JPS62174642A - 材料の熱伝導率測定プロ−ブ - Google Patents

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】 本発明は、材料の熱伝導率測定プローブに関し、詳言す
ｎば、材料を特徴づける目的のための材料の熱伝導率の
測定に関するものである。

熱伝導率の測定は種々の用途、例えば、拳医学分野にお
ける生体組織の体温調節の研究・生物組織の性質かつと
くに脂質、タンパク質の含有量またはヤケドまたは壊死
の程度の評価の研究； ・水分含有量の研究； ・組織内の血液のＲ，ｔ’Ｌの研究； ・熱伝導率からの非生物学的材料の特徴の研究に使用さ
几る。

熱伝導率を測定する従来の技術は、分析されるべき材料
の与えら几た形のサンプルが利用されねばならないので
、問題を生起する。このサンプルは異なる温度に取られ
かつそｎをプレスの方法で締め付ける２枚のプレート間
でエンクロージャ内に配置さルる。

伝導率はプレートの温度差およびプレート間のサンプル
を通る熱の流几から測定される。

この方法の演算数は制限しておりかつ遅くかつ加えて現
場でかつ生体内で適用できない。

このような抑制を減少するために、また、従来技術は材
料の表面温度を評価する基準測定領域および加熱素子と
連係する測定領域からなる装置を使用することを提案し
た。その原理は２つの領域間の決めらｎた一定の温度差
を確立するように、加熱素子によりエネルギを供給する
ことからなる。

熱伝導率はこの決められた温度差を維持するために消費
されたエネルギを考慮することにより評価されることか
できる。

このような技術を刊行物の中には、とくに１９７５年３
月の雑誌「メディカル・アンド・バイオロジカル・エン
ジニアリング」、第１９６頁がある。

この刊行物によｎば、熱伝導率を測定するための装置は
、プラスチック材料からなる塊りの平ら面上に、同様に
銅から咋らｎた中央円板に同心的に配置された銅からな
るリングを使用する。こｎら２つの伝導金属素子はそｎ
ぞｎ外方基準測定領域および加熱面の測定領域を溝底す
る。そのために、中央円板はプラスチック材料の被覆の
内部でヒータコイルと連係する。銅素子および加熱素子
に接続さ九た導体はプラスチック材料からなる塊り内に
埋設さ九かつ電源コードに接続される。外方リンクと銅
製円板との間の結合は周辺接合部の起電力の合計と中央
接合部の起電力の合計との間の差の測定を可能にする直
列の接合部の連続によって保証される。

このような装置はこのような適用領域において考慮され
ねばならない必須の要素を考慮しないので十分でない。

実際に、材料または生物学的組織の熱伝導率の測定は１
％程度の非常に僅かな熱変化が肝価されることか必要で
ある０そｎゆえ、 拳良好な速度および高精度を得るために測定装置の慣性
を制限し； 測定装置内のカロリの移転により基準測定領域への影響
を回避するために熱供給の領域と基準測定領域との間の
導電率を制限し； 測定媒体間の急速な熱移転を保証するために、測定点と
特徴づけられるべき媒体の接触面との間の熱抵抗を制限
し； エネルギ供給の急激な解放を得るように、加熱手段の熱
的慣性を制限し； 加熱手段の最低の軸方向熱抵抗を利用し得るが、こｎに
反してこの軸線に対して垂直に最高の抵抗を利用し得る
ようにし、 高感度を得るために、温度の測定ごとに正確に評価する
ようにできることが重要である。

上述した従来技術の刊行物において提案されたよりな装
置は勧められた構造の理由により上記物体に応答しない
。

まず、加熱素子は高い慣性を有するコイルによって構成
される。その寸法に加えて、このコイルは中央伝導円板
の後面に対して配置されかつそ几ゆえ円板の抵抗はエネ
ルギ供給の伝送を妨害する。

中央円板およびリングは同−物質内に、同一平面におい
て近接関係に配置さｎｌその結果カロリの内部伝送は周
辺領域の測定に影響を及ぼす〇熱伝送および測定手段は
他の種々の構成要素に伝達されかつしたがって加熱領域
と非加熱基準領域間の差動測定を妨害する加熱を受ける
同一物質の塊り内に含ま九る。

本発明の目的は、精確で、感度が良く、安定した、迅速
でかつ再生可能である測定の特性を有する、簡単な設計
で、堅固でかつ寸法の小さい熱伝導率を測定するための
新規なプローブを提案することにより、そのような解決
に関連した欠点を克服することにある。

上述された目的を達成するために、本発明の要旨を形成
するプローブは。

その使用面上に、凹所によって分離されかつ複数の測定
領域によって占有される同一平面上に配置される複数の
区域を画成するように形成さｎ、前記複数の測定領域が
互いに分離されるが一方の領域から他方の領域に高温接
合部が前記中央領域の複数の扇形部に支持されかつ低温
接合部が前記他方の領域の扇形によって支持される熱電
対によって連続的に直列に接続される複数の熱伝導セグ
メントによって構成される電気的かつ熱的絶縁物質から
咋らｎるプレートと、 前記中央領域に関連して、使用面の外部に配置される平
面加熱素子と、 前記両測定領域を被覆する熱伝導粒子で充填さ几た電気
絶縁物質から作られる被位と、前記複数の導体によって
占有される前記プレートの面を被僚する電気的かつ熱的
絶縁物質から作られるカバーと、 前記プレートと前記カバーによって画成される容積を占
有する熱絶縁物質からなる塊シとからなることを特徴と
する。

以下に、本発明をより容易に理解するために、添付図面
に基づき説明する。

図面の第１図ないし第３図に示した第１実施例によｎば
、材料の熱伝導率を測定するためのプローブは鋳造また
は機械加工されることかできる弾性プラスチック材料か
ら咋らｎるプレート１からなる。例として、該プレート
１はグラスファイバからなる充填剤を含むエポキシ樹脂
から咋らｎることができる。図示実施例において、プロ
ーブは略円筒形状からなりかつ円形プレート１からなる
。

該プレート１は、そのいわゆる使用面２土で。

共通平面内に配置された２つの平面区域３および４から
なる。区域３は円形形状からなりかつプレート１の中心
を占有し、一方区域４は環状形状からなり、区域３に対
して同中心的でありかつプレート１の周縁に近接するそ
の部分を占有する。

区域３はその表面上に例えば銅または銀からなる被覆物
によって構成されるｎ個の熱伝導セグメント５を有する
。該セグメント５は角度的扇形形状からなりかつ互いに
分離される０セグメント５によって形成される構体は電
気的絶縁物質、とくに電気的絶縁を損なうことなく熱伝
導率を増大するアルミニウムのごとき物質の粒子を含む
樹脂からなる層乙によって被覆される。この層６は平面
加熱素子７を被覆し、この素子７は例えばコンスタンタ
ンから咋ら几るひすみゲージによってまたは薄い抵抗層
の被覆物によって形成された定抵抗を有する回路によっ
て構成される。かくして加熱素子７は極めて薄い層６に
よってセグメント５から分離さｎている使用面２の外部
に配置される。

セグメント５は材料の加熱領域の温度を測定するための
領域　２工を構成する。

環状区域４はその表面上に複数の熱伝導セグメント８を
有し、該セグメント８はこれらが半径方向に対応するセ
グメント５と同じ数において該セグメント５と同一物質
によって作られる。同様に層６によって被覆された区域
４のセグメント８は材料の基準温度を測定するための外
方領域ｚ２を構成する。

領域　２工と　２２はセグメント５上の高温接合部９お
よびセグメント８上の低温接合部１ｏからなる熱電対に
よってともに直列に接続される。接合部を接続するワイ
ヤは小径、好ましくけ寄生熱伝導を減じるために０．１
１１Ｉｘ以下からなる０接続ワイヤはセグメント５およ
び８の外面に溶接することによって固着さ九かつエポキ
シ樹脂のごとき樹脂により次いて停止される孔１９を介
してプレート１を通過する。接合部列の２つの端部セグ
メントは２本のワイヤ１２および１３によって使用面と
反対のプレートの面１６上に付加されかつ以後内部と称
される２つの接続円板１４および１５に接続される０該
円板１４および１５はサーボ制御および測定装置への接
続のためのコード１８の一部を形成する２つのコネクタ
１７および１８の接続に使用する。

プレート１は領域　２工および　ｚ２が環状の凹みまた
は中空部２０によって分離されるように成形さｎ、・そ
の結果使用面２の表面は区域３および４に制限される。

こ′ｔ′Ｌは装置が材料または組織への適用後作動して
いるとき２つの測定領域２工および　２２間の伝導を制
限すべく設けら九る。

プレート１の形状はまた、内方面１６からかつ区域３お
よび４に合せて、中心内方凹所または中空部３０および
環状凹所または中空部３１を画成するように選ばれる。

このような形状は領域　２工および　Ｚ２のレベルでの
プレートの物質の厚さの制限かつしたがって吸収される
ことができる熱エネルギを減少することにより熱的慣性
の減少を可能にする。

第１図はプレート１が実質上一定の厚さを有することを
示すが、幾つかの場合において、中央および周辺領域間
の内部熱伝導をさらに制限するように領域　２工および
　ｚ２に含ま九る物質の厚さを減じることが考えらｎる
ことかできる。

プレート１は同一物質から咋ら几かっプレート１０周縁
部上の支持面２３によって密閉して嵌合されるカバー３
２と連係される。カバー３２の縁部は使用面２の平面に
関連して引込んだ所に置かｎかつ例えば区域４の外側の
プレートの面２に形成さルた周辺さねはぎ３５の底部に
形成さ１する。

カバー３２はプレート１により熱絶縁材料、例えば膨張
ポリスチレンからなる塊りＭによって占有される容積３
６を画成し、該容積３６内には複数の相互接合接続導体
、導体１３，１４．１７および１８．ならびに２つの接
続円板３９および４０に接続される２つのいわゆる電気
接続導体３７および３８が埋設され、円板３９および４
０には平面加熱素子７に通じる２つの導体４１および４
２か接続される。

供給導体３７および３８はコード１８の一部を形成し、
こ九は、必要ならば、２つの円板４５および４６に接続
された２つの導体４３および４４からなり、２つの円板
４５および４６がらまたサーミスタのごとき温度を測定
するためのプローブ４９に通じる２つの導体４７および
４８が接続される。プローブ４９は２つの連続セグメン
ト８間のギャップにプレート１によって形成されるハウ
ジング５０内に配置されている基準測定領域　ｚ２に置
かｎる。

すべての導体によって構成されるコード１８は保護ケー
ス５１内でカバー３２を貫通する。

前述されたプローブは、接合部を直列に接続するワイヤ
のごとき脆い構成要素が容積３６を占有する熱絶縁物質
からなる塊りＭの内部に埋め込ま几かつ保護されるよう
に示さｎている、堅固な方法で作らｎた極めて小径の測
定素子を構成する。

このような測定プローブは、領域ｚ２のセグメント８を
経てこの表面の温度を測定するために。

分析されるべき材料または組織の表面上に使用面２を当
てることにより使用される。そこで加熱素子７は測定領
域　２工に熱エネルギを供給するように電流が供給され
る。領域　２工と　２２との間の直列の周辺接合部の起
電力の合計は２つの領域２工および　２２間の温度の差
を評価するように測定される。この測定は領域　Ｚユお
よび　２２間の決定された塩度差を一定に維持するため
に領域ｚ２へのエネルギ供給の調整を可能にする。供給
されたエネルギの測定は材料または組織の熱伝導率の評
価を可能にする。

本発明によるプローブの構造は、前述から理解されるご
とく、周辺基準領域　ｚ２と中央加熱領域２工との間の
熱ブリッジを減じるようにとくに選択される。このよう
な減少はプレート１の形状によって、かつとくに１区域
３および４を分離する環状中空部２０の存在およびさね
はぎ３５により得られる。

凹所または中空部３０および３１はまたセグメント５お
よび８からの熱吸収を減じかつし念がって測定の高応答
速度および高感度を得るように設けら几る。

接続円板１４，１５，３９，４０および４５゜４６の存
在は機械的使用の応力が全般的に印加される通常の断面
の接続または供給導体の使用を可能にする。この概念は
、円板から、寄生熱伝導を減じる利点を有する極めて小
さな断面の相互接合接続導体の使用を可能にする。

赤外線放射が例えば測定領域２工およびｚ２を覆うかも
知れない熱的影響を制限するために、カバー３２は、少
なくともその外面に、赤外線放射を反射する被覆５２を
備えているこのような被覆また同じ目的のためカバー３
２の内面にも設けることができる。

第４図ないし第６図は、長手力向録部が両側にかつ領域
　２工から等距離に平行に延びる２つの基準測定領域　
ｚ２によって占有されるプレー）１ａの長手方向中央部
分を占有する直線型の領域２工を有するようにプローブ
が製造さ几る変形実施例を示す。プレー）１ａは、前述
さ九たと同様に、領域２工および　ｚ２によって占有さ
れた区域３ａおよび４ａを分離する２つの凹所または中
空部２０ａを含むように成形される０プレートはまた。

内面１６ａから、凹所または中空部３１ａを画成する。

中空部２０ａは、測定および基準領域間の閉じ込めにお
ける媒体の形成を回避する、周囲媒体の循環用トンネル
を加えて構成できるようにプレート１ａの横方向両端で
開放される。その閉じ込めは特徴とされるべき材料の湿
度の変更の原因となる。

領域　２工はその数が２つの外方横部領域ｚ２に分布さ
れた扇形８ａの合計に等しい伝導セグメン）５ａからな
る。第４図は高温接合部９ａを低温接合部１０ａに接続
する小さな断面のワイヤを使用する、導体セグメン）５
ａおよび８ａ間に保持される直列接合図を示す。

この実施例において、平面加熱素子７ａは２つの接続端
子６１および６２間に引き伸ばさｎでいるすべての伝導
セグメン）５ａと反対に直線的に延びる小さな断面のワ
イヤ６１によって構成される。層６ａに埋め込まれかつ
維持されるワイヤ６０は、例えばコンスタンタンから作
られる温度に依存しないかまたは極めて低い温度係数の
電気抵抗ワイヤによって構成される。

この変形実施例においても上述したのと同じ利点が提供
さ几る。

本発明は、種々の変更がその範囲から逸脱することなく
なされることかできるので、説示された実施例に制限さ
九ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプローブの一実施例を示す平面図
、 第２図は第１図の線■−■に実質上沿う正面断面図。 第３図は本発明の目的の構造的特徴をより明確に示す分
解斜視図、 第４図は本発明の目的の第２の実施例を示す平面図、 第５図は第４図の線ｖ−■に沿う横断面。 第６図は第４図の線Ｗ−Ｖ＋に沿う拡大部分横断面図で
ある。 図中、符号１はプレート、２は使用面、３，４は平面区
域、５は熱伝導セグメント、６は層、７は加熱素子、８
は熱伝導セグメント、９は高温接合部、１０は低温接合
部、１４．１５は接続円板、１６は面、１７．１８は導
体、２０は中空部。 ３０．３１は中空部、３２はカバー、３４は縁部、４９
はプローブ、ｚ、は中央伝導測定領域、ｚ２は外方基準
測定領域１Ｍは塊りである０代理人　弁理士　佐々木　
清　隆 （外６名）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）その使用面上に、加熱素子と連係する中央伝導測
   定領域および外方基準測定領域をかつその反対面上に、
   前記加熱素子に供給するための導電体および前記中央お
   よび外方測定領域間の直列接合部を有する支持プレート
   からなる型の材料の熱伝導率測定プローブにおいて、 その使用面上に、凹所によつて分離されかつ複数の測定
   領域によつて占有される同一平面上に配置される複数の
   区域を画成するように形成され、前記複数の測定領域が
   互いに分離されるが一方の領域から他方の領域に高温接
   合部が前記中央領域の複数の扇形部に支持されかつ低温
   接合部が前記他方の領域の扇形によつて支持される熱電
   対によつて連続的に直列に接続される複数の熱伝導セグ
   メントによつて構成される電気的かつ熱的絶縁物質から
   作られるプレートと、 前記中央領域に関連して、使用面の外部に配置される平
   面加熱素子と、 前記両測定領域を被覆する熱伝導粒子で充填された電気
   絶縁物質から作られる被覆と、 前記複数の導体によつて占有される前記プレートの面を
   被覆する電気的かつ熱的絶縁物質から作られるカバーと
   、 前記プレートと前記カバーによつて画成される容積を占
   有する熱絶縁物質からなる塊りとからなることを特徴と
   する材料の熱伝導率測定プローブ。
2. （２）前記プレートは、その使用面と反対の面上に、前
   記複数の測定領域によつて占有される表面に対応する凹
   所を有するように成形されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の材料の熱伝導率測定プローブ。
3. （３）相互接合接続導体は前記プレートの厚さを貫通し
   かつ前記セグメント上に溶接される小さな断面の要素に
   よつて構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の材料の熱伝導率測定プローブ。
4. （４）前記プレートは、その使用面と反対の面上に、前
   記相互接合接続導体および前記供給および測定導体が接
   続される接触円板を含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第２項または第３項に記載の材料の熱伝導率
   測定プローブ。
5. （５）前記プレートは前記カバー内に密封嵌合され、前
   記カバーの縁部は前記複数の測定領域によつて占有され
   る前記両区域の平面に対して凹所にあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項に
   記載の材料の熱伝導率測定プローブ。
6. （６）前記プレートは前記カバーと連係され、該カバー
   の少なくとも外面は良好な赤外線反射特性を有する物質
   から作られる被覆を備えていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項に記載の材
   料の熱伝導率測定プローブ。
7. （７）円形の中央測定領域およびこれに同中心的な外方
   環状基準測定領域からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載の材料の
   熱伝導率測定プローブ。
8. （８）直線中央測定領域および両側にかつそれから等距
   離に、前記中央領域に対して平行な２つの直線外方測定
   領域からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第６項のいずれか１項に記載の材料の熱伝導率測定
   プローブ。
9. （９）前記外方測定領域は２つの伝導セグメント間に含
   まれるプレートの一部に配置される温度測定プローブと
   連係されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の材料の熱伝導率測定プローブ。