特開 2024-38604 熱電デバイス等の評価装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024038604

(43)【公開日】2024-03-21

(54)【発明の名称】熱電デバイス等の評価装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/18 20060101AFI20240313BHJP

【ＦＩ】

G01N25/18 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022142726

(22)【出願日】2022-09-08

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「クリーンエネルギー分野における革新的技術の国際共同研究開発事業／未利用熱等活用に資する革新的機器・デバイス開発／革新的高性能熱電発電デバイスと高度評価技術の国際共同研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】天谷 康孝

(72)【発明者】

【氏名】大川 顕次郎

(72)【発明者】

【氏名】太田 道広

(72)【発明者】

【氏名】舟橋 良次

(72)【発明者】

【氏名】山本 淳

【テーマコード（参考）】

2G040

【Ｆターム（参考）】

2G040AB09

2G040BA18

2G040BA26

2G040CA02

2G040CA13

2G040CA22

2G040DA02

2G040EC09

2G040ZA08

(57)【要約】

【課題】熱電デバイス等のデバイスの評価精度を向上させる評価装置を提供する。
【解決手段】本評価装置は、評価対象のデバイスの上側に設けられる第１のヒータと、デバイスと、デバイスの下側に設けられる熱流計とが第１の方向に並べられた構成の、第１の方向に直交する第２の方向の側面を空間を空けて囲うシールドであって、上記構成において第１の方向に生じる温度分布と同じ又は類似の温度分布を形成するように、ガードヒータと第１の熱ガードと第１の熱ガードとは異なる熱抵抗を有する第２の熱ガードとが配置されるシールドを有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

評価対象のデバイスの上側に設けられる第１のヒータと、前記デバイスと、前記デバイスの下側に設けられる熱流計とが第１の方向に並べられた構成の、前記第１の方向に直交する第２の方向の側面を空間を空けて囲うシールドであって、
前記構成において前記第１の方向に生じる温度分布と同じ又は類似の温度分布を形成するように、ガードヒータと第１の熱ガードと前記第１の熱ガードとは異なる熱抵抗を有する第２の熱ガードとが配置される
シールドを有する評価装置。

【請求項2】

前記第１の熱ガードと前記第２の熱ガードとの接続部分の温度と、前記デバイスと前記熱流計との接続部分の温度とが同一又は近似するように前記第１の熱ガード及び前記第２の熱ガードが構成される
請求項１記載の評価装置。

【請求項3】

前記第１の熱ガードの熱抵抗Ｒ_ｇ１、前記第２の熱ガードの熱抵抗Ｒ_ｇ２、前記デバイスの熱抵抗Ｒ_ｓ、及び前記熱流計の熱抵抗Ｒ_ｈについて、

【数1】

が、所定の誤差範囲内において成立するように、
前記第１の熱ガード及び前記第２の熱ガードが構成される
請求項１記載の評価装置。

【請求項4】

前記第１の熱ガードに、窓が設けられている
請求項１記載の評価装置。

【請求項5】

前記第１の熱ガードが、前記デバイスの幅と同一又は近似する幅を有し、前記第１の方向において前記デバイスと同一又は近似の位置に配置される
請求項１記載の評価装置。

【請求項6】

前記構成が、
前記第１のヒータの上に設けられた断熱材と、
前記断熱材の上に設けられた第２のヒータと
をさらに含む請求項１記載の評価装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電デバイス等のデバイスの評価装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば非特許文献１には、図１に示すような熱電デバイスの評価装置が開示されている。図１は、評価装置の縦方向の断面を示しており、図１の評価装置では、熱電デバイス１７００を、メインヒータ１６００と、温度計１４１０及び１４２０を含む熱流計１４００とで挟み、熱電デバイス１７００より上部分を、熱電デバイス１７００への突起を含む椀型のガードヒータ１３００で囲っている。さらに、最上部のガードヒータ１１００と、熱流計１４００の下面に接する水冷プレート１５００との空間は、同質の断熱材１２００を隙間無く敷き詰めるようにしている。ガードヒータ１３００でメインヒータ１６００からの熱流の漏出を防止しつつ、断熱材１２００により、メインヒータ１６００と熱電デバイス１７００と熱流計１４００とから側方への熱流の漏出を防止している。但し、断熱材１２００を隙間無く敷き詰めるので、熱電デバイス１７００の交換に手間がかかるという問題等がある。

【0003】

また、例えば非特許文献２には、図２に示すような熱電デバイスの評価装置が開示されている。図２は、一部熱ガード２１００を除去した状態における評価装置の側面を表している。図２の評価装置では、上から断熱材２２００と、メインヒータ２３００と、熱電デバイス２４００と、温度計２５１０及び２５２０を有する熱流計２５００と、水冷プレート２６００とを配置しており、断熱材２２００の一部と、メインヒータ２３００と、熱電デバイス２４００と、熱流計２５００の一部の側面を囲うように、単一素材の熱ガード２１００が配置されている。このような熱ガード２１００を用いることで、囲っている部分の温度は均一化されるが、それ以外の部分については、周囲との温度差が生ずるので、側方への熱流漏出は防止できない。

【0004】

さらに、例えば非特許文献３には、図３に示しているような熱電デバイスの評価装置が開示されている。図３は、評価装置の縦方向の断面を示しており、図３の評価装置では、上から、椀型のガードヒータ３１００と、断熱材３２００と、メインヒータ３３００と、熱電デバイス３４００と、水冷台３５００とが配置されている。ガードヒータ３１００の下限は、熱電デバイス３４００の上面となっており、熱電デバイス３４００の側面をカバーするものでは無い。このように、ガードヒータ３１００によりメインヒータ３３００からの熱流が漏出することを防止するのみで、それ以外の部分については側方への熱流漏出については考慮されていない。

【0005】

なお、例えば非特許文献４には、熱電デバイスではなく平板状熱流センサの評価を行う場合に、当該熱流センサの周辺を断熱材で覆い、熱流センサの真上には主熱板を、主熱板の周りに保護熱板を配置すると共に、熱流センサの下部に水冷プレートを配置するようにしたものが開示されている。熱流センサを断熱材で覆うのは非特許文献１と同様である。

【0006】

熱電デバイスの発電効率評価では、投入した熱流を正確に測定することが前提となる。高さ１０ｍｍ程度の熱電デバイスでは、特に高温において側面から熱輻射による周囲への熱の流出が無視できなくなる。そのため、まず、測定原理の仮定に反する二次元的な、側面から周囲への熱流を排除し、熱電デバイスの縦方向（すなわち厚み方向）に熱が貫流する一次元熱流を実現することが基本となる。

【0007】

側面からの熱の流出を防ぐ手段としては、非特許文献１及び４のような方法は、安価で広く普及している断熱材の極めて低い熱伝導特性及び伝達特性を利用し、熱の移動を妨ぐという点で優れた方法であるが、熱電デバイスの周囲を密に隙間なく断熱材で埋めるため、施工の手間を要し、また、測定の再現性を確保するのが一般に難しいとされている。一方、非特許文献２及び３では、上部のメインヒータ部分については考慮されているが、それ以外の部分については側方への熱流漏出に対しては十分な対策がなされていない。よって、評価精度上の問題がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】P. Ziolkowski et al., Energy Technology Volume8, Issue11, (2020)

【非特許文献2】梶川武信編、熱電変換技術ハンドブック NTS出版 第３章第４節特性と評価 1.2評価技術 pp.438-441（2008）

【非特許文献3】L Rauscher et al., Meas. Sci. Technol. Volume 16, pp.1054-1060 (2005)

【非特許文献4】NMIJ計測クラブ固体熱物性クラブ平成27年度全体会合＠秋葉原コンベンションホールFeb. 05. 2016. p.15

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

従って、本発明の目的は、一側面によれば、熱電デバイス等のデバイスの評価精度を向上させるための新規な技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る評価装置は、評価対象のデバイスの上側に設けられる第１のヒータと、デバイスと、デバイスの下側に設けられる熱流計とが第１の方向に並べられた構成の、第１の方向に直交する第２の方向の側面を空間を空けて囲うシールドであって、上記構成において第１の方向に生じる温度分布と同じ又は類似の温度分布を形成するように、ガードヒータと第１の熱ガードと第１の熱ガードとは異なる熱抵抗を有する第２の熱ガードとが配置されるシールドを有する。

【発明の効果】

【0011】

一側面によれば、熱電デバイス等のデバイスの評価精度を向上させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１の従来技術の評価装置を説明するための図である。

【図2】図２は、第２の従来技術の評価装置を説明するための図である。

【図3】図３は、第３の従来技術の評価装置を説明するための図である。

【図4】図４は、第１の実施の形態に係る評価装置の主要部の側面図である。

【図5】図５は、第１の実施の形態に係る評価装置の主要部の縦方向の断面図である。

【図6】図６は、第１の実施の形態に係る評価装置の主要部の横方向の断面図である。

【図7】図７は、熱電デバイスと熱流計、並びに第１熱ガート及び第２熱ガードの熱抵抗の等価熱回路を表す図である。

【図8】図８は、第１の実施の形態に係る評価装置の主要部周辺の構成を示す断面図である。

【図9】図９は、第１の実施の形態に係る評価装置の主要部周辺の構成を示す断面図である。

【図10】図１０は、第１の実施の形態に係る評価装置において試料部分の側面図である。

【図11】図１１は、第１の実施の形態に係る評価装置の側面図である。

【図12】図１２は、第１の実施の形態に係る評価装置の効果を説明するための図である。

【図13】図１３は、第１の実施の形態に係る評価装置の効果を説明するための図である。

【図14】図１４は、第１の実施の形態に係る評価装置の効果を説明するための図である。

【図15】図１５は、第１の実施の形態に係る評価装置の効果を説明するための図である。

【図16】図１６は、第２の実施の形態に係る評価装置の主要部の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［実施の形態１］
熱輻射による周囲への熱流出は、試料とその周囲の温度差を理想的にゼロに近づけることによってその影響を排除できる。すなわち、試料中と等しい温度分布を、その周囲を取り囲むように設置した熱ガード（熱の流出を防ぐシールドとも呼ぶ）で実現すればよい。しかしながら、銅などの単一素材で製作された熱ガードでは、熱電デバイス中の、局所的に急峻な温度勾配（例えば１０ｍｍ程度の距離に約４００Ｋの温度差）を実現することは一般に困難である。本実施の形態では、以下で詳細述べるような複合材料による熱ガードを採用することで、側方へ熱流出、すなわち側面からの熱輻射による損失を抑制するものである。

【0014】

図４に、本実施の形態における評価装置の主要部の側面図を示す。なお、中央に配置される試料部分（試料を含む構成）と、その外側に空間を設けて配置されるシールド部分とに分かれているので、シールド部分の一部を除去した状態における側面図となっている。試料部分には、上から、ガードヒータ２１０と、断熱材２２０と、メインヒータ２３０と、熱電デバイス２４０と、熱流計２５０とが、一列に配置されている。なお、図中○印は、カートリッジ型ヒータ１０を表している。図４では示されていないが、ガードヒータ２１０とメインヒータ２３０とには別々に温度計が設けられており、さらに、ガードヒータ２１０とメインヒータ２３０とにはそれぞれカートリッジ型ヒータ１０が設けられており、それぞれが同じ温度になるように別々に温度制御される。ガードヒータ２１０の上面は、断熱材１１０に接しており、熱流計２５０の下面は、冷却プレート１５０に接している。熱流計２５０には、複数の温度計２５１（図４では４つの温度計）が設けられており、メインヒータ２３０から投入された熱流を、熱流計２５０で計測するようになっている。なお、断熱材２２０は、例えばアルミナセラミックからなる。

【0015】

シールド部分には、上から、断熱材１１０と、温度計１２１及びカートリッジ型ヒータ１０を含むガードヒータ１２０と、第１熱ガード１３０と、第２熱ガード１４０と、水冷プレート１５０とが設けられている。ガードヒータ１２０の上面は、断熱材１１０に接しており、第２熱ガード１４０の下面は、冷却プレート１５０に接している。ガードヒータ１２０も、温度計１２１で温度を測定すると共に、カートリッジ型ヒータ１０により、メインヒータ２３０とガードヒータ２１０の温度と同じ温度になるように、温度制御がなされる。ガードヒータ１２０は、ガードヒータ２１０と断熱材２２０とメインヒータ２３０の側面を覆うように形成される。これに対して、第１熱ガード１３０は、熱電デバイス２４０の側面を覆うように形成される。すなわち、第１熱ガード１３０の幅及び高さは、熱電デバイス２４０の幅及び高さと同じになっている。さらに、第２熱ガード１４０は、熱流計２５０の側面を囲うように形成される。

【0016】

図５に、本実施の形態における評価装置の主要部分を縦方向に切断した場合の側面図を示す。上でも述べたが、ガードヒータ２１０には、温度計２１１が設けられており、メインヒータ２３０には、温度計２３１が設けられている。さらに、熱流計２５０には、複数の温度計２５１とは別に温度計２５２も設けられている。以下で詳細に述べるように、第１熱ガード１３０は、第２熱ガード１４０よりも熱抵抗を大きくすべく、第２熱ガード１５０よりも薄く加工されている。

【0017】

試料部分は、熱電デバイス２４０より上には、ガードヒータ２１０及びメインヒータ２３０により高温になっており、冷却プレート１５０に接している熱流計２５０は低温になっており、熱電デバイス２４０の部分で急峻な温度勾配が形成されている。ガードヒータ１２０は、メインヒータ２３０及びガードヒータ２１０と同じ温度になるように制御されているので高温であり、第２熱ガード１４０は、冷却プレート１５０に接しているので低温になっている。そして、本実施の形態では、試料部分における温度分布（すなわち温度勾配）と同一又は類似の温度勾配を、シールド部分にも生じさせるために、第１熱ガード１３０を第２熱ガード１４０とは異なる材質（より具体的には材質と厚みなどの組み合わせ）で形成する。特に、熱電デバイス２４０において生ずる急峻な温度勾配と同様の温度勾配を生じさせるように、第１熱ガード１４０を形成する。

【0018】

図６に、本実施の形態に係る評価装置の主要部の、熱電デバイス２４０の上面における断面図を示す。このように、本実施の形態では、試料部分は矩形であり、それを覆うシールド部分についても矩形になっている。ここでは、熱電デバイス２４０の形状に応じて矩形となっているが、他の形状であっても良い。図５は、例えばＡ－Ａ’線での断面図である。なお、試料部分と、シールド部分とには空間が空いており、断熱材などは充填されない。なお、試料部分と、第２熱ガード１４０及びガードヒータ１２０の内側との間の距離が長いと、試料部分とシールド部分との温度分布を同一又は類似にすることが難しくなるので、短い方が好ましい。例えば、熱電デバイス２４０の右辺と、当該辺に対向する第１熱ガード１３０の内側の一辺との距離は約２５ｍｍ、当該辺に対向する第２熱ガード１４０の内側の一辺との距離は１０ｍｍとしたが、作業性が担保できれば、より短く１０ｍｍ未満としても良い。なお、実験結果及び数値計算の結果からすると、例えば第１熱ガード１３０と当該第１熱ガード１３０と同じ高さに配置された熱電デバイス２４０との距離は、２５ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下がよい。

【0019】

次に、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０の設計について、より詳細に説明する。上では、試料部分の周囲にシールド部分を設け、それらの温度差をゼロに近付けるように第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０を形成するとしているが、その実現は容易ではない。それは、熱電デバイス２４０によってその高さわずか５ｍｍから１０ｍｍ程度に、約４００Ｋの局所的に急峻な温度勾配が生じるからである。よって、一般的な銅などの単一素材で製作された熱ガードでは、部分的に急峻な温度勾配を実現することは困難である。しかし、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０の熱抵抗の比を、以下のように最適化することで、単一素材では困難であった局所的に急峻な温度分布を形成できるようになる。

【0020】

図７に、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０と、熱電デバイス２４０及び熱流計２５０との等価熱回路を示す。Ｒ_ｇ１は、第１熱ガード１３０の熱抵抗を表し、Ｒ_ｇ２は、第２熱ガード１４０の熱抵抗を表し、Ｒ_ｓは、熱電デバイス２４０の熱抵抗を表し、Ｒ_ｈは、熱流計２５０の熱抵抗を表している。また、Ｔ_ｈは、ガードヒータ１２０、メインヒータ２３０及びガードヒータ２１０の目標温度を表し、Ｔ_ｃは、冷却プレート１５０の温度を表す。さらに、Ｔ_ｃｇは、第１熱ガード１４０と第２熱ガードとの接続部分の温度を表し、Ｔ_ｃｓは、熱電デバイス２４０と熱流計２５０との接続部分の温度を表す。

【0021】

熱電デバイス２４０と熱流計２５０とは、熱的に直列に接続されている。また、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０は、熱的に直列に接続され、ガードヒータ１２０と第２熱ガード１４０との間の輻射による熱抵抗が、第１熱ガード１３０と並列に接続されていると見做せる。例えば、ガードヒータ１２０の温度が３８０℃、低温側の温度Ｔ_ｃが３０℃で、温度差３５０ ℃の時に輻射による熱伝達量は約６Ｗと計算される。しかし、第１熱ガード１３０を流れる熱流は７００Ｗなので、熱回路として並列に入る輻射による熱流の寄与は第１熱ガード１３０の熱流よりも十分に小さい。熱回路の近似はこの温度範囲では全く問題ないと結論される。従って、電気回路の分圧回路と同じように、シールド側の低温側の温度と、試料部分の低温側の温度はそれぞれの熱抵抗の比として、近似的に次のように表すことができる。

【数1】

【0022】

高温側はほぼ熱浴と見做してよく、Ｔ_ｈは共通であるので、この二つの温度が等しいとき（Ｔ_ｃｇ＝Ｔ_ｃｓ）に、熱電デバイス２４０とその周囲に配置した第１熱ガード１３０の温度差が等しくなる。つまり、熱抵抗の間で満足すべき関係は（１）式と（２）式が等しいときで、次のとおりとなる。

【数2】

【0023】

このような（３）式を満たすように、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０の素材及び形状を決定する。なお、（３）式の左辺と右辺とが完全に一致せずとも、一定の誤差範囲であれば、効果を有する。この誤差範囲であれば、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０で形成される温度分布が、試料部分における温度分布と類似する範囲となる。

【0024】

次に、図８乃至図１１を用いて、本実施の形態の評価装置の主要部に関係する他の部分について概要を説明する。図８に示すように、図４に示した主要部は、加圧部４００で加圧されるようになっており、図４に示した主要部及び加圧部４００が、冷却パイプ３２０が付設された真空チャンバー３１０内で収容されて、真空で測定が行われるようになっている。

【0025】

図９は、真空チャンバー３１０に関連する構成を除去した状態を表しており、これを用いて加圧部４００の構成を説明する。下面板４７０と上面板４６０との間に、図４に示した主要部（断熱材１１０から冷却プレート１５０までの構成）とロードセル４５０とを挟み、支柱４３０で支えるようになっている。加圧用ネジ４１０を回転させて下面板４７０と上面板４６０との間を狭めることで、図４に示した主要部に圧力を加えて、評価中に、熱電デバイス２４０とメインヒータ２３０との間の熱抵抗を低減させる。なお、上面板４６０には、図４に示した主要部の大部分を覆うような熱リフレクタ（反射板）４２０が吊り下げられている。

【0026】

図１０は、試料部分の概要を示す図である。試料部分は、おおよそ直方体であり、温度計２１１、２３１、２５１及び２５２などからのケーブルは、中継端子台２６０を介して外部に引き出される。

【0027】

なお、図１１は、図４とは異なり、ガードヒータ１２０、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０の一部を除去しない状態における評価装置の主要部の側面を示す。第１熱ガード１３０には、窓は設けられておらず、完全に熱電デバイス２４０を囲っている。

【0028】

以下、本実施の形態に係る評価装置に対する評価について説明するが、評価装置の主要部の構成について具体例を示す。第２熱ガード１４０は、無酸素銅からなり、高さは４０ｍｍ、厚みは１５ｍｍとした。第１熱ガード１３０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４材）からなり、厚み３ｍｍ、高さ８ｍｍとした。一方、熱電デバイス２４０としては、典型的な熱抵抗値をもつ高性能な酸化物素材を素材に用いた熱電デバイスを採用した。熱流計２５０についても、無酸素銅製の熱流計を採用した。このような例の場合、（３）式を略満たすことが確認できた。なお、第１熱ガード１３０の厚みはある程度薄くすることになるが、この例では上で述べたように３ｍｍまで削ることで、（３）式を満たすことが出来た。なお、この厚みであれば、加圧中に反りもあまり発生せず、加圧部４００で評価中に加えられる１ＭＰａ以上の極めて大きな圧縮応力にも十分耐えることが出来た。

【0029】

次に、本実施の形態に係る第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０が上で述べたような効果を奏するかを確認する。上で述べたような効果を奏する場合には、熱電デバイス２４０の側面からの熱流の損失は抑制されるはずなので、熱電デバイス２４０へ投入した熱流と通過した熱流とは一致すると考えられる。そこで、メインヒータ２３０の電力量（高温側の熱流値）と熱電デバイス２４０下部の熱流計により熱流（低温側の熱流値）を測定し、比較した結果を、図１２に示す。図１２では、横軸は、高温側と低温側の温度差［Ｋ］を表しており、縦軸は熱流［Ｗ］を表している。黒三角は、高温側の熱流値を表しており、黒丸は、本実施の形態に係る低温側の熱流値を表しており、灰色菱形は、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０を設けない場合における低温側の熱流値を表している。高温側の熱流値と低温側の熱流値とが一致していれば、本実施の形態の効果が認められる。図１２によれば、温度差８０Ｋ程度から３８０Ｋ程度まで、略一致している。すなわち、輻射による損失はＴ_ｈ＝３８０Ｋのときに、デバイス形状を考慮すると約３％と推測される（輻射率１と仮定）が、それを上回るような乖離は観測されなかった。一方、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０を設けない場合には、温度差３８０Ｋになると、灰色菱形が、黒三角から離れており、実際の評価時に想定される４００Ｋ程度の温度差では、本実施の形態の効果が認められる。

【0030】

また、第１熱ガード１３０の厚み３ｍｍの場合と、厚み４ｍｍの場合との比較を、図１３に示す。図１３においても、図１２と同様に、横軸は、高温側と低温側の温度差［Ｋ］を表しており、縦軸は熱流［Ｗ］を表している。黒丸は、厚み３ｍｍの場合における低温側の熱流値を表しており、黒三角は、厚み４ｍｍの場合における低温側の熱流値を表している。この図からすると、厚み３ｍｍの場合と４ｍｍの場合とはほぼ同じであり、（３）式の右辺と左辺とが約２２％ずれることになるが、この温度範囲であれば、問題が無いことが分かる。すなわち、（３）式を完全に満たさずとも、この程度の誤差範囲であれば、効果を認めることが出来る。

【0031】

なお、図１４を用いて、本評価装置が、発電試験で正しく動作できたことを示す。すなわち、熱電デバイス２４０に温度差を与え、外部負荷抵抗をつないで、どの程度発電（すなわち熱エネルギから変換された電気エネルギを取り出す）するか表したものである。図１４において、縦軸は、出力電力［Ｗ］又は端子電圧［Ｖ］を表しており、横軸は、負荷電流［ｍＡ］を表している。白丸で表される直線状のデータは、発生する端子電圧［右縦軸］、熱電デバイス２４０に流れる負荷電流との関係を表す電流－電圧直線である。熱電デバイス２４０には電池と同じように内部抵抗があるので、負荷電流が増えると電圧降下が生じ、端子電圧は単調に低下する。一方、黒丸で表される放物線状の曲線データは、電力（電圧×負荷電流）［左縦軸］と負荷電流の関係を表している。このような直線及び放物線のデータが得られれば、熱電デバイス２４０を正しく評価できていることが分かる。

【0032】

さらに、図１５に、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０の断熱効果を数値計算で評価した結果を示す。図１５の右側に示すように、熱電デバイス２４０は、例えば４列の熱電素子を並べることで構成されているが、図１５の左側は、側面側に配置された第１列の熱電素子、内側に配置された第２列及び第３列の熱電素子、反対の側面側に配置された第４列の熱電素子について、各々の温度分布を示している。この数値計算の結果からすると、上段に示すように、本実施の形態のように第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０を設ければ、４つの列の熱電素子について、それほど温度分布に差は無い。すなわち、側方への熱流漏洩は抑制されている。一方、下段に示すように、第１熱ガード１３０及び第２熱ガード１４０を設けない場合、４つの列の熱電対のうち、外側の第１列及び第４列については、明らかに内側の第２及び第３列よりも、低い温度分布を示している。すなわち、側方への熱流漏洩が発生しており、それによって熱電デバイス２４０の発電効率を正しく評価できていないことが分かる。

【0033】

以上のように、本実施の形態によれば、側方への熱流漏洩を抑制でき、熱電デバイスの発電効率をより精度良く測定できるようになる。

【0034】

また、加工性に優れ、且つ輻射率が低い金属素材で局所的に急峻な温度分布を熱ガード（すなわちシールド部分）を実現でき、試料部分における温度分布と同一又は類似の温度分布を実現できる。また、断熱材を用いないので、試料の交換や脱着、評価装置のメンテナンスの手間は、断熱材を敷き詰める方式よりも減ると期待される。

【0035】

さらに、本実施の形態は、熱電デバイスに限らず、熱流測定を要する、断熱材、熱流センサなどへの応用も可能と思われる。

【0036】

［実施の形態２］
第１の実施の形態では、第１熱ガード１３０にはステンレス鋼を用いており、加工性が高いので、輻射による熱流の損失を促す窓を設けるようにしても良い。すなわち、図１６に示すように、第１熱ガード１３０の代わりに、窓１３１を有する第１熱ガード１３０ｂを設けるようにしても良い。第１熱ガード１３０ｂを設ける場合においても、（３）式を満たすようにする。

【0037】

また、金属の優れた加工性と組み立てが容易な構造の特徴を生かし、第１熱ガード１３０ｂのように側面に輻射による熱流の損失を促す窓１３１を設けることで、熱電デバイス２４０側面からの熱損失を評価することも可能となる。つまり、窓１３１を設けた場合と、窓１３１を設けない場合とで比較を行うことにより、熱電デバイス２４０側面からの熱損失量を推定することが可能になる。これにより、さまざま測定方式がある熱電デバイス２４０の評価を１台の評価装置で行うことが可能となり、異種方式間の極めて精密な相互比較が可能になる計測技術向上の面でも大きな効果が期待される。

【0038】

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。特に、第１熱ガードの材質及びサイズについては、評価対象である熱電デバイスなどに応じて相対的に決定されるものであり、上で述べた例は一例に過ぎない。その他の素材及びサイズについても、一例に過ぎない。

【0039】

以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。

【0040】

実施の形態に係る評価装置は、評価対象のデバイス（例えば熱電デバイス２４０）の上側に設けられる第１のヒータ（例えばメインヒータ２３０）と、デバイスと、デバイスの下側に設けられる熱流計（例えば熱流計２５０）とが第１の方向に並べられた構成（例えば試料部分）の、第１の方向に直交する第２の方向の側面を空間を空けて囲うシールド（例えばシールド部分）であって、上記構成において第１の方向に生じる温度分布（温度勾配とも呼ぶ）と同じ又は類似の温度分布を形成するように、ガードヒータ（例えばガードヒータ１２０）と第１の熱ガード（例えば第１熱ガード１３０）と第１の熱ガードとは異なる熱抵抗を有する第２の熱ガード（例えば第２熱ガード１５０）とが配置されるシールドを有する。

【0041】

上で述べたようなシールドを採用することで、熱電デバイスなどのデバイスの側方への熱流の漏出を抑制できるようになるため、発電効率などの評価を精度良く実施できるようになる。なお、断熱材を充填することは無く空間を空けて囲っているので、従来に比してデバイスの交換などの手間を削減できるという利点もある。

【0042】

なお、具体的には、第１の熱ガードと第２の熱ガードとの接続部分の温度と、上記デバイスと熱流計との接続部分の温度とが同一又は近似するように第１の熱ガード及び第２の熱ガードが構成されるようにしても良い。上記デバイスが熱電デバイスである場合には、熱電デバイスでは非常に急峻な温度勾配が生じており、第１の熱ガードと第２の熱ガードとの接続部分の温度を、上記デバイスと熱流計との接続部分の温度とが同一又は近似するように、第１及び第２の熱ガードを構成できれば、上で述べた温度分布を同一又は近似する具体的な構成が得られる。

【0043】

より具体的には、第１の熱ガードの熱抵抗Ｒ_ｇ１、第２の熱ガードの熱抵抗Ｒ_ｇ２、上記デバイスの熱抵抗Ｒ_ｓ、及び熱流計の熱抵抗Ｒ_ｈについて、

【数3】

が、所定の誤差範囲内において成立するように、第１の熱ガード及び第２の熱ガードが構成されるようにしても良い。

【0044】

上で述べた実施の形態では、２２％程度（３）式の両辺がずれていても、温度分布はほぼ同じであるので、その程度の誤差範囲であれば、問題ないと推定される。

【0045】

また、上で述べた第１の熱ガードに、窓を設けるようにしても良い。これによって、側方の熱流漏洩の有無を比較するなどの評価を行うことが出来るようになる。なお、断熱材を充填しないような構成であるから、窓ありと窓無しの第１の熱ガードを交換するのも容易である。

【0046】

なお、上で述べた第１の熱ガードが、上記デバイスの幅と同一又は近似する幅を有し、第１の方向において上記デバイスと同一又は近似の位置に配置されるようにしても良い。なお、上記構成とシールドとの間に設ける空間は、側方への熱流漏出を抑制するという観点において狭い方が良いが、全体のサイズ、熱ガードなどの素材、操作性などを総合的に勘案した上で決定されるもので、一義的に決められるものでは無い。

【0047】

また、上で述べた構成が、第１のヒータの上に設けられた断熱材（例えば断熱材２３０）と、断熱材の上に設けられた第２のヒータ（例えばガードヒータ２１０）とをさらに含むようにしても良い。ガードヒータ、第１のヒータ及び第２のヒータにて、上記構成の上部の温度を目標のとおりに制御するものである。

【符号の説明】

【0048】

１１０，２３０ 断熱材 １２０，２１０ ガードヒータ
１３０ 第１熱ガード １４０ 第２熱ガード
１５０ 冷却プレート ２３０ メインヒータ
２４０ 熱電デバイス ２５０ 熱流計
１２１，２５１，２３１，２５２ 温度計
１０ カートリッジ型ヒータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】