THISYS

THISYS 薄膜熱伝導率測定装置

THI01 仕様:
測定方法 薄膜サンプル分析
動作温度 -30 から +120 °C
測定精度 (λref) (サンプルによる) 参照サンプルによる, 標準 +/- 6% (20 °C)。 Hxλは4 10-3 m2K/W
再現性 (λref) +/- 2% ( 20 °C)
測定所要時間 3000 秒 (標準)
電源 15 V, 0.8 Watt (標準)
ヒーター (抵抗、直径) 50 Ω, 80mm
サンプル仕様 厚さ= 6 mmまで
Hxλ = 1 から 5 x 10-3 m2K/W
サンプルの表面積 A 70×110 mm
Pt100 Class B, IEC 751:1983
トレーサビリティ NPL( National Physical Laboratory UK/英国立物理学研究所)
MCU01仕様:
サンプル温度検査精度 0.5 μV ( 0 – 30 °C)
Pt100 温度精度 +/- 0.2 °C ( 20 °C)
電圧入力/出力 220-110 VAC / 15 VDC
通信 RS232


図: 2 THI01 断面図 :ヒートシンク(7, 9). 測定サンプル(8).エア充填空洞(17).ヒーター(4). ヒーターから発生した熱は中心部の空洞により断熱されているためサンプルの面方向に流れ、サンプルの端に到達した後ヒートシンクへと伝わります(14).
図 3: THISYSによる分析:幾つかのプラスチックサンプルを使用。グラフはヒーターをつけた時の信号値。信号振幅は サンプルの厚さHをかけた熱伝導率に逆比例。

THISYSは、高い熱伝導率の薄いサンプルを、正確で迅速、簡単に測定します。通常、測定サンプルは、金属や合金、高い熱伝導率の様々なフィルター状のプラスチックなど、シート状のものを利用します。金属サンプルは、0.1mmの厚さかそれ以下の範囲。プラスチックサンプルは、通常、6mmの厚さのプレート。合板は、その中間の厚さが理想的です。THISYSは、薄膜サンプル装置(THI01)、計測制御ユニット(MCU01)で構成されています。測定は、サンプルが加熱されたときの温度勾配で決定されます。 特殊設計の高精度サーモパイルセンサー採用し、THI01は、熱伝導率200W/mK範囲の薄膜のサンプルを測定できます(通常0.01mmから6mm)。 また、接触抵抗の問題を解決しました。ASTM D54(米国材料試験協会試験法)がうまくいかなかった場合、この方法は、代替法として有効です。人工気象室を使えば、広い測定温度範囲をカバーでき、一定の間隔を置いて測定を実行します。THISYSは、コンピューターによる完全制御です。熱伝導率の低い材質には、THASYSをお奨めします。

 

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概要

相対的に熱伝導率が高く、薄い工業材料の測定は、以前から問題になっていました。通常の方法としては、ASTM D 5470 – 01 (米国材料試験協会標準試験法(「Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thin Thermally Conductive Solid Electrical Insulation Materials」)があげられますが、高感度の接触抵抗がみられ、高伝導率の材料には、応用できませんでした。THISYSは、この問題を解決します。

図1: THISYS は薄膜サンプル装置-THI01-(1) と測定制御ユニット-MCU- (2)で構成. RS232 ケーブルを通してコンピューターで(4, 5)でコントロールされます.(*コンピューターはこのユニットに含まれていません).測定結果は自動的にスクリーン上に現れます. THI01 にはグリセリン槽に2つのヒートシンクを内蔵. 上部にサンプルを挿入する差込口があり、サンプルは両側から加熱されます. 一方のヒーターにはサーモパイルセンサーのホットジョイントが付いています。サンプル挿入後、側面にある圧着用ダイアルでサンプルとヒーターはヒートシンクと共に一緒に締め付けられ、完全に左右対称な状態でセットアップが完了します.液体グリセリンは 接触抵抗の問題を解決します。

原理として、THISYSはサンプルを絶縁空洞に挿入し、一定の熱流で過熱されたサンプルを面方向に中心から端までくまなく加熱した状態で、温度勾配を測定します。

熱流-φ (ヒーターから派生した)を測定することによって、 サンプルを通過する温度の時間変化に対する微分値-ΔTamp, サンプルの厚さ-H,とすると相対熱伝導率-λrelは次のような計算式になります。

λrel = φ / H ΔTamp

この測定は既知の物質の測定値を基にした比較法で行われます。

THI01 の設計

Hukseflux THI01 は 2つのアルミニウム製のヒートシンクを採用し、それぞれにエア充填の絶縁空洞と共にヒーターが内蔵されています。サンプルはこのヒートシンクの間にセットします。このようにして温度勾配(面方向に中心から縁に)が測定されます。この技術新案はthin thermocouple thermopile (Hukseflux設計特許)としてグリセリン槽の中で正確かつ超高感度の微分値ΔTの測定を行います。

THI01は 0.01-6mmの厚さのサンプルを測定します。通常、シート状で70x100mmの大きさのものを使用します。

参照標準サンプルは5mm厚のパイレックス(Pyrex)7740です。このシートの熱伝導 [H.λ] は約[4 10-3 m2K/W]で、測定対象サンプルは、[H.λ] 値でこれに近いものが理想的です。

測定は、実際にはTHI01の温度で行われます。必要に応じて、人口気候室の中にTHI01をセットすれば動作温度を変更して測定でき、所定のセンサー温度範囲が変化している間に測定します。つまり測定はヒーティングサイクルと微分値ΔTを確定する計測から成り立っています。THI01の温度は、Pt100温度センサーによって監視され、サーモパイルの感度の温度依存性を修正します。

 

MCU01(計測制御ユニット)の設計

MCUはコンピューター制御で、データ保存と同時に計測制御機能を実行します。ソフトウエアは、THI01ユニットに含まれており、ウィンドウズ環境で操作します。パラメーターサイクルタイム、サンプルの厚さ、ヒーター領域を入力すると、計測がスクリーン上でスタートします。

キャリブレーション

分析されるサンプルによりますが、さまざまな種類の参照サンプルが考えられます。通常、このユニットに含まれているパイレックス7740が使用され、このパイレックス7740の熱伝導率はNPL(英国立物理学研究所)で確認できます。THISYS は ISO認証の研究所での使用に適しています。 

 

適応例

  • 高熱伝導率のシート状物質
  • 金属合金
  • 高熱伝導率の複合材

 

備考

THI01の仕様について必ずTHI01マニュアルを参照下さい。マニュアル(無料)はPDFファイルにてメールでお送りいたします。低熱伝導率のサンプル測定にはTHASYSの使用をお勧めします。

 

Version 0817