JP6509362B2 - 熱伝導率測定装置および熱伝導率測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料の熱伝導率を測定するための熱伝導率測定装置および熱伝導率測定方法に関する。

従来、定常法により樹脂材料、金属材料などの測定対象物の熱物性値（特に熱伝導率）、および樹脂材料、金属材料の部材間の接触熱抵抗を測定する装置として種々の装置が知られている（特許文献１〜５）。

定常法による熱物性測定装置では、加熱部に接続された加熱側挟持部材と冷却部に接続された冷却側挟持部材との間に測定対象物を挟み込む構成を採用している。加熱側挟持部材および冷却側挟持部材は、複数箇所で温度が測定できるように構成されており、測定した温度勾配から測定対象物の熱物性値（熱伝導率など）、部材間の接触熱抵抗を求めている。

特許第５３７９７６０号 特許第３８５８６６０号 特開２００８−３０９７２９号 特開２０１１−１０２７６８ 特許５５０９１９５号

定常法による熱物性（熱伝導率、接触熱抵抗など）測定装置では、複数の温度測定機構を設けた加熱側挟持部材と、複数の温度測定機構を設けた冷却側挟持部材との間に測定対象物を挟み込んだ状態を維持しながら、熱源に接続された加熱側挟持部材から、測定対象物を通って、冷却源に接続された冷却側挟持部材に一方向に熱を通過させ、両挟持部材に設けた温度測定点での測定温度から測定対象物の熱物性（熱伝導率など）を算出する。部材間の接触熱抵抗を算出する場合は、測定対象物を挟みこまず、加熱側挟持部材および冷却側挟持部材を押圧力を加えた状態で接触させ、両挟持部材に設けた温度測定点の測定温度から接触熱抵抗を算出する。

測定対象物の熱物性値の測定精度を確保するためには、加熱側挟持部材、測定対象物および冷却側挟持部材の順に通過する熱の流れが空間的に偏らないようにする必要がある。
前記の測定装置では、加熱側挟持部材と冷却側挟持部材との間に測定対象物を正常な状態で設置し、つまり加熱側挟持部材、測定対象物および冷却側挟持部材が、熱の通過する方向（鉛直方向）に沿って垂直に並ぶように設置することにより、熱の流れが偏ることなく、加熱側挟持部材、測定対象物および冷却側挟持部材を熱が通過することが可能となる。
一方、加熱側挟持部材と冷却側挟持部材との間に測定対象物を正常でない設置状態で設置した場合、つまり加熱側挟持部材、測定対象物および冷却側挟持部材が、熱の通過する方向（鉛直方向）から傾いてしまった場合には、通過する熱の流れが空間的に偏ってしまい、その結果、測定対象物の熱物性値は正確に測定できない。

加熱側挟持部材、測定対象物、冷却側挟持部材の設置異常を検知するために、例えば、特許文献１では、加熱側挟持部材および冷却側挟持部材の測定対象物と接する面と平行な方向の挟持部材の面内方向の温度ばらつきを測定できる機構を設け、面内方向の温度ばらつきが一定値以上となった場合、設置異常として検知するシステムが開示されている。

しかしながら、加熱側挟持部材、測定対象物および冷却側挟持部材の設置異常を検知するシステムを追加することによって、装置が複雑化してしまい、コストも増加する。また、設置状態に十分に注意しながら作業しなければならず、また測定を開始しなければ異常が検知できないため、設置状態によっては測定に時間がかかり、作業効率の悪い測定となってしまう。また、設定する温度ばらつきの閾値によっては、測定対象物の熱物性値を正確に測定できないという課題がある。

本発明の目的は、測定のセッティング時間、調整時間の短縮化が図れ、効率的かつ測定精度の高い熱伝導率測定装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱伝導率測定装置は、
測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有する第１挟持部材と、
測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有し、前記第１挟持部材とともに測定対象物を挟持する第２挟持部材と、
前記第１挟持部材の遠位端面に当接する当接端面および該当接端面とは反対側にある遠位端面を有し、第１挟持部材を加熱する加熱部材と、
前記第２挟持部材の遠位端面に当接する当接端面および該当接端面とは反対側にある遠位端面を有し、第２挟持部材を冷却する冷却部材と、
前記第１挟持部材および前記第２挟持部材に設けられた複数の温度センサと、
前記第１挟持部材、前記第２挟持部材および測定対象物に押圧力を印加する押圧力印加機構とを含み、
前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面、前記加熱部材の遠位端面、前記冷却部材の当接端面、および前記冷却部材の遠位端面ののうちの少なくとも１つが凸型の湾曲形状を有することを特徴とする熱伝導率測定装置である。

本発明によれば、第１挟持部材の遠位端面、第２挟持部材の遠位端面、加熱部材の当接端面、冷却部材の当接端面、加熱部材の遠位端面、または冷却部材の遠位端面のうちの少なくとも１つが凸型の湾曲形状を有することで、測定対象物に押圧力が印加された場合、測定対象物の面内方向の温度バラつきを大幅に抑制することができる。このため測定のセッティング時間、調整時間の短縮化が図れ、効率的かつ高精度の測定が可能になる。

本発明の実施の形態１にかかる熱伝導率測定装置の構成図である。 本発明の実施の形態１にかかる熱伝導率測定装置の構成図である。 本発明の実施の形態１にかかる熱伝導率測定装置の構成図である。 加熱ブロックユニットの金属ブロックの平行度が出ていないことにより加熱側挟持部材が傾いた状態を示す説明図である。 測定対象物および挟持部材が傾いた状態を示す説明図である。 測定対象物および挟持部材が傾いていない状態の等温線を示すグラフである。 測定対象物や挟持部材が傾いた状態の等温線を示すグラフである。 加熱ブロックユニットの金属ブロックの平行度が出ていないことにより加熱側挟持部材が傾いた場合の本発明の効果を示す説明図である。 測定対象物および挟持部材が傾いた場合の本発明の効果を示す説明図である。 挟持部材の直径Ａ、遠位端面に設けた曲率半径Ｒとした場合の、挟持部材と加熱部材の当接端面との接触状態を示す説明図である。 挟持部材の遠位端面における接触状態を示す説明図であり、（ａ）は部分接触、（ｂ）は全面接触をそれぞれ示す。 本発明の実施の形態１にかかる他の熱伝導率測定装置の構成図である。 本発明の実施の形態２にかかる熱伝導率測定装置の構成図である。 本発明の実施の形態２にかかる他の熱伝導率測定装置の構成図である。 コイルばねを装着した熱伝導率測定装置の構成図である。 ばね受けおよびコイルばねを装着した熱伝導率測定装置の構成図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１で示される、本発明の実施の形態１にかかる熱伝導率測定装置の構成図である。熱伝導率測定装置１は、測定対象物８を挟持する加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９と、加熱ブロックユニット５と、冷却ブロックユニット６と、押圧力調整用ネジ１４などで構成される。

加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９は、同じ材質を用いて同じ形状となるように構成され、測定対象物８と接触する接触端面および該接触端面とは反対にある遠位端面を有するような立体形状、例えば、円柱形状、角柱形状に形成される。その材質として、比較的高い熱伝導率を有する材料、例えば、銅、アルミニウムを用いることにより、測定対象物８の熱物性を測定できる。その他の材料として、アルミニウム合金、ステンレス鋼なども同様に使用できる。

加熱ブロックユニット５は、比較的高い熱伝導率を有する材料、例えば、例えば、銅、アルミニウムなどで形成され、加熱側挟持部材７の遠位端面に当接する当接端面を有する金属ブロックと、加熱素子、例えば、セラミックヒーター、カートリッジヒーターなどで構成される。金属ブロックは、熱を拡散して温度を均等にする機能を有し、加熱素子との接合箇所には、接触熱抵抗を低減するための熱伝導グリスが必要に応じて塗布される。加熱素子は、発熱量を制御するための加熱ブロックユニット制御機器１８と接続される。

冷却ブロックユニット６は、比較的高い熱伝導率を有する材料、例えば、銅、アルミニウムなどで形成され、冷却側挟持部材９の遠位端面に当接する当接端面を有する金属ブロックと、冷却素子、例えば、水冷冷却ユニット、ペルチェ素子、ヒートシンクと冷却ファンの組合せなどで構成される。金属ブロックは、熱を拡散して温度を均等にする機能を有し、冷却素子との接合箇所には、接触熱抵抗を低減するための熱伝導グリスが必要に応じて塗布される。冷却素子は、排熱量を制御するための冷却ブロックユニット制御機器１９と接続される。

なお、加熱ブロックユニット５の金属ブロックと加熱側挟持部材７との間、および冷却側挟持部材９と冷却ブロックユニット６の金属ブロックとの間には、接触熱抵抗を低減するために、熱伝導グリス１０がそれぞれ塗布されている。

こうした構成において、加熱ブロックユニット５で発生した熱が、加熱側挟持部材７に伝達され、測定対象物８を通って、冷却側挟持部材９に伝達され、冷却ブロックユニット６において排出される。このように熱が一定方向に通過する際、各部材の熱伝導率および部材間の接触熱抵抗の相違に応じて、温度勾配が形成されるようになる。

加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の側面には、長手方向に沿って複数の孔が形成される。各孔には、温度センサとして熱電対４が挿入され、温度測定点が挟持部材７、９の軸心に一致するように固定される。これら複数の熱電対４によって垂直位置に対応した温度分布が測定可能になり、これらの測定値は、温度測定用機器３に入力され、温度の常時モニタリングが可能である。これらの測定値から、測定対象物８を通過した熱量を算出し、測定対象物８の熱物性値、部材間の接触熱抵抗を算出することができる。こうした演算機能は、温度測定用機器３に内蔵してもよく、ネットワークで接続された外部コンピュータに搭載してもよい。

冷却ブロックユニット６は、土台１７の中央に設置される。土台１７の端部には、複数（図１では２本）のシャフト１５が立設される。土台１７の上方には、支持板１２がシャフト１５の案内によって垂直方向に変位可能なように設けられる。加熱ブロックユニット５は、支持板１２に取り付けられる。シャフト１５の上端には、上板１６が固定される。
こうした複数のシャフト１５を設けることによって、加熱ブロックユニット５、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９、冷却ブロックユニット６の垂直アライメントを確保することができる。

熱伝導率測定装置１はさらに、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９を介して、測定対象物８に加わる押圧力を調整するために押圧力調整機構を備える。押圧力調整機構は、加熱ブロックユニット５の上部に設置され、加熱ブロックユニット５を支持する支持板１２と、支持板１２の上に設置され、押圧力をモニタリングするためのロードセル１１と、ロードセル１１の上に設置され、ロードセル１１に押圧力を伝えるためのスペーサ１３と、上板１６に固定され、スペーサ１３を介してロードセル１１に押圧力を加えるための押圧力調整用ネジ１４などで構成される。ロードセル１１によって測定された押圧力は、測定制御機器２に入力され、押圧力の常時モニタリングが可能である。

次に、押圧力の調整手法について説明する。測定対象物８の熱物性を測定する際、加熱ブロックユニット５から与えた熱は、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を通過し、冷却ブロックユニット６に到達する。この通過する熱によって、加熱ブロックユニット５、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９、冷却ブロックユニット６の各部材の温度は上昇する。各部材の温度上昇に伴い、各部材は膨張し、ロードセル１１に加わる押圧力は測定中に変化する。測定対象物８の熱物性測定では、測定対象物８に加わる押圧力を一定に制御する必要があるため、表示された押圧力に応じて、押圧力調整用ネジ１４を調整する必要がある。ここで、所定の押圧力からの変動が±５％、好ましくは、所定の押圧力からの変動が±１％であれば測定対象物の熱物性を精度良く測定可能である。よって、本発明での「一定の押圧力」は、所定の押圧力からの変動が±５％、より好ましくは、±１％の範囲を意味する。そのためロードセル１１に加わった押圧力をフィードバックして押圧力調整用ネジ１４を調整し、押圧力を所定の一定値に制御する押圧力制御装置を設けることが好ましい。これにより手動作業を省いて、測定の自動化が可能となる。なお、支持板１２、スペーサ１３は充分な剛性を有する金属で構成することが望ましい。

また、図２に示すように、加熱ブロックユニット５と支持板１２との間に断熱板２０を設けることが好ましい。これにより加熱ブロックユニット５から支持板１２への伝熱量を低減させることができるため、加熱側挟持部材７を介して測定対象物８に伝わる熱量を増加できる。

測定対象物８の熱物性を測定する場合、測定対象物８の厚み情報も重要となる。図３に示すように、測定状態での加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の合計厚みを表示できる厚み表示機器２１を設けてもよい。厚み表示機器２１は、レーザ距離計、光学スケール、磁気スケールなどで構成できる。ただし、図３に示す位置でなくても、測定対象物８の厚みが算出できる位置および機構であれば、この限りではない。加熱側挟持部材７、冷却側挟持部材９の厚みをノギス、マイクロメータなどにより事前に測定しておくことで、厚み表示機器２１に表示された厚みから、測定対象物８のより正確な厚みを算出することが可能となる。

次に、挟持部材の形状について説明する。加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の形状は、例えば、直径１０ｍｍ〜３０ｍｍ、高さ３０〜１００ｍｍの円柱形状とすることで、測定対象物８の熱物性値、部材間の接触熱抵抗を正確に精度良く測定することが可能である。四角柱形状などでも同様の精度で測定できる。

図１に戻って、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の接触端面は、平坦に加工され、加工面の表面粗さが小さいほど好ましい。実験では算術平均粗さＲａ＝０．８μｍ程度に仕上げることで、測定対象物の正確な熱物性を測定することが可能であった。ただし、表面粗さはこの値に限定されるものではない。

測定対象物８は、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の接触端面の間に挿入、固定される。測定対象物８が流体である場合、ディスペンサ、スクリーン印刷により、規定の厚みに調整されて、加熱側挟持部材７と冷却側挟持部材９との間に塗布される。なお、加熱側挟持部材７と冷却側挟持部材９は、測定対象物８自体の粘着力、接着力によって固定されてもよく、もしくは粘着テープなどの補助部材を使用して固定してもよい。

また、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の表面から空気への熱伝達による放熱を低減するために、挟持部材の周囲に断熱材を巻きつけてもよい。測定対象物８の熱物性測定時には、測定対象物８が挟み込まれた加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９は一体化して冷却ブロックユニット６上に設置され、その後、加熱ブロックユニット５と冷却ブロックユニット６で挟み込まれる。さらに、ロードセル１１を含む押圧力調整機構である押圧力調整用ネジ１４を締め付けることで、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９には一定の押圧力が加えられた状態となり、この状態で熱物性の測定を開始する。

さらに、加熱側挟持部材７の加熱ブロックユニット５と接触する遠位端面および冷却側挟持部材９の冷却ブロックユニット６と接触する遠位端面は、それぞれ平面Ｒ形状（凸型円筒面）、または球面Ｒ形状（凸型球面）が設けられている。

従来は、これらの遠位端面が平坦であることから、測定対象物８の熱物性を正確に測定するためには、熱が加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を通過する際に、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の面内方向（軸に垂直な面）の温度分布が、図５の等温線グラフに示すように、熱が偏りなく軸中心対称に通過し、面内の温度バラつきをできる限り小さくする必要があった。このグラフにおいて、符号２５は熱電対４の温度測定点を示し、符号２６は特定温度の等温線を示す。

このように加熱ブロックユニット５から加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９、冷却ブロックユニット６の軸中心に熱が通過するためには、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の３部材の軸が一致した状態、即ち加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の軸芯と測定対象物８の中心軸とが一直線上になるように設置される必要がある。

しかし、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６に比べて、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９はより小さい。このため、押圧力調整用ネジ１４を調整して加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の各部材に押圧力を加えた際に、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の３部材の軸がズレてしまうことが考えられる。実際には、機械加工、表面処理などで作製される加熱部材の当接端面、冷却部材の当接端面の平行度、平面度を考えると、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の３部材の軸は、一直線にはならず、大小はあるものの少なからずズレていることが通常である。

図４Ａは、その一例として、加熱ブロックユニット５の金属ブロックの平行度が出ていない例、即ち、金属ブロックの下面が水平で無い場合を示す。加熱ブロックユニット５の金属ブロックの平行度が出ていない場合、押圧力を加えると、加熱側挟持部材７の遠位端面は金属ブロックの平行度が出ていない当接端面に倣ってしまい、加熱側挟持部材７の当接端面と測定対象物は片当たりしてしまう。

図４Ａに示すように加熱側挟持部材７の当接端面と測定対象物８が片当たりしている場合、矢印５０で示すように、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を通過する熱流束は、軸中心に対象ではなく、片側に偏ってしまう。その結果、図６に示すように、熱が加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を中心から偏って通過してしまい、測定対象物８の面内方向の温度バラつきが大きくなり、測定対象物８の正確な熱物性測定ができない。このため測定対象物８の熱物性を正確に測定するためには、加熱側挟持部材７と接触する加熱ブロックユニット５および冷却側挟持部材９と接触する冷却ブロックユニット６において、それぞれの平行度が出ていることなどを確認、調整する必要がある。この場合、熟練した作業が要求され、測定のセッティング時間、調整時間が長くなる傾向がある。

代替として、調整作業を省いて、各部材中の熱の偏りを測定するユニットを追加し、測定した熱の偏りに応じた補正を計算上で行うことも考えられる。この場合、複雑な計算が要求され、測定精度の低下も生じ得る。

図７Ａは、加熱ブロックユニットの５金属ブロックの当接端面の平行度が出ていない場合に、本発明を適用した一例を示す。図７Ａ（ａ）に示すように、押圧力を加えた初期段階では、加熱ブロックユニット５の当接端面の平行度が出ていないため、加熱側挟持部材７が傾いてしまい、測定対象物８に片辺りしてしまう。この場合、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を通過する熱流束が偏り、測定対象物８の面内方向の温度バラつきが大きいため、測定対象物８の正確な熱物性は測定できない。しかし、本発明では加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に、平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けているため、測定対象物８を挟み込んだ加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を冷却ブロックユニット６および加熱ブロックユニット５で挟み込み、押圧力調整用ネジ１４によって、加熱ブロックユニット５、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９および冷却ブロックユニット６に押圧力を加えた際に、平面Ｒ形状または球面Ｒ形状を遠位端面に設けた加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９は安定な姿勢になろうとするため、加熱ブロックユニット５の表面に倣う動作が自然に発生する（図７Ａ（ｂ））。ここで、符号２７は、押圧力調整用ネジ１４から加わる押圧力ベクトルを示す。符号２８は、押圧力が加わった際に加熱側挟持部材７の湾曲面に働く水平方向の押圧力ベクトルを示す。

この動作によって、図７A（ｃ）に示すように、特別な調整なしに、押圧力調整用ネジ１４による押圧力を加えることだけで、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の３部材の軸を一致させることができ、熱は、加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９の軸対称に通過することが可能なり（図５参照）、測定対象物８の面内方向の温度バラつきを大幅に低減することができる。これにより、測定対象物８の正確な熱物性が特別な調整なしに効率的に測定可能になる。

また、加熱ブロックユニット５から加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９、冷却ブロックユニット６の軸中心に熱が通過するためには、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を測定装置全体の軸（鉛直方向の軸）に対して傾くことなく設置されることが好ましい。

しかし、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６に比べて、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９はより小さい。このため、図４Ｂに示すように、押圧力調整用ネジ１４を調整して加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の各部材に押圧力を加えた際に、装置本体の軸に対して傾いてしまうことが考えられる。

部材が傾斜した場合、図６に示すように、熱が加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を中心から偏って通過してしまい、測定対象物８の正確な熱物性測定ができない。このため加熱側挟持部材７と接触する加熱ブロックユニット５および冷却側挟持部材９と接触する冷却ブロックユニット６において、それぞれの平行度が出ていることなどを確認、調整する必要がある。この場合、熟練した作業が要求され、測定のセッティング時間、調整時間が長くなる傾向がある。

この場合も、代替として、調整作業を省いて、各部材中の熱の偏りを測定するユニットを追加し、測定した熱の偏りに応じた補正を計算上で行うことも考えられるが、複雑な計算が要求され、測定精度の低下も生じ得る。

本実施の形態では、図７Ｂ（ａ）に示すように、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の当接端面を平面形状とし、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に、平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けることによって、自動調心機構を実現している。これにより測定対象物８を挟み込んだ加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を冷却ブロックユニット６および加熱ブロックユニット５で挟み込み、押圧力調整用ネジ１４によって、加熱ブロックユニット５、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９および冷却ブロックユニット６に押圧力を加えた際に、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に設けた平面Ｒ形状または球面Ｒ形状により、測定対象物８を挟み込んだ加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９は、図７Ｂ（ｂ）に示すように、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の表面に倣う動作が自然に発生する。ここで、符号２７は、押圧力調整用ネジ１４から加わる押圧力ベクトルを示す。符号２８は、押圧力が加わった際に加熱側挟持部材７の湾曲面に働く水平方向の押圧力ベクトルを示す。符号２９は、押圧力が加わった際に冷却側挟持部材９の湾曲面に働く水平方向の押圧力ベクトルを示す。

この動作によって、図７Ｂ（ｃ）に示すように、特別な調整なしに、押圧力調整用ネジ１４による押圧力を加えることだけで、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の各部材の軸を、熱伝導率測定装置本体の軸あわせることができる。この結果、図５に示すように、熱が加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９の中心を通過し、測定対象物８の正確な熱物性が測定可能になる。

ここでは、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に、平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けたが、これは押圧力を加え、安定な姿勢になろうとする際に働く摩擦力をできる限り小さくし、押圧力に伴って発生する押圧力ベクトルをできる限り大きくするためである。また、高い測定精度を確保するためには、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９を通過する熱量を大きくし、各熱電対での測定温度を高くする、つまり温度勾配を大きくすることが望ましい。これは、通過する熱量を大きくし、各熱電対での測定温度を高くすることで、熱電対での測定温度バラつきの影響（例えばＫ熱電対、クラス１の場合±１．５℃）を抑制することができるためである。通過熱量が小さく、温度勾配が小さい場合には、この測定温度バラつきが測定対象物の熱物性に大きく影響してしまう。また、熱伝導グリス１０（図１参照）の厚みが厚い場合、熱伝導グリスの熱抵抗が大きくなってしまい、加熱側挟持部材７、冷却側挟持部材９の各熱電対の測定温度が低くなるため、測定精度が悪化することが懸念される。このため、熱伝導グリスはできる限り薄く塗布する必要がある。

実験では、挟持部材７、９の形状をφ１５ｍｍ、高さ３０ｍｍの円柱とし、遠位端面に曲率半径Ｒの凸型球面を形成した場合、測定対象物８、および部材間の接触熱抵抗の正確な熱物性値を測定することが可能であった。

即ち、挟持部材の垂直断面を表す図８に示すように、加熱側挟持部材７、冷却側挟持部材９の直径をＡ、遠位端面の曲率半径をＲとした場合、挟持部材７、９が上述の構成であれば、凸側球面形状において、挟持部材の加熱ブロック表面に倣う部分、つまりＲ−ｓｑｒｔ（Ｒ^２−（Ａ／２）^２）の大きさが、
０．０１≦Ｒ−ｓｑｒｔ（Ｒ^２−（Ａ／２）^２）≦０．１、より好ましくは、
０．０２≦Ｒ−ｓｑｒｔ（Ｒ^２−（Ａ／２）^２）≦０．０５
を満たす大きさであれば、測定対象物８の熱物性を精度良く測定可能であった。

実験は、挟持部材の形状をφ１５ｍｍ、つまり上記Ａ＝１５ｍｍ、凸側球面形状をＲ５６３、Ｒ１４０６（半径Ｒが５６３ｍｍと１４０６ｍｍ）でそれぞれ行った。
Ｒ５６３の場合、Ｒ−ｓｑｒｔ（Ｒ^２−（Ａ／２）^２＝０．０２、
Ｒ１４０６の場合、Ｒ−ｓｑｒｔ（Ｒ^２−（Ａ／２）^２＝０．０５、
となる。ただし、曲率半径Ｒの大きさにこれらに限られるものではなく、適宜変更できる。

加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に、平面Ｒ形状または球面Ｒ形状を設けた場合の、接触状態の効果確認（例えば、圧力分布）をφ１５、高さ３０ｍｍの円柱を用いて行った結果として図９に示す。図９（ａ）では、遠位端面が平坦である場合、遠位端面の接触エリア３０において部分接触となるが、図９（ｂ）では、遠位端面に球面Ｒ形状を設けることにより、接触エリア３０において全面接触となることが分かる。

上述のケースでは、加熱側挟持部材７と冷却側挟持部材９の間に測定対象物８を挟み込み、測定対象物８の熱物性値を測定している。これらに加えて、測定対象物８を挟み込まない状態での測定にも大きな効果を発揮する。具体的には、測定対象物８を挟み込まず、加熱側挟持部材７と冷却側挟持部材９だけで、部材間の押圧力と接触熱抵抗を算出する場合である。接触熱抵抗を算出する場合、加熱側挟持部材７と冷却側挟持部材９の間の接触状態が測定結果に大きな影響を与える。本発明のように、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に平面Ｒ形状または球面Ｒ形状を設けることによって、図９に示すように、特別な調整なしに、両部材間が均一に接触する理想的な接触状態が得られる。この状態で接触熱抵抗を測定することで、接触熱抵抗を効率的に、精度良く測定することが可能となる。

なお、熱伝導グリスは、図１において加熱ブロックユニット５の当接端面と加熱側挟持部材７の遠位端面と間に配置した例を示しているが、好ましくは、加熱ブロックユニット５の当接端面に加熱側挟持部材７の遠位端面の頂部を包含できるグリス凹みを設けておけば、熱伝導グリスが加圧と共に押し出されて、また測定時の加熱と共に流動性が上がり流れ出すような不具合を防止できる。また、調整作業の際、挟持部材の水平方向の位置の自由度が拘束されるため、位置決めが容易になるという利点を奏する。

熱伝導グリスは、内包するフィラーによって律束されある程度の厚みを有し、かつ熱伝導率は数Ｗ／ｍＫ程度であるため、ある程度の熱抵抗を有する。しかし本熱伝導率測定方法においては、熱流束は、図示されている複数の熱電対を用いて測定対象物を通過した熱量を算出しているため、測定対象には熱伝導グリスの影響は現れない。このため、高精度な測定が可能である。

また上述の例では、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の両方の遠位端面に凸型の湾曲形状を付与した例を示しているが、いずれか一方の遠位端面だけに凸型の湾曲形状を付与しても精度上は問題ない。

また上述の例では、熱伝導率の測定に用いる例を示しているが、熱伝導率の逆数である熱抵抗率の測定にも適用できる。

なお、本発明の実施の形態１では、例えば図１に示すように、シャフト１５（図１は２本のシャフト１５を用いた２軸固定）を用いて加熱ブロックユニット５、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９、および冷却ブロックユニット６の垂直アライメントを確保しているが、本発明はこのような構造に限定されるものではない。つまり、本発明である、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面に、平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けることで、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９がたとえ傾いた場合であっても、加熱側挟持部材７と測定対象物８との間、測定対象物８と冷却側挟持部材９との間の片辺りを防止でき、全面接触とすることができる。このため、図１のような複数のシャフト１５を用いなくても、測定対象物８の熱物性を精度良く測定することが可能となる。

図１０は、バイス５５を用いた１軸固定の測定装置の構成図であり、図１０中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。本発明を用いることにより、図１０に示すようにバイス５５などを用いた１軸固定であっても、測定対象物８の熱物性を精度良く測定することが可能となる。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２にかかる熱伝導率測定装置の構成図であり、図１１中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。本実施の形態２に係る熱伝導率測定装置では、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面、ならびに加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の当接端面が、図１の熱伝導率測定装置とは異なる形状を有する。

具体的には、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の遠位端面を平面形状とし、一方で、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の当接端面に、平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けることによって、測定対象物８の面内方向の温度バラつきを抑制している。

本実施の形態２では、加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の当接端面に設けた平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）により、測定対象物８を挟み込んだ加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を冷却ブロックユニット６上に設置し、押圧力調整用ネジ１４で押圧力を加えた際に、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９は安定な姿勢になろうする。即ち、実施の形態１の図７Ｂの場合と同様に、金属ブロック表面に設けた平面Ｒ形状または球面Ｒ形状により、特別な調整なしに押圧力ベクトル（図７Ｂの２８、２９）が自然に発生する。この結果、熱は、加熱側挟持部材７、測定対象物８および冷却側挟持部材９を軸対称に通過することが可能となり（図５）、測定対象物８の面内方向の温度バラつきが小さくなる。このため、測定対象物８の正確な熱物性が特別な調整なしに、かつ効率的に測定可能となる。

また、図１２に示すように、加熱ブロックユニット５の遠位端面および冷却ブロックユニット６の遠位端面を平面Ｒ形状（凸型円筒面）または球面Ｒ形状（凸型球面）を設けることによっても、押圧力を加えることで、加熱側挟持部材７、測定対象物８、冷却側挟持部材９の軸を一致させることができ、測定対象物の面内方向の温度バラつきを最大限抑制することが可能となる。このため、測定対象物の熱物性を精度良く、効率的に測定することが可能となる。

加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の当接端面に設けた平面Ｒ形状または球面Ｒ形状の曲率半径Ｒは大きいほど、面倣い効果がより効率的に発揮される。

下記（表１）は、加熱側挟持部材７および冷却側挟持部材９の各遠位端面ならびに加熱ブロックユニット５および冷却ブロックユニット６の各当接端面について、凸型湾曲形状および平面形状の組合せと面倣い効果との関係を示す。従来は、全ての端面が平面形状であり（Ｎｏ．１）、面倣い効果は現れない。一方、全ての端面のうち少なくとも１つが凸型湾曲形状で、残りが平面形状である場合（Ｎｏ．２〜１０）、面倣い効果が現れており、一般には凸型湾曲形状である端面の数が増加するほど、面倣い効果も増加することになる。

また、図１３に示すように、支持板１２とスペーサ１３との間にあるシャフト１５に複数のコイルばね３３を装着することによって、支持板１２およびスペーサ１３がバネ力によって平行に維持された状態で、加熱ブロックユニット５に押圧力を印加できる。このため、加熱側挟持部材７に対して軸が合った状態で押圧力を印加することが可能となる。

さらに、図１４に示すように、支持板１２の下方にあるシャフト１５にばね受け３４を固定し、支持板１２とばね受け３４との間にあるシャフト１５に複数のコイルばね３３を装着することによっても同様に、加熱側挟持部材７に対して軸が合った状態で押圧力を印加することが可能となる。

なお、加熱側挟持部材７の遠位端面、冷却側挟持部材９の遠位端面、加熱ブロックユニット５の当接端面、加熱ブロックユニット５の遠位端面、冷却ブロックユニット６の当接端面、および冷却ブロックユニット６の遠位端面のうち少なくとも１つを凸型の湾曲形状（平面Ｒ形状または球面Ｒ形状）としても良い。また、加熱側挟持部材７の遠位端面、加熱ブロックユニット５の当接端面、および加熱ブロックユニット５の遠位端面のうちの少なくとも１つ、並びに冷却側挟持部材９の遠位端面、冷却ブロックユニット６の当接端面、冷却ブロックユニット６の遠位端面のうち少なくとも１つを凸型の湾曲形状（平面Ｒ形状または球面Ｒ形状）としても良い。

１ 熱伝導率測定装置、２ 測定制御機器、３ 温度測定用機器、４ 熱電対、５ 加熱ブロックユニット、６ 冷却ブロックユニット、７ 加熱側挟持部材、８ 測定対象物、９ 冷却側挟持部材、１０ 熱伝導グリス、１１ ロードセル、１２ 支持板、１３ スペーサ、１４ 押圧力調整用ネジ、１５ シャフト、１６ 上板、１７ 土台、１８ 加熱ブロックユニット制御機器、１９ 冷却ブロックユニット制御機器、２０ 断熱板、２１ 厚み表示機器、２５ 温度測定点、２６ 等温線、２７〜２９ 押圧力ベクトル、３０ 接触エリア、３３ コイルばね、３４ ばね受け、５５ バイス。

Claims (11)

1. 測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有する第１挟持部材と、
   測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有し、前記第１挟持部材とともに測定対象物を挟持する第２挟持部材と、
   前記第１挟持部材の遠位端面に当接する当接端面および該当接端面とは反対側にある遠位端面を有し、第１挟持部材を加熱する加熱部材と、
   前記第２挟持部材の遠位端面に当接する当接端面および該当接端面とは反対側にある遠位端面を有し、第２挟持部材を冷却する冷却部材と、
   前記第１挟持部材および前記第２挟持部材に設けられた複数の温度センサと、
   前記第１挟持部材、前記第２挟持部材および測定対象物に押圧力を印加する押圧力印加機構とを含み、
   前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面、前記加熱部材の遠位端面、前記冷却部材の当接端面、および前記冷却部材の遠位端面のうちの少なくとも１つが凸型の湾曲形状を有することを特徴とする熱伝導率測定装置。
2. 前記第１挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面、および前記加熱部材の遠位端面のうちの少なくとも１つ、並びに前記第２挟持部材の遠位端面、前記冷却部材の当接端面、前記冷却部材の遠位端面のうち少なくとも１つが凸型の湾曲形状を有することを特徴とする請求項１記載の熱伝導率測定装置。
3. 前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面、前記加熱部材の遠位端面、前記冷却部材の当接端面、および前記冷却部材の遠位端面が凸型の湾曲形状を有することを特徴とする請求項１記載の熱伝導率測定装置。
4. 測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有する第１挟持部材と、
   測定対象物と接触する接触端面および該接触端面とは反対側にある遠位端面を有し、前記第１挟持部材とともに測定対象物を挟持する第２挟持部材と、
   前記第１挟持部材の遠位端面に当接する当接端面を有し、第１挟持部材を加熱する加熱部材と、
   前記第２挟持部材の遠位端面に当接する当接端面を有し、第２挟持部材を冷却する冷却部材と、
   前記第１挟持部材および前記第２挟持部材に設けられた複数の温度センサと、
   前記第１挟持部材、前記第２挟持部材および測定対象物に押圧力を印加する押圧力印加機構とを含み、
   前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面および前記冷却部材の当接端面のうちの少なくとも１つが凸型の湾曲形状を有し、残りが平面形状を有することを特徴とする熱伝導率測定装置。
5. 前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面および前記冷却部材の当接端面のうちの少なくとも２つが凸型の湾曲形状を有し、残りが平面形状を有することを特徴とする請求項４記載の熱伝導率測定装置。
6. 前記第１挟持部材の遠位端面、前記第２挟持部材の遠位端面、前記加熱部材の当接端面および前記冷却部材の当接端面の全てが凸型の湾曲形状を有することを特徴とする請求項４記載の熱伝導率測定装置。
7. 前記押圧力印加機構は、測定中に押圧力を一定に調整することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱伝導率測定装置。
8. 前記冷却部材が載せられた土台と、前記加熱部材の上に載せられた支持板とを含み、前記支持板は、前記土台の上に設けられたシャフトにより支えられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱伝導率測定装置。
9. 前記加熱部材と前記支持板との間に介在する断熱部材をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の熱伝導率測定装置。
10. 前記支持板は、複数のコイルばねによって弾性支持されることを特徴とする請求項８記載の熱伝導率測定装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の熱伝導率測定装置を準備する工程と、
    前記第１挟持部材と前記第２挟持部材との間に測定対象物を挟む工程と、
    前記押圧力印加機構で、前記第１挟持部材、前記第２挟持部材および測定対象物に押圧力を印加する工程と、
    前記温度センサで、前記測定対象物の熱伝導率を測定する工程と、を含むことを特徴とする熱伝導率測定方法。

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