JP2020139834A - Thermoelectric property evaluation unit, thermoelectric property evaluation device, and thermoelectric property evaluation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電材料の電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱伝導率を測定する熱電特性評価ユニット、熱電特性評価装置及び熱電特性評価方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric characterization unit for measuring electrical resistivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity of a thermoelectric material, a thermoelectric characterization device and a thermoelectric characterization method.
熱を電気に変える熱電変換材料は物質の両端に温度差を生じさせることで電圧が生じるゼーベック効果を利用している。熱を電力に直接変換できる「熱電変換」は、タービンのような可動部がなく、二酸化炭素などの排出もない環境にやさしい発電技術のひとつとして注目されている。 Thermoelectric conversion materials that convert heat into electricity utilize the Seebeck effect, which creates a voltage by creating a temperature difference between both ends of a substance. "Thermoelectric conversion," which can directly convert heat into electric power, is attracting attention as one of the environment-friendly power generation technologies that does not have moving parts like turbines and does not emit carbon dioxide.
熱電材料の性能は、一般的に性能指数Z =α2/ρκで定義される。ここで、αはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率である。性能指数Zが大きな値ほど優れた熱電材料(発電性能が高い)であるが、性能指数Zはまた温度の関数であり、ある温度で最大値をとる。熱電性能や抵抗率、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。 The performance of thermoelectric materials is generally defined by the figure of merit Z = α2 / ρκ. Here, α is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity. The larger the figure of merit Z, the better the thermoelectric material (higher power generation performance), but the figure of merit Z is also a function of temperature and takes the maximum value at a certain temperature. Many experiments have been attempted to optimize materials by making fine adjustments to thermoelectric performance, resistivity, and thermal conductivity.
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、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。 The Seebeck coefficient α and the thermal conductivity λ are important factors that determine the thermoelectric figure of merit. That is, in the performance evaluation of thermoelectric materials, it is necessary to quantitatively determine these physical property values at a certain temperature, and in general, the thermoelectric power is determined by the stationary two-terminal method. In order to evaluate the performance of a sample such as a thermoelectric material, it is necessary to position the sample at two points on the sample with high accuracy and measure the voltage and temperature at the two points.
また、各熱電特性の測定装置において、当該特性の測定方向(面方向又は厚さ方向)が異なるため、特性が測定方向に依存する異方性のある試料の場合は、微細組織の方向と熱の流れる方向とを考慮して試料を用意する必要があり、測定の負荷が大きかった。 In addition, since the measurement direction (plane direction or thickness direction) of the characteristic is different in each thermoelectric characteristic measuring device, in the case of an anisotropic sample whose characteristic depends on the measurement direction, the direction of the microstructure and the heat. It was necessary to prepare the sample in consideration of the flow direction of the sample, and the measurement load was heavy.
同一試料で電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率の測定を行う方法として、例えば、特許文献1には、ヒータを一端に配置した試料側面に2本の熱電対を接触させて熱拡散率を測定する方法を主とし、併せてゼーベック係数及び電気抵抗率を測定する方法が開示されている。
As a method of measuring the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity of the same sample, for example, in
上述のような従来の測定方法では、熱電対などの測定プローブと試料の接触が不安定で、熱電対を導電ペーストなどで試料に取り付ける方法、バネの力で押し付ける方法が用いられることが多い。これらの方法では、試料の準備に時間と手間が必要であり、バネの押し付け力の調整が難しく、測定中に接触不良による計測不良が発生する問題があった。 In the conventional measurement method as described above, the contact between the measurement probe such as a thermocouple and the sample is unstable, and a method of attaching the thermocouple to the sample with a conductive paste or the like or a method of pressing with a spring force is often used. With these methods, it takes time and effort to prepare the sample, it is difficult to adjust the pressing force of the spring, and there is a problem that measurement failure occurs due to poor contact during measurement.
そこで、本発明は、同一測定試料を用い、同一測定方向(熱流方向)で熱電特性を評価することができるとともに、簡単な構成であり、短時間で高精度な熱電特性評価を行うことができる熱電特性評価ユニット、熱電特性評価装置及び熱電特性評価方法を提供することを目的とする。 Therefore, according to the present invention, the thermoelectric characteristics can be evaluated in the same measurement direction (heat flow direction) using the same measurement sample, and the thermoelectric characteristics can be evaluated with high accuracy in a short time with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a thermoelectric characteristic evaluation unit, a thermoelectric characteristic evaluation device, and a thermoelectric characteristic evaluation method.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、熱電材料からなる被測定物の電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を評価する熱電特性評価ユニットであって、被測定物に接触し、被測定物からの電圧及び熱起電力を計測するための複数の測定プローブと、前記被測定物が前記測定プローブと接触する測定面と反対側から前記被測定物を保持する保持部材と、前記測定プローブをそれぞれ被測定物に押し当てるための押付け手段と、前記被測定物の一端部を定常加熱または周期加熱して前記被測定物の測定面方向に温度差を発生させるためのヒータと、を備え、前記測定プローブは、それぞれ絶縁体の支持管に熱電対を通して先端を計測部として突出させて構成されており、それぞれの前記測定プローブの計測部が前記被測定物に流れる電流または熱流に沿った方向に配置されている、という技術的手段を用いる。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の熱電特性評価ユニットにおいて、前記ヒータは、前記保持部材に、前記被測定物の一端部で接触可能に配置されている、という技術的手段を用いる。
In the invention according to claim 2, in the thermoelectric characteristic evaluation unit according to
請求項3に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載の熱電特性評価ユニットにおいて、前記押付け手段は、プッシュロッド機構を備え、前記測定プローブにそれぞれ取り付けられた接触圧調整部材と、前記接触圧調整部材を介して前記複数の測定プローブを前記被測定物に向かって対して直線駆動する駆動手段と、を備え、前記接触圧調整部材は、各測定プローブにおいて、前記計測部が前記被測定物に接触した後は、前記駆動手段による変位を吸収するとともに当該計測部による前記被測定物に対する押付け力を発生させる、という技術的手段を用いる。
In the invention according to claim 3, in the thermoelectric characteristic evaluation unit according to
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の熱電特性評価ユニットと、当該熱電特性評価ユニットを制御し当該熱電特性評価ユニットから送出される信号に基づいて前記被測定物の電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を測定する制御手段と、を備えた、という技術的手段を用いる。
The invention according to
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の熱電特性評価装置を用いた熱電特性評価方法であって、請求項4に記載の熱電特性評価装置を用いた熱電特性評価方法であって、前記熱電特性評価ユニットを用いて、被測定物に前記測定プローブをそれぞれ接触させる工程と、前記測定プローブにより被測定物に電流を流し、他の測定プローブにより計測された異なる2点間の電圧に基づいて電気抵抗率を算出する工程と、前記ヒータにより被測定物を定常加熱し、前記測定プローブにより測定される異なる2点間の温度差により発生する起電力に基づいてゼーベック係数を算出する工程と、前記ヒータにより被測定物を周期加熱し、前記測定プローブにより異なる2点の温度波形データをそれぞれ取得し、前記制御手段で生成した基準となる温度波形データを用いて異なる2点間の周期的な温度変化の位相差を演算し、当該周期的な温度変化の位相差の周波数依存性に基づいて周期的な温度変化の位相差周波数依存性に基づいて熱拡散率を算出する工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。
The invention according to claim 5 is a thermoelectric characteristic evaluation method using the thermoelectric characteristic evaluation device according to
請求項1に記載の発明によれば、一つの測定装置で、同一測定試料を用い、同一測定方向(熱流方向)で3つの熱電特性を評価することができる。押付け手段により、測定プローブを評価試料に対して適切な圧力で確実に接触させることができるので、良好な接触状態で測定を行うことができ、測定精度及び再現性を向上させることができる。
According to the invention of
請求項2に記載の発明のようにヒータを配置することにより、ヒータが十分に評価試料に熱を供給できるような接触状態にすることができるので、良好な加熱を行うことができ、測定精度及び再現性を向上させることができる。また、熱拡散率測定において、ヒータを評価試料の裏面から加熱するように配置することにより、温度波が安定するので測定精度及び再現性を向上させることができる。 By arranging the heater as in the invention of claim 2, the heater can be in a contact state so as to sufficiently supply heat to the evaluation sample, so that good heating can be performed and the measurement accuracy can be improved. And the reproducibility can be improved. Further, in the thermal diffusivity measurement, by arranging the heater so as to heat from the back surface of the evaluation sample, the temperature wave is stabilized, so that the measurement accuracy and reproducibility can be improved.
請求項3に記載の発明によれば、各測定プローブを個別に操作するのではなく、駆動手段の操作により、すべての測定プローブを評価試料に対して適切な圧力で確実に接触させることができる。 According to the third aspect of the present invention, all the measuring probes can be surely brought into contact with the evaluation sample at an appropriate pressure by operating the driving means instead of operating each measuring probe individually. ..
請求項4に記載の発明のように、熱電特性評価ユニットと制御手段とを備えた熱電特性評価装置を構成することができる。
As in the invention of
請求項5に記載の発明のように、請求項4に記載の熱電特性評価装置を用いて、電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を短時間で順次測定することができる。特に、熱拡散率測定において、熱拡散率を測定する時間が大幅に短縮される。また、測定に必要な機器構成を簡略化することができる。
As in the invention of claim 5, the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity can be sequentially measured in a short time by using the thermoelectric characteristic evaluation device according to
(熱電特性評価ユニット)
本発明の熱電特性評価ユニットについて、図1−7を参照して説明する。
(Thermoelectric characterization unit)
The thermoelectric characterization unit of the present invention will be described with reference to FIGS. 1-7.
熱電特性評価ユニット1は、測定プローブ10と、被測定物である評価試料Mを保持する試料ホルダ30と、測定プローブ10を所定の配置に支持する支持手段40と、測定プローブ10を評価試料Mに対して直線駆動する駆動手段50と、測定プローブ10の先端の計測部が評価試料Mの評価面に接触する状態を調整する接触圧調整手段(以下、接触圧調整部材60)と、を備えている。ここで、支持手段40、駆動手段50及び接触圧調整部材60が、複数の測定プローブ10の計測部をそれぞれ評価試料Mに押し当てて接触させるための押付け手段を構成する。評価試料Mとして、熱電材料からなる板状の試料を用いることができる。
The thermoelectric
測定プローブ10として、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14を用いる。測定プローブ10は、室温〜1000℃までの測定が可能で、真空雰囲気下で使用可能な構成とすることが好ましい。
As the
第1測定プローブ11は、熱電対15と、支持管16と、を備え、支持管16は熱電対15の先端の計測部15aが露出するように内装して固定している。
The
第2測定プローブ12は、熱電対17と、支持管18と、を備え、支持管18は熱電対17の先端の計測部17aが露出するように内装して固定している。
The
第3測定プローブ13は、第2測定プローブ12と同様の構成であり、熱電対19と、支持管20と、を備え、支持管20は熱電対19の先端の計測部19aが露出するように内装して固定している。
The
第4測定プローブ14は、第1測定プローブ11と同様の構成であり、熱電対21と、支持管22と、を備え、支持管22は熱電対21の先端の計測部21aが露出するように内装して固定している。
The
第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14は、後述する支持手段40により平行に等間隔で配置されている。
The
支持管16、18、20、22は、耐熱性が高い絶縁材料により形成されており、例えば、アルミナ管などを好適に用いることができる。
The
高温での測定を勘案すると、熱電対15、17、19、21は、R熱電対を好適に用いることができる。
Considering the measurement at a high temperature, R thermocouples can be preferably used as the
第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14の各先端の計測部11a、12a、13a、14aは、探針プローブとして評価試料Mに直接接触される。そのため、良好な接触状態を得ることができ、また、熱容量が大き過ぎないように形成される。通常、熱電対の先端部は球状であるが、計測部11a、12a、13a、14aは、評価試料Mとの接触部が平面となるように形成されている。これにより、評価試料Mに対する計測部11a、12a、13a、14aの接触面積を増大させることができるので、測定精度を向上させることができる。
The measurement units 11a, 12a, 13a, 14a at the tips of the
試料ホルダ30は、評価試料Mを測定プローブ10に対向して保持する保持部材31と、評価試料Mに温度勾配を生じさせるように構成されたヒータ32と、を備えている。
The
保持部材31は、評価試料Mの裏面を支持して保持するブロック状の部材であり、熱電特性評価ユニット1を電気炉などの加熱手段に取り付けるためのフランジ部70から延設されるホルダシャフト33により、保持された評価試料Mが測定プローブ10の各先端の計測部に対向するように配置されている。
The holding
保持部材31は、熱拡散率の測定において評価試料M中に印加される温度波に対する影響を小さくするために低熱伝導材料による形成することが好ましい。また、機械的な強度を保ちながら気孔率を高くするなど、保持部材31を介した測定誤差の要因となる熱の漏洩を効率よく防ぐことが好ましい。
The holding
ヒータ32は、熱物性(ゼーベック係数、熱拡散率)を測定するために評価試料Mを一端から加熱する定常加熱及び周期加熱可能に構成された加熱源である。
The
ヒータ32は、保持部材31で保持した評価試料Mを一端部近傍の裏面から加熱可能なように保持部材31に埋め込まれて配置されている。本実施形態では、第1測定プローブ11により押付けされる位置に対応して配置されている。つまり、第1測定プローブ11が評価試料Mに接触する位置の裏面側で評価試料Mに接触する位置に配置されている。
The
支持手段40は、測定プローブ10の他端をそれぞれ支持する支持部材41と、測定プローブ10を案内するプローブガイド42と、を備えている。
The support means 40 includes a support member 41 that supports the other end of the
支持手段40は、評価試料Mの面方向でヒータ32から離間する方向に、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13、第4測定プローブ14の順に所定の取付間隔で配置する。
The support means 40 has a predetermined mounting interval in the order of the
これにより、測定プローブ10は、評価試料Mに流れる電流または熱流に沿った方位に配置されることになり、各物性を同じ方向で測定できる。
As a result, the
支持部材41aは第1測定プローブ11の端部を支持し、支持部材41bは第2測定プローブ12の端部を支持し、支持部材41cは第3測定プローブ13の端部を支持し、支持部材41dは第4測定プローブ14の端部を支持する。
The
ホルダシャフト33には、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14を挿通して、位置決め及び前進、後退時のガイドを行うプローブガイド42が取り付けられている。ここで、ホルダシャフト33及びプローブガイド42は耐熱性の観点から石英で形成することが好ましい。
A
駆動手段50は、直線駆動を行う駆動装置51と、駆動装置51により測定プローブ10の直線駆動を行うための駆動部材52と、を備えている。
The driving means 50 includes a driving device 51 for linearly driving the
駆動装置51は、駆動部51aと、駆動シャフト51bと、を備えており、駆動シャフト51bの先端に駆動部材52が取り付けられている。また、支持部材41の一端を前後方向へ案内する溝部をそれぞれ有するガイド部材53が設けられている。
The drive device 51 includes a
本実施形態では、駆動装置51として、ダイヤルの回動を直線駆動に変換するダイヤルゲージを用いたが、直線駆動を行うことができる駆動装置であれば各種装置を採用することができる。 In the present embodiment, a dial gauge that converts the rotation of the dial into a linear drive is used as the drive device 51, but various devices can be adopted as long as the drive device can perform linear drive.
また、駆動部材52には、測定プローブ10の先端の計測部が評価試料Mに接触する状態を調整する接触圧調整部材60が取り付けられている。
Further, a contact
接触圧調整部材60は、ばねを内装したシリンダ状の部材であり、一方から押付けしたときに、内装したばねが縮んで全長が短くなるとともに押付け方向と逆方向に付勢するプッシュロッド機構を有する。
The contact
接触圧調整部材60は、各測定プローブ10と押付け方向が平行となるようにそれぞれの支持部材41に接続されている。
The contact
第1測定プローブ11には支持部材41aを介して接触圧調整部材60aが、第2測定プローブ12には支持部材41bを介して接触圧調整部材60bが、第3測定プローブ13には支持部材41cを介して接触圧調整部材60cが、第4測定プローブ14には支持部材41dを介して接触圧調整部材60dが、それぞれ接続されている。
The
測定プローブ10を直線駆動し、評価試料Mに各測定プローブ10の先端の計測部を接触させる方法を説明する。
A method of linearly driving the
まず、評価試料Mから各測定プローブ10の先端の計測部が離間した状態で駆動装置51を操作し、駆動部材52を評価試料Mに向かって前進させる。
First, the drive device 51 is operated with the measurement unit at the tip of each
駆動部材52が評価試料Mに向かって前進すると、接触圧調整部材60及び支持部材41を介して第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14が同時に評価試料Mに対して前進する。
When the driving
このとき、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14は、プローブガイド42に案内されて前進するので、所定の間隔など位置決めされた状態で前進する。
At this time, since the
第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14の先端の計測部が評価試料Mに接触すると、接触圧調整部材60が作動する。
When the measurement unit at the tip of the
測定プローブ10の先端の計測部が評価試料Mに接触した後でも、接触圧調整部材60に内装されたばねが変位可能な距離だけ支持部材41を移動させ、駆動手段50による変位を吸収することができる。このとき、測定プローブ10の先端の計測部は適切な押付け力で評価試料Mを押付けすることになる。
Even after the measuring unit at the tip of the measuring
接触圧調整部材60は、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14にそれぞれ設けられているので、個別の測定プローブ10毎に上記の動作が行われる。これにより、一部の測定プローブ10の先端の計測部しか評価試料Mに接触していなかった場合も、更に駆動部材52の直線駆動により支持部材41を評価試料Mに接近させることにより、すべての測定プローブ10の先端の計測部を適切な押付け力で評価試料Mに確実に接触させることができる。このように、各測定プローブ10を個別に操作するのではなく、駆動手段50の操作により、すべての測定プローブ10を評価試料Mに対して確実に接触させることができる。
Since the contact
上記の構成により、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14の先端の計測部の正確な位置決めを行い、銀ペーストなどを用いることなく、評価試料Mに対して適切な圧力で確実に接触させることができる。これにより、熱電物性測定を測定プローブ10の良好な接触状態で行うことができるので、測定精度及び再現性を向上させることができる。
With the above configuration, the measurement unit at the tip of the
測定プローブ10を評価試料Mから後退させるときは逆の操作を行えばよい。
When the measuring
(熱電特性評価装置)
図8に示すように、本発明の熱電特性評価装置2は、熱電特性評価ユニット1、熱電特性評価ユニット1を制御し熱電特性評価ユニット1から送出される信号に基づいて評価試料Mの電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を測定する制御手段100と、評価試料Mを評価温度まで昇温する加熱手段200と、を備えている。
(Thermoelectric characterization device)
As shown in FIG. 8, the thermoelectric characteristic evaluation device 2 of the present invention controls the thermoelectric
制御手段100は、デジタルマルチメータ110と、直流電圧・電流発生器113と、ファンクションジェネレータ114と、ヒータ32に制御電流を送出するヒータ加熱電源115と、パーソナルコンピュータなどの制御装置116と、を備えている。
The control means 100 includes a
デジタルマルチメータ110は、各測定プローブ間から温度・電圧・抵抗測定を行う第1スイッチカード111及び電気抵抗率及び熱拡散率測定時の直流電流&交流信号の供給回路制御を行う第2スイッチカード112を内蔵している。デジタルマルチメータ110は、ゼーベック係数測定時、第1測定プローブ11、第4測定プローブ14を用いて温度測定・起電力(電圧)の測定を行う。
The
第1スイッチカード111には、第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14と、制御装置116と、が接続されている。
The
第2スイッチカード112には、第1測定プローブ11及び第4測定プローブ14と、ヒータ加熱電源115と、直流電圧・電流発生器113と、ファンクションジェネレータ114と、制御装置116と、が接続されている。
The
直流電圧・電流発生器113は、電気抵抗率測定時の直流電流印加及びゼーベック係数測定時の定常加熱用電流印加を行う。
The DC voltage /
ファンクションジェネレータ114は、熱拡散率を測定時、ヒータ加熱電源からヒータ32に周期加熱するための任意の周波数と波形を持つ交流電圧信号の生成を行う。
When measuring the thermal diffusivity, the
直流電圧・電流発生器113と、ファンクションジェネレータ114と、は制御装置116に接続されている。
The DC voltage /
加熱手段200としては、電気炉など通常の高温計測に用いる加熱手段を用いることができる。 As the heating means 200, a heating means used for ordinary high temperature measurement such as an electric furnace can be used.
熱電特性評価ユニット1には、フランジ部70に試料室210を取り付けて設けることもできる。試料室210は、測定プローブ10、試料ホルダ30などを覆い、雰囲気制御が可能なチャンバとして形成されており、例えば、不活性雰囲気、真空雰囲気下での測定も可能である。ここで、真空状態で測定すると、評価試料Mからの熱の漏洩を抑制することができるので、測定精度を向上させることができる。
The thermoelectric
(熱電特性評価方法)
熱電特性評価装置2を用いた電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率の測定方法について説明する。
(Thermoelectric characterization method)
A method for measuring the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity using the thermoelectric characteristic evaluation device 2 will be described.
まず、評価試料Mを一端近傍の裏面にヒータ32が接触するように、試料ホルダ30の保持部材31に取り付ける。次に、熱電特性評価装置2を操作して、測定プローブ10の先端の計測部を評価試料Mに接触させる。制御装置116により、オーミックコンタクトにより測定プローブ10が良好な接触状態であることを確認してから加熱手段200により測定温度まで昇温した後に、熱電特性の測定を開始する。
First, the evaluation sample M is attached to the holding
制御装置116のソフトウェアにより測定の指示が実行されると、電気抵抗率、ゼーベック係数、熱拡散率の順に1回ずつ測定が実行され、測定データは制御装置116に保存される。
When the measurement instruction is executed by the software of the
本発明の熱物性評価方法によれば、熱電材料の開発で性能指数を求める上で必要な熱電物性である、電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を一の評価試料Mを用い、一の評価装置により評価することができる。 According to the thermoelectric property evaluation method of the present invention, the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermoelectric property, which are the thermoelectric properties necessary for obtaining the figure of merit in the development of thermoelectric materials, are evaluated using one evaluation sample M. It can be evaluated by an evaluation device.
また、評価試料Mの同一面に接触させた測定プローブ10により各物性の測定を行うので、同一方向の物性を測定することができる。
Further, since each physical property is measured by the measuring
加熱手段200により複数水準の温度を設定し測定を行うことにより、各物性の温度依存性を評価することができる。ここで、加熱手段200により、測定温度を上昇させると、測定プローブ10が膨張するが、接触圧調整部材60によりその膨張分を吸収することができるので、測定プローブ10より評価試料Mに過度の応力が負荷されることがなく、良好な接触状態を維持することができる。
The temperature dependence of each physical property can be evaluated by setting a plurality of levels of temperature by the heating means 200 and performing the measurement. Here, when the measurement temperature is raised by the heating means 200, the
電気抵抗率の測定には、主としてデジタルマルチメータ110、第1スイッチカード111、第2スイッチカード112、直流電圧・電流発生器113、制御装置116を使用する。測定原理を図9に示す。図中丸囲いの1−4は、それぞれ第1測定プローブ11、第2測定プローブ12、第3測定プローブ13及び第4測定プローブ14の接触点(測定点)を示す。図10及び図11においても同様である。
A
デジタルマルチメータ110により第1測定プローブ11の−側素線及び第4測定プローブ14の−側素線に通電して評価試料Mの表面に電流を流し、第2測定プローブ12の−側素線及び第3測定プローブ13の−側素線間の電圧を測定する。そして、得られた測定データに基づいて下式により電気抵抗率ρeを算出する。ここで補正係数f1は、試料厚さt[m]およびヒータ・センサ間距離d1、d2[m]に依存する値であり、補正係数f2は、ヒータ・センサ間距離d1、d2[m]及び試料の短手方向の長さl[m]に依存する値である。
The-side wire of the
ゼーベック係数の測定には、主としてデジタルマルチメータ110、第1スイッチカード111、第2スイッチカード112、直流電圧・電流発生器113、ヒータ加熱電源115、制御装置116を使用する。測定原理を図10に示す。
A
直流電圧・電流発生器113によってヒータ加熱電源115を経由してヒータ32に直流電圧を印加し、評価試料Mを定常加熱する。第1測定プローブ11及び第4測定プローブ14により、それぞれの接触部の温度差によって発生する起電力を測定する。そして、得られた測定データに基づいて下式によりゼーベック係数を算出する。
A DC voltage /
熱拡散率の測定には、主としてデジタルマルチメータ110、第1スイッチカード111、第2スイッチカード112、ファンクションジェネレータ114、ヒータ加熱電源115、制御装置116を使用する。測定原理を図11及び図12に示す。
A
まず、ファンクションジェネレータ114によりヒータ加熱電源115を経由してヒータ32に周期的な電圧を印加することで、評価試料Mを周期加熱する。第2測定プローブ12及び第3測定プローブ13によりそれぞれの温度(温度2、温度3とする)を計測し、制御装置116に温度波形データを取り込む。そして、温度2、温度3の波形から、第2測定プローブ12及び第3測定プローブ13の温度応答の差(位相差)、及びこの位相差の周波数依存性を利用して熱拡散率aを下式により算出する。
First, the evaluation sample M is periodically heated by applying a periodic voltage to the
ヒータ32は、第1測定プローブ11により評価試料Mが押付けられることにより、評価試料Mの裏面から一定の接触圧で押付けられる。これにより、ヒータ32が十分に評価試料Mに熱を供給できるような接触状態にすることができるので、良好な加熱を行うことができ、測定精度及び再現性を向上させることができる。また、ヒータ32を評価試料Mの裏面から加熱するように配置することにより、温度波が安定するので測定精度及び再現性を向上させることができる。
The
熱拡散率の測定において、内側2つの第2測定プローブ12及び第3測定プローブ13を用いると、ヒータ32からの温度波の振幅が得やすいとともに、評価試料Mの試料の厚さ方向の熱伝導を無視でき、面方向(熱流方向)のみの熱伝導として扱えることが可能な熱伝導の一次元性が保たれる位置で測定できるため、好適である。
When the inner two second measurement probes 12 and the
従来の周期加熱法では、レーザによる加熱で試料を加熱する場合、
・試料の光吸収の違いによる問題
・光の焦点を合わせるのが難しい
・装置構成が複雑となる
・高温環境下での計測において、評価試料の特定個所に正確にレーザを照射することが困難である
等の問題があった。
In the conventional periodic heating method, when the sample is heated by heating with a laser,
・ Problems due to the difference in light absorption of the sample ・ Difficult to focus the light ・ Complicated equipment configuration ・ In measurement in a high temperature environment, it is difficult to accurately irradiate a specific part of the evaluation sample with a laser There was a problem such as.
また、ヒータブロックを評価試料の片端に接触して加熱する方法では、ヒータの熱容量が大きいため、高い周波数での温度変化を発生させることが難しく、その結果、計測に用いられる周波数の範囲が狭く、計測可能な材料の熱拡散率の範囲が厳しく制限されるという問題があった。 In addition, in the method of heating the heater block by contacting one end of the evaluation sample, it is difficult to generate a temperature change at a high frequency because the heat capacity of the heater is large, and as a result, the frequency range used for measurement is narrow. There is a problem that the range of thermal diffusivity of measurable materials is severely limited.
ヒータ32は、小型であり自身の熱容量が小さいとともに、ヒータ32の発熱を熱伝導率の小さい保持部材31で囲むことから、周期的な熱エネルギーを評価試料Mに効率よく伝搬することが可能である。これにより、高い周波数で試料の温度変化を発生させることができる。また、低周波の場合でも時差を減らすことができるため、測定精度を高めることができる。
Since the
以下に、本発明の熱拡散率の測定方法について詳説する。 The method for measuring the thermal diffusivity of the present invention will be described in detail below.
評価試料Mに対し、ヒータ32により周期加熱を開始し、ヒータ32から近い第2測定プローブ12の温度波形データと、ヒータ32から遠い第3測定プローブ13の温度波形データをデジタルマルチメータ110により計測し、制御装置116に2つの波形データを取り込む。
Periodic heating is started by the
測定信号に対して、測定信号と同位相信号および測定信号と90°位相シフトした信号をそれぞれ掛算し、測定信号と等しい周波数成分を検出する。得られたそれぞれ検出信号をローパスフィルタに通すことで求められる、測定信号の同位相成分Xと測定信号の直交成分Yから、基準となる信号(制御装置116で生成した基準となる温度波形データ)に対する測定信号の位相差θは、θ=arctan(Y/X) から得られる。 The measurement signal is multiplied by a signal having the same phase as the measurement signal and a signal having a phase shift of 90 ° from the measurement signal to detect a frequency component equal to the measurement signal. A reference signal (reference temperature waveform data generated by the control device 116) from the in-phase component X of the measurement signal and the orthogonal component Y of the measurement signal obtained by passing each of the obtained detection signals through a low-pass filter. The phase difference θ of the measurement signal with respect to is obtained from θ = arctan (Y / X).
上記の位相差θについて、ヒータ32から近い第2測定プローブ12で得られる位相差をθ1、ヒータ32から遠い第3測定プローブ13で得られる位相差をθ2とすると、2点間の位相差はθ2-θ1で得られる。
Regarding the above phase difference θ, if the phase difference obtained by the
指定した周波数域での計測において上記手順を繰り返し行い、測定を終了する。そして、制御装置116に記録された値から、各周波数毎の第2測定プローブ12及び第3測定プローブ13間の位相差を算出し、(周波数)1/2 に対する位相差のプロットから最小2乗法を用いて導出した一次の近似式の傾きから熱拡散率を得る。
The above procedure is repeated in the measurement in the specified frequency range, and the measurement is completed. Then, the phase difference between the
従来の熱拡散率測定では、以下の方法で測定を行っていた。 In the conventional thermal diffusivity measurement, the measurement is performed by the following method.
評価試料をヒータで周期加熱し、ヒータに近い熱物性計測プローブとヒータへ供給されるファンクションジェネレータの変調電圧との位相差と振幅をロックインアンプで計測し、計測される位相差、設定した位相差安定条件を充足したときに、その位相差の値を記録する。次に、ロックインアンプへ入力される値をヒータに近い熱物性計測プローブから遠い熱物性計測プローブへ切り替え、同様の計測を行い、位相差の値を記録する。そして、記録された値から、各周波数毎の熱物性計測プローブ2点間の位相差を算出し、(周波数)1/2 に対する位相差のプロットから最小二乗法を用いて導出した一次の近似式の傾きから熱拡散率を得る。(例えば、I.Hatta, K.Fujii, A.Sakakibara, F.Takahashi, Y.Hamada and Y.Kaneda: Jpn. J. Appl. Phys., 38 (1999) 2988.) The evaluation sample is periodically heated with a heater, and the phase difference and amplitude between the thermophysical property measurement probe close to the heater and the modulation voltage of the function generator supplied to the heater are measured with a lock-in amplifier, and the measured phase difference is set. When the phase difference stabilization condition is satisfied, the value of the phase difference is recorded. Next, the value input to the lock-in amplifier is switched from the thermophysical property measuring probe near the heater to the thermophysical property measuring probe far away, the same measurement is performed, and the phase difference value is recorded. Then, the phase difference between the two thermophysical property measurement probes for each frequency is calculated from the recorded value, and a linear approximation formula derived from the plot of the phase difference for (frequency) 1/2 using the least squares method. The thermal diffusivity is obtained from the slope of. (For example, I.Hatta, K.Fujii, A.Sakakibara, F.Takahashi, Y.Hamada and Y.Kaneda: Jpn. J. Appl. Phys., 38 (1999) 2988.)
熱電材料では信号強度が小さいため、従来の熱拡散率測定では、ロックインに時間がかかり測定時間が長くなるという欠点があった。 Since the signal strength of the thermoelectric material is small, the conventional thermal diffusivity measurement has a drawback that the lock-in takes time and the measurement time becomes long.
本発明の熱拡散率測定によれば、第2測定プローブ12の温度波形データと第3測定プローブ13の温度波形データを制御装置116に2つの波形データを取り込んだ後に、制御装置116内部で生成した信号波形を用いて演算処理を行うため、評価試料Mからの信号強度が小さくても測定が可能であり、従来の測定法のようにロックインするまで待機する必要がなく、ロックインアンプを用いた場合より熱拡散率を測定する時間が大幅に短縮される。また、測定に必要な機器構成を簡略化することができる。
According to the thermal diffusivity measurement of the present invention, the temperature waveform data of the
ヒータ32は、保持部材31表面に評価試料Mを載置可能な平面状の部材を介して設置することもできる。
The
ヒータ32は、評価試料Mの測定面側から一端部に接触可能に、例えば、プッシュロッド型のヒータを測定面側から押し当てる構造として、構成することもできる。
The
ヒータ32に代えて、評価試料Mの一端を冷却して温度差を生じさせる冷却ユニットを採用することもできる。
Instead of the
(実施形態の効果)
本発明の熱電特性評価ユニット1、熱電特性評価装置2及び熱電特性評価方法によれば、一つの測定装置で、同一評価試料Mを用い、同一測定方向(熱流方向)で電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を測定することができる。接触圧調整部材60により、測定プローブ10を評価試料Mに対して適切な圧力で確実に接触させることができるので、測定精度及び再現性を向上させることができる。
(Effect of embodiment)
According to the thermoelectric
熱電特性評価装置2を用いて、電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を短時間で順次測定することができる。特に、熱拡散率測定において、ロックインアンプを用いた場合より測定時間を大幅に短縮することができるとともに、測定に必要な機器構成を簡略化することができる。 The electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity can be sequentially measured in a short time by using the thermoelectric characteristic evaluation device 2. In particular, in thermal diffusivity measurement, the measurement time can be significantly shortened as compared with the case of using a lock-in amplifier, and the equipment configuration required for measurement can be simplified.
熱拡散率の測定可能周波数について検討した。薄板状の熱電変換素子(ビスマステルルBi2Te3)について、大気中の室温下にて熱拡散率測定を行った。(数3)に基づき、加熱周波数fを0.01〜1.0[Hz]の範囲で、センサ間距離d2−d1を3[mm]にて、位相遅れの差φ2−φ1[deg]を測定した。また、ヒータのパワーは約0.37[W]に設定した。図13に熱拡散率測定結果例を示す。横軸は加熱周波数の平方根f1/2[Hz1/2]、縦軸は位相遅れの差φ2−φ1[deg]を表している。この結果から、最小2乗法により算出した一次の近似直線の傾きが(数3)の分母式((φ2−φ1)/f1/2))に値するので、熱拡散率を求めることができる。 The measurable frequency of thermal diffusivity was examined. The thermal diffusivity of a thin plate-shaped thermoelectric conversion element (bismuth tellurium Bi 2 Te 3 ) was measured at room temperature in the atmosphere. Based on (Equation 3), the heating frequency f is in the range of 0.01 to 1.0 [Hz], the distance between sensors d 2 − d 1 is 3 [mm], and the phase delay difference φ 2 − φ 1 [Deg] was measured. The power of the heater was set to about 0.37 [W]. FIG. 13 shows an example of the thermal diffusivity measurement result. The horizontal axis represents the square root f 1/2 [Hz 1/2 ] of the heating frequency, and the vertical axis represents the phase lag difference φ 2 − φ 1 [deg]. From this result, the minimum square method primary slope of the approximate line calculated by deserves (number 3) in the denominator equation ((φ 2 -φ 1) / f 1/2)), it is determined thermal diffusivity it can.
熱電変換素子は一般的に熱伝導率が小さいため、加熱周波数fが大きいほど熱電対で検出される温度波の振幅は小さくなりやすく、位相遅れの差φ2−φ1を正しく検出できなくなる。図13から、本実施例では加熱周波数fが約0.025〜0.22Hzの領域において、加熱周波数の平方根f1/2[Hz1/2]と位相遅れの差φ2−φ1[deg]の間に一次の相関性が確認されたことから、この範囲内で熱拡散率を算出した。その結果、熱拡散率a=1.83mm2/sと見積もられ、一般的な熱電材料で測定可能であることが確認された。また測定する材料の熱伝導率やヒータのパワー等によっても測定可能な周波数は変化するため、適切な条件を適宜設定する必要がある。 Since the thermoelectric conversion element is generally low thermal conductivity, the amplitude of the temperature wave detected by the thermocouple larger the heating frequency f tends decreased, can not be correctly detected difference phi 2 -.phi 1 phase delay. From FIG. 13, in this embodiment, in the region where the heating frequency f is about 0.025 to 0.22 Hz, the difference between the square root f 1/2 [Hz 1/2 ] of the heating frequency and the phase delay φ 2 − φ 1 [deg ], A first-order correlation was confirmed, so the thermal diffusivity was calculated within this range. As a result, it was estimated that the thermal diffusivity a = 1.83 mm 2 / s, and it was confirmed that it can be measured with a general thermoelectric material. In addition, since the measurable frequency changes depending on the thermal conductivity of the material to be measured, the power of the heater, etc., it is necessary to appropriately set appropriate conditions.
1…熱電特性評価ユニット
2…熱電特性評価装置
3…制御手段
10…測定プローブ
11…第1測定プローブ
12…第2測定プローブ
13…第3測定プローブ
14…第4測定プローブ
15…第1熱電対
15a…計測部
16…第1支持管
17…第2熱電対
17a…計測部
18…第2支持管
19…第3熱電対
19a…計測部
20…第3支持管
21…第4熱電対
21a…計測部
22…第4支持管
30…試料ホルダ
31…保持部材
32…ヒータ
33…ホルダシャフト
40…支持手段
41…支持部材
41a、41b、41c、41d…支持部材
42…プローブガイド
50…駆動手段
51…駆動装置
51a…駆動部
51b…駆動シャフト
52…駆動部材
53…ガイド部材
60…接触圧調整部材
60a、60b、60c、60d…接触圧調整部材
70…フランジ部
100…制御手段
110…デジタルマルチメータ
111…第1スイッチカード
112…第2スイッチカード
113…直流電圧・電流発生器
114…ファンクションジェネレータ
115…ヒータ加熱電源
116…制御装置
200…加熱手段
210…試料室
M…評価試料
1 ... Thermoelectric characteristic evaluation unit 2 ... Thermoelectric characteristic evaluation device 3 ... Control means 10 ...
Claims (5)
被測定物に接触し、被測定物からの電圧及び熱起電力を計測するための複数の測定プローブと、
前記被測定物が前記測定プローブと接触する測定面と反対側から前記被測定物を保持する保持部材と、
前記測定プローブをそれぞれ被測定物に押し当てるための押付け手段と、
前記被測定物の一端部を定常加熱または周期加熱して前記被測定物の測定面方向に温度差を発生させるためのヒータと、
を備え、
前記測定プローブは、それぞれ絶縁体の支持管に熱電対を通して先端を計測部として突出させて構成されており、それぞれの前記測定プローブの計測部が前記被測定物に流れる電流または熱流に沿った方向に配置されていることを特徴とする熱電特性評価ユニット。 A thermoelectric characterization unit that evaluates the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity of an object to be measured made of thermoelectric material.
Multiple measuring probes for contacting the object under test and measuring the voltage and thermoelectromotive force from the object under test.
A holding member that holds the object to be measured from the side opposite to the measurement surface where the object to be measured comes into contact with the measurement probe.
Pressing means for pressing the measurement probe against the object to be measured, and
A heater for constantly heating or periodically heating one end of the object to be measured to generate a temperature difference in the direction of the measurement surface of the object to be measured.
With
Each of the measurement probes is configured by passing a thermocouple through an insulator support tube and projecting the tip as a measurement unit, and the direction in which the measurement unit of each measurement probe is along the current or heat flow flowing through the object to be measured. A thermoelectric characteristic evaluation unit characterized by being arranged in.
プッシュロッド機構を備え、前記測定プローブにそれぞれ取り付けられた接触圧調整部材と、
前記接触圧調整部材を介して前記複数の測定プローブを前記被測定物に向かって対して直線駆動する駆動手段と、を備え、
前記接触圧調整部材は、各測定プローブにおいて、前記計測部が前記被測定物に接触した後は、前記駆動手段による変位を吸収するとともに当該計測部による前記被測定物に対する押付け力を発生させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱電特性評価ユニット。 The pressing means
A contact pressure adjusting member equipped with a push rod mechanism and attached to each of the measuring probes,
A driving means for linearly driving the plurality of measuring probes toward the object to be measured via the contact pressure adjusting member is provided.
In each measurement probe, the contact pressure adjusting member absorbs the displacement caused by the driving means and generates a pressing force against the object to be measured by the measuring unit after the measuring unit comes into contact with the object to be measured. The thermoelectric characteristic evaluation unit according to claim 1 or 2.
当該熱電特性評価ユニットを制御し当該熱電特性評価ユニットから送出される信号に基づいて前記被測定物の電気抵抗率、ゼーベック係数及び熱拡散率を測定する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱電特性評価装置。 The thermoelectric characterization unit according to any one of claims 1 to 3,
A control means that controls the thermoelectric characteristic evaluation unit and measures the electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal diffusivity of the object to be measured based on the signal sent from the thermoelectric characteristic evaluation unit.
A thermoelectric characterization device characterized by being equipped with.
前記熱電特性評価ユニットを用いて、被測定物に前記測定プローブをそれぞれ接触させる工程と、
前記測定プローブにより被測定物に電流を流し、他の測定プローブにより計測された異なる2点間の電圧に基づいて電気抵抗率を算出する工程と、
前記ヒータにより被測定物を定常加熱し、前記測定プローブにより測定される異なる2点間の温度差により発生する起電力に基づいてゼーベック係数を算出する工程と、
前記ヒータにより被測定物を周期加熱し、前記測定プローブにより異なる2点の温度波形データをそれぞれ取得し、前記制御手段で生成した基準となる温度波形データを用いて異なる2点間の周期的な温度変化の位相差を演算し、当該周期的な温度変化の位相差の周波数依存性に基づいて周期的な温度変化の位相差の周波数依存性に基づいて熱拡散率を算出する工程と、を備えたことを特徴とする熱電特性評価方法。 A thermoelectric characteristic evaluation method using the thermoelectric characteristic evaluation device according to claim 4.
The step of bringing the measurement probe into contact with the object to be measured using the thermoelectric characterization unit, and
A step of passing a current through the object to be measured by the measuring probe and calculating the electrical resistivity based on the voltage between two different points measured by another measuring probe.
A step of constantly heating the object to be measured by the heater and calculating the Seebeck coefficient based on the electromotive force generated by the temperature difference between two different points measured by the measuring probe.
The object to be measured is periodically heated by the heater, temperature waveform data of two different points are acquired by the measurement probe, and the reference temperature waveform data generated by the control means is used to periodically heat the object to be measured. The process of calculating the phase difference of the temperature change and calculating the thermal diffusion rate based on the frequency dependence of the phase difference of the periodic temperature change based on the frequency dependence of the phase difference of the periodic temperature change. A thermoelectric characteristic evaluation method characterized by being provided.
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