熱流センサー技術：なぜ低熱抵抗センサーやスプレッダー付きセンサーを使用するのか
熱流センサー技術レビュー
熱流の測定は容易ではありません。 マクロな観点では、センサーの存在そのものが局所的な熱流に影響を与える可能性があります。 代表性のある測定を行うためには、低熱抵抗のセンサーを使用することが重要です。
また、センサーの周囲環境すなわち周囲材料の熱伝導率は、ミクロなレベルで熱流センサーの感度に影響を与える可能性があります。 このため、Hukx のセンサーには「スプレッダー」が採用されています。これは、サーモパイルを覆う薄い金属箔で構成され、設置方法に依存しない、内部サーモパイルにとって安定した熱環境を形成します。
各種試験*により、その優れた性能が確認されています。
*Hukx の HFP01 および FHF05-50X50 モデルに加え、導電性インクを用いたサーモパイルを備える印刷型熱流センサーの大手サプライヤーから購入したセンサー、および半導体サーモパイルを採用したセンサーモデルを対象に実験を実施した。 なお、これらの試験結果は、他メーカーが製造するセンサーや、製造技術が改良された場合には適用できない可能性がある。
熱流センサー
熱流センサーは、薄い材料層の両側に生じる温度差を測定することで熱流を求める装置である。 一般的に、これらのセンサーにはサーモパイルが用いられる。サーモパイルは、通常は金属合金などの異なる2種類の導体を交互に配置するパターンを形成することで製造される。 （図2参照）
マクロスケール：熱抵抗
マクロな観点では、熱流センサーには固有の熱抵抗が存在する。
- 表面に取り付けられると、センサーは常に追加の熱抵抗として作用する。
- センサーが材料に囲まれている場合、その局所的な熱抵抗を増加させたり減少させたりする可能性がある。
ユーザーは、このことが自らの測定にどのような影響を及ぼすのかを検討する必要がある。
熱抵抗による測定誤差を避けるため、Hukx では以下の対策を講じている。
- 高熱伝導率材料を使用する（HFP01：セラミック–プラスチック複合材）
- 薄型センサーを使用する（FHF シリーズ）
- ガード部（非感応部）を設け、中央の熱流センサーの周囲に配置することで、測定誤差が最も大きくなるエッジ部での測定を避ける (HFP01 および FHF05 シリーズ)
ミクロスケール：スプレッダーと熱伝導率依存性
熱流センサーの内部にはサーモパイルがあり、通常はプラスチック材料の中に埋め込まれている（図2参照）。 サーモパイルの配線は電気伝導体であり、一般に熱もよく伝える性質をもつ。 外観としては、センサーは図5の「A」のように見える場合がある。
「スプレッダー」とは、サーモパイルを覆う薄い金属箔のことである。 図5の「B」のように大きなスプレッダーが1枚の場合もあれば、「C」のように複数の小さなスプレッダーが配置されている場合もある。
スプレッダーを使用する利点を説明するため、図4のようにセンサー内部を拡大し、ミクロスケールでの効果に着目する。
図5に示すように、以下の区別を行う。
- A：スプレッダーを持たないセンサー サーモパイルが露出しており、外部に直接さらされている場合がある。
- B：単一の大きなスプレッダー（金属箔）を備えたセンサー 高い熱伝導性をもつ金属箔を1枚配置したタイプで、Hukx の HFP01 モデルに採用されている。
- C：複数の小さなスプレッダーを備えたセンサー FHF05 シリーズおよび FHF06 のすべての Hukx モデルに採用されている。
図7では、ミクロスケールで熱流に何が起こるかを示している。
- A1：スプレッダーなしのセンサーが高熱伝導率の材料に囲まれている場合 測定される熱流は実際よりも高くなる。 熱は最も抵抗の小さい経路を通るため、金属製サーモパイル材料を通って流れやすい。 周囲材料の高い熱伝導率により横方向への熱流が容易になり、サーモパイルは相対的に大きな熱流にさらされる。
- A2：スプレッダーなしのセンサーが低熱伝導率の材料に囲まれている場合 測定される熱流は実際よりも低くなる。
- B, C：単一スプレッダーまたは複数スプレッダーを備えたセンサーの場合 サーモパイルは常に同じ環境、すなわちスプレッダーに接している。 外部から到達する熱に対して「最も熱抵抗が小さい経路」が存在しないため、周囲材料の熱伝導率に影響されにくい。
結論
モデルAのセンサーは、周囲材料の熱伝導率によって感度が変化してしまう。
熱伝導率依存性
熱伝導率依存性とは、熱流センサーの感度が周囲材料の熱伝導率に依存するという、センサー固有の特性である。 これは、感度の変化率（%）として表され、絶対値として示される場合と、熱伝導率が 1 W/(m·K) 変化したときの感度変化として示される場合がある。
熱伝導率依存性は、金属製ヒートシンク上に取り付けた校正基準条件における感度を基準として報告される。 なお、この特性を評価するための標準化された試験方法は存在しない。 したがって、ここで示す結果はあくまで「比較的な」ものである。
試験結果
センサーの感度は、さまざまな条件下で評価された。基準条件はアルミニウム上に取り付けた状態であり、その他の条件として、Pyrex（ガラス）およびシリコーン（プラスチック）で周囲を囲むことで、異なる熱伝導率環境を作り出している。
図5に示すセンサータイプAについては、主要サプライヤーによる2種類の製造技術で作られたサーモパイルを試験した。1つは導電性インクを用いたタイプ、もう1つは半導体材料を用いたタイプである。試験結果は図6に示す。感度を評価する際、変化を測定する再現性は約1％の範囲であり、3％程度の変化であれば有意に検出できる。なお、この実験では校正不確かさを ±5％ に設定している。
試験結果から、タイプAのセンサーは熱伝導率依存性が非常に大きいことが示された。一方、タイプBおよびCの誤差は校正不確かさよりもはるかに小さい。
結論
- 校正が有効となる基準条件とは異なる条件で使用した場合、スプレッダーを備えていない熱流センサーは、熱伝導率依存性により大きな測定誤差を生じる可能性がある。
- スプレッダーを備えたセンサーを使用することで、このリスクは大幅に低減され、測定誤差は事実上無視できるレベルとなる。
考察
Hukx が提供する FHF シリーズに代表される、タイプBおよびタイプCのスプレッダー付きセンサーは、熱伝導率依存性が無視できるほど小さい。 これに対し、タイプAのセンサーは、校正時とは異なる環境で使用すると大きな誤差を生じる。
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