JPH07146266A

JPH07146266A - 熱伝導率測定装置

Info

Publication number: JPH07146266A
Application number: JP6162964A
Authority: JP
Inventors: John E Graebner; エドウィングラエブナージョン
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc; AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1995-06-06
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: KR950001291A; EP0644418A1; DE69416367T2; US5297868A; JP2813137B2; KR0145027B1; EP0644418B1; DE69416367D1; TW310049U

Abstract

(57)【要約】【目的】薄い平板状のフィルム、板、プレート等の熱
伝導率を正確に測定する装置と方法を提供することであ
る。【構成】本発明で使用されるプラスチックシートは、
ヒートシンクに接合され、これにより、プラスチックシ
ートは、機械的に緊張状態（ピンと張った状態）に維持
される。また、第１の温度センサーと第２の温度センサ
ーは、差動熱電対を形成し、この第１の温度センサーと
第２の温度センサーへの接続ワイヤは、プラスチックシ
ート（第１の位置、第２の位置）に接合される。本発明
の装置は、プラスチックシートの第５の位置（第１の位
置と、第２の位置の間）に配置される第３の温度センサ
ーを有する。この第３の温度センサーは、プラスチック
シートに接合される、アクセスワイヤを有する。この熱
源は、プラスチックシートに接合された抵抗と、プラス
チックシートに接合されるアクセスワイヤとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄いプレート、例え
ば、平面上のダイヤモンド製プレート、あるいは、フィ
ルムのような物体の熱伝導率を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来技術の説明】被測定物であるサンプルをとおして
流れる一方向の定常状態の熱流の場合には、熱伝導率Ｋ
は、以下の式で与えられる。Ｋ＝Ｐ／Ａ（ΔＴ／Δｘ）（１）ここで、Ｐは、サンプルの縦断面を貫通するＸ軸に沿っ
て、単位時間あたりの熱流、サンプルの断面は、ＹＺ面
に平行な面で、その面積はＡである。そして、ΔＴは、
距離Δｘに沿った温度差である。このΔｘは、Ｘ方向に
距離Δｘだけ離れたサーモカップル（熱電対）からなる
一対の温度センサーを、被測定物に取り付けることによ
り測定される。この一方向の熱流を測定する技術は、
“ElementaryPhysics:Classical and Modern”（１９７
５年刊）Richard T. WeidnerとRobert L. Sells共著、
の３０６〜３０７ページに開示されている。

【０００３】この技術においては、均一の断面Ａと、一
対の端部表面を有するロッド状のサンプルは、絶縁材料
に包囲されて、その側面を介して、サンプルとの間での
熱交換を最小にしている。このサンプルの一端は、一定
の高温Ｔ_hに維持され、他端は、一定の低温Ｔ_cに維持さ
れている。定常状態においては、単位時間あたりのロッ
ドの断面を流れる熱は、式（１）により与えられるＰを
有し、その温度勾配ΔＴ／Δｘは、Ｘ軸とは独立に、ロ
ッドに沿って、どこでも同一の値である。

【０００４】従来技術においては、この種の一次元の温
度測定を実行することは、複雑で、時間のかかるもので
あり、その理由は、異なるものを測定するごとに、高温
漕と、熱伝対をサンプルに取り付ける必要があるからで
ある。そして、正確に測定するためには、長時間かけて
注意深く測定する必要がある。さらに、必要な熱絶縁
は、サーモカップル、および、そのワイヤリング、さら
にまた、熱源、およびそのワイヤリングにおいて、より
微細になり、壊れやすく、そして、必要な断熱材料によ
り、座屈したり、つぶれたりする傾向がある。

【０００５】次に、円盤状の半径方向の熱流Ｐの場合に
おいて、定常状態の熱伝導率Ｋは、以下の図式で与えら
れる。Ｋ＝｛Ｐ／（Ｒ２／Ｒ１）｝／｛２πｈ（Ｔ２−Ｔ１）｝（２）ここで、Ｔ１とＴ２は、円盤上のセンターに配置された
サンプルの点から、半径方向の距離Ｒ１とＲ２で測定さ
れた温度で、ｈは、Ｚ軸方向（すなわち、ＸＹ平面に直
交）に平行に測定したサンプルの厚みで、半径方向の熱
流Ｐが、発生したとしている。例えば、サンプルは、距
離ｈだけ離れた一対の端部表面を有する円盤Ｋである。
従来技術においては、放射および、他の熱損失の問題に
起因して、ｈは、Ｒ２よりもはるかに大きく（少なくと
も１０倍以上）設定して、熱流が、半径方向にのみ流れ
るようにしている。このようにして、熱流は、半径方向
にのみ流れ、Ｋは、式（２）により決定される。しか
し、端部の影響による誤差を最小にするために、サンプ
ルの内部の点（すなわち、サンプルの中の点）で、温度
Ｔ１とＴ２を測定する必要がある。このことにより、測
定は、複雑で、時間のかかるものとなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、本発明の対象とする被測定物
体は、比較的薄い板、または、プレートで、前記の厚さ
ｈに関する制限を満足することができない。それゆえ
に、平面のような被測定物体の熱伝導率を正確に測定す
ることは、従来の厚みのある半径方向の熱流測技術を用
いては、達成できない。したがって、本発明の目的は、
薄い平板状のフィルム、板、プレート等の熱伝導率を正
確に測定する装置と方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の装置は、特許請求の範囲に記載したとおり
である。

【０００８】本発明で使用されるプラスチックシート
は、ヒートシンクに接合され、これにより、プラスチッ
クシートは、機械的に緊張状態（ピンと張った状態）に
維持される。また、第１の温度センサーと第２の温度セ
ンサーは、差動熱電対を形成し、この第１の温度センサ
ーと第２の温度センサーへの接続ワイヤは、プラスチッ
クシートに接合される。本発明の装置は、プラスチック
シートの第５の位置（第１の位置と、第２の位置の間）
に配置される第３の温度センサーを有する。この第３の
温度センサーは、プラスチックシートに接合される、ア
クセスワイヤを有する。この熱源は、プラスチックシー
トに接合された抵抗と、プラスチックシートに接合され
るアクセスワイヤとを有する。

【０００９】

【実施例】図１、図２、図３において、サンプル（被測
定物）６０の熱伝導率を測定する熱伝導率測定装置１０
０は、銅製のヒートシンク１を有する。このヒートシン
ク１は、開口を包囲する４個の測壁５９、６９、７９、
８９を有する四角のベースである。各壁は、約１〜２ｃ
ｍの範囲の厚さを有し、ヒートシンク１内の開口は、発
泡ラバーからなる断熱充填体６１で充填されている。

【００１０】薄プラスチックシート２（Kapton製）は、
測壁５９、６９、８９の上部表面に接合され、薄プラス
チックシート２が、機械的に引っ張り、そして、ピンと
張った状態、すなわち、薄プラスチックシート２が、垂
れ下がることのないように配置されて、接合される。こ
の薄プラスチックシート２は、約８μｍの厚さを有し、
その８μｍの厚さで４ｃｍ×４ｃｍの広さであり、この
薄プラスチックシート２は、断熱充填体６１の上部表面
に接触し、その上に配置される。

【００１１】補助熱伝導プレート３が、薄プラスチック
シート２の左側の部分（図３）の上に配置されて、ヒー
トシンク１の測壁７９の上部表面の一部の上に、しっか
りと固定する（クランプバー４と測壁７９の上部表面と
の間に真鍮製のネジ５、６、７のような手段によりしっ
かりと挟持され）ことにより、ヒートシンク１と良好な
熱接触を形成している。

【００１２】補助熱伝導プレート３は、一般に銅製で、
その厚さは、約０．１ｍｍで、０．５ｃｍ×１．０ｃｍ
の角形である。この補助熱伝導プレート３は、その底部
は、細線２８、２９、３０により形成される熱伝対が、
補助熱伝導プレート３の下に配置される場合には、電気
的絶縁層８（図３）によりその底部が、コーティングさ
れている。

【００１３】結合ポスト１１、１２、１３、・・・、１
８；３１、３２、・・・、３８は、一般に、銅製で、絶
縁セメント（エポキシ）で、対向する測壁６９、８９の
上部表面の穴内に埋め込まれて、この結合ポストが、ヒ
ートシンク１から電気的に絶縁され、および、互いに絶
縁されている。各細線２１、２２、２３、２５、２６、
２７、２８、３９、４１、４２、４３、４４、４５、４
６、４７、４８は、図１、図２に示すようなこれらの結
合ポストのそれぞれの一つに、個別に接続されている。
これらの細線は、エポキシセメントにより、薄プラスチ
ックシート２の上部表面に接合され、断熱充填体６１の
上に配置された、機械的に安定したワイヤアレイを形成
する。各細線２１、２２、４１、４２は、銅製、また
は、金製ワイヤで、その直径は約２５μｍで、そのた
め、このワイヤによる熱伝導の量は、無視できる程度で
ある。

【００１４】抵抗体（５１）が、エポキシセメントによ
り、薄プラスチックシート２の上部表面に接着され、細
線２１、２２にその一端が、細線４１、４２にその他端
が、電気的に接続される。

【００１５】次に、本発明の装置を用いた熱伝導率の測
定方法について述べる。サンプル（被測定物）６０を配
置して、電圧をかけると、電流ｉが結合ポスト１１から
細線２１、４１、抵抗体５１を介して結合ポスト３１に
流れる。抵抗体５１の各端に接続された細線２２、４２
の目的は、ゼロ電流のワイヤを提供し、式（１）のＰの
計算に必要な、この電圧に対し、抵抗体５１にかかる電
圧を正確に測定するためのものである。

【００１６】細線２３、２４、２５は、接合部５２、５
４で形成されるサーモカップルによる差動サーモカップ
ルを形成し、細線４３、４４は、接合部５３でシングル
サーモカップルを形成する。細線２３、２５は、それぞ
れ、クロメル、あるいは、コンスタンタンで、細線２４
は、コンスタンタン、または、クロメルで、その直径
は、約５０μｍである。従来公知のように、結合ポスト
１３、１４にかかる電圧ΔＶは、接合部５２、５３の間
の温度差、ΔＴに比例し、式（１）に必要なΔＴ／Δｘ
の値は、接合部５２、５３の値の距離Δｘを測定するこ
とにより決定できる。

【００１７】細線４３、４４は、熱伝対の接合部５３を
形成する。これらのワイヤの一つは、クロメルで、他
は、コンスタンタンで、これにより、結合ポスト３３、
３４にかかる電圧Ｖは、接合部５３における絶対温度に
比例し、細線３３、３４は、ヒートシンク１の既知の温
度と同一の絶対温度である。接合部５３は、接合部５
２、５４のほぼ中央に配置され、結合ポスト１３、１４
にかかる電圧ΔＶを校正し、この電圧ΔＶを所望の温度
差ΔＴに変換できる。

【００１８】抵抗体５１と接合部５２との間の距離は、
サンプル（被測定物）６０の厚さの少なくとも１０倍
で、サンプル（被測定物）６０を介して流れる熱流の方
向分布は、Ｘ方向（サンプル（被測定物）６０から補助
熱伝導プレート３の方向に沿った位置から独立し、接合
部５２、５３、５４の近傍、あるいは、領域に配置され
る。サンプル（被測定物）６０の左側の部分と、細線３
０との接続は、局部的な熱コンダクタンスが、サンプル
の幅に渡って、均一であるように行われる（Ｘ方向のサ
ンプルの長さは、幅、および、その厚さよりもはるかに
大きいとする）。

【００１９】抵抗体５５は、細線２６、２７、４５、４
６と、細線２６、２７、３５、３６と共に、熱伝導によ
る損失、あるいは、サンプル（被測定物）６０の表面か
らの放射に起因して校正を行うために、つけ加えられた
ものである。これについては、J.E.GraebnerとJ.A.Herb
の共著、「Dominance of Intrinsic Phonon Scattering
in CVD Diamond」（１９９２年 Diamond Films and T
echnology社刊）第１巻Ｎｏ．３の１５５〜１６４ペー
ジ、および、１５７〜１５８ページに開示されている論
文を参照の事。また、細線２８、２９の間、および、細
線２９、３０の間により形成される別の差動サーモカッ
プルを追加し、さらに、細線４７、４８により形成され
る別のサーモカップルを用いて、補助熱伝導プレート３
と、ヒートシンク（１）との間の熱接合、あるいは、補
助熱伝導プレート３とサンプル（被測定物）６０との間
の熱接合をチェックするために、追加しても良い。

【００２０】サンプル（被測定物）６０は、角形で、そ
の幅と長さに比較して、はるかに小さな均一の厚さを有
する。このサンプル（被測定物）６０は、必ずしも角形
である必要はなく、ただし、その右側の幅（Ｙ方向）
が、抵抗５１の長さ（＝Ｙ方向）にほぼ等しく、左側の
幅は、補助熱伝導プレート３の幅にほぼ等しく、そし
て、サンプル（被測定物）６０の幅（Ｙ方向）は、接合
部５２と接合部５４の間の領域で均一で、接合部５２と
接合部５４の間の位置方向の熱流が確保できるものであ
ればよい。本発明の熱伝導率測定装置１００は、サンプ
ル（被測定物）６０の面の熱伝導率（ＸＹ面）の測定に
適している。

【００２１】薄プラスチックシート２の目的は、抵抗体
５１と接合部５２、５３、５４と、細線２１、２２、２
３、２４、２５、４１、４２、４３、４４と共に、機械
的に安定した、支持システムを予め形成することであ
る。接合部５２、５３、５４のようなサーモカップル接
合は、アークによるスポット溶接、あるいは、補助熱伝
導プレート３を含有したフラックスの鉛すずハンダによ
り全て形成される。

【００２２】次に、サンプル（被測定物）６０の面の熱
伝導率の測定方法について述べる。このサンプル（被測
定物）６０を、その左端が補助熱伝導プレート３の上
に、その右端がネジ５の上になるように配置する。この
ようにサンプル（被測定物）６０を配置した後、断熱媒
体６２（発泡スチロール）をサンプル（被測定物）６０
の上、および、薄プラスチックシート２の残りの（露出
した）上部表面部分と、補助熱伝導プレート３の上部表
面部分の上に配置する。金属おもし６３により生成され
る圧縮力により、断熱媒体６２を下側に押し、断熱媒体
６２の底部と薄プラスチックシート２の露出上部表面部
分と、補助熱伝導プレート３との間の距離が縮まる。こ
のようにして、熱損失が減少し、サンプル（被測定物）
６０と加熱装置と、サーモカップル接合と、補助熱伝導
プレート３との間の良好な熱接触が得られる。

【００２３】サンプル（被測定物）６０の面上の熱伝導
率の測定動作について、次に述べる。抵抗体５１は、結
合ポスト１１と結合ポスト３１に接続される電流源（図
示せず）により、そこに、電流ｉを流すことにより、加
熱装置として機能する。定常状態が得られた後、式
（１）におけるＰの値は、Ｐ＝νｉに等しくなる。ここ
でνは、抵抗体５１にかかる電圧差で、これは、結合ポ
スト１２と結合ポスト３２との間で測定され、ｉは、抵
抗体５１を結合ポスト１１と結合ポスト３１を介して流
れる電流値である。上記の式Ｐ＝νｉが、有効な条件
は、抵抗体５１によって生成される熱の全て（他の熱を
除く）が、サンプル（被測定物）６０内に入り、サンプ
ル（被測定物）６０から出る熱のみが、接合部５４の左
側に配置された領域に到達する場合である。これらの条
件は、断熱充填体６１と断熱媒体６２により形成される
熱絶縁により、満足され、かつ、サンプル（被測定物）
６０の幅（Ｙ方向）が、断熱充填体６１の幅と、断熱媒
体６２の幅の両方よりもはるかに小さい場合である。

【００２４】Ｐ＝νｉは、νとｉの測定値から計算で
き、ΔＴ／Δｘの値は、サーモカップルの電圧の測定値
から決定でき、サンプル（被測定物）６０の断面積Ａ
は、公知の技術により測定され、かくして、Ｘ方向のサ
ンプル（被測定物）６０の面熱伝導率の値は、式（１）
から計算され、ΔＴの測定値と、式（１）から計算され
たＫの値が、時間と共に変動しなくなった後に決定でき
る。本発明の熱伝導率測定装置１００を用いて、異なる
サンプルのＸ方向の面熱伝導率は、各サンプルの熱伝導
率を測定した後、金属おもし６３と断熱媒体６２をただ
取り除き、次に、そこに、次のサンプルを配置すること
により計測できる。

【００２５】図４は、変形した外形を有するサンプルの
熱伝導率の測定に用いられる熱伝導率測定装置３００を
表す。図４に示す部品は、図１と図３に示した部品番号
に１００を加えたものに等しく、それらと同様な構造と
機能を有する。ヒートシンク１０１の開口は、断熱充填
体６１と同様な充填材（図示せず）により充填されてい
る。図４と図１、図２、図３との大きな相違点は、加熱
装置（抵抗）１５１が、直線状ではなく、環状であり、
補助熱伝導プレート３（図１、図２、図３）は、ペデス
タル１０３（図４）となる点である。

【００２６】ワイヤ１２１、１２２、１４１、１４４
は、エポキシセメントで、プラスチックシート１０２の
上部表面に接続され、同様に、ワイヤ１２３、１２４、
１２５は、プラスチックシート１０２の底部表面に接合
され、ワイヤ１２８、１３０、１４７、１４８は、ペデ
スタル１０３の表面に接合されている。熱伝導率の測定
に際し、サンプルボディ（図示せず）は、加熱装置（抵
抗）１５１の上に配置され、このサンプルは、その全て
の点をカバーし、それらの点を超えて延びて、サンプル
の環状対象加熱を達成している。熱伝導率測定装置３０
０における動作において、断熱媒体６２と類似の断熱媒
体が、サンプルの上に配置され、金属おもし６３が、こ
の断熱媒体の上に配置される。この面（ＸＹ）方向の熱
伝導性は、式（２）により計算される。

【００２７】サンプルを熱伝導率測定装置１００、また
は、熱伝導率測定装置３００の上に配置する前に、伝熱
性グリースを熱伝導率測定装置１００、または、熱伝導
率測定装置３００の下側に塗布して、サンプルとサーモ
カップルとの接合、および、抵抗、および、補助熱伝導
プレート３またはペデスタル１０３との間の熱接触を改
良する。熱伝導率測定装置１００、または、熱伝導率測
定装置３００を、真空室（１パスカル以下）に配置し
て、操作するのが好ましい。

【００２８】本発明の変形例としては、ワイヤ２１、２
２、・・・、３０；４１、４２、・・・、１２１、１２
２、１２３、１２４、１２５、１４１、１４２、１４４
と、抵抗５１、５５、１５１を薄フィルムワイヤ、薄フ
ィルム抵抗として、堆積することにより、プラスチック
シート２、１０２上で実現できる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の装置によれ
ば、フィルム状の熱伝導率の測定が、正確、かつ、容易
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による角形のサンプル（被測
定装置）の熱伝導率を測定する装置の斜視図。

【図２】図１に示された装置の部分拡大図。

【図３】サンプル（被測定装置）が、図１の装置内に配
置された状態を示す図１の３−３の断面図。

【図４】本発明の他の実施例による平板の熱伝導率を測
定する装置の部分断面斜視図。

【符号の説明】

１００熱伝導率測定装置１ヒートシンク２薄いプラスチックシート３補助熱伝導プレート４クランプバー５、６、７ネジ８電気的絶縁層１１、１２、１３、・・・、１８結合ポスト２１、２２、２３、２４細線２５、２６、２７、・・・、３０細線３１、３２、３３、・・・、３８結合ポスト４１、４２、４３、・・・、４８細線５１抵抗体５２、５３、５４接合部５５抵抗体５９、６９、７９、８９側壁６０サンプル（被測定装置）６１断熱充填体６２断熱媒体６３金属おもし１０１ヒートシンク１０２プラスチックシート１０３ペデスタル１０４クランプバー１０５、１０６、１０７ネジ１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ワイヤ１２８、１２９、１３０ワイヤ１４１、１４２、１４３、１４４ワイヤ１４７、１４８ワイヤ１５１加熱装置（抵抗）１５２、１５３、１５４接合部１５９、１７９側壁３００熱伝導率測定装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）開口を有するヒートシンク体（１）
と、ｂ）前記開口を充填する断熱体（６１）と、ｃ）前記断熱体の露出部に配置されるシート（２）と、ｄ）前記シートの離間した第１位置（５２）と第２位置
（５４）にそれぞれ配置される第１の温度センサー（２
３）と第２の温度センサー（２５）と、ｅ）前記シートの第３の位置に配置される熱源（５１）
と、ｆ）前記ヒートシンク体（１）に配置される第１端部
と、前記シートの第４位置に配置される第２端部とを有
する補助伝熱プレート（３）と、からなり、前記シート
の第１位置と第２位置とは、その第３位置と第４位置と
の間にあることを特徴とする熱伝導率測定装置。
【請求項２】前記シートは、前記ヒートシンク体に接
着されるプラスチックシートで、このプラスチックシー
トが、緊張状態に保持されることを特徴とする請求項１
の装置。
【請求項３】前記第１の温度センサーと第２の温度セ
ンサーは、差熱伝対を形成し、前記第１温度センサーと
第２温度センサーのアクセスワイヤは、前記シートに接
続されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項４】前記熱源は、前記シートに接続された抵
抗からなり、前記アクセスワイヤは、前記シートに接続
されることを特徴とする請求項１、２、３の何れかに記
載の装置。
【請求項５】前記第１位置（５２）と第２位置（５
４）の間の第５位置（５３）に配置される第３の温度セ
ンサー（４３，４４）をさらに有することを特徴とする
請求項１の装置。