JP2005195553A

JP2005195553A - 熱流計

Info

Publication number: JP2005195553A
Application number: JP2004004575A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Moriguchi; 雅彦森口; Shingo Kimura; 親吾木村; Motoki Tanaka; 基樹田中
Original assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Current assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】絶縁性フィルム上に形成された熱電対パターンを内部に設けた段差に沿って固定し、高温物体と低温物体との温度差を測定し、熱流を導出する熱流計において、従来は、シート間に段差となる短冊状物体２ヶ及び絶縁性フィルムを接着剤内で位置合わせし硬化させていたため作製困難という欠点を有していた。
また、絶縁性フィルム以外の構成品を熱伝導率材料としていたので、絶縁性フィルムの断熱効果が大となり、高温物体計測接点と低温物体計測接点温度の差が小となり、結果、出力小という欠点を有していた。
【解決手段】同一高さの段差を有する２ヶの基板を段差が噛み合う様に配列し、段差上に熱電対接点が位置する配置で絶縁性フィルムを基板間に接着剤固定する。
さらに、上記段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とし、好ましくは同一の熱伝導率以下の値をもつ材料とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁性フィルム上に形成した直列接続熱電対パターンの熱電対接点で高温物体と低温物体との温度差を測定し、熱流を導出する熱流計に関するものである。

熱流計は、高温物体と低温物体間に設置され、熱流計内部に設けた熱電対で高温物体と低温物体との温度差を測定し、熱流を導出するものである。熱電対は直列接続され複数の熱電対接点を有すパターンとして絶縁性フィルム上の片面に形成される。熱電対パターン終点には電気信号取りだし用パッドが設けられている。熱電対パターン形成した絶縁性フィルムは熱流計内部に設けた段差に沿って接着剤固定され、高温物体温度計測用接点と低温物体温度計測用接点が形成される。この段差は、電気信号取りだし用パッドを覆わない寸法に設定されている。

従来の熱流計の段差は、高温物体又は低温物体と接する面となるシート上にそれぞれ短冊状物体を接着固定し作製されていた。よって作製手順は、高温物体又は低温物体と接する面となるフィルムいずれかに接着剤を塗布し、その上に段差となる短冊状物体を１ヶ配置し、さらに接着剤塗布した後熱電対パターン形成した絶縁性フィルムと他方の短冊状物体を置き、最後に接着剤を塗布した他方のシートを置き硬化させるというものであった。熱電対は一例として、銅・コンスタンタンが用いられ、熱電対パターン形成法としては、蒸着等の成膜加工法等が採用されている。図６は従来技術の熱流計構造示す斜視図であり、図７は、図６Ａ−Ａ‘方向断面図である。

また、従来の熱流計では、絶縁性フィルム以外の構成品は、絶縁性フィルムに比べ大きな熱伝導率を持つ材料としていた。絶縁性フィルムは例えば厚０．０５ミリメートル、熱伝導率０．２２W／ｍ・ＫのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムが使用されている。ＰＥＴフィルムは、成膜加工工程を有すフィルムコンデンサー用材料として多くの使用実績があり、成膜加工に適しているため、選定されている。高温物体又は低温物体と接する面となるシートは、例えば、厚０．０５ミリメートル、熱伝導率１．６５W／ｍ・Ｋの石英ガラスが用いられており、短冊状物体は、厚０．４ミリメートルの石英ガラスを切断加工したものが使用されている。接着剤層は厚０．０５ミリメートルで作られ、接着剤は高温物体又は低温物体と接する面となるシートと同一熱伝導率を持つものが用いられている。熱量計総厚は、接着剤層が３層あるので、０．７ミリメートルとなる。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖａｔｅｌｌ．ｃｏｍ

上述したように、従来技術では、高温物体及び低温物体と接する面となるシート間に短冊状物体２ヶ及び熱電対パターン形成した絶縁性フィルム計３ヶの物体を接着剤内で位置合わせし硬化させていた。すなわち、高温物体及び低温物体と接する面間に独立に存在する3ヶの物体の位置合わせが必要となり作製困難という欠点を有している。さらに、段差となる短冊状物体上に熱電対接点が位置しない不具合品が発生しやすく、歩留まり低という欠点も有している。
また、段差を構成する物質、高温物体及び低温物体と接する面となるシート、及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率に比べ大きな値を持つ材料としているため、熱電対接点を有すパターンを形成した絶縁性フィルム自体の断熱効果が大となり、高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度との差が小となり、結果、出力小という欠点を有していた。

片面に同一高さの段差を有し片面を平面とする２ヶの基板を段差が噛み合う様に配列し、段差上に熱電対接点が位置する配置で熱電対パターンを設けた絶縁性フィルムを基板間に接着剤固定する。
また、段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とし、好ましくは絶縁性フィルム材料の熱伝導率以下の値をもつ材料とする。

片面に同一高さの段差を有し片面を平面とする２ヶの基板により、高温物体及び低温物体と接する面間に独立して存在するのは、熱電対パターンを設けた絶縁性フィルムのみとなり、段差との位置合わせが容易となり、熱流計作製困難さが解消される。さらに、段差となる短冊状物体上に熱電対接点が位置しない不具合品発生頻度減となるので、熱流計歩留まりが向上する。
また、段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とし、好ましくは絶縁性フィルム材料の熱伝導率以下の値をもつ材料とすることにより、絶縁性フィルム自体の断熱効果が小となり、高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度との差が大となり、結果、熱流計出力大となる。

片面に同一高さの段差を有し片面を平面とする２ヶの基板を段差が噛み合う様に配列し、段差上に熱電対接点が位置する配置で熱電対パターンを設けた絶縁性フィルムを基板間に接着剤固定すると、高温物体及び低温物体と接する面は各基板の平面となる。このとき、高温物体及び低温物体と接する面間に独立して存在するのは、熱電対パターンを設けた絶縁性フィルムのみとなり、段差との位置合わせ容易となり、作製困難さが解消される。
また、段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とし、好ましくは絶縁性フィルム材料の熱伝導率以下の値をもつ材料とすると、絶縁性フィルム自体の断熱効果が小となり、高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度との差が大となり、結果出力大となる。

段差を有す基板は以下方法で容易に作製される。例えば厚０．５ミリメートルのＰＥＴフィルム，ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂フィルムを段差高さ０．４５ミリメートルとして、１ミクロン程度の加工精度を持つダイシングソー、ワイヤーソー等で切削加工行うと、従来技術の項で述べた厚０．０５ミリメートル石英ガラスに接着剤層厚０．０５ミリメートルで厚０．４ミリメートル石英ガラス短冊形状物体を接着したものと同一寸法のものが容易に作製される。金型を用いた樹脂成型も可能であるが、型費用、０．０５ミリメートルの薄部に樹脂注入条件出し困難であることを考慮すると切削加工が適している。
熱電対パターン形成法としては、絶縁性フィルムを例えば厚０．０５ミリメートルＰＥＴフィルム、熱電対を例えば、銅・コンスタンタンとすると、メタルマスクを用いた蒸着等の成膜加工法で作製される。すなわち、銅成膜時には銅パターンに合致したメタルマスクを絶縁性フィルム上に設置し、コンスタンタン成膜時にはコンスタンタンパターンに合致したメタルマスクを絶縁性フィルム上に設置することにより熱電対パターン形成される。熱電対パターン終点には電気信号を取りだし用パッドが設けられている。
上述段差を形成した各基板の一方に基板材と同一の熱伝導率を有す接着剤を塗布し、段差上に熱電対接点が位置する配置で熱電対パターンを設けた絶縁性フィルムを置く。この段差は、電気信号取りだし用パッドを覆わない寸法に設定されている。さらに他方の段差を形成した基板に同じく基板材と同一の熱伝導率を有す接着剤を塗布し、段差が噛み合う様に配列し、接着硬化させる。接着剤層厚を従来技術の項で述べた値０．０５ミリメートルと同一とすると、接着剤層は２層となるので熱流計層厚は０．７ミリメートルとなり、結果従来技術と同厚の熱流計が得られる。
ＰＥＴ，ＰＢＴ材料は、フィルムコンデンサー用材料として多くの使用実績があり、フィルムコンデンサーは接着剤を充填して作られるので、これら材料に適合した接着剤入手は容易である。図１は本考案実施例の構造を示す斜視図であり、図２は図１Ａ−Ａ‘方向断面図である。

さらに、熱電対接点数増とする場合には、基板に凹形状、凸形状の段差を持たせれば対応でき、これは、切削加工形状のみの変化であるため容易に達成される。図３は、他の実施例である凹形状、凸形状基板を用いた際の構造を示す斜視図であり、図４は図３Ａ−Ａ‘方向断面図である。

また、熱流計を高温物体と低温物体間に設置し、定常状態に至った時の高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度は以下手順で導出される。
絶縁性フィルム上の熱電対パターンを設置した面を低温物体側に位置させて熱流計を用いるとし、熱流計内部の横方向（厚以外の方向）への熱伝導は無視できると仮定する。この仮定は熱流計全体寸法が厚に対し十分大であることを述べている。前述したように接着剤は基板と同一熱伝導率を有する。
定常状態に達しているので熱流計高温物体設置面温度は高温物体温度Ｔｈと等しくなり、熱流計低温物体設置面温度は低温物体温度Ｔｃと等しくなる。単位時間当たりのエネルギー伝達が各境界で等しいことより、高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度Ｔｔｈｈには以下関係が成り立つ。各熱伝導率が乗ぜられていることより、熱伝導率の絶対値ではなく、比が重要となる。

Ａ・Ｋａ・（Ｔｈ−Ｔｆｈ）／Ｌａ＝Ａ・Ｋｂ・（Ｔｆｈ−Ｔｔｈｈ）／Ｌｂ＝Ａ・Ｋｃ・（Ｔｔｈｈ−Ｔｃ）／Ｌｃ

Ａ：各部の断面積（ここでは同一と見なせる）
Ｋａ：高温側物体側に位置する基板熱伝導率
Ｋｂ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルム基板熱伝導率
Ｋｃ：低温側物体側に位置する基板熱伝導率
Ｌａ：基板段差でない部分の厚に接着剤厚を加算した厚
Ｌｂ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルム厚
Ｌｃ：基板厚に接着剤厚を加算した厚
Ｔｆｈ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルムのパターン形成していない面の温度
ここで、Ｌａ及びＬｃにおいて、基板と接着剤は同一熱伝導率であるので、熱解析ではその境界はないとして扱えるので接着剤厚を加算した。上式はＴｈ、Ｔｃ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが与えられれば、Ｔｆｈ、Ｔｔｈｈの連立方程式となるので解くことができる。

同様に低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度Ｔｔｈｃには以下関係が成立する。

Ａ・Ｋａ・（Ｔｈ−Ｔｆｃ）／Ｌａ＝Ａ・Ｋｂ・（Ｔｆｃ−Ｔｔｈｃ）／Ｌｂ＝Ａ・Ｋｃ・（Ｔｔｈｃ−Ｔｃ）／Ｌｃ

Ａ：各部の断面積（ここでは同一と見なせる）
Ｋａ：高温側物体側に位置する基板熱伝導率
Ｋｂ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルム基板熱伝導率
Ｋｃ：低温側物体側に位置する基板熱伝導率
Ｌａ：基板厚に接着剤厚を加算した厚

Ｌｂ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルム厚
Ｌｃ：基板段差でない部分の厚に接着剤厚を加算した厚
Ｔｆｃ：熱電対パターンを形成した絶縁性フィルムのパターン形成していない面の温度

これもＴｈ、Ｔｃ、Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが与えられれば、Ｔｆｃ、Ｔｔｈｃの連立方程式となるので解くことができる。

いま、基板厚０．５ミリメートル、基板段差０．４５ミリメートル、絶縁性フィルム厚０．０５ミリメートル、接着剤層厚０．０５ミリメートル、絶縁性フィルムを熱伝導率０．２２W／ｍ・ＫのＰＥＴとし、高温物体温度Ｔｈ３２３Ｋ、低温物体温度２７３Ｋとする。基板材質を石英ガラス（熱伝導率１．６５W／ｍ・Ｋ）、ほう珪酸ガラス（熱伝導率１．１W／ｍ・Ｋ）、ポリイミド（熱伝導率０．３９W／ｍ・Ｋ）、ＰＥＴ（熱伝導率０．２２W／ｍ・Ｋ）、ＰＢＴ（熱伝導率０．１７W／ｍ・Ｋ）としたときのＴｆｈ、Ｔｔｈｈ、Ｔｆｃ、Ｔｔｈｃ、接点温度差Ｔｔｈｈ−Ｔｔｈｃ、本来の温度差５０Ｋに対する比を求めると下表の通りとなる。図５に高温物体温度計測用接点位置、低温物体温度計測用接点位置における熱流計内部の温度勾配のグラフを記す。

この計算結果において、低温物体と低温物体温度計測用接点間距離０．１ミリメートル、高温物体と低温物体温度計測用接点間距離０．１５ミリメートル、絶縁性フィルム厚０．０５ミリメートル、材質ＰＥＴ、接着剤熱伝導率を基板と等しいとしていることより、基板材質石英ガラスの結果は従来技術の項で述べたシート、短冊状物体を石英ガラスとした例の計算結果と同一となる。また、上記解析は、絶縁性フィルム上の熱電対パターンを設置した面を低温物体側に位置させた場合のものであるが、Ｔｔｈｈ−ＴｔｈｃとＴｆｈ−Ｔｆｃが同一の値をとることことより、熱電対パターンを設置した面を高温物体側に位置しても同じ結果となる。
上記より明らかなように、基板材質が熱電対パターンを形成した絶縁性フィルムに比べ大の熱伝導率のとき、絶縁性フィルム自体の断熱効果が大となり、高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度との差が小となり、結果として熱流計出力も小となる。高温物体温度計測用接点を設けた位置の温度と低温物体温度計測用接点を設けた位置の温度との差を本来得られる温度差の５０％以上にするためには、段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とすればよい。さらに、絶縁性フィルム材料の熱伝導率以下の値をもつ材料とすると、本来得られる温度差の６４％以上が得られる。

本考案実施例の構造を示す熱流計斜視図である。本考案実施例の構造を示す熱流計断面図である。本考案の他の実施例である凹形状、凸形状基板の用いた構造を示す熱流計斜視図である。本考案の他の実施例である凹形状、凸形状基板の用いた構造を示す熱流計断面図である。本考案実施例における高温物体温度計測用接点位置、低温物体温度計測用接点位置における熱流計内部の温度勾配を示したものである。従来技術の熱流計の構造を示す熱流計斜視図である。従来技術の熱流計の構造を示す熱流計断面図である。

符号の説明

１基板
２接着剤
３絶縁性フィルム
４熱電対接点
５熱電対パターン
６パッド
７段差
８短冊状物体
９シート

Claims

熱電対を直列接続させた複数の熱電対接点を有すパターンを絶縁性フィルム上に形成し、内部に設けた段差間に段差上に熱電対接点が位置する配置で絶縁性フィルムを挟み込み接着剤固定する熱流計において、段差を片面に同一高さの段差を有し片面を平面とする２ヶの基板で形成したことを特徴とする熱流計。
段差を有す基板及び接着剤を、絶縁性フィルム材料の熱伝導率の少なくとも５倍以下の熱伝導率値である材料とし、好ましくは絶縁性フィルム材料の熱伝導率以下の値をもつ材料としたことを特徴とする請求項１の熱流計。
段差を有す基板を切削加工で作製することを特徴とする請求項１の熱流計。