JPH01105151A

JPH01105151A - 熱伝導率及び温度測定プローブとその製造方法

Info

Publication number: JPH01105151A
Application number: JP5396888A
Authority: JP
Inventors: Arata Nakamura; 新中村; Taketoshi Hibiya; 孟俊日比谷; Fumio Yamamoto; 文雄山本; Yuzo Shimada; 嶋田　勇三
Original assignee: UCHU KANKYO RIYOU KENKYUSHO KK; NEC Corp
Current assignee: UCHU KANKYO RIYOU KENKYUSHO KK; NEC Corp
Priority date: 1987-05-06
Filing date: 1988-03-07
Publication date: 1989-04-21
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JP2553132B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は電気伝導性を有する液体の熱物性測定技術に係
わる。さらに詳細には、非定常細線加熱比較法などによ
る伝導率測定技術および温度測定技術に係わる。

（従来の技術）液体における熱伝導率の測定においては、長板および長
高によって、ジャーナル・オブフィジクス（Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）Ｅ、１４．ｐ、１４３５
，１９８１年および日本機械学会論文集（８編）４７巻
４１９号、ｐ、１３２３に報告されているように、非定
常細線法による測定が優れた測定精度を保証するものと
して推奨されている。

一方、固体の熱伝導率測定においては、竹越らによって
日本機械学会論文集（Ｂ＃１）４７巻４１９号に報告さ
れているように、非定常細線加熱比較法により優れた測
定ができる。また、測温に関しては熱電対や測温抵抗体
が広く用いられている。

（発明が解決しようとする問題点）電気伝導性液体の熱伝導率測定に用いられている非定常
細線法を用いて、電気伝導性かつ腐食性を有する溶融半
導体や溶融金属、溶融絶縁体などを測定しようとすると
、細線部を絶縁被覆する必要がある。しかし、現在の非
定常細線法に用いられているような細線に均一に非電気
伝導性物質をコーティングすることは極めて困難である
。

また、直接、細線を高温の液体中に入れる場合には、熱
応力により細線の断線もしくは、コーティングにクラッ
クが生じて電気回路として短絡を生ずる。または腐食性
試料により腐食されることなどにより測定が不可能にな
る。

また、測定時の細線の温度を実測する際に正確に測定し
なければならないが、現在は、試料内に温度測定素子を
測定プローブとは別に試料内に挿入して測定している。

このため簡単には温度を測定できなかった。

そこで、本発明の目的は、測定プローブにおいて、細線
部を熱応力に対して強化し、耐食性に優れ、簡単に絶縁
性物質をコーティングでき、測定精度を向上させかつ細
線の温度もしくは試料の温度を簡単に測定できる測定プ
ローブを提供することである。

（問題を解決するための手段）上記目的を達成する為には本発明のプローブは絶縁物の
内部に熱伝導率及び温度計測用の電気回路を設けたもの
である。

すなわち電流を流すことにより熱を発生させるための細
線部、この細線にたいする電流の供給と電圧の測定を行
う目的で各々設けられた電極、これら細線部、電極を支
持する絶縁性基板とで構成される熱伝導率測定プローブ
において窒化ほう素、窒化アルミニウム、窒化シリコン
などの窒化物系材料もしくはダイヤモンドもしくはアル
ミナ、ステアタイト、フォルステライト、ガラスセラミ
ック、マグネシア、イツトリア、ジルコニアなどの酸化
物系材料からなる絶縁性基板上に白金もしくはタンタル
もしくはモリブデンもしくはタングステンもしくは炭素
などの電導性材料で細線部および電極を配線してあり、
その上に前記絶縁物基板と比べて薄い被覆膜を設けてあ
ることを特徴とする熱伝導率プローブを用いると良い。

また窒化アルミニウム、窒化ほう素、窒化シリコン、ダ
イヤモンド、アルミナ、ステアタイト、フォルステライ
ト、ガラスセラミック、マグネシア、イツトリアもしく
はジルコニアの構造体内部に、請求項２に記載した白金
、タンタル、モリブデン、タングステンもしくは炭素で
形成される細線部および電極が埋め込まれていることを
特徴とする熱伝導率測定プローブも、良い。

さらに高精度の測定をするには請求項２に記載した熱伝
導率測定プローブにおいて細線部の垂直方向の基板断面
の形状を基板中心線より等方向な半円形とす乞ことを特
徴とする熱伝導率測定プローブが良い。

この熱伝導率測定用プローブはグリーンシートを２枚以
上積層することにより絶縁性基板を作製する工程、次に
前記積層したグリーンシート上に、上記細線部および電
極を配線したグリーンシートを積層する工程、その上に
グリーンシートを積層する工程、続いて前記積層したグ
リーンシート焼結する工程を用いると製造できる。

またこの製造方法においてはグリーンシートを２枚以上
積層することにより絶縁性基板を作製する工程、次に前
記積層したグリーンシート上に、上記細線部および電極
を配線したグリーンシートを積層する工程、その上にグ
リーンシートを積層する工程、続いて前記積層したグリ
ーンシートを焼結する工程、続いて上記基板断面の形状
を半円形に研削することによりプローブの作製が行える
。

この他には熱伝導率測定用プローブを製造する方法にお
いてグリーンシートを２枚以上積層することにより絶縁
性基板を作製する工程、次に前記積層欠陥したグリーン
シート上に、上記細線部および電極を配線したグリーン
シートを積層する工程、その上にグリーンシートを積層
する工程、続いて上記基板断面の形状を半円形に加工成
型する工程、続いて前記積層したグリーンシートを焼結
する工程を用いても良い。

また絶縁物内部に熱電対もしくは測温抵抗体などの測温
素子をを形成させた温度測定プローブを用いれば高精度
の温度測定ができる。

さらに請求項２，３又は４記載の熱伝導率測定プローブ
において基板上もしくは絶縁物内部に熱電対もしくは測
温抵抗体を形成すれば熱伝導率と温度の測定を高精度に
行える。

（作用）まず請求項２及び４の場合の絶縁物基板が厚い場合につ
いて説明する。第１図に示すように、絶縁物基板すなわ
ち非電気伝導性物質の片側が十分厚く、もう片側が十分
薄い場合、細線部５にステップ電流を流した時の細線部
の温度上昇ΔＴと通電時間ｔとの間には式（１）の関係
がある。

ΔＴ　＝　（ｑｌｎ（ｔ））／（２ｎ（λ１＋４））＋
Ａ　　　　　・（１）ここで、ｑは細線の発熱量、λ、
は測定しようとする液体の熱伝導率、〜は非電気伝導性
の基板の熱伝導率、Ａは液体の熱拡散率、細線部の形状
および非電気伝導性のコーティング膜厚に依存する定数
である。第１図の電極１および３に電流を印加し、上の
関係が成り立つ電流印加初期において、電極２および４
から細線部の電気抵抗変化を測定することにより、細線
の温度上昇の通電時間に対する勾配から測定しようとす
る液体の熱伝導率が基板の熱伝導率を差し引くことによ
り測定できる。この時薄い方の非電気伝導性物質の厚み
は、細線部の温度上昇が式（１）を満足する程度に薄く
なければならず、厚い方は測定中に細線の熱が裏面に伝
わらない程度に厚くなければならない。

細線は基板上に張り付けられているので、熱応力に対し
ても細線は破断することなく、また請求項２の平板状の
プローブ部に均一コーティングするので、非電気伝導性
のコーティングも簡単な手順で行える。

窒化ほう素もしくは窒化アルミニウム、窒化シリコンな
どの窒化物系材料もしくはダイヤモンドは熱伝導性が高
く、細線部を被覆しても細線の発熱をすみやかに測定す
べき溶融半導体に伝えることができ、これらを被覆膜と
して用いればその影響を最小限に留められ、正確な測定
が可能になる。またアルミナ、ステアタイト、フォルス
テライト、ガラスセラミック、マグネシア、イツトリア
もしくはシルコアニアは一般に熱伝導率が液体金属より
小さい。従って液体金属の熱伝導率を測定する場合、式
（１）から分るように測定誤差を小さくすることができ
るのでさらに高精度の測定が可能となる。さらにこれら
の材料は耐食性にすぐれ、腐食性を有する試料の測定に
も゛使用できる。

そして、配線材料として用いる白金もしくはタンタルは
、電気抵抗の温度係数が大きく微小電位変化を読み取る
のに有利である。モリブデンもしくはタングステンもし
くは炭素は高温で安定であり高温融体の測定に有利であ
る。

上記では板状の基板を用いる場合について説明したが、
さらに精度の高い測定を行うためには請求項４に記載の
半円形の断面を持つ基板を用いることが望ましい。以下
にその理由を説明する。

上記した（１）式が有効であるのは、液体および基板の
いずれもが無限の大きさを有しているという仮定が成り
立つ場合である。もし、細線からの熱が基板の裏面まで
伝わると、（１）式において時間の対数と温度上昇との
間には直線関係が成り立たなくなる。この結果、熱伝導
率測定の精度が劣化する。直線からのずれが生じはじめ
る時点は、基板の裏側に最も早く熱が伝わった時点であ
る。すなわち、細線の設けである部分の真裏に熱が伝わ
った時点であり、基板の厚さが直線関係を成り立たせる
時間を決定する。細線の設けである場所から基板の裏側
までの距離が等方向であれば基板の裏側に細線からの熱
が到達する時間は、裏側のいずれの場所においても等し
く、時間の対数と温度上昇との関係において、直線関係
を最も良く保持できる。

そこで請求項４記載のプローブのように、細線部の長手
方向と垂直な一基板断面の形状を半円形とすることによ
り、細線部からの熱が基板の裏側まで伝搬する時間が等
しくなり、この結果、時間の対数と温度上昇との関係に
おいて直線関係が成り立つ時間を長く確保することがで
き、液体の熱伝導率の非定常細線法による測定の精度が
向上する。

請求項３では第２図に示すように、非電気伝導性の物質
すなわち絶縁性被覆膜が十分薄い場合、細線部２５にス
テップ電流を流した時の細線部の温度上昇ΔＴと通電時
間ｔとの間には式（２）の関係がある。

ΔＴ　＝　（ｑｌｎ（ｔ））／（４ｎλ、）＋Ａ　　　
　　　　−（２）ここで、ｑは細線の発熱量、λ、は測
定しようとする液体の熱伝導率、Ａは液体の熱拡散率、
細線部の形状および非電気伝導性物質の膜厚に依存する
定数である。第２図の電極２１および２３に電流を印加
し、上の関係が成り立つ電流印加初期において、電流２
２および２４から細線部の電気抵抗変化を測定すること
により、細線の温度上昇の通電時間に対する勾配から測
定しようとする液体の熱伝導率が測定できる。この時非
電気伝導性物質の厚みは細線の温度上昇が式（２）を満
足する程度に、薄くしなければならない。

セラミック内部に配線を形成、同時焼結することにより
、焼成時におこる収縮はプローブ内で均一であり、プロ
ーブに局所的なそりや歪みを生じない。加えて、同時焼
成のためにプローブ内に残留応力が残らないので、再び
加熱しても熱応力によってプローブが割れたりしない。

またコーティングの工程を簡略化できる。

以下に、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

（実施例１〜２７）まず、請求項２の実施例を示す。

請求項２の実施例は第１図に示す構造で厚さ５ｍｍから
２０ｍｍまでめ各膜厚さの絶縁性基板７に、幅０．２ｍ
ｍ　、長さ８０ｍｍの細線部５および電極部１．２，３
．４をプリント配線し、絶縁性被覆膜厚膜として厚さ０
．０５ｍｍの被覆膜をＣＶＤ法（気相成長法）もしくは
厚膜印刷法でコーティングしたプローブを作製した他に
絶縁被覆膜の厚さは０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、５ｐｍの
場合も作製した。これらのプローブを用いて各種液体の
熱伝導率を測定したところ、細線部およびリード部から
の漏れ電流が生ずることなく熱伝導率の測定ができた。

実施例で作製したプローブの基板と配線材料と被覆の材
質は及びプローブによ′第１表第１表（実施例２８〜３８）次に請求項３の社施例について説明する。

プローブの構造は第２図に示すもので、厚さ０．３ｍｍ
の絶縁性板２７としてグリーンシート２７上に幅０．２
ｍｍ、長さ８０ｍｍの細線部２５、および電極部２１．
２２，２３，２４をプリント配線したものに、０．３ｍ
ｍのグリーンシート２６を重ね、同時焼成することによ
り作製した。このプローブを用いて液体熱伝導率を測定
したところ、細線部およびリード部からの漏れ電流が生
ずることなく熱伝導率の測定ができた。作製したプロー
ブの材料、絶縁物及び配線材料、測定した液体の種類は
第２表にまとめておく。

なお、プローブの厚さは、１ｍｍから１００１１ｍの各
橿原さであれば、良好な測定結果が行えることば確第２
表（実施例３９）第３図は請求項４の非定常細線性熱伝導率測定用プロー
ブの構造を示す図である。

今までの実施例と同じ配線で３５は熱を発生するための
細線部、細線部３５の両端に電流を供給するための電極
３１，３３が設けられこれらの電流端子の内側に電圧を
測定するための電極３２．３４が設けられている。３７
は絶縁性被覆膜、３６は絶縁性基板である。

（実施例４０）第３図に示したプローブを請求項６の方法により以下に
示す手順で作製した。厚さが０．４ｍｍの窒化アルミニ
ウム・グリーンシートを複数枚と、表面に厚膜印刷法に
より幅０．１５ｍｍ、長さ７０ｍｍの細線部とリード部
をタングステンでプリント配線した窒化アルミニウム・
グリーンシートを積層し、さらにこの表面に厚さ０．４
ｍｍの窒化アルミニウム・グリーンシートを重ね焼成し
な。焼成後、センタレス・グラインディングによって、
該細線部およびリード部の長手方向と垂直な断面が半円
形となるように研削加工して、液体熱伝導率測定用プロ
ーブを製造した。このプローブを用いて、１３５０°Ｃ
においてボートに保持された溶融ひ化ガリウムの熱伝導
率を測定したところ、細線への通電時間が３秒に到るま
で、時間の対数と温度上昇との関係において直線関係が
保持され、熱伝導率の値として１７．８±２．ＩＷ／ｍ
Ｋが得られ、熱伝導率を精度良く測定することが可能で
あった。一方、従来からの板状のプローブを用いた場合
には、通電時間が０．８秒になった時点で、時間の対数
と温度上昇との関係は直線からずれ始めた。この結果、
金属ガリウムの熱伝導率の値として１８±６Ｗ／ｍＫが
得られた。両者を比較すると、本発明になるプローブを
用いた場合において測定精度が向上した。

（実施例４１）第３図のプローブを請求項７の方法により以下に示す手
順で作製した。厚さが０．３ｍｍのアルミナ・グリーン
シートを２０枚と、表面に厚膜印刷法により幅０．２ｍ
ｍ１長さ８０ｍｍの細線部とリード部を白金でプリント
配線したアルミナ・グリーンシートを積層し、さらにこ
の表面に厚さ０．３ｍｍのウアルミナ・グリーンシート
を重ね、該細線部およびリード部の長手方向と垂直な断
面が半円形となるように成形加工した後焼成し、液体熱
伝導率測定用プローブを製造した。さらに、このプロー
ブの表面を窒化アルミニウム薄膜で被覆し、酸化物セラ
ミクスと試料液体との反応を防ぐようにした。このプロ
ーブを用いて、３５０’Ｃにおいてボートに保持された
金属ガリウムの熱伝導率を測定したところ、細線への通
電時間が１２秒に到るまで、時間の対数と温度上昇との
関係において直線関係が保持され、熱伝導率の値として
３２．５±０．３Ｗ／ｍＫが得られ、熱伝導率を精度良
く測定することが可能であった。一方、従来からの板状
のプローブを用いた場合には、通電時間が３秒になった
時点で、時間の対数と温度上昇との関係は直線からずれ
始めた。この結果、金属ガリウムの熱伝導率の値として
３３±３Ｗ／ｍＫが得られた。両者を比較すると、本発
明になるプローブを用いた場合において測定精度が向上
した。

この他、絶縁物基板、配線、被覆材料について種々のプ
ローブを作製し、測定を行ったが、いづれの場合も測定
精度が向上した。結果を第３表にまとめておく。表中、
参考例は従来の板状プロープ第３表次に請求項１１の温度測定プローブについて説明する。

（実施例４４）厚さ０．３ｍｍのアルミナグリーン上に、メタライズ厚
膜印刷法によりＰｔ−（Ｐｔ−１３％Ｒｈ）の熱電対を
形成し、この上に厚さ０．３ｍｍのアルミナグリーンを
重ねて同時焼結して作製した温度プローブを用いて溶融
インジウムアンチモナイド（Ｉｎｓｂ）の温度が同時試
料内で保護管に入れた熱電対によって測定した温度と±
０．５°Ｃで一致した。

（実施例４５）厚さ０．３ｍｍのアルミナグリーン上に、メタライズ厚
膜印刷法によりｐｔの輻Ｑ、１５ｍｍ、長さ１５ｍｍの
測温抵抗体を形成し、この上に厚さ０．３ｍｍのアルミ
ナグリーンを重ねて同時焼結して作製した温度プローブ
を用いて溶融インジウムアンチモナイド（ＩｎＳｂ）の
温度が同時試料内で保護管に入れた熱電対によって測定
した温度と±１°Ｃで一致した。

最後に請求項１２の熱伝導率測定プローブについて説明
する。

（実施例４６）第４図に示すように厚さ１ｃｍの基板の３ｍｍ内部に、
Ｐｔ−（Ｐｔ−１３％Ｒｈ）の熱電対８を形成したアル
ミナ基板面に、幅０．２ｍｍ長さ８０ｍｍの細線部５、
および電極部１，２，３．４を白金でプリント配線し、
絶縁被覆膜６として厚さ０．０５ｍｍのアルミナをコー
ティングしたプローブを用いて溶融インジウムアンチモ
ン（ＩｎＳｂ）の熱伝導率を測定したところ、細線部の
破断もしくはアルミナの絶縁被覆膜に損傷は生じず、ま
た、温度および熱伝導率が同時に測定できた。

なお、実施例４４〜４６は基板は板状のものを用いたが
、実施例３９に示したように半円形の断面であっても良
い。

（発明の効果）本発明によって電気伝導性を有する液体の熱伝導率及び
温度の測定が可能になり、また、この測定プローブより
、測定プローブの細線部は熱応力に対して強化され、耐
食性液体にたいして熱伝導率及び温度の測定ができ、測
定プローブ作製の際、簡単に非電気伝導性物質（絶縁物
）をコーティングでき、半円形のプローブを用いること
により測定精度を向上させ、基板内の熱電対もしくは測
温抵抗体をつかって細線もしくは試料の温度を簡単に測
定できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）７ｉび第２図（ａ）、（ｂ）は熱
伝導率測定プローブの平面図と側面図、第３図は熱伝導
率測定プローブの斜視図、第４図は熱伝導率及び温度測
定プローブの平面図と側面図である。図において、（１１）、（１３）は電流供給電極、（１
２）、（１４）は電位変化読み取り電極、（１５）は細
線部、（１６）は絶縁性被覆膜、（１７）は非電気伝導
性の基板、（２１）、（２３）は電流供給電極、（２２
）、（２４）は電位変化読み取り電極、（２５）は細線
部、（２６）、（２７）は絶縁物、（３１）、（３３）
は電流供給電極、（３２）、（３４）は電位変化読み取
り電極、（３５）は細線部、（３６）は絶縁性被覆膜、
（３７）は絶縁性の基板、（４１）、（４３）は電流供
給電極、（４２）、（４４）は電位変化読み取り電極、
（４５）は細線部、（４６）は絶縁性被覆膜、（４７）
は絶縁性の基板、（４８）は熱電対を示す。第１図（ａ）　　　　　　（ｂ）第２図電位変化読み取り電極（２５）（ａ）（ｂ）細線（２６０２７）絶縁物第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁物内部に熱伝導率及び温度計測用の電気回路
を設けたことを特徴とする熱伝導率及び温度測定プロー
ブ。
（２）電流を流すことにより熱を発生させるための細線
部、この細線にたいする電流の供給と電圧の測定を行う
目的で各々設けられた電極、これら細線部、電極を支持
する絶縁性基板とで構成される熱伝導率測定プローブに
おいて窒化ほう素、窒化アルミニウム、窒化シリコンな
どの窒化物系材料もしくはダイヤモンドもしくはアルミ
ナ、ステアタイト、フォルステライト、ガラスセラミッ
ク、マグネシア、イットリア、ジルコニアなどの酸化物
系材料からなる絶縁性基板上に白金もしくはタンタルも
しくはモリブデンもしくはタングステンもしくは炭素な
どの電導性材料で細線部および電極を配線してあり、そ
の上に絶縁性被覆膜を設けてあることを特徴とする熱伝
導率測定プローブ。
（３）窒化アルミニウム、窒化ほう素、窒化シリコン、
ダイヤモンド、アルミナ、ステアタイト、フォルステラ
イト、ガラスセラミック、マグネシア、イットリアもし
くはジルコニアの構造体内部に、請求項２に記載した白
金、タンタル、モリブデン、タングステンもしくは炭素
で形成される細線部および電極が埋め込まれていること
を特徴とする熱伝導率測定プローブ。
（４）請求項２に記載した熱伝導率測定プローブにおい
て細線部に対して垂直方向の基板の断面形状を基板の中
心線より等方的な半円形とすることを特徴とする熱伝導
率測定プローブ。
（５）請求項４記載の熱伝導率測定用プローブを製造す
る方法においてグリーンシートを２枚以上積層すること
により絶縁性基板を作製する工程、次に前記積層したグ
リーンシート上に、上記細線部および電極を配線したグ
リーンシートを積層する工程、その上にグリーンシート
を積層する工程、続いて前記積層したグリーンシートを
焼結する工程を少なくとも含む熱伝導率測定用プローブ
の製造法。
（６）請求項４記載の熱伝導率測定用プローブを製造す
る方法においてグリーンシートを２枚以上積層すること
により絶縁性基板を作製する工程、次に前記積層したグ
リーンシート上に、上記細線部および電極を配線したグ
リーンシートを積層する工程、その上にグリーンシート
を積層する工程、続いて前記積層したグリーンシートを
焼結する工程、続いて上記基板断面の形状を半円形に研
削する工程を少なくとも含む熱伝導率測定用プローブの
製造法。
（７）請求項４記載の熱伝導率測定用プローブを製造す
る方法においてグリーンシートを２枚以上積層すること
により絶縁性基板を作製する工程、次に前記積層したグ
リーンシート上に、上記細線部および電極を配線したグ
リーンシートを積層する工程、その上にグリーンシート
を積層する工程、続いて上記基板断面の形状を半円形に
加工成型する工程、続いて前記積層したグリーンシート
を焼結する工程を少なくとも含む熱伝導率測定用プロー
ブの製造法。
（８）絶縁物内部に熱電対もしくは測温抵抗体などの測
温素子を形成させた温度測定プローブ。
（９）請求項２、３又は４記載の熱伝導率測定プローブ
において基板上もしくは絶縁物内部に熱電対もしくは測
温抵抗体を形成してあることを特徴とする熱伝導率及び
温度測定プローブ。