HFMで薄い絶縁試料を測定する方法
HFM 446 Lambda ECO Line
用途:断熱材の熱伝導率測定
対象装置:HFM Lambda Small / Medium
1. はじめに
ミネラルウールやポリマーフォームなどの断熱材は、建物に必要なU値を満たすため、通常は数センチメートルの厚さで製造されています。これらの材料の熱伝導率(λ)の測定には、HFM 446 Lambda Mediumが適しています。
一方、床の遮熱・遮音など、用途によっては厚さ数ミリメートルの薄い断熱材も使用されます。本記事では、このような薄い断熱材をHFM 446 Lambda Mediumで測定する方法を紹介します。
2. U値とは
U値(熱貫流率)は、部材を通過する熱の伝わりやすさを示す指標です。単位はW/(m²・K)で、部材の両側に1 Kの温度差があるとき、面積1 m²あたりにどれだけの熱が流れるかを表します。
U値から分かること
- U値が低い:断熱性能が高い
- U値が高い:熱が逃げやすく、断熱性能が低い
3. 測定方法
試料を2枚のプレートで挟み、温度差を与えます。プレートに設置された2つの高精度熱流センサーで、試料に流入する熱流と流出する熱流をそれぞれ測定します。
熱平衡に達して熱流が一定になると、フーリエの法則に基づき、測定面積と試料の厚さから熱伝導率を計算できます。
計算に使用する主な物理量
λ:熱伝導率 [W/(m・K)]
d:試料の厚さ [m]
R = d / λ:熱抵抗 [m²・K/W]
U = 1 / R:熱貫流率 [W/(m²・K)]

4. 測定条件
厚さ4 mmの天然繊維断熱ボードを測定しました。薄い試料では熱抵抗が小さく、試料とHFMプレート間の接触熱抵抗が測定結果に影響します。
この問題を検証するため、次の2つの方法で測定しました。
-
試料の積み重ね
DIN EN 12667に基づき、複数の試料を重ねて測定します。 -
装置キットの使用
DIN EN 12664に基づき、外部熱電対と界面層を追加して測定します。
測定条件
試料:天然繊維断熱ボード
試料の厚さ:4 mm
平均試料温度:25℃
試料にかかる圧力:約2 kPa
5. 試料を積み重ねた場合
図3は、積層試料の厚さと熱伝導率の関係を示しています。薄い領域では接触熱抵抗の影響により、熱伝導率が低く測定されます。
一方、厚さが20~24 mm(5~6層)以上になると、熱伝導率はほぼ一定になります。この領域では接触熱抵抗の影響が小さくなり、信頼性の高い測定が可能です。

表1:積層試料の測定結果
厚さ4 mmの断熱ファイバーボードを1~8層に重ねた測定結果です。
| 層数 | 厚さ [mm] |
熱伝導率* [W/(m・K)] |
熱抵抗 [m²・K/W] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.04214 | 0.0958 |
| 2 | 8 | 0.04447 | 0.1812 |
| 3 | 12 | 0.04565 | 0.2582 |
| 4 | 16 | 0.04697 | 0.3387 |
| 5 | 20 | 0.04745 | 0.4214 |
| 6 | 24 | 0.04779 | 0.5021 |
| 7 | 28 | 0.04749 | 0.5906 |
| 8 | 32 | 0.04734 | 0.6757 |
* すべての結果:±3%
図4では、厚さの増加に伴い熱抵抗が直線的に増加しています。直線近似の決定係数R²は0.99972であり、非常に高い直線性が確認されました。
熱伝導率の算出
m = R / d = 1 / λ
λ = 0.04855 W/(m・K)
算出された熱伝導率は、厚さ20 mm以上の積層試料の測定結果とよく一致しています。

6. 装置キットを使用した場合
熱抵抗の低い試料では、外部熱電対と界面層を使用する装置キットも有効です。試料表面の温度を直接測定することで、接触熱抵抗の影響を抑えられます。
ただし、柔軟性のある天然繊維断熱ボードでは、外部熱電対が試料表面に入り込む可能性があります。試料が薄い場合、このわずかな貫入でも厚さの測定誤差が大きくなり、熱伝導率の算出結果に影響します。
装置キットによる1層の測定では、積層試料による測定結果よりも約10%高い熱伝導率が得られました。これは、片側200 μmの外部熱電対が試料に入り込むことで、厚さの測定値に誤差が生じたためと考えられます。
外部熱電対の厚さを差し引いて補正したところ、熱伝導率は積層試料による測定結果とよく一致しました。
表2:装置キットを用いた測定結果
| 層数 | 厚さ [mm] |
熱伝導率 [W/(m・K)] |
補正厚さ [mm] |
補正後の熱伝導率 [W/(m・K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
7. まとめ
薄くて柔軟な断熱材の熱伝導率は、試料を複数層に重ね、十分な厚さを確保することで測定できます。HFM 446 Lambda Mediumを使用することで、信頼性の高い測定が可能です。
一方、柔軟な試料を外部熱電対で測定すると、熱電対が試料表面に入り込み、熱伝導率が実際より高く算出される可能性があります。試料の特性に応じて、適切な測定方法を選択することが重要です。