はじめに
ミネラルウールやポリマーフォームのような既知の断熱材は通常、建物の断熱に必要なU値を満たすために高い厚さ（数センチ）で製造されています。熱伝導率（λ）の測定に適した測定装置はHFM 446Lambda Medium （図1）です。しかし、断熱材は、例えば床の遮熱・遮音など、他の分野でも他の厚さで適用されている。このような断熱材の厚さは、数ミリメートルであることが多い。以下の測定は、HFM446Lambda Medium を用いて、そのような薄い材料がどのようにうまく調査できるかを示しています。
U値
U値は、ユニットのワム側とコールド側の温度勾配に依存するコンポーネントを通過する熱の流れを反映する[W/(m2・K)]。単位は、1Kの温度差によって1平方メートルを流れるエネルギーを表す。この単位は、1Kの温度差によって1平方メートルを流れるエネルギーを表します。この値は、部品の断熱特性を特徴づけるもので、実際には、U値が低いほど断熱効果が高いことを意味します。U値が高ければ高いほど、断熱効果は低くなる。冬の寒い日には、建物はより多くの熱を失うことになる。
測定方法
温度勾配は、測定される材料によって2枚のプレートの間に定義されます。プレートに設置された2つの高精度熱流センサーにより、材料に流入する熱流と材料から流出する熱流がそれぞれ測定されます。系が平衡に達し、熱流が一定になると、フーリエ方程式と測定領域および試料の厚さの知識により、熱伝導率を計算することができます（概略図2参照）。
λ 熱伝導率 [W/(m∙K)
d 厚さ [mm］
R = d/ λ 熱抵抗 [m2∙K/W］
U = 1/R 熱伝導率［W/(m2・K)
測定条件
厚さ4mmの天然繊維断熱ボードを調査した。このような薄いサンプルの熱抵抗(R = d/λ)は、測定に難題をもたらします。約0.5 m²・K/Wより低い熱抵抗の試料は、標準測定（DIN EN 12667）としてHFMでは測定できません。プレートと試料間の接触抵抗はもはや無視できず、測定結果に影響を及ぼします。低い熱抵抗の問題を克服するために、2つの異なるアプローチによる測定が行われました：
- DIN EN 12667に記載されているサンプルの積み重ね
- 熱抵抗＜0.5 m2・K/Wの試料を対象としたDIN EN 12664に記載されている、外部熱電対と界面層を追加した試料1個の測定（＝測定キット）。
測定は平均試料温度25℃で行った。プレート間の温度差は20Kで、サンプルにかかる圧力は約2kPaであった。
サンプルの積み重ね
図3は、積層サンプル（1～8層）の全体厚さに対する熱伝導率を示している。測定データを表1にまとめた。
低い厚み範囲では、熱伝導率は厚み依存性を示しています。試料とHFMプレート間の接触抵抗が結果に影響します（熱伝導率の低下）。
厚さが20～24mm（5～6層）以上になると、熱伝導率は一定となり、厚さ依存性はなくなります。これは接触抵抗が無視できる領域であり、測定は信頼できると考えられます。試料の熱抵抗は約0.5 (m²・K)/Wより高くなります。
表1：厚さ4mmの断熱ファイバーボード積層サンプルの測定結果
層数 | 厚さ [mm］ | 熱伝導率* [W/(m∙K) [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（厚みに対する熱抵抗）は、積層サンプルによる測定が信頼できることを裏付けている。熱抵抗は厚みの増加とともに直線的に増加します。直線傾向線は0.99972のR²フィットを与え、傾きは熱伝導率の指標となります（傾きm = R/d = 1/λ → λ = 0.04855W/(m∙K)）。この値は、厚さが～20 mm以上の積層サンプルの測定結果とよく一致しています（表1参照）。
計装キット
熱抵抗の低いサンプルの場合、計装キット（＝外付け熱電対と界面層）による測定も良い解決策となる。接触抵抗の問題は、表面温度を直接測定することで解決します。硬いサンプルの場合は、計装化キットが良い選択となる。厚さ4mmの天然繊維インシュレーションボードは完全に硬いわけではなく、まだ柔軟性があるため、別の不確定要素が存在する。外付けの熱電対は試料表面に侵入する可能性がある。
そのため、厚さ（＝外部熱電対間の距離）は正確にはわかりません。厚さがわずか4 mmと薄いため、貫入のレベルが低くても、結果に大きな偏差が生じる可能性があります（厚さの相対誤差は熱伝導率の相対誤差と同じです）。
表2に、測定キットを用いた測定結果を示します。測定キットを用いた1層の測定では、積層サンプルの結果よりも約10%高い値が得られました。この10%の熱伝導率値の増加は、おそらく外部熱電対（片側200μm）による貫入により、厚さの値が10%不正確であることが原因であろう。このことは、測定キットを用いて1層と2層を測定し、厚みを調整した熱伝導率（＝厚みマイナス2×200μm）を計算することで確認できます。厚みを調整した熱伝導率は、積層サンプルによる測定値とよく一致しています。
表2：厚さ4mmの天然繊維インシュレーションボードの測定キットによる測定結果
レイヤー数 | 厚さ [mm］ | 熱伝導率* [W/(m-K) [W/(m-K) | 調整厚さ [mm］ | 熱伝導率 調整後の厚さ [W/(m∙K) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0.05281 | 3.6 | 0.04753 |
| 2 | 8 | 0.05071 | 7.6 | 0.04817 |
概要
薄くて柔軟な断熱材の熱伝導率は、HFM 446Lambda Medium を用いて、十分な厚みになるように何層か重ねて測定することができます。外部熱電対を用いた測定では、熱電対が試料表面に侵入する可能性があるため、熱伝導率が誤って高くなることがあります。