JP5368715B2 - 熱流センサ - Google Patents

Description

この発明は、伝熱測定に用いられ面状の熱流センサに関するものである。

一般に、例えば建材としての断熱材の開発に欠かせない役割を果たしているのが熱伝導率の測定である。この熱伝導率の測定精度の向上は、断熱材の過剰な使用によるスペースや資源の無駄の防止や、不十分な断熱施工によるエネルギーの無駄を避ける上でも望ましい。

このような建材に用いられる断熱材は熱伝導率が０．０２Ｗ／ｋ．ｍ（平均気温２０°ｃ）前後であるので、熱伝導率の測定は容易ではない。この熱伝導率の測定に用いられる熱流センサとしては、複数の熱電対を直列に接続して、測定精度を向上させた面状のものが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３７０９７号公報

しかしながら、従来の熱流センサは、異種の導電性金属を交互に基板の表面で接合したものであるために、製造が容易ではなかった。

そこで、この発明は、製造が容易で且つ熱伝導率の測定精度が高い熱流センサを提供することを目的とするものである。

この目的を達成するため、請求項１の発明は、縦横に配列された複数の貫通孔が絶縁性の基板に形成され、前記複数の貫通孔に異種金属材料製の第１，第２導電性金属が交互に配設され、前記第１，第２導電性金属は該第１，第２導電性金属の一方と同じ材質から前記基板の両面にメッキにより形成された複数の表面金属層で直列に接続された熱流センサであって、前記第１，第２導電性金属は熱流量が略同じになるように断面積が設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、複数の表面金属層を基板の両面にメッキにより形成する際に、複数の第１，第２導電性金属を複数の表面金属層で直列に接続することができるので、熱流センサの製造が容易であると共に、熱伝達率の測定精度を高くすることができる。

以下、この発明の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、熱伝導率を測定するための熱流計の一例を示したものである。この図１において、熱流計は加熱ユニット１と冷却ユニット２を有し、加熱ユニット１と冷却ユニット２の対向面１ａ，２ａには互いに対向する凹部１ｂ，２ｂが形成されている。そして、凹部１ｂ，２ｂには、この発明にかかる熱流センサ３，３′がそれぞれ取り付けられている。尚、熱流センサ３は対向面１ａと面一に設けられ、熱流センサ３′は対向面２ａと面一に設けられている。この熱流センサ３′は熱流センサ３と構成が同じであるので、熱流センサ３についてのみ以下に詳述する。
（熱流センサ３）
この熱流センサ３は図２に示したように絶縁性の配線基板４を有する。この配線基板４には、縦横にマトリックス状に配列された多数（又は複数）の第１の貫通孔５と、縦横にマトリックス状に配列された多数（又は複数）第２の貫通孔６が形成されている。この多数（又は複数）の第１の貫通孔５は、貫通孔行５Ｌ１，５Ｌ２，５Ｌ３・・・５Ｌｉ・・・５Ｌｎと、貫通孔列５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｃ３・・・５Ｃｉ・・・５Ｃｎを有する。また、多数（又は複数）の第２の貫通孔６は、貫通孔行６Ｌ１，６Ｌ２，６Ｌ３・・・６Ｌｉ・・・６Ｌｎと、貫通孔列６Ｃ１，６Ｃ２，６Ｃ３・・・６Ｃｉ・・・６Ｃｎを有する。

そして、貫通孔行５Ｌ１，５Ｌ２，５Ｌ３・・・５Ｌｉ・・・５Ｌｎと貫通孔行６Ｌ１，６Ｌ２，６Ｌ３・・・６Ｌｉ・・・６Ｌｎは交互に配列され、貫通孔列５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｃ３・・・５Ｃｉ・・・５Ｃｎと貫通孔列６Ｃ１，６Ｃ２，６Ｃ３・・・６Ｃｉ・・・６Ｃｎは交互に配列されている。しかも、貫通孔行５Ｌ１，５Ｌ２，５Ｌ３・・・５Ｌｉ・・・５Ｌｎと貫通孔行６Ｌ１，６Ｌ２，６Ｌ３・・・６Ｌｉ・・・６Ｌｎは半ピッチずれて配列され、貫通孔列５Ｃ１，５Ｃ２，５Ｃ３・・・５Ｃｉ・・・５Ｃｎと貫通孔列６Ｃ１，６Ｃ２，６Ｃ３・・・６Ｃｉ・・・６Ｃｎは半ピッチずれて配列されている。

尚、説明の便宜上、多数（又は複数）の第１の貫通孔５と多数（又は複数）第２の貫通孔６はマトリックス状に形成した例を示したが、多数（又は複数）の第１の貫通孔５及び第２の貫通孔６のうち配線に使用しない部分は省略しても良い。

本実施例では、図３〜図８に示したように多数（又は複数）の第１の貫通孔５及び第２の貫通孔６のうち、配線に使用しない部分を省略した配線基板４を用いている。

また、図９に示したように各第１の貫通孔５には銅製で筒状の第１金属接続体（第１導電性金属）７がそれぞれ形成され、各第２の貫通孔６にはコンスタンタン製で中実状の第２金属接続体（第２導電性金属）８がそれぞれ形成されている。この第１金属接続体７は銅を第１の貫通孔５内にメッキにより層状に形成したものであり、第２金属接続体８は線状のコンスタンタンを第２の貫通孔６に嵌合することにより形成したものである。

更に、配線基板４の一側の面４ａには多数（又は複数）の第１表面金属層９が図５，図７に示したように配列され（図３参照）、配線基板４の面４ａとは反対側（他側）の面４ｂには図６に示したように多数（又は複数）の第２表面金属層１０が配列（図４参照）されている。

この第１，第２表面金属層９，１０を有する熱流センサ３を形成するには、図９に示したように先ず線状のコンスタンタンを第２の貫通孔６に第２金属接続体８として嵌合する。次に、配線基板４の両面４ａ，４ｂにエポキシ樹脂層（図示せず）を形成する。この後、配線基板４の両面４ａ，４ｂのエポキシ樹脂層を全体に渡ってカットして（削り取って）第１の貫通孔５の端部と第２金属接続体（第２導電性金属）８の端面を露出させる。

この後、配線基板４の両面４ａ，４ｂ全体に所定厚さの銅メッキを施すことにより、配線基板４の両面４ａ，４ｂの全体に図示しない銅層（導電性金属層）を形成する。この際、第１の貫通孔５の内面に銅メッキがされて、図示しない銅層（導電性金属層）と一体で筒状の第１金属接続体（第１導電性金属）７が第１の貫通孔５内に形成される。

尚、第１金属接続体（第１導電性金属）７の肉厚と配線基板４の両面４ａ，４ｂの全体に形成される図示しない銅層（導電性金属層）の肉厚は同じに形成される。また、この第１金属接続体（第１導電性金属）７内にはスルーホール７ａが形成される。

しかも、この銅メッキに際して、配線基板４の両面４ａ，４ｂ全体にそれぞれ形成される銅層（導電性金属層）は各第２金属接続体８の両端に接合される。

次に、配線基板４の両面４ａ，４ｂの全体に形成された図示しない銅層（導電性金属層）の表面をフォトエッチング加工によって第１，第２表面金属層９，１０として必要な部分を残すことにより、多数（又は複数）の第１，第２表面金属層９，１０を形成したものである。

しかも、このフォトエッチング加工により、第１，第２表面金属層９，１０は、第１金属接続体７と第２金属接続体８を直列に接続するように配列されている。図５，図７，図８では短冊状（長方形状）の第１表面金属層９が面４ａ上にジグザグに配列され、図６では短冊状（長方形状）の第２表面金属層１０が面４ｂ上にジグザグに配列されている。この第１表面金属層９と第２表面金属層１０は図７，図８に示したように両端部が重なるような位置に配置されている。

また、図７に示したように、第１金属接続体７と第２金属接続体８を介して直列に接続された第１，第２表面金属層９，１０の内、両端に位置する第２表面金属層１０，１０には第１，第２端子１１，１２が接続されている。

また、ここでは、第１金属接続体（第１導電性金属）７は熱伝導率が４０３Ｗ／ｍ・Ｋの銅製であり、第２金属接続体（第２導電性金属）８は熱伝導率が２２Ｗ／ｍ・Ｋのコンスタンタンであるので、銅の熱伝導率はコンスタンタンの熱伝導率の略１８倍となる。

この結果、第１金属接続体７と第２金属接続体８の断面積が同じであれば、配線基板４の面４ｂから面４ａに移動する熱量は銅製の第１金属接続体７の方がコンスタンタン製の第２金属接続体８よりも略１８倍も多くなるので、被測定物の熱伝達率の測定が困難になる。

従って、熱伝達率の測定を正確に行うためには、第１金属接続体７と第２金属接続体８を介して配線基板４の一側の面から他側の面に移動する熱量が同じになるように設定しなければならない。このためには、第１金属接続体（第１導電性金属）７と第２金属接続体（第２導電性金属）８は、熱伝達率（熱流量すなわち熱移動量）が略同じになるように断面積が設定されている。

即ち、第１金属接続体７が銅製で且つ第２金属接続体８がコンスタンタン製の場合には、第１金属接続体７の断面積を第２金属接続体８の略１／１８に設定することにより、第１金属接続体７と第２金属接続体８の熱伝達率（熱流量すなわち熱移動量）が略同じになるようにすることができる。

このように熱伝導率に基づいて第１金属接続体７と第２金属接続体８の熱伝達率が同じになるように設定できる。

このような構成においては、第１，第２表面金属層９，１０と第２金属接続体８との接続部が熱電対になるので、多数（又は複数）の熱電対が配線基板４の両面（面４ａ，４ｂ）付近に形成される。そして、この多数の熱電対が直列に接続された状態となるので、この多数の熱電対で発生する起電力の総和を第１，第２端子１１，１２を介して取り出すことができ、この起電力から温度を計測して、測定精度を上げることができる。

従って、図１の加熱ユニット１と冷却ユニット２との間に断熱材１３を挟んで、加熱ユニット１からの熱を断熱材１３を介して冷却ユニット２側に伝達させると、加熱ユニット１側の熱流センサ３で計測された温度と冷却ユニット２側の熱流センサ３′で計測された温度との差から、断熱材１３の熱伝達率を求めることができる。

以上説明した実施例では、第１金属接続体７を銅メッキにより筒状に形成して、第１金属接続体７内にスルーホール７ａを形成した例を示したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図１０，図１１に示したように、銅製で線状の第１金属接続体７を第１の貫通孔５内に嵌合して、この線状の第１金属接続体７を第１導電性金属としても良い。

この場合には、図１０，図１１に示したように第１，第２表面金属層９，１０に上述したスルーホール７ａは開口することはない。また、この場合も、第１金属接続体７と第２金属接続体８の熱伝達率が同じになるように、第１金属接続体７と第２金属接続体８の熱伝導率に基づいて第１金属接続体７と第２金属接続体８の断面積を設定する。

また、この図１０，図１１に示した例でも、第１金属接続体７と第２金属接続体８の両端は上述した実施例と同様なメッキ及びフォトエッチング等で第１，第２表面金属層９，１０に接合される。

以上説明したように、この発明の実施の形態の熱流センサ３，３′は、縦横に配列された複数の貫通孔（５，６）が絶縁性の基板（配線基板４）に形成され、前記複数の貫通孔（５，６）に異種金属材料製の第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）が交互に配設され、前記第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）が直列に接続された熱流センサであって、前記第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）は該第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）の一方と同じ材質から前記基板（配線基板４）の両面（４ａ，４ｂ）にメッキにより形成された複数の表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）で直列に接続されている。

この構成によれば、複数の表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）を基板（配線基板４）の両面（４ａ，４ｂ）にメッキにより形成する際に、複数の第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）を複数の表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）で直列に接続することができるので、熱流センサの製造が容易であると共に、熱伝達率の測定精度を高くすることができる。

また、この発明の実施の形態の熱流センサにおいて、前記第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）はそれぞれ銅及びコンスタンタンであり、前記表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）は第１導電性金属と同じ銅製としている。

この構成によれば、表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）を簡易に形成できる。しかも、配線基板４の両面４ａ，４ｂ（上下面）に形成される表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）が第１導電性金属（第１金属接続体７）と同じ銅製であり、配線基板４の両面４ａ，４ｂ（上下面）に形成される表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）の温度を同じ温度にできる。これに加えて、第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）が表面に突出しないので、配線基板４の両面４ａ，４ｂ（上下面）における表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）と第２導電性金属（第２金属接続体７，８）との接合点に同じ温度を用させることができる。これにより、配線基板４の両面４ａ，４ｂ（上下面）における表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）と第２導電性金属（第２金属接続体７，８）との接合点での起電力が同じになるので、この接合点が配線基板４の両面４ａ，４ｂで多数あるにも関わらず、全ての接合点の起電力を同じにできる。この結果、熱伝達率の測定精度を高くできる。

更に、この発明の実施の形態の熱流センサにおいて、前記第１，第２導電性金属（第１，第２金属接続体７，８）は熱流量が略同じになるように断面積が設定されている。

また、この発明の実施の形態の熱流センサにおいて、前記第１導電性金属（第１金属接続体７）は前記表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）を前記メッキにより形成する際に前記貫通孔（第１の貫通孔５）内面に同時に円筒状に形成されている。

この構成によれば、第１導電性金属（第１金属接続体７）を簡易に形成することができると共に、第１導電性金属（第１金属接続体７）と表面金属層（第１，第２表面金属層９，１０）の接続を行う必要がないので、熱流センサの製造が容易となる。

この発明に係る熱流センサを用いた熱流計の一例を示す概略断面図である。 図１の熱流センサに用いる配線基板の一例を示す平面図である。 図１の熱流センサに用いる配線基板の他の例を示す平面図である。 図３の配線基板の反対側の面を示す説明図である。 図３の配線基板を用いた熱流センサの平面図である。 図５の熱流センサの反対側の面を示す説明図である。 図３〜図６の第１，第２導電性金属及び表面金属層等の配置関係を示した説明図である。 図７の部分拡大説明図である。 図８のＡ１−Ａ１線に沿う断面図である。 この発明に係る熱流センサの変形例を示す平面図である。 図１０のＡ２−Ａ２線に沿う断面図である。

符号の説明

３，３′・・・熱流センサ
４・・・配線基板
４ａ，４ｂ・・・面
５・・・第１の貫通孔
６・・・第２の貫通孔
７・・・第１金属接続体（第１導電性金属）
７ａ・・・スルーホール
８・・・第２金属接続体（第２導電性金属）
９・・・第１表面金属層
１０・・・第２表面金属層

Claims (2)

1. 縦横に配列された複数の貫通孔が絶縁性の基板に形成され、前記複数の貫通孔に異種金属材料製の第１，第２導電性金属が交互に配設され、前記第１，第２導電性金属は該第１，第２導電性金属の一方と同じ材質から前記基板の両面にメッキにより形成された複数の表面金属層で直列に接続された熱流センサであって、
   前記第１，第２導電性金属は熱流量が略同じになるように断面積が設定されていることを特徴とする熱流センサ。
2. 請求項１に記載の熱流センサにおいて、前記第１導電性金属は前記表面金属層を前記メッキにより形成する際に前記貫通孔内面に同時に円筒状に形成されていることを特徴とする熱流センサ。

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