JP2002076447A - 熱電材料の性能評価方法 - Google Patents

熱電材料の性能評価方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱電材料の性能を効率よく短時間に評価できる
方法を提供する。 【解決手段】熱電材料に通電した際に生じる温度分布を
サーモグラフィーによって画像として表示し、熱電材料
両端の温度差を視覚的に判定することによる熱電材料の
性能評価方法、及び熱電材料に通電した際に生じる温度
分布を赤外線受光器を用いて検出して該熱電材料両端の
温度差ΔTを求め、下記式: ΔT=ZTc/2 (1) (式中、ΔTは熱電材料両端の温度差、Zは熱電性能指
数、Tcは低温部の温度(絶対温度)である)に基づい
て熱電性能指数(Z)を算出することを特徴とする熱電
材料の性能評価方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電材料の性能評
価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】我が国では、一次供給エネルギーからの
有効なエネルギーの得率はわずか30%程度であり、約
70%ものエネルギ−を最終的には熱として大気中に廃
棄している。また、工場やごみ焼却場などにおいて燃焼
により生ずる熱も他のエネルギーに変換されることなく
大気中に廃棄されている。このように、我々人類は非常
に多くの熱エネルギーを無駄に廃棄しており、化石エネ
ルギーの燃焼等の行為から僅かなエネルギーしか獲得し
ていない。
【0003】エネルギーの得率を向上させるためには、
大気中に廃棄されている熱エネルギーを利用できるよう
にすることが有効である。そのためには熱エネルギーを
直接電気エネルギーに変換する熱電変換は有効な手段で
ある。この熱電変換とは、ゼーベック効果を利用したも
のであり、熱電変換材料の両端で温度差をつけることで
電位差を生じさせて発電を行うエネルギー変換法であ
る。この熱電発電では、熱電変換材料の一端を廃熱によ
り生じた高温部に配置し、もう一端を大気中(室温)に
配置して、それぞれの両端に導線を接続するだけで電気
が得られ、一般の発電に必要なモーターやタービン等の
可動装置は全く必要ない。このためコストも安く、さら
に燃焼等によるガスの排出も無く、熱電変換材料が劣化
するまで継続的に発電を行うことができる。
【0004】このように、熱電発電は今後心配されるエ
ネルギー問題の解決の一端を担う技術として期待されて
いるが、熱電発電を実現するためには、高い熱電変換効
率を有し、耐熱性、化学的耐久性等に優れた熱電変換材
料が必要となる。現在、高い熱電変換効率を有する物質
として知られているものは、金属間化合物であり、その
中でも、廃熱の温度域である600〜1000K程度の
温度域で高い変換効率を有する材料は、TeAgSb系
金属化合物である。しかしながら、TeやSbは毒性を
有する希少元素であり、しかも酸化し易いために空気中
では利用できず、TeAgSb系金属化合物の実用材と
しての応用には限界がある。このため、毒性が少なく、
存在量の多い元素により構成され、耐熱性、化学的耐久
性等に優れ、高い熱電変換効率を有する材料の開発が期
待されている。
【0005】熱電材料の性能は、一般に熱電性能指数
(Z)によって評価されている。ここで、Zは、材料の
ゼーベック係数(S)、電気抵抗率(ρ)及び熱伝導度
(κ)から、式:Z=S2/ρκによって求められる物
性値である。
【0006】従って、Z値を決めるためには、ゼーベッ
ク係数(S)、電気抵抗率(ρ)及び熱伝導度(κ)と
いう三種類の物性値を測定する必要があり、これらの測
定には手間と時間が必要である。このため、一つの試料
の熱電性能指数(Z)を得るまでに数日から1週間程度
の日数を要するのが現状である。このことは、熱電材料
を開発する際に大きな問題であり、熱電材料の評価方法
の高速化、高効率化ができれば、新規な熱電材料の開発
が進み、熱電発電の実現の可能性も高くなるものと考え
られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
熱電材料の性能を効率よく短時間に評価できる方法を提
供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した熱
電変換材料の評価方法の現状に鑑みて鋭意研究を重ねた
結果、試料に通電した際にペルチェ効果によって試料両
端に生じる温度差が熱電性能指数と関連性を有すること
に着目し、通電時に試料両端で生じる温度差をサーモグ
ラフィー等によって赤外線受光器を用いて検出する方法
によれば、非常に簡単な方法によって短時間で材料の熱
電変換性能を評価できることを見出し、ここに本発明を
完成するに至った。
【0009】即ち、本発明は、下記の熱電材料の性能評
価方法を提供するものである。1.熱電材料に通電した
際に生じる温度分布をサーモグラフィーによって画像と
して表示し、熱電材料両端の温度差を視覚的に判定する
ことによる熱電材料の性能評価方法。2.熱電材料に通
電した際に生じる温度分布を赤外線受光器を用いて検出
して該熱電材料両端の温度差ΔTを求め、下記式: ΔT=ZTc/2 (1) (式中、ΔTは熱電材料両端の温度差、Zは熱電性能指
数、Tcは低温部の温度(絶対温度)である)に基づい
て熱電性能指数(Z)を算出することを特徴とする熱電
材料の性能評価方法。
【0010】
【発明の実施の形態】まず、本発明による熱電材料の性
能評価方法の基本原理を説明する。
【0011】熱電材料が示す物理現象として、試料両端
に温度差をつけた場合に電位差が生じるゼーベック効果
と、試料に通電した場合に試料両端で温度差が生じるペ
ルチェ効果の二つがある。高い性能指数を得るために
は、大きなゼーベック係数が必要であるが、ゼーベック
係数を迅速に評価することは困難である。しかも、ゼー
ベック係数から一義的に熱電性能指数Zを求めることは
できない。
【0012】一方、ペルチェ効果により試料両端に生じ
た温度差ΔTと熱電性能指数Zとの関係は、理想的な条
件下では、以下の式(1)で表される。
【0013】 ΔT=ZTc/2 (1) ここで、Tcは、低温部の温度(絶対温度)である。従
って、通電した際の試料両端の温度差ΔTを測定するこ
とによって、熱電材料の熱電性能指数(Z)を簡単に求
めることができる。
【0014】本発明方法によって熱電材料の性能を定性
的に評価する場合には、試料に直流電流を通電した際の
試料の温度分布を、サーモグラフィーによって画像とし
て表示し、試料両端に生じた温度差の大小を直接視覚的
に判定する。上記式(1)から、試料両端の温度差が大
きいほど熱電性能指数が大きくなることが判るので、試
料両端に生じた温度差の大小を視覚的に判定することに
よって、試料の熱電変換性能を迅速に定性的に評価する
ことができる。
【0015】サーモグラフィーは、物体から放射される
赤外線を赤外線受光器を用いて測定し、物体の温度分布
を画像化する方法である。
【0016】サーモグラフィーによれば、測定対象物の
温度分布を非接触で測定できるので、温度測定のための
センサーの取り付けが不要であり、試料両端に生じた温
度差を迅速に測定できる。特に、通電のための電極を接
続する方法として、金属部材を用いて試料両端を挟み込
む方法、例えば、クリップを用いて試料両端を挟み込む
方法を採用する場合には、電極接続に要する時間を短縮
でき、極めて短時間で熱電性能を評価できる。
【0017】また、熱電材料の熱電性能指数(Z)を定
量的に求める場合には、熱電材料に通電した際に生じる
温度分布を赤外線受光器を用いて検出し、該熱電材料両
端の温度差ΔTを求め、この結果に基づいて、上記式
(1)からZ値を算出することができる。この様な方法
によれば、これまで非常に長時間を要して求めていた熱
電材料の熱電性能指数(Z)を、非常に簡単に短時間で
求めることができる。この場合に、赤外線受光器を用い
て熱電材料の温度分布を検出して該熱電材料両端の温度
差ΔTを求める方法としては、通常は、上記したサーモ
グラフィーを利用すればよいが、これに限定されるもの
ではない。
【0018】本発明の方法によれば、複数の試料につい
て熱電性能指数(Z)を評価する場合にも、各試料を直
列に接続して直流電流を通電し、サーモグラフィー等の
方法によって全試料の温度分布を同時に検出することに
よって、複数の試料の熱電性能指数(Z)を同時に求め
ることができるので、試料数が増加しても測定に要する
時間は殆ど増加することがない。
【0019】
【発明の効果】本発明方法によれば、これまで測定に数
日から1週間程度の日数を要した熱電性能指数(Z)
を、数分程度という極めて短時間で求めることができ、
新規な熱電材料を開発する際に、熱電材料の熱電変換性
能を効率よく迅速に評価することが可能となる。
【0020】本発明によれば、新規熱電材料の開発が非
常に高効率化され、その結果、熱エネルギーを有効に利
用する熱電発電の実現の可能性が高まるものと期待され
る。
【0021】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説
明する。 実施例1 Ca2.5Bi0.5Co49で表される複合酸化物(p型熱
電材料)からなる焼結体(35×8×5mm)とLa4
Ni310で表される複合酸化物(n型熱電材料)から
なる焼結体(40×7×3mm)を、接続用ワニ口クリ
ップを付けた通電用コードを用いて、試料の両端部をワ
ニ口クリップで挟むことによって直列に接続し、0.2
3Aの直流電流を通電して、サーモグラフィ−装置を用
いて、各試料の温度分布を画像として表示させた。測定
は、室温(300K)で行った。
【0022】試料の温度分布を表示する画像を観察する
ことにより、Ca2.5Bi0.5Co49で表される複合酸
化物の両端部に生じる温度差が、La4Ni310で表さ
れる複合酸化物の両端部に生じる温度差と比べて大きい
ことが認められた。この結果から、Ca2.5Bi0.5Co
49で表される複合酸化物が、La4Ni310で表され
る複合酸化物より優れた熱電変換性能を有すると評価で
きた。尚、通電方向を反転することで、試料における高
温部と低温部の位置が反転したことから、通電による発
熱はペルチェ効果によるものであることが確認できた。
【0023】また、上記方法で求めた温度分布から、試
料両端の温度差を求め、式:ΔT=ZTc/2に基づい
て、熱電性能指数(Z)を測定した。結果を下記表1に
示す。表1には、従来法として、ゼーベック係数
(S)、電気抵抗率(ρ)及び熱伝導度(κ)の各物性
値の測定結果に基づいて算出した熱電性能指数(Z)も
示す。尚、従来法による熱電性能指数(Z)の測定で
は、1試料当たり数日から1週間を要したのに対して、
本発明方法では、試料両端部への電極端子の接続から熱
電性能指数Z値の算出までに要した時間は、約3分であ
り、極めて短時間であった。 表 1 試料 熱電性能指数(Z) 本発明法 従来法 Ca2.5Bi0.5Co49 1.1×10-4 1.07×10-4 La4Ni310 4×10-6 4.3×10-6 以上の結果から、本発明の方法によれば、短時間で精度
良く熱電性能指数を測定できることが判る。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱電材料に通電した際に生じる温度分布を
    サーモグラフィーによって画像として表示し、熱電材料
    両端の温度差を視覚的に判定することによる熱電材料の
    性能評価方法。
  2. 【請求項2】熱電材料に通電した際に生じる温度分布を
    赤外線受光器を用いて検出して該熱電材料両端の温度差
    ΔTを求め、下記式: ΔT=ZTc/2 (1) (式中、ΔTは熱電材料両端の温度差、Zは熱電性能指
    数、Tcは低温部の温度(絶対温度)である)に基づい
    て熱電性能指数(Z)を算出することを特徴とする熱電
    材料の性能評価方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005013383A1 (ja) * 2003-07-30 2005-02-10 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
WO2005093864A1 (ja) * 2004-03-25 2005-10-06 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 熱電変換素子及び熱電変換モジュール

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005013383A1 (ja) * 2003-07-30 2005-02-10 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
JPWO2005013383A1 (ja) * 2003-07-30 2006-09-28 独立行政法人産業技術総合研究所 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
JP4595071B2 (ja) * 2003-07-30 2010-12-08 独立行政法人産業技術総合研究所 熱電変換素子、熱電変換モジュール及び熱電変換方法
WO2005093864A1 (ja) * 2004-03-25 2005-10-06 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
JPWO2005093864A1 (ja) * 2004-03-25 2008-02-14 独立行政法人産業技術総合研究所 熱電変換素子及び熱電変換モジュール
US7649139B2 (en) 2004-03-25 2010-01-19 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
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