JP2013214642A

JP2013214642A - 熱電材料測定装置

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Publication number: JP2013214642A
Application number: JP2012084678A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimada; 賢次島田; Yoshikazu Ishii; 芳一石井
Original assignee: Ulvac Riko Inc
Current assignee: Ulvac Riko Inc
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: JP6161052B2

Abstract

【課題】小規模な構成で被加熱空間を小さくし、高精度、短時間かつ低コストを実現する熱電特性測定装置を提供する。
【解決手段】、試料３の一端面を下部電極１５に載置し、試料３の他端面を上方から上部電極１７によって押圧することで、試料３を固定する。そのため、下部電極１５および上部電極１７が、試料３の固定機能を同時に発揮し、固定手段を個別に設ける必要がない。下部電極１５は、冷却管４５を内側に持つ下サンプルホルダ４１の先端の取り付けられるキャップ形状をしている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、熱電材料のゼーベック係数、電気抵抗率などの熱物性値を測定する熱電
材料特性測定装置に関するものである。

熱電変換材料はゼーベック効果およびペルチェ効果を発現して熱と電気の間の相互エネルギー変換をおこなう物質の総称である。この特殊な材料に温度差を与えると材料内部には電位差が発生し、この電位差を外部回路に取り出すことで、外部負荷の部分で電力を取り出すことができるため、温度差を利用した発電システムを構成することができる。このため、同じ温度差で高い発電性能を有する熱電材料を開発することが、今日の当該分野における重要な課題となっている。

熱電材料の性能は、一般的に熱電性能指数Ｚは、
Ｚ＝α^２／（λ・ρ）
で表現される。
ここで、αはゼーベック係数（ＶＫ^−１）、ρは電気抵抗率、λは熱伝導率である。熱電性能指数Ｚが大きいと発電性能が高く、同じ熱入力に対してより多くの発電をすることができるため、熱電能や抵抗率、熱伝導率の微妙な調整を行って、材料を最適化する実験が多く試みられている。

ここでのゼーベック係数αや熱伝導率λは、熱電性能指数を決定する重要な因子である。すなわち、熱電材料の性能評価では、ある温度において、これらの物性値を定量的に決定する必要があり、一般的には、例えば、熱電能に関しては定常２端子法によって決定する。
このような熱電材料である試料の性能評価は、当該試料上の２点に高精度に位置決めして、当該２点の電圧と温度を計測する必要がある。

従来では、試料の測定点に接触するプローブのアプローチ操作と機構が横型であり、被加熱空間が大規模化してしまう。被加熱空間が大規模化すると、被加熱空間内で温度が不均一になり、制御および測定精度が低下するという問題がある。
また、被加熱空間が大規模化すると、加熱コストが高くなると共に、所定の加熱温度に達するまでの時間が長くなるという問題がある。
また、従来では、被測定対象が置かれる空間の雰囲気温度が−８０〜１０００°の範囲で測定を行っていたが、さらなる低温および高温にして測定を行いたいという要請がある。
しかしながら、温度を１０００°以上にすると、被測定対象が膨張し、熱電対の導線の先端との接触位置（測定点）の位置決めが難しくなるという問題がある。
さらには、薄膜の被測定対象の測定を行いたいという要請もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小規模な構成で被加熱空間を小さくし、高精度、短時間かつ低コストを実現する熱電特性測定装置を提供することにある。
また、本発明は、高温でも試料の測定点を高精度に測定できる熱電特性測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、薄膜の被測定対象についても高精度に測定できる熱電特性測定装置を提供することを目的とする。

上述した従来技術の問題点を解決し、上述した目的を達成するために、本発明の熱電特性測定装置は、被測定対象の一端面が載置される上面を有する下部電極と、前記下部電極の上面に載置された前記被測定対象の上面に接触する上部電極と、前記下部電極の上面に載置された前記被測定対象と所定の間隔を隔てて上方にある第１の位置と、前記前記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の他端面を前記下部電極に向けて押圧する第２の位置との間で前記上部電極を移動させる移動機構と、前記下部電極、前記上部電極および前記被測定対象を収容する空間を形成し、前記空間に前記被測定対象を出し入れするための窓を有する収容部と、前記収容部内の前記空間を加熱あるいは冷却する手段と、前記下部電極を冷却する冷却手段と、記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の所定の測定点の電位または温度を検出する検出手段とを有する。
本発明の熱電特性測定装置では、移動機構によって上部電極を第１の位置においた状態で、収容部の窓から収容部内に被測定対象を入れ、当該被測定対象の一端面を下部電極の上面に載置する。
そして、上部電極を第２の位置に移動（下方移動）し、被測定対象の上面を上方から上部電極によって押圧する。
そして、前記収容部内の空間を、加熱または冷却する。それと同時に、冷却手段によって下部電極を冷却する。
そして、被測定対象の所定の測定点を測定する。

好適には、本発明の熱電特性測定装置の前記冷却手段は、下方から前記下部電極に向けて流入した冷却媒体を、前記下部電極側に位置する流出口から流出する第１の流路と、前記第１の流路を囲むように当該第１の流路の外側に位置する第２の流路とを有し、前記流出口から流出した前記冷却媒体を、前記第２の流路を介して前記上部電極とは反対の下方に向けて流出する。

好適には、本発明の熱電特性測定装置は、前記収容部を収容する保護管を有し、前記加熱あるいは冷却する手段は、前記保護管の外側に位置する赤外線ランプである。

好適には、本発明の熱電特性測定装置は、薄膜を形成した絶縁板を、略直方体の支持台と一体化し、前記下部電極の前記面に前記測定対象として載置する。
好適には、本発明の熱電特性測定装置の前記冷却手段は、流入した圧縮空気を暖気排出口と冷気排出口との分離し、前記暖気排出口に流入された圧縮空気は、バルブに向かう管状体内で内側の第１の旋回流となり、当該第１の旋回流の外側に位置する第２の旋回流となり、
前記冷気排出口から前記冷却媒体を前記第１の流路に流入させる。
好適には、本発明の熱電特性測定装置の前記検出手段は、前記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の所定の２点の測定点の電位または温度を検出する。

本発明によれば、試料の２つの測定点の位置、並びに間隔を柔軟に変更することができる熱電特性測定装置を提供することができる。これにより試料が複数層あるいは傾斜化により不均一に構成されている場合も、目的の部位を選択的に計測評価することを可能にすることを目的とする。
また、本発明によれば、測定温度が高温になった場合でも、高精度な測定が可能な熱電特性測定装置を提供することができる。
また、本発明は、薄膜の被測定対象についても高精度に測定できる熱電特性測定装置を提供することができる。

図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る熱電特性測定装置１の概念図である。図２は、図１に示す熱電特性測定装置１の側面側の構成図である。図３は、図２に示す均熱キャップ１３内の試料３の保持機構の側面側の構成を説明するための図である。図４は、図２に示す均熱キャップ１３内の試料３の保持機構の側面側の構成を説明するための図である。図５は、図４に示す上部電極１７の動作を説明するための図である。図６は、プローブユニットの上下動作を説明するための図である。図７は、プローブユニットの上下動作を説明するための図である。図８は、プローブユニットの上下動作を説明するための図である。図９は、２つのプローブユニットの位置関係を説明するための図である。図１０は、プローブユニット６１の導線の回転動作を説明するための図である。図１１は、プローブユニット６１の導線の回転動作を説明するための図である。図１２は、プローブユニット６１．６３、並びにその周辺構成の分解斜視図である。図１３は、プローブユニット６３の上下移動機構を説明するための図である。図１４は、プローブユニット６１とプローブユニット６３との一体となった上下移動機構を説明するための図である。図１５は、プローブユニットの上下移動を説明するための図である。図１６は、プローブユニットの上下移動を説明するための図である。図１７は、プローブユニットの上下移動を説明するための図である。図１８は、本発明の第２実施形態を説明するための図である。図１９は、本発明の第３実施形態を説明するための図である。図２０は、本発明の第４実施形態を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る熱電特性測定装置について説明する。
本実施形態の熱電特性測定装置では、試料の一端面を上部電極の上面の載置し、上方から上部電極によって押圧した状態で測定を行う。上部電極は、試料の出し入れの際に、上下方向に移動する、

図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る熱電特性測定装置１の概念図である。
図１（Ａ）に示すように、熱電特性測定装置１は、雰囲気温度制御用ヒータ１１で加熱される雰囲気内の均熱キャップ１３内で、下部電極１５の上に載置した試料３をその上方から上部電極１７によって押圧した状態で保持する。

下部電極１５と上部電極１７とは、定電流発生器１９に接続されており、試料３を保持した状態で、下部電極１５および上部電極１７を介して、試料３に定電流が供給される。
均熱キャップ１３と下部電極１５とを結ぶ方向（上下方向）における試料３の表面の２点のうち、下部電極１５側の測定点３１にプローブユニット６１の先端部６５が接触し、上部電極１７側の測定点３３にプローブユニット６３の先端部６７が接触している。
プローブユニット６１は、測定点３１の温度Ｔ２と、電位Ｖ２とを検出するために用いられる。
プローブユニット６３は、測定点３３の温度Ｔ１と、電位Ｖ１とを検出するために用いられる。
図１（Ｂ）に示すように、温度Ｔ２とＴ１の差分と、電位Ｖ２とＶ１との差分からゼーベック係数αが算出される。

図２は、図１に示す熱電特性測定装置１の側面側の構成図である。
図１に示すように、熱電特性測定装置１は、赤外線による雰囲気温度制御用ヒータ１１で加熱される雰囲気内に保護管３９が配設されている。
保護管３９内は、シールド板３７等によって外部とシールドされている。
保護管３９内に、均熱キャップ１３が配設されている。均熱キャップ１３は、計測系における加熱の均一化の機能を有する。

図３および図４は、図２に示す均熱キャップ１３内の試料３の保持機構の側面側の構成を説明するための図である。
図３および図４に示すように、下部電極１５は、下サンプルホルダ４１の上端面と、その周囲の外周を覆うように形成されている。
下部電極１５の材質として、ニッケルが用いられる。

下サンプルホルダ４１内には、冷却管４５が設置されている。
下サンプルホルダ４１は、上サンプルホルダ４３の内側に設置されている。
下サンプルホルダ４１の材質しては、石英が用いられる。
下サンプルホルダ４１は、膨張率が小さく、下部電極１５は膨張率が大きい。そのため、下サンプルホルダ４１と下部電極１５は密着せず隙間が生じるが、下部電極１５をキャップ状にして下サンプルホルダ４１に装着することで、水平方向のずれを抑制できる。
また、下サンプルホルダ４１と下部電極１５との間には、非加熱雰囲気内に充填されているヘリウムが存在し、比較的高い熱伝達効率を得ることができる。

下サンプルホルダ４１の下部電極１５と接触する部分は、熱伝達効率を高めるため、他の部分に比べて薄く形成されている。
上サンプルホルダ４３は、上部電極１７を支持する機能を有する。

上部電極１７の上方側の背後には、ヒータユニット５１が配設されている。ヒータユニット５１は、上部電極１７を加熱し、その熱が試料３の上部電極１７側の端面に伝達される。
上部電極１７およびヒータユニット５１は、移動板５３に固定されている。
移動板５３は、バネ５５の弾性力によって下部電極１５の向きに付勢されている。

図５は、図４に示す上部電極１７の動作を説明するための図である。
図５（Ａ）に示すように、移動板５３は、手動あるいは図示しない駆動手段によって上下方向に移動可能である。
下部電極１５の上面に試料３を設置する場合に、図５（Ｂ）に示すように、移動板５３は上部電極１７と一体となって上方に移動される。
そして、保護管３９および均熱キャップ１３に設けられた試料出し入れ窓（図示せず）を開状態にして、試料３を均熱キャップ１３内に入れ、その一端を下部電極１５の上面に載置する。
次に、図５（Ｃ）に示すように、移動板５３を、手動あるいは自動で下部電極１５に向けて移動し、上部電極１７の下面が所定の圧力で試料３の上面を下方に押圧した状態で停止する。
これにより、下部電極１５と上部電極１７との間で、試料３が安定した状態で保持される。

下部電極１５が取り付けられた下サンプルホルダ４１内には、冷却管４５が設置されている。
冷却管４５の下部電極１５側の先端部には、ノズル４５ａが設けられている。
冷却媒体（冷却気体）が、冷却管４５内の流路（第１の流路）を下方から上方に向けて流入し、ノズル４５ａから下サンプルホルダ４１の下部電極１５側の下面に噴射される。
当該冷却媒体は、下サンプルホルダ４１内の冷却管４５との間に形成された筒状の流路（第２の流路）を介して、下方の流出口に向けて流れる。

図６に示すように、下部電極１５は、下サンプルホルダ４１の上面と、その周囲の外周にわたって形成されているため、熱交換可能な面積を広くすることができ、高い冷却効率を得ることができる。

［プローブユニット］
図４および図７に示すように、均熱キャップ１３内の試料３が載置される位置の周辺には、プローブユニット６１の先端部６５と、プローブユニット６３の先端部６７とが位置している。
プローブユニット６１の先端部６５は導線８５の一端にあり、導線８５は水平方向に延びた部分と、くの字状に約９０°だけ折れ曲がり下方に延びた部分とを有する。
導線８５の素材としては、タングステンが用いられる。このようにタングステンは白金と比較すると高温における反応性において高い安定度を有するため、試料３と導線８５とが高温で反応することを回避でき、１０００°以上の温度でも高い測定精度を得ることができる。

導線８５の上下方向に延びる部分のうち、上記折れ曲がる部分付近から先端部６５までの一部を残して、導線８５を覆う保護部材９１が形成されている。
保護部材９１としては、酸化アルミニウムあるはアルミナが用いられる。
保護部材９１を上述したように形成することで、高温によって保護部材９１が膨張しても、先端部６５の位置に影響を及ぼさないようにすることができる。
導線８５の他端は、下方において、保護部材９１を介して台座７３に固定されている。
プローブユニット６１の台座７３は、図２に示す下部ケース７１内に位置している。

図８に示すように、台座７３は、導線８５および保護部材９１と一体となって上下方向に移動可能である。
これに伴い、プローブユニット６１の先端部６５は、試料３に対して上下方向に移動する。

図９は、先端部６５と先端部６７とを結ぶ方向の上側から見た導線８５と導線８７との位置関係を説明するための図である。
図８に示すように、先端部６５と先端部６７とを結ぶ方向の上側から見ると、導線８５と導線８７とは異なる角度から、先端部６５と先端部６７とを試料３の側面に接触している。
すなわち、導線８５の先端部６５側の部分と、導線８７の先端部６７側の部分とは、約３０°の角度を持って配置されている。

図１０および図１１は、導線８５の回転動作を説明するための図である。
図１０に示すように、台座７３は、例えば、下部ケース７１内の固定部材１０５に固定された回転軸９７を中心に回転可能に設置されている。
台座７３は、バネ９９によって、先端部６５を試料３の側面に押圧する向き（図９に示す矢印の向きき）に付勢されている。
固定部材１０５には、表裏を貫通したねじ溝が形成されており、当該ねじ溝にねじ１０１の先端部が嵌め込まれている。

図１１に示すように、ユーザが指などでねじ１０１の上側端部（操作部）を時計回りに回転すると、ねじ１０１が台座７３に向けて移動し、その先端部で台座７３を矢印の向きに押し、これにより台座７３が回転軸９７を中心にバネ９９の弾性力に抗して、先端部６５を試料３から離す向きに回転する。当該動作は、試料３を均熱キャップ１３内の下部電極１５に載置する前、あるいは測定後に試料３を取り出す際に行われる。

逆に、ユーザが指などでねじ１０１の上側端部を反時計回りに回転すると、ねじ１０１が台座７３から離れる向き（上方）に移動する。これにより台座７３が、バネ９９の弾性力によって、回転軸９７を中心に先端部６５を試料３に押しつける向きに回転する。当該動作は、試料３を均熱キャップ１３内の下部電極１５に載置した後に行われる。
プローブユニット６３の回転機構を、上述したプローブユニット６１と基本的に同じである。

図１２は、プローブユニット６１．６３、並びにその周辺構成の分解斜視図である。
図１３は、プローブユニット６３の上下移動機構を説明するための図である。
図１４は、プローブユニット６１とプローブユニット６３との一体となった上下移動機構を説明するための図である。
図１２に示すように、上下方向に延びるレール２２９に移動部材２２５および移動部材２２７が移動可能に取り付けられている。
移動部材２２５には、部材２２１を介してプローブユニット６１の固定部材１０５が取り付けられ、部材２２１は部材２５１の部分２５３に固定されている。

図１２に示すように、移動部材２２７には、部材２２３を介してプローブユニット６３の固定部材１０７が取り付けられ、部材２２３は部材２５１の部分２５５に固定されている。
図１２および図１３に示すように、部材２３５の操作部を時計回りに回転すると、部分２５５が部分２５３に対して相対的に上方に移動し、それと一体となってプローブユニット６３の固定部材１０７および移動部材２２７が、プローブユニット６１および移動部材２２５に対して相対的に上方に移動する。
これによりプローブユニット６３の導線８７の先端部６７が、プローブユニット６１の導線８５の先端部６５に対して相対的に上方に移動し、先端部６５と先端部６７との間隔が広がる。

逆に、部材２３５の操作部を反時計回りに回転すると、部分２５５が部分２５３に対して相対的に下方に移動し、それと一体となってプローブユニット６３の固定部材１０７および移動部材２２７が、プローブユニット６１および移動部材２２５に対して相対的に下方に移動する。
これによりプローブユニット６３の導線８７の先端部６７が、プローブユニット６１の導線８５の先端部６５に対して相対的に下方に移動し、先端部６５と先端部６７との間隔が狭められる。

図１４に示すように、部材２３１の上端の操作部と反対の下方では、部材２５３と係合しており、部材２３１が時計回りに回転操作されると、部材２５３が図１２に示すように部材２５１と一体となって上方に移動する。
これにより、プローブユニット６１とプローブユニット６３とが上下方向の距離を保ちながら、一体となって上方に移動する。

図１５に示すように、部材２３１の操作部を反時計回りに最大の回転位置に保持し、部材２３５を時計回りの最大の回転位置に保持すると、プローブユニット６１の先端部６５は試料３の最下点を測定し、プローブユニット６３の先端部６７は試料３の最上点を測定することができる。

図１６に示すように、部材２３１の操作部を時計回りに最大の回転位置に保持し、部材２３５を時計回りの最大の回転位置に保持すると、プローブユニット６１の先端部６５は試料３の最上点付近（最上点よりわずかに下の位置）を測定し、プローブユニット６３の先端部６７は試料３の最上点を測定することができる。

図１７に示すように、部材２３１の操作部を反時計回りに最大の回転位置に保持し、部材２３５を反時計回りの最大の回転位置に保持すると、プローブユニット６１の先端部６５は試料３の最下点を測定し、プローブユニット６３の先端部６７は試料３の最下点（最下点よりわずかに上の位置）を測定することができる。

熱電特性測定装置１の動作例を説明する。
熱電特性測定装置１では、保護管３９および均熱キャップ１３に設けられた試料出し入れ窓を開けて、試料３を入れる。
このとき、上部電極１７は、図５（Ｂ）に示す位置にある。また、プローブユニット６１の先端部６５およびプローブユニット６３の先端部６７は、図１１に示す姿勢になっている。

そして、試料３の一端を下部電極１５の上面に載置した後に、図５（Ｃ）に示すよう上部電極１７を試料３の上面を押圧する位置に移動する。
これにより、下部電極１５５と上部電極１７との間に試料３を安定して保持できる。
そして、プローブユニット６１およびプローブユニット６３を上下方向に位置決めして、試料３上の所定の測定点３１，３３に、先端部６５，６７を接触させる。
そして、雰囲気温度制御用ヒータ１１で加熱した状態で、冷却管４５によって下部電極１５を冷却すると共に、必要に応じてヒータユニット５１で上部電極１７を加熱する。
これにより、試料３の上下両端部に所定の温度差が生じる。
そして、この状態で測定点３１，３３の温度、電位を検出する。

以上説明したように、熱電特性測定装置１では、図３および図４等に示すように、試料３の一端面を下部電極１５に載置し、試料３の他端面を上方から上部電極１７によって押圧することで、試料３を固定する。そのため、下部電極１５および上部電極１７が、試料３の固定機能も同時に発揮し、固定手段を個別に設ける必要がない。
そのため、被加熱雰囲気となる保護管３９の体積を小さくでき、加熱雰囲気内の温度バラツキを抑え、温度を短時間で変化させることができ、温度設定精度を高め、加熱・冷却のエネルギロスを小さくできる。
また、熱電特性測定装置１のサイズを小さくできる。

また、熱電特性測定装置１によれば、雰囲気温度制御用ヒータ１１によって保護管３９内に加熱雰囲気をつくると共に、移動板５３によって試料３の移動板５３側を加熱し、冷却管４５によって試料３の下部電極１５側を冷却するため、試料３の下部電極１５側と上部電極１７側との間の温度差を大きく設定することができる。特に、このような構成をとることで、低い温度における測定において、試料３の下部電極１５側と上部電極１７側との間の温度差を高精度に設定することができる。
また、このように冷却管４５による冷却機能を設けることがで、高温測定時に、試料３の下部電極１５側と上部電極１７側との間の温度差を比較的に小さなエネルギで与えることができる。

また、熱電特性測定装置１では、上述したようにプローブユニット６１およびプローブユニット６３を個別に上下方向に移動可能にしたことで、先端部６５および先端部６７の上下方向の各々の位置および間隔を変更することができ、試料３の上下方向の任意の２点の測定点を測定できる。
これにより、ハイブリッド素材等の位置によって特性が異なる試料３の測定をすることが可能になる。

また、熱電特性測定装置１では、図１０および図１１等を用いて説明したように、先端部６５および先端部６７を、測定点に対して当該測定点に向けて付勢した状態で接触させることができる。
そのため、加熱された試料３が多少変形した場合であっても、先端部６５および先端部６７を測定点に対して適度な摩擦力を生じた状態で位置ずれをすることなく、安定した状態で接触させることができる。これにより、測定位置のずれがない、高精度な測定が可能になる。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、試料３として、薄膜試料を使う場合を説明する。
この場合には、例えば、図１８（Ａ），（Ｂ）に示すように、略直方体の支持台５０１の一端面に、薄膜５３１を形成したシリコン基板５０５を取り付け、上下両側からニッケル製の断面コの字型の保持手段５１１と５１３とで挟み込んで試料モジュール５０３を得る。このとき、シリコン基板５０５と、プレート５１１と５１３の測定点側の端部との間に、銀製のペースト５２１と５２３を付着させ、これらを固定する。
その後、試料モジュール５０３の保持手段５１３の側を下部電極１５に載置して、する。
そして、保持手段５１１側を上部電極１７によって上方から押圧して試料モジュール５０３を固定する。当該固定した状態で、プローブユニット６１の先端部６５とプローブユニット６３の先端部６７とを薄膜５３１の表面に接触させて測定を行う。

支持台５０１は、例えば、酸化アルミニウムで構成され、４ｍｍ×３ｍｍ×２０ｍｍのサイズである。
また、シリコン基板５０５のサイズは、例えば、４ｍｍ×０．５ｍｍ×１８ｍｍである。

本実施形態によれば、薄膜５３１の測定を行うことができる。

＜第３実施形態＞
上述した実施形態では、雰囲気温度制御用ヒータ１１で加熱される雰囲気内に均熱キャップ１３を入れて測定を行う場合を例示したが、低温雰囲気内で測定を行う場合には、例えば、図１９に示すように、液体窒素が充填された容器６０１内に、先端部分の外周にヒータ６０２が配置された加熱・冷却室６０５を形成し、加熱・冷却室６０５内に均熱キャップ１３を配置してもよい。
これにより、例えば、−１５０°の低温雰囲気を実現することができる。

＜第４実施形態＞
本実施形態では、図６および図２０を用いて上述した冷却管４５に流入する冷却媒体の生成について説明する。
圧縮空気供給口８０１からの圧縮空気はゼネレーターと外廓本体の間にあるリング状の部屋に入る。
そして、この空気は音速又は音速に近い速度でノズルに入り、拡大してその圧力の一部を失う。当該ノズルは、空気流が旋回室の周壁に向け、接線方向に噴出するように設定されている。
噴出した空気はすべて、旋回室に続くホット・チューブに流入する。当該流入した空気流はチューブの暖気吐出口と冷気吐出口の間で熱の分離を行う。

旋回室を介して対極にあるホット・チューブの内径は、冷気吐出口の内径より常に大きくなっており、旋回空気流がホット・チューブの端にあるバルブ８０３に向かって流れるときに遠心力の働きで管壁の近くに空気を押し付ける。
当該空気流はバルブに届く時間まで、ノズルの噴出圧力より少し低い圧力を持ち、大気よりも高い（冷気吐出口８０５の圧力が大気圧と仮定）圧力をもつ。さらにバルブ８０３の背後の圧力は冷気吐出口８０５の圧力より常に高くなる。熱い空気と冷たい空気を分離するためには、この空気の一部を逃がす必要がる。

そのため、バルブ８０３の開閉によって、空気が暖気吐出口から出て行く量を決める。
ホット・チューブの中心へ押しもどされ、旋回しながらホット・チューブと旋回室の中心を通過して冷気吐出口８０５に向かって流れる。これは旋回室からホット・チューブに流入した最初の空気流と反対の流れであるが、最初の空気流入が遠心力の働きでチューブの中心を占めなかったことで、反転流が通過する理想的な通路であることを意味する。
また前述したように、バルブ８０３と冷気吐出口８０５の間の圧力差と関連して、一つ
の流れは他の流れの内側に存在し、ホット・チューブの中では反対の方向に移動する２つの回転流ができる。

外側の空気流は暖気吐出口８０７に向かって移動しており、内芯の空気流は冷気吐出口８０５に向かって移動している。
さらに、この双方の空気流は同じ方向に回転している。ここで、双方の空気流が同じ角速度で回転していることで、これらは２つの流れの間の境界の端から端までに起きる強烈な乱流が、回転運動に関する限り、この二つの流れをそれぞれ閉じ込めて単一の塊にする。
この内側の空気流は強制渦と呼ばれ、これは自由渦とは区別される。この内側の渦の回転運動が角運動量の保存よりも外側の空気量の影響によって制御されているためである。すなわち、内側の空気の流れは外気の暖気の流れによって一定の角速度で強制的に回転させられて強制渦となる。運動エネルギーは線速度の２乗に比例するので、強制渦の線速度が１／２に、自由渦の線速度が２倍になる場合、強制渦は自由渦の運動エネルギーの１／１６の運動エネルギーを持っていることになる。このエネルギーの差により、エネルギーは熱となって内側の空気流から外側へと運ばれる。

本実施形態によれば、熱電特性測定装置１内で冷却媒体を圧縮空気から生成することができる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

本発明は、熱電材料の熱物性値を測定する熱電材料測定装置に適用可能である。

１…熱電特性測定装置
３…試料
１１…雰囲気温度制御用ヒータ
１３…均熱キャップ
１５…下部電極
１７…上部電極
３９…保護管
６１，６５…プローブユニット
８５，８７…導線

Claims

被測定対象の一端面が載置される上面を有する下部電極と、
前記下部電極の上面に載置された前記被測定対象の上面に接触する上部電極と、
前記下部電極の上面に載置された前記被測定対象と所定の間隔を隔てて上方にある第１の位置と、前記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の他端面を前記下部電極に向けて押圧する第２の位置との間で前記上部電極を移動させる移動機構と、
前記下部電極、前記上部電極および前記被測定対象を収容する空間を形成し、前記空間に前記被測定対象を出し入れするための窓を有する収容部と、
前記収容部内の前記空間を加熱あるいは冷却する手段と、
前記下部電極を冷却する冷却手段と、
前記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の所定の測定点の電位または温度を検出する検出手段と
を有する熱電特性測定装置。
前記冷却手段は、
下方から前記下部電極に向けて流入した冷却媒体を、前記下部電極側に位置する流出口から流出する第１の流路と、
前記第１の流路を囲むように当該第１の流路の外側に位置する第２の流路と
を有し、
前記流出口から流出した前記冷却媒体を、前記第２の流路を介して前記上部電極とは反対の下方に向けて流出する
請求項１に記載の熱電特性測定装置。
前記収容部を収容する保護管
を有し、
前記加熱あるいは冷却する手段は、前記保護管の外側に位置する赤外線ランプ
である請求項２または請求項３に記載の熱電特性測定装置。
薄膜を形成した絶縁板を、略直方体の支持台と一体化し、前記下部電極の前記面に前記測定対象として載置する
請求項１〜３のいずれかに記載の熱電特性測定装置。
前記冷却手段は、
流入した圧縮空気を暖気排出口と冷気排出口との分離し、
前記暖気排出口に流入された圧縮空気は、バルブに向かう管状体内で内側の第１の旋回流となり、当該第１の旋回流の外側に位置する第２の旋回流となり、
前記冷気排出口から前記冷却媒体を前記第１の流路に流入させる
請求項２〜４のいずれかに記載の熱電特性測定装置。
前記検出手段は、前記下部電極に前記一端面が載置された前記被測定対象の所定の２点の測定点の電位または温度を検出する
請求項１〜５のいずれかに記載の熱電特性測定装置。