JP2009281909A - 熱物性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱材の熱伝導率を高精度で測定可能な熱物性測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物１０１の熱物性測定中に熱源１０２から被測定物１０１を介して熱流密度検出手段１０９に伝わる熱を、固定手段１０８の熱交換手段１１３から周囲の空気に対して放熱することによって、熱流密度検出手段１０９に蓄積される熱量を低減できる。このため、熱流密度センサー１０７の昇温を抑制できるので、被測定物１０１を通過する熱流密度を安定化できることにより、簡単な構成でありながら、被測定物１０１の熱物性を高精度で測定可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発泡ポリウレタンや真空断熱材の断熱性能を評価する熱物性測定装置に関するものである。

近年、地球環境問題への関心が高まり、冷蔵庫、自動販売機などの冷凍冷蔵機器やジャーポットなどの温熱機器の省エネ設計に対する社会的な要望が高まっている。これを受けて、機器メーカーでは、競って断熱技術の開発に注力している。

代表的な断熱技術としては、冷蔵庫などの冷凍冷蔵機器の箱体壁面に使用されている発泡ポリウレタンがある。また、最近ではグラスウールやシリカ粉末を芯材として、この芯材を樹脂と金属箔のラミネートフィルムなどのガスバリア性に優れたフィルムで覆い、また余分な水分を吸着する水分吸着剤を同封したあと、内部を真空状態にして作製される真空断熱材が高性能な断熱材として利用されている。

一般に、これらの断熱材の断熱性能は、断熱材の片面から反対面への単位面積当たりの熱流密度を厚みで除した熱伝導率で評価される。この熱伝導率が小さいものほど断熱性能が高いことを意味する。熱伝導率の測定は、断熱材を温度調整可能な平行平板で挟み、断熱材の厚み方向に所定の温度差をつけたときの単位面積当たりの熱流密度を測定する。同時に平行平板間の厚みを測定し、熱伝導率を算出する。

この測定方法は、断熱材両面の温度差が一定、つまり定常状態になったときの熱流密度を測定するものである。このため、測定開始から定常状態になるまでの時間が必要となる。この時間を短縮するために、測定対象の断熱材上に、熱源を挟んで温度による素材変化が生じにくいシリカなどの熱抵抗材を配置し、熱抵抗材内部の２点以上の温度差から断熱材の熱伝導率を推定する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図２は、従来の熱伝導率測定装置の説明図である。熱伝導率測定装置１は、熱発生装置２と熱抵抗材３を備えている。熱抵抗材３は、内部の温度差を測定するものである。

熱発生装置２により被測定物４と熱抵抗材３との間で熱を発生させ、被測定物４と熱抵抗材３に熱を流し、熱抵抗材３の内部の熱流によって生じる温度差を温度差測定装置５によって測定し、この温度差から被測定物４の熱伝導率を求めることができる。また、熱抵抗材３上部には、熱発生装置２と熱抵抗材３および被測定物４とを上方から荷重をかけて密着させる密着付与材６を備えている。
特開２００２−１３１２５７号公報

しかしながら、上記従来の構成では、被測定物の熱伝導率の大小に依存して、熱発生部から熱抵抗材側に供給される熱量が決まり、熱抵抗材に供給される熱量が大きい場合には、熱抵抗表面と内部の温度差が小さくなり、熱量が小さい場合には、温度差は大きくなる。この相関から被測定物の熱伝導率を算出する。この方法では、測定開始前には熱抵抗材の温度は外気温度とほぼ同じになっており、測定後には熱発生部からの熱によって温度上昇している。熱抵抗材を伝わる熱流の方向が、熱発生部から密着付与材方向に一様であれば問題ないが、実際には熱抵抗材と外気の間に温度差が存在するので、熱抵抗材から外気へ放熱が生じている。このため、同一の被測定物に対しても外気の温度変化によって、熱抵抗材の表面と内部の温度差も変化し、測定値がばらつくという課題があった。

本発明は、被測定物を通過する熱流密度を、被測定物を挟んで熱源と反対側にある熱流密度センサーで検出する方法において、熱流密度センサーに供給される熱を迅速に外気に放出することによって、測定中の熱流密度センサーの温度をほぼ一定に維持することにより、温度制御された熱源から被測定物を介して熱流密度センサーに伝わる熱を安定化することによって、小型で簡単な構成でありながら、高精度で熱物性を測定できる熱物性測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱物性測定装置は、被測定物を設置する上部が平らな熱源と、前記被測定物の上方に設けられ上下に可動する熱流密度検出手段で構成され、前記熱流密度検出手段は、下降時に前記被測定物に接触する熱流密度センサーと、前記熱流密度センサーを固定する固定手段と、前記固定手段に備えられ前記固定手段が保有する熱と前記固定手段近傍の空気が保有する熱を熱交換する熱交換手段とを備えることを特徴とするものである。

上記構成において、熱源上に置かれた断熱材などの被測定物は、熱源からの熱によって加熱されて温度が上昇する。そして、熱源と反対側の表面から熱流密度センサーに熱が伝わり、その熱が固定手段から熱交換手段を通じて周囲の空気に放熱される。つまり、熱流密度検出手段は、ほとんど昇温するごとなく、ほぼ一定の温度を維持することができる。

このことから、特別な温度制御装置を用いることなく熱流密度検出手段（低温側）の温度を安定化できるので、小型で簡素な構成でありながら、高精度で被測定物の熱物性を測定することが可能となる。

本発明によれば、熱源から被測定物を介して熱流密度検出手段に伝わる熱を、周囲に放熱するため、簡単な構成でありながら熱流密度検出手段の昇温を抑制でき、被測定物の熱物性値を高精度で測定可能な小型熱物性測定装置を提供することができる。

請求項１に記載の熱物性測定装置の発明は、被測定物を設置する上部が平らな熱源と、前記被測定物の上方に設けられ上下に可動する熱流密度検出手段で構成され、熱流密度検出手段は、下降時に被測定物に接触する熱流密度センサーと、熱流密度センサーを固定する固定手段と、固定手段に備えられ固定手段が保有する熱と固定手段近傍の空気が保有する熱を熱交換する熱交換手段とを備えたものであり、被測定物の熱物性測定中に熱源から被測定物を介して熱流密度検出手段に伝わる熱を、熱交換手段から周囲の空気に対して放熱することによって、熱流密度検出手段に蓄積される熱量を低減できる。このため、熱流密度センサーの温度上昇を抑制できるので、被測定物を通過する熱流密度を安定化できることにより、小型で簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性を高精度で測定可能となる。

請求項２に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項１に記載の発明において、固定手段を、金属で構成するものである。

金属は樹脂材料やセラミックスなどと比較して熱伝導率が大きい。このことから、熱源から被測定物を介して熱流密度センサーに伝わる熱を、円滑に熱交換手段に伝えることができ、熱交換手段から周囲へ放熱ができる。このことから、熱流密度検出センサーの温度上昇をさらに抑制できるので、被測定物を通過する熱流密度をさらに安定化できることにより、小型で簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性をさらに高精度で測定可能となる。

請求項３に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項１または２に記載の発明において、熱交換手段が、複数の金属製放熱フィンを備えたものであり、固定手段からの放熱面積を拡大し、放熱量を増大できる。このことから、熱流密度検出センサーの温度上昇をさらに抑制できるので、被測定物を通過する熱流密度をさらに安定化できることにより、小型で簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性をさらに高精度で測定可能となる。

請求項４に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、固定手段と熱交換手段を、アルミニウム製とするものであり、固定手段と熱交換手段は他の金属と比較して比熱と熱伝導率が高く、熱源から被測定物を介して熱流密度センサーに伝わる熱量が同じ場合、固定手段の温度上昇は小さくなる。また、固定手段に侵入した熱は円滑に熱交換手段に移動して放熱される。このことから、熱流密度検出センサーの温度上昇をさらに抑制できるので、被測定物を通過する熱流密度をさらに安定化できることにより、小型で簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性をさらに高精度で測定可能となる。

請求項５に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、被測定物の厚みを測定する厚み測定手段を備え、熱流密度センサーで測定される熱流密度を、厚み測定手段で測定される被測定物の厚みおよび熱源の温度と熱流密度センサーの温度差で除して被測定物の熱伝導率を算出する演算手段を備えることを特徴とするものであり、熱物性値として熱伝導率を用いることができる。熱伝導率は、被測定物の厚みに関係なく、熱の伝わり易さを比較できるので、簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性を高精度で測定できることに加えて、異なる被測定物の熱物性を同じ指標で評価できる。

請求項６に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項５に記載の発明において、演算手段は、予め記憶させた値と演算手段で算出された値とを比較しで、被測定物が所望の熱物性を有しているか否かを判定する判定手段に接続されていることを特徴とするものであり、被測定物の熱物性値の良し悪しを機械的に判定できる。このことから、簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性を高精度で測定できることに加えて、誤認識することなく熱物性を評価できる。

請求項７に記載の熱物性測定装置の発明は、請求項６に記載の発明において、判定手段で判定した結果を表示する表示手段を備えることを特徴とするものであり、被測定物の熱物性値の良し悪しを機械的に判定し、それを視覚的に認識することができる。このことから、簡単な構成でありながら、被測定物の熱物性を高精度で測定できることに加えて、さらに誤認識することなく熱物性を評価できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における熱物性測定装置の構成図である。

図１に示すように、被測定物１０１は、たとえば熱伝導率が０．０４５Ｗ／ｍＫ以下の断熱材である。冷蔵庫や住宅用の断熱材として一般的に用いられる発泡ポリウレタンがある。また、粉末やグラスウールを焼成して板状にした芯材を樹脂とアルミ箔のラミネートフィルムで袋状に作製した外被材に挿入し、内部を真空状態にしたあと開口部を熱溶着してシールした真空断熱材などがある。

熱源１０２は、上面にステンレスや鉄製の金属板１０３が備えられ、その上部に被測定物１０１を載せることができる。また、金属板１０３下部に接触して電気ヒーター１０４が備えられ、金属板１０３を加熱する。金属板１０３は熱電対１０５で温度が検知され、温度調整器１０６を介して金属板１０３が所定の温度になるように電気ヒーター１０４の出力を調整することができる。

被測定物１０１上方には、熱流密度センサー１０７と金属製の固定手段１０８からなる熱流密度検出手段１０９が備えられている。熱流密度センサー１０７は、内部に熱電対が埋設されており、上下面の温度差によって熱電対に発生する起電力から単位面積当たりに通過した熱流を測定するものである。また、固定手段１０８は、梁１１０下方に固定されたエアシリンダー１１１とバネ１１２を介して結合されており、その下面には、熱流密度センサー１０７が備えられている。さらに固定手段１０８は、アルミニウム製放熱フィンの熱交換手段１１３を備えたアルミニウム製のブロックである。なお、アルミニウムは、熱伝導率が２２９Ｗ／ｍＫと汎用金属の中でも最も高い部類に属し、比熱も９１３Ｊ／ｋｇＫと大きな値である。梁１１０は、略中央部に集中荷重がかかるので、上面にリブを立てるなどの補強構造になっている。また、エアシリンダー１１１にはチューブ１１４を介して、コンプレッサ１１５に接続されている。

被測定物１０１上方には厚み測定手段１１６が複数備えられている。厚み測定手段１１６は、光学非接触式である。コンプレッサ１１４を除く各部品は、ケーシング１１７内に収められている。

熱流密度センナー１０７と厚み測定手段１１６は、信号線１１８でケーシング１１７外にある演算手段１１９に接続されている。演算手段１１９は、熱流密度センサー１０７と厚み測定手段１１６で検出される被測定物１０１の熱流密度と厚みおよび上下面の温度差から熱伝導率を算出し、さらに予め記憶させておいた値と算出値を比較し、被測定物１０１が所望の熱物性を有しているか否かを判定する判定手段１２０を備えている。また、判定手段１２０の判定結果を表示する表示手段１２１を備えている。

以上のように構成された熱物性測定装置について、以下その動作について説明する。

まず、被測定物１０１の熱伝導率を測定するために、熱源１０２（高温側）の温度を調整する。例えば、上面の金属板１０３が４０℃〜７０℃になるように温度調整器１０６で電気ヒーター１０４の出力を調整するとよい。金属板１０３から放出される熱は、ケーシング１１７内の温度を僅かに上昇させる。このとき、固定手段１０８とケーシング１１７は熱交換手段１１３を介して互いに熱交換することによってほぼ同じ温度になる。これによって、熱流密度センサー１０７温度もまた、固定手段１０８とほぼ同じ温度になる。

金属板１０３および熱流密度センサー１０７の温度が安定すれば、被測定物１０１が、金属板１０３上に設置される。その後、コンプレッサ１１５からチューブ１１４を介して圧縮空気をエアシリンダー１１１に供給し、熱流密度センサー１０７を被測定物１０１表面に接するように降下させる。このとき、被測定物１０１表面が傾斜していたとしても、複数のバネ１１２によって熱流密度センサー１０７と被測定物１０１が密着できる。この密着状態は、熱源１０２から被測定物１０１を介して熱流密度センサー１０７に熱が伝わるために、熱流密度センサー１０７は昇温しようとするが、熱流密度センサー１０７と固定手段１０８に温度差が生じると、熱は固定手段１０８に移動し、さらに固定手段１０８内を伝熱して熱交換手段１１３から周囲に放熱される。このことにより、熱流密度センサー１０７の昇温は抑制される。なお、被測定物１０１への圧縮力が強すぎる・場合には、被測定物１０１が変形する恐れがあるので、被測定物１０１の圧縮変形挙動に応じて、予めコンプレッサ１１５からの空気圧を調整する。

被測定物１０１の厚みは、上方に備えられた厚み測定手段１１６によって測定される。

このように測定された被測定物１０１の熱流密度と厚みおよび被測定物両面の温度差は、演算手段１１９に信号線１１８を介して電気信号で送信される。演算手段１１９内では、送信された各データから判別手段１２０で被測定物１０１の熱伝導率を算出し、予め記録した所望の値と比較することによって、被測定物１０１の断熱性能の良し悪しを判断する。また、この判断結果は、表示手段１２１によって視覚的にわかりやすいように表示される。

以上のように、被測定物１０１を設置する上部が平らな熱源１０２と、被測定物１０１の上方に設けられ上下に可動する熱流密度検出手段１０９で構成され、熱流密度検出手段１０９は、降下時に被測定物１０１に接触する熱流密度センサー１０７と、熱流密度センサー１０７を固定する固定手段１０８と、固定手段１０８に備えられ固定手段１０８が保有する熱と固定手段１０８近傍の空気が保有する熱を熱交換する熱交換手段１１３とを備えることを特徴とするものであり、被測定物１０１の熱物性測定中に熱源１０２から被測定物１０１を介して熱流密度検出手段１０９に伝わる熱を、熱交換手段１１３から周囲の空気に対して放熱することによって、熱流密度検出手段１０９に蓄積される熱量を低減できる。このため、熱流密度センサー１０７の温度上昇を抑制できるので、被測定物１０１を通過する熱流密度を安定化できることにより、小型で簡単な構成でありながら、被測定物１０１の熱物性を高精度で測定可能となる。

以上のように、本発明にかかる熱物性測定装置は、断熱材などの熱伝導率を高精度で測定できる。このため、断熱材の量産工場などにおいて、高精度で品質検査が可能になることから、断熱材の品質向上に貢献でき、さらに断熱材を使用する冷蔵庫や住宅の品質も向上できる。

本発明の実施の形態１における熱物性測定装置の構成図 従来の熱伝導率測定装置の説明図

符号の説明

１０１ 被測定物
１０２ 熱源
１０７ 熱流密度センサー
１０８ 固定手段（アルミニウムブロック）
１０９ 熱流密度検出手段
１１３ 熱交換手段（アルミニウム製放熱フィン）
１１６ 厚み測定手段
１１９ 演算手段
１２０ 判定手段
１２１ 表示手段

Claims (7)

1. 被測定物を設置する上部が平らな熱源と、前記被測定物の上方に設けられ上下に可動する熱流密度検出手段で構成され、前記熱流密度検出手段は、下降時に前記被測定物に接触する熱流密度センサーと、前記熱流密度センサーを固定する固定手段と、前記固定手段に備えられ前記固定手段が保有する熱と前記固定手段近傍の空気が保有する熱を熱交換する熱交換手段とを備えることを特徴とする熱物性測定装置。
2. 固定手段は、金属であることを特徴とする請求項１に記載の熱物性測定装置。
3. 熱交換手段は、複数の金属製放熱フィンを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱物性測定装置。
4. 固定手段と熱交換手段は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱物性測定装置。
5. 被測定物の厚みを測定する厚み測定手段を備え、熱流密度センサーで測定される熱流密度を、前記厚み測定手段で測定される被測定物の厚みおよび熱源の温度と前記熱流密度センサーの温度差で除して前記被測定物の熱伝導率を算出する演算手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱物性測定装置。
6. 演算手段は、予め記憶させた値と前記演算手段で算出された値とを比較して、被測定物が所望の熱物性を有しているか否かを判定する判定手段に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の熱物性測定装置。
7. 判定手段で判定した結果を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱物性測定装置。