CN109997032B - 热传导率测定装置、热传导率测定方法及真空度评估装置 - Google Patents

Abstract

具有：热产生源，配置为与热传导率的测定对象物接触；热阻材料，配置为与热产生源接触；至少1对示差热电偶，测定通过从热产生源流出热而产生的热阻材料的两点间的温度差所引起的电压值；以及计算装置，计算示差热电偶的输出电压的时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算测定对象物的热传导率。

Description

热传导率测定装置、热传导率测定方法及真空度评估装置

技术领域

本发明涉及热传导率测定装置、热传导率测定方法及真空度评估装置。

背景技术

真空隔热材料(VIP：Vacuum Insulation Panel)的隔热性能较高，可得到较好的节能效果，因此不仅利用在冰箱中，而且在住宅用建材等方面的利用也得到发展。真空隔热材料因泄漏致使真空度下降等原因而导致性能下降，但是很难通过肉眼观察来确认性能下降的情况，因此必须通过测定热传导率来进行确认。测定试验体的热传导率的方法也记载于例如专利文献1、2等中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6676287号说明书

专利文献2：日本特开2013-88258号公报

发明内容

但是，在专利文献1、2中记载的方法很难在短时间内测定准确的热传导率。即，为了准确地测定热传导率，最好是使用在测定对象物的温度变化达到了恒定的稳定状态的时间点的热电偶的输出，一般地要使温度上升达到稳定状态耗费时间，特别是对热传导率极低的真空隔热材料而言，需要较长的时间。

因此，本发明的一个目的在于，在短时间内测定准确的热传导率。

此外，本发明的一个目的在于，在短时间内高效地评估真空度。

本发明所涉及的热传导率测定装置，其中，包括：热产生源，配置为与热传导率的测定对象物接触；热阻材料，配置为与所述热产生源接触；至少1对示差热电偶(differential thermocouple)，测定通过从所述热产生源流出热而产生的所述热阻材料的两点间的温度差所引起的电压值；以及计算装置，计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，基于所计算出的所述时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率。

此外，所述计算装置也可以使用式(1)，计算所述测定对象物的热传导率。

Y＝aX^-b…(1)

(其中，在式(1)中，X是所述测定对象物的热传导率，Y是所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，a、b是常数。)

此外，所述式(1)中的常数a、b能够是通过将使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定而得到的结果代入式(1)，从而求出的值。

此外，所述计算装置也可以预先使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定，使用根据各材料的热传导率、与在针对各材料进行测定时的所述示差热电偶的输出电压的时间变化率的关系而求出的直线的表达式，计算所述测定对象物的热传导率。

此外，也可以具有2个以上的所述示差热电偶，各个示差热电偶分别测定由不同的两点间的温度差引起的电压值，各个示差热电偶被串联连接，所述计算装置计算被串联连接的多个示差热电偶的输出的时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率。

此外，在所述热产生源的与所述测定对象物接触的表面，也可以具有吸收所述测定对象物的凹凸形状的缓冲材料。

此外，也可以具有用于测定因来自所述热产生源的横向的热流而在所述热阻材料内部产生的温度差的机构，所述计算装置使用所测定出的横向的温度差来修正所述测定对象物的热传导率。

本发明所涉及的热传导率测定方法，其中，控制装置使从被配置为与热传导率的测定对象物以及热阻材料接触的热产生源产生热，计算装置获取由示差热电偶测定出的、由所述热阻材料的两点间的温度差引起的电压值，所述计算装置计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，所述计算装置基于所计算出的所述时间变化率，计算所述测定对象物的热传导率。

此外，所述计算装置也可以使用式(1)来计算所述测定对象物的热传导率。

Y＝aX^-b…(1)

(其中，在式(1)中，X是所述测定对象物的热传导率，Y是所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，a、b是常数。)

此外，所述式(1)中的常数a、b能够是通过将使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定而得到的结果代入式(1)，从而求出的值。

此外，所述计算装置也可以预先使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定，使用根据各材料的热传导率、与在针对各材料进行测定时的所述示差热电偶的输出电压的时间变化率的关系而求出的直线的表达式，计算所述测定对象物的热传导率。

本发明所涉及的真空度评估装置，其中，包括：热产生源，配置为与真空度的测定对象物接触；热阻材料，配置为与所述热产生源接触；至少1对示差热电偶，测定通过从所述热产生源流出热而产生的所述热阻材料的两点间的温度差所引起的电压值；计算装置，计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，基于所计算出的所述时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率；以及真空度评估部，基于所计算出的所述热传导率来评估所述测定对象物的真空度。

发明效果

根据本发明，能够在短时间内测定准确的热传导率。

此外，根据本发明，能够在短时间内高效地评估真空度。

附图说明

图1是基于本发明的实施方式的热传导率测定装置的构成的图。

图2是示出基于本发明的实施方式的热传导率测定装置的测定部的构成的图。

图3是说明基于本发明的实施方式的热传导率测定装置的测定原理的图。

图4是基于本发明的实施方式的热传导率测定装置的动作的流程图。

图5是表现基于本发明的实施方式的示差热电偶的输出电压的随时间变化的曲线图。

图6是示出基于本发明的实施方式的各种材料的热传导率和示差热电偶的输出的时间变化率的表。

图7是表现基于本发明的实施方式的各种材料的热传导率与示差热电偶的输出的时间变化率的关系的曲线图。

图8是示出基于本发明的实施方式的用于测定中心部与周缘部的温度差的示差热电堆的例子的图。

具体实施方式

以下，针对用于实施本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。

实施方式

图1是示出基于本发明的实施方式的热传导率测定装置10的构成的图。如图1所示，热传导率测定装置10具有测定部11、显示装置12、控制装置13、以及计算机(计算装置、真空度评估部)14。测定部11、显示装置12、控制装置13、计算机14经由通信线路连接。热传导率测定装置10也可以根据需要而具有条形码、QR码(注册商标)读取器等，能够读取被赋予给测定对象物的条形码，并自动地识别测定对象物。

热传导率测定装置10是用于测定真空隔热材料等测定对象物30的热传导率的装置。热传导率测定装置10将在测定部11中利用热电偶而获取的测定数据在控制装置13中进行处理，进一步地由计算机14进行分析，由此计算测定对象物30的热传导率。

图2是示出测定部11的构成的分解图。如图2所示，测定部11具有加热器(热产生源)21、热阻材料22、示差热电偶23、罩24、以及配重25。

加热器21被配置为，与热阻材料22和真空隔热材料等测定对象物30接触。加热器21也可以是在中央部具有用于产生要测定的热流的主热产生部且在该主热产生部的外周具有用于防止横向的热桥(Heat Bridge)的副热产生部的双层结构。在加热器21中使用随温度变化较小的材料(康铜(constantan)等)。例如，加热器21能够设为将保护层与康铜片贴合，以刻蚀来制成加热器的图案的较薄的薄膜状的加热器。主热产生部的主加热器能够设为例如外形

内部电阻大约是45Ω，供给电流是100mA。副热产生部的屏蔽加热器(Guard-Heater)在主加热器的外周配置成圆圈(Doughnut)状，并且能够设为例如宽度6mm、内部电阻大约是45Ω，供给电流是100mA。

热阻材料22是因热流而在内部产生温度差的材料，并且能够使用例如超级二氧化硅。超级二氧化硅是无机原材料，难以产生基于温度的原材料变化，热传导率是0.0438W/mK(干燥时)。

示差热电偶23对通过从加热器21流出热而产生的热阻材料22内部的两点间的温度差进行测定，并输出由该温度差引起的电压值。

示差热电偶23被设置为，能够在热阻材料2内部的至少一对的两点间测定温度差。为了容易在两点间产生温度差，最好将要测定温度差的两点沿着来自加热器21的热流的方向而配置。例如，如图3所示，也可以是，将一个点T1(热接点)设置于与加热器21接触的面，将另一个点T2(冷接点)设置于从点T1沿着热流的方向(在图3中是铅直方向)移动后的位置(例如，与T1距离20mm的位置。)。示差热电偶23能够使用例如铜-康铜热电偶。线径能够为例如

电阻值能够设为15Ω。

也可以设置有多个示差热电偶23，以便能够在热阻材料2内部的2对以上的两点间测定温度差。例如，以在热阻材料2内部均等地设置3～4组如图3所示的(T1，T2)这样的组合，并能够测定各自的两点间的温度差的方式，来设置多个示差热电偶。各个示差热电偶被串联连接，被串联连接的多个示差热电偶的输出被供应至控制装置13。如此，用多个示差热电偶来测定多个组的温度差，得到被串联连接的多个示差热电偶的输出，由此能够得到更大的输出电压的值，将在控制装置13进行放大处理时等受到的噪声的影响抑制得较小。

罩24包覆加热器21和热阻材料22，可以防止热阻材料22的表面的劣化，并且可以防止外部的环境气体温度的影响。对于罩24，应用传导率不是太小的材料，例如能够设为特氟隆(Teflon，注册商标)制成或亚克力(Acrylic)制成。如图2所示，罩24能够被形成为与热阻材料22同样且比热阻材料22大一圈的形状，并且厚度设为例如5mm。

配重25被配置于热阻材料22的上方，并能够利用重力将热阻材料22、加热器21以及测定对象物30贴紧。配重25能够设为例如黄铜制成。

显示装置12用文字、图像来显示热传导率测定的过程的信息、测定部11的状态、测定结果等。显示装置12基于来自控制装置13的指示来显示上述的信息。

控制装置13进行显示装置12的显示控制、测定部11的加热器21的电流控制等，并且将来自示差热电偶23的输出发送至计算机14。如图2所示，控制装置13具有放大器(AMP)131、A/D转换器132、恒定电流电路133、CPU 134、USB接口135、以及RS-232C接口136。来自示差热电偶23的输出电压在由放大器131放大了之后，由A/D转换器132转换为数字信号并供应至CPU 134。转换为数字信号的输出结果经由USB接口135或者RS-232C接口136被发送至计算机14。此外，控制装置13从恒定电流电路133向加热器21供应恒定电流(例如100mA)。

计算机14使用从控制装置13接收到的测定部11的测定结果来计算测定对象物30的热传导率。此外，计算机14也对从控制装置13接收的其他的信息进行管理。计算机14具有本体装置、显示器、以及鼠标、键盘等输入部件。针对计算机14计算热传导率的详细的流程，在后文说明。

以下，针对热传导率测定装置10的热传导率测定方法，使用图4的流程图进行说明。

首先，将测定对象物30设置为与测定部11的加热器21接触，将测定所需要的参数经由计算机14输入至控制装置13。参数例如是被供应至加热器21的电流值、热传导率的计算所需要的常数等。当上述的准备齐全时，开始进行测定(步骤S1)。

若开始测定，则从恒定电流电路133向加热器21供应恒定电流，由加热器21产生的热向测定对象物30和热阻材料22流动(步骤S2)。

若热向热阻材料22流动，则由示差热电偶23测定基于在热阻材料22的两点间产生的温度差的电压值，并将所测定的电压值供应至控制装置13(步骤S3)。

图3是示出热传导率测定装置10的测定原理的图。如图3所示，由于测定对象物30的隔热性越差(热传导率越高)，向测定对象物30侧的热的流动越多，因此向热阻材料22的热的流入变少。因此，热阻材料22的内部的温度差变小，示差热电偶23的输出电压也变小。另一方面，测定对象物30的隔热性越好(热传导率越低)，向热阻材料22的热的流入变多，示差热电偶23的输出电压也变大。利用该原理，能够根据在热阻材料22的内部产生的温度差，来间接地测定测定对象物30的热传导率。

在控制装置13中，在由放大器131将从测定部11供给的电压值放大了之后，由A/D转换器132转换为数字信号并供应至CPU 134。进一步地，控制装置13将转换为数字信号的电压值发送至计算机14(步骤S4)。另外，在示差热电偶23开始测定热传导率的同时，计算机14开始计测测定时间，若经过规定的时间(例如30秒)，则向控制装置13发送用于使得结束测定的指示。示差热电偶23所输出的电压值在测定持续进行的过程中被实时地提供给计算机14。

计算机14计算从控制装置13获取的示差热电偶23的输出电压的时间变化率(一阶微分，dV/dt)(步骤S5)。

进一步地，计算机14基于所计算出的时间变化率，来计算测定对象物30的热传导率(步骤S6)。以往，为了测定准确的热传导率，向加热器21供应电流并进行测定直到温度差达到稳定状态为止，因此需要2分钟左右的测定时间。与此相对，在本实施方式中，实时地对示差热电偶23的输出电压进行时间微分来计算时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算测定对象物30的热传导率，因此测定时间达到以往的一半以下，能够在短时间内测定准确的热传导率。

图5是表现示差热电偶23的输出电压的时间变化的曲线图。图中，A所示的曲线表示使用隔热性较差(热传导率较高)的测定对象物30进行测定而得到的结果，B所示的曲线表示使用隔热性较好(热传导率较低)的测定对象物30进行测定而得到的结果。计算机14计算示差热电偶23的输出电压值的时间变化率(斜率)。示差热电偶23的热传导率(X)与输出电压的斜率(Y)的关系能够用下式(1)表示。

Y＝aX^-b…(1)

(a、b是常数)

常数a、b能够通过将使用2种以上的热传导率已知的样本进行测定而得到的结果代入式(1)中，从而预先求出。另外，用于计算常数a、b的样本的热传导率最好是与测定对象物30的热传导率大致接近的值。样本尽量准备5种以上，针对每一种样本在热传导率测定装置10中进行2～3次测定，从而求出各样本的示差热电偶23的输出的平均值。计算机14能够将示差热电偶23的输出电压的时间变化率(斜率)代入式(1)的Y中，计算测定对象物30的热传导率。

此外，图6是示出各样本的热传导率与示差热电偶的输出的斜率的表，图7是在曲线图中表示出图6的结果的图。在横轴上取热传导率，在纵轴上取示差热电偶的输出的斜率。如图7所示，若绘制出各样本的结果，则可知各样本的结果大致被配置于直线上。具体而言，如图7所示，大致满足Y＝0.0392X^-0.492的关系。因此，能够通过预先求出该校正曲线的表达式，并将测定对象物30的测定结果(示差热电偶的输出的斜率)代入，由此计算测定对象物30的热传导率。

计算机14基于所计算出的测定对象物30的热传导率，判定测定对象物30是否良好(步骤S7)。例如，也可以根据所计算出的热传导率的值是否落入规定的范围来判定是否合格。判定结果也可以显示在计算机14的显示器或显示装置12上。

如以上所述，根据本实施方式，计算机14计算从控制装置13获取的示差热电偶23的输出电压的时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算测定对象物30的热传导率，因此不必等待到所测定的温度差达到稳定状态，能够在短时间内测定准确的热传导率。

此外，由于使用多个示差热电偶来测定多个部位的温度差，使用被串联连接的多个示差热电偶的输出来计算热传导率，因此可以使用更大的输出电压的值进行处理，能够将在控制装置13进行放大处理时等受到的噪声的影响抑制得较小。

另外，在本实施方式中，计算机14计算从控制装置13获取的示差热电偶23的输出电压的时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算测定对象物30的热传导率；但是，例如，示差热电偶23的输出电压的时间变化率的计算也可以由安装在控制装置13中的软件等进行。

此外，在测定对象物30的表面存在凹凸形状等的情况下，无法使加热器21与测定对象物30贴紧，有可能无法准确地测定热传导率。因此，也可以是在加热器21的与测定对象物30接触的表面具有吸收测定对象物30的凹凸形状的缓冲材料。具体而言，在加热器21的表面粘贴厚度为0.3～0.6mm左右的硅酮(Silicone)等制成的片材，由此测定对象物30表面的凹凸形状被片材吸收，能够更准确地测定热传导率。

此外，在使用真空隔热材料作为住宅用建材的情况下，有时出于保护等的目的而用发泡材料等覆盖真空隔热材料。在这样的情况下，因为发泡材的影响，来自加热器21的热流向横向散发，沿着热流的方向(图3的从T1朝向T2的方向)的温度差的测定有可能无法准确地进行。因此，也可以设置用于对加热器21监视横向的热流并进行补偿机构。具体而言，也可以使用如图8所示的用于测定中心部与周缘部的温度差的示差热电堆26来进行测定。图8示出热阻材料22的与加热器21接触的面。示差热电堆26测定热阻材料22的表面的中心部的点与周缘部的点之间的温度差，并输出基于温度差的电压。如图8所示，中心部的点T3和周缘部的点T4分别设有多个，测定各个T3与T4之间的温度差的8对示差热电偶被串联连接。在计算机14以及控制装置13中，使用被串联连接的8对示差热电偶的输出，补偿中心部与周缘部之间的横向的热流相应量，修正测定对象物30的热传导率。

(真空度评估装置)

在测定对象物30是真空隔热材料等的情况下，本发明的热传导率测定装置也能够作为使用热传导率来评估测定对象物30的真空度的真空度评估装置来使用。在这种情况下，在计算机14中预先存储用于评估要测定的真空隔热材料的真空度的参数(作为判定是否合格的阈值的热传导率等)。计算机14例如将所计算出的测定对象物30的热传导率与作为阈值的热传导率进行比较，若测定值是阈值以下则判定为合格，在测定值比阈值大的情况下则判定为不合格。

如此，利用所测定出的热传导率来评估测定对象物30的真空度，由此能够在短时间内高效地评估真空度。

标号的说明

10 热传导率测定装置，11 测定部，12 显示装置，13 控制装置，14 计算机，21 加热器，22 热阻材料，23 示差热电偶，24 罩，25 配重，26 示差热电堆，30 测定对象物，131放大器(AMP)，132 A/D转换器，133 恒定电流电路，134 CPU，135 USB接口，136 RS-232C接口。

Claims (12)

1.一种热传导率测定装置，其中，包括：

热产生源，配置为与热传导率的测定对象物接触；

热阻材料，配置为与所述热产生源接触；

至少1对示差热电偶，测定通过从所述热产生源流出热而产生的所述热阻材料的两点间的温度差所引起的电压值；以及

计算装置，计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，基于所计算出的所述时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率。

2.如权利要求1所述的热传导率测定装置，其中，

所述计算装置使用式(1)来计算所述测定对象物的热传导率，

Y＝aX^-b…(1)，

其中，在式(1)中，X是所述测定对象物的热传导率，Y是所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，a、b是常数。

3.如权利要求2所述的热传导率测定装置，其中，

所述式(1)中的常数a、b是通过将使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定而得到的结果代入式(1)，从而求出的值。

4.如权利要求1所述的热传导率测定装置，其中，

所述计算装置预先使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定，使用根据各材料的热传导率、与在针对各材料进行测定时的所述示差热电偶的输出电压的时间变化率的关系而求出的直线的表达式，计算所述测定对象物的热传导率。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的热传导率测定装置，其中，

所述热传导率测定装置具有2个以上的所述示差热电偶，各个示差热电偶分别测定由不同的两点间的温度差引起的电压值，各个示差热电偶被串联连接，

所述计算装置计算被串联连接的多个示差热电偶的输出的时间变化率，基于所计算出的时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率。

6.如权利要求1～4中的任一项所述的热传导率测定装置，其中，

在所述热产生源的与所述测定对象物接触的表面，具有吸收所述测定对象物的凹凸形状的缓冲材料。

7.如权利要求1～4中的任一项所述的热传导率测定装置，其中，

所述热传导率测定装置具有用于测定因来自所述热产生源的横向的热流而在所述热阻材料内部产生的温度差的机构，

所述计算装置使用所测定出的横向的温度差来修正所述测定对象物的热传导率。

8.一种热传导率测定方法，其中，

控制装置使从被配置为与热传导率的测定对象物以及热阻材料接触的热产生源产生热，

计算装置获取由示差热电偶测定出的、由所述热阻材料的两点间的温度差引起的电压值，

所述计算装置计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，

所述计算装置基于所计算出的所述时间变化率，计算所述测定对象物的热传导率。

9.如权利要求8所述的热传导率测定方法，其中，

所述计算装置使用式(1)来计算所述测定对象物的热传导率，

Y＝aX^-b…(1)，

其中，在式(1)中，X是所述测定对象物的热传导率，Y是所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，a、b是常数。

10.如权利要求9所述的热传导率测定方法，其中，

所述式(1)中的常数a、b是通过将使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定而得到的结果代入式(1)，从而求出的值。

11.如权利要求8所述的热传导率测定方法，其中，

所述计算装置预先使用2种以上的热传导率已知的材料进行测定，使用根据各材料的热传导率、与在针对各材料进行测定时的所述示差热电偶的输出电压的时间变化率的关系而求出的直线的表达式，计算所述测定对象物的热传导率。

12.一种真空度评估装置，其中，包括：

热产生源，配置为与真空度的测定对象物接触；

热阻材料，配置为与所述热产生源接触；

至少1对示差热电偶，测定通过从所述热产生源流出热而产生的所述热阻材料的两点间的温度差所引起的电压值；

计算装置，计算所述示差热电偶的输出电压的时间变化率，基于所计算出的所述时间变化率来计算所述测定对象物的热传导率；以及

真空度评估部，基于所计算出的所述热传导率来评估所述测定对象物的真空度。

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