JP6202580B2 - 熱物性測定方法及び熱物性測定装置 - Google Patents
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Description
また、以下の非特許文献1では熱伝導方程式に基づき直流法によりトムソン係数導出式(ネットレトン(Nettlteton)の式)が導かれ、非特許文献2では上記ネットレトンの式を用いて鉛金属のトムソン係数からゼーベック係数が初めて実測されている。
また、非特許文献3では電流注入法により銅金属のトムソン係数からゼーベック係数が初めて実測され、非特許文献4では電流注入法により白金金属のトムソン係数からゼーベック係数が900Kから1600Kの範囲で初めて実測されている。
また、非特許文献5及び6には、交流法を採用した熱電能測定装置が記載されているが、いずれも熱電能を相対的に測定する方法に関する内容となっている。
直流電圧を印加する場合と同様の熱的な境界条件を満たす測定対象金属(金属細線)に交流電圧VACを印加して、金属細線に交流電流I(ω)が流れた場合、金属細線の定常状態での温度分布Tは、式(3)の熱伝導方程式で表される。
これより、式(7)に交流電圧VAC及び交流電圧VACを印加した時の金属細線の温度変化ΔTACを代入して、同式を右辺のトムソン係数μについて解くと、以下のようなトムソン係数の算出式を得ることができる。
また、図2に示されるように、金属ブロック2の温度を測定するための熱電対61と金属ブロック3の温度を測定するための熱電対62の測定点はそれぞれ、金属試料4と金属ブロック2,3とが接続される部分に配置される。そして、温度コントローラ65は、熱電対61,62で測定された温度に応じたヒータ制御信号を加熱用ヒータ63,64へ供給することによって、金属ブロック2,3の温度がそれぞれ温度T1,T2となるような熱量を供給するよう加熱用ヒータ63,64を制御する。
ここで、測定部55は、熱解析における熱的境界条件を十分に満足できるように設計されている。具体的には、チャンバ1内は熱の対流伝達を抑制するために真空とされ、金属試料4の両端には上記のように、当該金属試料4に温度勾配を与えるために温度T1,T2の金属ブロック2,3が接続される。これらの金属ブロック2,3は熱浴としての機能を有するが、熱電対61,62で温度をモニタリングしつつペルチェ素子等を用いることにより、精度のよい温度制御を実現することができる。
次に、ステップS2において金属試料4の中央部に熱電対5を取り付け、ステップS3においてチャンバ1内を真空にする。
次に、ステップS4において金属試料4の両端に交流電圧VACを印加して、金属試料4の中央部の温度TAC1を熱電対5で測定する。
次に、ステップS5において金属試料4の両端に正極性の直流電圧V+DCを印加して、金属試料4の中央部の温度T+DCを熱電対5で測定する。
次に、ステップS6において金属試料4の両端に負極性の直流電圧V-DCを印加して、金属試料4の中央部の温度T-DCを熱電対5で測定する。
そして、ステップS8において、演算部54は、温度(TAC1+TAC2)/2と初期温度TSの差を取ることにより上記温度変化ΔTACを算出する。
次に、ステップS10において、演算部54は、ステップS9で算出されたトムソン係数を用いて以下のように熱伝導率を算出する。
上記式(1)を熱伝導率κについて解くと以下の式(9)が得られる。
ここで一般的には、熱伝導率を算出するためには加えた熱量の値が必要であるが、かかる熱量を正確に測定することは難しいため、精度の高い値を得ることは容易でないという問題がある。これに対し、上記方法は、測定試料の中央部(中点)における温度変化等といった容易に測定できる物理量だけを用いて熱伝導率を算出することができるため、精度の高い熱伝導率を簡便に得ることができる。
なお、上記のように算出された絶対熱電能や熱伝導率の値は記憶部53に記憶され、ユーザインタフェース51は、熱物性測定装置50のユーザにより入力された所定の動作命令に応じて、当該値をユーザが目視により認識できるよう表示する。
また、上記熱電能測定方法は、測定対象が金属である場合のほか、半導体又は半金属であっても同様な作用効果を得ることができる。
4 金属細線(金属試料)
5,61,62 熱電対
6 正極性直流電源
7 負極性直流電源
8 交流電源
9 スイッチ
50 熱物性測定装置
54 演算部
55 測定部
63,64 加熱用ヒータ
65 温度コントローラ
100 直流・交流電圧発生器
Claims (15)
- 金属の絶対熱電能又は熱伝導率を求めるために、前記金属の試料の第1点と第2点との間に温度勾配を与えて、前記金属の熱物性を測定する方法であって、
前記試料に、所定の周波数ωを有する交流電圧又は交流電流を印加して、前記第1点と第2点との間の中央部における第一の温度変化を測定する第一のステップと、
前記試料に極性が相異なる第一及び第二の直流電圧又は直流電流を印加して、前記中央部における第二及び第三の温度変化を測定し、前記第二及び第三の温度変化の差を算出する第二のステップと、
前記第一の温度変化と、前記第二及び第三の温度変化の差とに基づいて、前記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する第三のステップとを有し、
前記所定の周波数ωは、トムソン効果による吸熱及び発熱の寄与を打ち消すことができる周波数であることを特徴とする熱物性測定方法。 - 前記所定の周波数ωは、ω>>κ/sdL 2 (κは前記金属の熱伝導率、sは前記金属の熱容量、dは前記金属の質量密度、Lは前記第1点又は前記第2点から前記中央部までの長さである。)である、請求項1に記載の熱物性測定方法。
- 前記第一のステップで印加する交流電圧は、前記直流電圧と同じ大きさの実効値を持つ、請求項1又は2に記載の熱物性測定方法。
- 前記第二のステップは、
前記第一の直流電圧として前記試料に正極性の直流電圧を印加して、前記中央部における前記第二の温度変化を測定する正電圧印加ステップと、
前記第二の直流電圧として前記試料に負極性の直流電圧を印加して、前記中央部における前記第三の温度変化を測定する負電圧印加ステップと、
前記正電圧印加ステップで測定された前記第二の温度変化と前記負電圧印加ステップで測定された前記第三の温度変化との差を算出する温度変化算出ステップ、とを含む請求項1に記載の熱物性測定方法。 - 前記第二のステップは、前記第一のステップの次に実行され、
前記第二のステップの次に、さらに前記金属に交流電圧を印加して、前記金属の温度変化を測定する第四のステップと、
前記第一及び第四のステップで測定された前記温度変化の平均値を算出して前記第一の温度変化とする第五のステップとをさらに有する請求項1に記載の熱物性測定方法。 - 前記第三のステップは、
前記金属のトムソン係数を算出するトムソン係数算出ステップと、
前記トムソン係数算出ステップにおいて算出された前記トムソン係数を用いて前記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する熱物性算出ステップとを含む、請求項1から5のいずれかに記載の熱物性測定方法。 - 温度勾配を与えた金属の試料の第1点と第2点との間に、正極性若しくは負極性の直流電圧又は交流電圧を選択的に印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により、所定の周波数ωを有する前記交流電圧を印加したときにおける前記試料の中央部の第一の温度変化と、前記正極性若しくは負極性の直流電圧を印加したときにおける前記試料の中央部の第二若しくは第三の温度変化とを測定する温度測定手段と、
前記第一の温度変化と、前記第二及び第三の温度変化の差とに基づいて、前記金属の絶対熱電能又は熱伝導率の少なくとも一方を算出する熱物性算出手段とを備え、
前記所定の周波数ωは、トムソン効果による吸熱及び発熱の寄与を打ち消すことができる周波数であることを特徴とする熱物性測定装置。 - 前記所定の周波数ωは、ω>>κ/sdL 2 (κは前記金属の熱伝導率、sは前記金属の熱容量、dは前記金属の質量密度、Lは前記第1点又は前記第2点から前記中央部までの長さである。)である、請求項7に記載の熱物性測定装置。
- 前記電圧印加手段は、前記交流電圧を生成する量子化交流電圧発生器を含む、請求項7に記載の熱物性測定装置。
- 前記熱電能算出手段は、
前記正極性の直流電圧を印加した時に前記温度測定手段により測定された前記金属の温度と、前記負極性の直流電圧を印加した時に前記温度測定手段により測定された前記温度との差を算出して前記第二の温度変化とする、請求項7に記載の熱物性測定装置。 - 前記電圧印加手段は、前記交流電圧として正弦波交流電圧を前記金属に印加する、請求項7に記載の熱物性測定装置。
- 前記電圧印加手段は、前記交流電圧として矩形波交流電圧を前記金属に印加する、請求項7に記載の熱物性測定装置。
- 前記温度測定手段は、熱電対又は放射温度計からなる、請求項7に記載の熱物性測定装置。
- 前記金属の両端に接続された二つの金属ブロックと、
前記二つの金属ブロックを異なる温度に設定する温度設定手段とをさらに備えた請求項7に記載の熱物性測定装置。 - 前記金属ブロックの温度を前記金属との接続部分で測定する熱電対をさらに備え、
前記温度設定手段は、前記熱電対で測定された温度に応じて前記金属ブロックの温度を設定する、請求項14に記載の熱物性測定装置。
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