CN108886086A - 热电模块发电评价装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高精度地评价热电模块的性能的热电模块发电评价装置。评价热电模块的发电性能的热电模块发电评价装置的特征在于，其包括：加热部，具备加热面，所述加热面具有所述热电模块的高温面尺寸以上的尺寸且与所述高温面接触配置；冷却部，具备冷却面，所述冷却面具有所述热电模块的低温面尺寸以上的尺寸且与所述热电模块的低温面接触配置；以及电力引出线，与所述热电模块连接，所述电力引出线的至少一部分紧密接触地配置在所述冷却部的冷却面上。

Description

热电模块发电评价装置
技术领域
本发明涉及一种热电模块发电评价装置。
背景技术
以往以来，释放来自汽车、工厂和焚烧厂等的废气。上述释放的废气例如是具有500℃以上的温度的优质热能。这种热能被稀释分散并释放，但是其总量巨大，达到了仅稍低于最初供给能量的70％。
近年来，作为有效利用上述被稀释分散并释放的热能的技术，利用塞贝克效应的热电发电受到关注。为了热电发电，需要制造热电模块，在所述热电模块中将根据温度差产生电压的热电材料串联而实现高电压，但是迄今为止的大部分热电模块由于热电材料是金属类材料，所以在300℃以上的高温、空气中因氧化而难以使用。然而，最近正在开发一种使用氧化物和硅化物(Silicide)等即使在高温下也具有氧化耐久性的热电材料的热电模块。
在此，利用非专利文献1～3记载的评价装置来进行热电模块的输出、发电效率和长期耐久性等的评价，该评价装置包括：用于向热电模块提供温度差的加热部和冷却部、发电性能评价的测量仪以及个人计算机等。
现有技术文献
非专利文献1：KOTOHIRA工业株式会社制评价装置
<http://www.kotohira.biz/lineup/heating_equipment.html>
非专利文献2：株式会社爱发科制评价装置
<http://www.ulvac-es.co.jp/products/mini-pem/>
非专利文献3：株式会社KRI制评价装置
<http://www.kri-inc.jp/ts/dept/pdf/dm2-1.pdf#search＝％>
评价热电模块的输出、发电效率和长期耐久性等的以往的评价装置，由于热电模块在空气中的耐久性低，所以将试样放入真空室等来进行测量，因此不适合于实用化条件下的性能评价。此外，为了进行耐久性高的热电模块的开发，需要能够高精度地进行高温、空气中的热电模块的性能测量的评价装置。
发明内容
鉴于上述状况，本发明的目的在于提供一种能够高精度地评价热电模块的性能的热电模块发电评价装置。
利用热电模块发电评价装置达成本发明的所述目的，评价热电模块的发电性能的热电模块发电评价装置的特征在于，其包括：加热部，具备加热面，所述加热面具有所述热电模块的高温面尺寸以上的尺寸且与所述高温面接触配置；冷却部，具备冷却面，所述冷却面具有所述热电模块的低温面尺寸以上的尺寸且与所述低温面接触配置；以及电力引出线，与所述热电模块连接，所述电力引出线的至少一部分紧密接触地配置在所述冷却部的冷却面上。
此外，优选的是，在上述热电模块发电评价装置中，所述电力引出线是具有规定宽度的薄片状布线。
此外，优选的是，所述冷却部的冷却面具有比所述加热部的加热面大的面积。
此外，优选的是，所述热电模块能够配置在所述加热部和所述冷却部之间，所述热电模块发电评价装置还包括加重部，所述加重部在所述加热部和所述冷却部之间对所述热电模块进行加压。
此外，优选的是，所述热电模块发电评价装置还包括具有弹性的传热片，所述传热片配置在所述冷却部的冷却面和所述热电模块的低温面之间。优选的是，所述传热片还具有电绝缘性。
此外，优选的是，所述加热部包括加热板主体，所述加热板主体由热膨胀率在15×10-6/K以下且热导率在10W/mK以上的耐氧化性材料构成，所述加热面是所述加热板主体的一个面。
此外，优选的是，所述加热板主体由不锈钢、镍基超合金或陶瓷形成。
此外，优选的是，所述热电模块发电评价装置还包括配置在所述加热板主体内部的筒形加热器和温度传感器，所述筒形加热器和所述温度传感器相对于所述加热板主体的厚度方向靠热电模块侧设置。
此外，优选的是，所述热电模块发电评价装置还包括隔热构件，所述隔热构件覆盖所述热电模块的周围，并且覆盖所述冷却部的所述冷却面。
按照本发明，可以提供一种能够高精度地评价热电模块的性能的热电模块发电评价装置。
附图说明
图1是表示本发明的热电模块发电评价装置的简要结构的侧视图。
图2与图1所示的热电模块发电评价装置所具有的加热部相关，(a)是其平面图，(b)是从(a)的A方向观察的侧视图，(c)是从(a)的B方向观察的侧视图。
图3与图1所示的热电模块发电评价装置所具有的冷却部相关，(a)是其平面图，(b)是其侧视图。
图4是图1所示的热电模块发电评价装置的要部放大简要侧视图，(a)是表示导线与模块试样的低温侧的电极端连接的情况的侧视图，(b)是表示导线与模块试样的高温侧的电极端连接的情况的侧视图。
图5是用于说明由图1所示的热电模块发电评价装置测量的热电模块试样大输出的说明图。
图6是用于说明由图1所示的热电模块发电评价装置测量的热电模块试样的开路电压和内部电阻的说明图。
图7是用于说明作为图1所示的热电模块发电评价装置所具有的加重部的空压式或液压式加重部的说明图。
图8是用于说明作为图1所示的热电模块发电评价装置所具有的加重部的变形例的杆式加压方式的加重部的说明图。
图9是用于说明作为图1所示的热电模块发电评价装置所具有的加重部的变形例的使用螺钉和弹簧的方式的加重部的说明图。
图10是用于说明图9所示的加重部的变形例的说明图。
图11是图1所示的热电模块发电评价装置的变形例相关的要部放大简要断面图。
图12是图1所示的热电模块发电评价装置的变形例相关的要部放大简要侧视图。
图13是由图1所示的热电模块发电评价装置进行性能评价的热电模块试样的平面图的一例。
图14的(a)是从图13的C方向观察的侧视图，(b)是从图13的D方向观察的侧视图，(c)是从图13的E方向观察的侧视图，(d)是从图13的F方向观察的侧视图。
图15是构成图13和图14所示的热电模块试样的热电元件的形状例相关的立体图。
图16是图13和图14所示的热电模块试样的变形结构例，是表示构成p-n热电元件对的一对的元件数量是p型、n型均为两个时的简要侧视图。
图17是图13和图14所示的热电模块试样的变形结构例，是表示仅由p型元件或n型元件中任意一方的热电元件构成热电模块试样时的简要侧视图。
图18是图13和图14所示的热电模块试样的变形结构例，(a)是其平面图，(b)是从(a)中的C方向观察的侧视图，(c)是从(a)中的D方向观察的侧视图，(d)是从(a)中的E方向观察的侧视图。
图19是图13和图14所示的热电模块试样的变形结构例，(a)是表示在高温侧和低温侧的两方具有电绝缘性基板时的简要侧视图，(b)是表示在高温侧和低温侧的两方没有电绝缘性基板时的简要侧视图。
图20是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例1中使用的加热部的说明图。
图21是表示将图20所示的实施例1的加热部的筒形加热器的设定温度作为900℃时进行温度测量的点的说明图。
图22是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例1中使用的冷却部的说明图。
图23是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例2中使用的加热部的说明图。
图24是表示将图23所示的实施例2的加热部的筒形加热器的设定温度作为800℃时进行温度测量的点的说明图。
图25是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例2中使用的冷却部的说明图。
图26是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例3中使用的加热部的说明图。
图27是表示将图26所示的实施例3的加热部的筒形加热器的设定温度作为600℃时进行温度测量的点的说明图。
图28是在本发明的热电模块发电评价装置的实施例3中使用的冷却部的说明图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，为了容易理解结构，对各图进行了局部放大、缩小。图1是表示本发明一种实施方式的热电模块发电评价装置1的简要结构的侧视图。如该图1所示，热电模块发电评价装置1包括以在上下方向夹持热电模块试样100的方式配置的加热部2和冷却部3。此外，还包括进行热电模块试样100的性能评价的测量部和控制计算部5。
加热部2是对被夹持在加热部2和冷却部3之间的热电模块试样100的高温面进行加热的装置，其包括加热板21，所述加热板21能够使热电模块试样100的高温面升温至例如1000℃左右。如图2所示，该加热板21包括加热板主体22和收容在其内部的多个筒形加热器23。图2的(a)表示加热板21的平面图，图2的(b)表示从图2的(a)的A方向观察的侧视图，图2的(c)表示从图2的(a)的B方向观察的侧视图。加热板主体22的下表面侧作为对热电模块试样100进行加热的加热面发挥功能，该加热面是能够与热电模块试样100的高温面侧抵接的面，并且平滑形成。该加热板21的加热面尺寸设定为具有热电模块试样100的高温面尺寸以上的尺寸。作为加热面的形状能够采用多种形状，但是例如优选50～200mm×50～200mm的正方形或长方形。加热板21具有能够在一个侧面上开设一个或多个直径5.5～30mm左右的孔24并在该孔24内能够插入筒形加热器23的厚度即可，一般来说具有10～20mm左右的厚度即可。
收容在加热板主体22内的筒形加热器23构成为其直径与形成于加热板主体22的孔24的内周面紧密接触的尺寸，例如，直径设定为5～30mm左右，长度设定为30～200mm左右。
在本申请的评价装置中，为了能够进行高温空气中的加热，加热板21的原材料需要耐热、耐氧化性良好。此外，加热面与热电模块试样100的良好的热接触对发电性能的再现性和长期试验中的稳定性是重要的，因此优选的是，确保加热面内的温度的均匀性。即，优选的是，加热板21的原材料具有高温下的低热膨胀系数和高热导率，此外，优选耐氧化性材料，该耐氧化性材料不会因氧化而热导率大幅度变化，并且不容易因热量和氧化而发生变形或破裂等损伤。作为这种原材料例如能够使用不锈钢、镍基超合金和陶瓷。
加热面的温度不均优选的是，不接触热电模块试样100的无负载时的最大温度差为：加热板21与中心相同，在具有加热板21各边的80％长度的区域内在50℃以下，在同样的50％以下的区域内在20℃以下。由此，对热电模块试样100进行加热时，能够使该模块的高温面内的温度的最大差在加热板21与中心相同，在具有加热板21各边的80％长度的区域内在30℃以下，在50％以下的区域内在10℃以下。为了实现这些，可以适当地调整高温时因热膨胀产生的加热面的翘曲、鼓起等变形、以及筒形加热器23的根数和配置间隔。为了抑制加热面的变形，作为高温源(加热板主体22)的原材料可以使用热膨胀率尽可能低的材料。在本发明的加热板主体22的尺寸下，只要使用在1000℃以下的温度下具有15×10-6/k以下的热膨胀率的材料，就能够防止加热面的变形。此外，为了防止温度不均，优选热导率高的原材料，只要在10w/mk以上，就能够使面内的温度不均变小。具体地说，金属材料是不锈钢时能够使用SUS403、SUS405、SUS430，镍基超合金时能够使用镍铬铁合金600(inconel600)、镍铬铁合金800(incoloy800)，陶瓷时能够使用碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝等。如果考虑加工筒形加热器23用的孔24、以及因急速加热或冷却产生的破损等，则与陶瓷相比优选不锈钢或镍基超合金这样的金属。
此外，加热板21是向热电模块试样100输入热能的构件，其热量输出也是重要的。来自加热板21的热量输出，由筒形加热器23的输出和根数决定。加热板21的热量输出只要是能够使热电模块试样100产生温度差且可以输出能够测量的发电量的程度即可，一般来说可以使用每根筒形加热器23的热量输出为50～700W左右的构件。此外，筒形加热器23间的间隔优选等间隔，虽然也取决于加热器输出和加热板21的原材料，但是只要是10～30mm左右的间隔即可。
加热板21的温度测量使用热电偶或测温电阻传感器等温度传感器即可，如果考虑高温，则优选K型或R型热电偶，如果考虑截止1000℃的耐久性，则更优选R型热电偶。此外，为了测量加热面的温度不均，如图2的(a)所示，可以将多个温度传感器25安装在加热板主体22的内部。为了使此时温度不均尽可能小，可以使温度传感器用的孔26的直径尽可能小，此外，其长度只要设定为能够测量加热板21各个部位的长度即可。此外，优选的是，将至少一个温度传感器25与加热板21的加热器的温度控制器连接来用于温度调整，更优选的是，以能够单独控制各筒形加热器23的方式，配置多个温度传感器25并使它们分别与温度控制器连接。
此外，由于筒形加热器23和温度传感器25都接近热电模块试样100时能够将该热电模块试样100的高温面加热至高温，此外能够进行准确的温度测量，所以优选的是，相对于加热板21(加热板主体22)的厚度方向，将筒形加热器23和温度传感器25靠向热电模块试样100一侧设置。
此外，加热部2的筒形加热器23与加热器控制部27连接，利用该控制部27的程序自动调整向筒形加热器23通电的电力，控制温度、升降温速度和保持时间。此外，利用PID控制来抑制加热器温度的过升温等。
冷却部3是对夹持在该冷却部3和加热部2之间的热电模块试样100的低温面进行冷却的装置，具有图3的(a)的平面图和图3的(b)的侧视图所示的形态。该冷却部3包括金属制的冷却板31。在该冷却板31的内部形成有如图3的(a)的平面图中由虚线所示的能够通过冷却水的流道32。此外，流道32的入口侧端部与进水管33连接，流道32的出口侧端部与出水管34连接。上述进水管33和出水管34经由配管35、36与冷却器等冷却水循环装置37连接，10～30℃左右的水例如以5～20升/分钟左右的流量在冷却板31内循环。冷却板31的冷却能力优选热阻值在0.05℃/W左右以下，更优选在0.03℃/W左右以下。另外，由流量仪表等流量计对循环的冷却水的流量进行控制、测量。此外，温度传感器38、39插入并配置于冷却板31的进水管33和出水管34。上述温度传感器38、39没有特别限定，只要不妨碍进出水管(进水管33和出水管34)内的冷却水流即可，例如能够使用直径为1～2mm左右的热电偶和测温电阻传感器等，并将其插入并配置于，设置在外形为5～20mm左右的进出水管的导入管中。作为例子可以例举的是K型热电偶或铂测温电阻。另外，进出水管的配置可以在冷却板31的同一侧面，也可以在不同的侧面，只要不妨碍热电模块和加热板21等的配置或冷却，也可以在冷却面或其相反面。
此外，图3所示的冷却板31的上表面作为对热电模块试样100进行冷却的冷却面发挥功能，该冷却面是能够与热电模块试样100的低温面侧抵接的面，以平滑的方式构成，该冷却面的尺寸设定为具有测量的热电模块试样100的低温面尺寸以上的尺寸。此外，为了保护配置在冷却板31侧的周边构件不受来自加热板21的传热的高温的影响，优选的是，冷却板31的各边的尺寸比加热板21的加热面的各边的尺寸长(冷却板31的面积构成为比加热板21的面积大)。此外，冷却板31的厚度没有特别限定，能够设定为10～80mm左右。
此外，热电模块发电评价装置1包括与热电模块试样100连接的电力引出线(导线4)。该导线4是分别与热电模块试样100的两个端子(由电极102串联构成的p-n热电元件组的两端(两个电极端))连接的布线。该导线4因来自加热面的散热而成为高温，此外，根据产生的电流值，由导线4的电阻引起发热。导线4的温度上升导致导线4的电阻变化、以及因热量流入的热电模块内的温度不均匀化等，从而妨碍准确的测量。在此，例如，如图4的(a)所示，与冷却板31表面紧密接触来进行冷却。此时优选的是，将导线4的表面以不妨碍传热的方式利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带等薄膜进行电绝缘。由此，能够进行导线4的保护和准确的测量。此外，由于在导线4中因电阻而产生的发热也能够导入冷却水中，所以能够测量更准确的发电效率。另外，从热电模块试样100引出的导线4可以如图4的(a)所示，从低温面侧引出，或者也可以如图4的(b)所示，从高温面侧引出，但是以尽可能长距离与冷却面接触的方式将导线4弯曲设置。特别是导线4从高温面侧引出时，注意与热电元件的接触而使其弯曲。
在此，上述加热部2和冷却部3可以以任何方式配置，但是如果考虑热电模块的固定等，则如图1或图4所示，将它们上下配置时成为简单的装置结构且容易测量，所以是优选的。此外，将加热部2和冷却部3中的哪个配置在上部都可以，但是如果考虑由加热的空气的对流进行的冷却面的加热和漏水等问题，则优选的是，将加热部2配置在上部并将冷却部3配置在下部，由加热部2和冷却部3从上下方向夹持热电模块试样100。
测量部包括多个温度传感器。具体地说，包括用于加热板21的温度测量的上述温度传感器25(热电偶或测温电阻传感器等)、以及用于冷却板31的进出水口的水温测量的上述温度传感器38、39。此外，包括测量热电模块试样100的高温面、低温面和侧面的温度的温度传感器。虽然未确定温度测量用的传感器的测量方式，但是从测量精度、便利性的观点出发，可以使用热电偶或测温电阻传感器。此外，为了实现作为本发明的特征的高温空气中的测量，可以使用在工作条件下耐久性高的温度传感器，优选的是，加热板21或热电模块试样100的高温面的测量使用采用了铂-铂、铑合金的R型热电偶，冷却板31或水温的测量使用采用了镍铝-镍铬合金的K型热电偶或铂测温电阻。
此外，测量部包括对电信号进行温度换算的测量仪，该电信号来自加热板21、热电模块试样100的高温面和低温面以及冷却水的温度测量用传感器。此外，测量部包括用于向热电模块试样100提供外部负载电阻的恒流直流电源或电子负载装置，此外还包含能够测量热电模块试样100产生的电压的直流电压计。测量方法可以利用直流四端子法来进行，电流流动的外部负载电阻用的电线和电压测量用的电线与导线4的端部连接，该导线4与热电模块试样100连接。
控制计算部5具有将测量的温度、电压、电流和外部负载电阻等数值读取、并进行计算处理和保存的功能，例如能够使用普通的个人计算机。此外，优选的是，可以利用能够以固定时间间隔进行自动测量等的程序来进行测量控制。在该控制计算部5中，能够基于以下式1和式2，自动计算电压和发电输出。
电压(V)＝电流(A)×电阻(Ω) (式1)
发电输出(W)＝电流(A)×电压(V) (式2)
此外，在控制计算部5中，连续扫描外部负载电阻并测量不同的外部负载电阻值的发电输出，能够计算热电模块试样100的发电输出的极大值。在这种情况下，根据测量的电流值和电压值并利用(式2)来计算发电输出值，如图5所示，以电流值为横轴、以发电输出值为纵轴进行绘制，并利用二次函数近似计算其顶点，得到热电模块试样100产生的最大输出值。此外，关于未向热电模块试样100提供外部负载电阻时的电压(开路电压)和内部电阻值，如图6所示将测量的电流值和电压值分别绘制为横轴和纵轴，利用其直线近似来计算作为截距的开路电压和作为斜率的绝对值的内部电阻值。另外，在理论上，最大输出值(发电输出的极大值)也能够根据开路电压值和内部电阻值来计算。即，由于外部负载电阻值与模块的内部负载值一致时得到热电模块试样100的最大输出，所以能够利用以下式3自动计算热电模块试样100的最大输出。
最大输出(W)＝(开路电压)2/(4×内部电阻值) (式3)
此外，在控制计算部5中，能够计算热电模块试样100的发电效率，并且能够利用以下式4来自动计算发电效率。
发电效率(％)＝发电输出(W)/(发电输出(W)+流入冷却水的热量(W))×100 (式4)
在此，利用以下式5计算流入冷却水的热量(W)。
流入冷却水的热量(W)＝(出水口的水温(℃)-进水口的水温(℃))×循环水量(cm3/分钟)×温度修正后的水的密度(g/cm3)×水的比热(1.0cal/g·℃)×单位换算(1.94×10-6W/分钟) (式5)
此外，如图1所示，本发明的热电模块发电评价装置1包括加重部6，该加重部6在加热部2和冷却部3之间对热电模块试样100进行加压。由于热电模块试样100的高温面和低温面与加热板21和冷却板31的接触程度在热量输入、输出和温度控制方面非常重要，所以优选测量中的加重精密且保持固定。作为向热电模块试样100进行加压(加重)的加重部6的具体结构可以采用如下方式：图7所示的利用压缩机的空压式或液压式；图8所示的利用采用杠杆原理的杆式加压机将重物61悬挂于杠杆来加重的方式；以及图9和图10所示的利用螺钉和弹簧的方式等。此外，测量时加重值因热膨胀等而变化，所以优选包括如下机构：利用测压元件等加重传感器始终测量加重而将加重值保持为固定。加重方向可以是来自上下或左右两方的加重，也可以是来自任意一方的加重，但是为了使热电模块试样100的设置和装置结构简单，优选的是，以沿上下方向进行加重的方式构成加重部6，为了更加简单，优选使下部固定并从上部进行加重。
此外，在本发明的热电模块发电评价装置1中，为了抑制热量因加热板21的散热而直接流入热电模块试样100外侧的冷却板31，如图11所示，优选包括隔热构件7，该隔热构件7覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖冷却板31的表面(冷却部3的冷却面)。测量薄的热电模块试样100时，加热面和冷却面近距离相对，由此，未通过热电模块试样100的热能也对冷却水进行加热，有可能降低发电效率的测量精度。此外，测量厚的热电模块时，产生从热电材料的侧面的散热，也有可能使发电效率的测量精度变差。覆盖热电模块试样100的周围且覆盖冷却板31表面的隔热构件7能够有效地抑制这种测量精度下降。作为隔热构件7例如能够采用玻璃棉和多孔质陶瓷隔热材料。此外，优选的是，在冷却板31的相反面(与配置有热电模块试样100一侧相反侧的面；图11中冷却板31的下表面)配置覆盖该面的整个区域的隔热材料。按照这种结构，能够防止冷却板31相反面的热量的释放和流入，流入冷却板31的热量成为通过热电模块的部分和来自导线4的热量，能够准确计算发电效率。
此外，如图1所示，本发明的热电模块发电评价装置1包括：安全围栏81、紧急停止按钮82和报警显示灯83。为了防止在测量时与高温的加热板21接触和向热电模块试样100的冲击等，设置安全围栏81，优选的是，所述安全围栏81由冲孔金属板或耐热性金属丝网构成，以便能够从外部观察加热板21、热电模块试样100和冷却板31。另外，在安全围栏81的至少一个侧面上设置用于更换模块试样100的门，优选的是，在测量中打开该门时，能够使向加热部2的加热器的通电和加重部6的工作停止，从而使测量紧急停止。此外，在安全围栏81中至少放入一个温度传感器来管理围栏内的温度，在成为设定以上的温度的情况下，可以使向加热部2的加热器的通电和加重停止，从而使测量紧急停止。
紧急停止按钮82和报警显示灯83与控制计算部5连接，与该控制计算部5联动工作。紧急停止按钮82在因某种故障而使测量立即停止时使用，设定为：通过按下该按钮，能够使向加热部2的加热器的通电和加重部6的工作停止。此外，因某种故障而导致预先设定的加热条件和测量等未按照程序工作时等，报警显示灯83为了向测量者通知该信息而工作，正常工作时绿灯点亮，测量停止时黄灯点亮，异常发生时红灯点亮。
在本发明的热电模块发电评价装置1中，如上所述包括：加热部2，所述加热部2具有加热面，所述加热面具有热电模块试样100的高温面的尺寸以上的尺寸，并且与高温面接触配置；以及冷却部3，所述冷却部3具有冷却面，所述冷却面具有热电模块试样100的低温面的尺寸以上的尺寸，并且与低温面接触配置，此外，与热电模块试样100连接的电力引出线(导线4)的至少一部分设置成与冷却部3的冷却面紧密接触，所以能够高精度地评价发电效率。特别是由于与热电模块试样100连接的电力引出线(导线4)的至少一部分设置成与冷却部3的冷却板31的冷却面紧密接触，所以在导线4中由电阻的发热产生的热量能够通过冷却面进入冷却水，此外，因来自加热部2的加热面的散热而向导线4供给的热量也能够通过冷却面进入冷却水，因此能够更准确地测量发电效率等。
此外，导线4的形状和尺寸没有特别限定，例如能够采用板状、带状、圆柱状和绞线状等各种形状。虽然导线4的断面面积大则电阻小，能够使发电输出的损失变小，但是如果断面面积大则来自高温侧的热量容易通过导线4释放，所以导线4位于模块的高温侧时，未参与热电转换的热量从热源直接流入冷却水，导致转换效率的测量精度变差。为了防止上述情况，例如，优选的是，采用宽度0.1cm～3cm、厚度0.005cm～0.2cm左右的薄片状导线4，更优选的是，采用宽度0.5cm～1cm、厚度0.005cm～0.1cm左右的薄片状导线4。由于通过采用这种具有规定宽度且厚度薄的薄片状导线4(带状导线4)，并且设置成使该形状的导线4的至少一部分与冷却板31的冷却面紧密接触，导线4与冷却面的接触面积增大，能够有效地使滞留于导线4的热量通过冷却面，向冷却水侧移动，所以能够以极高的精度测量发电效率等。
此外，优选的是，使冷却板31的冷却面的面积比加热板21的加热面的面积大。按照这种结构，能够保护配置在冷却板31侧的周边构件不受来自加热板21的传热的高温的影响，并且能够有效地接受从加热板21散热的热量，从而能够更进一步准确测量发电效率等。
此外，在本发明的热电模块发电评价装置1中，如图12的要部放大简要结构的侧视图所示，可以包括具有弹性的传热片9，该传热片9配置在冷却部3的冷却面和热电模块试样100的低温面之间。在将这种具有弹性的传热片9配置在冷却面和热电模块试样100的低温面之间的情况下，即使测温传感器插入传热片9和水冷面之间，也不会形成大的间隙，所以能够以更高精度测量低温面的元件的温度，从而能够更进一步以高精度测量热电模块试样100的发电效率等。另外，具有弹性的传热片9优选还具有电绝缘性。在该传热片9具有电绝缘性的情况下，能够省略热电模块试样100的低温侧基板101来构成热电模块试样100，从而能够实现模块试样结构上的简略化。在此，作为具有弹性的传热片9例如可以使用包含硅酮系橡胶或丙烯酸系橡胶的薄片材料。
在此，利用本发明的热电模块发电评价装置1进行性能评价的热电模块试样100如图1、图13、图14所示优选具有板状的形状(在图14中，特别放大了厚度(高度)方向尺寸进行显示)。另外，图13是热电模块试样100的平面图，图14的(a)～(d)表示分别从图13的C方向、D方向、E方向、F方向观察的侧视图。该热电模块试样100如图13和图14所示包括电绝缘性的低温侧基板101、多个p型热电元件和多个n型热电元件。各p型热电元件和各n型热电元件通过电极102相互串联成p型·n型·p型·n型···。此外，电极102的一部分配置在低温侧基板101和一对p-n型热电元件对之间，电极102的其他一部分配置在一对p-n型热电元件对的上表面侧。
此外，用于热电模块试样100的热电材料、电极材料和基板等的结构构件也没有特别限定，只要在测量温度下不发生熔融、蒸发和粉碎等而保持形状即可。此外，p型热电元件和n型热电元件的形状也没有特别限定，但是为了容易制造，如图15所示优选四角柱或圆柱形。此外，热电元件的断面尺寸也没有特别限定，但是如果断面面积大而热电元件数量少，则产生的电流值变大，由此导致导线4中的发热变大且电压值也降低，所以测量精度有可能下降。因此，一般来说，优选的是，使用断面的一边是1mm～10mm左右的四角柱，或者是使用直径为1mm～10mm左右的圆柱。此外，p型热电元件的断面形状和n型热电元件的断面形状可以不同，此外，p型热电元件和n型热电元件的断面尺寸也可以不同。此外，p型或n型的热电元件的高度H没有特别限定，但是从热电模块试样100的内部电阻、耐久性、容易产生温度差、以及防止成为使发电效率的精度下降原因的来自热电材料侧面的散热的观点出发，优选1～30mm左右，更优选1～7mm左右。另外，p型和n型热电元件的高度H可以不同，但是如果考虑与加热板21或冷却板31的良好的热接触，则优选全部元件具有相同的长度。
此外，构成热电模块试样100的热电元件数量、以及构成一个p-n对的元件数量没有限定。例如，在图13～图14所示的结构中，表示了构成一对p-n热电元件对的元件数量为p型、n型均为一个的情况，但是例如，如图16所示，构成一对p-n热电元件对的元件数量可以是p型、n型均为两个，或者是如图17所示，可以仅由p型元件或n型元件中任意一方的热电元件构成热电模块试样100。另外，图16的(a)～(c)和图17的(a)～(c)分别对应于从图14的C方向、D方向、E方向观察的侧视图。
此外，在图13和图14的结构中，利用导电性电极102连接热电元件之间，但是并不限定于这种结构，例如，如图18所示，可以使p型热电元件与n型热电元件直接连接。图18的(a)表示热电模块试样100的平面图，图18的(b)～(d)表示分别从图18的(a)的C方向、D方向、E方向观察的侧视图。在形成连接时，能够使用焊料或导电性浆料等，但是为了制作在高温空气中耐久性高的模块，与有可能产生氧化或融化的焊料相比，优选使用银、铂和金等贵金属的导电性浆料。元件间的间隔只要即使元件之间接触也不发生短路即可，但是如果间隔过大，则热电模块内的元件数量变少，从而不能得到高输出。因此，元件间的间隔可以是0.1～5mm左右，更优选0.1～1mm左右。
此外，在图13和图14的结构中，在热电模块试样100的低温面侧设置电绝缘性的低温侧基板101，并且在高温面侧未设置基板，但是并不限定于这种结构，例如，如图19的(a)所示，可以在配置低温侧基板101的基础上，在热电模块试样100的高温面侧配置电绝缘性的高温侧基板103。此外，如图19的(b)所示，可以省略低温侧基板101来构成热电模块试样100。在此，图19的(a)、(b)对应于从图13的D方向观察的侧视图。在以未设置低温侧基板101和高温侧基板103两者或任意一方的方式构成热电模块试样100而使电极102的一部分露出的情况下，在后述的加热部2具有的加热板21的加热面和冷却部3具有的冷却板31的冷却面具有导电性时，为了防止热电元件间的短路，只要在上述加热面或冷却面与热电模块试样100之间夹持电绝缘性的物质即可。在这种情况下，如果热传导低，则难以使热电模块试样100产生温度差，所以优选尽可能使插入物热导率高且厚度薄。例如，可以在加热面和热电模块试样100之间配置薄的氧化铝或氮化硅等的陶瓷板，此外，可以在冷却面和热电模块试样100之间配置市场出售的热传导性润滑脂或聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带。
此外，作为热电模块试样100的形态能够采用将多张图14等所示的热电模块试样100重叠的级联模块，在这种情况下，优选全部热电模块的厚度的和在50mm以下，更优选5～20mm左右。此外，热电模块试样100的高温面的外边缘与基板(低温侧基板101和高温侧基板103)的有无无关，优选其一边的长度在后述的加热板21的一边的长度的80％以下，更优选设定在50％以下。通过以上述方式进行设定，加热板21的热量的大部分能够输入热电模块试样100，所以发电输出高，能够得到接近热电模块试样100能够发电的极限值的发电输出。此外，即使在没有基板的情况下，也能够减小由高温面和低温面的变形产生的热接触面积减少的影响。
本发明的发明人制作多个上述热电模块发电评价装置1的实施例，对各种热电模块试样100进行了它们的性能评价试验，以下对此进行说明。
首先，说明发明人制作的实施例1～3的热电模块发电评价装置1。
实施例1
实施例1的热电模块发电评价装置中的加热部2、冷却部3、加重部6和测量部的结构如下所述。
[加热部2]
以如下方式构成加热板21：在65mm×50mm方形、厚度25mm的镍铬铁合金600制的加热板主体22的侧面的三个部位，开设直径12mm的孔24，并且装填筒形加热器23，所述孔24距该加热板主体22的外侧4.5mm、外周间的间隔为10mm、而且距与热电模块试样100接触的加热面侧6mm(图20)。此时，筒形加热器23的前端配置成从加热板21的外边缘到达40mm的深度。在相反侧的侧面，开设两个直径为2mm的孔26，并且装填R型热电偶(温度传感器25)，所述孔26距加热板主体22的外侧20.5mm、外周间的间隔为20mm、而且距与热电模块试样100接触的加热面侧11mm。按照这种配置，热电偶位于与两根筒形加热器23等间隔的位置。此外，热电偶的前端配置成从加热板21的外边缘到达25mm的深度。将两根热电偶的一根与加热器的温度控制器连接，用于加热器温度的控制。作为筒形加热器23采用在常用800℃、最高温度1000℃下能够使用的加热器。加热板21的发热量在两根筒形加热器23中输出最大1kW。
表1表示在未与热电模块试样100接触而无负载状态下，以900℃的设定对加热板21进行加热时的加热面的温度分布。在测量中使用热成像仪，图21表示表1所示的测量点。可以看出倾向于，测量点越接近筒形加热器23则温度越高。在与加热板21中心相同且具有加热板21各边的80％长度的区域内(由点(1)、(7)、(15)、(21)包围的区域)的最大的温度差是49℃。另一方面，在具有加热板21各边的50％长度的区域内(由点(22)、(23)、(24)、(25)包围的区域)的最大的温度差为16℃。另外，由于使加热面暴露于空气中进行测量，所以产生了设定温度与实测值的差。
表1
[冷却部3]
冷却部3由80mm×80mm方形、厚度20mm的、内部具有水管(流道32)的、热阻在0.03℃/W以下的铜制的冷却板31构成(图22)。冷却器的最大冷却能力是1.4kW，最大流量是14升。设定温度在30℃以下。
[加重部6]
由利用杠杆原理的杠杆加压式构成加重部6(图8)。该加重部6最高将5kg的重物悬挂于杠杆，从加热部2上部向模块试样均等地加重。加重能够以1kg刻度设定。在测量中也由测压元件确认加重值，手动将重物悬挂于杠杆并保持固定值。另外，加热部2和冷却部3的配置构成为：加热部2位于上部，将位于下部的冷却部3固定，从上部加重。
[测量部]
温度测量对加热板21测量两个部位，对热电模块试样100的高温面和低温面分别测量一个部位，此外，对冷却水温度测量两个部位。温度传感器是在加热板21、模块高温面使用R型热电偶，在模块低温面使用K型热电偶。冷却水温度的测量使用铂测温电阻。加热板21的测量用热电偶是将热电偶插入设置在加热板21侧面的孔内。在高温面具有模块试样的基板的情况下，模块试样的高温面的测量用热电偶是利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧的面上。在没有模块试样的基板的情况下，将厚度为0.8mm的氧化铝板插入与加热板21之间，并且利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧。
此外，作为电子负载装置使用能够通过最大5A的电流的恒流直流电源，作为电压计使用最大能够测量10V的直流电压计。此外，温度测量使用与各温度中心对应的数字温度测量仪。
实施例2
实施例2的热电模块发电评价装置中的加热部2、冷却部3、加重部6和测量部的结构如下所述。
[加热部2]
以如下方式构成加热板21：在140mm×140mm方形、厚度25mm的镍铬铁合金600制的加热板主体22的侧面的五个部位，开设直径12mm的孔24，并且装填筒形加热器23，所述孔24距加热板21的外侧14mm、外周间的间隔为13mm、而且距与热电模块接触的加热面侧6mm(图23)。此时，筒形加热器23的前端配置成从加热板21的外边缘到达135mm的深度。在相反侧的侧面，开设四个直径为2mm的孔26，并且装填R型热电偶(温度传感器25)，所述孔26距加热板主体22的外侧31.5mm、外周间的间隔为23mm、而且距与热电模块试样100接触的加热面侧11mm。按照这种配置，各热电偶位于与两根筒形加热器23等间隔的位置。此外，热电偶的前端配置成从加热板21的外边缘到达70mm的深度。将接近中央的两根热电偶中的一根与加热器的温度控制器连接，用于加热器温度的控制。作为筒形加热器23采用在常用800℃、最高温度1000℃下能够使用的加热器。加热板21的发热量在五根筒形加热器23中输出最大2.5kW。
表2表示在未与热电模块试样100接触而无负载状态下，以800℃的设定对加热板21进行加热时的加热面的温度分布。在测量中使用热成像仪，图24表示表2所示的测量点。可以看出倾向于，测量点越接近筒形加热器23则温度越高。在与加热板21中心相同且具有加热板21各边的80％长度的区域内(由点(1)、(7)、(15)、(21)包围的区域)的最大的温度差是48℃。另一方面，在具有加热板21各边的50％长度的区域内(由点(22)、(23)、(24)、(25)包围的区域)的最大的温度差是20℃。另外，由于使加热面暴露于空气中进行测量，所以产生了设定温度与实测值的差。
表2
[冷却部3]
冷却部3由140mm×140mm方形、厚度20mm的、内部具有水管(流道32)的、热阻在0.005℃/W以下的铜制的冷却板31构成(图25)。冷却器的最大冷却能力是1.4kW，最大流量是14升。设定温度在30℃以下。
[加重部6]
由利用杠杆原理的杆式加压机构成加重部6(图8)。该加重部6最高将10kg的重物悬挂于杠杆，从加热部2上部向模块试样均等地加重。加重能够以1kg刻度设定。在测量中也由测压元件确认加重值，手动将重物悬挂于杠杆并保持固定值。另外，加热部2和冷却部3的配置构成为：加热部2位于上部，将位于下部的冷却部3固定，从上部加重。
[测量部]
温度测量对加热板21测量四个部位，对热电模块试样100的高温面和低温面分别测量两个部位，此外，对冷却水温度测量两个部位。温度传感器是在加热板21、模块高温面使用R型热电偶，在模块低温面使用K型热电偶。冷却水温度的测量使用铂测温电阻。加热板21的测量用热电偶是将热电偶插入设置在加热板21侧面的孔内。在高温面具有模块试样的基板的情况下，模块试样的高温面的测量用热电偶是利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧的面上。在没有模块试样的基板的情况下，将厚度为0.8mm的氧化铝板插入与加热板21之间，并且利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧。
此外，作为电子负载装置使用能够通过最大10A的电流的恒流直流电源，作为电压计使用最大能够测量10V的直流电压计。温度测量使用与各温度中心对应的数字温度测量仪。
实施例3
实施例3的热电模块发电评价装置中的加热部2、冷却部3、加重部6和测量部的结构如下所述。
[加热部2]
以如下方式构成加热板21：在160mm×150mm方形、厚度30mm的镍铬铁合金600制的加热板主体22的侧面的六个部位，开设直径12mm的孔24，并且装填筒形加热器23，所述孔24距加热板21的外侧11.5mm、外周间的间隔为15mm、而且距与热电模块试样100接触的加热面侧7mm(图26)。此时，筒形加热器23的前端配置成从加热板21的外边缘到达155mm的深度。在相反侧的侧面，开设五个直径为2mm的孔26，并且装填R型热电偶(温度传感器25)，所述孔26距加热板主体22的外侧25mm、外周间的间隔为27.5mm、而且距与热电模块试样100接触的加热面侧12mm。按照这种配置，各热电偶位于与两根筒形加热器23等间隔的位置。此外，热电偶的前端配置成从加热板21的外边缘到达80mm的深度。将五根中的中央的热电偶与加热器的温度控制器连接，用于加热器温度的控制。作为筒形加热器23采用在常用800℃、最高温度1000℃下能够使用的加热器。加热板21的发热量在五根筒形加热器23中输出最大3kW。
表3表示在未与热电模块试样100接触而无负载状态下，以600℃的设定对加热板21进行加热时的加热面的温度分布。在测量中使用热成像仪，图27表示表3所示的测量点。可以看出倾向于，测量点越接近筒形加热器23则温度越高。在与加热板21中心相同且具有加热板21各边的80％长度的区域内(由点(1)、(7)、(15)、(21)包围的区域)的最大的温度差是19℃。另一方面，具有加热板21各边的50％长度的区域内(由点(22)、(23)、(24)、(25)包围的区域)的最大温度差也是19℃。另外，由于使加热面暴露于空气中进行测量，所以产生了设定温度与实测值的差。
表3
[冷却部3]
冷却部3由300mm×300mm方形、厚度50mm的、内部具有水管(流道32)的、热阻在0.0015℃/W以下的铜制的冷却板31构成(图28)。冷却器的最大冷却能力是3kW，最大流量是27升。设定温度在30℃以下。
[加重部6]
由空压式压缩机类型构成加重部6(图7)。该加重部6能够从加热部2的上部向模块试样均等地加重最高200kg。加重能够以1kg刻度设定。在测量中也由测压元件确认加重值，能够自动调整成设定的加重。另外，加热部2和冷却部3的配置构成为：加热部2位于上部，将位于下部的冷却部3固定，从上部加重。
[测量部]
温度测量对加热板21测量五个部位，对热电模块的高温面和低温面分别测量五个部位，此外，对冷却水温度测量两个部位的十五个部位。温度传感器是在加热板21、模块高温面使用R型热电偶，在模块低温面使用K型热电偶。冷却水温度的测量使用铂测温电阻。加热板21的测量用热电偶是将热电偶插入设置在加热板21的侧面的孔内。在高温面上具有模块的基板的情况下，模块的高温面的测量用热电偶是利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧的面上。在没有模块的基板的情况下，将厚度为0.8mm的氧化铝板插入与加热板21之间，并且利用银浆将R型热电偶粘接在其元件侧。
此外，作为电子负载装置使用能够通过最大10A的电流的恒流直流电源，作为电压计使用能够测量最大20V的直流电压计。温度测量使用与各温度中心对应的数字温度测量仪。
接着，说明由上述实施例1～3的热电模块发电评价装置进行的试验例1～33。另外，由实施例1的热电模块发电评价装置来实施试验例1～7。此外，利用实施例2的热电模块发电评价装置来实施试验例8～30，并且由实施例3的热电模块发电评价装置来实施试验例31～33。
另外，试验例1～17、26、27、31、33的热电模块试样是使用基于以下文献1～文献3制作的氧化物系材料的热电模块。
文献1：R.Funahashi,and S.Urata,K.Mizuno,T.Kouuchi,and M.Mikami,具有高输出功率密度的Ca2.7Bi0.3Co4O9/La0.9Bi0.1NiO3热电装置，应用物理快报(Ca2.7Bi0.3Co4O9/La0.9Bi0.1NiO3thermoelectrics devices with high output powerdensity,Applied Physics Letters),Vol.85No.6,pp.1036-1038(2004)
文献2：R.Funahashi,M.Mikami,T.Mihara,S.Urata,and N.Ando,一种由氧化物器件组成的可移动的热电发电模块，应用物理学报(A portable thermoelectric-power-generating module of Composed of oxide devices,Journal of Applied Physics),Vol.99No.6,pp.066117-066119(2006)
文献3：S.Urata,R.Funahashi,T.Mihara,A.Kosuga,S.Sodeoka,T.Tanaka,p型Ca3Co4O9/n型CaMnO3模块的发电，国际应用陶瓷技术杂志(Power generation of a p-type Ca3Co4O9/n-type CaMnO3module,International Journal of Applied CeramicTechnology),Vol.4,No.6,pp.535-540(2007)
此外，试验例18～25、28～30、32的热电模块试样是使用基于以下文献4和文献5制作的硅化物系材料的热电模块。
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,n型Mn3-xCrxSi4Al2的空气中的热电特性，应用物理杂志(Thermoelectric Properties of n-typeMn3-xCrxSi4Al2in 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,硅基热电模块在高温空气中的耐久性，电子材料杂志(Durability of silicide-based thermoelectric modules at hightemperatures in air,Journal of Electronic Materials),Vol.44,Issue 8,pp 2946-2952(2015)
<试验例1～5>
在试验例1中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件为p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是5mm，并且利用银浆与银电极连接。元件的对数是八对，一对元件数量是p、n型各一个。没有基板，热电模块试样100高温面的边的长度是15.5mm×15.5，厚度是5.2mm。导线4是宽度3.5mm、厚度0.1mm、长度30mm的银片，与模块试样的低温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块试样100的低温面和冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31和散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块试样100高温面的尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将加热板温度在200～900℃的范围内每隔100℃进行设定，将3kg的重物悬挂于手柄杆来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环。在加热板21的温度成为设定值之后，对外部负载电阻进行扫描，测量电流值和电压值，并且利用这些数值，根据上述式3来计算热电模块试样100的最大输出。此外，根据该最大输出和由式5计算的流入冷却水的热量，利用式4计算发电效率。表4表示在该试验例1中进行了性能评价的热电模块试样100的详细情况，表5表示相对于加热板21的各温度的发电输出(W)和发电效率(％)相关的结果。另外，在表5中“-”所示的位置表示未测量相对于加热板21的各温度的发电输出(W)和发电效率(％)。
表4
表5
此外，试验例2～5以与上述试验例1相同的条件对与试验例1不同的热电模块试样100进行了性能评价。将在试验例2～5中进行了性能评价的热电模块试样100相关的详细情况一同表示在了上述表4中，将相对于加热板21的各温度的发电输出(W)和发电效率(％)相关的结果一同表示在了上述表5中。
<试验例6>
在试验例6中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是14对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用32mm×34mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是27.5mm×31.5mm，热电模块的厚度是7mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，与模块试样的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块试样100的低温面和冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31和散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面的尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将3kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在3小时从室温上升至900℃，对外部负载电阻进行扫描来测量最大输出。测量后，使加热板21的加热停止并放置3小时。由此，加热板温度成为100℃以下。此后，再次开始加热，在3小时上升至900℃，测量热电模块的最大输出。反复进行合计六次上述试验来进行模块的循环试验。
<试验例7>
在试验例7中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是3.5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是10对，一对元件数量是两个p型和一个n型。在高温面侧作为基板使用32mm×36mm、厚度0.8mm的氧化铝。除了基板以外的热电模块试样100的尺寸是30mm×30mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块试样100的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将3kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在3小时从室温上升至1000℃，对外部负载电阻进行扫描来测量最大输出。测量后，使加热板21的加热停止并放置4小时。由此，加热板温度成为100℃以下。此后，再次开始加热，3小时上升至1000℃，测量热电模块试样100的最大输出。反复进行合计53次该温度循环，直到第20次为止每次进行测量，之后是3～5次温度循环后进行测量。
表6表示上述试验例6和7的热电模块试样100的详细情况，表7表示循环试验结果。另外，表7中“-”所示的位置未进行循环试验。
表6
表7
<试验例8～25>
在试验例8中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是34对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用45mm×60mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是15.5mm×15.5mm，热电模块的厚度是6mm。导线4是宽度3.5mm、厚度0.1mm、长度30mm的银片，与模块的低温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面的尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将加热板温度在200～900℃的范围内每隔100℃进行设定，将5kg的重物悬挂于手柄杆来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环。在加热板21的温度成为设定值之后，对外部负载电阻进行扫描并测量热电模块的最大输出。此外，利用该最大输出来测量发电效率。
此外，试验例9～25以与上述试验例8相同的条件对与试验例8不同的热电模块试样100进行了性能评价。另外，在一部分试验例中，以使加热板21的设定温度的上限和下限与试验例8不同的方式进行试验。表8表示在试验例8～25中进行了性能评价的热电模块试样100的详细情况。此外，表9表示相对于加热板21的各温度的发电输出(W)和发电效率(％)相关的结果。另外，在表9中“-”所示的位置表示未测量相对于加热板21的各温度的发电输出(W)和发电效率(％)。
表8
表9
<试验例26和27>
在试验例26中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是34对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用32mm×34mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是43.5mm×47.5mm，热电模块的厚度是6mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面的尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将5kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在3小时从室温上升至900℃，对外部负载电阻进行扫描来测量最大输出。测量后，使加热板21的加热停止并放置3小时。由此，加热板温度成为100℃以下。此后，再次开始加热，在3小时上升至900℃，测量热电模块的最大输出。反复进行合计五次上述试验来进行模块的循环试验。
试验例27另外准备了与上述试验例26的热电模块试样100相同结构的试样，在与试验例26的条件相同条件下测量该试样。表10表示试验例26、27的热电模块的详细情况。此外，表11表示这些循环试验结果。上述两个热电模块具有完全相同组成和相同形状，但是可以看出劣化现象不同。这是因为劣化的原因不同，在试验例26中确认到电极部分剥离，在试验例27中确认到n型元件的裂纹。
表10
表11
<试验例28>
在试验例28中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型MnSi1.7和n型Mn3Si4Al2，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是7.5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是7对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用30mm×20mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是27.5mm×15.5mm，热电模块的厚度是8.5mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面的尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将3kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在2小时从室温上升至500℃，对外部负载电阻进行扫描来测量最大输出和发电效率。测量后将加热板温度保持为500℃，每隔24小时，持续43天，测量最大输出和发电效率。表12表示试验例28的热电模块的详细情况，表13表示试验例28的长期连续加热试验结果。
表12
表13
<试验例29>
在试验例29中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型MnSi1.7和n型Mn2.7Cr0.3Si4Al2，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是7.5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是7对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用30mm×20mm，厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是27.5mm×15.5mm，热电模块的厚度是8.5mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将3kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在2小时从室温上升至500℃，利用恒流直流电源以1A的发电电流保持固定的方式控制外部负载电阻，利用直流四端子法测量热电模块试样100产生的电压。根据该电压值和电流值来计算发电输出。测量后将加热板温度保持为500℃，每隔50小时，持续750小时，测量1A产生时的发电输出。表14表示试验例29的热电模块的详细情况，表15表示试验例29的长期恒流连续试验结果。
表14
表15
<试验例30>
在试验例30中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型MnSi1.7和n型Mn2.7Cr0.3Si4Al2，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是7.5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是7对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用30mm×20mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是27.5mm×15.5mm，热电模块的厚度是8.5mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，此外，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将3kg的重物悬挂于手柄杆，利用位于上部的加热板21来加重。使温度设定为20℃的冷却水以5升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在2小时从室温上升至500℃，利用恒流直流电源以将1V的发电电压保持为固定的方式控制外部负载电阻，利用直流四端子法测量热电模块产生的电流。根据该电压值和电流值来计算发电输出。测量后将加热板温度保持为500℃，每隔50小时，持续900小时，测量1V产生时的发电输出。表16表示试验例30的热电模块试样100的详细情况，表17表示试验例30的长期恒压连续试验结果。
表16
表17
<试验例31>
在试验例31中进行了性能评价的热电模块试样100如下：该热电模块的元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型Ca0.9Yb0.1MnO3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是64对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用64.5mm×64.5mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是63.5mm×63.5mm，热电模块的厚度是6mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的低温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将加热板温度在200～900℃的范围内每隔100℃进行设定，利用空压式压缩机从上部加重20kg。使温度设定为20℃的冷却水以8升/分钟的水量在冷却板31内循环。在加热板21的温度成为设定值之后，对外部负载电阻进行扫描并测量热电模块的最大输出。此外，利用该最大输出来测量发电效率。
<试验例32>
在试验例32中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型MnSi1.7和n型Mn2.7Cr0.3Si4Al2，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是7.5mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是14对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用30mm×35mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是27.5mm×31.5mm，热电模块的厚度是8.5mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，位于模块的高温面侧。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。将加热板温度在100～600℃的范围内每隔100℃进行设定，利用空压式压缩机从上部加重10kg。使温度设定为20℃的冷却水以8升/分钟的水量在冷却板31内循环。在加热板21的温度成为设定值之后，对外部负载电阻进行扫描来测量热电模块的最高输出。此外，利用该最大输出来测量发电效率。
表18表示试验例31和32的热电模块试样100的详细情况。此外，表19表示测量结果。
表18
表19
<试验例33>
在试验例33中进行了性能评价的热电模块试样100如下：其元件是p型Ca2.7Bi0.3Co4O9和n型CaMn0.98Mo0.02O3，元件的断面尺寸是3.5mm×3.5mm，长度是7mm，利用银浆与银电极连接。元件的对数是64对，一对元件数量是p、n型均为两个。在高温面侧作为基板使用64.5mm×64.5mm、厚度0.8mm的氧化铝。没有基板的低温面的边的长度是63.5mm×63.5mm，热电模块的厚度是8mm。导线4是宽度5mm、厚度0.1mm、长度7.5mm的银片，并且与模块的高温面侧的电极端连接。为了电绝缘，将厚度0.07mm的聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带缠绕于导线4，而且，利用聚酰亚胺(卡普顿(注册商标))胶带与冷却板31紧密接触。此外，在热电模块的低温面与冷却板31之间插入厚度0.5mm的散热凝胶片(具有弹性的传热片9；商品名称：拉姆达凝胶(ラムダゲル，Lambda gel))，在确保热传导和电绝缘的同时，在冷却板31与散热凝胶片之间插入低温面测量用K型热电偶。此外，重叠多张以与热电模块的高温面尺寸相同尺寸挖通的玻璃棉隔热材料(隔热构件7)，覆盖热电模块试样100的周围，并且覆盖整个冷却板31，从而防止由来自加热板21的散热进行的加热。利用空压式压缩机从上部加重10kg。使温度设定为20℃的冷却水以8升/分钟的水量在冷却板31内循环，使加热板温度在2小时从室温上升至500℃，利用恒流直流电源以1A的发电电流保持为固定的方式控制外部负载电阻，利用直流四端子法测量热电模块产生的电压。根据该电压值和电流值来计算发电输出。测量后也将加热板温度保持为500℃，每隔50小时，持续750小时，测量1A产生时的发电输出。表20表示试验例33的热电模块试样100的详细情况。此外，表21表示试验例33的长期恒流连续试验结果。
表20
表21
如上所述，按照本发明的热电模块发电评价装置，能够确认如下情况：能够进行高温、空气中这样的实用化条件下的热电模块的输出、发电效率、循环特性和长期耐久性等各种评价事项的性能评价。
附图标记说明
1 热电模块发电评价装置
2 加热部
21 加热板
22 加热板主体
23 筒形加热器
25 温度传感器
3 冷却部
32 流道
31 冷却板
33 进水管
34 出水管
37 冷却水循环装置
38、39 温度传感器
4 导线
5 控制计算部
6 加重部
7 隔热构件
9 传热片
100 热电模块试样

Claims (10)

1.一种热电模块发电评价装置，对热电模块的发电性能进行评价，其特征在于，包括：
加热部，具备加热面，所述加热面具有所述热电模块的高温面尺寸以上的尺寸且与所述高温面接触配置；
冷却部，具备冷却面，所述冷却面具有所述热电模块的低温面尺寸以上的尺寸且与所述低温面接触配置；以及
电力引出线，与所述热电模块连接，
所述电力引出线的至少一部分紧密接触地配置在所述冷却部的冷却面上。
2.根据权利要求1所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，所述电力引出线是具有规定宽度的薄片状布线。
3.根据权利要求1或2所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，所述冷却部的冷却面具有比所述加热部的加热面大的面积。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，
所述热电模块能够配置在所述加热部和所述冷却部之间，
所述热电模块发电评价装置还包括加重部，所述加重部在所述加热部和所述冷却部之间对所述热电模块进行加压。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，还包括具有弹性的传热片，所述传热片配置在所述冷却部的冷却面和所述热电模块的低温面之间。
6.根据权利要求5所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，所述传热片还具有电绝缘性。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，所述加热部包括加热板主体，所述加热板主体由热膨胀率在15×10-6/K以下且热导率在10W/mK以上的耐氧化性材料构成，所述加热面是所述加热板主体的一个面。
8.根据权利要求7所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，所述加热板主体由不锈钢、镍基超合金或陶瓷形成。
9.根据权利要求7或8所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，还包括配置在所述加热板主体内部的筒形加热器和温度传感器，所述筒形加热器和所述温度传感器相对于所述加热板主体的厚度方向靠所述热电模块侧设置。
10.根据权利要求1～9中任意一项所述的热电模块发电评价装置，其特征在于，还包括隔热构件，所述隔热构件覆盖所述热电模块的周围，并且覆盖所述冷却部的所述冷却面。
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