(57)【要約】【課題】弾性を有する被測定体や接触熱抵抗の大きな被測定体の熱伝導率を正確に測定できる、熱伝導率の測定装置および測定方法を提供する。【解決手段】被測定体を、それぞれの一端で挟持するように対向配置された加熱側ロッド及び冷却側ロッドと、加熱側ロッド及び冷却側ロッドのそれぞれに設けられた温度センサと、加熱側ロッドの他端に設けられた加熱手段と、冷却側ロッドの他端に設けられた冷却手段とを含み、加熱手段から冷却手段に熱流を与えて、温度センサで加熱側ロッドと冷却側ロッドとの温度勾配を測定し、温度勾配より計算した被測定体中の被測定体温度勾配と、被測定体の被測定体膜厚から、被測定体の熱伝導率を計算する熱伝導率測定装置において、熱伝導率測定装置が、更に、被測定体膜厚を複数点で測定する膜厚測定手段を含み、被測定体膜厚が、膜厚測定手段の測定膜厚に基づいて定められる。【選択図】図１
2008309729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体を、それぞれの一端で挟持するように対向配置された加熱側ロッド及び冷却側ロッドと、
該加熱側ロッド及び該冷却側ロッドのそれぞれに設けられた温度センサと、
該加熱側ロッドの他端に設けられた加熱手段と、
該冷却側ロッドの他端に設けられた冷却手段とを含み、
該加熱手段から該冷却手段に熱流を与えて、該温度センサで該加熱側ロッドと該冷却側ロッドとの温度勾配を測定し、該温度勾配より計算した該被測定体中の被測定体温度勾配と、被測定体の被測定体膜厚から、該被測定体の熱伝導率を計算する熱伝導率測定装置であって、
熱伝導率測定装置が、更に、該被測定体膜厚を複数点で測定する膜厚測定手段を含み、被測定体膜厚が、該膜厚測定手段の測定膜厚に基づいて定められることを特徴とする熱伝導率測定装置。
【請求項２】
上記膜厚測定手段が、上記冷却側ロッド側から上記被測定体を貫通して上記加熱側ロッドに接するように配置された接触式変位計測棒からなることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導率測定装置。
【請求項３】
上記加熱側ロッドと上記冷却側ロッドとの間で上記被測定体を加圧する加圧手段を備え、該加圧手段で該被測定体を加圧した状態で、該被測定体の熱伝導率を計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導率測定装置。
【請求項４】
加熱側ロッドと冷却側ロッドとの間に被測定体を挟む工程と、
該加熱側ロッドの上端から冷却側ロッドの下端に熱流を流し、該加熱側ロッド中および該冷却側ロッド中の温度勾配を測定する測定工程と、
該加熱側ロッドおよび該冷却側ロッドの温度勾配の測定結果から、該被測定体中の被測定体温度差（ΔＴ）を求める工程と、
該測定工程中に、該被測定体の膜厚を複数点で測定し、被測定体膜厚（ｔｓ）を求める工程と、
該被測定体温度差（ΔＴ）と該被測定体膜厚（ｔｓ）から、該被測定体の熱伝導率（ｋｕ）を求める工程とを含むことを特徴とする熱伝導率測定方法。
【請求項５】
上記加熱側ロッドと上記冷却側ロッドとの間で上記被測定体を加圧し、該被測定体の膜厚（ｔｓ）が加圧により異なった複数の状態で、該加熱側ロッドと該冷却側ロッドとの間の熱抵抗（Ｒｃ）をそれぞれ求める工程と、
該被測定体の熱伝導率（ｋｕ）を、以下の式：
ｋｕ＝１／（ｄＲｃ／ｄｔｓ・Ａ）
から求める工程とを含むことを特徴とする請求項４に記載の熱伝導率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定体の熱伝導率の測定装置および測定方法に関し、特に、弾性を有する被測定体や、接触熱抵抗の大きな被測定体の熱伝導率を正確に測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、全体が５００で表される、従来の熱伝導率測定装置の概略図である。
熱伝導率測定装置５００では、被測定体２３の上下に予め熱伝導率ｋｒｏｔが既知な加熱側ロッド２１及び冷却側ロッド２２が設けられ、加熱側ロッド２１の最上部は加熱ブロック１１により加熱され、冷却側ロッド２２の最下部は冷却ブロック１２により冷却される。加熱ブロック１１にはヒータ１０が挿入され、冷却ブロック１２には冷媒が内部を流れている。加熱側ロッド２１及び冷却側ロッド２２内には、温度分布測定用のために所定間隔毎に孔が設けられており、この孔内に温度測定センサ４１、４２が埋設されている。また、加熱ブロック１１の上部には、ロッド２１、２２と被測定体２３の間の接触面圧力を制御する付加力装置１５が配設されており、接触面圧力の測定用にロードセル１３が設置されている。
【０００３】
被測定体２３を通過する熱流束、ｚ軸方向の温度差、ｚ軸方向の膜厚をそれぞれｑ、ΔＴ、ｔｓとすると、被測定体２３の熱伝導率ｋｕは、
ｋｕ＝ｑ／（ΔＴ／ｔｓ）
で表される（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】L.S.Flether et al., "Themal Conductance of Multilayered Metalic Sheets", AIAA26th Thermophysics Conference, June 24-26,1991, Honolulu Hawaii
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の式から明らかなように、熱伝導率ｋｕは、被測定体２３の厚さｔｓの測定精度に大きく影響される。従って、例えば、被測定体２３がグリースやラバーなどの軟らかい材料の場合、被測定体の熱膨張や接触圧の変化などにより測定中に厚さが変化するため、厚さｔｓの測定値が不正確になり、正確な熱伝導率を求めることが困難であった。
【０００５】
また、被測定体２３と、加熱側ロッド２１、冷却側ロッド２２との接触面に空気などの膜が存在して接触熱抵抗が生じる場合、ΔＴが不正確となり、正確な熱伝導率を求めることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、弾性を有する被測定体や接触熱抵抗の大きな被測定体の熱伝導率を正確に測定できる、熱伝導率の測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被測定体を、それぞれの一端で挟持するように対向配置された加熱側ロッド及び冷却側ロッドと、加熱側ロッド及び冷却側ロッドのそれぞれに設けられた温度センサと、加熱側ロッドの他端に設けられた加熱手段と、冷却側ロッドの他端に設けられた冷却手段とを含み、加熱手段から冷却手段に熱流を与えて、温度センサで加熱側ロッドと冷却側ロッドとの温度勾配を測定し、温度勾配より計算した被測定体中の被測定体温度勾配と、被測定体の被測定体膜厚から、被測定体の熱伝導率を計算する熱伝導率測定装置であって、熱伝導率測定装置が、更に、被測定体膜厚を複数点で測定する膜厚測定手段を含み、被測定体膜厚が、膜厚測定手段の測定膜厚に基づいて定められることを特徴とする熱伝導率測定装置である。
【０００８】
また、本発明は、加熱側ロッドと冷却側ロッドとの間に被測定体を挟む工程と、加熱側ロッドの上端から冷却側ロッドの下端に熱流を流し、加熱側ロッド中および冷却側ロッド中の温度勾配を測定する測定工程と、加熱側ロッドおよび冷却側ロッドの温度勾配の測定結果から、被測定体中の測定体温度勾配（ΔＴ）を求める工程と、測定工程中に、被測定体の膜厚を複数点で測定し、被測定体膜厚（ｔｓ）を求める工程と、被測定体温度勾配（ΔＴ）と被測定体膜厚（ｔｓ）から、被測定体の熱伝導率（ｋｕ）を求める工程とを含むことを特徴とする熱伝導率測定方法でもある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被測定体が弾性を有する場合や、被測定体とロッドとの間に接触熱抵抗が生じる場合にも、被測定体の熱抵抗値を正確に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかる熱伝導率測定装置の概略図であり、図１（ａ）に装置全体の概略図を、図１（ｂ）に、図１（ａ）をＡ−Ａ方向にみた場合の、冷却側ロッド２２の断面図を示す。図１において、上述の図５と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、熱伝導率測定装置１００では、例えばグリースやラバーなどの被測定体２３が、２つのロッド２１及び２２に挟まれている。ｚ軸方向（上下方向）に見て被測定体２３の上側のロッドを加熱側ロッド２１、下側のロッドを冷却側ロッド２２とする。
【００１２】
加熱側ロッド２１及び冷却側ロッド２２には、ｚ軸方向に沿って複数の孔が設けられ、それぞれの孔内には、ロッド内のｚ軸方向の温度分布を測定するために、例えば熱電対から構成されるロッド温度測定センサ４１、４２が挿入されている。なお、ロッド２１、２２の材料には、銅（熱伝導率４００Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ）、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４（熱伝導率１６Ｗ／ｍＫ）など、被測定体の温度差ΔＴと、ロッド２１、２２のそれぞれの全長に生じる温度差が、同程度になるような材料を選択するのが好ましい。
【００１３】
加熱側ロッド２１の被測定体２３と接触する面の反対側には、ヒータ１０が取り付けられた加熱ブロック１１が配置されている。ヒータ１０には、セラミックヒータ等が用いられる。加熱ブロック１１には、加熱ブロック１１中での温度差を小さくするために、熱伝導率の大きな銅等を用いることが好ましい。
【００１４】
冷却側ロッド２２の被測定体２３と接触する面の反対側には、冷媒が内部を流れる冷却ブロック１２が配置されている。冷却ブロック１２にも、冷却ブロック１２中での温度差を小さくするため、熱伝導率の大きな銅等を用いることが好ましい。
【００１５】
加熱ブロック１１の上には、断熱性の支持部材１４、接触面圧力を測定するためのロードセル１３が設けられている。支持部材１４は、加熱ブロック１１から熱が伝わってロードセル１３が高温にならないように設けられている。支持部材１４としては、断熱性を高くするために、熱伝導率の小さなテフロン（登録商標）やセラミックなどが用いられる。
【００１６】
ロードセル１３には、バネ１５ａを介して、付加力装置１５により圧力が加わるようになっている。図１では、付加力装置１５としてねじ機構で動作するスライド式の加圧装置を示したが、その他の構成の加圧装置であっても良い。
【００１７】
一方、冷却ブロック１２および冷却側ロッド２２には、これらを下方から貫通する複数の孔が設けられ、その中に、それぞれ接触式変位計測棒（接触式変位計用プローブ）６２が挿入されている。接触式変位計測棒６２は、例えば、直径が約１ｍｍ、長さが約５０ｍｍのステンレス鋼の棒からなる。
【００１８】
例えば、被測定体２３の断面が５０ｍｍ×５０ｍｍの場合、直径１ｍｍの接触式変位計測棒６２が５本、図１（ｂ）のように配置される。
【００１９】
次に、本実施の形態にかかる熱伝導率測定装置１００の動作について説明する。
上述のように、２つのロッド２１、２２の間に被測定体２３を挟み、付加力装置１５を用いて固定する。２つのロッド２１、２２と、被測定体２３の断面積は略同じである。断面形状は、矩形の他、長方形、円形等であっても構わない。
【００２０】
加熱ブロック１１を加熱し、冷却ブロック１２を冷却すると、加熱ブロック１１から加熱側ロッド２１に熱が流入し、被測定体２３を通って、冷却側ロッド２２から流出する。
図２に、このときの温度分布を示す。図２において、横軸は上下方向の測定位置であり、縦軸はロッド温度測定センサ４１、４２で測定したロッド２１、２２の温度である。
図２において、加熱ブロック１１から冷却ブロック１２に流れる熱流速をｑとすると、ｑは以下の（式１）で表される。
【００２１】
【数１】
2008309729.tif 000003
【００２２】
ここで、ｑ１は加熱側ロッド２１から被測定体２３へ流入した熱流束（Ｗ／ｍ２）、ｑ２は被測定体２３から冷却側ロッド２２へ流入した熱流束（Ｗ／ｍ２）である。熱流束ｑ１、ｑ２は以下の（式２）、（式３）で与えられる。
【００２３】
【数２】
2008309729.tif 000004
【００２４】
従って、２つのロッド２１、２２の間の熱抵抗Ｒｃは、測定した２つのロッド２１、２２の温度勾配から、（式４）により求められる。
【００２５】
【数３】
2008309729.tif 000005
【００２６】
ここで、熱抵抗Ｒｃは、２つのロッド２１、２２と、被測定体２３との間の接触圧力に依存する。従って、付加力装置１５及びロードセル１３を使用して、２つのロッド２１、２２と被測定体２３との間の接触圧力を可変しながら、所定の圧力値毎に上記温度勾配を測定して上記熱抵抗Ｒｃを求める。
【００２７】
次に、被測定体２３の熱伝導率ｋｕを調べたい場合、ｚ軸方向に厚みのある被測定体２３に設けた複数の孔に、それぞれ温度測定センサを埋設し、被測定体２３のｚ軸方向の温度勾配を測定する。このとき、被測定体２３を通過する熱流束ｑは（式５）で定義される。
【００２８】
【数４】
2008309729.tif 000006
【００２９】
従って、被測定体２３の熱伝導率ｋｕは、被測定体２３の温度勾配を用いて（式６）で求められる。
【００３０】
【数５】
2008309729.tif 000007
【００３１】
一方、被測定体２３のｚ軸方向の厚みが非常に薄く、複数の孔を設けることができない場合、被測定体２３のｚ軸方向の温度勾配を（式４）のΔＴ（２つのロッド内のそれぞれの温度勾配の外挿線から求めた温度差）により求めて、（式６）に代入しても良い。
【００３２】
この場合、被測定体２３の熱伝導率ｋｕは、（式７）から以下のように求められる。
【００３３】
ｋｕ＝ｑ／（ΔＴ／ｔｓ）                            （式７）
ただし、ｔｓは、被測定体２３の厚さ（ｍ）である。
【００３４】
このように、（式７）から、熱伝導率ｋｕは、被測定体２３の厚さｔｓの測定精度に大きく影響されることがわかる。例えば、被測定体２３がグリースやラバーなどのような軟らかい材料の場合、被測定体の熱膨張や接触圧の変化などにより厚さが変化し、熱伝導率ｋｕの値が不正確になる。
【００３５】
これに対して、熱伝導率測定装置１００では、複数の接触式変位計測棒６２を設けることにより、被測定体２３の厚さｔｓを実測し、熱伝導率ｋｕの値をより精度良く求める。
【００３６】
被測定体２３の厚さｔｓの測定方法を以下に示す。
図３は、接触式変位計測棒６２の変位の較正方法を示したものである。変位較正ブロック６３は、接触式変位計測棒６２の変位較正に用いられる治具である。変位較正ブロック６３は、片面が平坦であり、他の片面には、既知の深さＨｂの凹部が設けられている。
【００３７】
変位の較正工程では、冷却側ロッド２２の上に被測定体２３を載せる前に、変位較正ブロック６３を載せて較正作業を行う。図３（ａ）は、被測定体２３を平坦な面を下にして載せた場合で、変位０の場合に相当する。一方、図３（ｂ）は、凹部を有する面を下にして載せた場合であり、変位は既知の値Ｈｂである。
【００３８】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、変位較正ブロック６３の凹部の有無によって、接触式変位計測棒６２は伸縮する。その伸縮程度は電気信号に変換され、変位量０およびＨｂの測定値として計測される。ここでは、これらの変位量と測定値とを用いて、接触式変位計測棒６２の変位較正を行う。
【００３９】
続いて、被測定体２３に膜厚方向に貫通孔を設け、接触式変位計測棒６２が貫通孔を通るように冷却側ロッド２２上に被測定体２３を載せる。更に、その上部に、接触式変位計測棒６２の先端が突き当たるように、加熱側ロッド２１を載せる。これにより、接触式変位計測棒６２の変位量が、被測定体２３の厚さと等しくなり、被測定体２３の厚さｔｓを正確に計測できる。この結果、被測定体２３の熱伝導率ｋｕを（式１）、（式７）から精度良く求めることができる。
【００４０】
特に、図１（ｂ）に示すように、複数の接触式変位計測棒６２を用いて、被測定体２３の複数の位置で厚さｔｓを測定するため、被測定体２３が傾いて厚さｔｓが面内で一定でない場合でも、複数の測定結果から平均厚さを求めることにより、被測定体２３の熱伝導率ｋｕを精度良く求めることができる。
【００４１】
次に、被測定体２３と、加熱側ロッド２１、冷却側ロッド２２との接触面に空気などの膜が存在し、接触熱抵抗Ｒｓが生じる場合について考える。接触熱抵抗Ｒｓがあると、図２に示すような、２つのロッド２１、２２内の温度勾配の外挿線から求めた温度差ΔＴが、実際の被測定体２３の温度差とはならない。
【００４２】
このような場合には、付加力装置１５を用いて、接触面圧力を増減させることにより、被測定体２３の厚さｔｓを変化させ、その時の熱抵抗Ｒｃを、測定した２つのロッド２１、２２の温度勾配から、（式４）により求める。
【００４３】
図４は、測定体２３の試験辺厚さ（ｔｓ）と、その時の熱抵抗Ｒｃとの関係であり、横軸に測定体２３の試験辺厚さ（ｔｓ）、縦軸に（式４）から求めた熱抵抗（ＲＣ）を示す。図４に示す直線の傾きより、被測定体２３の厚さｔｓに対するＲｃの変化（ｄＲｃ／ｄｔｓ）を求める。
【００４４】
ここで、２つの接触面を含む被測定体２３の熱抵抗Ｒｃは以下の（式８）で表される。
【００４５】
Ｒｃ＝２×Ｒｓ＋ｔｓ／（ｋｕ・Ａ）                （式８）
【００４６】
従って、（式８）をｔｓで微分することにより、被測定体２３の熱伝導率ｋｕは、以下の（式９）で表される。
【００４７】
ｋｕ＝１／（ｄＲｃ／ｄｔｓ・Ａ）              （式９）
【００４８】
従って、被測定体２３の厚さｔｓに対するＲｃの変化（ｄＲｃ／ｄｔｓ）を図４の傾きより求め、これを（式９）に代入することにより、熱伝導率ｋｕを正確に求めることができる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態にかかる熱伝導率の測定装置および測定方法を用いることにより、被測定体がグリースやラバー等のような弾性体からなり、測定時に膜厚が不均一に変化しても、複数点で被測定体の膜厚を測定することにより、熱伝導率を正確に求めることができる。
【００５０】
また、本実施の形態にかかる他の熱伝導率の測定装置および測定方法を用いることにより、被測定体と、加熱側ロッド、冷却側ロッドとの接触面に空気などの膜が存在し、接触面において熱抵抗が生じる場合でも、被測定体の熱伝導率を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる熱伝導率測定装置である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる熱伝導率測定装置のロッド及び被測定体の温度分布である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる接触式変位計測棒の変位の較正方法である。
【図４】測定体の試験辺厚さ（ｔｓ）と、その時の熱抵抗（Ｒｃ）との関係である。
【図５】従来の熱伝導率測定装置である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ヒータ、１１  加熱ブロック、１２  冷却ブロック、１３  ロードセル、１４  支持部材、１５  付加力装置、１５ａ  バネ、２１  加熱側ロッド、２２  冷却側ロッド、２３  被測定体、４１、４２  ロッド温度測定センサ、６２  接触式変位計測棒、１００  熱伝導率測定装置。
【図１】
2008309729.tif 000008
【図２】
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【図３】
2008309729.tif 000010
【図４】
2008309729.tif 000011
【図５】
2008309729.tif 000012