(57)【要約】【課題】  測定終了時点から次のサンプル交換までの交換時間を短縮し、熱抵抗測定装置の測定効率及び精度を向上する。【解決手段】  測定サンプル３を加熱軸１と冷却軸２との間に挟み、測定サンプル３の表裏面の温度差と熱量から熱抵抗を求める熱抵抗測定装置において、加熱軸１及び冷却軸２にそれぞれ取り付けられ冷媒が流れる冷却ジャケット４，８と、加熱軸１と冷却軸２の後方に設けられ、加熱軸１と冷却軸２とに冷却空気を吹き付ける冷却ファン５６と、加熱軸１と冷却軸２を取り囲む様に設置可能とされ、かつ分割された断熱材６と、断熱材６を移動させる断熱材移動機構と、を備え、測定サンプル３を加熱軸１と冷却軸２との間に挟み込んだ後、断熱材６は、断熱材移動機構によって加熱軸１と冷却軸２とを取り囲むように移動される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定サンプルを加熱軸と冷却軸との間に挟み、前記加熱軸から前記冷却軸方向に所望の熱量を流し、測定サンプルの表裏面の温度差と熱量から前記測定サンプルの熱抵抗を求める熱抵抗測定装置において、
前記加熱軸及び前記冷却軸の反前記測定サンプル側にそれぞれ取り付けられ冷媒が流れる冷却ジャケットと、
前記加熱軸と冷却軸の後方に設けられ、前記加熱軸と冷却軸とに冷却空気を吹き付ける冷却ファンと、
前記加熱軸と前記冷却軸を取り囲む様に設置可能とされ、かつ分割された断熱材と、
前記断熱材を移動させる断熱材移動機構と、
を備え、前記測定サンプルを前記加熱軸と前記冷却軸との間に挟み込んだ後、前記断熱材は、前記断熱材移動機構によって前記加熱軸と前記冷却軸とを取り囲むように移動されることを特徴とする熱抵抗測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記断熱材は前記測定サンプルの熱抵抗測定終了後、前記断熱材移動機構により移動され、前記加熱軸と前記冷却軸との取り囲みを開放し、前記加熱軸と前記冷却軸の周辺に前記冷却ファンからの冷却空気の流路を形成することを特徴とする熱抵抗測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記断熱材は前記測定サンプルの熱抵抗測定終了後、前記断熱材移動機構により移動され、前記加熱軸と前記冷却軸との取り囲みを開放し、前記加熱軸と前記冷却軸とを前記冷却ファンからの冷却空気で冷却すると共に、前記冷却ジャケット冷媒を流し、前記加熱軸，前記冷却軸，前記測定サンプルを冷却することを特徴とする熱抵抗測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、前記断熱材は４分割されたことを特徴とする熱抵抗測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載のものにおいて、前記冷却ファンは前記加熱軸及び前記冷却軸に沿って複数設置されたことを特徴とする熱抵抗測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定サンプルを加熱軸と冷却軸との間に挟み、そのサンプルに所望の熱量を流し、その表裏面の温度差から熱抵抗値などを求める熱抵抗測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、コンピュータ用ＣＰＵや小型電子部品の冷却性能向上のために、熱伝導グリースや熱伝導シートなどの高分子材料が多用され、また、その開発も盛んに行われている。そのため、熱伝導グリースや熱伝導シートの熱抵抗や熱伝導率などの熱物性を高精度で評価できる評価装置が用いられ、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２１３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術のような熱伝導グリースや熱伝導シートなどの熱抵抗や熱伝導率を高精度で測定する熱抵抗測定装置において、多数のサンプルを連続測定する場合、サンプル交換時に測定部の温度を所望の温度まで低下させるための時間が長く、測定効率が低い。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、測定終了時点から次のサンプル交換までの交換時間を短縮し、熱抵抗測定装置の測定効率及び精度を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、測定サンプルを加熱軸と冷却軸との間に挟み、前記加熱軸から前記冷却軸方向に所望の熱量を流し、測定サンプルの表裏面の温度差と熱量から前記測定サンプルの熱抵抗を求める熱抵抗測定装置において、前記加熱軸及び前記冷却軸の反前記測定サンプル側にそれぞれ取り付けられ冷媒が流れる冷却ジャケットと、前記加熱軸と冷却軸の後方に設けられ、前記加熱軸と冷却軸とに冷却空気を吹き付ける冷却ファンと、前記加熱軸と前記冷却軸を取り囲む様に設置可能とされ、かつ分割された断熱材と、前記断熱材を移動させる断熱材移動機構と、を備え、前記測定サンプルを前記加熱軸と前記冷却軸との間に挟み込んだ後、前記断熱材は、前記断熱材移動機構によって前記加熱軸と前記冷却軸とを取り囲むように移動されるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、測定終了後の加熱軸と冷却軸を高速で冷却できるため、測定サンプル交換の時間が大幅に短縮でき、測定効率が向上できる。また、連続して同一サンプルを測定する場合、初回測定終了後から次回測定開始までの時間が短くなるため、測定誤差を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明による一実施形態の熱抵抗測定装置の全体構成を説明する。  
図１は、ベース板２２に４本の支柱２１とＺ軸ステージ１３が固定設置され、支柱２１には、デジタル隙間検出器発光部１１，デジタル隙間検出器１２，上部プレート１５が固定され、上部プレートには、ロードセル１０が取り付けてある。  
中間プレート１７は、支柱２１に沿って上下方向に移動できる様な構造であり、中間プレート１７には、加熱軸１，加熱軸側ヒータブロック５，加熱軸側冷却ジャケット４（例えば、細い金属製の管の中に冷媒を流し、循環させる構造）および加熱軸側断熱材６より成る加熱ユニットが固定設置されている。また、Ｚ軸ステージ１３には、冷却軸２，冷却軸側ヒータブロック７，冷却軸側冷却ジャケット８および冷却軸側断熱材９からなる冷却ユニットが固定設置されている。更に、加熱軸１と冷却軸２には、各軸の温度勾配を測るための熱電対が複数本取り付けてある。
【０００９】
また、加熱軸１および冷却軸２の測定サンプル３を挟む面の形状は同じで、同一面積であることが望ましく（例えば測定サンプルを挟む面積としては、１０mm2 ）また、測定上、ゆがみ，ひずみが生じている状態では測定値に影響を及ぼすため、両方の面が均一に接触する様に製作する必要がある。  
安全カバー１４は測定部分の前方および左右部分を覆ったＬ字型のものであり、測定中のけがや高温測定時の火傷を防ぐために装着する。材質は特定しないが、測定サンプル３の設定温度に耐えられる耐熱性のあるものであればよい。アルミ製あるいはアクリル製を使用することが良く、測定には全く影響がみられない。  
Ｚ軸ステージ１３の移動中、および測定作業中、また、測定終了後でも測定サンプル温度が５０℃以上の場合は、ロックがかかり、安全カバーが外れないようにしている。
【００１０】
軸周辺断熱材は、加熱ユニットと冷却ユニットを取り囲む様に設置してある。なお、使用する断熱材は例えばグラスファイバーをベースにした硬度の高いものを材質としている。
【００１１】
図２は熱抵抗測定装置本体３４と周辺機器との接続図を示している。  
制御ユニット３６には主として加熱軸１，冷却軸２の温度データを取り込み、パソコン
３５に送信するデータロガーと、加熱軸１，冷却軸２に取り付けた熱電対用の温度基準を設定する基準零接点装置と、測定動作の制御を行うシーケンサと、設定した電力を元に制御する直流安定化電源等の制御装置を備えている。熱抵抗測定装置本体３４と制御ユニット３６とは２５から３１までの７本のケーブルで接続してある。その内、３０と３１は熱電対から送られてくる測定温度のデータ管理用である。また、恒温槽３８は入力用と出力用の２本の配水チューブ（３２，３３）により、熱抵抗測定装置本体３４に冷媒を供給している。途中、出力用の配水チューブ３２には流量調整バルブ３７を通して、水量を調整している。
【００１２】
図３は冷却ユニットと加熱ユニットの構造であり、加熱ユニットの加熱軸１の測定部と反対側の面に、熱抵抗が小さくなる様に、まず、加熱軸側ヒータブロック５が接続され、さらに加熱軸側冷却ジャケット４が接続されている。加熱軸側冷却ジャケット４には、冷媒を加熱軸側冷却ジャケット４内に流すための出入口が設けてある。同様に、冷却ユニットの冷却軸１の測定部と反対側の面に、熱抵抗が小さくなる様に、冷却軸側ヒータブロック７が接続され、冷却軸側冷却ジャケット８が接続されている。冷却軸側冷却ジャケット８には、冷媒を冷却軸側冷却ジャケット８内に流すための出入口が設けてある。
【００１３】
次に、冷却ジャケット内への冷媒の流し方を説明する。恒温槽３８からの温調された冷媒を、流量調整バルブ３９，４０を用いて、加熱軸側冷却ジャケット４と冷却軸側冷却ジャケット８に流れる流量を調整し、所望の量になる様に分流する。この分流された冷媒は、各冷却ジャケット内を流れることで、加熱ユニットおよび冷却ユニットに蓄積された熱を受熱，温度上昇し、各冷却ジャケットから流出し、恒温槽３８に戻る。
【００１４】
図４から図６を用いて、断熱材の構造と冷却ファンの取り付け位置を説明する。図５は、図４のＡ−Ａ矢視図である。  
断熱材は、４分割された形状で、加熱軸１と冷却軸２を取り囲む様に設置してある。但し、図５では冷却軸２が加熱軸１に隠れるため図示していない。それぞれの軸周辺断熱材４９，５０，５３，５４には、断熱材を移動させるための移動用取手４７，４８，５１，５２が取り付けてある。この移動用取手はねじ込み式構造のため、軸周辺断熱材への取り付け，取り外しが容易に可能である。
【００１５】
加熱軸１，冷却軸２および測定サンプル３は４本の軸周辺断熱材４９，５０，５３，
５４に覆われ、隙間からしか目視できない。前方左側断熱材４９と前方右側断熱材５０の隙間が生じているが、極僅かであり、他の断熱材の間も同様である。更には安全カバー
１４によって外気とほぼ遮断されているため、測定終了後に測定サンプル３の温度降下に多くの時間が必要となる。
【００１６】
冷却ファン５６（例えば、縦横４０mm，厚さ１０mm程度が望ましい）は軸周辺断熱材の外側で、加熱軸１と冷却軸２の後方に設置してある。冷却ファン５６は最も温度が高くなる加熱軸１を集中的に冷やすため、加熱軸１の後方に１個だけ示したが、加熱軸１および冷却軸２に沿って複数個設置してもよい。また、図６に示す様に、冷却ファン５６は、背面カバー５５に取り付けてあり、背面カバー５５はベース２２に固定してある。
【００１７】
次に図７および図８を用いて、測定終了後の軸周辺断熱材の移動方法について説明する。図７は測定終了後に移動用取手４７，４８，５１，５２を横方向に引いた状態を示したものである。図８は、図７のＡ−Ａ矢視図である。  
移動用取手４７，４８，５１，５２を左右に引く事により、軸周辺断熱材４９，５０，５３，５４が横方向に移動し、加熱軸１および冷却軸２の周辺に空気流路が形成される。この空気流路を設けることにより、冷却ファン５６からの冷却空気が、加熱軸１と冷却軸２の周りを滑らかに流れる様になり、加熱軸１と冷却軸２の温度を迅速に冷やすことが可能となる。但し図８では冷却軸２が加熱軸１に隠れるため図示していない。なお、移動用取手を横に引く動作を手動で行う場合の説明をしたが、もちろん、モータなどで、動かすことで良い。
【００１８】
次に熱抵抗測定装置の測定原理について図９で説明する。  
加熱軸１と冷却軸２の間に測定サンプル３を挟んだ状態で、一定の熱量Ｑを加熱軸１から冷却軸２方向に流すと、加熱軸１と冷却軸２に温度分布（勾配）が発生する。この温度分布を、例えば、各軸の測定サンプルを挟む側の先端からいずれも一定の距離を置き、等間隔に取り付けた熱電対４１〜４６で検出する。熱電対の本数は、図９では加熱軸１と冷却軸２に各３個ずつ記載しているが、温度分布が把握できる本数であればよい。
【００１９】
測定した温度分布から、加熱軸１と測定サンプル３の接触部分の温度Ｔｈと、冷却軸２と測定サンプル３の接触部分の温度Ｔｃを推定し、その差分を分子とし、流した熱量Ｑで除することにより、界面の接触熱抵抗を含む測定サンプルの熱抵抗Ｒを求めることができる。式で表わすと以下の通りである。  
Ｒ＝（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｑ  
測定方法を図１から図８を用いて、以下説明する。  
Ｚ軸ステージ１３を上昇させることにより、冷却軸２の測定面を加熱軸１のそれと接触させるまで近づける。  
一定の荷重がかかって、両軸の測定面が接触した状態をデジタル隙間検出器１２で検出し、そこをゼロ基準と位置付け、以降、測定中はゼロの状態からどれだけ変化しているかをデジタル表示させる。
【００２０】
次に測定サンプルを両軸の間に挟むため、Ｚ軸ステージ１３を降下させる。降下させる位置は任意に設定可能だが、作業性を考慮した位置まで下げることが望ましい。測定サンプル３は、与えた熱量が確実に測定サンプルに伝わる様に、予め両軸の測定面と同一の寸法に揃えておく。また、測定サンプルの材質，表面形状等により、例えば表面の凹凸が顕著な場合、直接両軸の測定面と接触すると隙間に空気が入り、測定サンプル自体の測定値が正確に算出できないと判断した場合は、測定サンプルと両軸の測定面に、緩衝材として熱抵抗の極めて小さいグリース等を塗布した状態で測定する。その際は、予め使用するグリース等の熱抵抗値を本装置で測定し、測定サンプルの測定結果として算出された熱抵抗値からその数値を引くことにより、測定サンプル自体の熱抵抗値を求める。
【００２１】
測定サンプル３を冷却軸２の測定面に乗せた後に、Ｚ軸ステージ１３を上昇させ、加熱軸１の測定面と接触させる。この状態で測定サンプル３が両軸の間から、はみだしたり，位置がずれたり、している場合は、再度Ｚ軸ステージ１３を下降させ、再設定する。測定サンプル３が正常に挟まれていることを確認した後に、軸周辺断熱材は各軸を取り囲むように据え付ける。所定の測定条件を充たした時点から測定を始める。測定終了後、加熱ユニットのヒータブロックと冷却ユニットのヒータブロックによる加熱を停止する。  
軸周辺断熱材４９，５０，５３，５４を移動用取手４７，４８，５１，５２を用いて、手動で外方向に移動させ、冷却ファン５６を作動させる。  
加熱ユニットの加熱軸側冷却ジャケット４と冷却ユニットの加熱軸側冷却ジャケット８に冷媒を流す。これにより、測定終了後の加熱軸１，冷却軸２および測定サンプル３を高速に冷却することができる。
【００２２】
測定サンプルが５０℃以下になった時点で、Ｚ軸ステージ１３を降下させ、安全カバー１４を外し、測定サンプル３を取り出し、測定データをファイル形式でパソコン３５に自動格納する。  
以上の動作を繰り返して、多数の測定サンプルの測定を行う。  
本測定方法によれば、測定終了後の加熱軸１，冷却軸２および測定サンプル３を高速に冷却することができるため、測定サンプル交換時間が大幅に短縮でき、測定効率を向上できる。また、連続して同一サンプルを測定する場合、初回測定終了後から次回測定開始までの時間が短くなるため、測定誤差が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による一実施の形態である熱抵抗測定装置本体を示す側面図。
【図２】一実施の形態である熱抵抗測定装置のブロック図。
【図３】一実施の形態である冷却ユニットと加熱ユニットを示すブロック図。
【図４】測定時の軸周辺断熱材位置を示す側面図。
【図５】図４のＡ−Ａ矢視断面図。
【図６】一実施の形態である冷却ファン取り付け位置を示す側面図。
【図７】冷却時の軸周辺断熱材位置を示す側面図。
【図８】図７のＡ−Ａ矢視断面図。
【図９】熱抵抗測定装置の測定原理を示す説明図。
【符号の説明】
【００２４】
１  加熱軸
２  冷却軸
３  測定サンプル
４  加熱軸側冷却ジャケット
５  加熱軸側ヒータブロック
６  加熱軸側断熱材
７  冷却軸側ヒータブロック
８  冷却軸側冷却ジャケット
９  冷却軸側断熱材
１０  ロードセル
１１  デジタル隙間検出器発光部
１２  デジタル隙間検出器
１３  Ｚ軸ステージ
１４  安全カバー
１５  上部プレート
１６  リニアブッシュ
１７  中間プレート
１８  測長計マウント
１９  測長計ステージ
２０  中間固定ベース
２１  本体支柱
２２  ベース板
２３〜３１  接続ケーブル
３２，３３  配水チューブ
３４  熱抵抗測定装置本体
３５  パソコン
３６  制御ユニット
３７  流量調整バルブ
３８  恒温槽
３９，４０  流量調整弁
４１〜４３  加熱軸側熱電対
４４〜４６  冷却軸側熱電対
４７  移動用取手（左前方側）
４８  移動用取手（右前方側）
４９  軸周辺断熱材（左前方側）
５０  軸周辺断熱材（右前方側）
５１  移動用取手（左後方側）
５２  移動用取手（右後方側）
５３  軸周辺断熱材（左後方側）
５４  軸周辺断熱材（右後方側）
５５  背面カバー
５６  冷却ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008134111.tif 000009
【図８】
2008134111.tif 000010
【図９】
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