JP2015102420A - Heat measuring device - Google Patents

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崎良 金子
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崎良 金子
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat measuring device which, when a prescribed heat quantity is input to a measurement sample, allows the input heat quantity to be consumed only for the temperature rise of the measurement sample.SOLUTION: A heat measuring device 100 of the present invention includes: a measurement module including a sample heating heater 1 for heating a measurement sample 7, heat flow sensors 2 holding the measurement sample 7 therebetween, and panel heaters 3 disposed on surfaces opposite to the measurement sample 7, of the heat flow sensors 2; a heat insulation wall forming a housing space for housing the measurement module; heat insulation control means which maintains the housing space of the heat insulation wall in a heat insulation state; a power supply part 4 which supplies a first power P1 to the sample heating heater 1; a heater control part 5 which, on the basis of heat flow signals output from the heat flow sensors 2, supplies a second power P2 to the panel heaters 3 and superposes the second power P2 over the first power P1 to supply them to the sample heating heater 1; and a temperature sensor 6 which senses a temperature of the measurement sample 7.

Description

本発明は、測定サンプルをサンプル加熱ヒータで加熱したときの測定サンプルの熱的変化を測定する熱測定装置に関する。   The present invention relates to a thermal measurement apparatus that measures a thermal change of a measurement sample when the measurement sample is heated by a sample heater.
近年、グリーンテクノロジーの代表的なテーマとして、自動車産業においては、ハイブリッド自動車や電気自動車の開発が急務になっている。この種の自動車の主要部品となる車載用のリチウムイオン電池は、エネルギー密度が大きく、電池内部に大きなエネルギーを保持している。車載用のリチウムイオン電池の熱安全性(熱危険性)を評価するために用いる装置の一つに、当該電池の熱的変化を測定する熱測定装置がある。この熱測定装置の測定データを用いることにより、たとえば、電池の比熱や発熱量などを求めることができる。   In recent years, development of hybrid vehicles and electric vehicles has become an urgent task in the automobile industry as a representative theme of green technology. An in-vehicle lithium ion battery, which is a main part of this type of automobile, has a high energy density and holds a large amount of energy inside the battery. One of the devices used for evaluating the thermal safety (thermal danger) of an in-vehicle lithium ion battery is a heat measurement device that measures the thermal change of the battery. By using the measurement data of this heat measuring device, for example, the specific heat of the battery, the calorific value, etc. can be obtained.
熱測定装置に属するものとしては、たとえば、断熱式比熱測定装置が知られている(たとえば、特許文献1を参照)。断熱式比熱測定装置は、断熱状態のもとで測定サンプルに既知の熱量(ジュール熱)を投入したときの温度変化を計測し、この計測結果に基づいて測定サンプルの比熱を測定するものである。   For example, an adiabatic specific heat measurement device is known as one belonging to the heat measurement device (see, for example, Patent Document 1). The adiabatic specific heat measuring device measures a temperature change when a known amount of heat (Joule heat) is input to a measurement sample under an adiabatic state, and measures the specific heat of the measurement sample based on the measurement result. .
特開2002−156345号公報JP 2002-156345 A
車載用のリチウムイオン電池の熱安全性の評価については、開発初期段階で正極材や負極材あるいは電解液などの構成材料ごとに、既存の熱量計・熱分析装置などで評価されている。一方、開発の最終段階では、製作された電池を“電池まるごと”で熱安全性が評価されている。車載用のリチウムイオン電池は、コイン型電池や、パーソナルコンピュータに使用される円筒形電池などとは異なる形状を有している。具体的には、車載用のリチウムイオン電池は、ラミネートセル(単セル)と呼ばれる、厚みが1mm程度の平板形状であり、大きなものではA4サイズ〜A6サイズとさまざまなサイズがある。   Regarding the evaluation of the thermal safety of in-vehicle lithium-ion batteries, each component material such as a positive electrode material, a negative electrode material, or an electrolytic solution is evaluated at an early stage of development with an existing calorimeter or thermal analyzer. On the other hand, at the final stage of development, the manufactured battery is evaluated as “whole battery” for thermal safety. An in-vehicle lithium ion battery has a shape different from a coin-type battery or a cylindrical battery used in a personal computer. Specifically, an in-vehicle lithium ion battery is called a laminate cell (single cell) and has a flat plate shape with a thickness of about 1 mm, and a large one has various sizes from A4 size to A6 size.
従来の比熱測定は、測定サンプルの形態として、質量が数g程度の固体粉末や液体を想定して、このような測定サンプルをサンプル容器に収納して測定している。コイン型電池や小型円筒形リチウムイオン電池では、市販の評価機器が使用可能であった。しかしながら、従来の断熱式比熱測定装置や熱量計の基本設計を踏襲した設計では、ラミネートセルと呼ばれる平板形状のリチウムイオン電池をまるごと測定サンプルとして、その熱的変化を測定する場合に、測定システムが極めて大型になるという欠点があった。   In the conventional specific heat measurement, the measurement sample is assumed to be a solid powder or liquid having a mass of several grams, and the measurement sample is stored in a sample container for measurement. Commercially available evaluation equipment could be used for coin-type batteries and small cylindrical lithium ion batteries. However, in the design that follows the basic design of conventional adiabatic specific heat measuring devices and calorimeters, the measurement system uses a flat plate-like lithium ion battery called a laminate cell as a measurement sample to measure its thermal change. There was a disadvantage that it became very large.
また、従来の断熱式比熱測定装置では、サンプル容器に収納された測定サンプルの中心部にサンプル加熱ヒータ(ロッドヒータ等)を配置したものを、断熱壁で囲んだ収容空間に収容し、この収容空間の温度を測定サンプルの温度と等しくなるように制御しながら、サンプル加熱ヒータに既知のヒータ電力を供給している。そして、そのときに生じる測定サンプルの温度変化に基づいて、測定サンプルの比熱を求めている。ただし、その場合は、ヒータ電力の供給によってサンプル加熱ヒータで発生する熱が、測定サンプルの温度を上昇させるためだけでなく、サンプル容器を上昇させるためにも消費される。言い換えると断熱式といいながらも、測定サンプルと接触する構成要素(サンプル容器など)への熱移動を避けることはできない。このため、従来の断熱式比熱測定装置では、測定サンプルの比熱を求める場合に、得られた測定サンプルの比熱値に対してサンプル容器等の熱容量分を補正する必要があった。   Further, in the conventional heat insulation type specific heat measuring device, a sample heater (rod heater, etc.) arranged at the center of a measurement sample housed in a sample container is housed in a housing space surrounded by a heat insulation wall. A known heater power is supplied to the sample heater while controlling the temperature of the space to be equal to the temperature of the measurement sample. Then, the specific heat of the measurement sample is obtained based on the temperature change of the measurement sample generated at that time. However, in that case, the heat generated by the sample heater by supplying the heater power is consumed not only for raising the temperature of the measurement sample but also for raising the sample container. In other words, although it is called an adiabatic type, heat transfer to a component (such as a sample container) in contact with the measurement sample cannot be avoided. For this reason, in the conventional heat insulation type specific heat measuring device, when obtaining the specific heat of the measurement sample, it was necessary to correct the heat capacity of the sample container or the like with respect to the specific heat value of the obtained measurement sample.
本発明の主な目的は、測定サンプルに規定の熱量を入力した場合に、この熱量を測定サンプルの温度上昇だけに消費させることができる熱測定装置を提供することにある。   A main object of the present invention is to provide a heat measuring apparatus that can consume only the rise in temperature of a measurement sample when a prescribed amount of heat is input to the measurement sample.
本発明の第1の態様は、
2つの主面を有する測定サンプルの一方の主面に接触する状態で配置され、前記測定サンプルを加熱するサンプル加熱ヒータと、前記測定サンプルの他方の主面に接触する状態で配置され、熱流量に応じた熱流信号を出力する熱流センサと、前記熱流センサの、前記測定サンプルとは反対側の面に接触する状態で配置されたパネルヒータと、を有する測定モジュールと、
前記測定モジュールを収容する収容空間を形成する断熱壁と、
前記測定モジュールと前記断熱壁との間に熱移動が生じないように、前記収容空間を断熱状態に維持する断熱制御手段と、
前記サンプル加熱ヒータに第1の電力(P1)を供給する電力供給部と、
前記熱流センサが出力する熱流信号に基づいて、当該熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記パネルヒータに第2の電力(P2)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して前記第2の電力(P2)を供給するヒータ制御部と、
前記測定サンプルの温度を検出する温度センサと、
を備えることを特徴とする熱測定装置である。
The first aspect of the present invention is:
It is arranged in contact with one main surface of a measurement sample having two main surfaces, and is arranged in contact with the other main surface of the measurement sample, a sample heater for heating the measurement sample, and a heat flow rate A measurement module having a heat flow sensor that outputs a heat flow signal in accordance with the heat flow sensor, and a panel heater disposed in contact with the surface of the heat flow sensor opposite to the measurement sample;
A heat insulating wall forming a housing space for housing the measurement module;
Thermal insulation control means for maintaining the accommodation space in a thermal insulation state so that heat transfer does not occur between the measurement module and the thermal insulation wall;
A power supply unit for supplying a first power (P1) to the sample heater;
Based on the heat flow signal output from the heat flow sensor, the second power (P2) is supplied to the panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero, and the first heater is supplied to the first heater. A heater controller that supplies the second electric power (P2) in a manner superimposed on the electric power (P1).
A temperature sensor for detecting the temperature of the measurement sample;
It is a heat measuring device characterized by comprising.
本発明の第2の態様は、
前記測定サンプルは、平板形状のものであり、
前記熱流センサは、前記測定サンプルをサンドイッチ状に挟むように配置された第1の熱流センサおよび第2の熱流センサからなり、
前記パネルヒータは、前記第1の熱流センサの一主面であって前記測定サンプルとは反対側の主面に接触する状態で配置される第1のパネルヒータ、および、前記第2の熱流センサの一主面であって前記測定サンプルとは反対側の主面に接触する状態で配置される第2のパネルヒータからなり、
前記ヒータ制御部は、前記第1の熱流センサから出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記第1のパネルヒータに第2の電力(P2−1)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して第2の電力(P2−1)を供給する第1のヒータ制御部、および、前記第2の熱流センサから出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記第2のパネルヒータに第2の電力(P2−2)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して第2の電力(P2−2)を供給する第2のヒータ制御部からなる
ことを特徴とする上記第1の態様に記載の熱測定装置である。
The second aspect of the present invention is:
The measurement sample is a flat plate,
The heat flow sensor includes a first heat flow sensor and a second heat flow sensor arranged so as to sandwich the measurement sample in a sandwich shape,
The panel heater is a first panel heater disposed in contact with a main surface of the first heat flow sensor opposite to the measurement sample, and the second heat flow sensor. Comprising a second panel heater arranged in contact with the main surface opposite to the measurement sample.
Based on the heat flow signal output from the first heat flow sensor, the heater control unit supplies the second power (P2-) to the first panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero. 1), and a first heater controller that supplies the second electric power (P2-1) to the sample heater in a manner superimposed on the first electric power (P1), and the second heat flow Based on the heat flow signal output from the sensor, the second electric power (P2-2) is supplied to the second panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero, and the sample heater The heat measuring apparatus according to the first aspect, further comprising: a second heater control unit that supplies the second electric power (P2-2) superimposed on the first electric power (P1). is there.
本発明によれば、測定サンプルに規定の熱量を入力した場合に、この熱量を測定サンプルの温度上昇だけに消費させることができる。このため、測定サンプルの温度測定データを用いて測定サンプルの比熱を求める場合に、測定サンプルに接触する構成要素の熱容量分を補正する必要がなくなる。   According to the present invention, when a prescribed amount of heat is input to the measurement sample, this amount of heat can be consumed only for the temperature rise of the measurement sample. For this reason, when obtaining the specific heat of the measurement sample using the temperature measurement data of the measurement sample, it is not necessary to correct the heat capacity of the component in contact with the measurement sample.
本発明の実施の形態に係る熱測定装置の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the heat measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る熱測定装置が備える測定モジュールの配置関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the arrangement | positioning relationship of the measurement module with which the heat measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention is provided. 熱測定装置の他の構成例を説明する概略図である。It is the schematic explaining the other structural example of a heat measuring apparatus. 熱測定装置によって得られる温度測定データに基づく測定サンプルの温度上昇曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the temperature rise curve of the measurement sample based on the temperature measurement data obtained with a heat measuring apparatus. 熱測定装置によって得られる温度測定データに基づく測定サンプルの発熱温度上昇曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the exothermic temperature rise curve of the measurement sample based on the temperature measurement data obtained with a heat measuring apparatus.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<熱測定装置>
図1は本発明の実施の形態に係る熱測定装置の構成例を示す概略図である。また、図2は本発明の実施の形態に係る熱測定装置が備える測定モジュールの配置関係を示す模式図である。
<Thermal measurement device>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a heat measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement relationship of the measurement modules provided in the heat measurement apparatus according to the embodiment of the present invention.
まず、本発明の実施の形態においては、測定の対象となる測定サンプルの一例として、リチウムイオン電池を想定する。また、各種用途のリチウムイオン電池の中でも、特に、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されるラミネートタイプのリチウムイオン電池を測定サンプルとする。この測定サンプルは、平面視矩形をなす平板状の構造を有する。測定サンプルは、これを水平に配置したときに上面および下面となる2つの主面を有する。測定サンプルのサイズを例示すると、大きなものでは平面的な寸法はA4版サイズ(297mm×210mm)程度、厚み寸法(板厚)が1mm程度となる。   First, in the embodiment of the present invention, a lithium ion battery is assumed as an example of a measurement sample to be measured. Further, among lithium ion batteries for various uses, a laminate type lithium ion battery mounted on a hybrid vehicle, an electric vehicle, or the like is used as a measurement sample. This measurement sample has a flat plate-like structure having a rectangular shape in plan view. The measurement sample has two main surfaces that become an upper surface and a lower surface when the sample is horizontally disposed. As an example of the size of the measurement sample, in the case of a large sample, the planar dimension is about A4 size (297 mm × 210 mm) and the thickness dimension (plate thickness) is about 1 mm.
図示した熱測定装置100は、サンプル加熱ヒータ1と、熱流センサ2(2−1,2−2)と、パネルヒータ3(3−1,3−2)と、電力供給部4と、ヒータ制御部5(5−1,5−2)と、温度センサ6と、を備えている。このうち、サンプル加熱ヒータ1と、熱流センサ2(2−1,2−2)と、パネルヒータ3(3−1,3−2)とは、熱測定装置100において、一つの測定モジュールを構成する。   The illustrated heat measuring apparatus 100 includes a sample heater 1, a heat flow sensor 2 (2-1, 2-2), a panel heater 3 (3-1, 3-2), a power supply unit 4, and a heater control. The unit 5 (5-1, 5-2) and the temperature sensor 6 are provided. Among these, the sample heater 1, the heat flow sensor 2 (2-1, 2-2), and the panel heater 3 (3-1, 3-2) constitute one measurement module in the heat measurement apparatus 100. To do.
また、熱測定装置100は、図示はしないが、上記測定モジュール(1,2,3)を収容する収容空間を形成する断熱壁と、測定モジュールと断熱壁との間に熱移動が生じないように、上記収容空間を断熱状態に維持する断熱制御手段と、を備えている。断熱制御手段は、たとえば、断熱用ヒータと、断熱用温度センサと、温度制御部と、を用いて構成される。断熱壁は、たとえば、ロックウールなどの断熱材を用いて構成される。断熱用ヒータは、断熱壁を加熱するものである。断熱用温度センサは、断熱壁の内部又は内面の温度を検出するものである。温度制御部は、断熱用温度センサが検出する温度と上記温度センサ6が検出する温度とに差が生じないように、断熱用ヒータに供給する電力を調整することにより、断熱壁の収容空間を断熱状態に維持する。   Further, although not shown in the figure, the heat measurement apparatus 100 does not cause heat transfer between the heat insulation wall forming the accommodation space for accommodating the measurement modules (1, 2, 3) and the measurement module and the heat insulation wall. And a heat insulation control means for maintaining the accommodation space in a heat insulation state. The heat insulation control means is configured using, for example, a heat insulation heater, a heat insulation temperature sensor, and a temperature control unit. The heat insulating wall is configured using a heat insulating material such as rock wool, for example. The heat insulation heater heats the heat insulation wall. The temperature sensor for heat insulation detects the temperature inside or inside the heat insulation wall. The temperature control unit adjusts the electric power supplied to the heat insulation heater so that there is no difference between the temperature detected by the heat insulation temperature sensor and the temperature detected by the temperature sensor 6, thereby reducing the accommodation space of the heat insulation wall. Maintain insulation.
(サンプル加熱ヒータ)
サンプル加熱ヒータ1は、測定サンプル7(7−1,7−2)を加熱するものである。サンプル加熱ヒータ1は、薄型の面状発熱体を用いて構成されている。具体的には、サンプル加熱ヒータ1は、たとえば、厚さが0.5〜1.0mm程度のフィルムヒータを用いて構成されている。サンプル加熱ヒータ1の平面サイズは、少なくとも測定サンプル7の平面サイズと同等の面積を一様に加熱できる寸法に設定されている。
(Sample heater)
The sample heater 1 heats the measurement sample 7 (7-1, 7-2). The sample heater 1 is configured using a thin planar heating element. Specifically, the sample heater 1 is configured using, for example, a film heater having a thickness of about 0.5 to 1.0 mm. The planar size of the sample heater 1 is set to a dimension that can uniformly heat at least an area equivalent to the planar size of the measurement sample 7.
(熱流センサ)
熱流センサ2は、熱流センサ2の厚み方向に生じる熱流を検出するものであって、熱流量に応じた熱流信号を出力する。熱流センサ2は、測定サンプル7と同様に平板状に形成されている。このため、熱流センサ2は、これを水平に配置したときに上面および下面となる2つの主面を有し、これら2つの主面の温度差を熱流として検出する。熱流センサ2は、互いに製品仕様が同一のセンサである、第1の熱流センサ2−1と第2の熱流センサ2−2とによって構成されている。測定サンプル7は、たとえば、2つの測定サンプル(ラミネートセル)7−1,7−2を重ね合わせた形態となっている。サンプル加熱ヒータ1は、2つの測定サンプル7−1,7−2の間に挟持されている。第1の熱流センサ2−1は、一方の測定サンプル7−1の上面に、これに接触する状態で配置されている。第2の熱流センサ2−2は、他方の測定サンプル7−2の下面に、これに接触する状態で配置されている。
(Heat flow sensor)
The heat flow sensor 2 detects a heat flow generated in the thickness direction of the heat flow sensor 2 and outputs a heat flow signal corresponding to the heat flow rate. The heat flow sensor 2 is formed in a flat plate shape like the measurement sample 7. For this reason, the heat flow sensor 2 has two main surfaces which are an upper surface and a lower surface when the heat flow sensor 2 is horizontally disposed, and detects a temperature difference between the two main surfaces as a heat flow. The heat flow sensor 2 includes a first heat flow sensor 2-1 and a second heat flow sensor 2-2, which are sensors having the same product specifications. The measurement sample 7 has, for example, a form in which two measurement samples (laminate cells) 7-1 and 7-2 are overlapped. The sample heater 1 is sandwiched between two measurement samples 7-1 and 7-2. The first heat flow sensor 2-1 is disposed on the upper surface of one measurement sample 7-1 so as to be in contact therewith. The second heat flow sensor 2-2 is disposed on the lower surface of the other measurement sample 7-2 so as to be in contact therewith.
(パネルヒータ)
パネルヒータ3は、測定サンプル7とは反対側で熱流センサ2を加熱するものである。パネルヒータ3は、上述したサンプル加熱ヒータ1と同様に、薄型の面状発熱体を用いて構成されている。このため、パネルヒータ3は、これを水平に配置したときに上面および下面となる2つの主面を有する。パネルヒータ3の平面サイズは、少なくとも熱流センサ2の平面サイズと同等の面積を一様に加熱できる寸法に設定されている。また、パネルヒータ3は、互いに製品仕様が同一のヒータである、第1のパネルヒータ3−1と第2のパネルヒータ3−2とによって構成されている。第1のパネルヒータ3−1は、第1の熱流センサ2−1の上面に、これに接触する状態で配置されている。第2のパネルヒータ3−2は、第2の熱流センサ2−2の下面に、これに接触する状態で配置されている。
(Panel heater)
The panel heater 3 heats the heat flow sensor 2 on the side opposite to the measurement sample 7. The panel heater 3 is configured using a thin planar heating element, similar to the sample heater 1 described above. For this reason, the panel heater 3 has two main surfaces which become an upper surface and a lower surface when the panel heater 3 is horizontally disposed. The planar size of the panel heater 3 is set to a dimension that can uniformly heat at least an area equivalent to the planar size of the heat flow sensor 2. The panel heater 3 is composed of a first panel heater 3-1 and a second panel heater 3-2, which are heaters having the same product specifications. The first panel heater 3-1 is disposed on the upper surface of the first heat flow sensor 2-1 so as to be in contact therewith. The second panel heater 3-2 is disposed on the lower surface of the second heat flow sensor 2-2 so as to be in contact therewith.
(電力供給部)
電力供給部4は、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1を供給するものである。電力供給部4は、たとえば、定電力回路を用いて構成されている。
(Power supply section)
The power supply unit 4 supplies the first power P <b> 1 to the sample heater 1. The power supply unit 4 is configured using, for example, a constant power circuit.
(ヒータ制御部)
ヒータ制御部5は、熱流センサ2が出力する熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、パネルヒータ3に第2の電力P2(P2−1,P2−2)を供給するとともに、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1に重畳して第2の電力P2(P2−1,P2−2)を重畳して供給するものである。ヒータ制御部5は、たとえば、PID(Proportional Integral Derivative)制御回路を用いて構成されている。また、ヒータ制御部5は、第1のヒータ制御部5−1と、第2のヒータ制御部5−2とによって構成されている。第1のヒータ制御部5−1は、第1の熱流センサ2−1から出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、第1のパネルヒータ3−1に第2の電力P2−1を供給するとともに、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1に重畳して第2の電力P2−1を供給するものである。このため、第1のヒータ制御部5−1の電力供給線は、サンプル加熱ヒータ1と第1のパネルヒータ3−1に並列に接続されている。第2のヒータ制御部5−2は、第2の熱流センサ3−2から出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、第2のパネルヒータ3−2に第2の電力P2−2を供給するとともに、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1に重畳して第2の電力P2−2を供給するものである。このため、第2のヒータ制御部5−2の電力供給線は、サンプル加熱ヒータ1と第2のパネルヒータ3−2に並列に接続されている。
(Heater control unit)
Based on the heat flow signal output from the heat flow sensor 2, the heater control unit 5 supplies the panel heater 3 with the second electric power P2 (P2-1, P2-2) so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero. And the sample heater 1 is supplied with the second power P2 (P2-1, P2-2) superimposed on the first power P1. The heater control unit 5 is configured using, for example, a PID (Proportional Integral Derivative) control circuit. In addition, the heater control unit 5 includes a first heater control unit 5-1 and a second heater control unit 5-2. Based on the heat flow signal output from the first heat flow sensor 2-1, the first heater control unit 5-1 controls the first panel heater 3-3 so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero. 1 is supplied with the second power P2-1, and the sample heater 1 is supplied with the second power P2-1 superimposed on the first power P1. For this reason, the power supply line of the first heater control section 5-1 is connected in parallel to the sample heater 1 and the first panel heater 3-1. Based on the heat flow signal output from the second heat flow sensor 3-2, the second heater control unit 5-2 controls the second panel heater 3-3 so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero. 2 is supplied with the second power P2-2, and the sample heater 1 is supplied with the second power P2-2 superimposed on the first power P1. Therefore, the power supply line of the second heater control unit 5-2 is connected in parallel to the sample heater 1 and the second panel heater 3-2.
(温度センサ)
温度センサ6は、測定サンプル7の温度を検出するものである。温度センサ6は、たとえば、測定サンプル7に接触するように配置された複数の熱電対を用いて構成される。温度センサ6は、理想的には、測定サンプル7のサンプル内部の温度を測定することが好ましい。ただし、測定サンプル7ごとにサンプル内部に熱電対を組み込むのは現実的ではない。そうした場合は、以下のようにして測定サンプル7の温度を測定することが好ましい。すなわち、温度センサ6を複数の熱電対を用いて構成する場合、一の熱電対は、第1のパネルヒータ3−1と測定サンプル7−1との接触界面に一つ又は複数配置し、他の熱電対は、第2のパネルヒータ3−2と測定サンプル7−2との接触界面に一つ又は複数配置する。各々の熱電対によって得られる測定値を平均化した平均値を測定サンプル7の温度として検出する。
(Temperature sensor)
The temperature sensor 6 detects the temperature of the measurement sample 7. The temperature sensor 6 is configured using, for example, a plurality of thermocouples arranged so as to come into contact with the measurement sample 7. Ideally, the temperature sensor 6 preferably measures the temperature inside the measurement sample 7. However, it is not realistic to incorporate a thermocouple inside the sample for each measurement sample 7. In such a case, it is preferable to measure the temperature of the measurement sample 7 as follows. That is, when the temperature sensor 6 is configured using a plurality of thermocouples, one or more thermocouples are arranged at the contact interface between the first panel heater 3-1 and the measurement sample 7-1, and the other One or a plurality of thermocouples are arranged at the contact interface between the second panel heater 3-2 and the measurement sample 7-2. An average value obtained by averaging the measurement values obtained by the respective thermocouples is detected as the temperature of the measurement sample 7.
上記構成からなる熱測定装置100においては、サンプル加熱ヒータ1を2つの測定サンプル7−1,7−2によってサンドイッチ状に挟み込み、さらにその外側を、2つの熱流センサ2−1,2−2と、2つのパネルヒータ3−1,3−2によってサンドイッチ状に挟み込んだ形態となっている。この場合、サンプル加熱ヒータ1の上面には上側の測定サンプル7−1の下面が接触し、サンプル加熱ヒータ1の下面には下側の測定サンプル7−2の上面が接触している。また、上側の測定サンプル7−1の上面には第1の熱流センサ2−1の下面が接触し、第1の熱流センサ2−1の上面には第1のパネルヒータ3−1の下面が接触している。また、下側の測定サンプル7−1の下面には第2の熱流センサ2−2の上面が接触し、第2の熱流センサ2−2の下面には第2のパネルヒータ3−2の上面が接触している。これにより、熱測定装置100の測定モジュールの各構成要素は、サンプル加熱ヒータ1を中心に上下対称に配置されている。   In the heat measuring apparatus 100 having the above-described configuration, the sample heater 1 is sandwiched between two measurement samples 7-1 and 7-2, and the outside of the sample heater 1 is two heat flow sensors 2-1 and 2-2. It has a form sandwiched between two panel heaters 3-1 and 3-2. In this case, the lower surface of the upper measurement sample 7-1 is in contact with the upper surface of the sample heater 1, and the upper surface of the lower measurement sample 7-2 is in contact with the lower surface of the sample heater 1. Further, the lower surface of the first heat flow sensor 2-1 is in contact with the upper surface of the upper measurement sample 7-1, and the lower surface of the first panel heater 3-1 is in contact with the upper surface of the first heat flow sensor 2-1. In contact. Further, the upper surface of the second heat flow sensor 2-2 is in contact with the lower surface of the lower measurement sample 7-1, and the upper surface of the second panel heater 3-2 is in contact with the lower surface of the second heat flow sensor 2-2. Are in contact. Thereby, each component of the measurement module of the heat measuring device 100 is arranged symmetrically about the sample heater 1.
<熱測定方法>
続いて、本発明の実施の形態に係る熱測定装置を用いた熱測定方法について説明する。
まず、測定対象となる2つの測定サンプル7−1,7−2を用意したら、これらの測定サンプル7−1,7−2を上記図1に示すように測定モジュール(1,2,3)によって保持する。次に、この測定モジュールを図示しない断熱壁の収容空間に収容した後、図示しない断熱制御手段により収容空間を断熱状態に維持する。収容空間の断熱状態は、以下に記述する一連の熱測定が終了するまで維持される。
<Thermal measurement method>
Subsequently, a heat measurement method using the heat measurement apparatus according to the embodiment of the present invention will be described.
First, when two measurement samples 7-1 and 7-2 to be measured are prepared, these measurement samples 7-1 and 7-2 are measured by the measurement modules (1, 2, 3) as shown in FIG. Hold. Next, after this measurement module is accommodated in the accommodation space of the insulation wall (not shown), the accommodation space is maintained in an insulated state by an insulation control means (not shown). The heat insulation state of the housing space is maintained until a series of heat measurements described below is completed.
次に、電力供給部4から第1の電力P1をサンプル加熱ヒータ1に供給する。このとき、第1の電力P1の電力値は一定とする。第1の電力P1は、測定サンプル7に規定の熱力を入力するために供給されるものであって、既知の情報として取り扱われる。   Next, the first power P <b> 1 is supplied from the power supply unit 4 to the sample heater 1. At this time, the power value of the first power P1 is constant. The first electric power P1 is supplied to input a predetermined thermal power to the measurement sample 7, and is handled as known information.
ここで、熱測定装置100は、第1の電力P1をサンプル加熱ヒータ1に供給したときに発生する熱量(ジュール熱)によって、測定サンプル7の温度がどのように変化(上昇)するかを測定するものである。その場合、第1の電力P1の供給にともなって測定サンプル7に入力された熱量の一部が、測定サンプル7の外側(熱流センサ側)に移動してしまうと、その分だけ測定サンプル7の温度が低くなる。そうすると、第1の電力P1の供給にともなって測定サンプル7に入力された熱量が既知の情報であっても、測定サンプル7の外側に熱移動する分の熱量は未知の情報になる。したがって、たとえば、測定サンプル7の温度を温度センサ6で検出しても、それによって得られる温度測定データから測定サンプル7の比熱を直接求めることができなくなってしまう。この点に関して、本発明の実施の形態に係る熱測定装置100においては、第1の電力P1の供給にともなって測定サンプル7に入力されたジュール熱が、測定サンプル7に接触する他の構成要素へと移動しないように、ヒータ制御部5が熱量の入力補償制御を行う構成となっている。以下、ヒータ制御部5による入力補償制御の具体例について説明する。   Here, the heat measurement apparatus 100 measures how the temperature of the measurement sample 7 changes (rises) by the amount of heat (joule heat) generated when the first electric power P1 is supplied to the sample heater 1. To do. In that case, if a part of the amount of heat input to the measurement sample 7 moves to the outside of the measurement sample 7 (on the heat flow sensor side) with the supply of the first power P1, the measurement sample 7 is correspondingly moved. The temperature goes down. Then, even if the amount of heat input to the measurement sample 7 with the supply of the first power P1 is known information, the amount of heat that is transferred to the outside of the measurement sample 7 becomes unknown information. Therefore, for example, even if the temperature of the measurement sample 7 is detected by the temperature sensor 6, the specific heat of the measurement sample 7 cannot be directly obtained from the temperature measurement data obtained thereby. In this regard, in the heat measurement apparatus 100 according to the embodiment of the present invention, other constituent elements in which Joule heat input to the measurement sample 7 with the supply of the first power P1 comes into contact with the measurement sample 7. The heater control unit 5 is configured to perform heat amount input compensation control so as not to move. Hereinafter, a specific example of the input compensation control by the heater control unit 5 will be described.
まず、上述のように電力供給部4がサンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1を供給し、この電力供給を継続している状況で、第1のヒータ制御部5−1は第1のパネルヒータ3−1の駆動を制御し、第2のヒータ制御部5−2は第2のパネルヒータ3−2の駆動を制御する。   First, as described above, in the situation where the power supply unit 4 supplies the first power P1 to the sample heater 1 and continues to supply this power, the first heater control unit 5-1 operates the first panel. The driving of the heater 3-1 is controlled, and the second heater control unit 5-2 controls the driving of the second panel heater 3-2.
その際、第1のヒータ制御部5−1には、第1の熱流センサ2−1が出力する熱流信号S1が入力される。この熱流信号S1は、第1の熱流センサ2−1の上面と下面の温度差、すなわち熱流が生じたときに、その熱流量にほぼ比例した大きさの電気信号となって第1の熱流センサ2−1から出力される。第1のヒータ制御部5−1は、第1の熱流センサ2−1から出力される熱流信号S1に基づくPID制御により、熱流信号S1が示す熱流量がゼロになるように、第1のパネルヒータ3−1に第2の電力P2−1を供給するとともに、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1に重畳して第2の電力P2−1を供給する。すなわち、第1のヒータ制御部5−1は、第1の熱流センサ2−1の上面温度と下面温度が同一温度になるように帰還制御を行う。   At that time, the heat flow signal S1 output from the first heat flow sensor 2-1 is input to the first heater control section 5-1. The heat flow signal S1 becomes an electric signal having a magnitude almost proportional to the heat flow rate when a temperature difference between the upper surface and the lower surface of the first heat flow sensor 2-1, that is, when heat flow occurs, is generated. 2-1. The first heater control unit 5-1 performs the first panel so that the heat flow indicated by the heat flow signal S 1 becomes zero by PID control based on the heat flow signal S 1 output from the first heat flow sensor 2-1. The second electric power P2-1 is supplied to the heater 3-1, and the second electric power P2-1 is supplied to the sample heater 1 so as to be superimposed on the first electric power P1. That is, the first heater control unit 5-1 performs feedback control so that the upper surface temperature and the lower surface temperature of the first heat flow sensor 2-1 become the same temperature.
一方、第2のヒータ制御部5−2には、第2の熱流センサ2−2が出力する熱流信号S2が入力される。この熱流信号S2は、第2の熱流センサ2−2の上面と下面に温度差、すなわち熱流が生じたときに、その熱流量にほぼ比例した大きさの電気信号となって第2の熱流センサ2−2から出力される。第2のヒータ制御部5−2は、第2の熱流センサ2−2から出力される熱流信号S2に基づくPID制御により、熱流信号S2が示す熱流量がゼロになるように、第2のパネルヒータ3−2に第2の電力P2−2を供給するとともに、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1に重畳して第2の電力P2−2を供給する。すなわち、第2のヒータ制御部5−2は、第2の熱流センサ2−2の上面温度と下面温度が同一温度になるように帰還制御を行う。   On the other hand, the heat flow signal S2 output from the second heat flow sensor 2-2 is input to the second heater control unit 5-2. This heat flow signal S2 becomes an electric signal having a magnitude substantially proportional to the heat flow when a temperature difference occurs between the upper surface and the lower surface of the second heat flow sensor 2-2, that is, when a heat flow is generated. Output from 2-2. The second heater control unit 5-2 controls the second panel so that the heat flow indicated by the heat flow signal S2 becomes zero by PID control based on the heat flow signal S2 output from the second heat flow sensor 2-2. While supplying the 2nd electric power P2-2 to the heater 3-2, it superimposes on the 1st electric power P1 to the sample heating heater 1, and supplies the 2nd electric power P2-2. That is, the second heater control unit 5-2 performs feedback control so that the upper surface temperature and the lower surface temperature of the second heat flow sensor 2-2 become the same temperature.
ちなみに、熱流信号S1が示す熱流量がゼロになるということは、第1の熱流センサ2−1の上面と下面に温度差(熱流)が生じなくなることを意味する。同様に、熱流信号S2が示す熱流量がゼロになるということは、第2の熱流センサ2−2の上面と下面に温度差(熱流)が生じなくなることを意味する。   Incidentally, the fact that the heat flow rate indicated by the heat flow signal S1 becomes zero means that a temperature difference (heat flow) does not occur between the upper surface and the lower surface of the first heat flow sensor 2-1. Similarly, the fact that the heat flow rate indicated by the heat flow signal S2 becomes zero means that no temperature difference (heat flow) occurs between the upper surface and the lower surface of the second heat flow sensor 2-2.
このように本発明の実施の形態においては、電力供給部4がサンプル加熱ヒータ7に第1の電力(一定電力)P1を供給するとともに、ヒータ制御部5(5−1,5−2)がパネルヒータ3(3−1,3−2)とサンプル加熱ヒータ7に第2の電力P2を同時に供給する。これにより、電力の供給にともなうジュール熱の発生によって測定サンプル7の温度が上昇する。このときの測定サンプル7の経時的な温度変化を温度センサ6によって測定する。このような熱的変化の測定は、温度センサ6によって測定された測定サンプル7の温度が、あらかじめ設定された測定終了温度に達するまで継続される。ただし、測定の終点は、測定サンプル7の温度に限らず、第1の電力P1の供給を開始してからの経過時間があらかじめ設定された測定終了時間に達したかどうかによって判断してもよい。   Thus, in the embodiment of the present invention, the power supply unit 4 supplies the first power (constant power) P1 to the sample heater 7, and the heater control unit 5 (5-1, 5-2) The second electric power P2 is simultaneously supplied to the panel heater 3 (3-1, 3-2) and the sample heater 7. Thereby, the temperature of the measurement sample 7 rises due to the generation of Joule heat accompanying the supply of electric power. The temperature change of the measurement sample 7 over time at this time is measured by the temperature sensor 6. The measurement of such a thermal change is continued until the temperature of the measurement sample 7 measured by the temperature sensor 6 reaches a preset measurement end temperature. However, the end point of the measurement is not limited to the temperature of the measurement sample 7, and may be determined based on whether or not the elapsed time since the supply of the first power P1 has reached a preset measurement end time. .
本発明の実施の形態に係る熱測定方法においては、電力供給部4からサンプル加熱ヒータ1に供給した第1の電力P1によって発生するジュール熱のすべてを、測定サンプル7の温度を上昇させるために消費させることができる。その理由を示差方式の断熱式比熱測定装置と対比しつつ以下に記述する。   In the heat measurement method according to the embodiment of the present invention, all the Joule heat generated by the first power P1 supplied from the power supply unit 4 to the sample heater 1 is used to increase the temperature of the measurement sample 7. Can be consumed. The reason for this will be described below in comparison with a differential type adiabatic specific heat measuring device.
まず、示差方式の断熱式比熱測定装置では、測定サンプルをサンプル容器に入れたものと、測定サンプルを入れない空のサンプル容器(以下、「基準サンプル」という。)を用意して、これらを断熱壁の収容空間に配置する。そして、断熱壁の収容空間を断熱状態に維持しながら、測定サンプルと基準サンプルをそれぞれに対応するサンプル加熱ヒータにより加熱し、そのときの各サンプルの温度変化を測定する。その際、サンプル加熱ヒータによって測定サンプルにQのジュール熱を供給すると、測定サンプルの温度が上昇する。ただし、測定サンプルとサンプル容器の間、および、測定サンプルとサンプル加熱用ヒータの間では、それぞれ断熱がされず、熱の移動が起こる。このため、上記ジュール熱Qを供給したときの測定サンプルの温度上昇ΔTは、次の(1)式で表される。この(1)式において、CVESSELはサンプル容器の熱容量、CSampleは測定サンプルの熱容量、CHFSは熱流センサの熱容量、CPHはサンプル加熱ヒータの熱容量を示す。 First, in the differential heat insulation type specific heat measurement device, a measurement sample is put in a sample container and an empty sample container (hereinafter referred to as “reference sample”) in which a measurement sample is not put is prepared, and these are insulated. Place in the wall's containment space. And while maintaining the accommodation space of a heat insulation wall in the heat insulation state, a measurement sample and a reference sample are heated with the sample heater corresponding to each, and the temperature change of each sample at that time is measured. At that time, if Q Joule heat is supplied to the measurement sample by the sample heater, the temperature of the measurement sample rises. However, there is no heat insulation between the measurement sample and the sample container and between the measurement sample and the sample heating heater, and heat transfer occurs. For this reason, the temperature rise ΔT of the measurement sample when the Joule heat Q is supplied is expressed by the following equation (1). In this equation (1), C VESSEL represents the heat capacity of the sample container, C Sample represents the heat capacity of the measurement sample, C HFS represents the heat capacity of the heat flow sensor, and C PH represents the heat capacity of the sample heater.
ここで、上記のジュール熱Qが測定サンプルだけに供給された場合の、測定サンプルの温度上昇幅ΔTSAMPLEを求めるには、熱慣性係数φによる補正計算が必要となる。具体的には、次の(2)式により測定サンプルの温度上昇幅ΔTSAMPLEを求める必要がある。 Here, in order to obtain the temperature rise ΔT SAMPLE of the measurement sample when the Joule heat Q is supplied only to the measurement sample, correction calculation using the thermal inertia coefficient φ is required. Specifically, it is necessary to obtain the temperature rise ΔT SAMPLE of the measurement sample by the following equation (2).
上記(2)式において、熱慣性係数φは、次の(3)式で表される。   In the above equation (2), the thermal inertia coefficient φ is expressed by the following equation (3).
熱慣性係数φ=1の状態は、測定サンプル以外の熱容量がゼロという状態である。熱慣性係数φの値が1に近い測定システムは、低熱慣性係数の熱流計熱量計と呼ばれる。
従来の比熱測定装置では、測定サンプル以外の熱容量である、サンプル容器の熱容量CVESSEL、熱流センサの熱容量CHFS、サンプル加熱ヒータの熱容量CPHなどを極力小さな熱容量にして、低熱慣性係数になるようにしている。ただし、物質の熱容量はゼロよりも大きくなるので、熱慣性係数は、決してφ=1にはならない。そのため、測定データを解析するときは熱慣性係数φによる補正が不可欠となる。しかし、熱慣性係数による補正を行うには、各構成材料の比熱が既知であることが必須である。また、補正といえども、あくまで計算上の補正にすぎない。
The state of the thermal inertia coefficient φ = 1 is a state in which the heat capacity other than the measurement sample is zero. A measurement system with a thermal inertia coefficient φ value close to 1 is called a low thermal inertia coefficient heat flow meter calorimeter.
In the conventional specific heat measuring device, the heat capacity of the sample container, that is, the heat capacity C VESSEL of the sample container, the heat capacity of the heat flow sensor C HFS , the heat capacity of the sample heater CPH, etc. I have to. However, since the heat capacity of the substance is greater than zero, the thermal inertia coefficient never becomes φ = 1. Therefore, when analyzing the measurement data, correction by the thermal inertia coefficient φ is indispensable. However, in order to perform correction by the thermal inertia coefficient, it is essential that the specific heat of each constituent material is known. Moreover, even if it is correction | amendment, it is only correction | amendment by calculation to the last.
一方、本発明の実施の形態に係る熱測定装置100において、第1の電力P1の供給によって発生するジュール熱により、測定サンプル7の温度が変化(上昇)する。このとき、第1の電力P1の供給によって発生するジュール熱をΔQ、このジュール熱ΔQを測定サンプル7に投入したときの測定サンプル7の温度上昇幅をΔTとすると、ΔTとΔQの関係は、次の(4)式で表される。この(4)式において、CSampleは測定サンプル7の熱容量、CHFSは熱流センサ2の熱容量、CPHはヒータ(サンプル加熱ヒータ1およびパネルヒータ3)の熱容量を示す。
なお、ΔQ=(CSample+CPH)×ΔTとならない理由は、単に第1の電力P1を供給すると、測定サンプル7の温度上昇によって、測定サンプル7から熱流センサ2への熱移動が生じるからである。
On the other hand, in the heat measurement apparatus 100 according to the embodiment of the present invention, the temperature of the measurement sample 7 changes (rises) due to Joule heat generated by the supply of the first power P1. At this time, assuming that Joule heat generated by the supply of the first electric power P1 is ΔQ 0 , and the temperature rise width of the measurement sample 7 when the Joule heat ΔQ 0 is input to the measurement sample 7 is ΔT 0 , ΔT 0 and ΔQ The relationship of 0 is expressed by the following equation (4). In this equation (4), C Sample represents the heat capacity of the measurement sample 7, C HFS represents the heat capacity of the heat flow sensor 2, and C PH represents the heat capacity of the heaters (sample heater 1 and panel heater 3).
Note that ΔQ 0 = (C Sample + C PH ) × ΔT 0 does not satisfy the reason that simply supplying the first electric power P1 causes heat transfer from the measurement sample 7 to the heat flow sensor 2 due to the temperature rise of the measurement sample 7. Because.
上述のように測定サンプル7にジュール熱ΔQが供給され、これによって測定サンプル7の温度が上昇すると、熱流センサ2が熱流(温度差)を検出する。そうすると、ヒータ制御部5は、熱流センサ2が検出した熱流を打ち消す(キャンセル)するように、パネルヒータ(3−1,3−2)に対して第2の電力P2(P2−1,P2−2)を供給する。このとき、第2の電力P2の供給によって発生するジュール熱をΔQとすると、このジュール熱ΔQは、次の(5)式で表される。 As described above, when the Joule heat ΔQ 0 is supplied to the measurement sample 7 and thereby the temperature of the measurement sample 7 rises, the heat flow sensor 2 detects the heat flow (temperature difference). Then, the heater control unit 5 outputs the second electric power P2 (P2-1, P2-) to the panel heaters (3-1, 3-2) so as to cancel (cancel) the heat flow detected by the heat flow sensor 2. 2) is supplied. At this time, when the Joule heat generated by the supply of the second power P2 to Delta] Q 1, the Joule heat Delta] Q 1 is expressed by the following equation (5).
また、ヒータ制御部5は、パネルヒータ3の他に、サンプル加熱ヒータ1に対しても第2の電力P2を供給する。このとき、電力供給部4は、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1を供給し続けている。このため、サンプル加熱ヒータ1に対しては、第1の電力P1に重畳して第2の電力(以下、「重畳電力」ともいう。)P2が供給される。したがって、測定サンプル7は、上述したΔTに加えてさらにΔTだけ温度上昇する。このときの測定サンプル7の温度上昇幅ΔTは、次の(6)式で表される。なお、熱流センサ2の熱容量については、たとえば、熱流センサ2の下側と上側にそれぞれペルチェ素子を配置した場合、熱流センサ2の下側半分の熱容量がCHFS/L、熱流センサの上側半分の熱容量がCHFS/U(ただし、CHFS/L=CHFS/U)と表される。ただし、熱流センサ2は上下対称の構造で製作されるため、ここでは熱流センサ2の熱容量をCHFSと表している。 The heater controller 5 also supplies the second power P2 to the sample heater 1 in addition to the panel heater 3. At this time, the power supply unit 4 continues to supply the first power P <b> 1 to the sample heater 1. For this reason, the sample heater 1 is supplied with the second power (hereinafter also referred to as “superimposed power”) P2 superimposed on the first power P1. Therefore, the temperature of the measurement sample 7 is further increased by ΔT 1 in addition to the above-described ΔT 0 . The temperature rise width ΔT 1 of the measurement sample 7 at this time is expressed by the following equation (6). Regarding the heat capacity of the heat flow sensor 2, for example, when Peltier elements are arranged on the lower side and the upper side of the heat flow sensor 2, the heat capacity of the lower half of the heat flow sensor 2 is CHFS / L, The heat capacity is expressed as C HFS / U (where C HFS / L = C HFS / U ). However, since the heat flow sensor 2 is manufactured with a vertically symmetrical structure, the heat capacity of the heat flow sensor 2 is represented as C HFS here.
その後、ヒータ制御部5は、熱流センサ2が熱流を検出しなくなるまで、第2の電力P2を供給し続ける。このため、サンプル加熱ヒータ1に対する重畳電力P2の供給は、熱流センサ2が熱流を検出している間、継続される。この場合、測定サンプル7の温度上昇幅を時系列で表すと、次の(7)式のようになる。   Thereafter, the heater control unit 5 continues to supply the second electric power P2 until the heat flow sensor 2 no longer detects the heat flow. For this reason, the supply of the superimposed power P2 to the sample heater 1 is continued while the heat flow sensor 2 detects the heat flow. In this case, when the temperature rise width of the measurement sample 7 is expressed in time series, the following equation (7) is obtained.
以上のことから、測定サンプル7の温度上昇分の合計は、次の(8)式で表される。   From the above, the total temperature rise of the measurement sample 7 is expressed by the following equation (8).
ここで、熱慣性係数φは、次の(9)式で定義され、この(9)式を変形すると、次の(10)式となる。   Here, the thermal inertia coefficient φ is defined by the following equation (9). When the equation (9) is modified, the following equation (10) is obtained.
また、上記(10)式を上記(8)式に代入すると、次の(11)式となる。   Further, when the above equation (10) is substituted into the above equation (8), the following equation (11) is obtained.
上記(11)式において、熱流センサの熱容量CHFS、ヒータの熱容量CPH、測定サンプルの熱容量CSampleは、それぞれゼロよりも大きい。また、(CHFS+CPH+CSample)は、(CHFS+CPH)よりも大きい。したがって、次の(12)式は、ゼロに収束する。 In the above equation (11), the heat capacity C HFS of the heat flow sensor, the heat capacity C PH of the heater, and the heat capacity C Sample of the measurement sample are each greater than zero. Further, (C HFS + C PH + C Sample ) is larger than (C HFS + C PH ). Therefore, the following equation (12) converges to zero.
以上のことから、上述した測定サンプル7の温度上昇分の合計は、次の(13)式で表される。すなわち、第1の電力(一定電力)P1により単位時間当たりQのジュール熱が供給されると、測定サンプルの温度上昇分の合計は、初期の温度上昇幅ΔTに熱慣性係数φを乗じた値となる。 From the above, the sum of the temperature rise of the measurement sample 7 described above is expressed by the following equation (13). That is, when Joule heat of Q per unit time is supplied by the first power (constant power) P1, the total temperature rise of the measurement sample is obtained by multiplying the initial temperature rise width ΔT 0 by the thermal inertia coefficient φ. Value.
上記(13)式は、測定サンプル7の温度を測定した後で、熱慣性係数φによる補正を行わなくても、この測定中に自動的にφ=1となるように断熱温度制御が行われていることを示している。言い換えると、測定サンプル7を第1の電力P1で温度上昇させる場合に投入されたジュール熱に加えて、(φ−1)の熱容量分のジュール熱が第2の電力P2の供給によって投入される。したがって、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1を供給したときに発生するジュール熱は、すべて測定サンプル7の温度を上昇させるために消費される。その結果として、第1の電力P1は、測定サンプル7の温度上昇に消費され、第2の電力P2は、それ以外の部分(熱流センサ2、パネルヒータ3等)の温度上昇に消費されることと等価になる。   In the above equation (13), after the temperature of the measurement sample 7 is measured, the adiabatic temperature control is performed so that φ = 1 automatically during this measurement without correction by the thermal inertia coefficient φ. It shows that. In other words, in addition to the Joule heat input when the temperature of the measurement sample 7 is increased by the first electric power P1, Joule heat corresponding to the heat capacity of (φ-1) is input by supplying the second electric power P2. . Therefore, all the Joule heat generated when the first electric power P <b> 1 is supplied to the sample heater 1 is consumed to increase the temperature of the measurement sample 7. As a result, the first electric power P1 is consumed for the temperature rise of the measurement sample 7, and the second electric power P2 is consumed for the temperature rise of other portions (the heat flow sensor 2, the panel heater 3, etc.). Is equivalent to
<実施の形態の効果>
本発明の実施の形態によれば、測定サンプル7とこれに接触する熱流センサ2との間の熱移動を抑制しつつ、第1の電力P1の供給にともなう熱量の入力に対する測定サンプル7の熱的変化を測定することができる。また、その測定に際しては、測定モジュールを構成するサンプル加熱ヒータ1、熱流センサ2およびパネルヒータ3の熱容量に応じて消費される熱量の損失分を、第2の電力P2の供給によって補償することができる。したがって、測定サンプル7に規定の熱量を入力した場合に、この熱量を測定サンプル7の温度上昇だけに消費させることができる。
<Effect of Embodiment>
According to the embodiment of the present invention, the heat of the measurement sample 7 with respect to the input of the amount of heat accompanying the supply of the first electric power P1 is suppressed while suppressing the heat transfer between the measurement sample 7 and the heat flow sensor 2 in contact therewith. Change can be measured. In the measurement, the loss of the amount of heat consumed according to the heat capacities of the sample heater 1, the heat flow sensor 2 and the panel heater 3 constituting the measurement module can be compensated by the supply of the second power P2. it can. Therefore, when a specified amount of heat is input to the measurement sample 7, this amount of heat can be consumed only for the temperature rise of the measurement sample 7.
また、示差方式の断熱式比熱測定装置では、(1)基準サンプルが必要である、(2)測定サンプル用と基準サンプル用に熱容量が一致(たとえば、55gに対して熱容量の誤差が0.1%以内)するサンプル容器やヒータを2つずつ用意する必要がある、(3)測定サンプルと基準サンプルの温度を検出する温度センサを常に校正する必要がある、(4)温度測定データから比熱を求める場合は熱慣性係数による補正が必要である、といった種々の制約があるが、本実施の形態によれば、そうした制約なしに測定サンプルの熱的変化を測定することができる。   Further, in the differential heat insulation type specific heat measuring device, (1) a reference sample is required, (2) the heat capacities for the measurement sample and the reference sample are identical (for example, the heat capacity error is 0.1 with respect to 55 g). %)) It is necessary to prepare two sample containers and two heaters each. (3) It is necessary to always calibrate the temperature sensor that detects the temperature of the measurement sample and the reference sample. (4) Specific heat is obtained from the temperature measurement data. There are various restrictions such as the necessity of correction by the thermal inertia coefficient when obtaining, but according to the present embodiment, the thermal change of the measurement sample can be measured without such restrictions.
また、本発明の実施の形態によれば、上述した大判のリチウムイオン電池のように平板状の測定サンプル7を測定対象とする場合に、この測定サンプル7にジュール熱を投入したときの温度変化を正確に測定することが可能となる。具体的には、サンプル加熱ヒータ1を測定サンプル7でサンドイッチ状に挟み、さらにその外側を熱流センサ2(2−1,2−2)とパネルヒータ3(3−1,3−2)でサンドイッチ状に挟んで保持する場合に、測定サンプル7から熱流センサ2に熱移動しようとする熱量分を、第2の電力P2の供給によって直接に入力補填することができる。このため、示差方式の断熱式比熱測定装置では必要とされる基準サンプルがなくても、ヒータ制御部5が第2の電力P2を入力補償電力として供給することにより、入力補償制御が可能となる。したがって、第1の電力P1の供給によって生じる測定サンプル7の温度変化を正確に測定することができる。   In addition, according to the embodiment of the present invention, when a flat measurement sample 7 is a measurement object like the large-sized lithium ion battery described above, the temperature change when Joule heat is applied to the measurement sample 7 Can be measured accurately. Specifically, the sample heater 1 is sandwiched between measurement samples 7 and the outside is sandwiched between the heat flow sensor 2 (2-1, 2-2) and the panel heater 3 (3-1, 3-2). In the case of holding in a shape, the amount of heat to be transferred from the measurement sample 7 to the heat flow sensor 2 can be directly compensated by supplying the second power P2. For this reason, even if there is no reference sample required in the differential thermal adiabatic specific heat measuring device, the heater control unit 5 supplies the second power P2 as input compensation power, thereby enabling input compensation control. . Therefore, the temperature change of the measurement sample 7 caused by the supply of the first power P1 can be accurately measured.
<変形例等>
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
<Modifications>
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements as long as the specific effects obtained by the constituent elements of the invention and combinations thereof can be derived.
上記実施の形態においては、サンプル加熱ヒータ1を測定サンプル7でサンドイッチ状に挟み、さらにその外側を熱流センサ2(2−1,2−2)とパネルヒータ3(3−1,3−2)でサンドイッチ状に挟んで保持するものとしたが、本発明はこれに限らない。たとえば、円筒状の測定サンプルを測定対象とする場合は、図3に示すような測定モジュールの構成を採用してもよい。図示した測定モジュールにおいては、測定サンプル7の内周面(一方の主面)に、これに接触する状態でサンプル加熱ヒータ1を配置している。また、測定サンプル7の外周面(他方の主面)に、これに接触する状態で熱流センサ2を配置している。さらに、熱流センサ2の、測定サンプル1とは反対側の面に、これに接触する状態でパネルヒータ3を配置している。この構成においても、上記実施の形態と同様に、サンプル加熱ヒータ1に第1の電力P1を供給し、サンプル加熱ヒータ1とパネルヒータ3に第2の電力P2を供給することにより、上記同様の効果が得られる。   In the above-described embodiment, the sample heater 1 is sandwiched between the measurement samples 7 and the outside of the sample heater 1 is sandwiched between the heat flow sensor 2 (2-1, 2-2) and the panel heater 3 (3-1, 3-2). However, the present invention is not limited to this. For example, when a cylindrical measurement sample is a measurement target, a configuration of a measurement module as shown in FIG. 3 may be adopted. In the illustrated measurement module, the sample heater 1 is arranged on the inner peripheral surface (one main surface) of the measurement sample 7 so as to be in contact therewith. Moreover, the heat flow sensor 2 is arrange | positioned in the state which contacts this on the outer peripheral surface (other main surface) of the measurement sample 7. FIG. Further, the panel heater 3 is disposed on the surface of the heat flow sensor 2 opposite to the measurement sample 1 so as to be in contact therewith. Also in this configuration, the first power P1 is supplied to the sample heater 1 and the second power P2 is supplied to the sample heater 1 and the panel heater 3 in the same manner as in the above embodiment. An effect is obtained.
また、上記実施の形態においては、互いに製品仕様が同一である熱流センサ2(2−1,2−2)やパネルヒータ3(3−1,3−2)を用いて、サンプル加熱ヒータ1を中心に、測定モジュールの構成要素を上下対称に配置したが、本発明はこれに限らない。すなわち、上記実施の形態においては、第1のヒータ制御部5−1と第2のヒータ制御部5−2でそれぞれ独立に入力補償制御を行うため、熱流センサ2(2−1,2−2)の製品仕様やパネルヒータ3(3−1,3−2)の製品仕様が上下異なるものであってもよい。   In the above embodiment, the sample heater 1 is mounted using the heat flow sensors 2 (2-1, 2-2) and panel heaters 3 (3-1, 3-2) having the same product specifications. Although the components of the measurement module are arranged vertically symmetrically at the center, the present invention is not limited to this. That is, in the above embodiment, since the input compensation control is independently performed by the first heater control unit 5-1 and the second heater control unit 5-2, the heat flow sensor 2 (2-1, 2-2). ) Product specifications and panel heater 3 (3-1, 3-2) product specifications may be different vertically.
また、本発明の実施の形態に係る熱測定装置100は、測定サンプル7の比熱を求める場合だけでなく、たとえば、測定サンプル7の熱安全性を評価する場合などにも利用することができる。具体的には、たとえば、ある温度まで比熱を測定したのち、サンプル加熱ヒータの電力P1の供給を停止する。そこで測定サンプルは一定温度に保持される。そのうち測定サンプルが自己発熱によりジュール熱を発生した場合において、そのジュール熱による測定サンプルの温度変化を温度センサによって測定し記録することができる。したがって、ラミネートセルからなる測定サンプルがある温度に到達したのち化学反応などによって発熱した場合に、この測定サンプルが完全断熱条件で温度上昇するプロセスを測定することが可能となる。また、微少な発熱反応を起こす物質が数100kg〜数トン保管される場合、蓄熱現象により数日後に自然発火することがある。このような自己発熱物質の発火温度を測定する場合、数gの測定サンプルを対象にして断熱状態で温度を測定する自然発火温度測定装置としても応用できる。   Moreover, the heat measuring apparatus 100 according to the embodiment of the present invention can be used not only for obtaining the specific heat of the measurement sample 7, but also for evaluating the thermal safety of the measurement sample 7, for example. Specifically, for example, after measuring the specific heat to a certain temperature, the supply of the electric power P1 of the sample heater is stopped. Therefore, the measurement sample is kept at a constant temperature. Among them, when the measurement sample generates Joule heat due to self-heating, the temperature change of the measurement sample due to the Joule heat can be measured and recorded by the temperature sensor. Therefore, when a measurement sample made of a laminate cell reaches a certain temperature and then generates heat due to a chemical reaction or the like, it is possible to measure a process in which the measurement sample rises in temperature under completely adiabatic conditions. Further, when a substance that causes a slight exothermic reaction is stored for several hundred kg to several tons, it may spontaneously ignite after several days due to a heat storage phenomenon. When measuring the ignition temperature of such a self-heating substance, it can also be applied as a spontaneous ignition temperature measuring device that measures the temperature in a heat-insulating state for a measurement sample of several g.
以下に、本発明の実施の形態に係る熱測定装置によって得られる温度測定データを用いて、測定サンプルの比熱を求める場合と、測定サンプルの自己発熱速度を求める場合とについて説明する。   Below, the case where the specific heat of a measurement sample is calculated | required using the temperature measurement data obtained by the heat measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention, and the case where the self-heating rate of a measurement sample is calculated | required are demonstrated.
(比熱を求める場合)
図4は熱測定装置によって得られる温度測定データに基づく測定サンプルの温度上昇曲線の一例を示す図であって、縦軸は測定サンプルの昇温速度(℃/min)、横軸は温度(℃)を示している。
図示した温度上昇曲線は、サンプル加熱ヒータに1.000Wの一定電圧(P1)を供給したときの、質量50gの測定サンプルの温度測定データに基づく温度上昇曲線を示している。この温度上昇曲線においては、30℃付近の昇温速度が0.6K/minであるから、測定サンプルの比熱Cpは、1分あたりで計算すると、Cp=60/(0.60×50)で求まる。このため、Cp=2.00J/(k・g)となる。一般的には温度上昇するとCpの値が増大し、図例の場合、100℃付近では比熱が3.0程度となっている。
(When calculating specific heat)
FIG. 4 is a diagram showing an example of a temperature rise curve of a measurement sample based on temperature measurement data obtained by a heat measurement device, in which the vertical axis is the temperature increase rate (° C./min) of the measurement sample, and the horizontal axis is the temperature (° C. ).
The illustrated temperature rise curve shows a temperature rise curve based on temperature measurement data of a measurement sample having a mass of 50 g when a constant voltage (P1) of 1.000 W is supplied to the sample heater. In this temperature rise curve, the rate of temperature increase near 30 ° C. is 0.6 K / min. Therefore, when the specific heat Cp of the measurement sample is calculated per minute, Cp = 60 / (0.60 × 50) I want. Therefore, Cp = 2.00 J / (k · g). Generally, when the temperature rises, the value of Cp increases, and in the example shown in the figure, the specific heat is about 3.0 around 100 ° C.
(自己発熱速度を求める場合)
図5は熱測定装置によって得られる温度測定データに基づく測定サンプルの発熱温度上昇曲線の一例を示す図であって、縦軸は測定サンプルの自己発熱速度(℃/min)、横軸は温度(℃)を示している。
図示した発熱温度上昇曲線は、上述のように断熱条件で熱測定を行った場合に得られるものであって、測定サンプルの温度が100℃に到達するまではサンプル加熱ヒータに一定電圧(P1)を供給し、その後、一定電圧の供給を停止したときに、自己発熱した測定サンプルの発熱温度上昇曲線を示している。ちなみに、一定電圧の供給を停止したときに測定サンプルが自己発熱していなければ、測定サンプルの温度は100℃で一定に保持された状態となる。また、一般に化学物質やラミネートセルは、温度が上昇すると自己発熱速度が増大する。このため、自己発熱した測定サンプルの発熱温度上昇曲線は図例のようになる。すなわち、100℃付近では0.01K/minの自己発熱速度、120℃付近では0.20K/minの自己発熱速度、145℃付近では2.00K/minの自己発熱速度となる。このような断熱状態における測定サンプルの発熱温度上昇曲線から、活性化エネルギーや熱安全性評価の特性値が、熱慣性係数の補正をせずに得られる。
(When calculating the self-heating rate)
FIG. 5 is a diagram showing an example of an exothermic temperature rise curve of a measurement sample based on temperature measurement data obtained by a heat measurement device, where the vertical axis is the self-heating rate (° C./min) of the measurement sample, and the horizontal axis is the temperature ( ° C).
The exothermic temperature rise curve shown is obtained when heat measurement is performed under the adiabatic conditions as described above, and a constant voltage (P1) is applied to the sample heater until the temperature of the measurement sample reaches 100 ° C. Is shown, and then, when the supply of the constant voltage is stopped, the exothermic temperature rise curve of the measurement sample that self-heats is shown. Incidentally, if the measurement sample does not self-heat when the supply of the constant voltage is stopped, the temperature of the measurement sample is kept constant at 100 ° C. In general, the self-heating rate of chemical substances and laminate cells increases as the temperature rises. For this reason, the exothermic temperature rise curve of the self-heated measurement sample is as shown in the figure. That is, a self-heating rate of 0.01 K / min near 100 ° C, a self-heating rate of 0.20 K / min near 120 ° C, and a 2.00 K / min self-heating rate near 145 ° C. From the exothermic temperature rise curve of the measurement sample in such an adiabatic state, the activation energy and the characteristic value of the thermal safety evaluation can be obtained without correcting the thermal inertia coefficient.
1…サンプル加熱ヒータ
2…熱流センサ
3…パネルヒータ
4…電力供給部
5…ヒータ制御部
6…温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample heater 2 ... Heat flow sensor 3 ... Panel heater 4 ... Electric power supply part 5 ... Heater control part 6 ... Temperature sensor

Claims (2)

  1. 2つの主面を有する測定サンプルの一方の主面に接触する状態で配置され、前記測定サンプルを加熱するサンプル加熱ヒータと、前記測定サンプルの他方の主面に接触する状態で配置され、熱流量に応じた熱流信号を出力する熱流センサと、前記熱流センサの、前記測定サンプルとは反対側の面に接触する状態で配置されたパネルヒータと、を有する測定モジュールと、
    前記測定モジュールを収容する収容空間を形成する断熱壁と、
    前記測定モジュールと前記断熱壁との間に熱移動が生じないように、前記収容空間を断熱状態に維持する断熱制御手段と、
    前記サンプル加熱ヒータに第1の電力(P1)を供給する電力供給部と、
    前記熱流センサが出力する熱流信号に基づいて、当該熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記パネルヒータに第2の電力(P2)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して前記第2の電力(P2)を供給するヒータ制御部と、
    前記測定サンプルの温度を検出する温度センサと、
    を備えることを特徴とする熱測定装置。
    It is arranged in contact with one main surface of a measurement sample having two main surfaces, and is arranged in contact with the other main surface of the measurement sample, a sample heater for heating the measurement sample, and a heat flow rate A measurement module having a heat flow sensor that outputs a heat flow signal in accordance with the heat flow sensor, and a panel heater disposed in contact with the surface of the heat flow sensor opposite to the measurement sample;
    A heat insulating wall forming a housing space for housing the measurement module;
    Thermal insulation control means for maintaining the accommodation space in a thermal insulation state so that heat transfer does not occur between the measurement module and the thermal insulation wall;
    A power supply unit for supplying a first power (P1) to the sample heater;
    Based on the heat flow signal output from the heat flow sensor, the second power (P2) is supplied to the panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero, and the first heater is supplied to the first heater. A heater controller that supplies the second electric power (P2) in a manner superimposed on the electric power (P1).
    A temperature sensor for detecting the temperature of the measurement sample;
    A heat measuring device comprising:
  2. 前記測定サンプルは、平板形状のものであり、
    前記熱流センサは、前記測定サンプルをサンドイッチ状に挟むように配置された第1の熱流センサおよび第2の熱流センサからなり、
    前記パネルヒータは、前記第1の熱流センサの一主面であって前記測定サンプルとは反対側の主面に接触する状態で配置される第1のパネルヒータ、および、前記第2の熱流センサの一主面であって前記測定サンプルとは反対側の主面に接触する状態で配置される第2のパネルヒータからなり、
    前記ヒータ制御部は、前記第1の熱流センサから出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記第1のパネルヒータに第2の電力(P2−1)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して第2の電力(P2−1)を供給する第1のヒータ制御部、および、前記第2の熱流センサから出力される熱流信号に基づいて、この熱流信号が示す熱流量がゼロになるように、前記第2のパネルヒータに第2の電力(P2−2)を供給するとともに、前記サンプル加熱ヒータに前記第1の電力(P1)に重畳して第2の電力(P2−2)を供給する第2のヒータ制御部からなる
    ことを特徴とする請求項1に記載の熱測定装置。
    The measurement sample is a flat plate,
    The heat flow sensor includes a first heat flow sensor and a second heat flow sensor arranged so as to sandwich the measurement sample in a sandwich shape,
    The panel heater is a first panel heater disposed in contact with a main surface of the first heat flow sensor opposite to the measurement sample, and the second heat flow sensor. Comprising a second panel heater arranged in contact with the main surface opposite to the measurement sample.
    Based on the heat flow signal output from the first heat flow sensor, the heater control unit supplies the second power (P2-) to the first panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero. 1), and a first heater controller that supplies the second electric power (P2-1) to the sample heater in a manner superimposed on the first electric power (P1), and the second heat flow Based on the heat flow signal output from the sensor, the second electric power (P2-2) is supplied to the second panel heater so that the heat flow indicated by the heat flow signal becomes zero, and the sample heater The heat measuring apparatus according to claim 1, further comprising: a second heater control unit that supplies the second electric power (P2-2) superimposed on the first electric power (P1).
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