JP2005221402A - 試料投下型比熱測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １０００℃以上の高温領域での高精度の比熱測定が可能であり、しかも多孔質材料の比熱の測定も行い得る試料投下型比熱測定装置及び比熱測定方法を提供する。
【解決手段】 加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を求める比熱測定装置であって、試料を収容する加熱容器及び前記加熱容器を加熱するヒータを備える加熱部と、加熱された試料が投入される測定容器及び前記測定容器を包囲する断熱材を備える測定部と、測定容器に試料を投入した後に測定部を振蘯する振蘯手段と、を備えることを特徴とする試料投下型比熱測定装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料投下型比熱測定装置に関する。更に詳しくは、１００℃から、１５００℃のような超高温までの広い温度領域において高い精度で物質の比熱を測定でき、更には多孔質材料の比熱の測定も行い得る試料投下型比熱測定装置に関する。

比熱とは、単位質量当たりの物質の温度を１Ｋ上げるのに必要な熱量のことであり、単位は「Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）」で表される。物質の比熱の測定手法には様々な手法が知られており、断熱法、レーザーフラッシュ法、ＤＳＣ法、投下法等が一般的である。各測定手法は、それぞれ以下に示すような方法であり、特徴を有する。

断熱法は、試料に与える熱量を一定にして、試料の１Ｋの温度上昇に必要な時間より比熱を測定する方法であり、長所として、測定精度が高いことが挙げられ、また、短所として、試料量を多く（１０〜１００ｇ）必要とすること、簡便化が容易でないこと、７００℃程度が限度で、より高温領域での測定ができないことが挙げられる。

レーザーフラッシュ法は、測定温度に保った円板試料（１ｇ以下）の表面にレーザーフラッシュで熱エネルギーを与え、試料裏面の温度上昇により比熱を測定する方法であり、長所として、試料が少量でよいこと、−１９０〜７００℃の広い温度範囲でほぼ同一精度で測定ができることが挙げられ、また、短所として、粉体や繊維質断熱材などの多孔質材料の測定が困難であることが挙げられる。

ＤＳＣ法は、熱的に等価な基準側と試料側を等速昇温させ、両者の温度差が常に０になるように差動ヒータにより入力を補償する方法であって、比熱を測定するには、試料側に(1)空容器、(2)測定試料、(3)比熱既知の標準試料（通常はサファイア）を順次置き、試料側と標準物質側への供給電力量により試料の比熱を測定する方法であり、長所として、試料が少量（数〜１００ｍｇ）でよいこと、操作が比較的簡便であることが挙げられ、また、短所として、塊状試料は測定が困難であること、６００℃以上では測定が困難であることが挙げられる。

上記のように、断熱法、レーザーフラッシュ法及びＤＳＣ法では、６００〜７００℃以上の高温領域での比熱測定や、粉体や繊維質断熱材等の多孔質材料の比熱測定を行うことは不可能であるのが現状である。そのため、７００℃を超える高温での比熱測定や、多孔質材料の比熱を測定する場合には投下法により測定するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

投下法は、例えば図５に示される測定装置を用いて行われる。即ち、先ず、ヒータ等の加熱手段２を備える加熱部Ａに試料１を収容し、所定温度まで試料１を加熱する。そして、加熱された試料１を、直下に配置した測定部Ｂの貯槽７の液体８に投下し、液体８の温度上昇を測定する。ここで、液体８は比熱が既知であり、その値を比熱Ｃとし、貯槽７における液体８の貯蔵量をＭ、試料１の投下による液体８の温度上昇をΔＴとし、一方、試料１の重量をｍｓ、試料１の比熱をＣｓ、試料１の温度変化量をΔＴｓとすると、理論的には下記（１）式の関係が成り立ち、これにより試料１の比熱Ｃｓが求められる。
ｍｓ・Ｃｓ・ΔＴｓ＝ｍ・Ｃ・ΔＴ ………（１）

しかし、従来の投下型比熱測定装置では、測定部Ｂの液体８に試料２を投下するため、試料２が高温であると、投下後に液体８の蒸気爆発が発生して液体８がはじけて液体８の重量が正確に測定されなくなり、測定誤差が生じるか、測定不能になり易い。そのため、測定部Ｂに液体８を貯蔵する構成の投下型比熱測定装置では、概ね１０００℃以下での測定に制限されている。

そこで、１０００℃を越える高温での測定では、測定部Ｂとして液体８を貯蔵した貯槽７の替わりに空の測定容器を断熱容器に入れ、測定容器中に試料１を投下して測定容器の温度上昇から比熱を求めることが行われている。しかし、試料１からの放熱や伝熱が均一ではなく、測定容器の温度上昇が不十分で、大きな測定誤差を生じている。また、測定容器の断熱が不十分であると、測定容器の周囲から熱が逃げ、やはり測定誤差が生じる。

特開２００３−２８７５１０号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、１０００℃以上の高温領域での高精度の比熱測定が可能であり、しかも多孔質材料の比熱の測定も行い得る試料投下型比熱測定装置及び比熱測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、下記に示す試料投下型比熱測定装置及び比熱測定方法を提供する。
（１）加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を求める比熱測定装置であって、
試料を収容する加熱容器及び前記加熱容器を加熱するヒータを備える加熱部と、
加熱された試料が投入される測定容器及び前記測定容器を包囲する断熱材を備える測定部と、
測定容器に試料を投入した後に測定部を振蘯する振蘯手段と、
を備えることを特徴とする試料投下型比熱測定装置。
（２）測定容器が、内壁にフィンを備えることを特徴とする上記（１）に記載の試料投下型比熱測定装置。
（３）測定終了後、測定容器に、該測定容器よりも低温の液体または固体を接触させる冷却手段を備えることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の試料投下型比熱測定装置。
（４）加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を測定する比熱測定方法であって、試料を投入した後に測定容器を振蘯することを特徴とする比熱測定方法。

本発明においては、試料が、液体中ではなく、空の測定容器中に投下されるため、１０００℃以上の高温領域での比熱の測定を行うことができる。更に、試料投入後に測定容器を振蘯するため、試料からの測定容器への熱の移動が十分にかつ均等に行われ、比熱の測定を高精度で迅速に行うことができる。また、多孔質材料の比熱の測定を行うこともできる。

以下、本発明について図面を参照しつつ詳しく説明する。尚、図１は本発明の比熱測定装置の一実施態様を示す模式図であり、図２は図１の比熱測定装置の加熱容器を示す上面図であり、図３は図１の比熱測定装置の測定部を更に詳しく示す図である。

図示されるように、本発明の比熱測定装置は、試料１を加熱するためのヒータ２を備えた加熱部Ａと、加熱された試料１が投下される測定容器３を備えた測定部Ｂと、測定部Ｂの測定容器３を振蘯する振蘯手段（図示省略）とを備える。

加熱部Ａでは、試料１を収容した加熱容器４をヒータ２で所定温度に加熱する。加熱容器４は、図２に示すように、円筒状の耐熱容器であり、その側面及び底面を断熱材５で覆う構成となっており、試料１を収容した後、同じ断熱材で形成された蓋部材１０で上面の開口部が塞がれる。また、蓋部材１０には、試料１の投入及び取り出しを行うための開口１１が形成されている。尚、加熱容器４には試料温度を測定するための熱電対（図示せず）が装着されており、その出力を外部の温度制御手段（図示せず）に送り、ヒータ２の温度制御を行う。

加熱された試料１は、蓋部材１０の開口１１を通じて加熱容器４からビンセット等で摘み出して測定部Ｂの測定容器３に投下される。また、加熱した試料１は、加熱容器４を反転させて開口１１を通じて直接測定部Ｂの測定容器３に投下することもできる。ここで、ヒータ２は、２つの半円筒体を片側縁で丁番６により観音開きに開閉自在に連結する構成となっており、加熱容器４の出し入れを容易に、かつ迅速に行うことができるようになっている。

一方、測定部Ｂは、加熱部Ａの近傍に設置されており、図示は省略される振蘯手段により全体が振蘯される構成となっている。また、測定部Ｂは全体が断熱材５で形成され、耐熱材料から形成される測定容器３を包囲して良好な断熱状態に維持する構造となっている。尚、測定容器３は、その重量及び比熱が既知とされている。更に、測定部Ｂは、図３に示すように、天部が開く構造となっており、測定容器３への試料１の投下を容易に、かつ迅速に行うことができ、更に投下後に容易に、かつ迅速に測定容器３を密閉する構造になっている。また、測定容器３には熱電対（図示せず）が装着されており、その出力を外部の処理装置（図示せず）に送り、比熱算出のデータとする。

振蘯手段は、特に制限されるものではないが、測定部Ｂを上下方向または水平方向に、好ましくは３次元的に振動させる構成のものが好ましい。この振蘯により、測定容器３の内部の対流が促進され、試料１からの熱が測定容器３に迅速に伝わるようになる。振蘯条件にも制限はないが、例えば２００〜３００回／分の割合で、測定値が安定するまで振蘯する。

このような試料１から測定容器３への伝熱をより効率的に行わせるために、測定容器３の内壁に、測定容器３と同一材料からなるフィンを設けて伝熱面積を大きくすることが好ましい。フィンの形状、大きさ、数等は、必要に応じて適宜設定することができる。

また、本発明の比熱測定装置には、測定終了後に次の測定が迅速に行えるように、測定に際して温度上昇した測定容器３を冷却する冷却手段（図示せず）を設けることが好ましい。冷却手段は、液体や固体の冷却媒体を測定容器３に接触させる構成が簡便で、効果的である。用いる液体としては水、オイル等が挙げられ、固体としては熱容量が大きいことから銅、ステンレス等の金属等が好ましい。尚、液体は、直接接触させるのではなく、ビニール袋等に入れた状態で接触させるのが良い。

上記本発明の比熱測定装置を用いて比熱を測定するには、先ず、秤量した試料１を加熱容器４に収容し、加熱部Ａにて所定温度まで加熱する。次いで、加熱部Ａのヒータ２を開けて加熱容器４を取り出し、試料１を速やかに測定部Ｂの測定容器３に投下し、測定容器３を密封する。次いで、測定部Ｂを振蘯手段に振蘯して試料１から測定容器３への熱の移動を迅速に十分に行わせた後、測定容器３の温度を測定する。

そして、試料１の重量（ｍｓ）及び測定実施前後の温度差（ΔＴｓ）と、測定容器３の重量（ｍ）、比熱（Ｃ）及び温度上昇（ΔＴ）とから、上記（１）式に基づき試料１の比熱（Ｃｓ）が求められる。

尚、測定対象となる試料１には制限がなく、従来では正確な比熱測定が困難であった多孔質材料にも適応できる。また、従来では困難であった１０００℃以上の高温での比熱測定も可能である。

以下、実施例及び比較例によりさらに具体的に本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
比熱が既知のＮＩＳＴ標準試料SRM720 Synthetic Sapphire(α−Al₂O₃)を用い、１５００℃までの温度範囲で比熱を測定した。測定には図１に示す構成の比熱測定装置を用い、加熱した試料を測定容器（但し、フィン無し）に投入した後、測定容器を２５０回／分の割合で上下左右に振動した。測定結果をグラフにして図４に示す。

（比較例）
測定容器を振蘯しなかったこと以外は、実施例と同様にして試料の比熱の測定を行った。測定結果をグラフにして図４に示す。

図４にはＮＩＳＴ標準値を併記するが、測定容器を振蘯した実施例では、測定容器を振蘯しない比較例に比べて、測定値がＮＩＳＴ標準値に近くなっており、高精度で比熱測定を行うことができる。また、１０００℃を越える高温でも正確な比熱測定が可能であることがわかる。

本発明の比熱測定装置の一実施態様を示す模式図である。 図１の比熱測定装置の加熱容器を示す上面図である。 図１の比熱測定装置の測定部を更に詳しく示す図である。 実施例及び比較例の比熱測定結果をグラフにして示した図である。 従来の比熱測定装置の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 試料
２ ヒータ
３ 測定容器
４ 加熱容器
５ 断熱材
６ 丁番
７ 貯槽
８ 液体
１０ 蓋部材
１１ 開口
Ａ 加熱部
Ｂ 測定部

Claims (4)

1. 加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を求める比熱測定装置であって、
   試料を収容する加熱容器及び前記加熱容器を加熱するヒータを備える加熱部と、
   加熱された試料が投入される測定容器及び前記測定容器を包囲する断熱材を備える測定部と、
   測定容器に試料を投入した後に測定部を振蘯する振蘯手段と、
   を備えることを特徴とする試料投下型比熱測定装置。
2. 測定容器が、内壁にフィンを備えることを特徴とする請求項１に記載の試料投下型比熱測定装置。
3. 測定終了後に測定容器を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の試料投下型比熱測定装置。
4. 加熱された試料を測定容器中に投下し、測定容器の温度上昇から試料の比熱を測定する比熱測定方法であって、試料を投入した後に測定容器を振蘯することを特徴とする比熱測定方法。

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