(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子(2)の両端部間に電流を流し、その両端部間の電圧を測定して無次元性能指数(ZT)を測定する熱電素子の性能指数測定装置において、
熱電素子(2)に交流電流(IAC)を流す交流電流源(7)と、
熱電素子(2)に交流電流(IAC)と同時に直流電流(IDC)を流す直流電流源(8)と、
熱電素子(2)の両端部にかかる電圧の、交流成分の振幅(VAC0)を測定する交流電圧計(9)と、
熱電素子(2)の両端部にかかる電圧の、直流成分(VDC)を測定する直流電圧計(10)とを備え、
同時に測定した前記電圧の交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)に基づいて、性能指数(ZT)を求めることを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱電素子の性能指数測定装置において、
前記交流電流(IAC)の振幅(b)と、
前記直流電流(IDC)の電流値(a)とを略同一にしたことを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱電素子の性能指数測定装置において、
熱電素子(2)を略一定の温度に保って熱の移動を小さくする恒温装置(6)を備えたことを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の熱電素子の性能指数測定装置において、
熱電素子(2)の温度(T)を測定する温度センサ(5)を備え、
熱電素子(2)内部が熱平衡に達したことを検知し、
前記交流電圧(VAC)、直流電圧(VDC)、及び温度センサ(5)によって測定した熱電素子(2)の平均温度(T0)に基づいて、性能指数(Z)を求めることを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。
【請求項５】
熱電素子(2)の無次元性能指数(ZT)を測定する性能指数測定方法において
熱電素子(2)の両端部間に、交流及び直流の電流を同時に流し、
熱電素子(2)の両端部間の電圧の、交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)を測定し、
この交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)に基づいて、無次元性能指数(ZT)を求めることを特徴とする性能指数測定方法。
【請求項６】
熱電素子(2)の性能指数を測定する性能指数測定方法において
熱電素子(2)の両端部間に、交流及び直流の電流を同時に流し、
温度センサ(5)によって、熱電素子(2)の熱分布が熱平衡に達したことを検知し、
熱電素子(2)の両端部間の電圧の、交流成分の振幅(VAC0)、及び直流成分(VDC)を測定し、
熱平衡時の熱電素子(2)の平均温度(T0)を測定し、
この交流成分の振幅(VAC0)、直流成分(VDC)、及び平均温度(T0)に基づいて、性能指数(Z)を求めることを特徴とする性能指数測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子の性能指数を測定する測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、熱電素子の性能指数を測定する方法が知られており、例えば特開平１−１６１１４０号公報に示されている。図４は、同公報に開示された測定方法の説明図を表しており、以下図４に基づいて従来技術を説明する。
図４において、被測定物である熱電素子２の両端には、良導体からなる電極３，３が、熱電素子２の端面全体を覆うように接合されている。それぞれの電極３，３には、電圧を測定するためのリード線４Ａ及び電流を測定するためのリード線４Ｂが接続されている。
熱電素子２両端部の電極３，３には、それぞれ熱電対５が接触している。これにより、熱電素子２両端部の温度を測定している。熱電素子２は、１０-2Ｐａ以下の高真空中に置かれる。
【０００３】
前記公報に記載された測定手順は、次の通りである。
１）電極３，３間に直流電流を流し、定常状態になった後、電極３，３間の電圧、電流、及び温度を測定する。
２）電極３，３間に、実効値が、１）で流した直流電流値にほぼ等しい交流電流を流し、定常状態になった後、電極３，３間の電圧、電流、及び温度を測定する。
こうして得られた測定値を、所定の式に代入して、熱電素子２の性能指数Ｚを求めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち従来技術によれば、まず熱電素子２に直流電流を流して電圧など所定のパラメータの測定を行ない、その後、交流電流を流して、さらにパラメータの測定を行なっている。そのため、測定に時間がかかる。
これに加え、交流電流を熱電素子２に流した場合にはジュール熱が発生するが、熱電素子２内部の温度は均一になる。ところが、直流電流を熱電素子２に流した場合には、ペルチェ効果によって、熱電素子２内部の温度に不均一が生じる。
その結果、直流電流を流した場合と、交流電流を流した場合とでは、熱電素子２が熱平衡に達した時点での内部の熱分布が異なることになる。熱電素子２の性能指数Ｚを求める関係式は、交流電流を流したときと直流電流を流したときとで、熱電素子２内部の温度分布が同じである場合に成り立つ。その結果、温度分布の変動によって、計測結果に誤差が生じ、性能指数Ｚが不正確となる。
このような不正確さを補正するためには、例えば、被測定物である熱電素子２の形状を、熱分布の相違が生じにくいものにする必要があり、測定方法を任意の形状の熱電素子２に応用するのが困難となる。
【０００５】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、短い測定時間で熱電素子の性能指数を正確に測定可能な、熱電素子の性能指数測定装置及び測定方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、
熱電素子の両端部間に電流を流し、その両端部間の電圧を測定して無次元性能指数を測定する熱電素子の性能指数測定装置において、
熱電素子に交流電流を流す交流電流源と、
熱電素子に交流電流と同時に直流電流を流す直流電流源と、
熱電素子の両端部にかかる電圧の、交流成分の振幅を測定する交流電圧計と、
熱電素子の両端部にかかる電圧の、直流成分を測定する直流電圧計とを備え、
同時に測定した前記電圧の交流成分の振幅及び直流成分に基づいて、性能指数を求めている。
かかる構成によれば、交流電流と直流電流とを同時に流すことにより、電圧の交流成分測定時と直流成分測定時とで、被測定物である熱電素子の温度分布が同一になる。従って、性能指数の測定が正確になる。
【０００７】
また本発明によれば、
交流電流の振幅と、
直流電流の電流値とを略同一にしている。
かかる構成によれば、熱電素子の電圧の交流成分の振幅及び直流成分のみを計測するだけで、無次元性能指数を求めることが可能となり、計測が簡略化される。
【０００８】
また、本発明によれば、
熱電素子を略一定の温度に保つ、恒温装置を備えている。
かかる構成によれば、熱電素子の熱リークがほぼ０になることから、計測時に熱リークの影響を排除でき、計測が正確になる。
【０００９】
また、本発明によれば、
熱電素子の温度を測定する温度センサを備え、
熱電素子内部の温度が平衡に達したことを検知し、
温度平衡時の熱電素子の温度を測定し、
前記交流電圧、直流電圧、及び温度に基づいて、性能指数を求めている。
かかる構成によれば、無次元性能指数と同様に、性能指数を正確に求めることも可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る性能指数測定装置１のブロック図を示している。図１において、熱電素子２の両端部には、良導体の電極３，３が接合されている。電極３，３の材質としては、銀、銅、ニッケル等が好適である。
性能指数測定装置１は、被測定物である熱電素子２に、交流電流ＩACを流す交流電流源７と、直流電流ＩDCを流す直流電流源８とを備えている。交流電流源７及び直流電流源８は、出力側がいずれも電極３，３の一側に接続されている。また、電極３，３の他側は、アース電位に接地されており、熱電素子２には、（ＩAC＋ＩDC）なる電流が流れるようになっている。
【００１１】
また、性能指数測定装置１は、熱電素子２の両端部の電極３，３に密に接触した、例えば熱電対５等の温度センサを備えている。熱電対５は、熱伝導率の良い電極３，３に貼りつけられ、熱電素子２の両端部近傍の温度を精密に測定することが可能である。
さらに性能指数測定装置１は、熱電素子２の両端部の電圧の交流成分ＶACを測定する交流電圧計９と、電圧の直流成分ＶDCを測定する直流電圧計１０とを備えている。
交流電圧計９は、電圧の微少な交流成分を測定する必要があり、例えばロックインアンプが好適である。交流電圧計９と交流電流源７との間は、電気的に接続されており、同期を取るために、交流電圧計９から交流電流源７に対して、リファレンス信号Ｓが送られる。
交流電流源７、直流電流源８、交流電圧計９、直流電圧計１０、及び熱電対５は、いずれもコントローラ２０に電気的に接続されている。コントローラ２０は、性能指数測定装置１を制御し、性能指数Ｚの測定を行なう。
【００１２】
図２に、性能指数測定装置１の詳細な構成図を示す。
図２において、性能指数測定装置１は、被測定物である熱電素子２の温度を一定に保ち、熱電素子２から熱のリークが無いようにする恒温装置６を備えている。恒温装置６は、熱電素子２を内部に入れる内室１１と、内室１１を囲繞する外室１２とを備えている。外室１２及び内室１１は、熱伝導率のなるべく良い材料で構成されていることが望ましく、例えば銅などの金属が好適である。
外室１２は、液体寒剤１５に浸漬されている。液体寒剤１５としては、温度（４．２Ｋ）の低い液体Ｈｅが最も好ましいが、液体窒素（温度７７．３Ｋ）でもよい。外室１２の周囲には外側ヒータ１４が、内室１１の周囲には内側ヒータ１３が、それぞれ巻かれている。
外室１２の外側が、液体寒剤１５の温度と略同一になっているのに対し、内室１１の内部は、ヒータ１３，１４によって室温程度に保たれている。
内室１１の内部及び外室１２の内部は、真空ポンプ１６により、約１０-3Ｐａ以下の高真空に排気されている。これにより、対流による熱損失を少なくし、内室１１の内部及び熱電対５の温度が変動しないようにしている。
【００１３】
図２に示すように熱電素子２は、絶縁性の糸１７により、内室１１の内部に吊るされている。この絶縁性の糸１７は、低温になっても収縮しない材質が好ましく、例えば木綿糸１７が好適である。
熱電素子２の両端部の電極３，３には、電流源７，８及び電圧計９，１０に電気的に接続するためのリード線１８とが、接続されている。リード線１８としては、外室１２外部からの熱の侵入を防止するため、なるべく細いものが望ましく、直径５０μｍ程度の、リン青銅線が好適である。
リード線１８は、内室１１の内壁に付設されたサーマルアンカ１９に何重にか巻かれた後、真空を封止する図示しない電流導入端子を介して、外部と電気的に接続されている。サーマルアンカ１９は、例えば銅などの円柱であり、一端部が内室１１の内壁に接触している。これにより、リード線１８を伝わって外部から侵入した熱が、サーマルアンカ１９を介して内室１１内壁へと拡散し、熱電素子２に熱が伝わることが非常に少なくなる。
【００１４】
次に、このような性能指数測定装置１を用いて、無次元化された性能指数ＺＴを測定する手順について、説明する。
まず、交流電流源７及び直流電流源８から、熱電素子２の両端部間に、それぞれ交流電流ＩAC及び直流電流ＩDCを流す。このとき、交流電流ＩACがｂcosωｔで、直流電流ＩDCがａでそれぞれ表されるとすると、ａ＝ｂとなるように電流を流す。これにより、熱電素子５を流れる電流は、交流電流ＩACと直流電流ＩDCとの和ＩAC＋ＩDCとなり、図３のようにａ＋ｂcosωｔで表される。このとき、横軸が時間であり、縦軸が電流値である。
尚、ωは、交流電流ＩACの周波数であり、交流電流ＩACを熱電素子２に流した際にペルチェ効果による熱の発生を妨げるため、充分大きな値であることが必要であり、例えば１０Ｈzよりも大きいことが好ましい。
【００１５】
温度変動が殆んどなくなった状態の熱電素子２においては、ａ＝ｂの条件下で次の数式１が成り立つ。
ＺＴ＝（１／ｘ）｛（ＶDC／ＶAC0）−１｝  …………  （１）
このとき、ｘは熱リークを示す定数であり、外部への熱リークがまったくないと仮定すると、ｘ＝１となる。また、ＶAC0は、熱電素子２の電気抵抗をＲとした場合のｂ・Ｒに相当し、電圧の交流成分の振幅を示している。
即ち、電圧の交流成分の振幅ＶAC0と直流成分ＶDCとを測定することにより、無次元性能指数ＺＴが求められる。但し、この数式１は、電圧の直流成分ＶDCの測定時と、交流成分の振幅ＶAC0の測定時とで、熱電素子２において温度Ｔの変化があると成り立たないことも知られている。
【００１６】
従ってコントローラ２０は、熱電対５の出力に基づき、熱電素子２の温度Ｔの変動が殆んどなくなったことを検知する。そして、交流電圧計９及び直流電圧計１０によって、熱電素子２の両端部間の電圧の交流成分の振幅ＶAC0及び直流成分ＶDCを、それぞれ測定する。そして、これらの値ＶAC0，ＶDCを、数式１に代入することにより、無次元性能指数ＺＴを求めている。
また、コントローラ２０は、熱電対５によって熱電素子２の平均温度Ｔ0を精密に測定し、数式１に平均温度Ｔ0を代入して、性能指数Ｚを求めることも可能である。
【００１７】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱電素子２に交流電流ＩACと直流電流ＩDCとを同時に流している。そして、熱電素子２の温度Ｔが定常状態に達したときの電圧の交流成分の振幅ＶAC0及び直流電圧ＶDCに基づいて、熱電素子２の性能指数ＺＴを検出している。このように、交流電流ＩACと直流電流ＩDCとを熱電素子２に同時に流すことにより、従来技術のように、交流電流を流したときと直流電流とを流したときで、熱電素子２の内部の熱分布が変化しない。
上述したように数式１は、電圧の交流成分の振幅ＶAC0測定時と直流成分ＶDCの測定時とで、温度変化がない場合にのみ成り立つ。従って、本実施形態のように、交流電流ＩACと直流電流ＩDCとを同時に流すことにより、精密な測定が可能である。
【００１８】
また、交流電流ＩAC（＝ｂcosωｔ）と直流電流ＩDC（＝ａ）とを同時に流すことにより、交流電流ＩACの振幅ｂと、直流電流ＩDCの値ａとを厳密に一致させることが可能である。数式１は、ａ＝ｂの時にのみ成り立つので、これを厳密に一致させることにより、より正確な性能指数の測定が可能である。
【００１９】
また、本実施形態の性能指数測定装置１によれば、液体寒剤１５を用い、内部を真空にした恒温装置６の中に、熱電素子２を入れて計測を行なっている。これにより、熱電素子２が外部の温度変化の影響を受けず、熱的に安定した状態になるので、精密な測定が可能である。さらに、クライオポンプ効果により、熱リークが殆んどなくなるので、定数ｘがほぼ１となり、交流電流ＩAC及び直流電流ＩDCを測定するだけで、性能指数を正確に求めることができる。
【００２０】
尚、図２に示した恒温装置６は、内室１１と外室１２とを備えるように説明したが、その間に中間室を設け、３重又はそれ以上にしてもよい。これにより、さらに熱電素子の温度が安定になり、計測が正確になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る性能指数測定装置のブロック図。
【図２】性能指数測定装置の詳細な構成図
【図３】熱電素子を流れる電流を示すグラフ。
【図４】従来技術に係る性能指数測定装置のブロック図。
【符号の説明】
１：性能指数測定装置、２：熱電素子、３：電極、４：リード線１、５：熱電対、６：恒温装置、７：交流電流源、８：直流電流源、９：交流電圧計、１０：直流電圧計、１１：内室、１２：外室、１３：内側ヒータ、１４：外側ヒータ、１５：液体寒剤、１６：真空ポンプ、１７：糸、１８：リード線、１９：サーマルアンカ、２０：コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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