熱流計｜熱伝導・放射の流束を測定

熱流計

熱流計は、単位面積あたりを通過する熱エネルギーの流れ（熱流密度：W/m²）を測定する計測器である。物体内部や表面を横切る熱の移動量を直接あるいは準直接に検出し、材料の断熱性能評価、炉壁・配管の熱損失監視、電子機器の熱設計、火災工学の燃焼放射評価など幅広い分野で用いられる。多くのセンサはサーモパイル（多数の微小熱電対列）を内蔵し、温度勾配に比例した熱起電力を電圧として出力する。校正済みの感度係数を用いれば、出力電圧を熱流密度に換算できる。

Table Of Contents

熱流計

測定原理

固体内部の定常熱伝導ではフーリエの法則 q＝−k∇T が成り立つ。ここで q は熱流密度、k は熱伝導率、∇T は温度勾配である。熱流計のサーモパイル素子は両面の温度差 ΔT を電圧 ΔV に変換し、校正係数 S（V/(W/m²)）により q＝ΔV/S として算出する。放射・対流が支配的な場では、受感面設計（黒化、ガードリング）や補正モデルにより真の面熱流へ近づける。

センサ構造と種類

ガードンゲージ：薄い受感膜の中心と周囲を等温ガードで囲い、面内の一次元熱流を実現する高フラックス向けセンサ。
シュミット・ボルター型：黒化受感面と熱吸収体、背面冷却を組み合わせ、放射・対流混在の熱流を広帯域に計測。
薄膜熱流センサ：ポリイミド基材などに微細配線を形成し、低熱容量で応答が速い。構造物表面に貼付してトランジェント解析に適す。
熱流計法（HFM）装置：試料を上下の温度制御プレートに挟み、一定温度差で通過熱流を測り、熱抵抗や有効熱伝導率を求めるベンチ装置。

校正とトレーサビリティ

熱流計は既知熱流を発生できる装置で感度を校正する。代表的には定常面熱源による一次校正、もしくは基準センサとの比較校正を行う。校正は使用温度域・雰囲気（真空、空気、窒素）・取り付け条件に依存するため、実使用条件に近い状態で再現し、トレーサブルな不確かさ評価を付与することが望ましい。

設置と測定上の注意

接触熱抵抗：貼付型は表面粗さや固定圧で感度が変動しやすい。シリコーン系グリースや両面導熱シートで接触を均す。
熱ショート・熱漏れ：リード線や固定治具が熱のバイパスになる。細径配線、断熱材、ガード構造で抑制する。
ゼロフラックス確認：熱源停止時のオフセット電圧を記録し、ドリフト補正を実施する。

出力・換算とデータ処理

センサ出力は通常 mV オーダの微小電圧であり、低雑音アンプと適切なローパスで取り込む。校正係数 S を用い q を算出し、面積 A を掛けて瞬時熱量流 Q̇＝qA を得る。時間積分により累積熱量も算出でき、過渡試験では移動平均やウェーブレットでノイズとトレンドを分離する。

応用分野

建築・断熱評価：外壁・屋根の通過熱流を測り、断熱改修の効果を定量化する。
高温プロセス：炉壁、鋳型、熱交換器の熱損失監視と効率化。
電子機器：基板・ヒートシンクに貼付し、ホットスポットの発熱分布を推定。
材料開発：複合材や多孔材の有効熱伝導率測定に HFM を適用。
火災工学・燃焼：火炎・輻射の受熱フラックスを時系列で観測。

選定ポイント

温度域・熱流レンジ：高温高フラックス用（ガードンゲージ）か、低〜中フラックス広帯域用（シュミット・ボルター、薄膜）の別。
応答速度：過渡現象の解析には低熱容量・高帯域の薄膜型が有利。
環境耐性：真空、粉塵、腐食性ガス中での耐久性とシール構造。
サイズ・取り付け：曲面貼付や狭所への実装可否、ケーブル取り回し。
校正・不確かさ：トレーサブルな校正証明と使用条件での再校正体制。

誤差要因と不確かさ

測定誤差は、接触熱抵抗、受感面と対象面の熱物性差、放射・対流の寄与、温度ドリフト、配線熱漏れなど多因子で決まる。合成標準不確かさは感度係数の不確かさ、電圧計測の分解能・直線性、再現性（反復性）を合わせて評価し、拡張不確かさとして提示する。

ガード付き・ガードなしの考え方

受感領域の周囲を同等温度で囲むガードは、一次元的な熱流条件を実現し、エッジ効果を低減する。装置規模や必要精度に応じてガード温調の有無を選定する。

薄膜センサの貼付手順

測定面の脱脂と微細研磨で平滑化する。
薄層の導熱接着剤または両面導熱シートを均一に塗布する。
規定圧力で圧締し、硬化後にゼロフラックス点検を行う。