JP2005098863A

JP2005098863A - 固体熱膨張率測定装置

Info

Publication number: JP2005098863A
Application number: JP2003333573A
Authority: JP
Inventors: Toru Imamura; 徹今村
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】様々な設計で使用される固体物質の基本的な特性である熱膨張率を、簡便な手法で安定して測定するため、信頼性の高い測定手段を提供する。
【解決手段】天秤１に吊り下げられた試料ホルダー６に試料が載置され、温度制御装置３で水槽内に設けたヒーター９を制御して水槽５内の水温を制御し、上記温度制御装置で制御された複数の設定温度のそれぞれにおいて、水槽を上下方向に移動することで複数の設定温度において空中及び水中における秤量を行いこの結果得られた試料の固体密度に基づいて固体熱膨張率を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体物質の基本的な物理的特性である熱膨張率を測定する装置に関するものである。一般に、固体物質は、その温度に応じて膨張や収縮をする特性があり、固体物質を利用する様々な設計作業に於いては、熱膨張率は基本となる重要な特性である。

固体物質の熱膨張率を測定する装置としては、周囲温度を変化させて、被測定固体物質長さの伸びや縮みを、レーザー装置等を利用して測定するものが広く行われている（特許文献１参照）。しかし、レーザー装置等を使用する際には、様々な注意点が必要であり、一般に広く利用する目的に於いては、新たな手法の開発が望まれている。
特開平０８−１０５８０５号公報

固体物質の体積増加は、固体物質の密度減少に対応する。即ち、固体物質の体積と固体物質の密度は、相互に逆数の関係がある。固体物質に係るこの関係を利用して、固体物質の熱膨張率を測定することは、本発明が解決しようとする課題である。

本発明では、固体物質の密度が温度に依存して変化する現象を利用する。そして、固体物質の密度と固体物質の体積が、相互に逆数関係にあることを利用して、固体物質の熱膨張率を測定する。

本発明は、上記課題を解決するために、天秤と、密度測定装置と、温度制御装置と、記録制御装置で構成される固体熱膨張率測定装置である。密度測定装置には、その内部に水槽が設置されており、天秤から吊り下られた試料ホルダーに試料を乗せて、水槽を上下に移動させる手段で、アルキメデスの原理に基づいて、試料の密度を測定する。この際に、水槽の水温を温度センサーで測定し、上記温度制御装置を用いてヒーターに流れる電流を制御して、水槽中の水温を目的とする温度に設定する。

本発明に係る固体熱膨張率測定装置は、以上に説明したように構成されるので、以下に記載されるような効果を奏する。

本発明による固体熱膨張率測定装置では、従来のものとは異なって、固体物質の熱膨張率を、簡便な手法で安定して測定できる。そのため、様々な設計で使用される固体物質の基本的な特性である熱膨張率を、信頼性高く豊富に測定する手段が提供される。

本発明に係る固体熱膨張率測定装置の発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する

本発明の実施形態について、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。本発明に係る固体熱膨張率測定装置は、図１（ａ）、図２に示すように機筺状のフレーム１１を有し、このフレーム１１上に載置された天秤１と、フレーム１１内に配置された密度測定装置２とを備え、さらに温度制御装置３と記録制御装置４とを備えている。

密度測定装置２は、上下動する棚板１３と水槽５とを備えている。棚板１３は、その基端が昇降用モータ１４で回転するねじ棒１５に螺着され、かつ案内棒１６に案内されて上下動するような構造となっている。この棚板１３に水槽５を載置して上下動可能にする。

天秤１は、密度測定装置２の全体フレーム１１の上に設置され、天秤１の秤量部に試料ホルダー６を吊り下げて、試料ホルダー６に乗せた試料７の質量を測定可能とする。そして、水槽５を上記上下動可能な棚板１３に載置し、試料ホルダー６とは独立させて上下方向に移動可能とする。此の移動は、試料ホルダー６に乗せた試料７を、空中と水中の両方で逐次秤量するために十分な長さのストロークが必要である。

また、密度測定装置２には、水槽５とともに上下動する温度センサ８及びヒーター９が取り付け具１２に取り付けられて配設されている。図１（ｂ）に示すように、水槽５中の水温は温度センサー８で検出され、水中に設置されたヒーター９に流れる電流を温度制御装置３で制御して、水温を目的の温度に設定する。この際、温度制御装置３は、攪拌用モータ１７を制御して攪拌機１０の動作を制御し、必要に応じて、攪拌機１０で水槽中の水を攪拌する。

記録制御装置４は、その記憶装置に内蔵されたソフトに従って密度測定装置の全体動作を制御するものであり、図１（ｂ）に示すように、昇降用モータ１４の動作を制御するとともに、天秤１による測定データを入力し処理するものである。

具体的には、記録制御装置４は、昇降用モータ１４を駆動制御して、棚板１３が下降した状態では試料７が空中に置かれる位置となるようにし、又、棚板１３を上昇させて試料７が水槽５の水中に置かれる位置となるようにする。このように棚板を昇降させて、試料７を空中及び水中のそれぞれの位置で天秤１で測定して、その測定結果を記憶装置に記憶するとともに測定結果を表示し記録する。そして、記録制御装置４では、上記測定結果に基づいて、固体物質の密度変化率（γ）が算出される。さらに、記録制御装置４では、固体物質の密度測定に基づいて、固体熱膨張率を導出する際に、必要となる数値計算処理が行われる。

（作用）
以上の構成から成る固体熱膨張率測定装置の作用を説明する。まず、水槽５中の水温を温度制御装置３を用いて所定の温度に設定する。この所定の温度で、水槽５を下げた状態において、天秤１の秤量部に吊り下げた試料ホルダー６に試料７を載置して水槽５の上方空中で秤量する。秤量データは天秤１から記録制御装置に入力される。

次に、試料ホルダー６に載置した試料７を密度測定装置２により昇降用モータ１４を制御して上昇させて水槽５中の水中内に入れて、水中内で秤量する。この秤量データは天秤１から記録制御装置に入力される。これらの空中及び水中での秤量データにより記録制御装置においてアルキメデスの原理に基づき固体物質の密度が求められる。

温度制御装置３を用いて別の所定の温度に設定し、上記同様の測定手順により固体物質の密度を求める。このように、水槽５中の水温を温度制御装置３を用いて複数の温度に設定し、それぞれの温度において固体物質の密度が求められる。このようにして複数の温度のそれぞれにおける測定の結果得られた固体物質の密度から、記録制御装置４において、固体物質の密度変化率（γ）が算出され、熱膨張率が導出される。

上記のとおり本発明では、被測定固体物質の密度を、二点以上の異なった温度で測定し、此等二点以上の異なった温度で測定された二つ以上の密度値から、記録制御装置４では、固体物質の温度に応じた密度変化率が導出されるが、この算出は次の通りの数式により行われる。

固体物質の質量をＭ，体積をＶ、密度をρとすれば、数式（１）が成立する。
M＝ρV （１）

基準とする温度に於ける固体物質の密度をρ₀、固体物質の密度変化率をγ、基準とする温度との温度差をｔとすれば、数式（２）が成立する。
ρ＝ρ₀（１−γｔ）（２）

基準とする温度に於ける固体物質の体積をＶ_０、固体物質の体膨張率をαとすれば、数式（３）が成立する。
V＝Ｖ_０（１＋αｔ）（３）
ここで、ｔ＝０の際には、数式（４）が成立する。

M＝ρ₀Ｖ_０（４）

数式（１）〜（４）を連立させて、微少なｔに関する２次の項を省略すると、数式（５）が成立する。
α＝γ （５）

固体物質の体膨張率（α）と、固体物質の線膨張率（β）は、概略数式（６）で関係付けられる。
α＝３β （６）

以上のとおり、本発明に係る固体熱膨張率測定装置は、二点以上の異なった温度に於いて、固体物質の密度をそれぞれ測定するために有効に利用される。そして、本発明に係る固体熱膨張率測定装置は、以上に示したように、アルキメデスの原理に基づいて、周囲温度の変化で固体物質の密度が変化する現象を利用して、複数の温度に於いて固体物質の密度を測定し、固体の熱膨張率を導出することを特徴とするものである。

以上、本発明に係る固体熱膨張率測定装置の発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施の態様があることは言うまでもない。

本発明に係る固体熱膨張率測定装置は、固体物質を利用する様々な産業分野における設計作業に於いては、熱膨張率の測定のために利用される。

本発明に係る固体熱膨張率測定装置を説明する図であり、（ａ）は全体構成であり、（ｂ）はその制御装置のブロック図である。本発明に係る固体熱膨張率測定装置を説明する図である。

符号の説明

１天秤
２密度測定装置
３温度制御装置
４記録制御装置
５水槽
６試料ホルダー
７試料
８温度センサー
９ヒーター
１０攪拌機
１１フレーム
１２取り付け具
１３棚板
１４昇降用モータ
１５ねじ棒
１６案内棒
１７攪拌用モータ

Claims

天秤と、密度測定装置と、温度制御装置と、記録制御装置とを備えた固体熱膨張率測定装置であって、
上記天秤には試料を載せる試料ホルダーが吊り下げられており、
上記温度制御装置は、上記水槽内に設けたヒーターを制御して上記水槽内の水温を制御し、
上記密度測定装置は、その内部に上下方向に移動可能な水槽が設置されており、上記温度制御装置で制御された複数の設定温度のそれぞれにおいて試料の固体密度を測定可能であり、
上記記録制御装置は、上記複数の設定温度において測定された試料の固体密度に基づいて固体熱膨張率を算出可能であることを特徴とする固体熱膨張率測定装置。