JP2015505035A - 熱伝導率の測定方法 - Google Patents

Abstract

材料の熱伝導率の測定方法は、上記材料の前面に熱パルスが印加されるステップと、赤外線検出器を用いて、結果としての上記材料の前面の時間依存性２次元温度フィールドを検出するステップと、上記温度フィールドにおいて等温線を確認するステップと、上記等温線の形状と上記材料の前面のある１点について、２つの時点で検出された第１および第２の温度とに基づいて、上記材料の第１および第２の方向における上記材料の第１および第２の熱伝導率が計算されるステップと、を含む。

Description

本発明は、材料の熱伝導率の測定方法に関する。

この部分の記載は、本発明と関連する背景情報を単に提供し、従来技術を構成しなくてもよい

熱伝導率は、熱を伝導する材料の性質である。熱伝導率の測定は、自動車産業、化学産業、電子産業および建設などの数多くの異なる産業における材料分析に重要な役割を果たしている。例えば、熱蓄積装置においては、高い熱伝導率を有する材料が使用され得る。しかしながら、熱シールドには低い熱伝導率が要求される。熱伝導率の測定に関する技術は、H. Czichos, T. SaitoおよびL. Smith(Eds.)らによるHandbook of Materials Measurement Methods（2006, Springer, pp.399-408.）に記載されている。熱伝導率の測定に用いることができる根本的な３つの方法がある。

一つ目の方法は、継続状態方法と呼ばれる。熱的平衡に到達するまで、言い換えると、あるサンプルの各点において、温度がこれ以上時間に依存しなくなるまで、絶えずに上記あるサンプルに熱が加えられる。結果的に、継続状態技術は大変な時間を費やす。さらに、このような方法を行う期間にわたって同じ境界条件を維持するのは困難である。また、ある技術は追加的に基準材料を要求する。さらに、接触加熱は、熱源とサンプルとの間の界面での熱的接触抵抗に起因する付加的問題を生じさせ得る。

二つ目の一時な方法によれば、上記サンプルのある１点における時間の経過とともに変化する温度が分析される。この方法は、上記継続状態技術より大幅に早い利点を有する。レーザーフラッシュ方法は幅広く用いられる一時な方法であり、あるサンプルの前面に短いレーザーパルスを与えサンプルを加熱することと、上記サンプルの後面における対応する温度の上昇を分析することとに基づいている。しかしながら、この方法は、特殊なサンプル準備が要求されるため、破損的である。さらに、この方法は、上記サンプルの一つの方向のみにおいて熱伝導率を決定する１次元モデルに基づいている。非等方性媒体の上記熱伝導率の決定、言い換えると、二方向における上記熱伝導率の決定は、二つの分離されたサンプルの準備と二つの分離された測定とを要求する。

三つ目の方法は、あるサンプルの表面に位置するか、または、上記表面に調節された熱を放射する振動熱源の使用を含む。上記熱源によって提供された調節された熱信号と、温度センサによって測定された応答信号との間の相シフトと、これら二つの信号の振幅とに基づいて、上記サンプルの熱拡散率が計算され得る。しかし、この方法は大変複雑である。

既知の方法中には、完全に非破損的なものはない。これらの方法の全ては小さいシリンダーや薄いホイルなどのように特殊な形状のサンプルの準備を要求する。さらに、これらの概ねは、長い測定時間を要求しおよび／または産業的な環境よりは実験室環境でのみ行うことができる。一般的にこれらの方法は、特定種類の材料および／または温度領域にそれぞれ最適化および制限されている。

本発明の一つの目的は、既知の熱伝導率測定方法に伴う不利な点を極服することである。

したがって、本発明は、材料の熱伝導率の測定方法を提供する。この方法は、上記材料の前面に熱パルスが印加される工程と、赤外線検出器を用いて、結果としての上記材料の前面の時間依存性２次元温度フィールドを検出する工程と、上記検出された温度フィールドにおいて等温線が確認される工程と、等温線の形状と上記材料の前面のある１点について、２つの時点で検出された第１および第２の温度とに基づいて上記材料の第１および第２の方向における上記材料の第１および第２の熱伝導率が計算される工程と、を含む。

上記発明による方法は、大きい寸法の材料の非接触測定および非破壊測定を可能にする。分析される材料の準備および永久的な変更が不要である。さらに、本発明による上記方法は、材料の伝導度テンソルの２つの要素を同時に決定することを可能にする。特に、２つの要素に対応する第１および第２の伝導度または、熱伝導率テンソルの複数の軸は上記媒体の前面と平行である。上記材料は、非等方性材料、特に、直交異方性材料または等方性材料であってもよい。

上記材料の熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍ・Ｋから５００Ｗ／ｍ・Ｋとの間であってもよく、好ましくは、１Ｗ／ｍ・Ｋから２００Ｗ／ｍ・Ｋとの間であってもよく、さらに好ましくは、３Ｗ／ｍ・Ｋから５０Ｗ／ｍ・Ｋとの間であってもよい。

測定時間は、数秒またはそれ未満に減らし得る。さらに、上記材料によって吸収された熱の量は必ず既知でなくてもよい。さらに、熱伝導率は、低費用で、精度高く、少ない手間で決定され得る。

本発明の一態様によれば、特に、等温線の形状、数学的関数の評価のため、特に、楕円が上記等温線にフィットされる。円は楕円の特別なケースとして見なし得る。上記カーブフィッティングを行うためには、最小スクエア方法（the method of least squares）が使用され得る。

本発明の他の態様によれば、第１および第２の熱伝導率は、上記数学的関数の少なくとも１つの幾何学パラメータに基づいて、特に、楕円の長軸および短軸の長さまたは円の半径の長さに基づいて計算される。

本発明のさらに他の態様によれば、上記第１熱伝導率と上記第２熱伝導率との比は、上記楕円の長軸の長さまたは上記楕円の長軸の半分の長さと、上記楕円の短軸の長さまたは上記楕円の短軸の半分の長さと、の比に基づいて計算される。

本発明のさらに他の態様によれば、上記第１方向における上記材料の熱伝導率は、下記の式（２）に基づいて計算される。

本発明のさらに他の態様によれば、上記第２方向における上記材料の熱伝導率は、上記第１温度と上記第２温度との比に基づいて計算される。

本発明の他の態様によれば、上記第２方向における上記材料の熱伝導率は、下記の式（３）に基づいて計算される。

本発明の他の態様によれば、第１および第２の熱伝導率は、上記材料の前面の複数のポイントの各々で計算される。したがって、上記測定の信頼性を向上させ得る。よって、複数の第１および第２の温度が時間的に同一である２つのポイントで検出され得る。

本発明の他の態様によれば、複数の熱パルスが上記材料の前面の異なる箇所に印加され、第１および第２の熱伝導率は、各々の熱パルスにおいて計算される。そして、本発明の方法は、非均一材料、特に、粉砕された材料に使用され得る。そして、所定の限度を超えて変形された楕円を招く測定は無視され得る。

本発明の他の態様によれば、赤外線検出器の視界の中心軸は、上記材料の前面に印加された熱パルスの伝播方向に配向される。付加的にまたはその代わりに、赤外線検出器の視界の中心軸および／または上記材料の前面に印加された熱パルスの伝播方向は、上記材料の前面と少なくとも略垂直に配置される。傾斜された視野角および／または傾斜された投射角によって引き起こされる上記検出された温度フィールドおよび／または上記材料の前面に投射された上記パルススポットの幾何学的な歪みを避けることができる。そして、本発明に含まれる計算の複雑さを最小化できる。

本発明の他の態様によれば、上記赤外線検出器と、熱パルス生成器、特に、上記材料の前面に熱パルスを印加するためのレーザーとは、上記材料の同一面上に配置または置かれる。そして、サンプルの後面の温度の上昇を検出するレーザーフラッシュ方法によって要求されるような薄いサンプルの準備は必要ない。

本発明は、さらに、ある材料の熱伝導率を測定する装置、特には、本発明による、材料の熱伝導率を測定する方法を行うための装置を提供する。上記装置は、上記材料の前面に、熱パルス、特には、光パルスを印加する、熱パルス生成器、特には、レーザーを含む。上記装置は、結果としての上記材料の前面の時間依存性２次元温度フィールドを検出するように設計された赤外線検出器をさらに含む。さらに、上記装置は、上記検出された温度フィールドにおける等温線を確認するとともに、上記等温線の形状と上記材料の前面のある１点について、２つの時点で検出またはサンプルされた第１および第２の温度とに基づいて、上記材料の第１および第２の方向における上記材料の第１および第２の熱伝導率を計算するように設計された評価ユニットを含む。

上記熱パルス生成器および／または、上記熱パルス生成器に結合され、かつ、上記材料の前面に上記熱パルスを導くヘッド（head）は、第１位置と第２位置との間で動けることが好ましい。そして、上記第１位置においては、上記熱パルス生成器および／または上記ヘッドは、上記赤外線検出器の視界の中心軸上に位置し、上記第２位置においては、上記熱パルス生成器および／または上記ヘッドは、上記赤外線検出器の視界の中心軸から離れた位置、特には、上記赤外線検出器の視界（the field of view）から外れた位置に置かれる。

上記ヘッドおよび上記熱パルス生成器含む部品（assembly）および／または上記赤外線検出器のみでなく上記ヘッドも、上記材料の前面に印加される熱パルスの伝播方向に垂直な面内において、動くことができてもよい、言い換えると、上記材料の前面に平行に動くことができる。これは、上述したように、上記材料の前面の上記レーザーパルスが当たった異なる位置における上記第１および第２の熱伝導率の評価を可能にする。特に、上記第１および第２の熱伝導率の各々の平均値が計算されてもよい。

さらに、上記発明は、本発明による上記方法の態様に類似する本発明による上記装置の好ましい実施形態を含む。

さらには、その適用範囲は、ここに記載した説明から明確になるであろう。また、その説明および具体例は、単に説明のみを行うための意図であって、本発明の範囲を限定する意図ではないことは理解できるであろう。

ここで図示する図面は、単に図示の目的のみが含まれており、ともかく、本発明の範囲を限定する意図のものではない。

２次元温度フィールドの等温線の図である。 材料の熱伝導率を測定する装置のダイヤグラムである。 材料の熱伝導率を測定する方法のフローチャートである。

以下の説明は、本質的に単に一例であり、本発明、応用または使用を限定する意図のものではない。図面、類似または対応する部品および特徴を示す該当部材番号を介して、理解できるであろう。

等方性および非等方性の何れかであるある媒体または材料の熱伝導率を測定するため、
熱源、特には、瞬間的に、好ましくは、点状の光スポットまたは熱スポットを上記材料上に生成するレーザーを用いて、上記材料の平らな前面に熱パルスが印加される。上記前面は、熱パルスが印加される上記材料の面であり、特には、上記熱源と対面する面である。一般的に、材料のそれぞれの面は上記前面となり得る。点状位置において瞬間的に加熱された熱伝導性のない表面を有する半無限の媒体または材料を仮定するとともに、上記材料の上記表面に平行な熱伝導率テンソルの２つの軸を有する材料、特には、直交異方性材料を仮定すると、結果としての上記材料の前面の２次元温度フィールド（two-dimensional temperature field）は下記式（１）によって説明されることが本発明の発明者らによって確立された。

ここで、Ｔは時間τでのカルテシアン座標（Cartesian coordinates）における上記材料の平面である前面表面（ｚ＝０）上の点（ｘ、ｙ）での温度であり、Ｔ_iniは点（ｘ、ｙ）での初期温度であり、ｚは上記表面に垂直なカルテシアン座標であり、ｑは印加されたパルスのエネルギーであり、ρは上記材料の見かけ密度（apparent density）であり、ｃは上記材料の比熱であり、ｋ_ｙ＝λ_ｙ／λ_ｘ、λ_ｘおよびλ_ｙは平面内の第１および第２の方向ｘおよびｙにおける上記材料の熱伝導率である。

式（１）によるモデルにおいては、温度フィールドの等温線、言い換えると、同じ温度を有する座標点を結ぶ線は、半長軸（major semi-axes）aおよび半短軸（minor semi-axes）ｂを有する楕円で図示される。ここで、aおよびｂの長さの比は、下記式（２）に示されているように、第１および第２の方向ｘおよびｙにおける熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙの比の平方根と等しい。

実際、上記測定された温度フィールドの等温線は、理想的な楕円形状からずれている。したがって、例えば、上記半軸aおよびｂの長さは、最小スクエア方法（the method of least squares）を用いて、等温線の測定されたデータをカーブフィッティングすることにより、確定することができる。これは図１に図示されている。

上記式（１）から明らかなように、上記材料の前面表面の各々の点の温度は、吸収されたエネルギー量ｑに依存する。この量を評価するのは難しいが、時間τ_１および時間τ_２の２点における同一座標点での２つの温度の比θは、下記式（３）から導かれる。

他の測定から上記材料の見かけ密度ρおよび比熱ｃは既知であり、上記式（２）からｋ_ｙは既知であるので、そこから上記第２方向ｙにおける熱伝導率λ_ｙが計算される。

上記第２方向ｙにおける熱伝導率λ_ｙが既知であるので、上記第１方向ｘにおける熱伝導率λ_ｘは、上記式（２）に基づいて計算できる。

等方性材料、言い換えると、全ての方向において同じ熱伝導率値を有する材料においては、上記温度フィールドの等温線は円で示される、言い換えると、a＝ｂはｋ_ｙ＝１とする。したがって、本発明による上記方法は、非等方性材料の熱伝導性の測定、特には、直交異方性材料の熱伝導性の測定に適しているが、等方性材料にも適用できる。

第１および第２の熱伝導率の計算に用いられる点は、上記等温線上および／または上記等温線にフィットされた数学的関数上に置かれても置かれなくてもよい。さらに、一つ以上の等温線が特定されてもよく、したがって、一つ以上の対応する数学的関数が特定された等温線の複数にフィットされてもよい。これは、上記第１および第２の熱伝導性の計算の基礎となる上記数学的関数の幾何学的なパラメータの決定の正確性および／または信頼性を増加させる。

上記熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙの決定は、上記材料の前面の複数点に基づくことが好ましい。そこで、熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙは、図示されているような各々の点上において計算される。複数の第１および第２の温度が、時間τ_１および時間τ_２における同一の２つの連続する点でサンプルされる。そして、結果としての複数の熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙは、測定の正確性を増加させる、例えば、最小スクエア方法（the method of least squares）によってカーブフィットさせることができる。この接近は、熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙの決定が逆問題（inverse problem）であり、それ自体、悪い条件である、言い換えると、入力データにおける小さな誤差が出力においては大きな誤差を生成するという事実に基づく。この効果を軽減するため、上述した最適化が行われる。上記最小スクエア問題は、下記式（４）によって説明できる。

そして、Ｎは分析された座標点の総数であり、ｘｉおよびｙｉは点ｉのカルテシアン座標（Cartesian coordinates）であり、θmeasuredは瞬間τ_１およびτ_２で座標点ｉで測定された温度の比である。

ここで、図２を参照にしながら、上述した測定方法を行う装置が説明される。上記装置は、レーザーパルスを放射および／または送るように設計されたレーザー１１と、上記レーザー１１から光学ヘッド１５に光パルス送るための上記レーザー１１に結合された光学ファイバー１３と、を含む。上記光パルスは、上記ヘッド１５によって、フォカスされ、図示されてない材料の平らな前面上の点状位置に向けられる。上記レーザー１１は、レーザーコントローラ１７によって制御される。上記装置は、上記材料にエネルギーパルスの印加後に、上記材料の前面の温度フィールドを検出するための赤外線カメラ２１をさらに含む。

上記ヘッド１５は、リニアモーターによって、１次元内で動くことができる。上記ヘッド１５および赤外線カメラ２１を含む部品は、２ステップモーターによって、上記材料の前面に平行な２次元内で全体として動くことができる。上記リニアモーターおよび上記ステップモーターは、それぞれコントローラ２３に結合されている。レーザーコントローラ１７、赤外線カメラ２１、リニアおよびステップモーターコントローラ２３は、プロセッサー１９または評価ユニットに結合されている。プロセッサー１９は、結合部分を制御するとともに、上記熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙを決定するため、上記赤外線カメラ２１によって検出された温度フィールドを評価するためのソフトウェアを備えている。

上記レーザーパルスの持続期間は、例えば、０．０１ｓから１０ｓの範囲であってもよく、特には、０．０５ｓから１ｓの範囲であってもよい。上記レーザーパルスのエネルギーは、例えば、１０Ｗから５００Ｗの範囲であってもよく、特には、５０Ｗから３００Ｗの範囲であってもよい。上記レーザーパルスの波長は、６００ｎｍから１０００ｎｍの範囲であってもよい。上記媒体上に投射された上記パルススポットの直径は、可能な限り点状であるべきであり、実質的には、例えば、１ｍｍの直径を有してもよい。τ_１は、例えば、上記熱パルスの印加後の０．１ｓから１ｓの範囲であってもよく、τ_２は、例えば、上記熱パルスの印加後の０．４ｓから５ｓの範囲であってもよい。上記測定を行うための最適な値は、分析される材料に依存してもよく、したがって、上述した値と異なってもよい。

上記ヘッド１５と上記赤外線カメラ２１とは、上記材料の前面に接触させるため、下げられ得る閉じられた運転室２５にマウントされている。リミットスイッチ２７は、上記レーザー１１のオン／オフを切り替えるために用いられ得る接触信号を提供するため、上記運転室２７の下面上に配置されている。上記リミットスイッチ２７は、上記レーザー１１のコントロールできない放射を防止するため、安全上の理由で使用される。さらに、上記運転室２５内における上記装置の状態および／または較正動作をモニターおよび／またはチェックするため、光学カメラ２９が設けられている。

動作中において、上記レーザーパルスによって、上記材料の表面が加熱されることによって生じる放射強度は、上記赤外線カメラのイメージセンサまたは画素によって検出される。そして、上述したソフトウェアは、上記強度を上記材料の表面温度に変換する。そして、検出された隣接する画素の温度から補間されて求められてもよい等温線に対応する点が選択され、楕円は上記選択された等温線にフィットする最小スクエアによってカーブフィットされる。次のステップにおいて、上記材料の熱伝導性テンソルの対応する２つの主軸の比を決定するため、上記楕円の長軸および短軸の長さの比が用いられる。さらに次のステップにおいては、時間内に２つの選択された点で検出された２つの温度の比が、座標点の一セットについて計算される。上記比は、上記熱伝導率の一つを決定するため、最小スクエアフィットされた対応する測定された比である。そして、上記第２伝導度は上記式（２）から評価される。

上記赤外線カメラ２１の視界の中心軸は、上記検出された温度フィールドの幾何学的な歪みを避けるため、上記材料の照射される表面に垂直に配置される。さらに、上記ヘッド１５は、この表面上に投射された上記パルススポットの幾何学的な歪みを避けるため、上記レーザーパルスの伝播方向もまたこの表面と垂直になるように、方向づけられる。

第１位置において、上記ヘッド１５および上記赤外線カメラ２１は、同軸に、言い換えると、上記赤外線カメラ２１の視界の中心軸と上記ヘッド１５によって印加された上記光パルスの伝播方向とが、一直線となる。上記赤外線カメラ２１および上記ヘッド１５は、上記材料の同一面に置かれるため、上記ヘッド１５は、上記材料と上記赤外線カメラ２１との間にある。上記ヘッド１５の上記第１位置において、上記レーザーパルスが上記材料に印加される。

第２位置においては、上記材料の照射される表面の温度フィールドの検出が妨害されないように、上記ヘッド１５は、上記赤外線カメラの視界から外れて動かされる。上記ヘッド１５の動きは、上述したリニアモーターによって成し遂げられる。

上述した２ステップモーターは、上記ヘッド１５と上記赤外線カメラ２１とを含む部品全体を、他の位置に動かすために用いられる。これによって、いろいろな近い位置での上述した測定を繰り返すことが可能になる。これは、非均一な構造の材料、特には、炭素材料に上述した測定技術を用いることを可能にする。特に、上記材料は粒状の構造を有してもよい。しかしながら、上記モデルは一定の材料性質を仮定する。上記レーザーパルスの印加点付近における大きい粒の存在は、上記等温線の楕円形状を変形し得る。粒の中心に印加されないレーザーパルスに基づく測定においては、結果としての等温線は、楕円に似てなくてもよい。結果として、このような測定は拒絶されてもよい。異なる位置、特に、互いに近い異なる位置で複数の測定が行われるため、熱伝導率の決定の根拠となる十分な測定を維持する。特に、複数の測定は、得られる結果の一貫性のチェックおよび／または確認のために用いられてもよい。

熱伝導率の決定を行う方法の各ステップが、図３に要約されている。ステップＳ１においては、レーザーヘッドおよび赤外線検出器、特には、赤外線カメラの部品が位置ｊに位置する。ステップＳ２においては、上記媒体の平らな前面にレーザーパルスが印加される。ステップＳ３においては、上記前面の結果としての温度フィールドが記録される。ステップＳ４においては、上記温度フィールドの等温線が確認および／または選択され、楕円が上記等温線にカーブフィットされる。ステップＳ５においては、上記材料の前面の１セットの点において、モデル温度比が計算され、カーブフィットされる。そして、上記工程ループはステップＳ１に戻り（ステップＳ６に図示されているように）、上記レーザーヘッドおよび赤外線検出器は、上記ステップＳ１からＳ５の方法を繰り返すため、上記位置とは異なる次の位置に配置される。

表１および表２は、本発明による上記方法および装置を用いて、炭素材料一片について得られた実験結果を示す。

上記炭素材料の表面上の５つの異なるレーザーパルスの位置について、上記炭素材料の第１面の面内熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙが測定され、表１には、これらの測定結果が記載されている。さらに、他の測定技術による参照測定の該当する結果のみでなく、熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙの平均値も記載されている。

表１は、ある炭素材料の第１面上の熱伝導率λ_ｘおよびλ_ｙの測定結果である。

表２の測定は、表１の測定と同じ炭素片について行われているが、面内熱伝導率λ_ｚおよびλ_ｘを測定するため、上記炭素材料の第２表面に上記レーザーパルスが印加されるように、上記材料片が９０度回転されている。

表２は、表１における上記炭素材料の第２面上の熱伝導率λ_ｚおよびλ_ｘの測定結果である。

λ_ｙλ_ｘおよびλ_ｚは、分析される炭素材料における粒に沿った熱伝導率（thermal conductivities with grain）を示し、λ_ｙλ_ｘは、分析される炭素材料における粒に反する熱伝導率（thermal conductivities against grain）を示す。文献ASTM C 709-03a「製造された炭素およびグラファイトに関する標準用語（Standard Terminology relating to Manufactured Carbon and Graphite）」によれば、粒に沿った（with grain）という用語は、Ｘ線回折テストで測定される際に、最大ａ軸配向（the maximum a-axis alignment）を有する圧力が生成される好ましい方位である本体における方向を説明するために用いられ、粒に反する（against grain）という用語は、Ｘ線回折テストで測定される際に、最大ｃ軸配向（the maximum c-axis alignment）を有する圧力が生成される好ましい方位である本体における方向を説明するために用いられる。

本発明は、レーザーパルスによって調査される材料の平らな表面を加熱する思想に基づいており、赤外線カメラを用いて、上記材料の同一表面での温度フィールドを分析するためのものである。そして、上記カメラによってモニターされる温度フィールドは、評価ユニットおよび／またはコンピューターである、プロセッサーにおいて処理される。材料、特に、上記照らされた表面に平行な上記伝導度テンソルの２つの主軸を有する直交異方性材料においては、上記温度フィールドの等温線の形状が、上記面内熱伝導率の比を評価するために用いられる。そして、同一の記録された温度フィールドは、上記材料の熱拡散率を評価するために用いられる。これは、上記材料の表面上の選択された数の点各々および／または選択された数のカメラ画素の各々において、時間における適宜選択された２点での温度比を確定することにより成し遂げられる。上記材料の熱容量（Heat capacity）および見かけ密度は、別の実験において決定される。これらの材料の性質、面内における熱伝導率を知っているため、上記伝導度テンソルのエントリーが計算される。

この技術分野の当業者は、本発明の幅広い示唆が多様な形態で成し遂げられることを、上述した説明から理解できる。したがって、ここにおいて、この発明は、特定の例と関連して説明されているが、他の変形は、上記図面、上記明細書および後述する請求の範囲を検討する当業者には明確であるので、本発明の本来の範囲はこれに限定されるべきではない。

１１ レーザー
１３ 光学ファイバー
１５ 光学ヘッド
１７ レーザーコントローラ
１９ プロセッサー
２１ 赤外線カメラ
２３ リニアおよびステップモーターコントローラ
２５ 運転室
２７ リミットスイッチ
２９ 光学カメラ

Claims (17)

1. 材料の熱伝導率の測定方法であって、
   前記方法は、
   前記材料の前面に熱パルスを印加する工程と、
   赤外線検出器を用いて、結果としての前記材料の前面の時間依存性２次元温度フィールドを検出する工程と、
   前記検出された温度フィールドにおいて等温線を確認する工程と、
   前記等温線の形状と、前記材料の前面のある１点について、２つの時点で検出された第１および第２の温度と、に基づいて、前記材料の第１および第２の方向における前記材料の第１および第２の熱伝導率を計算する工程と、
   を含むことを特徴とする材料の熱伝導率の測定方法。
2. 数学的関数、特には、楕円が前記等温線にフィットされる、
   請求項１に記載の材料の熱伝導率の測定方法。
3. 前記カーブフィッティングを行うため、最小スクエア方法（the method of least squares）が用いられる、
   請求項２に記載の材料の熱伝導率の測定方法。
4. 前記第１および第２の熱伝導率は、前記数学的関数の少なくとも１つの幾何学パラメータに基づいて、特には、前記楕円の長軸および短軸の長さに基づいて、計算される、
   請求項２または３に記載の材料の熱伝導率の測定方法。
5. 前記第１熱伝導率と前記第２熱伝導率との比は、前記楕円の長軸の長さと前記楕円の短軸の長さとの比に基づいて計算される、
   請求項４に記載の材料の熱伝導率の測定方法。
6. λ_ｘおよびλ_ｙは、前記材料の第１および第２の方向における熱伝導率であり、
   aおよびｂは前記楕円の半長軸（major semi-axes）および半短軸（minor semi-axes）であるか、a＝ｂは円の半径であり、
   ｋ_ｙ＝λ_ｙ／λ_ｘである場合、
   前記第１方向における前記材料の熱伝導率は、下記式に基づいて計算される、
   請求項２から５のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
   

   
7. 前記第２方向における前記材料の熱伝導率は、前記第１温度と前記第２温度との比に基づいて計算される、
   請求項１から６のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
8. Ｔ（ｘ、ｙ、ｚ＝０、τ_１）は時間τ_１および座標点（ｘ、ｙ、ｚ＝０）での温度であり、
   Ｔ（ｘ、ｙ、ｚ＝０、τ_２）は時間τ_２および座標点（ｘ、ｙ、ｚ＝０）での温度であり、
   Ｔ_iniは点（ｘ、ｙ、ｚ＝０）での初期温度であり、
   ρは前記材料の見かけ密度であり、
   ｃは前記材料の比熱であり、
   λ_ｙは前記材料の第２方向における熱伝導率であり、
   ｋ_ｙ＝λ_ｙ／λ_ｘである場合、
   前記第２方向における前記材料の熱伝導率は、下記式に基づいて計算される、
   請求項１から７のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
   

   
9. 前記第１および第２の熱伝導率は、前記材料の前面の複数の点の各々において、前記方法で計算される、
   請求項１から８のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
10. 複数の第１および第２の温度が、時間的に同一である２点で検出される、
    請求項９に記載の材料の熱伝導率の測定方法。
11. 複数の熱パルスは、前記材料の前面の異なる複数の点に印加され、
    各々の熱パルスに対して、前記のように、第１および第２の熱伝導率が計算される、
    請求項１から１０のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
12. 前記赤外線検出器の視界の中心軸は、前記材料の前面に印加される前記熱パルスの伝播方向に沿って合わせられている、
    請求項１から１１のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
13. 前記赤外線検出器の視界の中心軸および／または前記材料の前面に印加される前記熱パルスの伝播方向は、前記材料の前面と垂直に配置されている、
    請求項１から１２のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
14. 前記赤外線検出器と、前記材料の前面に熱パルスを印加するための熱パルス生成器、特には、レーザーとは、前記材料の同じ面上に配置されている、
    請求項１から１３のいずれかに記載の材料の熱伝導率の測定方法。
15. 材料の熱伝導率を測定する装置であって、
    前記装置は、
    前記材料の前面に熱パルスを印加するための熱パルス生成器（１１）、特には、レーザーと、
    結果としての前記材料の前面の時間依存性２次元温度フィールドを検出する赤外線検出器（２１）と、
    前記検出された温度フィールドにおいて等温線を確認するとともに、前記等温線の形状と前記材料の前面のある１点について、２つの時点で検出された第１および第２の温度とに基づいて、前記材料の第１および第２の方向における前記材料の第１および第２の熱伝導率を計算する評価ユニット（１９）と、
    を含むことを特徴とする装置。
16. 前記熱パルス生成器（１１）および／または前記熱パルス生成器（１１）に連結され、かつ、前記材料の前面に前記熱パルスを導くヘッド（１５）は、第１位置と第２位置との間で動くことができ、
    前記第１位置においては、前記熱パルス生成器（１１）および／または前記ヘッド（１５）は、前記赤外線検出器（２１）の視界の中心軸上に置かれ、
    前記第２位置においては、前記熱パルス生成器（１１）および／または前記ヘッド（１５）は、前記赤外線検出器（２１）の視界の中心軸から離れた位置に置かれている、
    請求項１５に記載の装置。
17. 前記熱パルス生成器（１１）および／または前記ヘッド（１５）を含む部品と、前記赤外線検出器（２１）と、は、前記材料の前面に印加される前記熱パルスの伝播方向に垂直な面内で動くことができる、
    請求項１５または請求項１６に記載の装置。

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