JP7016141B2 - Thermophysical property measuring device and thermophysical property measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、固体の熱電能や熱伝導率といった熱物性値を測定するための装置及び方法に関するものである。 The present invention relates to an apparatus and a method for measuring thermophysical characteristics such as thermoelectricity and thermal conductivity of a solid.
鉛、白金等の金属材料の熱電能の絶対値は、物性測定の分野において広く用いられている熱電能の相対測定法に欠かせない物性値である。絶対熱電能は、金属材料の熱電能がゼロとなる状態を利用し、超伝導体を基準物質とした比較測定によって導かれる。この方法は、測定可能な温度領域が超伝導転移温度より低い温度に制限されてしまうことから、測定温度領域を拡大するためには、測定可能なトムソン係数からケルビンの関係式を用いて絶対熱電能を導くことが必要となる。 The absolute value of the thermoelectric power of a metal material such as lead or platinum is an indispensable physical property value in a relative measurement method of thermoelectric power widely used in the field of physical property measurement. Absolute thermoelectric power is derived by comparative measurement using a superconductor as a reference material, utilizing the state where the thermoelectric power of a metal material becomes zero. Since this method limits the measurable temperature range to a temperature lower than the superconducting transition temperature, in order to expand the measurable temperature range, the absolute thermoelectricity is used from the measurable Thomson coefficient using the Kelvin relational expression. It is necessary to guide the ability.
ここで、以下の特許文献1には、従来の直流法(DC法)で必要とされた、金属等の試料における熱伝導率、寸法、温度計からの熱損失値を用いずに、トムソン係数を測定する交流法(AC法)の技術が開示されている。 Here, in the following Patent Document 1, the Thomson coefficient is not used in the thermal conductivity, dimensions, and heat loss value from the thermometer in a sample such as metal, which is required by the conventional direct current method (DC method). The technique of the alternating current method (AC method) for measuring the temperature is disclosed.
しかし、特許文献1に記載された上記AC法では、測定対象となる試料の表面において生じる熱損失まで考慮されていない。このため、理想的な測定環境が求められるが、かかる環境下で測定を行うためには大きなコストが生じるという問題がある。 However, in the above AC method described in Patent Document 1, even the heat loss generated on the surface of the sample to be measured is not taken into consideration. Therefore, an ideal measurement environment is required, but there is a problem that a large cost is incurred in order to perform measurement in such an environment.
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることのできる熱物性測定装置及び熱物性測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a thermophysical property measuring device and a thermophysical property measuring method capable of easily obtaining highly accurate absolute thermoelectricity and thermal conductivity at a lower cost. The purpose is to provide.
上記課題を解決するため、本発明は、温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、金属の中央部における第一の温度変化を測定し、上記金属に、交流電圧の実効値と等しい正極性の直流電圧又は交流電流の実効値と等しい正極性の直流電流を印加して、上記中央部における第二の温度変化を測定し、交流電圧の実効値と等しい負極性の直流電圧又は交流電流の実効値と等しい負極性の直流電流を印加して、上記中央部における第三の温度変化を測定する測定手段と、第二の温度変化と第三の温度変化との差と第一の温度変化との比に基づく理想的な環境におけるトムソン係数を、(PγL)/K(Pは金属の断面における周長、Lは金属の長さ、Kは金属の熱コンダクタンス)に応じた補正項で補正することで、金属のトムソン係数を算出する演算手段とを備えた熱物性測定装置を提供する。なお、γは、4εσT 0 3 (εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数、T 0 は金属の周辺温度)という項を含む。 In order to solve the above problems, the present invention applies an AC voltage or an AC current to a metal to which a temperature gradient is applied, measures the first temperature change in the central portion of the metal, and applies an AC voltage to the metal. A positive DC voltage equal to the value or a positive DC current equal to the effective value of the AC current is applied, the second temperature change in the central portion is measured, and a negative DC voltage equal to the effective value of the AC voltage is measured. A measuring means for measuring a third temperature change in the central portion by applying a negative DC current equal to the effective value of a voltage or an alternating current, and a difference between the second temperature change and the third temperature change. The Thomson coefficient in an ideal environment based on the ratio to the first temperature change depends on (PγL) / K (P is the circumferential length in the cross section of the metal, L is the length of the metal, and K is the thermal conductance of the metal). Provided is a thermophysical property measuring device provided with a calculation means for calculating a Thomson coefficient of a metal by correcting with a correction term . Note that γ includes the term 4εσT 0 3 (ε is the radiance rate, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T 0 is the ambient temperature of the metal).
また、上記課題を解決するため、本発明は、温度勾配を与えた金属に交流電圧又は交流電流を印加して、金属の中央部における第一の温度変化を測定し、上記金属に、交流電圧の実効値と等しい正極性の直流電圧又は交流電流の実効値と等しい正極性の直流電流を印加して、上記中央部における第二の温度変化を測定し、交流電圧の実効値と等しい負極性の直流電圧又は交流電流の実効値と等しい負極性の直流電流を印加して、上記中央部における第三の温度変化を測定するステップと、第二の温度変化と第三の温度変化との差と第一の温度変化との比に基づく理想的な環境におけるトムソン係数を、(PγL)/K(Pは金属の断面における周長、Lは金属の長さ、Kは金属の熱コンダクタンス)に応じた補正項で補正することで、金属のトムソン係数を算出するステップとを含む熱物性測定方法を提供する。なお、γは、4εσT 0 3 (εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数、T 0 は金属の周辺温度)という項を含む。 Further, in order to solve the above problems, the present invention applies an AC voltage or an AC current to a metal to which a temperature gradient is applied, measures the first temperature change in the central portion of the metal, and applies an AC voltage to the metal. A positive DC voltage equal to the effective value of the AC voltage or a positive DC current equal to the effective value of the AC current is applied to measure the second temperature change in the central portion, and the negative voltage equal to the effective value of the AC voltage. The difference between the step of measuring the third temperature change in the central portion by applying a negative DC current equal to the effective value of the DC voltage or AC current of the above, and the difference between the second temperature change and the third temperature change. The Thomson coefficient in an ideal environment based on the ratio of to the first temperature change is (PγL) / K (P is the circumferential length in the cross section of the metal, L is the length of the metal, K is the thermal conductance of the metal). Provided is a thermophysical property measuring method including a step of calculating a Thomson coefficient of a metal by correcting with a corresponding correction term . Note that γ includes the term 4εσT 0 3 (ε is the radiance rate, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T 0 is the ambient temperature of the metal).
本発明によれば、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることのできる熱物性測定装置及び熱物性測定方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a thermophysical property measuring device and a thermophysical characteristic measuring method capable of easily obtaining highly accurate absolute thermoelectricity and thermal conductivity at a lower cost.
以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
図1は、本発明の実施の形態に係る熱物性測定装置1の構成を示すブロック図である。図1に示されるように、熱物性測定装置1は、バス2と、それぞれバス2に接続された測定部3、演算部4、記憶部5、表示部6、及び操作部7を備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a thermophysical characteristic measuring device 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the thermophysical characteristic measuring device 1 includes a
ここで、測定部3は、後に詳述するように、金属細線(以下「金属試料」 という。)等が有する熱電特性を測定する。また、操作部7は、ユーザの熱物性測定装置1に対する動作命令を受け付け、演算部4は上記動作命令に応じてトムソン係数、ひいては絶対熱電能や熱伝導率を算出する。また、記憶部5は、測定部3により測定されたデータや演算部4による演算結果を記憶し、表示部6は、上記動作命令に応じて記憶部5に記憶されたデータをユーザが目視により認識できるよう表示する。
Here, the
図2は、図1に示された測定部3の構成を示す図である。図2に示されるように、測定部3はチャンバ31と、金属ブロック32,33と、熱電対35,61,62と、加熱用ヒータ63,64と、温度コントローラ65と、電圧印加部30とを含み、電圧印加部30は正極性直流電源36と、負極性直流電源37と、交流電源38と、スイッチ39とを含む。ここで、交流電源38としては、例えば実効値が容易に計算できる量子化交流電圧発生器が用いられるが、他の交流電源であってもよい。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
また、金属ブロック32の温度を測定するための熱電対61と金属ブロック33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34と金属ブロック32,33とが接続される部分に配置される。
Further, the measurement points of the
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Hc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32,33の温度がそれぞれ温度T
1
,T
2 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。具体的には、温度コントローラ65は、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。
Then, the
そして、かかる構成を有する測定部3に、測定対象として例えば金属試料34が設置される。金属試料34の中央部には、トムソン効果による吸熱及び発熱、さらに交流電圧を印加した場合のジュール効果による発熱を測定するために熱電対35が取り付けられる。このとき、熱電対35からの熱の流出を低減するため、熱コンダクタンスの十分小さな熱電対が取り付けられる。
Then, for example, a
また、金属試料34の両端間には、極性の異なる直流電圧及びそれと実効値が等しい交流電圧を発生することが可能な直流・交流電圧発生器30が接続される。ここで、交流電源38により発生される交流電圧や交流電流の波形は周期的であればよく、例えば正弦波や矩形波等が考えられる。
Further, a DC /
そして、直流・交流電圧発生器30に含まれたスイッチ39は、制御信号Ctにより、正極性直流電源36、負極性直流電源37、及び交流電源38を選択的に導通(オン)させる。
Then, the
図3は、本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を示すフローチャートである。以下において、図3を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法を説明する。なお、以下においては、図1及び図2に示された熱物性測定装置1を用いて本方法を実現する場合について説明するが、本方法は熱物性測定装置1に限られず広く適用できることは言うまでもない。 FIG. 3 is a flowchart showing a thermophysical characteristic measuring method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the method for measuring thermophysical properties according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following, the case where this method is realized by using the thermophysical property measuring device 1 shown in FIGS. 1 and 2 will be described, but it goes without saying that this method is not limited to the thermophysical characteristic measuring device 1 and can be widely applied. stomach.
ステップS1では、温度勾配を与えた金属試料34に、交流電源38をオンすることによって交流電圧又は交流電流を印加して、金属試料34の中央部における第一の温度変化を熱電対35により測定する。
In step S1, an AC voltage or an AC current is applied to the
次に、ステップS2では、正極性直流電源36若しくは負極性直流電源37をオンすることによって、金属試料34に極性が異なり、上記交流電圧の実効値と等しい直流電圧、又は上記交流電流の実効値と等しい直流電流を印加して、金属試料34の中央部における第二の温度変化を熱電対35により測定する。
Next, in step S2, by turning on the positive
次に、ステップS3では、上記第二の温度変化と上記第一の温度変化との比からトムソン係数を算出するが、後に詳しく説明する。 Next, in step S3, the Thomson coefficient is calculated from the ratio of the second temperature change to the first temperature change, which will be described in detail later.
そして、ステップS4では、ステップS3で算出されたトムソン係数を用いて金属試料34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。
Then, in step S4, at least one of the absolute thermoelectric power and the thermal conductivity of the
以下において、図3に示された本発明の実施の形態に係る熱物性測定方法の具体例につき詳しく説明する。 Hereinafter, a specific example of the thermophysical characteristic measurement method according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 will be described in detail.
測定対象金属の表面で生じる熱損失を考慮したトムソン係数を導出するため、以下のような熱解析モデルを考える。図2に示されるように、金属試料の両端に温度差が与えられ、電流が金属試料に印加される。このとき、金属試料に発生した熱流は、金属試料内で拡散し、金属試料の両端に流れる。さらに、金属試料の表面からは金属試料と周囲の温度との温度差に応じた熱損失流が生じる。 In order to derive the Thomson coefficient that takes into account the heat loss that occurs on the surface of the metal to be measured, consider the following thermal analysis model. As shown in FIG. 2, a temperature difference is applied to both ends of the metal sample, and a current is applied to the metal sample. At this time, the heat flow generated in the metal sample diffuses in the metal sample and flows to both ends of the metal sample. Further, a heat loss flow is generated from the surface of the metal sample according to the temperature difference between the metal sample and the ambient temperature.
このような熱解析モデルにおける熱的な境界条件を満たす金属細線に電流Iが流れた場合、ヒータの定常状態での熱伝導方程式は次式(1)のように表現することができる。 When the current I flows through a thin metal wire satisfying the thermal boundary condition in such a thermal analysis model, the heat conduction equation in the steady state of the heater can be expressed as the following equation (1).
式(1)において、左辺第一項は固体熱伝導、第二項はトムソン効果による発熱及び吸熱、第三項はジュール発熱、第四項は自然対流と輻射による金属表面からの熱損失を表している。ここで、変数Tは温度、変数xは金属試料の位置座標である。それ以外のパラメータは定数であり、aは断面積、κは熱伝導率、μはトムソン係数、Iは電流、ρは電気抵抗率、hは熱伝達係数、Pは金属試料の断面における外周長、T 0 は金属試料の周囲の温度、εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数である。 In equation (1), the first term on the left side represents solid heat conduction, the second term represents heat generation and endothermic due to the Thomson effect, the third term represents Joule heat generation, and the fourth term represents heat loss from the metal surface due to natural convection and radiation. ing. Here, the variable T is the temperature, and the variable x is the position coordinates of the metal sample. The other parameters are constants, where a is the cross-sectional area, κ is the thermal conductivity, μ is the Thomson coefficient, I is the current, ρ is the electrical resistance, h is the heat transfer coefficient, and P is the outer circumference length in the cross section of the metal sample. , T 0 is the ambient temperature of the metal sample, ε is the radiation coefficient, and σ is the Stefan-Boltzmann constant.
ここでは、上記温度差は小さいと仮定して、輻射による熱損失を線形化して解析する。金属試料の両端に一定の温度差ΔTを与えた場合の境界条件、すなわち一端の温度T(0)が低温側の温度T c であり、他端の温度T(L)が高温側の温度T h であるとき、式(1)の解として次式(2)のような温度分布の解析解が得られる。 Here, assuming that the temperature difference is small, the heat loss due to radiation is linearized and analyzed. The boundary condition when a constant temperature difference ΔT is given to both ends of the metal sample, that is, the temperature T (0) at one end is the temperature T c on the low temperature side, and the temperature T (L) at the other end is the temperature T on the high temperature side. When it is h , an analytical solution of the temperature distribution as shown in the following equation (2) can be obtained as the solution of the equation (1).
式(2)において、Kは金属試料の熱コンダクタンスを表し、金属試料の熱伝導率κ、断面積A、及び長さLを用いて(κ・A)/Lと定義される。また、Rは金属試料の電気抵抗であり、(ρ・A)/Lで表される。式(2)に含まれた無次元パラメータκ 1 ,κ 2 は、次式(3)の二次方程式の解である。 In formula (2), K represents the thermal conductance of the metal sample and is defined as (κ · A) / L using the thermal conductivity κ, cross-sectional area A, and length L of the metal sample. Further, R is the electric resistance of the metal sample and is represented by (ρ · A) / L. The dimensionless parameters κ 1 and κ 2 included in equation (2) are solutions to the quadratic equation of equation (3).
式(3)におけるξは、トムソン熱と金属試料の熱コンダクタンスの比を表す無次元定数である。なお、パラメータκ 1 ,κ 2 は、トムソン係数μ及び熱伝達係数hの関数であり、熱伝達係数hがゼロであれば、式(3)の解はトムソン係数となる。 Ξ in the equation (3) is a dimensionless constant representing the ratio of the Thomson heat to the thermal conductance of the metal sample. The parameters κ 1 and κ 2 are functions of the Thomson coefficient μ and the heat transfer coefficient h, and if the heat transfer coefficient h is zero, the solution of Eq. (3) is the Thomson coefficient.
式(2)において必要な温度は金属試料の中央部における温度であるから、式(2)のxにL/2を代入する。さらに、パラメータκ 1 ,κ 2 はトムソン効果に関連する定数で1よりも十分小さいので、式(2)はパラメータκ 1 ,κ 2 が0の周りでべき級数に展開することができる。つまり、T 0 を(T c +T h )/2とし、3次以上の項を無視すると、式(2)は次式(4)のように表すことができる。 Since the temperature required in the formula (2) is the temperature in the central portion of the metal sample, L / 2 is substituted for x in the formula (2). Furthermore, since the parameters κ 1 and κ 2 are constants related to the Thomson effect and are sufficiently smaller than 1, equation (2) can be expanded to a power series around the parameters κ 1 and κ 2 . That is, if T 0 is ( T c + Th ) / 2 and the terms of the third order or higher are ignored, the equation (2) can be expressed as the following equation (4).
ここで、式(4)の第一項は金属試料の初期温度、第二項は金属試料表面からの熱損失を含むトムソン熱による温度上昇、第三項は金属試料表面からの熱損失を含むジュール発熱、第四項は金属試料からの熱損失に相当する。 Here, the first term of the formula (4) includes the initial temperature of the metal sample, the second term includes the temperature rise due to Thomson heat including the heat loss from the metal sample surface, and the third term includes the heat loss from the metal sample surface. Joule heat generation, the fourth term corresponds to heat loss from the metal sample.
次に、式(4)を基にして、トムソン係数の既知の導出方法を説明する。1次のトムソン効果による吸熱及び発熱は電流の極性に依存するのに対し、ジュール効果や自然対流は電流の極性には依存しない。そこで、電流をプラスの方向に加えた際の温度変化をT DC+ とし、電流を逆方向に加えた際の温度変化をT DC- とすると、これらの温度変化は式(4)を用いて次式(5),(6)のように表すことができる。 Next, a known derivation method of the Thomson coefficient will be described based on the equation (4). The endothermic and heat generation due to the first-order Thomson effect depends on the polarity of the current, whereas the Joule effect and natural convection do not depend on the polarity of the current. Therefore, if the temperature change when the current is applied in the positive direction is T DC + and the temperature change when the current is applied in the opposite direction is T DC- , these temperature changes are as follows using Eq. (4). It can be expressed as equations (5) and (6).
ここで、適用する電流の極性を反転して得られる金属試料中央部の温度差δTを次式(7)のように定義する。 Here, the temperature difference δT at the center of the metal sample obtained by reversing the polarity of the applied current is defined by the following equation (7).
上式(7)に式(5)及び式(6)を代入すると、温度差δTは次式(8)のように表すことができる。つまり、電流の極性反転操作により、ジュール項と2次のトムソン効果の効果が相殺され、直流を印加した場合の温度差δTを一次のトムソン効果の項のみで表すことが可能になった。 By substituting the equations (5) and (6) into the above equation (7), the temperature difference δT can be expressed as the following equation (8). That is, the effect of the Joule term and the second-order Thomson effect is canceled by the polarity reversal operation of the current, and the temperature difference δT when a direct current is applied can be expressed only by the term of the first-order Thomson effect.
ここで、式(8)をトムソン係数μについて解くと、金属試料表面からの熱損失を考慮した場合には、次式(9)が得られることになる。 Here, when the equation (8) is solved for the Thomson coefficient μ, the following equation (9) can be obtained in consideration of the heat loss from the surface of the metal sample.
このように、自然対流等の対流がある場合には、それらによる熱損失と金属試料の熱コンダクタンスの比に相当する補正項が加わる。また、本解析では、金属試料の周囲の温度を試料平均温度としているが、金属試料には温度勾配、ジュール熱の他、トムソン効果による温度上昇があるので、金属試料の温度は均一ではなく、対流や輻射による熱損失は不可避であることが分かる。 As described above, when there is convection such as natural convection, a correction term corresponding to the ratio of the heat loss due to them and the thermal conductance of the metal sample is added. In this analysis, the temperature around the metal sample is used as the sample average temperature, but the temperature of the metal sample is not uniform because the metal sample has a temperature gradient, Joule heat, and a temperature rise due to the Thomson effect. It can be seen that heat loss due to convection and radiation is inevitable.
次に、直流に交流を組み合わせる交流(AC)法によるトムソン係数の導出方法を説明する。直流の場合と同様の熱的な境界条件を満たす金属細線に交流電圧VACを印加して交流電流I(ω)が流れた場合、金属細線における定常状態での温度分布Tは次式(10)の熱伝導方程式で表される。 Next, a method for deriving the Thomson coefficient by an alternating current (AC) method in which an alternating current is combined with a direct current will be described. When an AC voltage VAC is applied to a thin metal wire that satisfies the same thermal boundary conditions as in the case of direct current and an AC current I (ω) flows, the temperature distribution T in the steady state of the thin metal wire is given by the following equation (10). It is expressed by the heat conduction equation of.
ここで、トムソン効果による吸熱及び発熱の効果は正弦波電流に比例することから、トムソン熱が相殺される程度の充分周波数が高い条件では、式(10)は次式(11)のように簡素化される。 Here, since the endothermic and heat generation effects due to the Thomson effect are proportional to the sinusoidal current, the equation (10) is simplified as in the following equation (11) under the condition that the frequency is sufficiently high to offset the Thomson heat. Be made.
式(11)の微分方程式は、直流の場合における式(1)においてトムソン項をゼロにした場合に相当し、次式(12)のように、直ちに金属試料中央部の温度変化を求めることができる。 The differential equation of the equation (11) corresponds to the case where the Thomson term is set to zero in the equation (1) in the case of direct current, and the temperature change in the central part of the metal sample can be immediately obtained as in the following equation (12). can.
式(12)は、ジュール発熱による温度上昇に対流による熱損失の補正項が加わった形になっている。すなわち、周波数が十分高い条件の下ではトムソン効果が相殺され、初期に与えられた温度勾配にジュール効果が重畳しただけの温度分布となっている。 Equation (12) has a form in which a correction term for heat loss due to convection is added to the temperature rise due to Joule heat generation. That is, under the condition that the frequency is sufficiently high, the Thomson effect is canceled out, and the temperature distribution is such that the Joule effect is superimposed on the initially given temperature gradient.
ここで、式(12)を式(8)に代入すると、式(8)は次式(13)のように変形される。 Here, when the equation (12) is substituted into the equation (8), the equation (8) is transformed into the following equation (13).
式(13)には、直流と交流を同一の金属試料に加えたときにおける、金属試料中央部の温度変化の比(δT/ΔT AC )が含まれている。従って、既知の直流(DC)法によれば、温度計測が必要なために自然対流や輻射による熱損失の影響を直接受けるのに対し、式(13)に基づいて交流法によりトムソン係数を求める場合には、上記のように温度ではなく温度変化の比を用いるため、上記熱損失の影響を低減することができる。なぜなら、式(13)を導出する過程で温度変化の比を計算することにより、式(8)と式(12)に含まれるP * (=PγL/K)に関する熱損失が相殺されるためである。 Equation (13) includes the ratio of temperature changes (δT / ΔT AC ) at the center of the metal sample when direct current and alternating current are applied to the same metal sample. Therefore, according to the known direct current (DC) method, the Thomson coefficient is obtained by the alternating current method based on the equation (13), whereas the temperature is directly affected by the heat loss due to natural convection and radiation. In the case, since the ratio of the temperature change is used instead of the temperature as described above, the influence of the heat loss can be reduced. This is because the heat loss related to P * (= PγL / K) contained in the equation (8) and the equation (12) is offset by calculating the ratio of the temperature change in the process of deriving the equation (13). be.
具体的には、式(9)を参照すれば、式(13)を用いてトムソン係数を算出する場合には、トムソン係数に対する熱損失の影響が、これまでの1/6に低減されることが分かる。 Specifically, referring to the equation (9), when the Thomson coefficient is calculated using the equation (13), the influence of heat loss on the Thomson coefficient is reduced to 1/6 of the conventional value. I understand.
なお、上記の熱物性測定方法は、本方法に係るアルゴリズムをプログラムで表現し、図4に示された熱物性測定装置10に実行させることによっても実現することができる。
The above-mentioned thermophysical property measuring method can also be realized by expressing the algorithm according to this method in a program and causing the thermophysical
ここで、熱物性測定装置10は、入出力ノード12と、入出力ノード12に接続されたバス13と、それぞれバス13に接続された中央演算処理装置(CPU)14及びメモリ15を備える。
Here, the thermophysical
このような構成を有する熱物性測定装置10において、上記プログラムはメモリ15に格納され、CPU14がメモリ15から当該プログラムを読み出して実行することにより、本発明の実施の形態に係る上記の熱物性測定方法が実現される。
In the thermophysical
以上より、本発明の実施の形態に係る熱電能測定方法及び熱物性測定装置によれば、大気やガス雰囲気中でもトムソン係数を測定することができるため、室温以上の測定では真空排気装置や輻射シールドは不要となる。また、ゼーベック係数を導出するために行う室温以下の低温実験でも、熱交換ガスの真空排気が不要となるので、測定におけるターンアラウンド時間を大幅に短縮することができる。 From the above, according to the thermoelectric power measuring method and the thermophysical property measuring device according to the embodiment of the present invention, the Thomson coefficient can be measured even in an air or gas atmosphere. Therefore, in the measurement above room temperature, the vacuum exhaust device or the radiation shield Is no longer needed. Further, even in a low temperature experiment below room temperature for deriving the Seebeck coefficient, vacuum exhaust of the heat exchange gas becomes unnecessary, so that the turnaround time in the measurement can be significantly shortened.
これらより、本発明の実施の形態に係る熱電能測定方法及び熱物性測定装置によれば、より少ないコストで簡便に精度の高い絶対熱電能や熱伝導率を得ることができることになる。 From these, according to the thermoelectric power measuring method and the thermophysical characteristic measuring apparatus according to the embodiment of the present invention, it is possible to easily obtain highly accurate absolute thermoelectric power and thermal conductivity at a lower cost.
1 熱物性測定装置
3 測定部
4 演算部
32、33 金属ブロック
34 金属細線(金属試料)
35、61、62 熱電対
36 正極性直流電源
37 負極性直流電源
38 交流電源
39 スイッチ
63、64 加熱用ヒータ
65 温度コントローラ
30 直流・交流電圧発生器
1 Thermophysical
35, 61, 62
Claims (5)
前記第二の温度変化と前記第三の温度変化との差と前記第一の温度変化との比に基づく理想的な環境におけるトムソン係数を、(PγL)/K(Pは前記金属の断面における周長、Lは前記金属の長さ、Kは前記金属の熱コンダクタンス)に応じた補正項で補正することで、前記金属のトムソン係数を算出する演算手段と、
を備え、
前記γは、4εσT 0 3 (εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数、T 0 は前記金属の周辺温度)という項を含む
熱物性測定装置。 An AC voltage or AC current is applied to the metal to which the temperature gradient is applied, the first temperature change in the central portion of the metal is measured , and the positive DC voltage or positive DC voltage equal to the effective value of the AC voltage is applied to the metal. A positive DC current equal to the effective value of the AC current is applied to measure the second temperature change in the central portion, and a negative DC voltage equal to the effective value of the AC voltage or the effective AC current. A measuring means for measuring a third temperature change in the central portion by applying a negative DC current equal to the value ,
The Thomson coefficient in an ideal environment based on the ratio of the difference between the second temperature change and the third temperature change and the first temperature change is (PγL) / K (P is in the cross section of the metal. A calculation means for calculating the Thomson coefficient of the metal by correcting with a correction term according to the circumference length, L is the length of the metal, and K is the thermal conductance of the metal .
Equipped with
The γ includes a term of 4εσT 0 3 (ε is the radiance rate, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T0 is the ambient temperature of the metal).
Thermophysical property measuring device.
請求項1又は2記載の熱物性測定装置。 The thermophysical characteristic measuring device according to claim 1 or 2, wherein the calculation means calculates the absolute thermoelectricity of the metal using the calculated Thomson coefficient.
前記第二の温度変化と前記第三の温度変化との差と前記第一の温度変化との比に基づく理想的な環境におけるトムソン係数を、(PγL)/K(Pは前記金属の断面における周長、Lは前記金属の長さ、Kは前記金属の熱コンダクタンス)に応じた補正項で補正することで、前記金属のトムソン係数を算出するステップと、
を含み、
前記γは、4εσT 0 3 (εは輻射率、σはステファン・ボルツマン定数、T 0 は前記金属の周辺温度)という項を含む
熱物性測定方法。 An AC voltage or AC current is applied to the metal to which the temperature gradient is applied, the first temperature change in the central portion of the metal is measured , and the positive DC voltage or positive DC voltage equal to the effective value of the AC voltage is applied to the metal. A positive DC current equal to the effective value of the AC current is applied to measure the second temperature change in the central portion, and a negative DC voltage equal to the effective value of the AC voltage or the effective AC current. A step of measuring a third temperature change in the central portion by applying a negative DC current equal to the value, and
The Thomson coefficient in an ideal environment based on the ratio of the difference between the second temperature change and the third temperature change and the first temperature change is (PγL) / K (P is in the cross section of the metal. The step of calculating the Thomson coefficient of the metal by correcting with the correction term according to the circumference length, L is the length of the metal, and K is the thermal conductance of the metal).
Including
The γ includes a term of 4εσT 0 3 (ε is the radiance rate, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T0 is the ambient temperature of the metal).
Thermophysical characteristic measurement method.
をさらに含む請求項4記載の熱物性測定方法。 The method for measuring thermophysical properties according to claim 4, further comprising a step of calculating the absolute thermoelectricity of the metal using the calculated Thomson coefficient.
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