JP2017194323A - 熱伝導率計 - Google Patents

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Kosuke Tejima
康介 手嶋
昌明 石倉
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昌明 石倉
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Abstract

【課題】連続して、複数のサンプルの熱伝導率を短い時間で測定できる熱伝導率測定装置と方法を提供する。【解決手段】試料表面に当接されるヒータ線と、当該ヒータにより加熱された試料の温度を測定する温度センサを有するプローブを備え、ヒータ線に微小電流を印加し、所定短時間でのヒータ線の近傍の試料の上昇温度に基づいて、熱伝導率を測定する熱伝導率測定計において、複数のプローブを備え、ヒータ切替手段は、当該複数のプローブのヒータを順次切替えて電流を流す。温度センサ切替手段は、前記切り替えられたヒータに対応する温度センサよりの出力直を計測・制御部に入力すると、当該計測・制御部は、前記ヒータによる加熱時間と当該ヒータに対応する温度センサの出力とに基づいて試料の熱伝導率を演算する構成となっている。【選択図】図1

Description

本発明は熱伝導率計に関し、特に、複数プローブを用いた熱伝導率計に関するものである。
細線加熱法(熱線法ともいう)による熱伝導率の測定は、例えば特開平10-221280、特開平09-210933に開示されている。
特開平09-210933に基づいてさらに説明すると、図4に示すように、無限円筒と見なせる形状で均質な試料1の中心に張られるヒータ線2に電源4から所定の電流値の電流を印加し、その印加開始後から終了までの間に所定の時刻t1 におけるヒータ線2近傍の試料1の温度T1 と、これよりも更に一定時間経過した時刻t2 における上記試料1の温度T2 を温度センサ3によって測定し、該2つの温度T1 ,T2 とに基づいて熱伝導率λを計測する方法である。この場合、上記温度センサ3としては熱電対が用いられるほか、ヒータ線2として、白金線を用い該白金線の温度による抵抗変化を温度として検出する構成を用いているものもある。
この方法の測定原理は以下の通りである。即ち、電源4からヒータ線2に一定電力を与え続けるとヒータ線2の近傍の試料温度が図5に示すように時間の経過と共に指数関数的に上昇し、時間軸を対数目盛りにすると図6に示すように昇温カーブが直線になり、熱伝導率の小さい試料1では昇温が速いのでこの直線の傾きは大きくなり、逆に熱伝導率の大きい試料1ではこの直線の傾きは小さくなる。従って、熱伝導率λは対数時間における昇温グラフの傾きに対応し、この傾きは熱伝導率演算手段7で試料1の熱伝導率λを次の数式1に従って求めることができる。
Figure 2017194323
ここで、qはヒータ線2の単位時間、単位長さ当たりの発熱量である。この細線加熱法によれば、これらq,t1 ,t2 ,T1 ,T2 から直接に熱伝導率λを求めることができ、又、ヒータ線2に電流を印加してから10〜200秒の短い時間で測定でき、その間の試料1の温度上昇も20℃程度に止まるので、熱伝導率の温度依存性が大きい試料1に対して非常に有効な測定法である。
尚、図4において、符号8は印加電流値を制御する電流制御手段である。
従来、上記プローブ数は1であり、従って、複数回の測定をしようとすると、上記1のプローブを用いて複数回の加熱を繰り返すことになる。
特開平10-221280号公報 特開平09-210933号公報
ところで、特定の試料についての熱伝導率を得ようとする場合、複数回測定して、その平均値を採ることが一般的である。この場合、試料を加熱して1回目の測定を終了するまでに1分必要であると仮定し、次いで2回目の測定を開始するまでに試料を元の温度にまで戻すのに10分必要であるとすると、3回の連続測定をするのに23分を要することになる。
あるいは、ある物質について、試料の表面と試料の内部についての熱伝導率を測定したい場合についても、まず最初に表面あるいは内部の熱伝導率を測定することになるが、そのときの加熱の影響を避ける必要上、その測定から一旦試料がもとの温度に戻るまで待って、他方の測定をすることになる。
サンプルが少ないときは、上記のような方法でも差たる支障はないが、サンプルが多くなると、時間的なロスは非常に大きくなる。
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、連続して、あるいは同時に複数のサンプルの熱伝導率を短い時間で測定できる熱伝導率測定装置と方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために以下の方法を採用している。
試料表面に当接されるヒータ線と、当該ヒータにより加熱された試料の温度を測定する温度センサを有するプローブを備え、ヒータ線に微小電流を印加し、所定短時間でのヒータ線の近傍の試料の上昇温度に基づいて、熱伝導率を測定する熱伝導率測定計において、複数のプローブを備え、ヒータ切替手段は、当該複数のプローブのヒータを順次切替えて電流を流す。温度センサ切替手段は、前記切り替えられたヒータに対応する温度センサよりの出力直を計測・制御部に入力すると、当該計測・制御部は、前記ヒータによる加熱時間と当該ヒータに対応する温度センサの出力とに基づいて試料の熱伝導率を演算する構成となっている。
まず、プローブの数、あるいはそれ以下の数の試料に各プローブを当接しておく。この状態で、特定の試料についての測定が終了すると、次の特定の試料に当接したプローブを稼動させる。この作業を順次進めて複数の試料からの熱伝導率を得ることができる。同一素材について複数の試料からのデータを得ようとするときに時間的に有効となる。
本発明の概要を示す斜視図。 本発明のプローブを示す斜視図。 本発明の機能ブロック図 本発明の原理を示す図。 試料の温度上昇を示す図。 図5の横軸を対数とした図。
図1は本発明の外観を示す斜視図、図2はプローブ単体の底面図である。
図2(b)に示すようにプローブ20は底面に断熱材21が配設され、当該断熱材21の底面(以下に説明するように試料と接する面)は上記のようにヒータ線2が中央に配設され、温度センサ3(熱電対)の計測位置Pがヒータ線2の近傍に位置するように「く字状」に配置されている。この構成により試料の加熱と、そのときの温度の測定ができることになる。
図2(a)に示すように、本体10から各プローブ20への電力あるいは信号の授受をする雌コネクタ31が、本体10側には、前記雌コネクタ31に符合する雄コネクタ(図外)が設けられる。図1に示すように、本発明では、上記の構成のプローブ20(20a、20b、20c)を複数(ここでは3個)備え、各プローブ20を前記コネクタ31で、本体10に接続できる構成となっている。
図3は本発明ブロック図である。
前記各プローブ20のヒータ2はヒータ切替部30を介して制御部41で切替制御される。当該ヒータ切替部30には定電流回路50からの電流が各プローブ20に供給され、前記制御部41より出される切替制御信号で指定されたプローブ20のヒータ2に定電流が供給されるようになっている。
前記各プローブ20の温度センサ3(3a、3b、3c)は増幅部61とA/D変換部62を介して計測部42にその出力値が入力されるようになっており、A/D変換部62にも、前記切替制御信号が入力され、前記選択されたプローブ20よりの温度が計測される。
このように構成された熱電導率計は以下のようにして使用する。
まず、特定の物質についての熱伝導率の測定をしようとするときであって、複数回のデータを得たいときは、同一物質の同じ形状の試料1を所定数用意し、図1に示すように各試料1(1a、1b、1c)にプローブ20(20a、20b、20c)を設置する。この状態で各プローブ20のヒータ2(2a、2b、2c)に通電して試料1を加熱し、温度センサ3(3a、3b、3c)より計測部41で温度を得る。この処理を各試料に対して順次実行する。これによって、3分程度で熱電導率が測定できることになる。
また、プローブ20には、前記図2で説明したように試料の表面に配設できるタイプと、試料に直接差し込むタイプがある。ここで試料の表面の熱伝導率と内部の熱伝導率を同時に測定する場合、1の試料の表面に前記表面用のプローブを配設しておき、他の1の試料に対して内部用のプローブを指し込んでおくことになる。この状態で、まず、いずれか一方のプローブを作動させ、ついで他方のプローブを作動させるようにする。
上記の各プローブによる測定は、温度が安定してから行われる。すなわち計測部41には温度安定判定部421が備えられヒータ2で加えた熱が安定したか否かを判定する。温度が安定したか否かは、以下の手順に従う。
まず、一定期間の温度データを取得する(例えば、240個/2分)。次いで、当該、一定期間の温度データの最大-最小の温度差を求め、その温度差の幅が規定範囲以内なら温度安定範囲とする(例えば、0.75℃)。さらにその時点から温度差幅の上記と同じ規定範囲を一定期間(例えば1分)維持できれば、“温度安定”と判断する。
表1に発泡ポリエチレンの熱伝導率(真値0.03675w/mK)を測定した結果を示す。測定温度の安定性を監視した場合としない場合の測定値を比較した。本願のように温度の安定性を監視した場合はより正確な熱伝導率が測定できることが理解できる。また、本願は試料1毎に異なるヒータ2と温度センサ3を備えているので、温度の安定性を得やすいことになる。
Figure 2017194323
以上説明したように本発明は、複数のプローブを備えて、各プローブで別個の試料を加熱し、各プローブの温度センサからの出力と加熱時間に基づいて試料の熱伝導率を測定することができるので、熱伝導率を迅速に測定することができる。
1:試料
2:ヒータ
3:温度センサ
20(20a、20b、20c):プローブ
21:断熱材
30:ヒータ切替部
31:コネクタ
40:計測・制御部
50:定電流回路
61:増幅部
62:A/D変換部

Claims (2)

  1. 試料に当接されるヒータ線と、当該ヒータにより加熱された試料の温度を測定する温度センサを有するプローブを備え、ヒータ線に微小電流を印加し、所定短時間でのヒータ線の近傍の試料の上昇温度に基づいて、熱伝導率を測定する熱伝導率測定計において、
    複数のプローブと、
    前記複数のプローブのヒータを順次切替えて電流を流すヒータ切替手段と、
    前記切り替えられたヒータに対応する温度センサよりの出力直を計測・制御部に入力する熱伝対切替手段と、
    前記ヒータによる加熱時間と当該ヒータに対応する温度センサの出力とに基づいて試料の熱伝導率を演算する計測・制御部と、
    を備えたことを特徴とする、熱伝導率測定装置
  2. 試料に当接されるヒータ線と、当該ヒータにより加熱された試料の温度を測定する温度センサを有するプローブを用い、ヒータ線に微小電流を印加し、所定短時間でのヒータ線の近傍の試料の上昇温度に基づいて、熱伝導率を測定する熱伝導率測定方法において、
    複数のプローブを試料に当接するステップ、
    前記複数のプローブのヒータを順次切替えて電流を流すヒータ切替ステップと、
    前記切り替えられたヒータに対応する温度センサよりの出力直を計測・制御部に入力する熱伝対切替ステップと、
    前記ヒータによる加熱時間と当該ヒータに対応する温度センサの出力とに基づいて試料の熱伝導率を演算する演算ステップと、
    を備えたことを特徴とする、熱伝導率測定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109991275A (zh) * 2019-04-29 2019-07-09 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种用于裂缝系统换热效率的测试系统及使用方法

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