第 2 章 筐体熱設計適用のための接触熱 コンダクタンス改善手法の検討
2.2 実験装置および実験方法 2.2.1 実験装置
本 章 で は ， 引 張 圧 縮 試 験 装 置 を 用 い て 部 材 間 の 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス を 測 定 し た ． 図 2.1 に ， 本 章 で 使 用 し た 実 験 装 置 の 構 成 を 示 す ． 上 記 引 張 圧 縮 試 験 装 置 は ， 試 験 片 の 間 に 最 大 1 kNま で 圧 縮 荷 重 を 加 え る こ と が で き る ．
図 2.2に 示 す よ う に ， 試 験 片 は 直 径 D = 8 mm， 長 さ L = 18 mm の 円 柱 で ， 材 料 は 銅 も し く は モ リ ブ デ ン で あ る ． 試 験 片 の 周 囲 に は 外 径 D = 24 mmの ベ ー ク ラ イ ト 製 の 断 熱 材 を 置 き ，試 験 片 か ら 大 気 中 に 放 射 に よ り 放 熱 す る の を 防 止 し て い る ． 試 験 片 の 側 面 に は ，そ れ ぞ れ 同 じ 方 向 か ら 直 径 D = 0.6 mm，深 さ 4 mmの 孔 を 5 mm間 隔 で 3本 ず つ 形 成 し ， そ こ に D = 0.1 mmの 銅 − コ ン ス タ ン タ ン 熱 電 対 を 挿 入 し て 温 度 を 測 定 し た ． 最 も 接 触 面 に 近 い 孔 の 位 置 は ， 各 試 験 片 と も 接 触 面 か ら 1.5 mmの 位 置 で あ る ． 孔 に 挿 入 す る 熱 電 対 は ， 外 径 0.55 mmの ス テ ン レ ス 管 の 中 に 素 線 を 通 し ， 管 の 端 面 に 接 点 を は ん だ 付 け し て 使 用 し た ． こ れ に よ り 接 点 を 容 易 に 試 験 片 の 中 心 線 付 近 ま で 押 し 込 む こ と が で き る ． 熱 電 対 挿 入 後 ， 上 記 ス テ ン レ ス 管 と 孔 の 間 に 瞬 間 接 着 剤 を 流 し 込 ん で 熱 電 対 の 接 点 の 位 置 を 固 定 し た ． 試 験 片 の 冷 却 側 に は 冷 却 水 用 の 配 管 を 設 け ， 水 道 水 を 約 3.3×10-5 m3/secの 流 量 で 流 し て 冷 却 し ， 試 験 片 界 面 の 温 度 が ほ ぼ 373 K と な る よ う ， 実 験 装 置 の 温 度 を 制 御 し た ．
測 定 時 の 冷 却 水 の 入 り 口 お よ び 出 口 温 度 ， 試 験 片 の 温 度 測 定 デ ー タ 6 点 ， ロ ー ド セ ル の 出 力 ， ヒ ー タ に 加 え た 熱 負 荷 等 の デ ー タ は ， 一 旦 ペ ン レ コ ー ダ に 記 録 し た 上 ， ワ ー ク ス テ ー シ ョ ン に 記 録 し た ．
2.2.2 試験方法
繰 り 返 し 荷 重 に よ る 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス の 再 現 性 （ ま た は ヒ ス テ リ シ ス ） を 検 証 す る た め に ， 試 験 時 に は 複 数 回 の 荷 重 サ イ ク ル を か け て 測 定 を 行 っ た が ， 本
2 接触熱コンダクタンス改善手法の検討
章 で は ， 徐 々 に 圧 縮 荷 重 を 加 え て ，10 N (1 kgf)に な っ た と こ ろ で 荷 重 を 保 持 し ， 試 験 片 各 点 の 温 度 が ほ ぼ 一 定 に な っ た と こ ろ で 温 度 を 測 定 し た ．今 回 の 試 験 で は ， 荷 重 の 誤 差 が ±5 %程 度 の 範 囲 に 入 る よ う 引 張 圧 縮 装 置 を 操 作 し た が ，一 般 に 低 荷 重 ほ ど 誤 差 が 大 き く な っ た ．
上 記 試 験 を 荷 重 10 Nか ら 100 N，1 kN ま で の 3 段 階 で 行 い ， そ れ を 2〜3サ イ ク ル 繰 り 返 し 行 っ た ． そ の 上 で ， 各 測 定 点 の 温 度 か ら 算 出 し た 接 触 面 の 温 度 差 を 通 過 熱 量 の 平 均 値 で 割 っ た 値 を 接 触 熱 抵 抗 Rの 測 定 値 と し た ．熱 コ ン ダ ク タ ン ス h は ， 単 位 面 積 当 た り の 熱 抵 抗 の 逆 数 ， 即 ち 1/RAと し て 求 め る こ と が で き る ． な お ， 各 熱 電 対 の 指 示 値 の 誤 差 以 外 に ， 断 熱 材 と し て 用 い た ベ ー ク ラ イ ト か ら 装 置 外 部 へ 放 射 に よ り 流 出 す る 熱 量 も 測 定 の 不 確 か さ の 原 因 と な る ． モ リ ブ デ ン 製 の 上 側 試 験 片 を 通 過 す る 熱 量 を QMo， 銅 製 の 下 側 試 験 片 を 通 過 す る 熱 量 を QCu， 下 側 試 験 片 回 り の 断 熱 材 か ら 装 置 外 部 へ 放 射 に よ り 逃 げ る 熱 量 を Qrad，断 熱 材 を 上 下 方 向 に 流 れ る 熱 量 を QBaと す る と ，
rad Ba Cu
Mo Q Q Q
Q ≈ + + (2.2.1)
と な る ．
上 側 試 験 片 の 温 度 測 定 点 は ， 試 験 片 の 下 側 ， 即 ち 下 側 試 験 片 と の 界 面 に 近 い 側 に 偏 っ て い る た め ， 上 側 試 験 片 回 り の 断 熱 材 か ら 放 射 に よ り 装 置 外 部 に 逃 げ る 熱 や ，断 熱 材 の ベ ー ク ラ イ ト を 上 下 方 向 に 流 れ る 熱 の 影 響 は ，QMoの 測 定 結 果 に は ほ と ん ど 影 響 を 与 え な い ．こ の た め ，式(2.2.1)の 左 辺 で は Qradと QBaを 省 略 で き る と し た ． こ の QMoの 測 定 結 果 は ， 印 加 し た 熱 量 Q と 比 較 す る と ， 若 干 小 さ い 値 と な る ． 一 方 ， 断 熱 材 の 上 端 の 温 度 と ， 試 験 片 の 下 端 と 同 じ 高 さ に あ る 断 熱 材 の 温 度 と の 差 が ， 同 じ 高 さ に あ る 試 験 片 の 温 度 の 差 に 等 し い と 仮 定 す る と ， 断 熱 材 の 上 下 方 向 の 通 過 熱 量 QBaは 試 験 片 の 通 過 熱 量 QCuの 1.35 %程 度 と な り ，こ れ は 無 視 す る こ と が で き る ．
放 射 熱 量 Qradに つ い て は ，例 え ば 断 熱 材 表 面 の 温 度 を Tout = 373 K と し ，放 射 熱 の 受 熱 側 の 温 度 を 室 温 Tair = 293 K と し て ，断 熱 材 と 受 熱 側 の 放 射 率 を 最 大 のε = 1， 形 態 係 数 も 1 と す る と ， 放 熱 量 は 約 0.89 W と な る[2-10]． 放 射 率 ， 形 態 係 数 と も 1 に は な ら な い こ と 等 を 考 え る と ， 実 際 の 放 熱 量 は こ れ よ り は る か に 小 さ く な る ． こ れ に 対 し て ，QCuの 大 き さ は ， 荷 重 に よ る も の の ， ほ ぼ 10〜20 W の 間 で あ っ た ．こ の た め ，Qradを 無 視 す る こ と に よ る 誤 差 は 数%の オ ー ダ ー で あ り ，本 節 で は ， こ の 放 熱 量 は 無 視 し て 検 討 し た ． 断 熱 材 と 放 射 に よ る 熱 の 流 出 の 合 計 と し て ， 通 過 熱 量 の 測 定 結 果 に は ±10 %程 度 の 誤 差 が 存 在 す る も の と 考 え る ．
2 接触熱コンダクタンス改善手法の検討
図 2.1 定常法を用いた接触熱コンダクタンス実験装置の構成
2 接触熱コンダクタンス改善手法の検討
図 2.2 試験片断面図
2 接触熱コンダクタンス改善手法の検討
2.2.3 材料の物性値および測定対象
本 章 で は ，材 料 の 物 性 値 と し て 表 2.1 に 示 す 熱 伝 導 率 と ビ ッ カ ー ス 硬 さ を 使 用 す る ．例 外 と し て ，銀 の ス パ ッ タ 膜 の 硬 さ に つ い て は ，373 K 以 上 の 高 温 下 で は 短 時 間 に 軟 化 す る こ と を 考 慮 し ，Hv = 0.39 GPaと し た ． ま た ， ニ ッ ケ ル メ ッ キ の 硬 さ に つ い て も ， 純 金 属 の 硬 さ と し て ，Hv = 0.98 GPaと し た ．
本 節 で は ， 上 記 の 銅 と モ リ ブ デ ン 間 の 接 触 熱 コ ン ダ ク タ ン ス 改 善 方 法 と し て ， 以 下 の 3通 り の 効 果 を 検 証 し た ．
(1) 表 面 メ ッ キ に よ る 改 善 効 果 (2) 箔 挿 入 に よ る 改 善 効 果
(3) 銀 ス パ ッ タ 膜 の 成 膜 に よ る 改 善 効 果
こ の う ち (3)に つ い て は ， 試 験 片 に 厚 さ 1 µmの 銀 の 薄 膜 を 室 温 で ス パ ッ タ に よ り 成 膜 し て 検 討 し た ．
測 定 に 用 い た 試 料 の 表 面 性 状 を 表 2.2 に ，ま た ，そ の う ち 一 部 の 試 料 表 面 の 粗 さ 測 定 結 果 を 図 2.3 に 示 す ．