JP2005227010A - 熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 1回の測定につき２試験体の熱伝導率を測定でき、測定効率を高めた熱伝導率測定装置、及び前記熱伝導率測定装置を用いた熱伝導率測定方法を提供する。
【解決手段】 加熱手段と冷却手段との間に試験体を配し、前記試験体の一方の面に熱を流入し、他方の面から熱を流出させて前記試験体の熱伝導率を測定する装置であって、
前記加熱手段が両面に加熱面を有し、前記加熱手段の一方の加熱面に第１の試験体を配し、他方の加熱面に第２の試験体を配するとともに、前記加熱手段の両加熱面を同時に加熱して前記第１の試験体及び前記第２の試験体の熱伝導率を同時に測定することを特徴とする熱伝導率測定装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物質の熱伝導率を測定するための装置及び方法に関する。

例えば断熱材や良熱伝導材等の物質の熱伝導率の測定手法としては、種々のものが知られており、一般的な熱伝導率の測定手法として、保護熱板法（ＧＨＰ法）、平板熱流計法、非定常熱線法及び周期加熱法等がある。これら熱伝導率の測定手法の概略は、以下のとおりである。

保護熱板法（ＧＨＰ法）は、平板状の試験体の厚さ方向における熱伝導率を測定する方法である。試験体の一方の面を加熱して高温度とし、他方の面を冷却して低温度として高温度の一方の面（加熱側）から低温度の他方の面（冷却側）に向かって熱を流し、その際、試験体の加熱手段として、主熱板と温度制御が可能な保護熱板とを設けることにより、主熱板から試験体に加えた熱が試験体の側面方向へ流れずに試験体面に対して垂直に流れる状態（一次元熱流）を実現させて、熱伝導率を算出するものである。そして、試験体の熱伝導率（λ）は、試験体に流れる単位面積当たりの熱量をｑ、試験体の厚さをｄ、試験体の加熱側の温度をθ₁、試験体の冷却側の温度をθ₂とすれば、下記式（Ｉ）から算出される。

平板熱流計法は、熱流計を平板状の試験体に重ね合わせ、試験体の両面の間に高熱板と低熱板とによって温度差を与え、定常状態になったところで試験体を通過する熱量を熱流計の熱起電力を測定して単位温度差当たりの熱量を求め、試験体の熱伝導率（λ）を上記式（Ｉ）から算出する。

非定常熱線法は、試験体の大きさを無限大と見なせるほどの線状発熱体（例えば、熱線）で試験体を短時間加熱し、試験体の温度上昇及び線状発熱体の発熱量から熱伝導率を測定する方法である。そして、試験体の熱伝導率（λ）は、線状発熱体が単位時間当たりに発熱する熱量をＱ（単位はワットＷ）、発熱開始後の時刻ｔ₁ とｔ₂ との間における試験体の温度差をΔθとし、線状発熱体（試験体）の長さをＬとすれば、下記式（II）から算
出される。式中、πは円周率である。

周期加熱法は、熱拡散率を測定する方法であり、位相差法と振幅法の二つの方法がある。位相差法は、一方の面に加熱手段によって温度波を与え、その波が試験体内部を伝播する際の時間的遅れ、即ち位相差から熱拡散率を求める方法であり、振幅法は、温度波が伝播する際の減衰比から熱拡散率を求める方法である。何れの方法においても、熱拡散率に比熱と密度とを掛け算することで熱伝導率が求められる。この際、試験体の厚さをＬとし、厚さ方向にｘ軸をとると、位相差（φ）と減衰比（Ａ）は、下記式（III）及び（IV）の関係を持つ。従って、位相差（φ）と周期（Ｔ）、或いは振幅の減衰比（Ａ）と周期（Ｔ）を測定することによって、下記式（III）〜（VII）により熱伝導率（λ）を求めることができる。

ここで、κは熱拡散率、ｃは比熱、ρは密度、ｉは虚数、ωは核振動数であり、arg(f)=arctan[Im(f)/Re(f)]であり、ｋは式（Ｖ）で定義される。

上記各種の熱伝導率の測定手法を採用した各種の熱伝導率測定装置が知られているが、その内、周期加熱法を採用したものとして、例えば図７に示すような周期加熱法熱伝導率測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図示される熱伝導率測定装置Ａは、試験体１（試験体片２枚を重ねたもの）の一方の面に温度波を供給する周期加熱ヒータ２と、試験体１の他方の面から温度波を吸収する冷却側ヒータ３と、その下に設けられた冷却装置４と、試験体１の上面１ａ、下面１ｂ及び試験体片の接合面１ｃの温度を測定する熱電対５と、試験体１の周囲温度の制御するための円筒状ヒータ６とを備えている。また、周期加熱ヒータ２、冷却側ヒータ３、冷却装置４及び円筒状ヒータ６は、温度調節器７に接続されており、温度調節器７にてよって試験体１への熱の供給量や試験体１からの熱の吸収量が制御される。更に、温度調節器７と熱電対５は、スキャナ８及びデジタル・マルチメータ９を経由してコンピュータ１０に接続されており、試験体１における与えられた温度波の位相差あるいは振幅の減衰比を測定してコンピュータ１０で演算を行い、出力装置に試験体１の熱伝導率を表示する。

特開２０００−５５８４６号公報

従来の熱伝導率測定装置では、上記各種の何れの熱伝導率の測定手法を採用したものでも、1回の測定につき１試験体の熱伝導率しか測定することができない。

本発明は、従来の熱伝導率測定の状況に鑑み、1回の測定につき２試験体の熱伝導率を測定でき、測定効率を高めた熱伝導率測定装置、及び前記熱伝導率測定装置を用いた熱伝導率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、次の熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法を提供する。
（１）加熱手段と冷却手段との間に試験体を配し、前記試験体の一方の面に熱を流入し、他方の面から熱を流出させて前記試験体の熱伝導率を測定する装置であって、
前記加熱手段が両面に加熱面を有し、前記加熱手段の一方の加熱面に第１の試験体を配し、他方の加熱面に第２の試験体を配するとともに、前記加熱手段の両加熱面を同時に加熱して前記第１の試験体及び前記第２の試験体の熱伝導率を同時に測定することを特徴とする熱伝導率測定装置。
（２）前記加熱手段が、主熱板の周囲に温度制御可能な保護熱板を配した保護熱板ヒータであることを特徴とする上記（１）記載の熱伝導率測定装置。
（３）加熱手段と冷却手段との間に試験体を配し、前記試験体の一方の面に熱を流入し、他方の面から熱を流出させて前記試験体の熱伝導率を測定する方法であって、
両面に加熱面を有する加熱手段を用い、前記加熱手段の一方の加熱面に第１の試験体を配し、他方の加熱面に第２の試験体を配するとともに、前記加熱手段の両加熱面を同時に加熱して前記第１の試験体及び前記第２の試験体の熱伝導率を同時に測定することを特徴とする熱伝導率測定方法。
（４）前記加熱手段として、主熱板の周囲に温度制御可能な保護熱板を配してなる保護熱板ヒータを用いることを特徴とする上記（３）記載の熱伝導率測定方法。

本発明によれば、1回の測定につき２試験体の熱伝導率を同時に測定でき、試験体の熱伝導率の測定に要するコスト及び時間を半減できる。

本発明の熱伝導率測定装置及び熱伝導率測定方法は、周期加熱法及び保護熱板法に則したものであり、それぞれについて図面を参照して説明する。

図１は、周期加熱法に則した熱伝導率測定装置の一実施態様を示す概略断面図である。熱伝導率測定装置Ａにおいて、両面に加熱面２ａ，２ｂを有する周期加熱ヒータ２が略中心部に配置されており、周期加熱ヒータ２の一方の加熱面２ａと第１の冷却側ヒータ３ａとで第１の試験体１Ａを挟み込み、他方の加熱面２ｂと第２の冷却側ヒータ３ｂとで第２の試験体１Ｂを挟み込む構成となっている。周期加熱ヒータ２を両面加熱方式にする構成には制限がなく、例えば面状ヒータを２枚、それぞれの加熱面が外側を向くように接合すればよい。尚、図中の符号４ａ及び４ｂはそれぞれ冷却側ヒータ３ａ，３ｂを冷却するための冷却手段であり、例えば水冷管とすることができる。

また、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂは、共に２枚の試験体片を重ね合わせたものであり、第１の試験体１Ａの加熱面２ａとの接合面及び第１の冷却側ヒータ３ａとの接合面、第２の試験体１Ｂの加熱面２ｂとの接合面及び第２の冷却側ヒータ３ｂとの接合面、更には第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂのそれぞれ試験体片同士の接合面に熱電対５が配設されている。

更に、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの側面からの熱の散逸を防ぐために、周期加熱ヒータ２、第１の試験体１Ａ、第２の試験体１Ｂ、第１の冷却側ヒータ３ａ及び第２の冷却側ヒータ３ｂの略全体が円筒ヒータ６で包囲されている。

また、周期加熱ヒータ２、第１の冷却側ヒータ３ａ、第２の冷却側ヒータ３ｂ及び円筒ヒータ６は温度調節器７に接続されており、温度調節器７により第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂへの熱の供給量、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂによる熱の吸収量が制御される。更にまた、温度調節器７と熱電対５は、スキャナ８及びデジタル・マルチメータ９を経由してコンピュータ１０に接続されている。

上記の如く構成される熱伝導率測定装置Ａを用いて、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの熱伝導率を測定するには、周期加熱ヒータ２に周期的な電圧を加えて第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの表面温度を同時に周期的に変化させるとともに、第１の冷却側ヒータ３ａ及び第２の冷却側ヒータ３ｂを作動して第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの表面温度を一定に制御する。その際、円筒ヒータ５を作動して熱的揺らぎを抑える。そして、各熱電対５で温度波を計測し、上記の（III）〜（VII）式に従い、試験体中の温度波の時間的ずれ（位相差）、あるいは振幅の減衰比を求め、得られた熱拡散率に各試験体の比熱と密度を乗じて第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの熱伝導率を求める。これらの温度波の計測データ等から熱伝導率を求めるまでの処理は、計測データをスキャナ８及びデジタル・マルチメータ９を経由してコンピュータ１０に取り込んで行われ、コンピュータ１０の出力装置に熱伝導率が表示される。

尚、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂは、２枚の試験片を重ね合わせ、その接合面に熱電対５を配置する構成の他に、図２に示すように、１枚の試験体の厚さ方向の中心付近に試験体を貫通する穴を開け、この穴に熱電対５を差し込んでもよい。更に、図示は省略するが、第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂとして、３枚以上の試験片を重ね合わせて用いることもできる。

また、本発明は保護熱板法に則した熱伝導率測定装置にも適用でき、そのためには図３に示すように、周期加熱ヒータ２に代えて保護熱板ヒータ２Ａを用いればよい。この保護熱板ヒータ２Ａは、図４に示すように、主熱板２ａの周囲に、温度制御可能な枠状の保護熱板２ｂを配して構成されるもので、主熱板２ａを高温側とし、保護熱板２ｂを低温側とすることで、主熱板２ａからの熱を試験体表面に垂直に流すことができる。そして、この保護熱板ヒータ２Ａを両面加熱可能とする。保護熱板ヒータ２Ａを両面加熱方式にする構成には制限がなく、例えば２枚の保護熱板ヒータを、それぞれの加熱面が外側を向くように接合すればよい。その他の構成は、図１及び図２に示した熱伝導率測定装置と同様であり、同一部材には同一の符号を付してある。

この保護熱板法に則した熱伝導率測定装置においても、保護熱板ヒータ２Ａの両面を同時に加熱し、熱電対５により第１の試験体１Ａ及び第２の試験体１Ｂの各部の温度を測定し、上記（Ｉ）式に従い熱伝導率を求めることができる。

以下、実施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１）
図１に示す熱伝導率測定装置Ａを用い、アルミナファイバーボード（嵩密度４００ｋｇ／ｍ³）及びアルミナシリカブランケット（嵩密度１５０ｋｇ／ｍ³）の熱伝導率を同時に測定した。

即ち、両面加熱が可能な周期加熱ヒータ２（１２０×１２０×１０ｍｍｔ）の一方の加熱面２ａと、第１の冷却側ヒータ３ａ（１２０×１２０×１０ｍｍｔ）とで、アルミナファイバーボード（１２０×１２０×２５ｍｍｔ）を２枚、間に熱電対５（Ｒタイプ：φ０．１ｍｍ）を挟んで重ね合わせたものを挟持し、更に周期加熱ヒータ２とアルミナファイバーボードとの間、第１の冷却側ヒータ３ａとアルミナファイバーボードとの間にも同じ熱電対５を設置した。また、周期加熱ヒータ２の他方の加熱面２ｂと、第２の冷却側ヒータ３ｂ（１２０×１２０×１０ｍｍｔ）とで、アルミナシリカブランケット（１２０×１２０×２５ｍｍｔ）を２枚、間に熱電対５（Ｒタイプ：φ０．１ｍｍ）を挟んで重ね合わせたものを挟持し、更に周期加熱ヒータ２とアルミナシリカブランケットとの間、第２の冷却側ヒータ３ｂとアルミナシリカブランケットとの間にも同じ熱電対５を設置した。更に、第１の冷却側ヒータ３ａ及び第２の冷却側ヒータ３ｂの外側に冷却装置４ａ，４ｂとして水冷筒をそれぞれ設置し、全体を円筒ヒータ６で包囲した。

そして、周期加熱ヒータ２に周期的な電圧（２Ｖ、周期１時間）を加えてアルミナファイバーボード及びアルミナシリカブランケットの表面温度を周期的に変化させ、同時に第１の冷却側ヒータ３ａ及び第２の冷却側ヒータ３ｂにより、アルミナファイバーボード及びアルミナシリカブランケットの冷却側ヒータに接している面の温度を５９０℃に維持した。また、円筒ヒータ６により内部を６００℃に維持した。

加熱の間、熱電対５で温度波を計測し、位相差、振幅の減衰比を測定して熱拡散率を求めた。アルミナファバーボードの熱伝導率の測定結果を図５に、アルミナシリカブランケットの熱伝導率の測定結果を図６にそれぞれ示す。各図には、予め別の測定装置でそれぞれ単独で測定した熱伝導率を併記するが、本発明に従い両者を同時に測定した結果と、それぞれ単独で測定した結果とが良く一致することが分かる。

本発明の周期加熱法に則した熱伝導率測定装置の一例を示す概略断面図である。 本発明の周期加熱法に則した熱伝導率測定装置の他の例を示す概略断面図である。 本発明の保護熱板法に則した熱伝導率測定装置の一例を示す概略断面図である。 図３に示す熱伝導率測定装置の保護熱板ヒータを示す斜視図である。 熱伝導率の測定結果を示すグラフである。 熱伝導率の測定結果を示すグラフである。 従来の周期加熱法熱伝導率測定装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１Ａ 第１の試験体
１Ｂ 第２の試験体
２ 周期加熱ヒータ
２Ａ 保護熱板ヒータ
２ａ 主熱板
２ｂ 保護熱板
３ａ 第１の冷却側ヒータ
３ｂ 第２の冷却側ヒータ
５ 熱電対
６ 円筒状ヒータ
７ 温度調節器
８ スキャナ
９ デジタル・マルチメータ
１０ コンピュータ

Claims (4)

1. 加熱手段と冷却手段との間に試験体を配し、前記試験体の一方の面に熱を流入し、他方の面から熱を流出させて前記試験体の熱伝導率を測定する装置であって、
   前記加熱手段が両面に加熱面を有し、前記加熱手段の一方の加熱面に第１の試験体を配し、他方の加熱面に第２の試験体を配するとともに、前記加熱手段の両加熱面を同時に加熱して前記第１の試験体及び前記第２の試験体の熱伝導率を同時に測定することを特徴とする熱伝導率測定装置。
2. 前記加熱手段が、主熱板の周囲に温度制御可能な保護熱板を配した保護熱板ヒータであることを特徴とする請求項１記載の熱伝導率測定装置。
3. 加熱手段と冷却手段との間に試験体を配し、前記試験体の一方の面に熱を流入し、他方の面から熱を流出させて前記試験体の熱伝導率を測定する方法であって、
   両面に加熱面を有する加熱手段を用い、前記加熱手段の一方の加熱面に第１の試験体を配し、他方の加熱面に第２の試験体を配するとともに、前記加熱手段の両加熱面を同時に加熱して前記第１の試験体及び前記第２の試験体の熱伝導率を同時に測定することを特徴とする熱伝導率測定方法。
4. 前記加熱手段として、主熱板の周囲に温度制御可能な保護熱板を配してなる保護熱板ヒータを用いることを特徴とする請求項３記載の熱伝導率測定方法。
   
   

Images