JPH08316533A

JPH08316533A - 熱電変換性能評価方法および装置

Info

Publication number: JPH08316533A
Application number: JP7146886A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Sudo; 孝幸須藤; Ritsutou Chin; 立東陳; Katsuhito Kizara; 且人木皿; Tatsuo Kumagai; 達夫熊谷
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-11-29
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JP2832334B2

Abstract

(57)【要約】【目的】傾斜構造を有する熱電熱電素子の性能を評価
するために、高温度落差の条件下において、一次元的熱
流条件を実現することができ、正確な性能評価を行うこ
とのできる熱電熱電素子性能評価方法及び装置を提供す
る。【構成】主熱源２と冷却源との間に配置して、熱起電
力等の測定を行う熱電素子の周囲を、断熱シールド７に
よって包囲するとともに、前記断熱シールドの温度分布
が、前記主熱源と冷却部との熱落差によって前記熱電素
子に生じる温度分布と略等しくなるように、前記断熱シ
ールド７の外側を側方から加熱する補助熱源３を設け
る。熱電素子の周囲の温度分布を熱電素子の温度分布と
略等しく保持することにより、熱電素子に一次元熱流条
件を維持させるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換技術において
用いられる熱電変換素子の性能を評価するための装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱電変換素子（以下、単に熱電素
子という）を利用した熱電冷却や、熱電発電が提案され
ている。熱電変換技術において、前記熱電冷却及び熱電
発電の変換効率を向上させるためには、なるべく高温熱
源を利用し温度差を大きくとるのが有利である。しかし
ながら、従来の熱電変換技術に利用されている均質な材
料からなる熱電材料は、その熱電性能が温度に依存し、
特定の温度範囲に変換効率のピークを持つため、全温度
領域に亘って、変換効率を向上させることには限界があ
る。

【０００３】そこで、近年、熱電素子内部のキャリア濃
度を、熱電素子の一端側から他端側に向かって変化さ
せ、最大の熱電変換効率が得られるように、キャリア濃
度を最適傾斜分布させたキャリア濃度傾斜熱電素子の開
発や、各温度領域において、最も高い性能指数を持つ複
数の熱電素子材料を傾斜構造によって複合化し、低温か
ら高温までの広い温度領域に亘って、高い熱電変換効率
が得られる傾斜構造複合熱電素子の開発が進められてい
る。

【０００４】熱電材料の熱電変換特性を評価する場合、
主に熱電材料の電気抵抗（σ）、熱起電力（α）、及び
熱伝導率（κ）の値を測定して、Ｚ＝σα²／κで定義
される熱電変換性能指数（Ｚ）を求めて性能の評価が行
われている。従来の均質材料では、図３に示すように、
電気抵抗、熱起電力、及び熱伝導率が、ともに温度の関
数であるため、特定の温度においてその性能のピークが
あり、各温度においての評価を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た、キャリア濃度傾斜熱電素子や、傾斜構造複合熱電素
子においては、材料内部の異なる部分は異なる温度関数
を持っているため、図４に破線ａ、ｂ、ｃで示すよう
に、各部分の最大特性を示す最適の温度分布と、材料の
両端に最適の温度差を加えた条件でのみ、最大の熱電変
換性能が得られる。従って、このような熱電材料及びこ
れらの材料で形成された熱電素子においては、各温度に
おいて前記各値を測定して熱電変換性能指数Ｚを評価す
る従来の性能評価方法は適用することは出来ない。

【０００６】それ故、前記のような傾斜構造を有する熱
電材料及び熱電素子では、最適設計温度差と温度分布と
を加えた条件で、熱電素子の基本的性能を評価する必要
がある。そこで本発明は、次のような原理に基づいて、
一定の温度差及び温度分布の条件の下で、熱電変換効率
と平均性能指数を評価する方法を採用した。

【０００７】即ち、熱電変換効率を評価するパラメータ
としては、最大電気出力(Ｐmax）時、すなわち内部抵抗
(Ｒm)と外部抵抗(Ｒo)が等しい(ｍ＝Ｒm／Ｒo＝１）と
きの熱電変換効率（η）を用いる。いま、図５に示すＰ
-Ｎ型熱電素子において、熱電変換効率（η）は次式で
表すことができる。 η＝Ｐmax／Ｑin （１）ここで、Ｐmax＝Ｖm²／４Ｒm （２）ただし、Ｖmは開放端電圧、Ｒmは熱電素子の内部抵抗、
Ｑinは熱電素子へ流入する熱量である。なお、図５にお
いて、Ｑoutは熱電素子から流出する熱量であり、素子
から周囲環境への熱損失がなければＱinとＱoutは同じ
値を示す。さらに、変換効率（η）と平均熱電変換性能
指数（Ｚ）との関係から、平均熱電変換性能指数を求め
ることができる。従って、電気伝動率、熱流束、熱起電
力が同時に測定できれば、熱電素子の変換効率及び平均
性能指数の評価ができる。

【０００８】しかし、前述したような傾斜構造複合熱電
材料や素子の実際に使用される温度は、一般的に室温か
ら高温までの数１００℃〜１０００℃程度の温度落差が
要求される。このような高温度落差の条件下では、測定
試料と周囲環境との間や、測定試料の高温部と低温部と
の間に大きな温度差が存在しているため、測定試料から
周囲環境への熱損失が大きく、熱電素子の高温部側から
低温部側への一次元的な熱流環境が得られなかった。そ
のため、正確な熱流の測定が困難であり、熱電素子や熱
電材料の正確な性能評価が困難であった。

【０００９】そこで、本発明は、従来の方法では困難で
あった傾斜構造を有する熱電変換材料や熱電素子の性能
を正確に評価できる方法を得ようとするもので、より具
体的には、高温度落差の条件下において一次元的熱流条
件を作り出し、傾斜構造熱電変換素子及び変換材料の実
使用温度条件下で、正確な性能評価を行うことのできる
熱電変換素子性能評価方法及び装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的のために、本発
明の熱電変換性能評価方法は、熱電素子の一端と他端と
の間に高温度落差を生じさせる条件下で前記熱電素子の
熱電変換効率と平均性能指数を評価する熱電性能評価方
法において、熱電素子の周囲の温度分布を熱電素子の温
度分布と略等しく保持することにより、熱電素子に一次
元的熱流条件を維持させるようにしたものである。

【００１１】また、本発明の熱電性能評価装置は、主熱
源と冷却源との間に配置して、熱起電力等の測定を行う
熱電素子の周囲を、断熱シールドによって包囲するとと
もに、前記断熱シールドの温度分布が、前記主熱源と冷
却部との熱落差によって前記熱電素子に生じる温度分布
と略等しくなるように、前記断熱シールドの外側を側方
から加熱する補助熱源を設けたものである。そして、前
記熱電性能評価装置において、前記熱電素子と断熱シー
ルドとの間に、低熱放射率及び低熱伝導率を有する充填
材を充填すると、熱伝達を防ぐことができ望ましい。

【００１２】

【作用】本発明の熱電変換性能評価方法においては、熱
電性能を評価するために、測定を行う熱電素子の両端に
高温度落差を生じさせる条件下で、前記熱電素子の周囲
の環境の温度分布を、熱電素子の温度分布と略等しく保
持する。その結果、熱電素子を高温側から低温側へ通過
する熱流は、熱電素子の性能評価を行うために熱流の測
定に必要な一次元熱流条件が維持される。

【００１３】また、本発明の熱電性能評価装置によれ
ば、補助熱源で断熱シールドの外側を側方から加熱する
ことによって、断熱シールドに熱電素子の温度分布と同
様な温度分布を形成することで、傾斜構造をもつ複合熱
電素子の測定時に要求される一次元的な熱流条件が高精
度に実現される。

【００１４】さらに、本発明の熱電性能評価装置におい
て、熱電素子と断熱シールドとの間に、低熱放射率及び
低熱伝導率を有する充填材を充填した場合には、熱電素
子の高温側から低温側に向かう放射熱による熱の移動
が、前記充填剤によって抑制され、一次元的な熱流条件
がさらに高い精度で維持される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、熱電性能評価装置の断面図であって、
熱電性能評価装置１の測定部は、円筒石英ガラスの真空
のチャンバ２内部に設置されている。上部には赤外線ラ
ンプで構成された主熱源３が配置されており、主熱源３
から放射される熱は、主熱源３の上方に設けられている
集光ミラーで反射されて、下方に指向して放射されるよ
うになっている。

【００１６】一方下方には、上部熱流計５、試料６、及
び下部熱流計７の順序で、一列に配置されている。試料
６は、性能を評価するための熱電素子で、円筒状に形成
されており、Ｐ−Ｎ電極が設けられている。また、上部
熱流計５と下部熱流計７は、それぞれの端面が、試料６
の端面と適合した円筒状に形成されており、インコネル
と銅を用いて製作されている。

【００１７】また試料６は、上部熱流計５と下部熱流計
７の間に挟まれて、冷却ブロック１１の上にばね９で引
っ張られた３本のアルミナ棒１０によって、約３kgｆの
力で固定されている。また、冷却源となる冷却ブロック
１１の内部には、冷却水１３が循環しており、冷却ブロ
ック１１を冷却している。

【００１８】試料６の周囲は、断熱シールド８によって
包囲されており、前記断熱シールド８の外側には、複数
の補助熱源４が配置されている。それぞれの補助熱源４
は、主熱源３と同様に、赤外線ランプによって構成され
ており、高さを調整できる反射板によって、断熱シール
ド８の外側を加熱するようになっている。そして、前記
補助熱源４の放熱量と反射板の高さとを、それぞれ外部
から制御できるように構成されている。そして、前記補
助熱源４によって、断熱シールド８の軸方向温度分布
を、主熱源３と冷却ブロック１１との温度落差により生
じる試料６の軸方向の温度分布に一致させるように制御
できるようになっている。

【００１９】また、上部熱流計５、試料６及び下部熱流
計７のそれぞれと、断熱シールド８との間には、主熱源
２側から冷却ブロック１１側へ輻射による熱伝達を防ぐ
ために、低熱放射率及び低熱伝導率を有する充填材とし
て、アルミナバブラー１２を充填した。

【００２０】図２は、図１に示した熱電性能評価装置１
の試料６周囲の構造を示している模式図である。同図に
示すように、上部熱流計４と下部熱流計７には、それぞ
れ熱電対１５が取り付けられ、熱電対端子盤１４（図
１）へ接続されている。前記熱電対端子盤１４からは熱
電対用補償導線により、図示していない熱電性能評価装
置１外部に設置されている測定機器に結線される。

【００２１】また、図２に示すように、上部熱流計５と
試料６との間にはニッケル箔１６が、また試料６と下部
熱流計７との間には銀箔１７が、それぞれ介在されてい
る。同図においては、これらの部材は、説明上分離して
描かれているが、実際には、各部材同士相互に密着され
ており、高温の主熱源３から、図１に示すように冷却水
１３によって冷却されている低温の冷却ブロック１１側
へ、熱流Ｑが生じるように構成されている。また、試料
６を包囲している断熱シールド８の任意の位置に熱電対
を取り付け、断熱シールド８の温度分布が測定できるよ
うになっている。

【００２２】本実施例では、評価する熱電素子の形状は
円柱状Ｐ−Ｎ電極付き素子を基本としているが、矩形状
素子の場合は上下の熱流計の形状を変更することにより
容易に対応できる。そして、試料６の高温部の最高温度
を１５００Ｋで、試料６両端の温度差を約８００Ｋに設
定して、試料６の温度分布、電気伝導率、熱流速、熱起
電力（開放端電圧）等の測定を行うようにした。その
際、断熱シールド８の軸方向の温度分布を、試料６と上
部熱流計５、下部熱流計７それぞれの温度分布と同じに
なるように制御し、さらに、主熱源３側から、冷却ブロ
ック１１側への放射熱による熱伝達を防止するために、
直径１mm〜２．８mmのアルミナバブラー１２を使用し
た。

【００２３】そして、ゼーベック熱起電力及び各熱電対
１５からの出力は、３３チャンネルマルチプレクサアン
プ及びＡ／Ｄ変換器を介して、コンピュータに取り込ん
でデータ処理を行なうようにした。さらに、試料の内部
抵抗を測定する際は、ゼーベック熱起電力の影響を除去
するために、コンピュータ制御によるパルス電流を用
い、正負電流時の電圧値の平均値により、内部抵抗を求
めるようにした。

【００２４】実験例以上のように構成された装置を用いて、試料５に、寸法
が直径１５mm、長さ１６mmのＦｅＳｉ2Ｐ-Ｎジャンクシ
ョン素子を採用して、次の測定を行ってその性能評価を
行った。熱電性能評価装置１が設置されているチャンバ
内を真空状態にし、主熱源３及び補助熱源４によって昇
温を行い、上部熱流計５及び断熱シールド８の温度が所
定の温度になるように制御する。そして、熱平衡状態に
達した後、試料６の温度分布、ゼーベック起電力及び電
気抵抗の測定を行なった。また、熱流束の大きさを、熱
流計の両端の温度差により求めた。

【００２５】その結果、素子の高温部と低温部の温度
は、それぞれ１０７６Ｋと４４２Ｋであり、６３４Ｋの
温度落差が得られた。また、前記素子のゼーベック起電
力と内部抵抗（比抵抗）は、それぞれ２７０mVと０．４
７Ωcmであった。

【００２６】さらに、本発明装置のような高温落差条件
では、一次元的な熱流パターンを実現するのが大変重要
であるので、本実施例装置の熱流パターンを確認・校正
するために、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）よりなる標
準試料を用いて熱流校正実験を行った。その結果、上部
熱流計５の温度を１１９０Ｋに設定した場合、前記標準
試料の上部と下部の温度は、それぞれ８９８Ｋと７８７
Ｋとなり、上部熱流計５と標準試料に通過する熱流束の
大きさは、それぞれ２１．６Ｗ／cm²と２０．９Ｗ／cm²
であり、３％の減衰があった。この結果は、本実施例装
置では、良好な一次元熱流パターンが得られることを示
しており、本発明による熱電変換性能評価方法及び装置
の有効性が確認された。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の熱電性
能評価方法によれば、測定する熱電素子の周囲に、熱電
素子の温度分布と同様な温度分布を形成するようにして
いるため、熱電素子の側面からの周囲の環境との間での
熱の出入りが防止でき、熱電素子の内部に、一次元的な
熱流条件を実現することができる。その結果、傾斜構造
をもつ複合熱電素子に対して、実使用温度条件の下での
熱電変換性能を高い精度で評価することが可能となる。

【００２８】また、本発明の熱電性能評価装置によれ
ば、補助熱源で断熱シールドの外側を側方から加熱する
ことによって、断熱シールドに測定する熱電素子の温度
分布と同様な温度分布を容易に形成することができ、傾
斜構造をもつ複合熱電素子の測定時に要求される一次元
的な熱流条件を高精度に実現することができる。

【００２９】さらに、本発明の熱電性能評価装置におい
て、熱電素子と断熱シールドとの間に、低熱放射率及び
低熱伝導率を有する充填材を充填した場合には、熱電素
子の高温側から低温側に向かう放射熱による熱の移動を
減少させることができ、一次元的な熱流条件をさらに高
い精度で維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電性能評価装置の一実施例を示す断
面図である。

【図２】本発明の熱電性能評価装置の試料の周囲の構造
を示す概略図である。

【図３】従来の熱電素子の温度と性能指数との関係を示
す図である。

【図４】（ａ）は傾斜構造複合熱電素子の異なる材料部
分を示す模式図であり、（ｂ）は該傾斜構造複合熱電素
子の温度と性能指数の関係を示す図である。

【図５】Ｐ-Ｎ型熱電素子の概略図である。

【符号の説明】

１熱電性能評価装置２真空チャンバ３主熱源４補助熱源５上部熱流計６試料７下部熱流計８断熱シールド９ばね１０アルミナ棒１１冷却水ブロック１２アルミナバブ
ラー１３冷却水１４熱電対端子盤１５熱電対１６ニッケル箔１７銀箔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者熊谷達夫宮城県柴田郡柴田町大字上名生字東船岡63 番地４号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電変換素子の一端と他端との間に高温
度落差を生じさせる条件下で前記熱電変換素子の熱電変
換効率と平均性能指数を評価する熱電変換性能評価方法
において、熱電変換素子の周囲の温度分布を熱電変換素
子の温度分布と略等しく保持することにより、熱電変換
素子に一次元熱流条件を維持させるようにしたことを特
徴とする熱電性能評価方法。
【請求項２】主熱源と冷却源との間に配置して、熱起
電力等の測定を行う熱電変換素子の周囲を、断熱シール
ドによって包囲するとともに、前記断熱シールドの温度
分布が、前記主熱源と冷却部との熱落差によって前記熱
電変換素子に生じる温度分布と略等しくなるように、前
記断熱シールドの外側を側方から加熱する補助熱源を設
けたことを特徴とする熱電性能評価装置。
【請求項３】前記熱電変換素子と断熱シールドとの間
に、低熱放射率及び低熱伝導率を有する充填材を充填し
たことを特徴とする請求項２記載の熱電性能評価装置。