JP2000310605A - 熱伝導率測定方法および測定装置 - Google Patents

熱伝導率測定方法および測定装置

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廣 幾世橋
Naoya Hayakawa
直也 早川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】非定常細線加熱法において、溶融したガラスの
ような高温の液体における熱伝導率を測定する場合、信
頼性の高い結果を得る。 【課題を解決するための手段】細線加熱法による熱伝導
率測定装置において、発熱体と温度計を併せ持った円筒
形の測定用プローブを用い、測定試料の外径を、測定用
プローブ管の外径の50倍から200倍の間にした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温の固体および
液体の熱伝導率測定に関し、特にガラス材料について、
固体状態から高温で溶融して液体状態になる温度範囲の
熱伝導率測定方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】熱伝導率測定方法に、平板定常法、非定
常レーザーフラッシュ法および非定常細線加熱法があ
る。特に流体の熱伝導率測定に関して、流体の熱対流の
影響を除去することが重要であり、非定常細線加熱法が
よく用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】高温で、固体から液体
に変化するガラスのような材料の熱伝導率を正確に測定
するためには、平板定常法では、固体から液体までを連
続して測定できるセルの作製が困難であり、また非定常
レーザーフラッシュ法では、常温の固体での測定精度は
良いものの、高温の液体状態での信頼できる熱伝導率の
測定が困難であるさらに、非定常細線加熱法において
は、溶融したガラスのような高温の液体における熱伝導
率を測定する場合、信頼性の高い結果を得ることがきわ
めて困難であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、細線加熱法に
よる熱伝導率測定において、発熱体と温度計を併せ持っ
た円筒形の測定用プローブを用いて熱伝導率を測定する
ものであって、測定試料の外径または測定試料を入れる
試料容器の内径を、測定用プローブ管の外径の50倍か
ら200倍の間にしたことを特徴とする。
【0005】また、測定中において、該試料容器には蓋
が出来るようにしたことを特徴とする熱伝導率測定装置
である。
【0006】実施例の表1に示すように、測定試料の外
径が測定用プローブ管の外径の50倍から200倍の間
で、精度の良い測定が出来、該条件からはずれると、測
定試料の温度が一定にならず、信頼できる結果は得られ
なかった。
【0007】さらに試料容器に蓋をしない場合は、試料
の上下の熱的条件が異なるため、試料温度を一定にする
ことが困難であった。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による熱伝導率測
定装置の、測定用プローブ5と測定試料14を入れる試
料容器3の概略を示したものである。測定試料14の外
径dsは、測定用プローブ管9の外径dpの50〜200
倍にする。測定用プローブ管9の外径dpは1.5mm
〜5mm程度である。
【0009】測定試料14が液体の場合、測定試料14
の外径dsは測定試料を入れる容器3の内径と同じであ
る。測定試料14が固体であっても、熱伝導率を測定す
る温度において軟化し、形状を保たないような場合は、
試料容器3を用いる。軟化しない場合は、輻射による測
定誤差が無いようにするため、測定試料の全面に、耐熱
性のある金属酸化物膜、あるいは金または白金などの酸
化をしない金属膜を塗布することが望ましい。
【0010】測定試料14が固体の場合、測定試料14
に測定用プローブ管9の外径とほぼ同じ大きさの孔をあ
け、その孔に測定用プローブ管9を挿入する。さらに、
測定試料にあけた孔と挿入した測定用プローブ管9の間
を、測定試料の粉末で充填して、接触熱抵抗を小さくす
る。
【0011】測定試料14が高温で液体になる場合は、
測定試料14は測定容器3に入れておき、高温にして、
液体となった測定試料14に測定用プローブ管9を挿入
し、温度を下げて、低温の固体の状態にして測定を行う
ことが好ましい。
【0012】試料容器3を用いる場合、測定精度に及ぼ
す輻射の影響を検討しやすくするため、試料容器3ある
いは測定試料14を蓋15で覆う。蓋15は、図1に示
すように、試料容器3の内側に適当なストッパー16を
設け、測定試料14に接するように置くことが望ましい
が、単に試料容器3の上に載せるだけでも良い。
【0013】資料容器3および蓋15は、測定試料と反
応しないもので、測定温度に対する耐久性があればどの
ような材料でも良い。高温の溶融ガラスの場合は、白金
を用いることが望ましい。
【0014】図1に示す測定用プローブ5と試料容器3
は、図4に示すように、電気炉4の中に置く。測定試料
14の温度は、電気炉4により熱伝導率を測定する所定
の温度に保持する。測定試料14の温度は、測定用プロ
ーブによって測定する。
【0015】測定試料14の温度が熱伝導率を測定する
所定の温度で安定したら、電源1により、加熱線12に
加熱用配線2を介して電流を流し、加熱線12の単位長
さ当たり、および単位時間当たり、一定の発熱量となる
ように加熱線12を加熱する。加熱開始と同時に、測定
用プローブ管9に設置された温度計10、10’により
加熱線表面の加熱線温度θを測定する。保護管11内に
設置されている温度計10、10’と加熱線12は、そ
の間隙を充填材13で充填する。
【0016】温度計10、10’は抵抗線温度計、サー
ミスタ温度計あるいは熱電対温度計などを、JIS Z
8704 に記載されているCrを主成分とする耐熱
鋼、あるいはMoを主成分とする耐食鋼で作製した金属
保護管、あるいは白金あるいは白金ロジウム合金で作製
した保護管内に設置したものを用いることが望ましい。
【0017】熱電対温度計は、計測温度範囲が広く、さ
らにスペースをとらない形状であり、使用するのに適し
た温度計である。加熱線12には金属抵抗線や熱電対用
素線を用い、温度計と同様に、JIS Z8704 に
記載されているCrを主成分とする耐熱鋼、あるいはM
oを主成分とする耐食鋼で作製した金属保護管、あるい
は白金あるいは白金ロジウム合金で作製した保護管内に
設置することが望ましい。
【0018】充填剤13は熱伝導性に優れ、高温での耐
熱性が良い材料であり、酸化マグネシウム粉末が好まし
い。
【0019】保護管11は耐熱性があり、測定試料と反
応しない材料で、測定精度に影響しない程度の熱伝導性
の良い材料を用いる。ガラスの熱伝導率を、100℃の
固体の状態から1000℃の液体の状態までの温度範囲
で測定する場合は、白金ロジウム合金が好ましい材料の
一つである。
【0020】加熱線12による加熱初期においては、対
流による熱伝導が生じていない状態で、熱は加熱線12
の周囲に放射状に水平方向に2次元的に伝導する。この
状態では、加熱線12に電流を流して発生した一定熱量
qを用いて、測定試料14の熱伝導率λは次の(1)式
で算出される。
【0021】 λ=(q/4π)/(Δθ/ln(t2/t1)) (1) ここに、Δθ=θ2ーθ1である。またθ1は測定開始
後、時刻t1での加熱線温度であり、θ2は測定開始時刻
2における加熱線温度で、t1,t2は加熱線12の温
度上昇ー対数時間線図の勾配が一定となっている、直線
部分の領域内での時刻である。
【0022】細線加熱法において、Δθとln(t2
1)の関係はおよそ図5に示すようであり、温度上昇
ー対数時間線図の勾配がいってとなっているAの部分か
ら、測定試料の熱伝導率λを(1)式によって求める。
測定時間がある程度経過すると、対流が生じるため、該
線図のBの部分のように、勾配は時間的に変化してなだ
らかになり、さらには波状になるので、(1)式は適用
できない。
【0023】加熱線温度θはデータ収録装置7に温度測
定用配線6を介して収録され、データ処理装置8を用い
て、時計を用いて測定した時刻tと共に(1)式による
演算処理等を行う。データ収録装置7は温度計10に対
応した温度測定器であり、測定は電気的に電圧あるいは
電流で行う。さらに、温度の測定値はA/D変換され
て、データ処理装置8に取り込まれる。データ処理装置
8にパーソナルコンピュータを用いる場合は、パーソナ
ルコンピュータに内蔵されている時計で自動的に時刻t
1、t0を読み込む方が精度的に好ましい。
【0024】
【実施例】測定用プローブ管の外径dpと測定試料の外
径dsを、本発明に適合させた実施例1から実施例4の
測定と、本発明に適合していない比較例1から比較例3
の測定を行った。その結果を表1にまとめて示す。なお
これらの測定は全て試料容器3を用い、蓋15をして行
った。蓋をしない場合については、測定試料の温度が安
定せず測定が困難であった。
【0025】測定試料にはフロートガラスを用いた。温
度計にはクロメルーアルメル熱電対を用いた。加熱線に
はクロメルーアルメル熱電対用素線を用いた。
【0026】
【表1】
【0027】図5は、実施例1において測定した、温度
上昇ー対数時間線図である。線図1は測定試料の温度が
700℃の場合であり、線図2は測定試料の温度が10
00℃の場合である。また、熱伝導率の測定結果は図6
の通りある。他の実施例でも同様の結果が得られ、精度
の良い測定ができることを確認した。
【0028】
【発明の効果】本発明の熱伝導率測定方法および装置に
より、高温における材料の熱伝導率が測定でき、製造条
件を検討するために必要なデータを得ることを可能にし
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定用プローブと試料容器の配置を示
す概略側面図。
【図2】測定用プローブの断面を示す図。
【図3】図2のA−A’断面を示す図。
【図4】熱伝導率測定装置の全体を示す概略側面図。
【図5】時間経過に対する加熱線温度変化を示すグラ
フ。
【図6】実施例1で測定した、試料温度に対する熱伝導
率を示すグラフ。
【符号の説明】
1 電源 2 加熱用配線 3 試料容器 4 電気炉 5 測定用プローブ 6 温度測定用配線 7 データ収録装置 8 データ処理装置 9 測定用プローブ管 10 温度計 11 保護管 12 加熱線 13 充填剤 14 測定試料 15 蓋 16 ストッパー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒谷 眞一 三重県松阪市大口町1510番地 セントラル 硝子株式会社硝子研究所内 Fターム(参考) 2G040 AB09 BA02 BA24 BA25 CA02 CB03 DA02 DA03 DA12 DA15 DA21 DA22 EA02 EA13 EB02 EC03 HA16

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】細線加熱法による熱伝導率測定装置におい
    て、発熱体と温度計を併せ持った円筒形の測定用プロー
    ブを用い、測定試料の外径を、測定用プローブ管の外径
    の50倍から200倍の間にしたことを特徴とする熱伝
    導率測定方法。
  2. 【請求項2】発熱体と温度計を併せ持った円筒形の測定
    用プローブ、測定用プローブ管の外径の50倍から20
    0倍の内径の試料容器、該試料容器に測定中に蓋をする
    ための蓋とからなることを特徴とする請求項1記載の熱
    伝導率測定方法に用いる測定装置。
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