JP2019145733A - Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element - Google Patents
Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019145733A JP2019145733A JP2018030562A JP2018030562A JP2019145733A JP 2019145733 A JP2019145733 A JP 2019145733A JP 2018030562 A JP2018030562 A JP 2018030562A JP 2018030562 A JP2018030562 A JP 2018030562A JP 2019145733 A JP2019145733 A JP 2019145733A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric element
- voltage
- thermoelectric
- terminals
- pair
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
【課題】迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法を提供する。
【解決手段】熱電素子の評価方法では、熱電素子10の一対の端子16間に定電流又は定電圧が印加される。定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子16間の第1電気測定が行われる。定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子16間の第2電気測定が行われる。第1電気測定及び第2電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。
【選択図】図3A thermoelectric element evaluation method capable of quickly and easily evaluating thermoelectric conversion performance is provided.
In a thermoelectric element evaluation method, a constant current or a constant voltage is applied between a pair of terminals 16 of a thermoelectric element 10. A first electrical measurement is performed between the pair of terminals 16 immediately after the start of application of a constant current or a constant voltage. A second electrical measurement is performed between the pair of terminals 16 after a predetermined time has elapsed from the start of applying a constant current or a constant voltage. An evaluation index is calculated using the results of the first electrical measurement and the second electrical measurement.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、熱電素子の評価方法、及び熱電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric element evaluation method and a thermoelectric element manufacturing method.
電気エネルギを熱エネルギに変換可能な熱電素子が知られている。熱電素子は、一対の基板間に配列された複数の熱電チップが、一対の端子間において直列接続された構成を有する。このような構成により、熱電素子は、ペルチェ効果によって、一対の端子間の電位差を、一対の基板間の温度差に変換することができる。 Thermoelectric elements that can convert electrical energy into thermal energy are known. The thermoelectric element has a configuration in which a plurality of thermoelectric chips arranged between a pair of substrates are connected in series between a pair of terminals. With such a configuration, the thermoelectric element can convert a potential difference between the pair of terminals into a temperature difference between the pair of substrates by the Peltier effect.
熱電素子は、一対の基板間の温度差を利用して対象物を冷却することができる。熱電素子の冷却性能は、電気エネルギを熱エネルギに変換する性能である熱電変換性能に依存する。熱電素子の熱電変換性能の評価指標として、最大温度差(ΔTmax)が知られている(例えば、特許文献1参照)。 The thermoelectric element can cool an object using a temperature difference between a pair of substrates. The cooling performance of the thermoelectric element depends on the thermoelectric conversion performance, which is the performance of converting electrical energy into heat energy. A maximum temperature difference (ΔTmax) is known as an evaluation index of thermoelectric conversion performance of a thermoelectric element (see, for example, Patent Document 1).
熱電素子のΔTmaxは、高温側の基板の温度を一定に保ちながら一対の端子間に印加する電圧を変化させたときの、一対の基板間の温度差の最大値として得られる。熱電素子のΔTmaxは、一対の基板間に発生させることが可能な温度差の実測値であるため、熱電変換性能を直接的に表している。 ΔTmax of the thermoelectric element is obtained as the maximum value of the temperature difference between the pair of substrates when the voltage applied between the pair of terminals is changed while keeping the temperature of the substrate on the high temperature side constant. Since ΔTmax of the thermoelectric element is an actual measurement value of a temperature difference that can be generated between a pair of substrates, it directly represents the thermoelectric conversion performance.
しかしながら、熱電素子のΔTmaxの測定は、対流による熱伝達の影響を排除するために、真空中で行う必要がある。また、熱電素子のΔTmaxの測定では、複数の測定点において基板の温度が安定するまで待機する必要がある。このため、熱電素子のΔTmaxの測定には長時間を要する。 However, the measurement of ΔTmax of the thermoelectric element needs to be performed in a vacuum in order to eliminate the influence of heat transfer due to convection. Further, in the measurement of ΔTmax of the thermoelectric element, it is necessary to wait until the substrate temperature is stabilized at a plurality of measurement points. For this reason, it takes a long time to measure ΔTmax of the thermoelectric element.
また、熱電素子のΔTmaxの測定では、正確な測定値を得るために、例えば熱抵抗の低減などの熟練した技術を要する作業が必要となる。これらの要因により、ΔTmaxによる熱電素子の評価は、熱電素子の熱電変換性能を正確に把握できるものの、大量の熱電素子の検査には適していない。 Further, in the measurement of ΔTmax of the thermoelectric element, an operation that requires a skilled technique such as reduction of thermal resistance is required in order to obtain an accurate measurement value. Due to these factors, the evaluation of the thermoelectric element by ΔTmax can accurately grasp the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric element, but is not suitable for inspection of a large number of thermoelectric elements.
つまり、ΔTmaxによる評価を利用した熱電素子の検査は、熱電素子の製造工程において、全数検査とすることが困難であり、抜き取り検査とせざるを得ない。このため、迅速かつ容易に実施可能であり、熱電素子の製造工程における全数検査に利用可能な熱電素子の熱電変換性能の評価方法が望まれる。 That is, the inspection of thermoelectric elements using the evaluation by ΔTmax is difficult to perform a complete inspection in the manufacturing process of the thermoelectric elements, and must be a sampling inspection. For this reason, the evaluation method of the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric element which can be implemented rapidly and easily and can be used for 100% inspection in the manufacturing process of the thermoelectric element is desired.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法、及びこれを用いた熱電素子の製造方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a thermoelectric element evaluation method capable of quickly and easily evaluating thermoelectric conversion performance, and a thermoelectric element manufacturing method using the same.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る熱電素子の評価方法では、熱電素子の一対の端子間に定電流又は定電圧が印加される。
定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子間の第1電気測定が行われる。
定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子間の第2電気測定が行われる。
第1電気測定及び第2電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。
In order to achieve the above object, in the thermoelectric element evaluation method according to one embodiment of the present invention, a constant current or a constant voltage is applied between a pair of terminals of the thermoelectric element.
A first electrical measurement between a pair of terminals immediately after the start of application of a constant current or a constant voltage is performed.
A second electrical measurement is performed between the pair of terminals after a predetermined time has elapsed from the start of applying a constant current or a constant voltage.
An evaluation index is calculated using the results of the first electrical measurement and the second electrical measurement.
一対の端子間に定電流が印加され、第1電気測定では第1電圧が測定され、第2電気測定では第2電圧が測定されてもよい。
第1電気測定及び第2電気測定は4端子法で行われてもよい。
第1電圧と第2電圧との差を用いて評価指標が算出されてもよい。
第1電圧と第2電圧との差の第1電圧に対する比率を用いて評価指標が算出されてもよい。
定電流の大きさが100mA以下であってもよい。
所定時間が10秒以下であってもよい。
A constant current may be applied between the pair of terminals, the first voltage may be measured in the first electrical measurement, and the second voltage may be measured in the second electrical measurement.
The first electric measurement and the second electric measurement may be performed by a four-terminal method.
The evaluation index may be calculated using a difference between the first voltage and the second voltage.
The evaluation index may be calculated using a ratio of the difference between the first voltage and the second voltage to the first voltage.
The magnitude of the constant current may be 100 mA or less.
The predetermined time may be 10 seconds or less.
本発明の一形態に係る熱電素子の製造方法では、複数の熱電素子が作製される。
複数の熱電素子のそれぞれについて、一対の端子間に定電流又は定電圧が印加され、定電流又は定電圧の印加開始直後の一対の端子間の第1電気測定が行われ、定電流又は定電圧の印加開始から所定時間経過後の一対の端子間の第2電気測定が行われ、第1電気測定及び第2電気測定の結果を用いて評価指標が算出される。
評価指標に基づいて複数の熱電素子が選別される。
In the method for manufacturing a thermoelectric element according to one embodiment of the present invention, a plurality of thermoelectric elements are manufactured.
For each of the plurality of thermoelectric elements, a constant current or a constant voltage is applied between the pair of terminals, the first electrical measurement between the pair of terminals immediately after the start of the application of the constant current or the constant voltage is performed, and the constant current or the constant voltage The second electrical measurement between the pair of terminals after the elapse of a predetermined time from the start of the application is performed, and the evaluation index is calculated using the results of the first electrical measurement and the second electrical measurement.
A plurality of thermoelectric elements are selected based on the evaluation index.
迅速かつ容易に熱電変換性能を評価可能な熱電素子の評価方法、及びこれを用いた熱電素子の製造方法を提供することができる。 It is possible to provide a thermoelectric element evaluation method capable of quickly and easily evaluating thermoelectric conversion performance, and a thermoelectric element manufacturing method using the same.
図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図面には、適宜相互に直交するX軸、Y軸、及びZ軸が示されている。X軸、Y軸、及びZ軸は全図において共通である。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawing, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are shown as appropriate. The X axis, Y axis, and Z axis are common in all drawings.
1.熱電素子の構成
本発明は、熱電素子の熱電変換性能の評価方法に関する。本発明の熱電素子の評価方法の実施形態を説明する前に、本発明の評価方法の対象となる熱電素子の一例について簡単に説明する。なお、本発明の評価方法は、以下の構成の熱電素子のみならず、任意の構成の熱電素子に適用可能である。
1. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for evaluating thermoelectric conversion performance of a thermoelectric element. Before describing an embodiment of a method for evaluating a thermoelectric element of the present invention, an example of a thermoelectric element that is an object of the evaluation method of the present invention will be briefly described. Note that the evaluation method of the present invention can be applied not only to thermoelectric elements having the following configurations but also to thermoelectric elements having an arbitrary configuration.
図1,2は、本実施形態に関連する熱電素子10を示す図である。図1は、熱電素子10の斜視図である。図2は、熱電素子10の分解斜視図である。熱電素子10は、XY平面に沿って延びる矩形の平板状である。熱電素子10では、X軸方向が長手方向に対応し、Y軸方向が短手方向に対応し、Z軸方向が厚さ方向に対応する。
1 and 2 are diagrams showing a
熱電素子10は、高温側基板11と低温側基板12とを有する。高温側基板11及び低温側基板12は、いずれもXY平面に沿って延び、相互にZ軸方向に対向している。上側の高温側基板11の下面には、複数の高温側電極14が設けられている。下側の低温側基板12の上面には、複数の低温側電極15が設けられている。
The
熱電素子10は、複数の熱電チップ13を更に有する。熱電チップ13は、高温側基板11及び低温側基板12の間に配列されている。熱電チップ13は、P型チップ13a及びN型チップ13bで構成される。P型チップ13aはP型熱電材料で形成され、N型チップ13bはN型熱電材料で形成されている。
The
各熱電チップ13を形成する熱電材料としては、例えば、ビスマス−テルル系化合物、シリサイド系化合物、ハーフホイスラー系化合物、鉛−テルル系化合物、シリコン−ゲルマニウム系化合物、スクッテルダイト系化合物、テトラヘドライト系化合物、コルーサイト系化合物などが用いられる。
Examples of thermoelectric materials that form each
熱電素子10は、低温側基板12に設けられた一対の端子16と、一対の端子16にそれぞれ接合された一対のリード線17と、を更に有する。熱電素子10では、一対の端子16間において、P型チップ13aとN型チップ13bとが、高温側電極14及び低温側電極15によって交互に直列接続されている。
The
このような構成により、熱電素子10では、一対のリード線17を介して一対の端子16間に印加される電圧によって、高温側基板11と低温側基板12との間に温度差が発生する。以下、本発明の一実施形態に係る評価方法を、上記の構成の熱電素子10に適用した例について説明する。
With such a configuration, in the
2 熱電素子の評価方法
2.1 概略説明
本発明の一実施形態に係る熱電素子10の評価方法では、熱電素子10の一対の端子16間の電気測定を行うことにより、熱電素子10の熱電変換性能の評価を行う。本実施形態に係る評価方法では、電気測定として、電圧測定、電流測定、及び電気抵抗測定を用いることができる。以下、各電気測定を用いた評価方法について説明する。
2 Thermoelectric Element Evaluation Method 2.1 General Description In the evaluation method of the
2.2 電圧測定を用いた評価方法
2.2.1 基本構成
図3は、電圧測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子10の平面図である。図3では、高温側基板11の下側に配置された熱電チップ13及び低温側電極15の位置を破線で示している。なお、図3では、リード線17を省略して示している。また、熱電変換性能の評価は、リード線17を設ける前に行ってもよい。
2.2 Evaluation Method Using Voltage Measurement 2.2.1 Basic Configuration FIG. 3 is a plan view of the
熱電素子10の熱電変換性能の評価には、定電流源21a及び電圧計22aを用いる。定電流源21a及び電圧計22aは各別に、一対の端子16に接続されている。定電流源21a及び電圧計22aの一対の端子16に対する接続には、典型的にはプロービングが用いられるが、その他の公知の方法を用いてもよい。
For the evaluation of the thermoelectric conversion performance of the
この構成では、一対の端子16間に一定の大きさの電流である定電流を印加し、一対の端子16間の電圧を測定可能である。つまり、この構成では、一対の端子16間の電圧を4端子法で測定するため、定電流源21a及び電圧計22aの一対の端子16に対する接触抵抗の影響が抑制され、高精度の電圧測定が可能となる。
In this configuration, a constant current, which is a constant current, is applied between the pair of
定電流源21aが端子16間に印加する定電流は、図3に矢印で示すように、P型チップ13aとN型チップ13bとに交互に流れる。これにより、高温側基板11と低温側基板12との間に温度差が発生する。これに伴い、熱電素子10には、定電流源21aが端子16間に印加している電圧とは反対向きの逆起電力が発生する。
The constant current applied between the
熱電素子10に発生する逆起電力は、定電流源21aが印加する定電流を小さくするように作用する。このため、定電流源21aは、定電流の大きさを一定に維持するために、熱電素子10に発生する逆起電力の分だけ端子16間に印加する電圧を大きくすることにより、逆起電力を相殺する。
The counter electromotive force generated in the
図4は、定電流源21aが端子16間に定電流の印加を開始した後の高温側基板11と低温側基板12との間の温度差の時間変化を模式的に示すグラフである。図4に示すように、時刻t1に定電流源21aが端子16間に定電流の印加を開始すると、高温側基板11と低温側基板12との間に温度差が発生する。
FIG. 4 is a graph schematically showing a time change of the temperature difference between the high
高温側基板11と低温側基板12との間の温度差は、時刻t1からの時間の経過に伴って、最大値Dに達するまで増加し、最大値Dに達すると一定の熱平衡状態となる。高温側基板11と低温側基板12との間の温度差は、熱電素子10の熱電変換性能に基づいているため、熱電変換性能の評価指標として利用可能である。
The temperature difference between the high
しかしながら、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差を得るためには、高温側基板11及び低温側基板12の温度を測定する必要があるため、時間及び手間がかかる。そこで、本評価方法では、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差によって熱電素子10に発生する逆起電力に着目した評価指標を用いる。
However, in order to obtain the temperature difference between the high
より詳細に、本評価方法では、定電流の印加開始直後の第1時刻t1に、端子16間の第1電圧測定(第1電気測定)を行うことにより、端子16間の第1電圧V1を得る。また、定電流の印加開始から所定時間経過後の第2時刻t2に、端子16間の第2電圧測定(第2電気測定)を行うことにより、端子16間の第2電圧V2を得る。
More specifically, in the present evaluation method, a first time t 1 immediately after the start of the application of the constant current, by performing the first voltage measurement between terminals 16 (the first electrical measurement), a first voltage between the
第1時刻t1では、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差がゼロであるため、熱電素子10に逆起電力が発生していない。したがって、第1電圧V1は、定電流の大きさをIとし、熱電素子10の電気抵抗をRとすると、以下の式で表すことができる。
V1=I×R
In the first time t 1, since the temperature difference between the hot-
V1 = I × R
第2時刻t2では、高温側基板11と低温側基板12との間に温度差が発生しているため、熱電素子10に逆起電力が発生している。したがって、第2電圧V2は、逆起電力の大きさをVbとすると、以下の式で表すことができる。
V2=I×R+Vb
At the second time t 2 , since a temperature difference is generated between the high
V2 = I × R + Vb
ここで、第1時刻t1と第2時刻t2とで熱電素子10の電気抵抗Rが等しいものと仮定すると、第1時刻t1における第1電圧V1と第2時刻t2における第2電圧V2との差ΔVは、以下の式で表すことができる。
ΔV=V2−V1=Vb
The first time t 1 and assuming electric resistance R of the
ΔV = V2−V1 = Vb
このように、第1電圧V1と第2電圧V2との差ΔVは、熱電素子10に発生している逆起電力の大きさVbと等しくなる。したがって、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差に代えて、第1電圧V1と第2電圧V2との差ΔVを評価指標として熱電素子10の熱電変換性能を評価可能である。
Thus, the difference ΔV between the first voltage V1 and the second voltage V2 is equal to the magnitude Vb of the counter electromotive force generated in the
なお、第2時刻t2は、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差が最大値Dに到達する時刻以降に設定することが好ましい。これにより、熱電素子10の逆起電力が一定の平衡に達した状態で第2電圧V2を測定することができる。このため、第2電圧V2の測定誤差を抑制することができる。
Note that the second time t 2, it is preferable that the temperature difference between the hot-
また、第1時刻t1から第2時刻t2までの時間は、10秒以下であることが好ましく、5秒以下であることがより好ましく、1秒以下であることが更に好ましく、例えば、0.1秒以上1秒以下の範囲内で設定することができる。これにより、評価指標が迅速に得られるため、熱電素子10の熱電変換性能をより迅速に評価可能である。
The time from the first time t 1 to a second time t 2, the preferably not more than 10 seconds, more preferably not more than 5 seconds, more preferably 1 second or less, for example, 0 It can be set within the range of 1 second to 1 second. Thereby, since an evaluation parameter | index is obtained rapidly, the thermoelectric conversion performance of the
更に、定電流源21aが印加する定電流の大きさは、100mA以下であることが好ましい。これにより、大きい電流を印加するための大掛かりな装置が必要なくなる。また、作業者が大きい電流を扱わずに作業可能であるため、より安全な作業環境での評価が可能となる。
Furthermore, the constant current applied by the constant
加えて、第1電圧V1及び第2電圧V2の測定は、大気中で温度管理をせずに行っても測定誤差が発生しにくい。このため、本評価方法は、非常に迅速かつ容易に実施可能である。しかし、第1電圧V1及び第2電圧V2の測定は、必要に応じ、真空中で行ってもよく、また高温側基板11の温度を一定に保ちながら行ってよい。
In addition, the measurement of the first voltage V1 and the second voltage V2 is unlikely to cause a measurement error even if it is performed in the atmosphere without temperature management. For this reason, this evaluation method can be implemented very quickly and easily. However, the measurement of the first voltage V1 and the second voltage V2 may be performed in a vacuum as necessary, or may be performed while keeping the temperature of the high
また更に、本評価方法では、温度の実測定を行うことなく、電気的に温度をモニタリング可能であるため、温度の分解能が高いというメリットがある。例えば、本評価方法では、定電流の大きさを0.01A程度と小さくすることにより、0.1℃程度の高い分解能を実現可能である。 Furthermore, this evaluation method has an advantage that the temperature resolution is high because the temperature can be monitored electrically without actually measuring the temperature. For example, in this evaluation method, a high resolution of about 0.1 ° C. can be realized by reducing the magnitude of the constant current to about 0.01 A.
これに対し、温度の実測定を行うΔTmaxの測定では、熱電素子10の基板11,12に対する温度計の接触状態などによる熱伝導のばらつきの影響で測定誤差が大きくなる。このため、ΔTmaxの測定を用いた評価では、1℃〜数℃程度の分解能しか得られず、本評価方法のような高い分解能を得ることは困難である。
On the other hand, in the measurement of ΔTmax in which the temperature is actually measured, the measurement error becomes large due to the influence of the heat conduction variation due to the contact state of the thermometer with the
2.2.2 評価指標の他の実施形態
熱電素子10の熱電変換性能を評価するための評価指標はΔVに限定されない。例えば、ΔVに他の変数を組み合わせた評価指標を用いることで、熱電素子10をより正確に評価可能となる。ΔVに組み合わせる他の変数としては、例えば、第1電圧V1や、第2電圧V2や、熱電素子10の電気抵抗Rなどが挙げられる。
2.2.2 Other Embodiments of Evaluation Index The evaluation index for evaluating the thermoelectric conversion performance of the
例えば、電気抵抗Rが大きい熱電素子10ほど、定電流の印加のために必要な第1電圧V1が大きくなり、大きい逆起電力が発生するため、ΔVが大きくなりやすくなる。したがって、ΔVでは、複数の熱電素子10間で電気抵抗Rにばらつきがある場合に、熱電変換性能を正確に比較できない場合がある。
For example, as the
これに対し、熱電素子10の電気抵抗Rの影響を受けにくい評価指標として、ΔVの第1電圧V1に対する比率であるΔV/V1を用いることができる。つまり、評価指標としてΔV/V1を用いることにより、複数の熱電素子10間で電気抵抗Rにばらつきがある場合にも、熱電変換性能を正確に比較可能となる。
On the other hand, ΔV / V1, which is a ratio of ΔV to the first voltage V1, can be used as an evaluation index that is not easily affected by the electric resistance R of the
また、熱電素子10の熱電変換性能を評価するための評価指標は、第1電圧V1及び第2電圧V2を含み、第1電圧V1と第2電圧V2との差を比較可能に構成されていれば、ΔVを含まなくてもよい。一例として、第2電圧V2の第1電圧V1に対する比率V2/V1を評価指標とすることもできる。
The evaluation index for evaluating the thermoelectric conversion performance of the
2.2.3 電圧測定の他の実施形態
熱電素子10の一対の端子16間の電圧測定の方法は上記の構成に限定されない。一例として、一対の端子16間の電圧は、4端子法ではなく2端子法によって測定してもよい。この場合、例えば、定電流源21a及び電圧計22aをいずれもリード線17に接続することにより、熱電素子10の熱電変換性能を更に簡単に評価可能となる。
2.2.3 Other Embodiments of Voltage Measurement The method of measuring the voltage between the pair of
また、上記の構成における定電流源21aに代えて、定電圧源を用いてもよい。この場合、電圧計22aで測定される電圧は、定電圧源が一対の端子16間に印加する定電圧よりも熱電素子10に発生する逆起電力の分だけ大きくなる。このため、上記の構成と同様の評価指標によって、熱電素子10の熱電変換性能を評価可能である。
Further, a constant voltage source may be used instead of the constant
2.3 電流測定を用いた評価方法
2.3.1 基本構成
図5は、電流測定を用いた評価方法を説明するための熱電素子10の平面図である。電流測定を用いた方法では、上記の電圧測定を用いた方法における定電流源21a及び電圧計22aに代えて、定電圧源21b及び電流計22bを用いる。定電圧源21b及び電流計22bは、相互に直列接続された状態で、一対の端子16に接続されている。
2.3 Evaluation Method Using Current Measurement 2.3.1 Basic Configuration FIG. 5 is a plan view of the
本評価方法では、定電圧の印加開始直後の第1時刻t1に、端子16間の第1電流測定(第1電気測定)を行うことにより、端子16間の第1電流I1を得る。また、定電圧の印加開始から所定時間経過後の第2時刻t2に、端子16間の第2電流測定(第2電気測定)を行うことにより、端子16間の第2電流I2を得る。
In this evaluation method, the first time t 1 immediately after the start of the application of the constant voltage, by performing the first current measurement between the terminals 16 (first electrical measurement) to obtain a first current I1 between the
第1時刻t1では、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差がゼロであるため、熱電素子10に逆起電力が発生していない。この一方で、第2時刻t2では、高温側基板11と低温側基板12との間に温度差が発生しているため、熱電素子10に逆起電力が発生している。
In the first time t 1, since the temperature difference between the hot-
熱電素子10に逆起電力が発生すると、定電圧源21bから熱電素子10の一対の端子16に加わる電圧が大きくなる。つまり、第2時刻t2では、第1時刻t1よりも、定電圧源21bが発生させる定電圧のうち、熱電素子10の一対の端子16間に加わる電圧の比率が大きくなり、電流計22bに加わる電圧の比率が小さくなる。
When back electromotive force is generated in the
熱電素子10に発生する逆起電力が大きいほど、定電圧源21bから熱電素子10の一対の端子16間に加わる電圧が大きくなる。したがって、第1時刻t1における第1電流I1と第2時刻t2における第2電流I2との差ΔI(=I2−I1)は、マイナスの値となり、熱電素子10に発生する逆起電力が大きいほどその絶対値が大きくなる。
As the back electromotive force generated in the
このように、第1電流I1と第2電流I2との差ΔIは、熱電素子10に発生している逆起電力の大きさに応じて変化する。したがって、高温側基板11と低温側基板12との間の温度差に代えて、第1電流I1と第2電流I2との差ΔIを評価指標として熱電素子10の熱電変換性能を評価可能である。
Thus, the difference ΔI between the first current I1 and the second current I2 changes according to the magnitude of the back electromotive force generated in the
2.3.2 評価指標の他の実施形態
熱電素子10の熱電変換性能を評価するための評価指標はΔIに限定されない。例えば、ΔIに他の変数を組み合わせた評価指標を用いることで、熱電素子10をより正確に評価可能となる。ΔIに組み合わせる他の変数としては、例えば、第1電流I1や、第2電流I2や、熱電素子10の電気抵抗Rなどが挙げられる。
2.3.2 Other Embodiments of Evaluation Index The evaluation index for evaluating the thermoelectric conversion performance of the
一例として、ΔIの第1電流I1に対する比率であるΔI/I1を用いることができる。また、熱電素子10の熱電変換性能を評価するための評価指標は、第1電流I1及び第2電流I2を含み、第1電流I1と第2電流I2との差を比較可能に構成されていれば、ΔIを含まなくてもよく、例えばI2/I1などであってもよい。
As an example, ΔI / I1, which is a ratio of ΔI to the first current I1, can be used. The evaluation index for evaluating the thermoelectric conversion performance of the
2.3.3 電流測定の他の実施形態
熱電素子10の一対の端子16間の電流の測定方法は上記の構成に限定されない。一例として、定電圧源21b及び電流計22bは、直列接続ではなく、並列接続であってもよい。つまり、この構成では、定電圧源21bに対して熱電素子10及び電流計22bが並列接続されている。
2.3.3 Other Embodiments of Current Measurement The method of measuring the current between the pair of
この構成では、熱電素子10に発生する逆起電力の分だけ定電圧源21bが印加する電圧が大きくなる。したがって、この構成では、電流計22bで測定される電流の変化量によって、熱電素子10における逆起電力の大きさを評価可能である。このため、上記の構成と同様の評価指標によって、熱電素子10の熱電変換性能を評価可能である。
In this configuration, the voltage applied by the
更に、この構成では、定電圧源21bに代えて定電流源を用いてもよい。この場合、熱電素子10に発生する逆起電力の分だけ、熱電素子10に流れる電流が小さくなり、電流計22bに流れる電流が大きくなる。したがって、この構成でも、電流計22bで測定される電流の変化量によって、熱電素子10における逆起電力の大きさを評価可能である。
Further, in this configuration, a constant current source may be used instead of the
2.4 電気抵抗測定を用いた評価方法
本実施形態に係る熱電素子10の評価方法では、電気測定として電気抵抗測定を用いることができる。つまり、熱電素子10に逆起電力が発生すると、熱電素子10の見掛けの電気抵抗が変化する。このため、熱電素子10の見掛けの電気抵抗の変化量によって、熱電素子10に発生している逆起電力の大きさを評価することも可能である。
2.4 Evaluation Method Using Electrical Resistance Measurement In the evaluation method of the
例えば、熱電素子10に定電流を印加する場合には、逆起電力によって端子16間に加わる電圧が大きくなるため、見掛けの電気抵抗が大きくなる。また、熱電素子10に定電圧を印加する場合にも、逆起電力によって端子16間に流れる電流が小さくなるため、見掛けの電気抵抗が大きくなる。
For example, when a constant current is applied to the
したがって、第1時刻t1における第1電気抵抗R1及び第2時刻t2における第2電気抵抗R2を用いた評価指標によっても、熱電素子10の熱電変換性能を評価可能である。評価指標としては、例えば、ΔR(=R2−R1)やΔR/R1やR2/R1などを用いることができる。
Thus, by evaluation index using the second electrical resistance R2 of the first resistance R1 and the second time t 2 at the first time t 1, it is possible to evaluate the thermoelectric conversion performance of the
2.5 評価可能な熱電素子
以上で説明した本実施形態に係る各評価方法は、ペルチェ効果による性能を評価するため、ペルチェ素子の熱電変換性能の評価に特に適している。しかし、熱電素子におけるペルチェ効果による性能とゼーベック効果による性能とには高い相関があるため、本実施形態の評価方法は熱電発電素子の熱電変換性能の評価にも利用可能である。
2.5 Thermoelectric elements that can be evaluated Each evaluation method according to the present embodiment described above is particularly suitable for evaluating the thermoelectric conversion performance of a Peltier element because the performance due to the Peltier effect is evaluated. However, since there is a high correlation between the performance due to the Peltier effect and the performance due to the Seebeck effect in the thermoelectric element, the evaluation method of the present embodiment can also be used for evaluating the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric power generation element.
3.実施例
3.1 実施例1
実施例1では、同一設計の熱電素子10の2つのサンプル1,2を作製し、図3に示す構成で、各サンプル1,2において端子16間に100mAの定電流を印加したときの端子16間の電圧の時間変化を測定した。そして、各サンプル1,2について、各時刻における端子16間の電圧を第2電圧V2としたときのΔV/V1の時間変化を算出した。
3. Example 3.1 Example 1
In Example 1, two
図6は、サンプル1,2のΔV/V1の時間変化を示すグラフである。図6では、横軸が時間を示し、縦軸がΔV/V1を百分率で示している。図6に示すように、サンプル1では、いずれの時刻を第2時刻t2としてもサンプル2よりも高いΔV/V1が得られており、サンプル2よりも熱電変換性能が高いことがわかる。
FIG. 6 is a graph showing the time change of ΔV / V1 of
また、図6に示すように、1秒程度でΔV/V1がほぼ一定の平衡状態になっており、各サンプル1,2の評価にそれぞれ数秒程度の時間しか掛からない。このため、本実施形態に係る熱電変換性能の評価方法を用いることにより、熱電素子10の評価を非常に迅速に実施可能であることがわかる。
Also, as shown in FIG. 6, ΔV / V1 is in an almost constant equilibrium state in about 1 second, and it takes only about several seconds to evaluate each
3.2 実施例2
実施例2では、ΔV/V1と最大温度差(ΔTmax)との熱電変換性能の評価指標としての比較を行った。具体的に、同一のロットで製造された同一設計の熱電素子10の4つのサンプルについてΔV/V1及びΔTmaxの測定を行い、ΔV/V1とΔTmaxとの相関を評価した。
3.2 Example 2
In Example 2, a comparison was made as an evaluation index of thermoelectric conversion performance between ΔV / V1 and the maximum temperature difference (ΔTmax). Specifically, ΔV / V1 and ΔTmax were measured for four samples of the
各サンプルのΔTmaxの測定は、真空中で、温調システムによって高温側基板11の温度を100℃に保ちながら各サンプルを駆動させることにより行った。第1電圧V1及び第2電圧V2の測定では、図3に示す構成を用い、定電流の大きさを100mAとし、定電流の印加開始から第2電圧V2を測定するまでの時間を5秒とした。
The ΔTmax of each sample was measured by driving each sample in a vacuum while keeping the temperature of the high
図7は、各サンプルにおけるΔV/V1及びΔTmaxの測定結果を示すグラフである。図7では、横軸がΔV/V1を百分率で示し、縦軸がΔTmaxを示している。つまり、図7のグラフ中には、各サンプルにおけるΔV/V1及びΔTmaxの測定結果が1つのプロットとして示されている。 FIG. 7 is a graph showing the measurement results of ΔV / V1 and ΔTmax in each sample. In FIG. 7, the horizontal axis indicates ΔV / V1 as a percentage, and the vertical axis indicates ΔTmax. That is, in the graph of FIG. 7, the measurement results of ΔV / V1 and ΔTmax in each sample are shown as one plot.
図7に示すように、ΔV/V1が大きいサンプルほど、ΔTmaxが大きい傾向が見られる。また、図7に示すように、各サンプルのプロットは、正の傾きを有する一次関数でフィッティング可能である。したがって、熱電素子10では、ΔV/V1が得られれば、高い精度でΔTmaxを推定することができる。
As shown in FIG. 7, a sample having a larger ΔV / V1 tends to have a larger ΔTmax. Also, as shown in FIG. 7, the plot of each sample can be fitted with a linear function having a positive slope. Therefore, in the
このように、評価指標としてΔV/V1を用いることにより、評価指標としてΔTmaxを用いた場合と同等の熱電変換性能の評価を、迅速かつ容易に実施することができる。このため、本実施形態に係る評価方法を用いることにより、ΔTmaxの抜き取り検査の抜き取り頻度を低減することができる。 Thus, by using ΔV / V1 as the evaluation index, it is possible to quickly and easily evaluate the thermoelectric conversion performance equivalent to the case where ΔTmax is used as the evaluation index. For this reason, by using the evaluation method according to the present embodiment, the sampling frequency of the sampling inspection of ΔTmax can be reduced.
3.3 実施例3
実施例3では、同一設計の熱電素子10の2つのサンプル3,4を作製し、図5に示す構成で、各サンプル3,4において端子16間に100mVの定電圧を印加したときの端子16間の電流の時間変化を測定した。そして、各サンプル3,4について、各時刻における端子16間の電流を第2電流I2としたときのΔI/I1の時間変化を算出した。
3.3 Example 3
In Example 3, two samples 3 and 4 of the
図8は、サンプル3,4のΔI/I1の時間変化を示すグラフである。図8では、横軸が時間を示し、縦軸がΔI/I1を百分率で示している。図8に示すように、サンプル3では、いずれの時刻を第2時刻t2としてもサンプル4よりも絶対値の大きいΔI/I1が得られており、サンプル4よりも熱電変換性能が高いことがわかる。 FIG. 8 is a graph showing changes over time in ΔI / I1 of samples 3 and 4. In FIG. 8, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates ΔI / I1 as a percentage. As shown in FIG. 8, in the sample 3, any time is greater [Delta] I / I1 of magnitude than the sample 4 is obtained even if the second time t 2, the be high thermoelectric conversion performance than Sample 4 Recognize.
また、図8に示すように、1秒程度でΔI/I1がほぼ一定の平衡状態になっており、各サンプル3,4の評価にそれぞれ数秒程度の時間しか掛からない。このため、本実施形態に係る熱電変換性能の評価方法を用いることにより、熱電素子10の評価を非常に迅速に実施可能であることがわかる。
Further, as shown in FIG. 8, ΔI / I1 is in a substantially constant equilibrium state in about 1 second, and it takes only about several seconds to evaluate each of the samples 3 and 4. For this reason, it turns out that evaluation of the
4.熱電素子の製造方法
図9は、本実施形態に係る熱電素子10の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る熱電素子10の製造方法では、上記の熱電変換性能の評価方法を用いて、熱電素子10の検査を実施する。以下、図9を参照して、一例として図3に示す構成での評価方法を用いた熱電素子10の製造方法について説明する。
4). Method for Manufacturing Thermoelectric Element FIG. 9 is a flowchart showing a method for manufacturing the
ステップS01では、複数の熱電素子10を作製する。ステップS01では、典型的には、量産工程によって同一設計の多数の熱電素子10を作製する。熱電素子10の作製方法は、特定の構成に限定されず、任意に決定可能である。また、熱電素子10の構成も、任意に決定可能である。
In step S01, a plurality of
ステップS02では、ステップS01で作製された複数の熱電素子10のそれぞれについて、第1電圧V1及び第2電圧V2を測定する。ステップS03では、ステップS02で得られた第1電圧V1及び第2電圧V2を用いて、複数の熱電素子10のそれぞれについて共通の評価指標を算出する。
In step S02, the first voltage V1 and the second voltage V2 are measured for each of the plurality of
ステップS04では、ステップS03で各熱電素子10について得られた評価指標を用いて熱電素子10の選別を行う。ステップS04では、熱電素子10を良品と不良品とを選別するための評価指標の基準値が設定される。そして、評価指標が基準値以上の熱電素子10を良品とし、評価指標が基準値未満の熱電素子10を不良品とする。
In step S04, the
このように、本実施形態の熱電素子10の製造方法では、上記の評価方法を用いることにより、熱電変換性能の全数検査を行うことが可能である。また、抜き取り検査の場合であっても、抜き取り頻度を低減することができる。これにより、この熱電素子の製造方法では、低コストで信頼性の高い熱電素子を製造可能である。
Thus, in the manufacturing method of the
10…熱電素子
11…高温側基板
12…低温側基板
13…熱電チップ
13a…P型チップ
13b…N型チップ
14…高温側電極
15…低温側電極
16…端子
17…リード線
21a…定電流源
21b…定電圧源
22a…電圧計
22b…電流計
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記定電流又は前記定電圧の印加開始直後の前記一対の端子間の第1電気測定を行い、
前記定電流又は前記定電圧の印加開始から所定時間経過後の前記一対の端子間の第2電気測定を行い、
前記第1電気測定及び前記第2電気測定の結果を用いて評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。 Apply a constant current or a constant voltage between a pair of terminals of the thermoelectric element,
Performing a first electrical measurement between the pair of terminals immediately after application of the constant current or the constant voltage;
Performing a second electrical measurement between the pair of terminals after a predetermined time has elapsed from the start of application of the constant current or the constant voltage;
A thermoelectric element evaluation method for calculating an evaluation index using the results of the first electric measurement and the second electric measurement.
前記一対の端子間に定電流を印加し、
前記第1電気測定では第1電圧を測定し、前記第2電気測定では第2電圧を測定する
熱電素子の評価方法。 The thermoelectric element evaluation method according to claim 1,
Applying a constant current between the pair of terminals,
A thermoelectric element evaluation method in which a first voltage is measured in the first electrical measurement, and a second voltage is measured in the second electrical measurement.
前記第1電気測定及び前記第2電気測定は4端子法で行う
熱電素子の評価方法。 A method for evaluating a thermoelectric element according to claim 2,
The first electric measurement and the second electric measurement are performed by a four-terminal method.
前記第1電圧と前記第2電圧との差を用いて前記評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。 A method for evaluating a thermoelectric element according to claim 2 or 3,
A method for evaluating a thermoelectric element, wherein the evaluation index is calculated using a difference between the first voltage and the second voltage.
前記第1電圧と前記第2電圧との前記差の前記第1電圧に対する比率を用いて前記評価指標を算出する
熱電素子の評価方法。 The method for evaluating a thermoelectric element according to claim 4,
A method for evaluating a thermoelectric element, wherein the evaluation index is calculated using a ratio of the difference between the first voltage and the second voltage to the first voltage.
前記定電流の大きさが100mA以下である
熱電素子の評価方法。 A method for evaluating a thermoelectric element according to any one of claims 2 to 5,
The method for evaluating a thermoelectric element, wherein the constant current is 100 mA or less.
前記所定時間が10秒以下である
熱電素子の評価方法。 A method for evaluating a thermoelectric element according to any one of claims 1 to 6,
The method for evaluating a thermoelectric element, wherein the predetermined time is 10 seconds or less.
前記複数の熱電素子のそれぞれについて、一対の端子間に定電流又は定電圧を印加し、前記定電流又は前記定電圧の印加開始直後の前記一対の端子間の第1電気測定を行い、前記定電流又は前記定電圧の印加開始から所定時間経過後の前記一対の端子間の第2電気測定を行い、前記第1電気測定及び前記第2電気測定の結果を用いて評価指標を算出し、
前記評価指標に基づいて前記複数の熱電素子を選別する
熱電素子の製造方法。 Create multiple thermoelectric elements,
For each of the plurality of thermoelectric elements, a constant current or a constant voltage is applied between a pair of terminals, a first electrical measurement is performed between the pair of terminals immediately after application of the constant current or the constant voltage, and the constant current is measured. Performing a second electrical measurement between the pair of terminals after a predetermined time has elapsed from the start of application of the current or the constant voltage, and calculating an evaluation index using the results of the first electrical measurement and the second electrical measurement;
A method for manufacturing a thermoelectric element, wherein the plurality of thermoelectric elements are selected based on the evaluation index.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018030562A JP2019145733A (en) | 2018-02-23 | 2018-02-23 | Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018030562A JP2019145733A (en) | 2018-02-23 | 2018-02-23 | Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019145733A true JP2019145733A (en) | 2019-08-29 |
Family
ID=67772724
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018030562A Pending JP2019145733A (en) | 2018-02-23 | 2018-02-23 | Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2019145733A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102264055B1 (en) * | 2021-03-24 | 2021-06-11 | 주식회사 아이브이솔루션 | Apparatus and Method for Inspecting Thermoelectric Device`s Performance |
-
2018
- 2018-02-23 JP JP2018030562A patent/JP2019145733A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102264055B1 (en) * | 2021-03-24 | 2021-06-11 | 주식회사 아이브이솔루션 | Apparatus and Method for Inspecting Thermoelectric Device`s Performance |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2011185697A (en) | Thermoelectric material evaluation device and thermoelectric characteristic evaluation method | |
KR20150007686A (en) | Thermoelectric property measurement system | |
KR102024679B1 (en) | Seebeck coefficient and electrical conductivity measurement device made of quartz tube and method thereof | |
Platzek et al. | Potential-Seebeck-microprobe (PSM): measuring the spatial resolution of the Seebeck coefficient and the electric potential | |
Mengali et al. | Contact resistance studies on thermoelectric materials | |
Yatim et al. | A review of ZT measurement for bulk thermoelectric material | |
Masoumi et al. | Apparatus for seebeck coefficient measurements on high-resistance bulk and thin-film samples | |
TWI467165B (en) | Measurement method, measurement apparatus, and computer program product | |
JP7232513B2 (en) | Seebeck coefficient measuring device and its measuring method | |
JP2019145733A (en) | Evaluation method of thermoelectric element, and manufacturing method of thermoelectric element | |
D’Aucelli et al. | Uncertainty evaluation of the Unified Method for thermo-electric module characterization | |
Garrido et al. | New method for evaluating the Peltier coefficient based on temperature measurements in a thermoelectric module | |
Dzundza et al. | Development of high-precision hardware and software tools for automated determination of the characteristics of thermoelectric devices | |
Chien et al. | Evaluation of temperature-dependent effective material properties and performance of a thermoelectric module | |
US6902317B2 (en) | Method and device for measuring thermoelectric characteristics of combinatorial specimen | |
Kidd | Watch out for those thermoelectric voltages | |
KR20200027345A (en) | Thermoelectric element quality inspection system and its method of inspection | |
JP2007024603A (en) | Method for measuring thin film samples | |
Hedo et al. | Thermopower measurement under high pressure using" seesaw heating method" | |
CN205027820U (en) | System for be used for measuring thermoelectric block component resistance | |
Pirela et al. | Novel methodology for characterization of thermoelectric modules and materials | |
JP2008170259A (en) | Thermoelectric material evaluation substrate and thermoelectric material evaluation system | |
Garrido | Peltier’s and Thomson’s coefficients of thermoelectric phenomena in the observableformulation | |
Ider et al. | A Robust System for Thermoelectric Device Characterization | |
Edler et al. | Metrology for energy harvesting |