HFMで薄い絶縁試料を測定する方法

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。

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。

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。

1. 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。
2. 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。

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。

* 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。

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

7. まとめ