JP2004296959A - 熱電素子性能評価装置および熱電素子の性能評価方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱電素子を温度調節手段に加重して密着させつつ、吸熱量がゼロという条件での正確な最大温度差を実際に測定することは不可能であった。
【解決手段】温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子を備え、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、評価対象熱電素子の冷接点と熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、熱流測定手段の他方と熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、加重手段によって評価対象熱電素子を温度調節手段に一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することにより、吸熱量がゼロという条件での正確な最大温度差を実測することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子を備え、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、評価対象熱電素子の冷接点と熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、熱流測定手段の他方と熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、加重手段によって評価対象熱電素子を温度調節手段に一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することにより、吸熱量がゼロという条件での正確な最大温度差を実測することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置に用いる熱電素子、あるいはペルチェ効果を利用した熱電冷却装置に用いるペルチェ素子に関し、特に熱電素子あるいはペルチェ素子の性能評価装置の構造および評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルぎーに直接変換することができるデバイスである。
【０００３】
一般的な熱電素子の構造は、ほぼ同じ長さで柱状のｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の両端部で対にして熱電対を作り、その熱電対を複数個平面的に並べて、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が交互に規則的になるように配置し、その熱電対を電気的に直列に接続する構造を有する。
【０００４】
熱電素子の両端の間に温度差を与えると、ゼーベック効果により電圧を発生する。また、熱電素子に直流電流を流すと、ペルチェ効果により一端で吸熱し、他端で放熱（発熱）する。
【０００５】
熱電素子はこのような可逆の効果を併せ持つデバイスであり、熱エネルギーと電気エネルギーの変換素子として様々な装置に応用されている。
【０００６】
熱電素子のゼーベック効果を利用することにより、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるため、廃熱を利用して発電するような熱電発電装置は、熱エネルギーの有効な利用方法として注目をあびている。
【０００７】
また、熱電素子のペルチェ効果を利用することにより、熱電素子の吸熱する側に適当な熱源を熱伝導良好な状態で接続させれば、その熱源を冷やす熱電冷却装置として利用することができる。
【０００８】
また、熱電素子に流す電流を調節することにより、単に冷却するだけでなく、一定の温度に保つような温度調節装置としても利用することができる。
【０００９】
特に熱電冷却装置など、ペルチェ効果を利用した熱電素子のことを、その効果の名前からペルチェ素子と呼ぶこともあるが、本発明の説明においては、熱電素子と表記することにする。
【００１０】
上記熱電冷却装置は他の方式の冷却装置と異なり、コンプレッサーなどの機械部品を含まず、かつ小型化も可能なことから持ち運び可能なポータブル冷蔵庫や、集積回路やレーザー光源などの熱源に対する局所的な冷却装置または温度調節装置として利用されている。特に、光通信分野やＤＶＤピックアップなどに使われているレーザーダイオードは、高温になると壊れたり、性能が著しく劣化したりするため、特に光通信分野ではレーザーダイオードの冷却および一定温度に制御する温度調節は必須な技術であり、現在、熱電素子はこのような光通信分野において、一般的に利用されている。
【００１１】
ここで、熱電素子の従来の性能評価方法について説明する。熱電素子の熱電対を形成する一端である温接点を一定温度に保ち、冷接点から流入する熱量（吸熱量）をゼロに保つ状態で、直流電流を流し、その電流を徐々に大きくしていくと、熱電素子の熱電対を形成する他端である冷接点で吸熱し、温接点で放熱（発熱）し、温接点は一定温度に保たれ、冷接点は徐々に温度が下がり、両端の間の温度差が徐々に大きくなる。この効果をペルチェ効果という。
【００１２】
そして、ある電流で温度差が最大となり、それ以上電流を大きくすると温度差は徐々に小さくなる。この最大となった温度差を最大温度差という。この最大温度差は、熱電素子の性能を表す性能指数Ｚに比例することから、最大温度差は熱電素子の性能を表す指標となる。
【００１３】
また、熱電素子の温接点と冷接点の両端の温度差をゼロに保つようにして、電流を徐々に大きくした場合、冷接点から流入する熱量（吸熱量）は徐々に大きくなり、ある電流で最大となる。この熱量を最大吸熱量といい、上記の最大温度差と同様にこの最大吸熱量も熱電素子の性能を表す指標となる。
【００１４】
性能指数Ｚとは熱電素子の材料のゼーベック係数の２乗を熱電素子の材料の比抵抗と熱伝導率の各々で割ったもので、熱電素子の性能を表すのに最も重要な値である。しかし、この性能指数Ｚは熱電材料単体では測定することが可能であるが、熱電材料を加工して熱電素子に組み上げた場合には、直接測定することはとても困難である。
【００１５】
そして、熱電素子を組み上げる工程で、熱電材料のゼーベック係数や比抵抗や熱伝導率などが変わること、およびその他の要因なども含めて、熱電材料単体の性能指数Ｚから予想できる熱電素子の性能と、実際に作成した熱電素子の性能が異なることがしばしばある。そのため、熱電素子の実際の評価では最大温度差および最大吸熱量によって性能を判断する。
【００１６】
特に、最大温度差が分かれば、Ｚを逆算することができ、最大吸熱量もある程度の仮定による誤差は含まれるが計算することはできる。すなわち、最大温度差が分かれば、熱電素子の熱電性能が高いか低いか、すなわちゼーベック効果およびペルチェ効果の熱電性能が優れているかどうかを判断できる。
【００１７】
そのため、作成した熱電素子の性能評価は、通常最大温度差を測定することによって行う。
【００１８】
ここで、従来の熱電素子の最大温度差を測定する方法の例として、非特許文献１に開示された方法がある。この従来技術について図１１を用いて説明する。
【００１９】
まず、図１１に示すように温度調節装置１１４の上部に、性能を測定したいサンプルである評価対象熱電素子１０１を熱伝導性グリスを介して密着させる。
【００２０】
次に、断熱性材料からなる断熱部材１１０１を評価対象熱電素子１０１の上部に密着させ、加重部材１１０２を断熱部材１１０１の上に置く。
【００２１】
ここで、温度調節装置１１４は土台板１１３の上に固定されており、土台板１１３から垂直に上方に立てられた支持柱１１２とスライド部材１１０と固定部材１１１によって加重部材１１０２は上下に動くことができる。
【００２２】
加重部材１１０２は弾性変形可能な材料からなっており、断熱部材１１０１を下方に一定の力で押すことにより、評価対象熱電素子１０１を温度調節装置１１４に一定の加重を加えて密着させる。
【００２３】
温度調節装置１１４は、温度測定板１０３と温度調節熱電素子１０４と熱交換器１０６から成っている。
【００２４】
温度測定板１０３には評価対象熱電素子１０１と接する面近傍に温度センサーが埋め込まれており、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、その温度が一定になるように温度調節熱電素子１０４の電流を制御している。
【００２５】
また、断熱部材１１０１にも評価対象熱電素子１０１と接する面近傍に温度センサーが埋め込まれており、評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定している。
【００２６】
このようにセッティングされた状態で評価対象熱電素子１０１に電流を流して、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる温度差を測定する。
【００２７】
ここで、評価対象熱電素子１０１と温度調節装置１１４（温度測定板１０３）との接触面に熱伝導性グリスを介して一定の加重を加えるのは、評価対象熱電素子１０１の温接点を精密に一定温度に制御するために、評価対象熱電素子１０１と温度調節装置１１４（温度測定板１０３）との間の熱抵抗をできるだけ小さくし、かつ熱抵抗のばらつきを少なくする必要があるからである。
【００２８】
つまり、評価対象熱電素子１０１の温接点では、評価対象熱電素子１０１に流した電流で生じるジュール熱（電力）分の熱が温度調節装置１１４に流れ込むために、その間の熱抵抗が大きくなったり、ばらついたりすることによって、接触面を通過する熱（単位：Ｗ）と、接触面の熱抵抗（単位：℃／Ｗ）とを掛け合わせた温度差分だけ温接点の温度に測定誤差が生じてしまう。
【００２９】
面と面との接触部分において、熱伝導を良好に保つために熱伝導性グリスなどで面と面を密着させ、ある程度以上の加重をかけることにより、接触部分の熱抵抗を小さくできることは一般に知られている。
例えば、接触面では熱伝導性グリスを介して１０（ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の垂直な加重で密着させた場合の熱抵抗率は１ｃｍ℃／Ｗである、というように文献によって熱抵抗値が判明しているため、その接触面による温度差のロス分を正しく見積もることができる。もし、一定の加重で密着させない場合は接触面の熱抵抗を正しく見積もることができない。
そのために、一定の加重を加えて、熱抵抗をできるだけ小さく、かつ一定になるようにすることは熱電素子の評価をする上で必要不可欠である。
【００３０】
【非特許文献１】
シドレンコ（Ｓｉｄｏｒｅｎｋｏ），「熱伝素子の動的変形の実験的研究へのレーザドップラー流速計の応用（ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＬＡＳＥＲ ＤＯＰＰＬＥＲ ＡＮＥＭＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＤＹＮＡＭＩＣ ＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮ）」，第１４回国際熱電学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＸＩＶ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ），ロシア，物理技術研究所（Ｐｈｙｓｉｃａｌ−Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ），平成７年６月２７日，ｐ．３６６
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温接点の熱抵抗を小さく一定にして温度差の測定精度を上げるために加重を加えるとき、上記のように従来技術では断熱部材および加重部材によって加重を加える方法で性能評価を行っている。ここで、断熱部材は断熱性材料からなるものであるが、当然ながら熱伝導率はゼロではなく、ある程度は熱を通してしまう。
【００３２】
そのため、この状態で最大温度差を測定すると、冷接点では断熱部材を通して外部から熱が流入してしまい、測定している冷接点はその熱の流入分だけ暖められてしまい、冷接点の温度が上昇してしまうため、測定された温度差は本来の最大温度差よりも小さくなってしまう。
【００３３】
すなわち、外部からの熱の流入によって本来の最大温度差を正確に測定することができないという問題があった。
【００３４】
そのため、従来の熱電素子の評価方法では正確な最大温度差を実際に測定することは不可能であった。このため、理論的な計算による最大温度差は予想できるが、実際に測定することによる熱電素子の品質の確認は非常に難しいという問題があった。
【００３５】
特に、小型の熱電素子の場合は加重をかけるために接する断熱部材の影響が顕著になるため測定誤差はより大きくなる傾向にある。
【００３６】
〔発明の目的〕
そこで、本発明の目的は上記の問題を解決して、熱電素子に加重を加えて、接触部分の熱抵抗を小さく一定にし、しかも熱電素子の冷接点における外部からの熱の流入をゼロにすることで、正確な最大温度差を測定することのできる熱電素子性能評価装置の構造およびその評価方法を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の熱電素子性能評価装置および熱電素子の性能評価方法においては、下記に記載する構成を採用する。
【００３８】
すなわち、本発明の熱電素子性能評価装置は、温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子を備え、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、評価対象熱電素子の冷接点と熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、熱流測定手段の他方と熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、加重手段によって評価対象熱電素子と温度調節手段との接続部分に一定の加重が加わることを特徴とする。
調節手段との接続部分に一定の加重を与える熱電素子性能評価装置。
また、熱流測定手段が、評価対象熱電素子と同じ断面形状であることが好ましい。
また、熱流測定手段が、一様な熱伝導率の材質で一様な断面形状であり、断面のほぼ中央部で熱流が流れる方向に平行な線上の少なくとも２点以上の温度を測ることが好ましい。
また、熱流測定手段が、熱電素子と温度測定板とを有することがさらに好ましい。
また、評価対象熱電素子および熱流測定手段とが真空雰囲気内にあることがなおよい。
さらに、評価対象熱電素子と熱流測定手段との間に薄板状のヒーターを有することが望ましい。
また、本発明の熱電素子の性能評価方法は、温度調節手段によって評価対象熱電素子の温接点の温度を一定に保ち、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御し、評価対象熱電素子の温接点および冷接点の２つの温度を測定することを特徴とする。
【００３９】
〔作用〕
本発明の熱電素子性能評価装置では、評価対象熱電素子に熱流測定手段を接続し、熱流測定手段を熱流制御手段に接続し、加重手段で評価対象熱電素子を温度調節手段に対して一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することによって、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段との接触面の熱抵抗が小さく一定になり、かつ評価対象熱電素子の冷接点での外部からの熱の流入をゼロにすることができる。そのため、評価対象熱電素子の吸熱量がゼロである理想的な状態で正確な最大温度差を測定することができる。その結果、熱電素子の品質を実際に測定することによって確認することができるようになり、評価通りの性能の熱電素子をユーザーに提供することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電素子性能評価装置の構成における最適な実施形態について図面を用いて説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１〜図７を用いて本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の構造および評価方法について説明する。
【００４２】
図１は本発明の熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。まず、土台板１１３の上部に温度調節装置１１４が固定されており、温度調節装置１１４の上部に性能を測定したいサンプルである評価対象熱電素子１０１の温接点を熱伝導性グリスを介して密着させる。
【００４３】
温度調節装置１１４は、具体的には温度測定板１０３と温度調節熱電素子１０４と熱交換器１０６から成っており、評価対象熱電素子１０１は温度測定板１０３に密着している。
【００４４】
温度測定板１０３は評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、その温度が設定温度で一定になるように温度調節熱電素子１０４の電流を制御する。
【００４５】
そして、熱流制御装置１１５の下部に熱流測定器１０２を熱伝導良く接合し、評価対象熱電素子１０１の冷接点と熱流測定器１０２の下部を熱伝導良く密着させる。
【００４６】
熱流制御装置１１５は、具体的には熱流制御熱電素子１０５と熱交換器１０７とから成っており、熱流制御熱電素子１０５は熱流測定器１０２に熱伝導良く接合している。
【００４７】
さらに、熱流制御装置１１５と可動板１０９とは、弾性を有する加重バネ１０８を介して接合されており、可動板１０９はスライド部材１１０に接合されている。
【００４８】
ここで、温度調節装置１１４は土台板１１３の上に固定されており、土台板１１３から垂直に上方に立てられた支持柱１１２とスライド部材１１０と固定部材１１１によって、可動板１０９は上下に動くことができる。
【００４９】
可動板１０９が上下に動くことにより、可動板１０９と共に加重バネ１０８、熱流制御装置１１５は上下に動く。ここで、加重バネが一定距離縮むまで可動板１０９を押し下げることにより、熱流制御装置１１５、熱流測定器１０２、評価対象熱電素子１０１、温度調節装置１１４は上下方向に加重され、評価対象熱電素子１０１は温度調節装置１１４に一定の加重が加わり密着される。
【００５０】
そして、上記で説明した構造部材全ては真空チャンバー１１６内に入っており、上記で説明した構造部材をセッティングしたあとで、真空に引く。
【００５１】
ここで、本発明の特徴的な構造として、評価対象熱電素子１０１の温接点は温度調節装置１１４に一定の加重で密着しており、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点は熱流測定器１０２に密着している。
【００５２】
そして、熱流測定器１０２によって評価対象熱電素子１０１の冷接点に流入する熱流を測定し、同時に評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定し、さらに、熱流制御装置１１５によって熱流測定器１０２で測定した熱流をゼロにするように熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する。
【００５３】
このようにセッティングされた状態で、評価対象熱電素子１０１に電流を流して、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる最大温度差を測定することによって、評価対象熱電素子１０１の冷接点から流入する熱流をゼロにした状態での正確な最大温度差を測定することができる。
【００５４】
上記の測定を真空チャンバー１１６内で行うことによって、評価対象熱電素子１０１の冷接点が結露することを防ぎ、さらに評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の間の側面から出入りする熱を断熱することができるため、より最大温度差の測定精度が増す特徴を持っている。
【００５５】
図２は本発明の熱電素子性能評価装置における評価対象熱電素子１０１、温度調節熱電素子１０４、および熱流制御熱電素子１０５の代表的な構造を表した断面図である。ｐ型熱電半導体２０１とｎ型熱電半導体２０２を、交互に規則的になるように配置し、各々の熱電半導体の両端部分で配線電極２０３により配線し、複数のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が、交互に電気的に直列になるように接続する。
【００５６】
そして、直列に接続した両端の熱電半導体には電流を流すためのリード線をつなげる２つの引き出し電極２０４がそれぞれ接続されている。
また、配線電極２０３、引き出し電極２０４と熱伝導板２０５、２０６とはそれぞれ接合されており、一方が温接点、他方が冷接点となっている。電流を流す向きでどちらも温接点または冷接点になり得る。
【００５７】
熱電素子は、例えば図２で熱伝導板２０５側を冷接点となるように電流を流し、冷却する場合、冷接点で吸熱した熱量と熱電素子に流す電流によって生じるジュール熱を温接点となる熱伝導板２０６側に運ぶ。そのため、熱伝導板２０６側ではその熱を放熱可能な構造にしないと熱がたまって温度が上昇してしまう。そして、その影響で冷接点側の温度も上昇してしまう。
【００５８】
また熱伝導板２０５側を温接点になるようにして加熱する場合、つまりは逆に電流を流した場合は、熱伝導板２０６側が冷接点となり、熱伝導板２０６側で必要な熱を与える構造にて温度を保たないと、温度がさがってしまい、その影響で加熱したい熱伝導板２０５側の温度も下がってしまう。
【００５９】
つまり、熱電素子の一方を冷却したり、加熱したり、温度調節したりするためには、他方で十分に熱交換できるヒートシンクのようなものが必要不可欠である。
【００６０】
そのため、図１において、温度調節熱電素子１０４に熱交換器１０６を接合し、熱流制御熱電素子１０５に熱交換器１０７を接合している。
【００６１】
熱伝導板２０５，２０６としては、窒化アルミニウムやアルミナなどの熱伝導の良いセラミックスを用いる。
【００６２】
熱電材料としては、ｐ型熱電半導体２０１にはＢｉＴｅＳｂからなる合金を用い、またｎ型熱電半導体２０２にはＢｉＴｅＳｅからなる合金を用いている。しかし、熱電材料としてはこれに制限されるものではなく、他のＢｉＴｅ系、ＦｅＳｉ系など用途に応じて様々な熱電材料を用いることができる。
【００６３】
図３は温度調節装置１１４の斜視図である。熱交換器１０６の上部に温度調節熱電素子１０４を熱伝導良く接合し、温度調節熱電素子１０４の上部に温度測定板１０３を熱伝導良く接合する。
【００６４】
上記各構造部材の接合は、熱伝導性接着剤で固定するか、または熱伝導性グリスで密着させてビス止めなどで固定する。
【００６５】
温度測定板１０３は、評価対象熱電素子１０１と接する面近傍にサーミスターまたは白金測温抵抗体などの温度センサー３０１を埋め込み、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、温度センサー３０１の信号をフィードバックして、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度が一定温度を保つように、温度調節熱電素子１０４に電流を投入するリード線３０２に流す電流を制御する。
【００６６】
温度調節熱電素子１０４の構造は、図２に示した一般的な熱電素子の構造と同じであり、評価対象熱電素子１０１よりもかなり大きい熱電素子を用いる。
【００６７】
熱交換器１０６は、密閉された空洞の内部を有し、その内部に水などの熱を運ぶことのできる液体を満たし、液体を外部から出し入れする循環路３０３を有し、外部でその液体の温度を一定に保つように循環させる。
【００６８】
このようにして、温度調節熱電素子１０４の温接点を介して熱交換器１０６に出入りする熱を外部に出し入れすることができ、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を精密に制御することができる。
【００６９】
このようなシステムの具体的な例としては、日本ブロアー（株）のＳＬ−１０ＷとＳＬ−ＣＰ１２０６の組み合わせなどが挙げられる。
【００７０】
熱交換器１０６は真空チャンバー１１６内に入れる構造上、構成しやすい水循環型としたが、真空チャンバー１１６の壁面に熱交換器１０６を設ける構造とすれば、フィンなど外気と熱交換する部分を真空チャンバー外に出すことができるため、空冷型でも可能となる。
【００７１】
図４は可動板１０９、加重バネ１０８、熱流制御装置１１５、および熱流測定器１０２の斜視図である。
【００７２】
図４に示すように、可動板１０９の下部に加重バネ１０８を接合し、加重バネ１０８の下部に熱熱交換器１０７を接合し、熱交換器１０７の下部に熱流制御熱電素子１０５を熱伝導良く接合し、熱流制御熱電素子１０５の下部に熱流測定器１０２を熱伝導良く接合する。
【００７３】
上記各構造部材の接合は、熱伝導性接着剤で固定するか、または熱伝導性グリスで密着させてビス止めなどで固定する。
【００７４】
図５は熱流測定器１０２の斜視図である。熱流測定器１０２は、一様な熱伝導率を有する材料からなっており、評価対象熱電素子１０１と同じ断面形状を持ち、その断面形状の中央部分で、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点と接する面近傍と熱流制御熱電素子１０５と接する面近傍とにサーミスターまたは白金測温抵抗体などの２つの温度センサー５０１、５０２を埋め込み、温度センサー５０１で評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定し、同時に温度センサー５０２で熱流制御熱電素子１０５と接する面近傍の温度を測定する。
【００７５】
そして、温度センサー５０１、５０２の信号をフィードバックして、温度センサー５０１、５０２の２つの温度が同じ温度になるように、熱流制御熱電素子１０５に電流を投入するリード線４０１に流す電流を制御する。
【００７６】
一般的な伝熱理論において、熱伝導率が一様であり、かつ断面形状が一様な部材の断面と垂直な方向に、ある距離離れた２点の温度が同じ場合、その断面を通過する熱流はゼロとなる。
【００７７】
したがって、上記のように温度センサー５０１、５０２の温度が同じ場合、熱流測定器を上下方向に移動する熱流はゼロとなる。
【００７８】
このとき、評価対象熱電素子１０１と熱流測定器１０２の断面形状が同じであれば、熱流が直線的に、かつ一様になるため、熱流測定の感度が向上する効果がある。
【００７９】
熱流制御熱電素子１０５の構造は、図２に示した一般的な熱電素子の構造と同じであり、温度調節熱電素子１０４と同様に評価対象熱電素子１０１よりもかなり大きい熱電素子を用いる。また、熱交換器１０７の構造も熱交換器１０６と同じ構造である。
【００８０】
そして、可動板１０９はスライド部材に接合されており、上下に水平に動かすことができ、可動板１０９と熱交換器１０７（熱流制御装置１１５）とは、平面的に配置した複数の同じ加重バネ１０８でつながっている。そのため、評価対象熱電素子１０１を温度測定板１０３と熱流測定器１０２とで挟み込んで密着させるときに、それぞれの接触面の平行度のバラツキを加重バネ１０８で吸収することができ、熱伝導良く密着させることができる。
【００８１】
また、加重バネ１０８の縮む長さを調節することで、加重量を任意に調節することが可能となる。
【００８２】
上記構造をとることにより、熱流測定器１０２の熱流をゼロにして、同時に評価対象熱電素子１０１を温度測定板１０３に一定の加重で密着させることができる。
【００８３】
また、図４に示した熱流制御熱電素子１０５は１段であるが、大きさの異なる熱電素子を２つ重ねた構造にすることによって、１段目の熱電素子で大まかな温度制御を行い、２段目の熱電素子で細かな温度制御を行うことにより、制御範囲が広がり、さらに熱流制御（温度調節）の精度を向上させることができる。
【００８４】
さらに、熱流測定器１０２を通過する熱流と温度センサー５０１、５０２の温度差とは比例するため、熱伝導率が正確に判明している材料で熱流測定器１０２を構成することによって、温度センサー５０１、５０２で測定した温度から熱流を計算できる。
【００８５】
この場合、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる温度差は、上記熱流が流入した分だけ最大温度差より小さくなる。したがって、熱流をゼロに制御しなくても、計算値によって評価は可能である。
【００８６】
図６は温度調節装置１１４の制御システムを説明した図である。熱交換器１０６は真空チャンバー外の恒温水循環装置６０７につながっている。熱交換器１０６の内部は上記で説明したように恒温水を導入および排出する循環路３０３があり、温度調節熱電素子１０４からの熱の流入、流出に対して迅速に反応し、恒温を保つ。
【００８７】
温度測定板１０３は、温度センサー３０１の信号を温度に変換する温度変換回路６０１につながっている。温度変換回路６０１は、温度調節熱電素子１０４の電流を制御する電流制御回路６０２につながっている。電流制御回路６０２は電源回路６０３およびその先の外部コンセント６０４につながっている。電流制御回路６０２は、そのリアルタイムの温度と設定温度とを表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール６０５につながっている。そして１つの制御装置６０６が形成されている。
【００８８】
電流制御回路６０２では、温度センサー３０１で測定した温度が設定温度になるように、温度センサー３０１で測定した温度をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって温度調節熱電素子１０４に流す電流を制御する。このような制御方法によって精度的には設定温度±０．１℃程度が実現できる。
【００８９】
図７は熱流制御装置１１５の制御システムを説明した図である。熱交換器１０７、循環路４０２，恒温水循環装置７０７の構造は図６で説明した熱交換器６０７の周辺構造と同じである。
【００９０】
熱流測定器１０２は、温度センサー５０１、５０２の信号を温度に変換する温度変換回路７０１につながっている。温度変換回路７０１は、熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する電流制御回路７０２につながっている。電流制御回路７０２は電源回路７０３およびその先の外部コンセント７０４につながっている。電流制御回路７０２は、そのリアルタイムの温度と温度差を表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール７０５につながっている。そして１つの制御装置７０６が形成されている。
【００９１】
電流制御回路７０２では、温度センサー５０１、５０２で測定した温度が同じ温度になるように、つまり温度センサー５０１、５０２の温度差がゼロになるように、温度センサー５０１、５０２で測定した温度をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって熱流制御熱電素子１０５に流す電流を制御する。
【００９２】
本発明の特徴として、上記の手段を用いることによって、熱流測定器１０２を通過する熱流をゼロにするように制御することが可能となり、評価対象熱電素子１０１の温接点を温度測定板１０３に一定の加重で密着させ、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点の熱の流入流出をゼロにすることができ、そのときの評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の温度（温度差）を測定して、最大温度差を精度良く正確に測定することが可能となる。
【００９３】
（第２の実施の形態）
次に、図８を用いて、本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の構造および評価方法について説明する。
【００９４】
図８は、第１の実施の形態において図５で構造を説明した熱流測定器１０２の別の構造である。図８に示すように、熱流測定器１０２として熱流測定熱電素子８０１の一方と温度測定板８０４を熱伝導性接着剤などで熱伝導良く接合し、熱流測定熱電素子８０１の他方と熱流制御熱電素子１０５とを熱伝導良く接合する。
【００９５】
温度測定板８０３の熱流測定熱電素子８０１と接合していない面近傍には、サーミスターまたは白金測温抵抗体などの温度センサー８０４を埋め込み、評価対象熱電素子１０１に熱伝導良く密着させて、評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定する。
【００９６】
第２の実施の形態の構造的な特徴は、熱流測定器１０２が図８に示す構造におきかわるだけで、他の部材の構造は第１の実施の形態と同じである。
【００９７】
熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流と、熱流測定熱電素子８０１の冷接点と温接点の温度差とは比例し、熱流測定熱電素子８０１の冷接点と温接点の温度差と熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧とは比例する。つまり、熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流と熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧とは比例することになる。つまり、熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧をゼロにするように熱流制御熱電素子１０５の電流を制御することによって、熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流をゼロにすることが可能となる。
【００９８】
図９は、第２の実施の形態における熱流制御装置１１５の制御システムを説明した図である。
【００９９】
熱流測定器１０２は、熱流測定熱電素子８０１のリード線８０２によって、熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する電流制御回路９０２につながっている。また、熱流測定器１０２は、温度測定板８０３の温度センサー８０４の信号を温度に変換する温度変換回路９０１につながっている。温度変換回路９０１は、電流制御回路９０２につながっている。電流制御回路９０２は電源回路７０３およびその先の外部コンセント７０４につながっている。電流制御回路９０２は、そのリアルタイムの温度と電圧を表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール９０３につながっている。
【０１００】
電流制御回路９０２では、熱流測定熱電素子８０１で測定した電圧がゼロになるように、つまり熱流測定熱電素子８０１の温接点と冷接点の温度差がゼロになるように、熱流測定熱電素子８０１で測定した電圧をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって熱流制御熱電素子１０５に流す電流を制御する。
【０１０１】
図５に示す構造の熱流測定器１０２は、熱流を測定するのにサーミスターや白金測温抵抗体などの温度センサー５０１、５０２を使っているため、温度センサーの検出部分以外の封止材料やコーティング材料などが持つ熱容量の分だけ、温度を検出する応答速度が若干遅くなる可能性がある。
【０１０２】
ところが、図８に示す構造の熱流測定器１０２は、熱流測定熱電素子８０１の熱電材料のみを熱流が流れ、かつ熱電材料自体が温度差検出部分であるために、応答速度を遅くする無駄な熱容量を持たない。そのため、図８に示す構造の熱流測定器１０２は、図５に示す構造の熱流測定器１０２に比較して、熱流に対する応答速度を速くすることができるため、より測定精度が高くなるメリットを持つ。
【０１０３】
また、一般的に熱電素子は、対数と温度差を掛け合わせた値と発生する電圧とが比例するため、熱流測定熱電素子８０１の対数を多くすればするほど、検出される電圧が大きくなるため、対数を多くすることにより熱流を検出する電圧の感度が上がり、測定精度を大きく向上させることができ、より正確な最大温度差の測定が可能となる。
【０１０４】
（第３の実施の形態）
次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施の形態における熱電素子性能測定装置の構造および評価方法について説明する。
【０１０５】
図１０に示すように第３の実施の形態の構造的な特徴は評価対象熱電素子１０１と熱流測定器１０２との間にヒーター１００１を挿入したことである。ここで、上記の第１の実施の形態および第２の実施の形態で説明した同じ方法で、熱流測定器１０２を通過する熱流をゼロに制御しながら、ヒーター１００１の熱量を測定することによって、評価対象熱電素子１０１の最大温度差だけでなく、最大温度差から仮定計算によって見積もっていた最大吸熱量をも実際に測定することが可能となる。
【０１０６】
上記第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態において、熱流測定器１０２の温度センサー５０１、５０２、８０４の導線、および熱流測定熱電素子８０１のリード線８０２を通して、わずかではあるが熱が出入りしてしまう可能性がある。評価対象熱電素子１０１、および熱流測定器１０２が小さいサイズになるとそのわずかな熱でも影響を受けるようになり、大きな誤差の原因となることもある。その対策として、図示はしないが、熱流制御熱電素子１０５に上記リード線を接触させる構造をとることにより、リード線を通して出入りする熱はゼロにすることができ、小さいサイズの熱電素子の評価も高精度で行うことができる。
【０１０７】
また、第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態において２つの熱交換器１０６、１０７を用いているが、大きな熱交換器であれば１つで代用することも可能である。その場合、測定範囲を広げるために熱流制御熱電素子１０５を２段の熱電素子にすることによって測定の余裕度が向上する。
【０１０８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の熱電素子性能評価装置は、評価対象熱電素子に熱流測定手段を接続し、熱流測定手段を熱流制御手段に接続し、加重手段で評価対象熱電素子を温度調節手段に対して一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することによって、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段との接触面の熱抵抗を小さく一定にすることができ、かつ評価対象熱電素子の冷接点での外部からの熱の流入をゼロにすることができる。そのため、評価対象熱電素子の吸熱量がゼロである理想的な状態で正確な最大温度差を測定することができる。
【０１０９】
また、熱電素子を熱流測定手段として用いることにより、熱流に対する応答速度を速くすることができるため、より測定精度が高くなるメリットを持つ。
【０１１０】
そして、熱流測定手段から外側へ出るリード線を熱流制御手段に接続することにより、リード線を伝わって出入りする熱を遮断することができ、小型の熱電素子においても正確に測定することができる。
【０１１１】
さらに、評価対象熱電素子と熱流測定手段の間にヒーターを設けることで、その熱量を測定することによって、評価対象熱電素子の最大温度差だけでなく、最大吸熱量をも実際に測定することが可能となる。
【０１１２】
その結果、熱電素子の品質を実際に測定することによって確認することができるようになり、評価通りの性能の熱電素子をユーザーに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱電素子の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の温度調節装置の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の可動板、加重バネ、熱流制御装置、および熱流測定器の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流測定器の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の温度調節装置の制御システム図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流制御装置の制御システム図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流測定器の別の構造図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の、熱流制御装置の制御システム図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【図１１】従来の熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【符号の説明】
１０１ 評価対象熱電素子
１０２ 熱流測定器
１０３、８０３ 温度測定板
１０４ 温度調節熱電素子
１０５ 熱流制御熱電素子
１０６、１０７ 熱交換器
１０８ 加重バネ
１０９ 可動板
１１０ スライド部材
１１１ 固定部材
１１２ 支持柱
１１３ 土台板
１１４ 温度調節装置
１１５ 熱流制御装置
１１６ 真空チャンバー
２０１ ｐ型熱電半導体
２０２ ｎ型熱電半導体
２０３ 配線電極
２０４ 引き出し電極
２０５ ２０６ 熱伝導体
３０１、５０１，５０２，８０４ 温度センサー
３０２、４０１ リード線
３０３、４０２ 循環路
６０１、７０１、９０１ 温度変換回路
６０２、７０２，９０２ 電流制御回路
６０３、７０３ 電源回路
６０４、７０４ 外部コンセント
６０５、７０５、９０３ コンソール
６０６、７０６ 制御装置
６０７、７０７ 恒温水循環装置
１００１ ヒーター
１１０１ 断熱部材
１１０２ 加重部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置に用いる熱電素子、あるいはペルチェ効果を利用した熱電冷却装置に用いるペルチェ素子に関し、特に熱電素子あるいはペルチェ素子の性能評価装置の構造および評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルぎーに直接変換することができるデバイスである。
【０００３】
一般的な熱電素子の構造は、ほぼ同じ長さで柱状のｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の両端部で対にして熱電対を作り、その熱電対を複数個平面的に並べて、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が交互に規則的になるように配置し、その熱電対を電気的に直列に接続する構造を有する。
【０００４】
熱電素子の両端の間に温度差を与えると、ゼーベック効果により電圧を発生する。また、熱電素子に直流電流を流すと、ペルチェ効果により一端で吸熱し、他端で放熱（発熱）する。
【０００５】
熱電素子はこのような可逆の効果を併せ持つデバイスであり、熱エネルギーと電気エネルギーの変換素子として様々な装置に応用されている。
【０００６】
熱電素子のゼーベック効果を利用することにより、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるため、廃熱を利用して発電するような熱電発電装置は、熱エネルギーの有効な利用方法として注目をあびている。
【０００７】
また、熱電素子のペルチェ効果を利用することにより、熱電素子の吸熱する側に適当な熱源を熱伝導良好な状態で接続させれば、その熱源を冷やす熱電冷却装置として利用することができる。
【０００８】
また、熱電素子に流す電流を調節することにより、単に冷却するだけでなく、一定の温度に保つような温度調節装置としても利用することができる。
【０００９】
特に熱電冷却装置など、ペルチェ効果を利用した熱電素子のことを、その効果の名前からペルチェ素子と呼ぶこともあるが、本発明の説明においては、熱電素子と表記することにする。
【００１０】
上記熱電冷却装置は他の方式の冷却装置と異なり、コンプレッサーなどの機械部品を含まず、かつ小型化も可能なことから持ち運び可能なポータブル冷蔵庫や、集積回路やレーザー光源などの熱源に対する局所的な冷却装置または温度調節装置として利用されている。特に、光通信分野やＤＶＤピックアップなどに使われているレーザーダイオードは、高温になると壊れたり、性能が著しく劣化したりするため、特に光通信分野ではレーザーダイオードの冷却および一定温度に制御する温度調節は必須な技術であり、現在、熱電素子はこのような光通信分野において、一般的に利用されている。
【００１１】
ここで、熱電素子の従来の性能評価方法について説明する。熱電素子の熱電対を形成する一端である温接点を一定温度に保ち、冷接点から流入する熱量（吸熱量）をゼロに保つ状態で、直流電流を流し、その電流を徐々に大きくしていくと、熱電素子の熱電対を形成する他端である冷接点で吸熱し、温接点で放熱（発熱）し、温接点は一定温度に保たれ、冷接点は徐々に温度が下がり、両端の間の温度差が徐々に大きくなる。この効果をペルチェ効果という。
【００１２】
そして、ある電流で温度差が最大となり、それ以上電流を大きくすると温度差は徐々に小さくなる。この最大となった温度差を最大温度差という。この最大温度差は、熱電素子の性能を表す性能指数Ｚに比例することから、最大温度差は熱電素子の性能を表す指標となる。
【００１３】
また、熱電素子の温接点と冷接点の両端の温度差をゼロに保つようにして、電流を徐々に大きくした場合、冷接点から流入する熱量（吸熱量）は徐々に大きくなり、ある電流で最大となる。この熱量を最大吸熱量といい、上記の最大温度差と同様にこの最大吸熱量も熱電素子の性能を表す指標となる。
【００１４】
性能指数Ｚとは熱電素子の材料のゼーベック係数の２乗を熱電素子の材料の比抵抗と熱伝導率の各々で割ったもので、熱電素子の性能を表すのに最も重要な値である。しかし、この性能指数Ｚは熱電材料単体では測定することが可能であるが、熱電材料を加工して熱電素子に組み上げた場合には、直接測定することはとても困難である。
【００１５】
そして、熱電素子を組み上げる工程で、熱電材料のゼーベック係数や比抵抗や熱伝導率などが変わること、およびその他の要因なども含めて、熱電材料単体の性能指数Ｚから予想できる熱電素子の性能と、実際に作成した熱電素子の性能が異なることがしばしばある。そのため、熱電素子の実際の評価では最大温度差および最大吸熱量によって性能を判断する。
【００１６】
特に、最大温度差が分かれば、Ｚを逆算することができ、最大吸熱量もある程度の仮定による誤差は含まれるが計算することはできる。すなわち、最大温度差が分かれば、熱電素子の熱電性能が高いか低いか、すなわちゼーベック効果およびペルチェ効果の熱電性能が優れているかどうかを判断できる。
【００１７】
そのため、作成した熱電素子の性能評価は、通常最大温度差を測定することによって行う。
【００１８】
ここで、従来の熱電素子の最大温度差を測定する方法の例として、非特許文献１に開示された方法がある。この従来技術について図１１を用いて説明する。
【００１９】
まず、図１１に示すように温度調節装置１１４の上部に、性能を測定したいサンプルである評価対象熱電素子１０１を熱伝導性グリスを介して密着させる。
【００２０】
次に、断熱性材料からなる断熱部材１１０１を評価対象熱電素子１０１の上部に密着させ、加重部材１１０２を断熱部材１１０１の上に置く。
【００２１】
ここで、温度調節装置１１４は土台板１１３の上に固定されており、土台板１１３から垂直に上方に立てられた支持柱１１２とスライド部材１１０と固定部材１１１によって加重部材１１０２は上下に動くことができる。
【００２２】
加重部材１１０２は弾性変形可能な材料からなっており、断熱部材１１０１を下方に一定の力で押すことにより、評価対象熱電素子１０１を温度調節装置１１４に一定の加重を加えて密着させる。
【００２３】
温度調節装置１１４は、温度測定板１０３と温度調節熱電素子１０４と熱交換器１０６から成っている。
【００２４】
温度測定板１０３には評価対象熱電素子１０１と接する面近傍に温度センサーが埋め込まれており、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、その温度が一定になるように温度調節熱電素子１０４の電流を制御している。
【００２５】
また、断熱部材１１０１にも評価対象熱電素子１０１と接する面近傍に温度センサーが埋め込まれており、評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定している。
【００２６】
このようにセッティングされた状態で評価対象熱電素子１０１に電流を流して、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる温度差を測定する。
【００２７】
ここで、評価対象熱電素子１０１と温度調節装置１１４（温度測定板１０３）との接触面に熱伝導性グリスを介して一定の加重を加えるのは、評価対象熱電素子１０１の温接点を精密に一定温度に制御するために、評価対象熱電素子１０１と温度調節装置１１４（温度測定板１０３）との間の熱抵抗をできるだけ小さくし、かつ熱抵抗のばらつきを少なくする必要があるからである。
【００２８】
つまり、評価対象熱電素子１０１の温接点では、評価対象熱電素子１０１に流した電流で生じるジュール熱（電力）分の熱が温度調節装置１１４に流れ込むために、その間の熱抵抗が大きくなったり、ばらついたりすることによって、接触面を通過する熱（単位：Ｗ）と、接触面の熱抵抗（単位：℃／Ｗ）とを掛け合わせた温度差分だけ温接点の温度に測定誤差が生じてしまう。
【００２９】
面と面との接触部分において、熱伝導を良好に保つために熱伝導性グリスなどで面と面を密着させ、ある程度以上の加重をかけることにより、接触部分の熱抵抗を小さくできることは一般に知られている。
例えば、接触面では熱伝導性グリスを介して１０（ｋｇｆ／ｃｍ２）以上の垂直な加重で密着させた場合の熱抵抗率は１ｃｍ℃／Ｗである、というように文献によって熱抵抗値が判明しているため、その接触面による温度差のロス分を正しく見積もることができる。もし、一定の加重で密着させない場合は接触面の熱抵抗を正しく見積もることができない。
そのために、一定の加重を加えて、熱抵抗をできるだけ小さく、かつ一定になるようにすることは熱電素子の評価をする上で必要不可欠である。
【００３０】
【非特許文献１】
シドレンコ（Ｓｉｄｏｒｅｎｋｏ），「熱伝素子の動的変形の実験的研究へのレーザドップラー流速計の応用（ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＬＡＳＥＲ ＤＯＰＰＬＥＲ ＡＮＥＭＯＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＤＹＮＡＭＩＣ ＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮ）」，第１４回国際熱電学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＸＩＶ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ），ロシア，物理技術研究所（Ｐｈｙｓｉｃａｌ−Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ），平成７年６月２７日，ｐ．３６６
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温接点の熱抵抗を小さく一定にして温度差の測定精度を上げるために加重を加えるとき、上記のように従来技術では断熱部材および加重部材によって加重を加える方法で性能評価を行っている。ここで、断熱部材は断熱性材料からなるものであるが、当然ながら熱伝導率はゼロではなく、ある程度は熱を通してしまう。
【００３２】
そのため、この状態で最大温度差を測定すると、冷接点では断熱部材を通して外部から熱が流入してしまい、測定している冷接点はその熱の流入分だけ暖められてしまい、冷接点の温度が上昇してしまうため、測定された温度差は本来の最大温度差よりも小さくなってしまう。
【００３３】
すなわち、外部からの熱の流入によって本来の最大温度差を正確に測定することができないという問題があった。
【００３４】
そのため、従来の熱電素子の評価方法では正確な最大温度差を実際に測定することは不可能であった。このため、理論的な計算による最大温度差は予想できるが、実際に測定することによる熱電素子の品質の確認は非常に難しいという問題があった。
【００３５】
特に、小型の熱電素子の場合は加重をかけるために接する断熱部材の影響が顕著になるため測定誤差はより大きくなる傾向にある。
【００３６】
〔発明の目的〕
そこで、本発明の目的は上記の問題を解決して、熱電素子に加重を加えて、接触部分の熱抵抗を小さく一定にし、しかも熱電素子の冷接点における外部からの熱の流入をゼロにすることで、正確な最大温度差を測定することのできる熱電素子性能評価装置の構造およびその評価方法を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の熱電素子性能評価装置および熱電素子の性能評価方法においては、下記に記載する構成を採用する。
【００３８】
すなわち、本発明の熱電素子性能評価装置は、温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子を備え、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、評価対象熱電素子の冷接点と熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、熱流測定手段の他方と熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、加重手段によって評価対象熱電素子と温度調節手段との接続部分に一定の加重が加わることを特徴とする。
調節手段との接続部分に一定の加重を与える熱電素子性能評価装置。
また、熱流測定手段が、評価対象熱電素子と同じ断面形状であることが好ましい。
また、熱流測定手段が、一様な熱伝導率の材質で一様な断面形状であり、断面のほぼ中央部で熱流が流れる方向に平行な線上の少なくとも２点以上の温度を測ることが好ましい。
また、熱流測定手段が、熱電素子と温度測定板とを有することがさらに好ましい。
また、評価対象熱電素子および熱流測定手段とが真空雰囲気内にあることがなおよい。
さらに、評価対象熱電素子と熱流測定手段との間に薄板状のヒーターを有することが望ましい。
また、本発明の熱電素子の性能評価方法は、温度調節手段によって評価対象熱電素子の温接点の温度を一定に保ち、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御し、評価対象熱電素子の温接点および冷接点の２つの温度を測定することを特徴とする。
【００３９】
〔作用〕
本発明の熱電素子性能評価装置では、評価対象熱電素子に熱流測定手段を接続し、熱流測定手段を熱流制御手段に接続し、加重手段で評価対象熱電素子を温度調節手段に対して一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することによって、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段との接触面の熱抵抗が小さく一定になり、かつ評価対象熱電素子の冷接点での外部からの熱の流入をゼロにすることができる。そのため、評価対象熱電素子の吸熱量がゼロである理想的な状態で正確な最大温度差を測定することができる。その結果、熱電素子の品質を実際に測定することによって確認することができるようになり、評価通りの性能の熱電素子をユーザーに提供することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電素子性能評価装置の構成における最適な実施形態について図面を用いて説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１〜図７を用いて本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の構造および評価方法について説明する。
【００４２】
図１は本発明の熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。まず、土台板１１３の上部に温度調節装置１１４が固定されており、温度調節装置１１４の上部に性能を測定したいサンプルである評価対象熱電素子１０１の温接点を熱伝導性グリスを介して密着させる。
【００４３】
温度調節装置１１４は、具体的には温度測定板１０３と温度調節熱電素子１０４と熱交換器１０６から成っており、評価対象熱電素子１０１は温度測定板１０３に密着している。
【００４４】
温度測定板１０３は評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、その温度が設定温度で一定になるように温度調節熱電素子１０４の電流を制御する。
【００４５】
そして、熱流制御装置１１５の下部に熱流測定器１０２を熱伝導良く接合し、評価対象熱電素子１０１の冷接点と熱流測定器１０２の下部を熱伝導良く密着させる。
【００４６】
熱流制御装置１１５は、具体的には熱流制御熱電素子１０５と熱交換器１０７とから成っており、熱流制御熱電素子１０５は熱流測定器１０２に熱伝導良く接合している。
【００４７】
さらに、熱流制御装置１１５と可動板１０９とは、弾性を有する加重バネ１０８を介して接合されており、可動板１０９はスライド部材１１０に接合されている。
【００４８】
ここで、温度調節装置１１４は土台板１１３の上に固定されており、土台板１１３から垂直に上方に立てられた支持柱１１２とスライド部材１１０と固定部材１１１によって、可動板１０９は上下に動くことができる。
【００４９】
可動板１０９が上下に動くことにより、可動板１０９と共に加重バネ１０８、熱流制御装置１１５は上下に動く。ここで、加重バネが一定距離縮むまで可動板１０９を押し下げることにより、熱流制御装置１１５、熱流測定器１０２、評価対象熱電素子１０１、温度調節装置１１４は上下方向に加重され、評価対象熱電素子１０１は温度調節装置１１４に一定の加重が加わり密着される。
【００５０】
そして、上記で説明した構造部材全ては真空チャンバー１１６内に入っており、上記で説明した構造部材をセッティングしたあとで、真空に引く。
【００５１】
ここで、本発明の特徴的な構造として、評価対象熱電素子１０１の温接点は温度調節装置１１４に一定の加重で密着しており、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点は熱流測定器１０２に密着している。
【００５２】
そして、熱流測定器１０２によって評価対象熱電素子１０１の冷接点に流入する熱流を測定し、同時に評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定し、さらに、熱流制御装置１１５によって熱流測定器１０２で測定した熱流をゼロにするように熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する。
【００５３】
このようにセッティングされた状態で、評価対象熱電素子１０１に電流を流して、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる最大温度差を測定することによって、評価対象熱電素子１０１の冷接点から流入する熱流をゼロにした状態での正確な最大温度差を測定することができる。
【００５４】
上記の測定を真空チャンバー１１６内で行うことによって、評価対象熱電素子１０１の冷接点が結露することを防ぎ、さらに評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の間の側面から出入りする熱を断熱することができるため、より最大温度差の測定精度が増す特徴を持っている。
【００５５】
図２は本発明の熱電素子性能評価装置における評価対象熱電素子１０１、温度調節熱電素子１０４、および熱流制御熱電素子１０５の代表的な構造を表した断面図である。ｐ型熱電半導体２０１とｎ型熱電半導体２０２を、交互に規則的になるように配置し、各々の熱電半導体の両端部分で配線電極２０３により配線し、複数のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が、交互に電気的に直列になるように接続する。
【００５６】
そして、直列に接続した両端の熱電半導体には電流を流すためのリード線をつなげる２つの引き出し電極２０４がそれぞれ接続されている。
また、配線電極２０３、引き出し電極２０４と熱伝導板２０５、２０６とはそれぞれ接合されており、一方が温接点、他方が冷接点となっている。電流を流す向きでどちらも温接点または冷接点になり得る。
【００５７】
熱電素子は、例えば図２で熱伝導板２０５側を冷接点となるように電流を流し、冷却する場合、冷接点で吸熱した熱量と熱電素子に流す電流によって生じるジュール熱を温接点となる熱伝導板２０６側に運ぶ。そのため、熱伝導板２０６側ではその熱を放熱可能な構造にしないと熱がたまって温度が上昇してしまう。そして、その影響で冷接点側の温度も上昇してしまう。
【００５８】
また熱伝導板２０５側を温接点になるようにして加熱する場合、つまりは逆に電流を流した場合は、熱伝導板２０６側が冷接点となり、熱伝導板２０６側で必要な熱を与える構造にて温度を保たないと、温度がさがってしまい、その影響で加熱したい熱伝導板２０５側の温度も下がってしまう。
【００５９】
つまり、熱電素子の一方を冷却したり、加熱したり、温度調節したりするためには、他方で十分に熱交換できるヒートシンクのようなものが必要不可欠である。
【００６０】
そのため、図１において、温度調節熱電素子１０４に熱交換器１０６を接合し、熱流制御熱電素子１０５に熱交換器１０７を接合している。
【００６１】
熱伝導板２０５，２０６としては、窒化アルミニウムやアルミナなどの熱伝導の良いセラミックスを用いる。
【００６２】
熱電材料としては、ｐ型熱電半導体２０１にはＢｉＴｅＳｂからなる合金を用い、またｎ型熱電半導体２０２にはＢｉＴｅＳｅからなる合金を用いている。しかし、熱電材料としてはこれに制限されるものではなく、他のＢｉＴｅ系、ＦｅＳｉ系など用途に応じて様々な熱電材料を用いることができる。
【００６３】
図３は温度調節装置１１４の斜視図である。熱交換器１０６の上部に温度調節熱電素子１０４を熱伝導良く接合し、温度調節熱電素子１０４の上部に温度測定板１０３を熱伝導良く接合する。
【００６４】
上記各構造部材の接合は、熱伝導性接着剤で固定するか、または熱伝導性グリスで密着させてビス止めなどで固定する。
【００６５】
温度測定板１０３は、評価対象熱電素子１０１と接する面近傍にサーミスターまたは白金測温抵抗体などの温度センサー３０１を埋め込み、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を測定し、温度センサー３０１の信号をフィードバックして、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度が一定温度を保つように、温度調節熱電素子１０４に電流を投入するリード線３０２に流す電流を制御する。
【００６６】
温度調節熱電素子１０４の構造は、図２に示した一般的な熱電素子の構造と同じであり、評価対象熱電素子１０１よりもかなり大きい熱電素子を用いる。
【００６７】
熱交換器１０６は、密閉された空洞の内部を有し、その内部に水などの熱を運ぶことのできる液体を満たし、液体を外部から出し入れする循環路３０３を有し、外部でその液体の温度を一定に保つように循環させる。
【００６８】
このようにして、温度調節熱電素子１０４の温接点を介して熱交換器１０６に出入りする熱を外部に出し入れすることができ、評価対象熱電素子１０１の温接点の温度を精密に制御することができる。
【００６９】
このようなシステムの具体的な例としては、日本ブロアー（株）のＳＬ−１０ＷとＳＬ−ＣＰ１２０６の組み合わせなどが挙げられる。
【００７０】
熱交換器１０６は真空チャンバー１１６内に入れる構造上、構成しやすい水循環型としたが、真空チャンバー１１６の壁面に熱交換器１０６を設ける構造とすれば、フィンなど外気と熱交換する部分を真空チャンバー外に出すことができるため、空冷型でも可能となる。
【００７１】
図４は可動板１０９、加重バネ１０８、熱流制御装置１１５、および熱流測定器１０２の斜視図である。
【００７２】
図４に示すように、可動板１０９の下部に加重バネ１０８を接合し、加重バネ１０８の下部に熱熱交換器１０７を接合し、熱交換器１０７の下部に熱流制御熱電素子１０５を熱伝導良く接合し、熱流制御熱電素子１０５の下部に熱流測定器１０２を熱伝導良く接合する。
【００７３】
上記各構造部材の接合は、熱伝導性接着剤で固定するか、または熱伝導性グリスで密着させてビス止めなどで固定する。
【００７４】
図５は熱流測定器１０２の斜視図である。熱流測定器１０２は、一様な熱伝導率を有する材料からなっており、評価対象熱電素子１０１と同じ断面形状を持ち、その断面形状の中央部分で、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点と接する面近傍と熱流制御熱電素子１０５と接する面近傍とにサーミスターまたは白金測温抵抗体などの２つの温度センサー５０１、５０２を埋め込み、温度センサー５０１で評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定し、同時に温度センサー５０２で熱流制御熱電素子１０５と接する面近傍の温度を測定する。
【００７５】
そして、温度センサー５０１、５０２の信号をフィードバックして、温度センサー５０１、５０２の２つの温度が同じ温度になるように、熱流制御熱電素子１０５に電流を投入するリード線４０１に流す電流を制御する。
【００７６】
一般的な伝熱理論において、熱伝導率が一様であり、かつ断面形状が一様な部材の断面と垂直な方向に、ある距離離れた２点の温度が同じ場合、その断面を通過する熱流はゼロとなる。
【００７７】
したがって、上記のように温度センサー５０１、５０２の温度が同じ場合、熱流測定器を上下方向に移動する熱流はゼロとなる。
【００７８】
このとき、評価対象熱電素子１０１と熱流測定器１０２の断面形状が同じであれば、熱流が直線的に、かつ一様になるため、熱流測定の感度が向上する効果がある。
【００７９】
熱流制御熱電素子１０５の構造は、図２に示した一般的な熱電素子の構造と同じであり、温度調節熱電素子１０４と同様に評価対象熱電素子１０１よりもかなり大きい熱電素子を用いる。また、熱交換器１０７の構造も熱交換器１０６と同じ構造である。
【００８０】
そして、可動板１０９はスライド部材に接合されており、上下に水平に動かすことができ、可動板１０９と熱交換器１０７（熱流制御装置１１５）とは、平面的に配置した複数の同じ加重バネ１０８でつながっている。そのため、評価対象熱電素子１０１を温度測定板１０３と熱流測定器１０２とで挟み込んで密着させるときに、それぞれの接触面の平行度のバラツキを加重バネ１０８で吸収することができ、熱伝導良く密着させることができる。
【００８１】
また、加重バネ１０８の縮む長さを調節することで、加重量を任意に調節することが可能となる。
【００８２】
上記構造をとることにより、熱流測定器１０２の熱流をゼロにして、同時に評価対象熱電素子１０１を温度測定板１０３に一定の加重で密着させることができる。
【００８３】
また、図４に示した熱流制御熱電素子１０５は１段であるが、大きさの異なる熱電素子を２つ重ねた構造にすることによって、１段目の熱電素子で大まかな温度制御を行い、２段目の熱電素子で細かな温度制御を行うことにより、制御範囲が広がり、さらに熱流制御（温度調節）の精度を向上させることができる。
【００８４】
さらに、熱流測定器１０２を通過する熱流と温度センサー５０１、５０２の温度差とは比例するため、熱伝導率が正確に判明している材料で熱流測定器１０２を構成することによって、温度センサー５０１、５０２で測定した温度から熱流を計算できる。
【００８５】
この場合、評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の両端に生じる温度差は、上記熱流が流入した分だけ最大温度差より小さくなる。したがって、熱流をゼロに制御しなくても、計算値によって評価は可能である。
【００８６】
図６は温度調節装置１１４の制御システムを説明した図である。熱交換器１０６は真空チャンバー外の恒温水循環装置６０７につながっている。熱交換器１０６の内部は上記で説明したように恒温水を導入および排出する循環路３０３があり、温度調節熱電素子１０４からの熱の流入、流出に対して迅速に反応し、恒温を保つ。
【００８７】
温度測定板１０３は、温度センサー３０１の信号を温度に変換する温度変換回路６０１につながっている。温度変換回路６０１は、温度調節熱電素子１０４の電流を制御する電流制御回路６０２につながっている。電流制御回路６０２は電源回路６０３およびその先の外部コンセント６０４につながっている。電流制御回路６０２は、そのリアルタイムの温度と設定温度とを表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール６０５につながっている。そして１つの制御装置６０６が形成されている。
【００８８】
電流制御回路６０２では、温度センサー３０１で測定した温度が設定温度になるように、温度センサー３０１で測定した温度をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって温度調節熱電素子１０４に流す電流を制御する。このような制御方法によって精度的には設定温度±０．１℃程度が実現できる。
【００８９】
図７は熱流制御装置１１５の制御システムを説明した図である。熱交換器１０７、循環路４０２，恒温水循環装置７０７の構造は図６で説明した熱交換器６０７の周辺構造と同じである。
【００９０】
熱流測定器１０２は、温度センサー５０１、５０２の信号を温度に変換する温度変換回路７０１につながっている。温度変換回路７０１は、熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する電流制御回路７０２につながっている。電流制御回路７０２は電源回路７０３およびその先の外部コンセント７０４につながっている。電流制御回路７０２は、そのリアルタイムの温度と温度差を表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール７０５につながっている。そして１つの制御装置７０６が形成されている。
【００９１】
電流制御回路７０２では、温度センサー５０１、５０２で測定した温度が同じ温度になるように、つまり温度センサー５０１、５０２の温度差がゼロになるように、温度センサー５０１、５０２で測定した温度をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって熱流制御熱電素子１０５に流す電流を制御する。
【００９２】
本発明の特徴として、上記の手段を用いることによって、熱流測定器１０２を通過する熱流をゼロにするように制御することが可能となり、評価対象熱電素子１０１の温接点を温度測定板１０３に一定の加重で密着させ、かつ評価対象熱電素子１０１の冷接点の熱の流入流出をゼロにすることができ、そのときの評価対象熱電素子１０１の温接点と冷接点の温度（温度差）を測定して、最大温度差を精度良く正確に測定することが可能となる。
【００９３】
（第２の実施の形態）
次に、図８を用いて、本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の構造および評価方法について説明する。
【００９４】
図８は、第１の実施の形態において図５で構造を説明した熱流測定器１０２の別の構造である。図８に示すように、熱流測定器１０２として熱流測定熱電素子８０１の一方と温度測定板８０４を熱伝導性接着剤などで熱伝導良く接合し、熱流測定熱電素子８０１の他方と熱流制御熱電素子１０５とを熱伝導良く接合する。
【００９５】
温度測定板８０３の熱流測定熱電素子８０１と接合していない面近傍には、サーミスターまたは白金測温抵抗体などの温度センサー８０４を埋め込み、評価対象熱電素子１０１に熱伝導良く密着させて、評価対象熱電素子１０１の冷接点の温度を測定する。
【００９６】
第２の実施の形態の構造的な特徴は、熱流測定器１０２が図８に示す構造におきかわるだけで、他の部材の構造は第１の実施の形態と同じである。
【００９７】
熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流と、熱流測定熱電素子８０１の冷接点と温接点の温度差とは比例し、熱流測定熱電素子８０１の冷接点と温接点の温度差と熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧とは比例する。つまり、熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流と熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧とは比例することになる。つまり、熱流測定熱電素子８０１が発生する電圧をゼロにするように熱流制御熱電素子１０５の電流を制御することによって、熱流測定熱電素子８０１を通過する熱流をゼロにすることが可能となる。
【００９８】
図９は、第２の実施の形態における熱流制御装置１１５の制御システムを説明した図である。
【００９９】
熱流測定器１０２は、熱流測定熱電素子８０１のリード線８０２によって、熱流制御熱電素子１０５の電流を制御する電流制御回路９０２につながっている。また、熱流測定器１０２は、温度測定板８０３の温度センサー８０４の信号を温度に変換する温度変換回路９０１につながっている。温度変換回路９０１は、電流制御回路９０２につながっている。電流制御回路９０２は電源回路７０３およびその先の外部コンセント７０４につながっている。電流制御回路９０２は、そのリアルタイムの温度と電圧を表示する表示部、設定を変更するスイッチ等が集まるコンソール９０３につながっている。
【０１００】
電流制御回路９０２では、熱流測定熱電素子８０１で測定した電圧がゼロになるように、つまり熱流測定熱電素子８０１の温接点と冷接点の温度差がゼロになるように、熱流測定熱電素子８０１で測定した電圧をフィードバック制御（例えばＰＩＤ制御など）によって熱流制御熱電素子１０５に流す電流を制御する。
【０１０１】
図５に示す構造の熱流測定器１０２は、熱流を測定するのにサーミスターや白金測温抵抗体などの温度センサー５０１、５０２を使っているため、温度センサーの検出部分以外の封止材料やコーティング材料などが持つ熱容量の分だけ、温度を検出する応答速度が若干遅くなる可能性がある。
【０１０２】
ところが、図８に示す構造の熱流測定器１０２は、熱流測定熱電素子８０１の熱電材料のみを熱流が流れ、かつ熱電材料自体が温度差検出部分であるために、応答速度を遅くする無駄な熱容量を持たない。そのため、図８に示す構造の熱流測定器１０２は、図５に示す構造の熱流測定器１０２に比較して、熱流に対する応答速度を速くすることができるため、より測定精度が高くなるメリットを持つ。
【０１０３】
また、一般的に熱電素子は、対数と温度差を掛け合わせた値と発生する電圧とが比例するため、熱流測定熱電素子８０１の対数を多くすればするほど、検出される電圧が大きくなるため、対数を多くすることにより熱流を検出する電圧の感度が上がり、測定精度を大きく向上させることができ、より正確な最大温度差の測定が可能となる。
【０１０４】
（第３の実施の形態）
次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施の形態における熱電素子性能測定装置の構造および評価方法について説明する。
【０１０５】
図１０に示すように第３の実施の形態の構造的な特徴は評価対象熱電素子１０１と熱流測定器１０２との間にヒーター１００１を挿入したことである。ここで、上記の第１の実施の形態および第２の実施の形態で説明した同じ方法で、熱流測定器１０２を通過する熱流をゼロに制御しながら、ヒーター１００１の熱量を測定することによって、評価対象熱電素子１０１の最大温度差だけでなく、最大温度差から仮定計算によって見積もっていた最大吸熱量をも実際に測定することが可能となる。
【０１０６】
上記第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態において、熱流測定器１０２の温度センサー５０１、５０２、８０４の導線、および熱流測定熱電素子８０１のリード線８０２を通して、わずかではあるが熱が出入りしてしまう可能性がある。評価対象熱電素子１０１、および熱流測定器１０２が小さいサイズになるとそのわずかな熱でも影響を受けるようになり、大きな誤差の原因となることもある。その対策として、図示はしないが、熱流制御熱電素子１０５に上記リード線を接触させる構造をとることにより、リード線を通して出入りする熱はゼロにすることができ、小さいサイズの熱電素子の評価も高精度で行うことができる。
【０１０７】
また、第１の実施の形態、第２の実施の形態および第３の実施の形態において２つの熱交換器１０６、１０７を用いているが、大きな熱交換器であれば１つで代用することも可能である。その場合、測定範囲を広げるために熱流制御熱電素子１０５を２段の熱電素子にすることによって測定の余裕度が向上する。
【０１０８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の熱電素子性能評価装置は、評価対象熱電素子に熱流測定手段を接続し、熱流測定手段を熱流制御手段に接続し、加重手段で評価対象熱電素子を温度調節手段に対して一定加重で押し付け、熱流制御手段によって熱流測定手段の熱流をゼロに制御することによって、評価対象熱電素子の温接点と温度調節手段との接触面の熱抵抗を小さく一定にすることができ、かつ評価対象熱電素子の冷接点での外部からの熱の流入をゼロにすることができる。そのため、評価対象熱電素子の吸熱量がゼロである理想的な状態で正確な最大温度差を測定することができる。
【０１０９】
また、熱電素子を熱流測定手段として用いることにより、熱流に対する応答速度を速くすることができるため、より測定精度が高くなるメリットを持つ。
【０１１０】
そして、熱流測定手段から外側へ出るリード線を熱流制御手段に接続することにより、リード線を伝わって出入りする熱を遮断することができ、小型の熱電素子においても正確に測定することができる。
【０１１１】
さらに、評価対象熱電素子と熱流測定手段の間にヒーターを設けることで、その熱量を測定することによって、評価対象熱電素子の最大温度差だけでなく、最大吸熱量をも実際に測定することが可能となる。
【０１１２】
その結果、熱電素子の品質を実際に測定することによって確認することができるようになり、評価通りの性能の熱電素子をユーザーに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱電素子の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の温度調節装置の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の可動板、加重バネ、熱流制御装置、および熱流測定器の斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流測定器の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の温度調節装置の制御システム図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流制御装置の制御システム図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の熱流測定器の別の構造図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における熱電素子性能評価装置の、熱流制御装置の制御システム図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【図１１】従来の熱電素子性能評価装置の全体的な構成を示す構造図である。
【符号の説明】
１０１ 評価対象熱電素子
１０２ 熱流測定器
１０３、８０３ 温度測定板
１０４ 温度調節熱電素子
１０５ 熱流制御熱電素子
１０６、１０７ 熱交換器
１０８ 加重バネ
１０９ 可動板
１１０ スライド部材
１１１ 固定部材
１１２ 支持柱
１１３ 土台板
１１４ 温度調節装置
１１５ 熱流制御装置
１１６ 真空チャンバー
２０１ ｐ型熱電半導体
２０２ ｎ型熱電半導体
２０３ 配線電極
２０４ 引き出し電極
２０５ ２０６ 熱伝導体
３０１、５０１，５０２，８０４ 温度センサー
３０２、４０１ リード線
３０３、４０２ 循環路
６０１、７０１、９０１ 温度変換回路
６０２、７０２，９０２ 電流制御回路
６０３、７０３ 電源回路
６０４、７０４ 外部コンセント
６０５、７０５、９０３ コンソール
６０６、７０６ 制御装置
６０７、７０７ 恒温水循環装置
１００１ ヒーター
１１０１ 断熱部材
１１０２ 加重部材
Claims (8)
- 温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子とを備え、該評価対象熱電素子の温接点と前記温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、該評価対象熱電素子の冷接点と前記熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、前記熱流測定手段の他方と前記熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、前記加重手段によって前記評価対象熱電素子と前記温度調節手段との接続部分に一定の加重を与える熱電素子性能評価装置。
- 前記熱流測定手段が、前記評価対象熱電素子と同じ断面形状であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子性能評価装置。
- 前記熱流測定手段が、一様な熱伝導率の材質で一様な断面形状であり、断面のほぼ中央部で熱流が流れる方向に平行な線上の少なくとも２点以上の温度を測ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電素子性能評価装置。
- 前記熱流測定手段が、熱電素子と温度測定板とを有することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の熱電素子性能評価装置。
- 前記評価対象熱電素子および前記熱流測定手段とが真空雰囲気内にあることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電素子性能評価装置。
- 前記評価対象熱電素子と前記熱流測定手段との間に薄板状のヒーターを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電素子性能評価装置。
- 温度調節手段と、熱流測定手段と、熱流制御手段と、加重手段と、評価対象熱電素子とを備え、該評価対象熱電素子の温接点と前記温度調節手段とを熱伝導可能に接続し、該評価対象熱電素子の冷接点と前記熱流測定手段の一方とを熱伝導可能に接続し、前記熱流測定手段の他方と前記熱流制御手段とを熱伝導可能に接続し、前記加重手段によって前記評価対象熱電素子と前記温度調節手段との接続部分に一定の加重を与える構造を有し、前記温度調節手段によって前記評価対象熱電素子の温接点の温度を一定に保ち、前記熱流制御手段によって前記熱流測定手段の熱流を制御し、前記評価対象熱電素子の温接点および冷接点の２つの温度を測定することにより熱電素子の性能を評価する熱電素子の性能評価方法。
- 前記熱流測定手段の熱流をゼロにするように前記熱流制御手段を制御することを特徴とする請求項７に記載の熱電素子の性能評価方法。
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