JP2777822B2 - 非平面断熱材料の熱伝導性試験方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は断熱材料、特に断熱パイプのような非平面体
の形の断熱材料の熱伝導性を試験する方法及び装置に関
する。

断熱材料の熱伝導性は断熱システムを設計、比較する
時に第１に考慮される特性である。必要なレベルの断熱
を得るのに実際に必要なものよりも高価な断熱材料を使
用することは明らかにむだであるが、所定の断熱レベル
を得るために十分な断熱材料が与えられていることを保
証することも重要である。断熱材料の適切量の計算に
は、断熱システムの熱伝導特性の知識を伴う。このパラ
メータは、材料の固有熱伝導性の性質や使用される環境
及び形状的条件に依存する。したがって、実際の温度及
び断熱材料の形状は考慮に入れなければならない。

これは、しかし、たとえばパイプ用の有効かつコスト
的に有利な断熱システムの設計においては困難になって
いる。すなわち、従来にあっては、パイプに使用される
断熱材料の熱伝導性は原則として標準的な平板試験機で
測定されている。このような平板試験機において、代表
的には方形の加熱板はその周囲が板の縁部からの熱損失
を防ぐ保護リングによって囲まれている。また、試験し
ようとする断熱材料の平らなシート又はパネルは、加熱
板の両面に置かれ、かつ保護リングを覆って延びてい
る。そして、試験区分を定める加熱板は加熱され、保護
リングも又、加熱板の温度に合うように加熱される。断
熱材の熱伝導性は、その高温及び低温の面の温度の測定
及びそれを通って流れる熱の測定から計算される。しか
し、このようにして得られた熱伝導性の値は、パイプの
まわりに設置した時の断熱材料の熱伝導性の値を必ずし
も表しているものではない。すなわち、断熱材料がたと
えば繊維性であれば、繊維の向きが熱伝導性に影響す
る。したがって、試験機に取付けた断熱材とパイプのま
わりに取付けた断熱材との間で繊維の向きに差があれ
ば、試験機で測定した熱伝導性は実際の断熱システムに
おける熱伝導性を表していないことになる。更に、断熱
システム全体の有効熱伝導性は、幾つかの要因、たとえ
ば断熱材の当接部分又は熱膨張によって生じた隙間での
熱伝達や、金属ケーシングのような支持及び保護構造体
の作用によって影響を受けるものである。しかし、これ
ら要因の影響は平板試験機によって得られる値に含まれ
ない。

これらの制限を考えると、実際の使用条件に非常に似
通った配置にしてパイプ断熱材を試験することが望まし
い。また、パイプに取付けられた断熱材の熱伝導性を測
定するためには、断熱材を横切っての温度差、断熱材の
単位長さを通る熱量及び断熱材の物理的寸法を知ること
が必要である。断熱材の熱伝導性Ｌは、次式によって与
えられる。

Ｌ＝（Qxln（D/d））／（2xpix（ｔ−Ｔ）） ここに、Ｑはパイプの単位長さ当たりの熱流量、 Ｄは断熱材の外径、 ｄは断熱材の内径、 Pi＝3.1415926、 ｔは断熱材の内表面の温度、 Ｔは断熱材の外表面の温度。

しかして、従来、パイプ断熱材の熱伝導性の値を測定
するのに２つの方法が開発されている。しかし、いずれ
の方法も欠点を有している。すなわち、第１の方法にお
いては、断熱されたパイプのまっすぐな部分は断熱材料
の内側でパイプのまわりに巻かれた電熱素子によって加
熱される。また、パイプには熱電対が、特にパイプの中
央と両端との各中間の２つの場所に取付けられる。これ
ら中間の場所の間のパイプの中央部分は実際の試験部分
と考え、両端の部分は端効果を補償するための保護部分
として処理される。すなわち、パイプの中央部分及び両
端部分には、それぞれ、それらの加熱要素が備えられて
いる。各加熱要素に供給される電力は、試験部分の両端
とこれらに隣接する両保護部分との間の境界部に温度勾
配のない定常状態が得られるまで、各部分において独立
して調整される。この定常状態では、試験部分の両端を
通る熱の損失がなく、したがって試験部分の加熱要素に
よって与えられたすべての熱は試験部分のまわりの断熱
材料を通過することになる。このようにしてパイプ表面
の単位面積当たりの熱損失を得ることができ、熱伝導性
の値が求められる。しかし、この方法は、パイプの壁を
通して又はパイプの内側に沿って試験部分と保護部分と
の間に熱伝達はないと仮定している。このため、実際に
は、非常に精巧かつやっかいな配置を必要とし、熱の漏
れが全くなくならない場合には結果として不正確にな
る。更に、温度勾配の全くない条件を確立することは困
難であり、時間がかかる。

次に、第２の方法は２つのまっすぐなパイプを使用し
ており、その一方は他方より長くしてある。そして、長
い方のパイプはそれぞれ短いパイプの長さの半分とする
両保護部分の間に中央試験部分を有していると考える。
代表的には、２つのパイプは３メートルと１メートルの
長さであり、したがって、それぞれ0.5メートルの両保
護部分の間に２メートルの試験部分を有しているものと
することができる。短いパイプの半分ずつの熱的作用は
長いパイプの保護部分のそれと同じとする。各パイプに
は、前述した第１の方法と似た方法で加熱要素、熱電対
及び断熱材が取付けられる。そして、２つのパイプはあ
る温度範囲に加熱され、定常状態を得るために供給され
る電気加熱エネルギは平均パイプ温度に対して計画され
る。２つのパイプに与えられた熱エネルギの差は、長い
パイプの中央の試験部分からの熱損失と考えられる。し
かし、実際には、長いパイプの保護部分と同じ条件を短
いパイプに作ることは非常に困難か又は不可能であり、
したがってその結果はかなり不正確である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、
その目的は、既知の試験方法で遭遇した問題及び不正確
さを回避又は軽減する、パイプのような非平面体断熱材
料の熱伝導性を試験する方法を提供することにある。本
発明の目的は、また、その方法を実施する装置を提供す
ることにある。

すなわち、本発明によれば、閉ループに配置したパイ
プをこのパイプの外側に沿って延びる断熱材料で囲み、 前記パイプの内側と前記断熱材料の外側との間に温度
勾配をつけ、 前記断熱材料の内側と外側との間の温度差を測定し、 前記温度差から前記断熱材料の熱伝導性の示度を求め
る ことを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験方法
が提供される。

この方法を使えば、断熱されるパイプの端はなくな
り、したがって、測定を混乱させると共に量を測ること
が困難な熱損失は全くない。そして、この方法におい
て、熱損失又は他の測定を混乱させる主たる原因となる
のはパイプ支持体及び閉ループの隅部である。しかし、
これらの部分での熱損失は、最少にできると共に、正確
に測定又は算定することができる。

本発明によれば、また、閉ループに配置されていると
共に、断熱材料が外側を囲みかつ外側に沿って延びるよ
うに取付けられているパイプと、 このパイプの中に配置されて、パイプの内側と前記断
熱材料の外側との間に温度勾配をつける手段と、 前記断熱材料の内側と外側との間の温度差を測定する
感温手段と から成ることを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性
試験装置が提供される。

閉ループは、リング又は六角形のようないくつかの形
の任意のものとしてよいが、１つの都合のよい形状は方
形である。また、好ましくは、パイプはこのパイプの内
側へのアクセスを可能にする着脱可能なカバーを成す少
なくとも１つの部分を有しており、方形ループの場合
は、このカバー部分は方形の隅部に位置させることがで
きる。

温度勾配をつける手段は、代表的には、パイプ内に配
置される電気ヒータとすることができる。しかし、本発
明の装置はパイプを低温に維持するための断熱材料を試
験するために同じく使用することができ、この場合に
は、ヒータに代えて冷却装置が使用される。そして、ヒ
ータ（又は冷却装置）は、一般に、パイプ内に同軸に配
置されると共に、たとえばパイプの内表面に係合するス
パイダによって支持される。

また、好ましくは、パイプは支持骨組の中で熱伝導性
の低い材料のロッドに懸架される。これらのロッドは、
低熱伝導性の網で作られ、閉ループが方形であれば、方
形の内側の隅部に（たとてば溶接によって）固定され
る。

感温手段は、たとえばパイプにあけられた孔の中又は
パイプの外表面に形成された溝の中に位置される熱電対
とすることができる。代表的には、この熱電対は断熱材
料の内側と外側の温度をそれぞれ測定するために設けら
れ、その温度差は個々の測定から導びきだされる。

以下、本発明によるパイプ用断熱材料の熱伝導性を試
験する方法及び装置を、添付図面に参照して詳述する。

第１図及び第２図において、パイプ用断熱材試験機10
は、略箱状の骨組12（部分的に切除して示してある）の
中に収容されていると共に、この骨組の頂部にかけたＨ
フレーム16（これも部分的に切除して示してある）から
ロッド14によって懸架されている。試験機10は、それぞ
れ両端が斜め継ぎにされて溶接されることにより方形の
閉ループ20を成す４つのパイプ18を包含している。これ
らのパイプは、1000℃までの温度に耐えられる高温ステ
ンレス鋼又はニッケル・クロム合金で作られる。図示の
実施例において、パイプは断面が円形であるが、パイプ
の断面形状及びパイプの断面寸法は試験しようとする断
熱材料の用途に依存する。試験機10を構成している実際
のパイプ18の外径は50〜140mm程度、また壁の厚さは４
〜8mmである。更に、方形ループ20の寸法は、試験機10
の放熱に対し隅部の分担を最小にするため、できるだけ
大きくするのが好ましい（たとえば、パイプ18の断面寸
法の少なくとも６倍とする）が、一辺１メートルの方形
ループが満足する結果を与えることがわかっている。

ニッケル・クロム合金のような低熱伝導性材料のロッ
ド14は、方形ループ20の内側の各隅部に参照符号22で示
すように溶接され、その上端はＨフレーム16にナットに
よって固定されている。溶接部22はパイプ18の中線まで
しか延びておらず、方形ループ20の各隅部でパイプ18の
内部へのアクセスを可能にするために取り外すことがで
きるようにした分離キャップ又はカバーを成す部分24が
パイプ18の両端で着脱自在とされている。

パイプ18の中には3kWの電気ヒータ26が配置されてお
り、このヒータ26は石英ガラスの管30の中に入れたニッ
ケル・鉄・クロム又は鉄・アルミニウムのような裸抵抗
線のら旋コイル28から成る。管30は、一般に、この管30
とパイプ18の内壁との間を延びるステンレス鋼製のスパ
イダ32によってパイプ18の中に同軸に支持されている。
また、ヒータ26からの電源リードは、方形ループ20の隅
部の小さなアクセス孔34を通して、パイプ18の外の骨組
12に装着された端子ブロック36まで延びている。

第３図に示されるように、32個の熱電対38が４個ずつ
８つのグループでパイプ18に装着されており、各グルー
プは方形ループ20の各隅部及び各辺の中央部にそれぞれ
配置されている。また、各グループ中の４つの熱電対38
は、パイプ18の軸線を通る垂直面及び水平面から約10度
だけオフセットされて互いにパイプ周囲の四半分に離間
されている。このようにオフセットが与えられているの
で、熱電対38の位置はたとえば断熱材料44の一部円筒形
部分間の水平結合部又は垂直結合部と一致することはな
い。熱電対38は、ステンレス鋼に包まれた直径1mmのＫ
形装置である。熱電対38のリード40は、パイプ18内に収
容されている。すなわち、リード40は、アクセス孔34か
らパイプ18内に入り、第３図に示した位置でパイプ壁を
貫通してあけられた孔に収められている熱電対38にまで
パイプに沿って延びる。前記孔に収められた熱電対38
は、パイプ18の外表面と同一面に位置される。したがっ
て、熱電対38はパイプ18のまわりに取付けられた断熱材
料44の内側における温度を測定することができる。パイ
プ18の内部が熱電対38のリード40を収容するには狭すぎ
る場合には、前記孔に代え、パイプ18の外表面に沿って
加工された溝の中にリード40を配置してもよい。熱電対
38のリード40は、アクセス孔34を通って接続箱42まで延
び、それからこの接続箱42を介して電子電圧計のような
適当な測定装置への接続がなされる。

試験しようとする断熱材料44は、その材料の性質に適
した従来公知の方法でパイプ18に取付けられる。断熱材
料44として、代表的には、繊維材料がパイプ18のまわり
に巻回され、それからシート金属のおおいを使って固定
される。又は、欧州特許第0 212 872号明細書及び米国
特許第4 801 415号明細書に詳述されているような微孔
性断熱材料から成形された２つの半円筒形部分を、パイ
プ18を囲むようにして取付け、それからフレキシブルな
金属バンドで固定することもできる。

次いで、断熱材料44の外側の温度を測定するために、
断熱材料44の外側に更なる熱電対（図面を簡略にするた
め、図示も省略してある）を取付ける。このとき、所望
の表面処理を断熱材料44に施して、使用時の断熱材料44
の予想作動配置を再現することもできる。

断熱材料44の断熱特性は、その内側及び外側にある熱
電対によって示される温度に関し、定常状態を得るのに
十分な期間、ヒータ26を通電することによって試験され
る。このときの温度及びヒータ電力は記録されて、上述
の式に従って熱伝導性を計算するのに使用される。

ヒータ26のら旋コイル28のピッチを変えることによっ
て、方形ループ20の隅部における熱損失の不均一さの修
正を行うことができる。しかし、実際には、ピッチが均
一なコイル28であっても、方形ループの隅部に比較して
直線部分でのパイプ温度の差は微小であることが判っ
た。このため、前述した修正を省いたことによる誤差は
１、２％にすぎないであろう。

また、支持ロッド14に沿う温度勾配を測定し、この測
定した勾配に相当する熱流量を計算することによって、
支持ロッド14を介しての熱損失が考慮される。

上述の閉ループ試験機10によれば、パイプに使用され
る断熱材料を試験する簡単、適当かつ正確な方法を実施
できることが判った。そして、この方法により得られた
熱伝導性の値は、理論からの計算によって予測された値
とほぼ一致する。図示のような方形ループ20を使って
も、断熱材料の、特にその内表面における温度分布は驚
くほど均一である。これは、上述の式が断熱材料44の内
外の温度に関し、平均値Ｔ及びｔの使用を要求している
ので望ましいことである。また、熱損失は温度と表面の
向きとの関数なので、断熱材料44の外表面にはいくらか
の温度変化があり、パイプ18の周囲の表面の方向が違え
ば、相当の温度変化を生ずることが判った。しかし、外
表面の温度範囲が20〜100℃、断熱材料44を介しての温
度差が500℃では、見られる温度変化は±10℃である。
このように、平均温度を使えば、１％程度又はそれ以下
の小さな誤差しかならない。

更に、閉ループ20を使うことにより、パイプ18及び断
熱材料44の全体が試験装置の中に含まれてしまい、端部
損失の見積りや試験部分と保護部分との間の温度を平均
化するような特別な工程を全く必要としないという利点
がある。また、パイプ18の閉ループ20に与えられたすべ
ての熱は断熱材料44を通らねばならず、このため断熱材
料44を通って伝わる熱はヒータ26への電源入力から正確
かつ直接に求めることができる。そして、１つの電力制
御器及び電力計だけで十分であり、所定の熱レベルでの
熱伝導性を求める測定は比較的短い時間（代表的には10
時間）で完了する。

また、断熱材料44に金属クラッディング又は放熱シー
ルドのような要素を施した断熱システムを試験して、他
の要素と共に断熱材料44の完全な性能を知ることができ
る。これにより、金属クラッディングのような熱ブリッ
ジの影響を正確に評価することが可能となる。同様に、
パイプ18と断熱材料44との間の熱膨張差による実際的な
結果（接合部に隙間ができる）が容易に考慮される。し
かし、断熱材料44の熱伝導性の絶対値が必要であれば、
たとえば高温条件で断熱材料44をパイプ18に取付けて、
膨張による隙間ができないようにすることができる。

更に、試験装置が簡単であることは、製造するのに比
較的安価であると共に、小型で移動が容易であり、かつ
操作するのに熟練又は経験がほとんど必要ない利点があ
る。更に、その動作原理が簡単であり、また特に、試験
の下では与えられたすべての熱が断熱材料を通過しなけ
ればならないので、測定の分析により断熱材料の正確な
熱伝導性の値が求められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は試験しようとする断熱材料が取付けられた本発
明の熱伝導性試験装置を一部切除して示した図、第２図
は該試験装置を一部断面にして示した側面図、第３図は
該試験装置の一部を成す熱電対の位置を示した図であ
る。 10……断熱材試験機、12……箱状骨組、14……ロッド、
16……Ｈフレーム、18……パイプ、20……閉ループ、22
……溶接部、24……カバーを成す部分、26……電気ヒー
タ、28……ら旋コイル、30……管、32……スパイダ、34
……アクセス孔、36……端子ブロック、38……熱電対、
40……リード、42……接続箱、44……断熱材料。

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉ループ（20）に配置したパイプ（18）を
   このパイプの外側に沿って延びる断熱材料（44）で囲
   み、 前記パイプ（18）の内側と前記断熱材料（44）の外側と
   の間に温度勾配をつけ、 前記断熱材料（44）の内側と外側との間の温度差を測定
   し、 前記温度差から前記断熱材料（44）の熱伝導性の示度を
   求める ことを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験方
   法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、前記温度差
   は定常状態時の温度差であることを特徴とする、非平面
   断面材料の熱伝導性試験方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の方法において、前記
   断熱材料（44）の内側及び外側に感温手段（38）を配置
   したことを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験
   方法。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれか一項に記載の
   方法において、前記熱伝導性の示度に修正を加えて、前
   記パイプ用の支持体（14）による熱損失を補償すること
   を特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験方法。
5. 【請求項５】閉ループ（20）に配置されていると共に、
   断熱材料（44）が外側を囲みかつ外側に沿って延びるよ
   うに取付けられているパイプ（18）と、 このパイプ（18）の中に配置されて、パイプ（18）の内
   側と前記断熱材料（44）の外側との間に温度勾配をつけ
   る手段（26）と、 前記断熱材料（44）の内側と外側との間の温度差を測定
   する感温手段（38）と から成ることを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性
   試験装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の装置において、前記閉ルー
   プ（20）は方形の形にしたことを特徴とする、非平面断
   熱材料の熱伝導性試験装置。
7. 【請求項７】請求項６記載の装置において、前記パイプ
   （18）の断面寸法に対する方形の一辺の長さの比は少な
   くとも６であることを特徴とする、非平面断熱材料の熱
   伝導性試験装置。
8. 【請求項８】請求項５ないし７のいずれか一項に記載の
   装置において、前記パイプ（18）はこのパイプの内側へ
   のアクセスを可能にする着脱可能なカバーを成す少なく
   とも１つの部分（24）を有していることを特徴とする、
   非平面断熱材料の熱伝導性試験装置。
9. 【請求項９】請求項５記載の装置において、前記閉ルー
   プ（20）は方形の形にすると共に、前記パイプ（18）は
   このパイプの内側へのアクセスを可能にする着脱可能な
   カバーを成す少なくとも１つの成分（24）を有し、か
   つ、この着脱可能なカバー部分（24）は前記方形の隅部
   に位置されていることを特徴とする、非平面断熱材料の
   熱伝導性試験装置。
10. 【請求項１０】請求項５記載の装置において、前記閉ル
    ープ（20）はリング又は六角の形にしたことを特徴とす
    る、非平面断熱材料の熱伝導性試験装置。
11. 【請求項１１】請求項５ないし10のいずれか一項に記載
    の装置において、前記温度勾配をつける手段は前記パイ
    プ（18）内に配置した電気ヒータ（26）としたことを特
    徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験装置。
12. 【請求項１２】請求項11記載の装置において、前記ヒー
    タ（26）は不均一な加熱を与えるよう配置されているこ
    とを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験装置。
13. 【請求項１３】請求項５ないし12のいずれか一項に記載
    の装置において、前記パイプ（18）は熱伝導性の低い材
    料のロッド（14）に懸架されていることを特徴とする、
    非平面断熱材料の熱伝導性試験装置。
14. 【請求項１４】請求項５記載の装置において、前記閉ル
    ープ（20）は方形の形にすると共に、前記パイプ（18）
    は熱伝導性の低い材料のロッド（14）に懸架され、かつ
    このロッド（14）は前記方形の内側の隅部に固定されて
    いることを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試験
    装置。
15. 【請求項１５】請求項５ないし14のいずれか一項に記載
    の装置において、前記感温手段は前記パイプ（18）にあ
    けられた孔の中又は前記パイプ（18）の外表面に形成さ
    れた溝の中に位置された少なくとも１つの熱電対（38）
    としたことを特徴とする、非平面断熱材料の熱伝導性試
    験装置。