JP2007059462A

JP2007059462A - 熱電素子の特性評価方法

Info

Publication number: JP2007059462A
Application number: JP2005239958A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Touzaki; 健一東崎; Kalyan Sou; カリヤンスー
Original assignee: Chiba University NUC
Current assignee: Chiba University NUC
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP4474550B2

Abstract

【課題】
上記課題を解決し、Ｐｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数を求める熱電素子の特性評価方法を提供すること。
【解決手段】
熱電素子の二つの接点の一方をほぼ一定温度に保ちながら二つの接点の間に交流電流を流すステップ、更に、二つの接点の間に直流電流を重畳させるステップを有する熱電素子の特性評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は熱電素子の特性を評価する方法に関する。

熱電素子はＣＰＵ等の冷却装置や熱を利用する発電素子として広範に使用されている。素子性能向上のための研究開発や製品の品質検査のために信頼性が高く簡便な評価方法が求められている。また熱流センサーとして熱分析装置に使用されている。

熱電素子の特性パラメータ（Ｐｅｌｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗）を決定する従来の技術として、（１）素子に一定の温度差をつけて熱起電力を測定し（Ｓｅｅｂｅｃｋ係数を決定し）、（２）素子に一定の熱流を流した条件で温度差を測定する（熱抵抗の決定）方法がある。

しかし、この測定方法は安定した条件で行うことが困難であったため、測定者や使用装置によって結果が異なるという大きな問題があった。また、材質自身の特性と実用に供される熱電素子に組み上げた状態での特性が大きく異なるという問題もあった。

そしてこれに対し上記のような個々の定数ではなく熱電素子の効率係数（通称Ｚ値）を１回の測定で直接求める方法が例えば下記非特許文献１に記載されており、またこの原理を利用する装置も市販されるに至っている。
Ｔ．Ｃ．Ｈａｒｍａｎ、Ａ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、２９巻、１９５９年、１３７３頁

しかしながら、上記非特許文献１に記載の技術では、Ｐｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数が分からないといった課題が依然残っており、熱流センサーの較正に用いることができない。

更に上記の方法においては、圧力媒体に周囲を囲まれた高圧下で特性パラメータを決定しようとする場合、より困難となり、結果が大きな誤差を含んでしまうといった課題も生じる。そのため高圧下で使用できる機器は市販されておらず、また、研究レベルの実施例も殆ど無い。

そこで、本発明は上記課題を解決し、Ｐｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数を１回の測定で求めることが可能な熱電素子の特性評価方法を提供することを目的とする。

即ち上記課題を解決するための手段として、本発明に係る熱電素子の特性評価方法は、熱電素子の二つの接点の一方をほぼ一定温度に保ちながらこの二つの接点の間に交流電流を流すステップ、更に、この二つの接点の間に直流電流を重畳させるステップ、を有する。

また直流電流を重畳させるステップは、交流電流を流すステップの後、前記熱電素子における二つの接点の間の温度差がほぼ定常状態に達した後に行われること、また、直流電流を重畳させるステップは、熱電素子における二つの接点の温度差をほぼ０にすることも望ましい。

前記熱電素子における二つの接点間の温度差を検出するのに同熱電素子に生ずる熱起電力（ゼーベック効果）を用いる。

また、本発明に係る熱電素子の特性評価方法は、交流電流の電流値をＩ_Ａ（Ａ）、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子の抵抗をＲ（Ω）、とした場合、下記式（１）によりＰｅｌｔｉｅｒ係数Πを求めることができる。

また、本発明に係る熱電素子の特性評価方法は、交流電流の電流値をＩ_Ａ（Ａ）、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子の抵抗をＲ（Ω）、熱電素子における温度をＴ（Ｋ）とした場合、下記式（２）によりＳｅｅｂｅｃｋ係数ηを求めることができる。

また、本発明に係る熱伝阻止の特性評価方法は、交流電流の電流値を０とし、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子の抵抗をＲ（Ω）、熱電素子における温度をＴ（Ｋ）、定常状態における熱起電力をΔＶ_ｓ（Ｖ）とし、Ｐｅｌｔｉｅｒ係数をΠとした場合、下記式（３）により熱抵抗Ｚ_Ｔを求めることができる。

また、本発明に係る熱電素子の特性評価方法は、Ｐｅｌｔｉｅｒ係数をΠ、熱電素子における温度をＴ（Ｋ）、熱抵抗をＺ_Ｔとした場合、下記式（4）により熱流センサーの係数Ｋを求める請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電素子の特性評価方法。

以上により、Ｐｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数を求める熱電素子の特性評価方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

まず図１に、本発明の利用する原理を説明するための回路図を示す。

図１における回路図において、Ａ、Ｂは熱電素子の二つの接点を、Ｉ、ＩＩは二つの接点Ａ、Ｂを電気的に接続する腕を、それぞれ示す。なお腕ＩＩは途中で切断されており、切断の端部Ｃ、Ｄにおいて電源１及び第一の電圧計２に接続されている。また、一方の端部Ｄと電源１との間には抵抗３が配置されており、その抵抗３の両端には更に第二の電圧計４が接続されており、この両端に流れる交流電圧、直流電圧を測定する。なお、電源１は直流電流、交流電流のいずれも流すことが可能であって、この限りにおいて様々なものが使用できる。

本実施形態に係る熱電素子の特性評価方法（以下「本特性評価方法」）は、まず、熱電素子の一方（例えばＡ）の接点を一定温度に保ちながら交流電流Ｉ_Ａを流す。するとジュール発熱によって他方の接点Ｂの温度が上昇する。そして電流を流した後十分な時間が経過するとこの系が定常状態となり、接点Ａと接点Ｂとの間にはほぼ一定の温度差が生じることとなる。

そして次に、本特性評価方法では、この状態において更に、直流電流Ｉ_Ｄを重畳させ接点Ａ、Ｂの間の温度差がほぼ０となるようにＩ_Ｄの値を調整する。この温度調整は、Ｐｅｌｔｉｅｒ効果による熱輸送により達成される。本特性評価方法では、これらの各段階における物理量を測定することにより、熱電素子の特性評価を行う。

より具体的に説明すると、点Ａ、Ｂの温度が定常的にほぼ等しい条件ではＰｅｌｔｉｅｒ効果により輸送した熱量はジュール熱の半分に等しいため、この熱量について計算を行うことによりまず熱電素子のＰｅｌｔｉｅｒ係数を求めることができる。Ｐｅｌｔｉｅｒ効果により輸送した熱量がジュール熱の半分である理由は、接点Ａ、Ｂの間で発生したジュール熱は接点Ａ、Ｂの双方に等しく対称に流れているためである。即ち、Ｐｅｌｔｉｅｒ係数Πは、以下の式により求めることができる。なおここでＩ_Ａ（Ａ）は交流電流の電流値を、Ｉ_Ｄ（Ａ）は直流電流の電流値を、Ｒは熱電素子の抵抗値（Ω）を、それぞれ表す。

そして更に、この求めたＰｅｌｔｉｅｒ係数に基づき、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数ηを求めることができる。Ｓｅｅｂｅｃｋ係数ηは、トムソンの第２関係式により求めることができ、下記式により求めることができる。なおここでＴは絶対温度（Ｋ）である。

更に、熱電素子の熱抵抗Ｚ_Ｔは、Ｚ_Ｔは下記式で定義される。ここで下記ΔＴ＝ΔＶ_Ｓ／ηで求めることができ、Ｊ_Ｎは伝導熱流である。特に本実施形態に係る熱電素子の特性評価方法においてはΔＶ_Ｓは熱起電力であって交流電流を０とし、直流電流Ｉ_Ｄのみを流して定常状態にすることにより測定することができる。この結果、接点Ａ、Ｂの間の熱抵抗Ｚ_Ｔは、下記式により求めることができる。

また更に、この熱電素子を熱流Ｊ_Ｎの熱流センサーとして使用する場合の係数Ｋは、下記式で定義されるため（式中ΔＶは接点Ａ、Ｂ間の温度差ΔＴによって生じた熱気電力を示す）、結果Ｋは更に下記式で求めることができる。

このように、本実施形態によると、熱電素子のＰｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数を求める方法が提供可能となる。特に、この方法においては、加熱機構等の他の構成要素を必要とせず簡易な系とすることができ、測定系における温度差を例えば０．１Ｋ以下の小さい値とすることが可能となり、正確な測定が可能となる。もちろん、本法は圧力媒体に周囲を囲まれた圧力容器内においても真空や大気中と同様に適用が可能である。

（実施例）
上記の実施形態の具体的な例について説明する。本実施例では、対数Ｎ＝３１で示される熱電素子ＴＭ（ＦｅｅｒｏＴｅｃＣｏ．９５０２／０３１／０１２、内部抵抗値R：２．７２３Ω）を用い、この熱電素子の一方は一定温度（Ｔ＝３０８．２Ｋ）の温度基盤（熱浴）に取り付けた。なおこの温度基盤の温度安定度は１ｍＫ以下とした。また、熱電素子の両端の接点に接続する第一の電圧計としてはＤＶＭ２（Ｋ２０００）を、第二の電圧計としてはＤＶＭ１（ＡＧ３４５８Ａ）を用い、電源にはＡＧ３３１２０を用いた。なおここで抵抗３は９９．８５Ωであった。ここで、本実施例で用いた測定系のブロック図を図２に示す。

そして図３に、本実施例において直流電流Ｉ_Ｄを変えて定常熱起電力ΔＶ_Ｓを測定した結果を示す。なおここで交流電流は周波数１ｋＨｚで、電流Ｉ_Ａの値が４１．６５ｍＡであった。図３より直流電流Ｉ_Ｄの値が０．６４１ｍAの場合、点Ａ、Ｂの温度差がほぼ０になっている。

これに基づきＰｅｌｔｉｅｒ係数Π、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数ηを求めたところ、Π＝Ｒ（Ｉ_Ａ ^２＋Ｉ_Ｄ ^２）／（２ＮＩ_Ｄ）＝０．１２４（Ｗ／Ａ）、η＝Π／Ｔ＝０．４０３ｍＶ／Ｋであった。これらの値は従来の方法で求めたものと一致する。（参考文献：S. Wang, K.Tozaki, H. Hayashi, S. Hosaka and H. Inaba: Thermochimica
Acta, 408 (2003) 31.
）

そして更に、交流電流を０として直流電流Ｉ_Ｄを０．６４１ｍAとし、定常状態に達した場合において熱起電力ΔＶ_ｓは１．１９０ｍＶであった。これに基づき熱抵抗Ｚ_Ｔ、熱流センサーとしての係数Ｋをそれぞれ求めたところ、Ｚ_Ｔ＝Ｔ・ΔＶ_Ｓ／（Ｎ^２Π^２Ｉ_Ｄ）＝４０．３Ｋ／Ｗ、Ｋ＝１／（ＮηＺ_Ｔ）＝１．９８４Ｗ／Ｖであった。

以上、本実施例により、Ｐｅｒｔｉｅｒ係数、Ｓｅｅｂｅｃｋ係数、熱抵抗といった個々の定数を求める熱電素子の特性評価方法を提供可能であることを確認できた。

本発明の利用する原理を説明するための回路図。実施例における熱電素子の特性評価装置のブロック図。実施例において直流電流Ｉ_Ｄを変えて定常熱起電力ΔＶ_Ｓを測定した結果を示す図。

符号の説明

１・・・電源、２・・・第一の電圧計、３・・・抵抗、４・・・第２の電圧計

Claims

熱電素子の二つの接点の一方をほぼ一定温度に保ちながら前記二つの接点の間に交流電流を流すステップ、更に、前記二つの接点の間に直流電流を重畳させるステップ、を有する熱電素子の特性評価方法。
前記直流電流を重畳させるステップは、前記交流電流を流すステップの後、前記熱電素子における二つの接点の間の温度差がほぼ定常状態に達した後に行われることを特徴とする請求項１記載の熱電素子の特性評価方法。
前記直流電流を重畳させるステップは、前記熱電素子における二つの接点の温度差をほぼ０にすることを特徴とする請求項１記載の熱電素子の特性評価方法。
前記熱電素子における二つの接点の温度差を検出するのに同熱電素子に生ずるＳｅｅｂｅｃｋ効果による熱起電力を用いる請求項１記載の熱電素子の特性評価方法。
前記交流電流の電流値をＩ_Ａ（Ａ）、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子の抵抗をＲ（Ω）、とした場合、下記式（１）によりＰｅｌｔｉｅｒ係数Πを求める請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電素子の特性評価方法。
前記交流電流の電流値をＩ_Ａ（Ａ）、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子の抵抗をＲ（Ω）、熱電素子における絶対温度をＴ（Ｋ）とした場合、下記式（２）によりＳｅｅｂｅｃｋ係数ηを求める請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電素子の特性評価方法。
前記交流電流の電流値を０、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子における絶対温度をＴ（Ｋ）、定常状態における熱起電力をΔＶ_ｓ（Ｖ）とした場合、下記式（３）により熱抵抗Ｚ_Ｔを求める請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電素子の特性評価方法。
前記交流電流の電流値を０、前記直流電流の電流値をＩ_Ｄ（Ａ）、熱電素子における絶対温度をＴ（Ｋ）とした場合、下記式（4）により熱流センサーの係数Ｋを求める請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電素子の特性評価方法。