向から見た側面図であり、（ｂ）は図１３のＤ方向から見た側面図、（ｃ）は図１３のＥ方向から見た側面図、（ｄ）は図１３のＦ方向から見た側面図である。
【図１５】図１３及び図１４に示す熱電モジュール試料を構成する熱電素子の形状例に関する斜視図である。
【図１６】図１３及び図１４に示す熱電モジュール試料の変形構造例であって、ｐ−ｎ熱電素子対の一対を構成する素子数がｐ型、ｎ型共に二個である場合を示す概略側面図である。
【図１７】図１３及び図１４に示す熱電モジュール試料の変形構造例であって、ｐ型素子あるいはｎ型素子のどちらか一方の熱電素子のみで熱電モジュール試料を構成した場合を示す概略側面図である。
【図１８】図１３及び図１４に示す熱電モジュール試料の変形構造例であって、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＣ方向から見た側面図、（ｃ）は、（ａ）におけるＤ方向から見た側面図、（ｄ）は、（ａ）におけるＥ方向から見た側面図である。
【図１９】図１３及び図１４に示す熱電モジュール試料の変形構造例であって、（ａ）は高温側及び低温側の両方に電気絶縁性の基板が有る場合を示す概略側面図であり、（ｂ）は、高温側及び低温側の両方に電気絶縁性の基板が無い場合を示す概略側面図である。
【図２０】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例１で用いる加熱部の説明図である。
【図２１】図２０で示す実施例１に係る加熱部のカートリッジヒーターの設定温度を９００℃とした場合において、温度計測を行った地点を示す説明図である。
【図２２】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例１で用いる冷却部の説明図である。
【図２３】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例２で用いる加熱部の説明図である。
【図２４】図２３で示す実施例２に係る加熱部のカートリッジヒーターの設定温度を８００℃とした場合において、温度計測を行った地点を示す説明図である。
【図２５】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例２で用いる冷却部の説明図である。
【図２６】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例３で用いる加熱部の説明図である。
【図２７】図２６で示す実施例３に係る加熱部のカートリッジヒーターの設定温度を６００℃とした場合において、温度計測を行った地点を示す説明図である。
【図２８】本発明に係る熱電モジュール発電評価装置の実施例３で用いる冷却部の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、各図は、構成の理解を容易ならしめるために部分的に拡大・縮小している。図１は、本発明の一実施形態にかかる熱電モジュール発電評価装置１を示す概略構成側面図である。この図１に示すように、熱電モジュール発電評価装置１は、熱電モジュール試料１００を上下方向に挟持するようにして配置される加熱部２及び冷却部３を備えている。また、熱電モジュール試料１００の性能評価を行う計測部及び制御演算部５を備えている。
【００２０】
加熱部２は、冷却部３との間で挟まれる熱電モジュール試料１００の高温面を加熱する手段であり、熱電モジュール試料１００の高温面を例えば１０００℃程度まで昇温可能な加熱板２１を備えている。この加熱板２１は、図２に示すように、加熱板本体２２と、その内部に収容される複数のカートリッジヒーター２３とを備えている。図２（ａ）は、加熱板２１の平面図を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ方向から見た側面図を示し、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ方向から見た側面図を示している。加熱板本体２２の下面側が熱電モジュール試料１００を加熱する加熱面として機能し、この加熱面は、熱電モジュール試料１００の高温面側に当接可能な面であり、平滑に形成されている。この加熱板２１の加熱面の寸法は、熱電モジュール試料１００の高温面の寸法以上の寸法を有するように設定する。加熱面の形状としては、種々採用することができるが、例えば、５０〜２００ｍｍ×５０〜２００ｍｍの正方形或いは長方形として構成することが好ましい。加熱板２１は、一つの側面に一箇所あるいは複数箇所の直径５．５〜３０ｍｍ程度の孔２４を開けて、当該孔２４内にカートリッジヒーター２３を差し込むことができる厚さがあれば良く、一般的に１０〜２０ｍｍ程度の厚みを有していればよい。
【００２１】
加熱板本体２２内に収容されるカートリッジヒーター２３は、その直径が、加熱板本体２２に形成される孔２４の内周面と密着する寸法に構成され、例えば、直径が５〜３０ｍｍ程度、長さが３０〜２００ｍｍ程度に設定される。
【００２２】
本出願の評価装置においては、高温空気中での加熱を可能にするため、加熱板２１の素材は耐熱、耐酸化性に優れていることが必要である。さらに加熱面と熱電モジュール試料１００の良好な熱接触は、発電性能の再現性や長期試験における安定性において重要であり、加熱面内での温度の均一性を確保することが好ましい。つまり、加熱板２１の素材は、高温での低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有することか好ましく、更に、酸化によって熱伝導率が大きく変化せず、熱や酸化によって変形や割れ等の損傷が発生しにくい耐酸化性材料であることが好ましい。このような素材としては、例えば、ステンレスやニッケル基超合金、セラミックスを用いることができる。
【００２３】
加熱面の温度ムラは、熱電モジュール試料１００を接触させない無負荷時での最大の温度差が、加熱板２１と中心を同じくし、加熱板２１の各辺の８０％の長さを有する領域内で５０℃以下、同じく５０％以下の領域内で２０℃以下となることが好ましい。これにより、熱電モジュール試料１００を加熱した場合、そのモジュールの高温面内における温度の最大差を加熱板２１と中心を同じくし、加熱板２１の各辺の８０％の長さを有する領域内で３０℃以下にすることができ、５０％以下の領域内で１０℃以下にできる。これを実現するためには、高温時の熱膨張による加熱面の反り・膨らみなどの変形や、カートリッジヒーター２３の本数や配置間隔を適宜調整すればよい。加熱面の変形をおさえるためには、高温源（加熱板本体２２）の素材として、できるだけ熱膨張率の低い材料を用いればよい。本発明に係る加熱板本体２２のサイズでは、１０００℃以下の温度において15×10-6 ／ｋ以下の熱膨張率を有する材料を用いれば、加熱面の変形を防ぐことができる。さらに、温度不均一を防ぐためには素材の熱伝導率が高い方が好ましく１０ｗ／ｍｋ以上であれば面内の温度不均一を小さくすることができる。具体的に金属材料がステンレスの場合ならば、SUS403、SUS405、SUS430、ニッケル基超合金の場合ならば、インコネル600、インコロイ800、セラミックスの場合ならば炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等を用いることができる。カートリッジヒーター２３用の孔２４を加工すること、急速加熱や冷却による破損などを考慮すれば、セラミックスよりもステンレスやニッケル基超合金といった金属の方が好ましい。
【００２４】
また、加熱板２１は、熱電モジュール試料１００に熱エネルギーを入力する部材であり、その熱出力も重要である。加熱板２１からの熱出力はカートリッジヒーター２３の出力と本数で決まる。加熱板２１の熱出力は、熱電モジュール試料１００に温度差を付け、計測可能な発電量を出力できる程度であれば良いが、一般的にはカートリッジヒーター２３の一本当たりの熱出力が５０〜７００Ｗ程度のものを使用すればよい。またカートリッジヒーター２３間の間隔は、等間隔であることが好ましく、ヒーター出力と加熱板２１の素材にもよるが１０〜３０ｍｍ程度の間隔であれば良い。
【００２５】
加熱板２１の温度計測は、熱電対や測温抵抗センサー等の温度センサーを用いればよく、高温であることを考慮すればＫタイプ、あるいはＲタイプ熱電対が好ましく、１０００℃までの耐久性を考慮すればＲタイプ熱電対がもっとも好ましい。また加熱面の温度ムラを計測するため、図２（ａ）に示すように、複数個の温度センサー２５を加熱板本体２２の内部に取り付けると良い。そのとき温度ムラを極力小さくするため、温度センサー用の孔２６の直径はできるだけ細い方が良く、また、その長さは加熱板２１の様々な箇所を測定できる長さに設定すればよい。また、少なくとも一個の温度センサー２５を加熱板２１のヒーターの温度制御器と接続し、温度調整用に用いることが好ましい、より好ましくは、各々のカートリッジヒーター２３を個別に制御できるように、複数個の温度センサー２５を配置し、それぞれを温度制御器と接続する。
【００２６】
また、カートリッジヒーター２３、温度センサー２５共に熱電モジュール試料１００に近い方が該熱電モジュール試料１００の高温面を高温まで加熱でき、また、正確な温度計測を行うことができるため、加熱板２１（加熱板本体２２）の厚さ方向に対して、熱電モジュール試料１００側にカートリッジヒーター２３および温度センサー２５を偏らせて設置することが好ましい。
【００２７】
また、加熱部２におけるカートリッジヒーター２３は、ヒーター制御部２７に接続されており、この制御部２７のプログラムにより、カートリッジヒーター２３へ通電する電力を自動調整し、温度、昇降温速度、保持時間が制御されている。また、ＰＩＤ制御によりヒーター温度の過昇温などが抑制されるように構成されている。
【００２８】
冷却部３は、加熱部２との間で挟まれる熱電モジュール試料１００の低温面を冷却する手段であり、図３（ａ）の平面図や、図３（ｂ）の側面図に示すように形態を有している。この冷却部３は、金属製の冷却板３１を備えている。この冷却板３１の内部には、図３（ａ）の平面図において点線で示すような、冷却水が通過可能な流路３２が形成されている。また、流路３２の入口側端部には入水管３３が接続されており、流路３２の出口側端部には出水管３４が接続されている。これら入水管３３及び出水管３４には、配管３５，３６を介してチラーなどの冷却水循環装置３７が接続されており、冷却板３１内において、例えば、５〜２０リットル/分程度の流量で、１０〜３０℃程度の水が循環されるように構成されている。冷却板３１の冷却能力は、熱抵抗値 で０．０５℃／Ｗ程度以下が好ましく、０．０３℃／Ｗ程度以下がより好ましい。なお、循環する冷却水の流量は、フローメーター等の流量計によって制御、計測されるように構成されている。また、冷却板３１の入水管３３及び出水管３４には、温度センサー３８，３９が挿入されて配置される。この温度センサー３８，３９は、入出水管（入水管３３及び出水管３４）内の冷却水流を妨げないものならば特に限定されず、例えば、外形が５〜２０ｍｍ程度の入出水管に導入管を設け、そこへ挿入配置される直径が１〜２ｍｍ程度の熱電対、測温抵抗センサー等を用いることができる。例としては、Ｋタイプ熱電対あるいは白金測温抵抗体を挙げることができる。なお、入出水管の配置は冷却板３１の同一側面でも異なる側面でも良く、熱電モジュールや加熱板２１等との配置や冷却の障害にならなければ冷却面あるいはその反対面にあっても良い。
【００２９】
また、図３に示す冷却板３１の上面が、熱電モジュール試料１００を冷却する冷却面として機能し、この冷却面は、熱電モジュール試料１００の低温面側に当接可能な面であり、平滑となるように構成されている、この冷却面の寸法は、測定する熱電モジュール試料１００の低温面の寸法以上の寸法を有するように設定する。また、加熱板２１からの伝熱による高温から、冷却板３１側に配置される周辺部材を保護するため、冷却板３１の各辺が加熱板２１の加熱面の各辺よりも長い寸法となるように構成すること（冷却板３１の面積を加熱板２１の面積よりも大きく構成すること）が好ましい。また、冷却板３１の厚さについては、特に限定しないが１０〜８０ｍｍ程度に設定することができる。
【００３０】
また、熱電モジュール発電評価装置１は、熱電モジュール試料１００に接続される電力取り出し線（リード線４）を備えている。該リード線４は、熱電モジュール試料１００の両端子（電極１０２によって直列に接続されて構成されるｐ−ｎ熱電素子群の両端（両電極端））にそれぞれ接続される配線である。このリード線４は、加熱面からの放熱により高温となり、また、発生する電流値によってはリード線４の電気抵抗による発熱が起こる。リード線４の温度上昇は、リード線４の電気抵抗の変動や熱の流入による熱電モジュール内の温度不均一化などを引き起こし、正確な測定の妨げとなる。そこで、例えば、図４（ａ）に示すように、冷却板３１表面に密着させて冷却するように構成する。このとき、リード線４の表面を伝熱を妨げないようにポリイミド（カプトン（登録商標））テープなど薄いフィルムで電気絶縁することが好ましい。これによりリード線４の保護と正確な測定が可能となる。さらに、リード線４において生じた電気抵抗による発熱も冷却水に取り込むことができるため、より正確な発電効率を測定できる。なお、熱電モジュール試料１００から導かれるリード線４は、図４（ａ）に示すように、低温面側から導かれるように構成されていてもよく、或いは、図４（ｂ）に示すように、高温面側から導かれるように構成されていてもよいが、極力長い距離に亘ってリード線４が冷却面に接触するよう屈曲させて設置する。特に、リード線４が、高温面側から導かれている場合には熱電素子との接触に注意して屈曲させる。
【００３１】
ここで、上述の加熱部２と冷却部３とはどのように配置しても良いが、熱電モジュールの固定などを考慮すれば、図１や図４に示すように、それらを上下に配置する方が簡便な装置構造となり、計測も容易となるので好ましい。また、加熱部２と冷却部３とのどちらを上部に配置しても良いが、加熱された空気の対流による冷却面の加熱、水漏れなどの問題を考慮すれば、加熱部２を上部に配置すると共に、冷却部３を下部に配置し、熱電モジュール試料１００を加熱部２及び冷却部３で上下方向から挟持するように構成することが好ましい。
【００３２】
計測部は、複数の温度センサーを備えている。具体的には、加熱板２１の温度計測に用いられる上記の温度センサー２５（熱電対や測温抵抗センサー等）、及び、冷却板３１の入出水口の水温計測に用いられる上記温度センサー３８，３９を備えている。また、熱電モジュール試料１００の高温面、低温面、及び側面の温度を計測する温度センサーを備えている。温度計測用のセンサーの計測方式は特定しないが、計測精度、利便性の観点から熱電対か測温抵抗センサーを用いれば良い。また本発明の特徴である高温空気中での測定を実現するためには、作動条件で耐久性の高い温度センサーを用いれば良く、加熱板２１や熱電モジュール試料１００の高温面を計測する場合は白金−白金・ロジウム合金を用いたＲタイプ熱電対、冷却板３１や水温の計測にはアルメル−クロメルを用いたＫタイプ熱電対や白金測温抵抗体を使用することが好ましい。
【００３３】
また、計測部は、加熱板２１、熱電モジュール試料１００の高温面および低温面、さらに冷却水の温度計測用センサーからの電気信号を温度換算する計測器を備えている。また、計測部は、熱電モジュール試料１００に外部負荷抵抗をかけるための定電流直流電源或いは電子負荷装置を備えており、更に、熱電モジュール試料１００が発生する電圧を計測できる直流電圧計を備えている。計測方法は直流四端子法で行えばよく、電流が流れる外部負荷抵抗用の電線と電圧計測用の電線が、熱電モジュール試料１００に接続されるリード線４の端部に接続される。        
【００３４】
制御演算部５は、計測した温度、電圧、電流、外部負荷抵抗等の数値を取り込み、計算処理、保存する機能を有する手段であり、例えば、一般的なパーソナルコンピュータを用いることが出来る。また、一定時間間隔で自動計測が可能などプログラムにより計測制御を行うことが出来るように構成することが好ましい。この制御演算部５においては、下記式１や式２に基づいて、電圧や発電出力を自動で算出できるように構成されている。
【００３５】
電圧 (Ｖ) ＝電流 （Ａ） x 抵抗 (Ω)        （式１）
発電出力 (Ｗ) ＝ 電流 （Ａ） x 電圧 (Ｖ)        （式２）
【００３６】
また、制御演算部５においては、外部負荷抵抗を連続的に走査して異なる外部負荷抵抗値での発電出力を計測し、熱電モジュール試料１００の発電出力の極大値を計算できるように構成されている。この場合、計測した電流値と電圧値から（式２）により発電出力値を計算し、図５に示すように、電流値を横軸、発電出力値を縦軸にプロットし、その頂点を二次関数近似により計算し、熱電モジュール試料１００が発生する最大出力値を得るように構成されている。また、熱電モジュール試料１００に外部負荷抵抗をかけない時の電圧（開放電圧）と内部抵抗値に関して、図６に示すように、計測した電流値と電圧値をそれぞれ横軸と縦軸にプロットし、その直線近似により、切片である開放電圧と傾きの絶対値である内部抵抗値を計算するように構成されている。なお、最大出力値（発電出力の極大値）は開放電圧値と内部抵抗値からも原理的に計算できる。つまり熱電モジュール試料１００の最大出力は外部負荷抵抗値とモジュールの内部負荷値が一致した時に得られるので、下記式３により、熱電モジュール試料１００の最大出力を自動計算できるように構成してもよい。
【００３７】
最大出力 (Ｗ) = (開放電圧)２ / (４×内部抵抗値)        (式３)
【００３８】
また、制御演算部５においては、熱電モジュール試料１００の発電効率を算出できるように構成されている、発電効率は、下記式４により自動計算できるように構成されている。
【００３９】
発電効率（％）= 発電出力 (Ｗ) / (発電出力 (Ｗ)＋ 冷却水へ流入した熱量 (Ｗ))×１００        （式４）
ここで、冷却水へ流入した熱量 (Ｗ)は、下記式５により算出される。
【００４０】
冷却水へ流入した熱量（Ｗ）=(出水口における水温(℃)−入水口における水温(℃))×循環水量(ｃｍ３/分)×温度補正した水の密度(ｇ/ｃｍ３) ×水の比熱(1.0 cal/g・℃) ×単位換算(1.94×10-6 W/分)        (式５)
【００４１】
また、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１は、図１に示すように、加熱部２と冷却部３との間で熱電モジュール試料１００を加圧する加重部６を備えている。熱電モジュール試料１００の高温面及び低温面と加熱板２１及び冷却板３１の接触の度合いは、熱入・出力、温度制御の点で非常に重要であることから、計測中の加重は精密且つ一定に保つことが好ましい。熱電モジュール試料１００への加圧（加重）を行う加重部６の具体的構成としては、図７に示すようなコンプレッサーを用いた空圧式あるいは油圧式、図８に示すような梃子の原理を使ったレバー式プレスによりレバーに重り６１をつり下げて加重する方式や、図９や図１０に示すようなねじとバネを用いた方式等を採用できる。また、計測時は熱膨張などにより加重値が変動するため、ロードセルなど加重センサーにより常に加重を計測し、加重値を一定に保つ機構を備える方が好ましい。加重方向に関しては、上下あるいは左右両方からの加重でも、どちらか一方からの加重でも良いが、熱電モジュール試料１００の設置と装置構造を簡便にするためには、上下方向に加重をかけるように加重部６を構成する方が好ましく、より簡便には下部を固定し、上部から加重をかける方が好ましい。
【００４２】
また、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１においては、加熱板２１からの放熱によって熱電モジュール試料１００外側の冷却板３１に熱が直接流入することを抑制するために、図１１に示すように、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１表面（冷却部３の冷却面）を被覆する断熱部材７を備えるように構成することが好ましい。薄い熱電モジュール試料１００を計測する場合、加熱面と冷却面が近い距離で対向することになり、これにより熱電モジュール試料１００を通過しない熱エネルギーによっても冷却水が加熱され、発電効率の計測精度が低くなるおそれがある。また厚い熱電モジュールの計測時には熱電材料の側面からの熱放散が起こり、やはり発電効率の計測精度が悪化するおそれがある。熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１表面を被覆する断熱部材７は、このような計測精度が低下することを効果的に抑制することができる。断熱部材７としては、例えば、ガラスウールや多孔質セラミックス断熱材を採用することができる。また、冷却板３１の反対面（熱電モジュール試料１００が配置される側とは反対側の面；図１１においては冷却板３１の下面）に、当該面の全域を被覆する断熱材を配置することが好ましい。このような構成により、冷却板３１の反対面における熱の放散、流入を防ぐことができ、冷却板３１に流入する熱量が、熱電モジュールを通過した分とリード線４からの熱量になり、正確な発電効率の計算が可能となる。
【００４３】
また、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１は、図１に示すように、安全囲８１、非常停止ボタン８２、警報表示灯８３を備えている。安全囲８１は、計測時に、高温の加熱板２１との接触や、熱電モジュール試料１００への衝撃などを防ぐために設けられるものであり、加熱板２１、熱電モジュール試料１００、冷却板３１を外部から観察できるようにパンチングメタルあるいは耐熱性金網により構成することが好ましい。なお、安全囲８１の少なくとも一つの側面には、モジュール試料１００の取り替えのための扉が設けられており、計測中にこの扉が開いた場合には、加熱部２におけるヒーターへの通電や加重部６の作動を停止し、計測を緊急停止することができるように構成することが好ましい。また安全囲８１の中には温度センサーを少なくとも一個入れ、囲い内の温度を管理し、設定以上の温度になった場合には、加熱部２におけるヒーターへの通電や加重を止め、計測を緊急停止することができるように構成してもよい
【００４４】
非常停止ボタン８２及び警報表示灯８３は、制御演算部５に接続され、該制御演算部５と連動した作動を行う。非常停止ボタン８２は、何らかのトラブルにより計測を直ちに止める場合に用いられるものであり、該ボタンの押下により、加熱部２におけるヒーターへの通電と加重部６の作動を停止できるように設定されている。また、警報表示灯８３は、予め設定した加熱条件や計測などが何らかのトラブルによりプログラム通りに作動しなかった場合などに、計測者にその旨を知らせるために作動するものであり、通常作動時は緑ランプ、計測停止時は黄ランプ、異常発生時には赤ランプが点灯するように構成されている。
【００４５】
本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１においては、上述のように、熱電モジュール試料１００の高温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、高温面に接して配置される加熱面を有する加熱部２と、熱電モジュール試料１００の低温面の寸法以上の寸法を有し、かつ、低温面に接して配置される冷却面を有する冷却部３とを備え、更に、熱電モジュール試料１００に接続される電力取りだし線（リード線４）の少なくとも一部が、冷却部３の冷却面に密着するように設置されているため、発電効率を精度良く評価できる。特に、熱電モジュール試料１００に接続される電力取りだし線（リード線４）の少なくとも一部が、冷却部３の冷却板３１の冷却面に密着するように設置されているため、リード線４において生じた電気抵抗による発熱に係る熱量を冷却面を介して冷却水に取り込むことができ、また、加熱部２の加熱面からの放熱によってリード線４に供給された熱量も冷却面を介して冷却水に取り込むことができ、より正確な発電効率等を測定することができる。
【００４６】
また、リード線４の形状、寸法は特に限定しないが、例えば、板状、帯状、丸柱状、撚り線状等種々の形状のものを採用することができる。リード線４の断面積が大きい方が、電気抵抗が小さくなり、発電出力の損失を小さくできるが、断面積が大きいとリード線４を介して高温側からの熱が放出されやすくなり、リード線4がモジュールの高温側にある場合は熱電変換に関与しない熱が熱源から直接冷却水に流入し、変換効率の計測精度を悪くしてしまう。これを防ぐため、例えば、幅が0.1ｃｍ〜3ｃｍ、厚さが0.005ｃｍ〜0.2ｃｍ程度のシート状のリード線４を採用することが好ましく、より好ましくは幅0.5ｃｍ〜1ｃｍ、厚さ0.005ｃｍ〜0.1ｃｍ程度のシート状のリード線４を採用することが好ましい。このような、所定の幅を有し厚みの薄いシート状のリード線４（帯状のリード線４）を採用し、当該形状のリード線４の少なくとも一部を冷却板３１の冷却面に密着するように設置することにより、リード線４と冷却面との接触面積が増大し、リード線４に溜まる熱量を効果的に冷却面を介して冷却水側に移動させることが出来るため、極めて精度よく発電効率等を測定することが可能となる。
【００４７】
また、冷却板３１の冷却面の面積を加熱板２１の加熱面の面積よりも大きく構成することが好ましい。このような構成によれば、加熱板２１からの伝熱による高温から冷却板３１側に配置される周辺部材を保護することができると共に、加熱板２１から放熱される熱量を効果的に受け取ることができ、より一層正確な発電効率等を測定することが可能となる。
【００４８】
また、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１においては、図１２の要部拡大概略構成側面図に示すように、冷却部３の冷却面と熱電モジュール試料１００の低温面との間に配置される弾力性のある伝熱シート９を備えているように構成してもよい。このような弾力性のある伝熱シート９を冷却面と熱電モジュール試料１００の低温面との間に配置する場合、伝熱シート９と水冷面との間に測温センサーを挿入しても、大きな隙間ができることがないため、低温面の素子の温度をより精度よく計測することが可能となり、より一層精度よく熱電モジュール試料１００の発電効率等を測定することが可能となる。なお、弾力性のある伝熱シート９は、更に電気絶縁性を備えることが好ましい。当該伝熱シート９が電気絶縁性を有する場合には、熱電モジュール試料１００における低温側基板１０１を省略して熱電モジュール試料１００を構成することができ、モジュール試料の構成上の簡略化を図ることが可能となる。ここで、弾力性のある伝熱シート９としては、例えば、シリコーン系ゴムやアクリル系ゴムからなるシート材を利用することができる。
【００４９】
ここで、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置１により性能評価される熱電モジュール試料１００は、図１、図１３、図１４において示されるように、板状の形状を有していることが好ましい（図１４においては、特に厚み（高さ）方向寸法を拡大して表示している）。なお、図１３は、熱電モジュール試料１００の平面図であり、図１４の（ａ）〜（ｄ）は、図１３のＣ方向、Ｄ方向、Ｅ方向、Ｆ方向のそれぞれからから見た側面図を示している。この熱電モジュール試料１００は、図１３及び図１４に示すように、電気絶縁性の低温側基板１０１、複数のｐ型熱電素子及び複数のｎ型熱電素子を備えている。各ｐ型熱電素子及び各ｎ型熱電素子は、電極１０２を介して、ｐ型・ｎ型・ｐ型・ｎ型・・・というように、互いに直列に接続されて構成されている。また、電極１０２の一部は、低温側基板１０１と、一対のｐ−ｎ型熱電素子対との間に介在して配置され、電極１０２の他の一部は、一対のｐ−ｎ型熱電素子対の上面側に配置されている。
【００５０】
また、熱電モジュール試料１００に用いられる熱電材料、電極材料、基板などの構成部材も計測温度で熔融、蒸発、粉砕など起こらず形状を保つ物であれば、特に限定されない。また、ｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子の形状も特に限定されないが、製造の容易さから、図１５に示すように、四角柱や円柱形とすることが好ましい。また、熱電素子の断面寸法も特に限定されないが、断面積が大きく、熱電素子数が少なくなると、発生する電流値が大きくなることに起因して、リード線４での発熱が大きくなり、電圧値も低くなるため計測精度が低くなるおそれがある。そのため、一般的には、断面の一辺が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の四角柱か、直径が１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の円柱を用いることが好ましい。また、ｐ型熱電素子の断面形状とｎ型熱電素子の断面形状とが異なるように構成してもよく、また、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子の断面寸法が異なるように構成してもよい。また、ｐ型或いはｎ型の熱電素子の高さＨも特に限定されないが、熱電モジュール試料１００の内部抵抗、耐久性、温度差のつけやすさ、さらに発電効率の精度を減少させる原因となる熱電材料側面からの放熱を防ぐ点から、１〜３０ｍｍ程度が好ましく、１〜７ｍｍ程度がより好ましい。なお、ｐ型とｎ型熱電素子の高さＨは異なっても良いが、加熱板２１や冷却板３１との良好な熱接触を考慮すれば、全ての素子が同じ長さを有することが好ましい。
【００５１】
また、熱電モジュール試料１００を構成する熱電素子数、さらに一つのｐ−ｎ対を構成する素子数も限定されない。例えば、図１３〜図１４に示す構成においては、ｐ−ｎ熱電素子対の一対を構成する素子数がｐ型、ｎ型共に一個である場合が示されているが、例えば、図１６に示すように、ｐ−ｎ熱電素子対の一対を構成する素子数がｐ型、ｎ型共に二個となるように構成してもよく、或いは、図１７に示すように、ｐ型素子あるいはｎ型素子のどちらか一方の熱電素子のみで熱電モジュール試料１００を構成してもよい。なお、図１６（ａ）〜（ｃ）及び図１７（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、図１４のＣ方向、Ｄ方向、Ｅ方向から見た側面図に対応する。
【００５２】
また、図１３及び図１４の構成においては、熱電素子同士を導電性の電極１０２を用いて接続しているが、このような構成に特に限定されず、例えば、図１８に示すように、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを直接接合するように構成してもよい。図１８（ａ）は、熱電モジュール試料１００の平面図を示しており、図１８（ｂ）〜（ｄ）は、図１８（ａ）のＣ方向、Ｄ方向、Ｅ方向から見たそれぞれの側面図を示している。接合を形成する場合、はんだや導電性ペーストなどを用いることができるが、高温空気中で耐久性の高いモジュールを作製するためには酸化や融解が発生するおそれのあるはんだよりも銀や白金、金など貴金属を用いた導電性ペーストを用いる方が好ましい。素子間の間隔も素子同士が接触して電気ショートを起こさなければ良いが、広すぎると熱電モジュール内の素子数が少なくなり、高い出力が得られない。そのため、素子間の間隔は０．１〜５ｍｍ程度が良く、より好ましくは０．１〜１ｍｍ程度である。
【００５３】
また、図１３及び図１４の構成においては、熱電モジュール試料１００の低温面側に電気絶縁性の低温側基板１０１を設け、高温面側に基板を設けないように構成しているが、このような構成に特に限定されず、例えば、図１９（ａ）に示すように、低温側基板１０１に加えて、熱電モジュール試料１００の高温面側に電気絶縁性の高温側基板１０３を配置するように構成してもよい。また、図１９（ｂ）に示すように、低温側基板１０１を省略して熱電モジュール試料１００を構成してもよい。ここで、図１９（ａ）（ｂ）は、図１３におけるＤ方向から見た側面図に対応する。低温側基板１０１及び高温側基板１０３の両方、或いは、いずれか一方を設けないように熱電モジュール試料１００を構成し、電極１０２の一部が露出するような場合であって、後述の加熱部２が有する加熱板２１の加熱面や冷却部３が有する冷却板３１の冷却面が電気伝導性を有する場合には、熱電素子間のショートを防ぐため、上記加熱面や冷却面と熱電モジュール試料１００との間に電気絶縁性の物質を挟めばよい。この場合、熱伝導が低いと熱電モジュール試料１００に温度差を付けることが困難となるため、挿入物はできるだけ熱伝導率が高く、厚さが薄い方が好ましい。例えば、加熱面と熱電モジュール試料１００との間には、薄いアルミナや窒化ケイ素などのセラミック板を配設することができ、また、冷却面と熱電モジュール試料１００との間には、市販の熱伝導性グリースやポリイミド（カプトン（登録商標））テープを配設することができる。
【００５４】
また、熱電モジュール試料１００の形態として、図１４等に示す熱電モジュール試料１００を複数枚重ねたカスケードモジュールを採用することも可能であるが、その場合、全熱電モジュールの厚さの和が５０ｍｍ以下になることが好ましく、５〜２０ｍｍ程度がより好ましい。また、熱電モジュール試料１００の高温面の外縁は基板（低温側基板１０１、高温側基板１０３）の有無に関わらず、その一辺の長さは後述の加熱板２１の一辺の長さの８０％以下、より好ましくは５０％以下に設定することが好ましい。このように設定することにより、加熱板２１の熱量の多くを熱電モジュール試料１００に入力できるため、発電出力も高くなり、熱電モジュール試料１００が発電できる限界値に近い発電出力を得ることができる。また、基板が無い場合もまた高温面および低温面の変形による熱接触面積の低減の影響を小さくできる。
【００５５】
本発明の発明者は、上記熱電モジュール発電評価装置１に係る実施例を複数作成し、種々の熱電モジュール試料１００について、その性能評価試験を行ったのでこれらについて以下説明する。
【００５６】
まず、発明者が作成した実施例１〜３に係る熱電モジュール発電評価装置１について説明する。
【実施例１】
【００５７】
実施例１に係る熱電モジュール発電評価装置における加熱部２、冷却部３、加重部６、計測部の構成は以下の通りである。
［加熱部２］
６５ｍｍ×５０ｍｍ角、厚さ２５ｍｍのインコネル600製の加熱板本体２２の側面の3カ所に、該加熱板本体２２の外側から４．５ｍｍ、外周間の間隔を１０ｍｍ、さらに熱電モジュール試料１００と接する加熱面側から６ｍｍとなるように直径１２ｍｍの孔２４を開けカートリッジヒーター２３を装填して加熱板２１を構成した（図２０）。この時、カートリッジヒーター２３の先端が加熱板２１の外縁から４０ｍｍの深さに届くように配置する。反対側の側面には直径が２ｍｍの孔２６を加熱板本体２２の外側から２０．５ｍｍ、外周間の間隔が２０ｍｍ、さらに熱電モジュール試料１００と接する加熱面側から１１ｍｍとなるように２カ所孔を開け、Ｒタイプ熱電対（温度センサー２５）を装填した。この配置にすると熱電対は二本のカートリッジヒーター２３と等間隔に位置することになる。また熱電対の先端は加熱板２１の外縁から２５ｍｍの深さに届くように配置する。二本の熱電対の一本をヒーターの温度制御器と接続し、ヒーター温度の制御に用いた。カートリッジヒーター２３としては、常用８００℃、最高温度１０００℃まで使用できるものを採用した。加熱板２１の発熱量は2本のカートリッジヒーター２３で出力は最大１ｋＷである。【００５８】
熱電モジュール試料１００と接触させず無負荷状態で加熱板２１を９００℃の設定で加熱したときの、加熱面の温度分布を表１に示す。計測にはサーモビューアーを用い、表１に表示した測定地点を図２１に示す。計測地点がカートリッジヒーター２３に近い方が高い温度になる傾向が見られた。加熱板２１と中心を同じくし、加熱板２１の各辺の８０％の長さを有する領域内（地点(1)、(7)、(15)、(21)で囲まれた領域）での最大の温度差は４９℃であった。一方、加熱板２１の各辺の５０％の長さを有する領域内（地点(22)、(23)、(24)、(25)で囲まれた領域）では１６℃が最大の温度差となった。なお、設定温度と実測値の差は、加熱面を空気中にむき出しにして計測を行ったために発生したものである。【００５９】
【表１】
2017164104.tif 000003
【００６０】
［冷却部３］
冷却部３は８０ｍｍ×８０ｍｍ角、厚さ２０ｍｍで、内部に水管（流路３２）を有する、熱抵抗が０．０３℃/Ｗ以下の銅製の冷却板３１により構成した（図２２）。チラーは最大冷却能力が１．４ｋＷで、最大流量は１４リットルである。設定温度は３０℃以下である。【００６１】
［加重部６］
てこの原理を用いたレバープレス式により加重部６を構成した（図８）。この加重部６は、最高で５ｋｇのおもりをレバーにつり下げ、加熱部２上部からモジュール試料に均等に加重をかけるように構成している。加重は１ｋｇ刻みで設定可能に構成している。加重値は測定中もロードセルにより確認し、手動でおもりをレバーにつり下げ一定値を保つようにしている。なお、加熱部２と冷却部３の配置は、加熱部２が上部にあり、下部にある冷却部３を固定し、上部から加重をかけるように構成している。【００６２】
［計測部］
温度計測は加熱板２１で２箇所、熱電モジュール試料１００の高温面及び低温面でそれぞれ１箇所、さらに冷却水温度で２箇所を計測する。温度センサーは、加熱板２１、モジュール高温面にはＲタイプ熱電対、モジュール低温面にはＫタイプ熱電対を使用した。冷却水温度の計測は白金測温抵抗体を使用する。加熱板２１の計測用熱電対は加熱板２１の側面に設けた孔に熱電対を挿入する。モジュール試料の高温面の計測用熱電対は、高温面にモジュール試料の基板がある場合は、その素子側の面にＲタイプ熱電対を、銀ペーストを用い接着する。モジュール試料の基板が無い場合は、加熱板２１との間に厚さが０．８ｍｍのアルミナ板を挿入し、その素子側に銀ペーストを用いＲタイプ熱電対を接着した。【００６３】
また、電子負荷装置として、最大５Ａの電流を通電できる定電流直流電源を用い、電圧計として最大１０Ｖまで測定できる直流電圧計を用いた。また温度計測も各々の温度センターに対応したデジタル温度計測器を用いた。
【実施例２】
【００６４】
実施例２に係る熱電モジュール発電評価装置における加熱部２、冷却部３、加重部６、計測部の構成は以下の通りである。【００６５】
［加熱部２］
１４０ｍｍ×１４０ｍｍ角、厚さ２５ｍｍのインコネル600製の加熱板本体２２の側面の５カ所に、加熱板２１の外側から１４ｍｍ、外周間の間隔を１３ｍｍ、さらに熱電モジュールと接する加熱面側から６ｍｍとなるように直径１２ｍｍの孔２４を開けカートリッジヒーター２３を装填して加熱板２１を構成した。（図２３）。この時、カートリッジヒーター２３の先端が加熱板２１の外縁から１３５ｍｍの深さに届くように配置する。反対側の側面には直径が２ｍｍの孔２６を加熱板本体２２の外側から３１．５ｍｍ、外周間の間隔が２３ｍｍ、さらに熱電モジュール試料１００と接する加熱面側から１１ｍｍとなるように４カ所孔２６を開け、Ｒタイプ熱電対（温度センサー２５）を装填した。この配置にするとそれぞれの熱電対は二本のカートリッジヒーター２３と等間隔に位置することになる。また熱電対の先端は加熱板２１の外縁から７０ｍｍの深さに届くように配置する。中央に近い二本の熱電対の一本をヒーターの温度制御器と接続し、ヒーター温度の制御に用いる。カートリッジヒーター２３としては、常用８００℃、最高温度１０００℃まで使用できるものを採用した。加熱板２１の発熱量は５本のカートリッジヒーター２３で出力は最大２．５ｋＷである。【００６６】
熱電モジュール試料１００と接触させず無負荷状態で加熱板２１を８００℃の設定で加熱したときの、加熱面の温度分布を表２に示す。計測にはサーモビューアーを用い、表２に表示した測定地点を図２４に示す。計測地点がカートリッジヒーター２３に近い方が高い温度になる傾向が見られた。加熱板２１と中心を同じくし、加熱板２１の各辺の８０％の長さを有する領域内（地点(1)、(7)、(15)、(21)で囲まれた領域）での最大の温度差は48℃であった。一方、加熱板２１の各辺の50%の長さを有する領域内（地点(22)、(23)、(24)、(25)で囲まれた領域）では２０℃が最大の温度差となった。なお、設定温度と実測値の差は、加熱面を空気中にむき出しにして計測を行ったために発生したものである。【００６７】
【表２】
2017164104.tif 000004
【００６８】
［冷却部３］
冷却部３は１４０ｍｍ×１４０ｍｍ角、厚さ２０ｍｍで、内部に水管（流路３２）を有する、熱抵抗が０．００５℃/Ｗ以下の銅製の冷却板３１により構成した（図２５）。チラーは最大冷却能力が１．４ｋＷで、最大流量は１４リットルである。設定温度は３０℃以下である。【００６９】
［加重部６］
てこの原理を用いたレバー式プレスによりにより加重部６を構成した（図８）。この加重部６は、最高で１０ｋｇのおもりをレバーにつり下げ、加熱部２上部からモジュール試料に均等に加重をかけるように構成している。加重は１ｋｇ刻みで設定可能に構成している。加重値は測定中もロードセルにより確認し、手動でおもりをレバーにつり下げ一定値を保つにしている。なお、加熱部２と冷却部３の配置は、加熱部２が上部にあり、下部にある冷却部３を固定し、上部から加重をかけるように構成している。【００７０】
［計測部］
温度計測は加熱板２１で４箇所、熱電モジュール試料１００の高温面及び低温面でそれぞれ２箇所、さらに冷却水温度で２箇所を計測している。温度センサーは加熱板２１、モジュール高温面にはＲタイプ熱電対、モジュール低温面はＫタイプ熱電対を使用した。冷却水温度の計測は白金測温抵抗体を使用する。加熱板２１の計測用熱電対は加熱板２１の側面に設けた孔に熱電対を挿入する。モジュール試料の高温面の計測用熱電対は、高温面にモジュール試料の基板がある場合は、その素子側の面にＲタイプ熱電対を、銀ペーストを用い接着する。モジュール試料の基板が無い場合は、加熱板２１との間に厚さが０．８ｍｍのアルミナ板を挿入し、その素子側に銀ペーストを用いRタイプ熱電対を接着する。【００７１】
また、電子負荷装置として、最大１０Ａの電流を通電できる定電流直流電源を用い、電圧計として最大１０Ｖまで測定できる直流電圧計を用いた。また温度計測も各々の温度センターに対応したデジタル温度計測器を用いた。
【実施例３】
【００７２】
実施例３に係る熱電モジュール発電評価装置における加熱部２、冷却部３、加重部６、計測部の構成は以下の通りである。【００７３】
［加熱部２］
１６０ｍｍ×１５０ｍｍ角、厚さ３０ｍｍのインコネル600製の加熱板本体２２の側面の６カ所に、加熱板２１の外側から１１．５ｍｍ、外周間の間隔を１５ｍｍ、さらに熱電モジュール試料１００と接する加熱面側から７ｍｍとなるように直径１２ｍｍの孔２４を開けカートリッジヒーター２３を装填して加熱板２１を構成した（図２６）。この時、カートリッジヒーター２３の先端が加熱板２１の外縁から１５５ｍｍの深さに届くように配置する。反対側の側面には直径が２ｍｍの孔２６を加熱板本体２２の外側から２５ｍｍ、外周間の間隔が２７．５ｍｍ、さらに熱電モジュール試料１００と接する加熱面側から１２ｍｍとなるように５カ所孔を開け、Ｒタイプ熱電対（温度センサー２５）を装填した。この配置にするとそれぞれの熱電対は二本のカートリッジヒーター２３と等間隔に位置することになる。また熱電対の先端は加熱板２１の外縁から８０ｍｍの深さに届くように配置する。５本の内、中央の熱電対をヒーターの温度制御器と接続し、ヒーター温度の制御に用いる。カートリッジヒーター２３としては、常用８００℃、最高温度１０００℃まで使用できるものを採用した。加熱板２１の発熱量は５本のカートリッジヒーター２３で出力は最大３ｋＷである。【００７４】
熱電モジュール試料１００と接触させず無負荷状態で加熱板２１を６００℃の設定で加熱したときの、加熱面の温度分布を表３に示す。計測にはサーモビューアーを用い、表３に表示した測定地点を図２７に示す。計測地点がカートリッジヒーター２３に近い方が高い温度になる傾向が見られた。加熱板２１と中心を同じくし、加熱板２１の各辺の８０％の長さを有する領域内（地点(1)、(7)、(15)、(21)で囲まれた領域）での最大の温度差は１９℃であった。一方、加熱板２１の各辺の５０%の長さを有する領域内（地点(22)、(23)、(24)、(25)で囲まれた領域）でも１９℃が最大の温度差となった。なお、設定温度と実測値の差は、加熱面を空気中にむき出しにして計測を行ったために発生したものである。【００７５】
【表３】
2017164104.tif 000005
【００７６】
［冷却部３］
冷却部３は３００ｍｍ×３００ｍｍ角、厚さ５０ｍｍで、内部に水管（流路３２）を有する、熱抵抗が０．００１５℃/Ｗ以下の銅製の冷却板３１により構成した（図２８）。チラーは最大冷却能力が３ｋＷで、最大流量は２７リットルである。設定温度は３０℃以下である。【００７７】
［加重部６］
空圧式コンプレッサータイプにより加重部６を構成した（図７）。この加重部６は、最高で２００ｋｇまで加熱部２上部からモジュール試料に均等に加重をかけることができる。加重は１ｋｇ刻みで設定可能である。加重値は測定中もロードセルにより確認し、自動で設定の加重になるよう調整できるように構成されている。なお、加熱部２と冷却部３の配置は、加熱部２が上部にあり、下部にある冷却部３を固定し、上部から加重をかけるように構成している。【００７８】
［計測部］
温度計測は加熱板２１で５箇所、熱電モジュールの高温面及び低温面でそれぞれ５箇所、さらに冷却水温度で２箇所の１５箇所を計測している。温度センサーは加熱板２１、モジュール高温面にはＲタイプ熱電対、モジュール低温面はＫタイプ熱電対を使用した。冷却水温度の計測は白金測温抵抗体を使用する。加熱板２１の計測用熱電対は加熱板２１の側面に設けた孔に熱電対を挿入する。モジュールの高温面の計測用熱電対は、高温面にモジュールの基板がある場合は、その素子側の面にＲタイプ熱電対を、銀ペーストを用い接着する。モジュールの基板が無い場合は、加熱板２１との間に厚さが０．８ｍｍのアルミナ板を挿入し、その素子側に銀ペーストを用いＲタイプ熱電対を接着する。【００７９】
また、電子負荷装置として、最大１０Ａの電流を通電できる定電流直流電源を用い、電圧計として最大２０Ｖまで測定できる直流電圧計を用いた。また温度計測も各々の温度センターに対応したデジタル温度計測器を用いた。【００８０】
次に、上記実施例１〜３に係る熱電モジュール発電評価装置によって行った試験例１〜３３について説明する。なお、試験例１〜７は、実施例１に係る熱電モジュール発電評価装置により行った。また、試験例８〜３０は、実施例２に係る熱電モジュール発電評価装置により、試験例３１〜３３は、実施例３に係る熱電モジュール発電評価装置により行った。【００８１】
なお、試験例１〜１７、２６，２７，３１，３３に係る熱電モジュール試料は、下記［文献１］〜［文献３］に基づいて作製される酸化物系材料を用いた熱電モジュールである。
［文献１］ R. Funahashi, and S. Urata, K. Mizuno, T. Kouuchi, and M. Mikami, Ca2.7Bi0.3Co4O9/La0.9Bi0.1NiO3 thermoelectrics devices with high output power density, Applied Physics Letters, Vol. 85 No. 6, pp.1036-1038 (2004)
［文献２］ R. Funahashi, M. Mikami, T. Mihara, S. Urata, and N. Ando, A portable thermoelectric-power-generating module of Composed of oxide devices, Journal of Applied Physics, Vol. 99 No. 6, pp. 066117-066119 (2006)
［文献３］  S. Urata, R. Funahashi, T. Mihara, A. Kosuga, S. Sodeoka, T. Tanaka, Power generation of a p-type Ca3Co4O9/n-type CaMnO3 module, International Journal of Applied Ceramic Technology, Vol. 4, No. 6, pp. 535-540 (2007)【００８２】
また、試験例１８〜２５、２８〜３０、３２に係る熱電モジュール試料は、下記文献４及び文献５に基づいて作製されるシリサイド系材料を用いた熱電モジュールである。
［文献４］  R. Funahashi, Y. Matsumura, H. Tanaka, T. Takeuchi, W. Norimatsu,E. Combe, R. O. Suzuki, Y. Wang, C. Wan, S. Katsuyama, M. Kusunoki,and K. Koumoto, Thermoelectric Properties of n-type Mn3-xCrxSi4Al2 in Air, Journal of Applied Physics, 112, 073713 (2012)
［文献５］  R. Funahashi, Y. Matsumura, T. Barbier, T. Takeuchi, R. O. Suzuki,S. Katsuyama, A. Yamamoto, H. Takazawa, E. Combe, Durability of silicide-based thermoelectric modules at high temperatures in air, Journal of Electronic Materials, Vol. 44, Issue 8, pp 2946-2952 (2015)【００８３】
＜試験例１〜５＞
試験例１において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は８対で、一対の素子数はp、n型どちらも1個ずつである。基板は無く、熱電モジュール試料１００の高温面の辺の長さは１５．５ｍｍ×１５．５で、厚さが５．２ｍｍである。リード線４は幅３．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ３０ｍｍの銀シートであり、モジュール試料の低温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュール試料１００の低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュール試料１００の高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。加熱板温度を２００〜９００℃の範囲で１００℃ごとに設定し、３ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ加重した。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環した。加熱板２１の温度が設定値になった後、外部負荷抵抗を走査し、電流値と電圧値を計測し、それらの数値を用い、上記の式３により熱電モジュール試料１００の最大出力を計算した。さらにこの最大出力と式５で計算した冷却水へ流入した熱量から、式４を用い発電効率を計算した。この試験例１において性能評価した熱電モジュール試料１００の詳細を表４に示すと共に、加熱板２１の各温度に対する発電出力（Ｗ）及び発電効率（％）に関する結果を表５に示す。なお、表５において「-」で示す個所は、加熱板２１の各温度に対する発電出力（Ｗ）及び発電効率（％）が未計測であることを表している。【００８４】
【表４】
2017164104.tif 000006
【００８５】
【表５】
2017164104.tif 000007
【００８６】
また、試験例２〜５は、試験例１とは異なる熱電モジュール試料１００に対する性能評価を、上記試験例１と同一条件にて行った。試験例２〜５において性能評価した熱電モジュール試料１００に関する詳細を上記表４に併せて示すと共に、加熱板２１の各温度に対する発電出力（Ｗ）及び発電効率（％）に関する結果を上記表５に併せて示す。【００８７】
＜試験例６＞
試験例６において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は１４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３２ｍｍ×３４ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは２７．５ｍｍ×３１．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは７ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュール試料の高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュール試料１００の低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。３ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から３時間で９００℃に上昇させ、外部負荷抵抗を走査させ最大出力を計測した。計測後、加熱板２１の加熱を止め、３時間放置した。これにより加熱板温度は１００℃以下となった。その後、再び加熱を開始し、３時間で９００℃まで上昇させ、熱電モジュールの最大出力を計測した。この試験を合計で６回繰り返し、モジュールのサイクル試験を行った。【００８８】
＜試験例７＞
試験例７において性能評価される熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが３．５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は１０対で、一対の素子数はp型が２個、n型が１個である。高温面側に基板として３２ｍｍ×３６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板を除いた熱電モジュール試料１００の寸法は３０ｍｍ×３０ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュール試料１００の高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。３ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から３時間で１０００℃に上昇させ、外部負荷抵抗を走査させ最大出力を計測した。計測後、加熱板２１の加熱を止め、４時間放置した。これにより加熱板温度は１００℃以下となった。その後、再び加熱を開始し、３時間で１０００℃まで上昇させ、熱電モジュール試料１００の最大出力を計測した。この温度サイクルを合計で５３回繰り返し、２０回目までは毎回、さらに３〜５回の温度サイクル後に計測を行った。【００８９】
上記試験例６及び７の熱電モジュール試料１００の詳細を表６に、サイクル試験結果を表７に示す。なお、表７において「-」で示す個所については、サイクル試験を行っていない。【００９０】
【表６】
2017164104.tif 000008
【００９１】
【表７】
2017164104.tif 000009
【００９２】
＜試験例８〜２５＞
試験例８において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は３４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として45 mm x 60 mm、厚さ0.8mmのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは１５．５ｍｍ×１５．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは６ｍｍである。リード線４は幅３．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ３０ｍｍの銀シートであり、モジュールの低温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。加熱板温度を２００〜９００℃の範囲で１００℃ごとに設定し、５ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ加重した。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環した。加熱板２１の温度が設定値になった後、外部負荷抵抗を走査して熱電モジュールの最大出力を計測した。さらにこの最大出力を用い発電効率も計測した。【００９３】
また、試験例９〜２５は、試験例８とは異なる熱電モジュール試料１００に対する性能評価を、上記試験例８と同一の条件で行った。なお、一部の試験例においては、加熱板２１設定温度の上限及び下限を試験例８と異なるようにして試験を行った。試験例８〜２５において性能評価した熱電モジュール試料１００に関する詳細を表８に示す。また、加熱板２１の各温度に対する発電出力（Ｗ）及び発電効率（％）に関する結果を表９に示す。なお、表９において「-」で示す個所は、加熱板２１の各温度に対する発電出力（Ｗ）及び発電効率（％）が未計測であることを表している。【００９４】
【表８】
2017164104.tif 000010
【００９５】
【表９】
2017164104.tif 000011
【００９６】
＜試験例２６及び２７＞
試験例２６において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は３４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３２ｍｍ×３４ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは４３．５ｍｍ×４７．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは６ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。５ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から３時間で９００℃に上昇させ、外部負荷抵抗を走査させ最大出力を計測した。計測後、加熱板２１の加熱を止め、３時間放置した。これにより加熱板温度は１００℃以下となった。その後、再び加熱を開始し、３時間で９００℃まで上昇させ、熱電モジュールの最大出力を計測した。この試験を合計で５回繰り返し、モジュールのサイクル試験を行った。【００９７】
試験例２７は、上記試験例２６に係る熱電モジュール試料１００と同一構成のものを別途準備し、当該試料を試験例２６における条件と同一条件にて行ったものである。表１０に試験例２６及び２７の熱電モジュールの詳細を示す。また、表１１にこれらのサイクル試験結果を示す。この二つの熱電モジュールは全く同一組成、同一形状を有するが、劣化現象に違いが見られた。これは、劣化の原因が異なるためであり、試験例２６では電極部分に剥離があること、試験例２７ではn型素子のひび割れであることがわかった。【００９８】
【表１０】
2017164104.tif 000012
【００９９】
【表１１】
2017164104.tif 000013
【０１００】
＜試験例２８＞
試験例２８において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型MnSi1.7とn型Mn3Si4Al2で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが７．５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は７対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは２７．５ｍｍ×１５．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは８．５ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。３ｋｇの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から２時間で５００℃に上昇させ、外部負荷抵抗を走査させ最大出力と発電効率計測した。計測後も加熱板温度を５００℃に保ったまま２４時間毎に４３日間に亘って最大出力と発電効率を計測した。表１２に試験例２８の熱電モジュールの詳細を示し、表１３に試験例２８の長期連続加熱試験結果を示す。【０１０１】
【表１２】
2017164104.tif 000014
【０１０２】
【表１３】
2017164104.tif 000015
【０１０３】
＜試験例２９＞
試験例２９において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型MnSi1.7とn型Mn2.7Cr0.3Si4Al2で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが７．５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は７対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは２７．５ｍｍ×１５．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは８．５ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。３ kgの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から２時間で５００℃に上昇させ、定電流直流電源により１Ａの発電電流が一定に保たれるよう外部負荷抵抗を制御し、熱電モジュール試料１００が発生する電圧を直流四端子法に計測した。この電圧値と電流値から発電出力を計算した。計測後も加熱板温度を５００℃に保ったまま５０時間毎に７５０時間に亘って１Ａ発生時の発電出力を計測した。表１４に試験例２９の熱電モジュールの詳細を示し、表１５に試験例２９の長期定電流連続試験結果を示す。【０１０４】
【表１４】
2017164104.tif 000016
【０１０５】
【表１５】
2017164104.tif 000017
【０１０６】
＜試験例３０＞
試験例３０において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型MnSi1.7とn型Mn2.7Cr0.3Si4Al2で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが７．５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は７対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは２７．５ｍｍ×１５．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは８．５ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。３ kgの重りをハンドルレバーにつり下げ上部にある加熱板２１により加重をかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に５リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から２時間で５００℃に上昇させ、定電流直流電源により１Ｖの発電電圧が一定に保たれるよう外部負荷抵抗を制御し、熱電モジュールが発生する電流を直流四端子法に計測した。この電圧値と電流値から発電出力を計算した。計測後も加熱板温度を５００℃に保ったまま５０時間毎に９００時間に亘って１Ｖ発生時の発電出力を計測した。表１６に試験例３０の熱電モジュール試料１００の詳細を示し、表１７に試験例３０の長期定電圧連続試験結果を示す。【０１０７】
【表１６】
2017164104.tif 000018
【０１０８】
【表１７】
2017164104.tif 000019
【０１０９】
＜試験例３１＞
試験例３１において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その熱電モジュールの素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型Ca0.9Yb0.1MnO3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は６４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として６４．５ｍｍ×６４．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは６３．５ｍｍ×６３．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは６ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの低温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。加熱板温度を２００〜９００℃の範囲で１００℃ごとに設定し、空圧式コンプレッサーで２０ｋｇの加重を上部からかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に８リットル/分の水量で循環する。加熱板２１の温度が設定値になった後、外部負荷抵抗を走査して熱電モジュールの最大出力を計測した。さらにこの最大出力を用い発電効率も計測した。【０１１０】
＜試験例３２＞
試験例３２において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型MnSi1.7とn型Mn2.7Cr0.3Si4Al2で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが７．５ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は１４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として３０ｍｍ×３５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは２７．５ｍｍ×３１．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは８．５ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側にある。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。加熱板温度を１００〜６００℃の範囲で１００℃ごとに設定し、空圧式コンプレッサーで１０ kgの加重上部からかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に８リットル/分の水量で循環する。加熱板２１の温度が設定値になった後、外部負荷抵抗を走査して熱電モジュールの最高出力を計測した。さらにこの最大出力を用い発電効率も計測した。【０１１１】
表１８に試験例３１及び３２の熱電モジュール試料１００の詳細を示す。また、表１９に計測結果を示す。【０１１２】
【表１８】
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【０１１３】
【表１９】
2017164104.tif 000021
【０１１４】
＜試験例３３＞
試験例３３において性能評価した熱電モジュール試料１００は、その素子がp型Ca2.7Bi0.3Co4O9とn型CaMn0.98Mo0.02O3で、素子の断面寸法は３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、長さが７ｍｍで、銀ペーストを用い、銀電極と接合されている。素子の対数は６４対で、一対の素子数はp、n型どちらも２個ずつである。高温面側に基板として６４．５ｍｍ×６４．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミナを用いる。基板の無い低温面の辺の長さは６３．５ｍｍ×６３．５ｍｍで、熱電モジュールの厚さは８ｍｍである。リード線４は幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ７．５ｍｍの銀シートであり、モジュールの高温面側の電極端に接続されている。電気絶縁のため、厚さ０．０７ｍｍのポリイミド（カプトン（登録商標））テープをリード線４に巻き、更に、冷却板３１にポリイミド（カプトン（登録商標））テープで密着させた。また熱電モジュールの低温面と冷却板３１の間に厚さ０．５ｍｍの放熱ゲルシート（弾力性のある伝熱シート９；商品名：ラムダゲル）を挿入し、熱伝導と電気絶縁を確保すると同時に、冷却板３１と放熱ゲルシート間に低温面計測用Ｋタイプ熱電対を挿入した。さらに、熱電モジュールの高温面の寸法と同じ寸法でくりぬいたグラスウール断熱材（断熱部材７）を数枚重ね、熱電モジュール試料１００の周囲を覆うと共に、冷却板３１全体を被覆し、加熱板２１からの放熱による加熱を防いだ。空圧式コンプレッサーで１０ｋｇの加重上部からかけた。２０℃に設定した冷却水温度を冷却板３１に８リットル/分の水量で循環させながら、加熱板温度を室温から２時間で５００℃に上昇させ、定電流直流電源により１Ａの発電電流が一定に保たれるよう外部負荷抵抗を制御し、熱電モジュールが発生する電圧を直流四端子法に計測した。この電圧値と電流値から発電出力を計算した。計測後も加熱板温度を５００℃に保ったまま５０時間毎に７５０時間に亘って１Ａ発生時の発電出力を計測した。表２０に試験例３３の熱電モジュール試料１００の詳細を示す。また、表２１に試験例３３の長期定電流連続試験結果を示す。【０１１５】
【表２０】
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【０１１６】
【表２１】
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【０１１７】
上記のように、本発明に係る熱電モジュール発電評価装置によれば、高温、空気中といった実用化条件での熱電モジュールの出力、発電効率、サイクル特性、長期耐久性など様々な評価事項の性能評価を行うことができることが確認できる。
【符号の説明】
【０１１８】
１  熱電モジュール発電評価装置
２  加熱部
２１  加熱板
２２  加熱板本体
２３  カートリッジヒーター
２５  温度センサー
３  冷却部
３２  流路
３１  冷却板
３３  入水管
３４  出水管
３７  冷却水循環装置
３８，３９  温度センサー
４  リード線
５  制御演算部
６  加重部
７  断熱部材
９  伝熱シート
１００  熱電モジュール試料
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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