JP3893475B2 - Thermoelectric element figure of merit measuring apparatus and measuring method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子の性能指数を測定する測定装置及び測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、熱電素子の性能指数を測定する方法が知られており、例えば特開平1−161140号公報に示されている。図4は、同公報に開示された測定方法の説明図を表しており、以下図4に基づいて従来技術を説明する。
図4において、被測定物である熱電素子2の両端には、良導体からなる電極3,3が、熱電素子2の端面全体を覆うように接合されている。それぞれの電極3,3には、電圧を測定するためのリード線4A及び電流を測定するためのリード線4Bが接続されている。
熱電素子2両端部の電極3,3には、それぞれ熱電対5が接触している。これにより、熱電素子2両端部の温度を測定している。熱電素子2は、10-2Pa以下の高真空中に置かれる。
【0003】
前記公報に記載された測定手順は、次の通りである。
1)電極3,3間に直流電流を流し、定常状態になった後、電極3,3間の電圧、電流、及び温度を測定する。
2)電極3,3間に、実効値が、1)で流した直流電流値にほぼ等しい交流電流を流し、定常状態になった後、電極3,3間の電圧、電流、及び温度を測定する。
こうして得られた測定値を、所定の式に代入して、熱電素子2の性能指数Zを求めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち従来技術によれば、まず熱電素子2に直流電流を流して電圧など所定のパラメータの測定を行ない、その後、交流電流を流して、さらにパラメータの測定を行なっている。そのため、測定に時間がかかる。
これに加え、交流電流を熱電素子2に流した場合にはジュール熱が発生するが、熱電素子2内部の温度は均一になる。ところが、直流電流を熱電素子2に流した場合には、ペルチェ効果によって、熱電素子2内部の温度に不均一が生じる。
その結果、直流電流を流した場合と、交流電流を流した場合とでは、熱電素子2が熱平衡に達した時点での内部の熱分布が異なることになる。熱電素子2の性能指数Zを求める関係式は、交流電流を流したときと直流電流を流したときとで、熱電素子2内部の温度分布が同じである場合に成り立つ。その結果、温度分布の変動によって、計測結果に誤差が生じ、性能指数Zが不正確となる。
このような不正確さを補正するためには、例えば、被測定物である熱電素子2の形状を、熱分布の相違が生じにくいものにする必要があり、測定方法を任意の形状の熱電素子2に応用するのが困難となる。
【0005】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、短い測定時間で熱電素子の性能指数を正確に測定可能な、熱電素子の性能指数測定装置及び測定方法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、
熱電素子の両端部間に電流を流し、その両端部間の電圧を測定して無次元性能指数を測定する熱電素子の性能指数測定装置において、
熱電素子に交流電流を流す交流電流源と、
熱電素子に交流電流と同時に直流電流を流す直流電流源と、
熱電素子の両端部にかかる電圧の、交流成分の振幅を測定する交流電圧計と、
熱電素子の両端部にかかる電圧の、直流成分を測定する直流電圧計とを備え、
同時に測定した前記電圧の交流成分の振幅及び直流成分に基づいて、性能指数を求めている。
かかる構成によれば、交流電流と直流電流とを同時に流すことにより、電圧の交流成分測定時と直流成分測定時とで、被測定物である熱電素子の温度分布が同一になる。従って、性能指数の測定が正確になる。
【0007】
また本発明によれば、
交流電流の振幅と、
直流電流の電流値とを略同一にしている。
かかる構成によれば、熱電素子の電圧の交流成分の振幅及び直流成分のみを計測するだけで、無次元性能指数を求めることが可能となり、計測が簡略化される。
【0008】
また、本発明によれば、
熱電素子を略一定の温度に保つ、恒温装置を備えている。
かかる構成によれば、熱電素子の熱リークがほぼ0になることから、計測時に熱リークの影響を排除でき、計測が正確になる。
【0009】
また、本発明によれば、
熱電素子の温度を測定する温度センサを備え、
熱電素子内部の温度が平衡に達したことを検知し、
温度平衡時の熱電素子の温度を測定し、
前記交流電圧、直流電圧、及び温度に基づいて、性能指数を求めている。
かかる構成によれば、無次元性能指数と同様に、性能指数を正確に求めることも可能である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る性能指数測定装置1のブロック図を示している。図1において、熱電素子2の両端部には、良導体の電極3,3が接合されている。電極3,3の材質としては、銀、銅、ニッケル等が好適である。
性能指数測定装置1は、被測定物である熱電素子2に、交流電流IACを流す交流電流源7と、直流電流IDCを流す直流電流源8とを備えている。交流電流源7及び直流電流源8は、出力側がいずれも電極3,3の一側に接続されている。また、電極3,3の他側は、アース電位に接地されており、熱電素子2には、(IAC+IDC)なる電流が流れるようになっている。
【0011】
また、性能指数測定装置1は、熱電素子2の両端部の電極3,3に密に接触した、例えば熱電対5等の温度センサを備えている。熱電対5は、熱伝導率の良い電極3,3に貼りつけられ、熱電素子2の両端部近傍の温度を精密に測定することが可能である。
さらに性能指数測定装置1は、熱電素子2の両端部の電圧の交流成分VACを測定する交流電圧計9と、電圧の直流成分VDCを測定する直流電圧計10とを備えている。
交流電圧計9は、電圧の微少な交流成分を測定する必要があり、例えばロックインアンプが好適である。交流電圧計9と交流電流源7との間は、電気的に接続されており、同期を取るために、交流電圧計9から交流電流源7に対して、リファレンス信号Sが送られる。
交流電流源7、直流電流源8、交流電圧計9、直流電圧計10、及び熱電対5は、いずれもコントローラ20に電気的に接続されている。コントローラ20は、性能指数測定装置1を制御し、性能指数Zの測定を行なう。
【0012】
図2に、性能指数測定装置1の詳細な構成図を示す。
図2において、性能指数測定装置1は、被測定物である熱電素子2の温度を一定に保ち、熱電素子2から熱のリークが無いようにする恒温装置6を備えている。恒温装置6は、熱電素子2を内部に入れる内室11と、内室11を囲繞する外室12とを備えている。外室12及び内室11は、熱伝導率のなるべく良い材料で構成されていることが望ましく、例えば銅などの金属が好適である。
外室12は、液体寒剤15に浸漬されている。液体寒剤15としては、温度(4.2K)の低い液体Heが最も好ましいが、液体窒素(温度77.3K)でもよい。外室12の周囲には外側ヒータ14が、内室11の周囲には内側ヒータ13が、それぞれ巻かれている。
外室12の外側が、液体寒剤15の温度と略同一になっているのに対し、内室11の内部は、ヒータ13,14によって室温程度に保たれている。
内室11の内部及び外室12の内部は、真空ポンプ16により、約10-3Pa以下の高真空に排気されている。これにより、対流による熱損失を少なくし、内室11の内部及び熱電対5の温度が変動しないようにしている。
【0013】
図2に示すように熱電素子2は、絶縁性の糸17により、内室11の内部に吊るされている。この絶縁性の糸17は、低温になっても収縮しない材質が好ましく、例えば木綿糸17が好適である。
熱電素子2の両端部の電極3,3には、電流源7,8及び電圧計9,10に電気的に接続するためのリード線18とが、接続されている。リード線18としては、外室12外部からの熱の侵入を防止するため、なるべく細いものが望ましく、直径50μm程度の、リン青銅線が好適である。
リード線18は、内室11の内壁に付設されたサーマルアンカ19に何重にか巻かれた後、真空を封止する図示しない電流導入端子を介して、外部と電気的に接続されている。サーマルアンカ19は、例えば銅などの円柱であり、一端部が内室11の内壁に接触している。これにより、リード線18を伝わって外部から侵入した熱が、サーマルアンカ19を介して内室11内壁へと拡散し、熱電素子2に熱が伝わることが非常に少なくなる。
【0014】
次に、このような性能指数測定装置1を用いて、無次元化された性能指数ZTを測定する手順について、説明する。
まず、交流電流源7及び直流電流源8から、熱電素子2の両端部間に、それぞれ交流電流IAC及び直流電流IDCを流す。このとき、交流電流IACがbcosωtで、直流電流IDCがaでそれぞれ表されるとすると、a=bとなるように電流を流す。これにより、熱電素子5を流れる電流は、交流電流IACと直流電流IDCとの和IAC+IDCとなり、図3のようにa+bcosωtで表される。このとき、横軸が時間であり、縦軸が電流値である。
尚、ωは、交流電流IACの周波数であり、交流電流IACを熱電素子2に流した際にペルチェ効果による熱の発生を妨げるため、充分大きな値であることが必要であり、例えば10Hzよりも大きいことが好ましい。
【0015】
温度変動が殆んどなくなった状態の熱電素子2においては、a=bの条件下で次の数式1が成り立つ。
ZT=(1/x){(VDC/VAC0)−1} ………… (1)
このとき、xは熱リークを示す定数であり、外部への熱リークがまったくないと仮定すると、x=1となる。また、VAC0は、熱電素子2の電気抵抗をRとした場合のb・Rに相当し、電圧の交流成分の振幅を示している。
即ち、電圧の交流成分の振幅VAC0と直流成分VDCとを測定することにより、無次元性能指数ZTが求められる。但し、この数式1は、電圧の直流成分VDCの測定時と、交流成分の振幅VAC0の測定時とで、熱電素子2において温度Tの変化があると成り立たないことも知られている。
【0016】
従ってコントローラ20は、熱電対5の出力に基づき、熱電素子2の温度Tの変動が殆んどなくなったことを検知する。そして、交流電圧計9及び直流電圧計10によって、熱電素子2の両端部間の電圧の交流成分の振幅VAC0及び直流成分VDCを、それぞれ測定する。そして、これらの値VAC0,VDCを、数式1に代入することにより、無次元性能指数ZTを求めている。
また、コントローラ20は、熱電対5によって熱電素子2の平均温度T0を精密に測定し、数式1に平均温度T0を代入して、性能指数Zを求めることも可能である。
【0017】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱電素子2に交流電流IACと直流電流IDCとを同時に流している。そして、熱電素子2の温度Tが定常状態に達したときの電圧の交流成分の振幅VAC0及び直流電圧VDCに基づいて、熱電素子2の性能指数ZTを検出している。このように、交流電流IACと直流電流IDCとを熱電素子2に同時に流すことにより、従来技術のように、交流電流を流したときと直流電流とを流したときで、熱電素子2の内部の熱分布が変化しない。
上述したように数式1は、電圧の交流成分の振幅VAC0測定時と直流成分VDCの測定時とで、温度変化がない場合にのみ成り立つ。従って、本実施形態のように、交流電流IACと直流電流IDCとを同時に流すことにより、精密な測定が可能である。
【0018】
また、交流電流IAC(=bcosωt)と直流電流IDC(=a)とを同時に流すことにより、交流電流IACの振幅bと、直流電流IDCの値aとを厳密に一致させることが可能である。数式1は、a=bの時にのみ成り立つので、これを厳密に一致させることにより、より正確な性能指数の測定が可能である。
【0019】
また、本実施形態の性能指数測定装置1によれば、液体寒剤15を用い、内部を真空にした恒温装置6の中に、熱電素子2を入れて計測を行なっている。これにより、熱電素子2が外部の温度変化の影響を受けず、熱的に安定した状態になるので、精密な測定が可能である。さらに、クライオポンプ効果により、熱リークが殆んどなくなるので、定数xがほぼ1となり、交流電流IAC及び直流電流IDCを測定するだけで、性能指数を正確に求めることができる。
【0020】
尚、図2に示した恒温装置6は、内室11と外室12とを備えるように説明したが、その間に中間室を設け、3重又はそれ以上にしてもよい。これにより、さらに熱電素子の温度が安定になり、計測が正確になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る性能指数測定装置のブロック図。
【図2】性能指数測定装置の詳細な構成図
【図3】熱電素子を流れる電流を示すグラフ。
【図4】従来技術に係る性能指数測定装置のブロック図。
【符号の説明】
1:性能指数測定装置、2:熱電素子、3:電極、4:リード線1、5:熱電対、6:恒温装置、7:交流電流源、8:直流電流源、9:交流電圧計、10:直流電圧計、11:内室、12:外室、13:内側ヒータ、14:外側ヒータ、15:液体寒剤、16:真空ポンプ、17:糸、18:リード線、19:サーマルアンカ、20:コントローラ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a figure of merit of a thermoelectric element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a method for measuring a figure of merit of a thermoelectric element is known, and for example, disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-161140. FIG. 4 is an explanatory diagram of the measurement method disclosed in the publication, and the prior art will be described based on FIG.
In FIG. 4,
The
[0003]
The measurement procedure described in the publication is as follows.
1) A direct current is passed between the
2) An alternating current having an effective value approximately equal to the direct current value passed in 1) is passed between the
The performance index Z of the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the prior art has the following problems.
That is, according to the prior art, first, a direct current is passed through the
In addition, Joule heat is generated when an alternating current is passed through the
As a result, the internal heat distribution at the time when the
In order to correct such inaccuracy, for example, it is necessary to make the shape of the
[0005]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and aims to provide a thermoelectric element performance index measuring apparatus and a measurement method capable of accurately measuring the thermoelectric element performance index in a short measurement time. Yes.
[0006]
[Means, actions and effects for solving the problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides:
In a performance index measuring device for a thermoelectric element that measures a dimensionless figure of merit by passing a current between both ends of the thermoelectric element and measuring a voltage between the both ends,
An alternating current source for passing an alternating current through the thermoelectric element;
A direct current source for supplying a direct current to the thermoelectric element simultaneously with an alternating current;
An AC voltmeter for measuring the amplitude of the AC component of the voltage applied to both ends of the thermoelectric element;
A DC voltmeter for measuring the DC component of the voltage applied to both ends of the thermoelectric element;
A figure of merit is obtained based on the amplitude and DC component of the AC component of the voltage measured simultaneously.
According to such a configuration, when the alternating current and the direct current are supplied simultaneously, the temperature distribution of the thermoelectric element that is the object to be measured becomes the same when measuring the alternating current component of the voltage and when measuring the direct current component. Thus, the figure of merit measurement is accurate.
[0007]
Also according to the invention,
The amplitude of the alternating current,
The current value of the direct current is substantially the same.
According to such a configuration, it is possible to obtain a dimensionless figure of merit simply by measuring the amplitude and direct current component of the alternating current component of the voltage of the thermoelectric element, and the measurement is simplified.
[0008]
Moreover, according to the present invention,
A thermostat is provided to keep the thermoelectric element at a substantially constant temperature.
According to such a configuration, since the heat leak of the thermoelectric element becomes almost zero, the influence of the heat leak can be eliminated at the time of measurement, and the measurement becomes accurate.
[0009]
Moreover, according to the present invention,
It has a temperature sensor that measures the temperature of the thermoelectric element,
Detects that the temperature inside the thermoelectric element has reached equilibrium,
Measure the temperature of the thermoelectric element at temperature equilibrium,
A figure of merit is determined based on the AC voltage, DC voltage, and temperature.
According to such a configuration, the performance index can be accurately obtained in the same manner as the dimensionless performance index.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a block diagram of a figure of
The figure of
[0011]
Further, the figure of
Further, the figure of
The AC voltmeter 9 needs to measure a minute AC component of voltage, and for example, a lock-in amplifier is suitable. The AC voltmeter 9 and the AC current source 7 are electrically connected, and a reference signal S is sent from the AC voltmeter 9 to the AC current source 7 for synchronization.
The AC current source 7, the DC current source 8, the AC voltmeter 9, the
[0012]
FIG. 2 shows a detailed configuration diagram of the performance
In FIG. 2, the figure of
The
The outside of the
The inside of the
[0013]
As shown in FIG. 2, the
The
The
[0014]
Next, a procedure for measuring the dimensionless figure of merit ZT using such a figure of
First, an alternating current IAC and a direct current IDC are passed between the both ends of the
Note that ω is the frequency of the alternating current IAC, and must be a sufficiently large value to prevent the generation of heat due to the Peltier effect when the alternating current IAC is passed through the
[0015]
In the
ZT = (1 / x) {(VDC / VAC0) -1} (1)
At this time, x is a constant indicating a heat leak, and x = 1 assuming that there is no heat leak to the outside. VAC0 corresponds to b · R when the electric resistance of the
That is, the dimensionless figure of merit ZT is obtained by measuring the amplitude VAC0 and the direct current component VDC of the alternating current component of the voltage. However, it is also known that
[0016]
Therefore, the
The
[0017]
As described above, according to the present embodiment, the alternating current IAC and the direct current IDC are simultaneously supplied to the
As described above,
[0018]
Further, the alternating current IAC (= b cos ωt) and the direct current IDC (= a) are allowed to flow at the same time, so that the amplitude b of the alternating current IAC and the value a of the direct current IDC can be exactly matched. Since
[0019]
Further, according to the performance
[0020]
2 has been described as including the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a performance index measurement apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a figure of merit measurement apparatus. FIG. 3 is a graph showing a current flowing through a thermoelectric element.
FIG. 4 is a block diagram of a figure of merit measuring apparatus according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1: performance index measuring device, 2: thermoelectric element, 3: electrode, 4:
Claims (6)
熱電素子(2)に交流電流(IAC)を流す交流電流源(7)と、
熱電素子(2)に交流電流(IAC)と同時に直流電流(IDC)を流す直流電流源(8)と、
熱電素子(2)の両端部にかかる電圧の、交流成分の振幅(VAC0)を測定する交流電圧計(9)と、
熱電素子(2)の両端部にかかる電圧の、直流成分(VDC)を測定する直流電圧計(10)とを備え、
同時に測定した前記電圧の交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)に基づいて、性能指数(ZT)を求めることを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。In a performance index measuring device for a thermoelectric element that measures a dimensionless figure of merit (ZT) by passing a current between both ends of the thermoelectric element (2) and measuring a voltage between both ends,
An alternating current source (7) for passing an alternating current (IAC) through the thermoelectric element (2);
A direct current source (8) for passing a direct current (IDC) simultaneously with an alternating current (IAC) to the thermoelectric element (2);
An AC voltmeter (9) for measuring the amplitude (VAC0) of the AC component of the voltage applied to both ends of the thermoelectric element (2);
DC voltage voltmeter (10) for measuring the DC component (VDC) of the voltage applied to both ends of the thermoelectric element (2),
A performance index measuring device for a thermoelectric element, wherein the figure of merit (ZT) is obtained based on the amplitude (VAC0) and DC component (VDC) of the AC component of the voltage measured simultaneously.
前記交流電流(IAC)の振幅(b)と、
前記直流電流(IDC)の電流値(a)とを略同一にしたことを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。In the thermoelectric element figure of merit measuring apparatus according to claim 1,
The amplitude (b) of the alternating current (IAC),
A thermoelectric element figure of merit measuring apparatus characterized in that the current value (a) of the direct current (IDC) is substantially the same.
熱電素子(2)を略一定の温度に保って熱の移動を小さくする恒温装置(6)を備えたことを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。In the performance index measuring apparatus for thermoelectric elements according to claim 1 or 2,
A thermoelectric element figure of merit measuring apparatus comprising a thermostatic device (6) that keeps the thermoelectric element (2) at a substantially constant temperature to reduce heat transfer.
熱電素子(2)の温度(T)を測定する温度センサ(5)を備え、
熱電素子(2)内部が熱平衡に達したことを検知し、
前記交流電圧(VAC)、直流電圧(VDC)、及び温度センサ(5)によって測定した熱電素子(2)の平均温度(T0)に基づいて、性能指数(Z)を求めることを特徴とする熱電素子の性能指数測定装置。In the performance index measuring apparatus for thermoelectric elements according to any one of claims 1 to 3,
A temperature sensor (5) for measuring the temperature (T) of the thermoelectric element (2) is provided,
Detecting that the thermoelectric element (2) has reached thermal equilibrium,
A figure of merit (Z) is obtained based on the AC voltage (VAC), the DC voltage (VDC), and the average temperature (T0) of the thermoelectric element (2) measured by the temperature sensor (5). Device figure of merit measurement device.
熱電素子(2)の両端部間に、交流及び直流の電流を同時に流し、
熱電素子(2)の両端部間の電圧の、交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)を測定し、
この交流成分の振幅(VAC0)及び直流成分(VDC)に基づいて、無次元性能指数(ZT)を求めることを特徴とする性能指数測定方法。In the figure of merit measurement method for measuring the dimensionless figure of merit (ZT) of the thermoelectric element (2), alternating current and direct current are passed simultaneously between both ends of the thermoelectric element (2),
Measure the AC component amplitude (VAC0) and DC component (VDC) of the voltage between both ends of the thermoelectric element (2),
A performance index measurement method characterized in that a dimensionless figure of merit (ZT) is obtained based on the amplitude (VAC0) and the DC component (VDC) of the AC component.
熱電素子(2)の両端部間に、交流及び直流の電流を同時に流し、
温度センサ(5)によって、熱電素子(2)の熱分布が熱平衡に達したことを検知し、
熱電素子(2)の両端部間の電圧の、交流成分の振幅(VAC0)、及び直流成分(VDC)を測定し、
熱平衡時の熱電素子(2)の平均温度(T0)を測定し、
この交流成分の振幅(VAC0)、直流成分(VDC)、及び平均温度(T0)に基づいて、性能指数(Z)を求めることを特徴とする性能指数測定方法。In the figure of merit measurement method for measuring the figure of merit of the thermoelectric element (2), an alternating current and a direct current are passed simultaneously between both ends of the thermoelectric element (2),
The temperature sensor (5) detects that the thermal distribution of the thermoelectric element (2) has reached thermal equilibrium,
Measure the AC component amplitude (VAC0) and DC component (VDC) of the voltage between both ends of the thermoelectric element (2),
Measure the average temperature (T0) of the thermoelectric element (2) at the time of thermal equilibrium,
A performance index measurement method characterized in that a figure of merit (Z) is obtained based on the amplitude (VAC0), DC component (VDC), and average temperature (T0) of the AC component.
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