JP3547046B2 - Probe for measuring thermal conductivity - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特にガラス材料について、高温で溶融した液体状態から固体状態までの温度範囲のガラスの熱伝導率測定用プローブに関する。
【0002】
【従来の技術】
熱伝導率測定方法に、平板定常法、非定常レーザーフラッシュ法および非定常細線加熱法がある。特に流体の熱伝導率測定に関して、流体の熱対流の影響を除去することが重要であり、非定常細線加熱法がよく用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
高温で、固体から液体に変化するガラスのような材料の熱伝導率を正確に測定するためには、平板定常法では、固体から液体までを連続して測定できるセルの作製が困難であり、また非定常レーザーフラッシュ法では、常温の固体での測定精度は良いものの、高温の液体状態での信頼できる熱伝導率の測定は困難であるさらに、非定常細線加熱法においては、溶融したガラスのような高温の液体における熱伝導率を測定する場合、信頼性の高い結果を得るたことが困難であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】
非定常細線加熱法による高温で溶融した液体状態から固体状態までの温度範囲のガラスの熱伝導率の測定用プローブにおいて、発熱体と温度測定用の熱電対を併せ持っていること、2本以上の温度測定用の熱電対が直列につながれていること、温度測定用の熱電対の測定距離を熱電対の線径の50倍以下とすること、さらに、測定用プローブの外径を1.5mm以上5mm以下とするガラスの熱伝導率の測定用プローブである。
【0005】
熱電対の線径は0.5mm以上1mm以下である上記のガラスの熱伝導率の測定用プローブである。
また、測定用プローブの保護管の内部が酸化マグネシウム粉末で充填されていること、及び保護管が白金ロジウム合金からなる上記のガラスの熱伝導率の測定用プローブである。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1は、測定用プローブ5と測定試料14を入れる試料容器3の概略側面図を示したものである。図2と図3は、2本の熱電対を使用した本発明の測定用プローブ断面の概略図である。温度の測定感度を上げるために2本以上の熱電対を用いる。測定用プローブ管9の外径dpは1.5mm〜5mmの範囲にする。測定用プローブ管9は、保護管11の中に、熱電対温度計10、10’と加熱線12が、その間隙は充填材13で充填されて、設置されている。熱電対温度計10、10’は、クロメルーアルメル熱電対、白金ー白金ロジウム熱電対、ナイクルシルーナイシル系熱電対、タングステンーレニウム熱電対あるいはイリジウムーロジウム系熱電対などを、JIS Z 8704 に記載されているCrを主成分とする耐熱鋼、あるいはMoを主成分とする耐食鋼で作製した金属保護管、あるいは白金または白金ロジウム合金で作製した保護管内に設置したものを用いることが望ましい。
【0007】
加熱線12には、前記の熱電対用素線あるいは抵抗金属線を用いる。加熱線12も熱電対温度計と同様に、JIS Z 8704 に記載されているCrを主成分とする耐熱鋼、あるいはMoを主成分とする耐食鋼で作製した金属保護管、あるいは白金または白金ロジウム合金で作製した保護管内に設置したものを用いることが望ましい。
【0008】
充填材13は熱伝導性に優れ、高温での耐熱性が良い材料であり、酸化マグネシウム粉末が好ましい。
【0009】
保護管11は耐熱性があり、測定試料と反応しない材料で、測定精度に影響しない程度の熱伝導率の良い材料を用いる。ガラスの熱伝導率を測定する場合は白金ロジウム合金が好ましい材料の一つである。
【0010】
熱電対温度計10,10’の温度測定位置間の距離dtは、図示していない熱電対の線径dcの50倍以下にする。
【0011】
測定試料14が液体の場合、測定試料14の外径dsは測定試料を入れる容器3の内径と同じである。測定試料14が固体であっても、熱伝導率を測定する温度において軟化し、形状を保たないような場合は、試料容器3を用いる。軟化しない場合は、輻射による測定誤差が無いようにするため、測定試料の全面に、耐熱性のある金属酸化物膜、あるいは金または白金などの酸化をしない金属膜を塗布することが望ましい。
【0012】
測定試料14が固体の場合、測定試料14に測定プローブ管9の外径とほぼ同じ大きさの孔をあけ、その孔に測定用プローブ管を挿入する。さらに、測定試料にあけた孔と挿入した測定用プローブ管9の間を、測定試料の粉末で充填して、測定誤差を小さくする。
【0013】
測定試料14が高温で液体になる場合は、測定試料14は測定容器3に入れておき、高温にして、液体となった測定試料14に測定用プローブ管9を挿入し、温度を下げて、低温の固体の状態で測定を行ったほうがよい。
【0014】
試料容器3を用いる場合、精度に及ぼす輻射の影響を検討しやすくするため、試料容器に蓋15をする。蓋15は図1に示すように、試料容器3の内側に適当なストッパー16を設け、測定試料14に接するように置くことが望ましいが、単に試料容器3の上に載せるだけでも良い。
【0015】
試料容器3および蓋15は、測定試料と反応しないもので、測定温度に対する耐久性がある材料で作製する。高温の溶融ガラスの場合は、白金で試料容器3を作製することが望ましい。
【0016】
図1に示す測定用プローブ5と試料容器3を、図5に示すように、電気炉4の中に置く。測定試料14の温度は、電気炉4により熱伝導率を測定する所定の温度に保持する。測定試料14の温度は、測定用プローブ5によって測定する。
【0017】
測定試料14の温度が熱伝導率を測定する所定の温度になった後、電源1により、加熱線12に加熱用配線2を介して電流を流し、単位長さ当たりおよび単位時間当たりの発熱量が一定となるように、加熱線12を加熱する。加熱開始と同時に、測定用プローブ管9に設置された温度計10により加熱線12の加熱線温度θを測定する。
【0018】
加熱線12に電流を流して発生した熱量qを用いて、測定試料14の熱伝導率λは、次の(1)式で算出される。
【0019】
λ=(q/4π)/(Δθ/ln(t2/t1)) (1)
ここに、Δθ=θ2ーθ1である。またθ1は測定開始後、時刻t1での加熱線温度であり、θ2は測定開始時刻t2における加熱線温度で、t1,t2は加熱線12の温度上昇ー対数時間線図の勾配が一定となっている、直線部分の領域内での時刻である。
【0020】
細線加熱法において、Δθとln(t2/t1)の関係はおよそ図6に示すようであり、温度上昇ー対数時間線図の勾配がいってとなっているAの部分から、測定試料の熱伝導率λを(1)式によって求める。ガラスが高温である場合は、測定時間がある程度経過すると、温度上昇ー対数時間線図は直線からはずれ、曲線部分Bのようになだらかになる。この部分ではガラス資料内に対流が生じており、(1)式が適用できない。
【0021】
加熱線温度θはデータ収録装置7に温度測定用配線6を介して収録され、データ処理装置8を用いて、時計を用いて測定した時刻tと共に(1)式による演算処理等を行う。データ収録装置7は温度計10に対応した温度測定器であり、測定は電気的に電圧あるいは電流で行う。さらに、温度の測定値はA/D変換されて、データ処理装置8に取り込まれる。データ処理装置8にパーソナルコンピュータを用いる場合は、パーソナルコンピュータに内蔵されている時計で自動的に時刻t1、t0を読み込む方が精度的に好ましい。
【0022】
【実施例】
測定用プローブ管の管径dpと温度測定位置間の距離dtを、本発明に適合させた実施例1から実施例4の測定と、本発明に適合しない比較例1から比較例3の測定を行った。その結果を表1にまとめて示す。測定試料にはフロートガラスを用いた。また加熱線にはクロメルーアルメル熱電対用素線を用い、熱電対にはクロメルーアルメル熱電対を用いた。
【0023】
【表1】
【0024】
図6は、実施例1において測定した、温度上昇ー対数時間線図である。線図1は測定試料の温度が700℃の場合であり、線図2は測定試料の温度が1000℃の場合である。また、熱伝導率の測定結果は図7の通りある。他の実施例でも同様の結果が得られ、精度の良い測定ができることを確認した。
【0025】
【発明の効果】
本発明の熱伝導率測定装置により、高温における材料の熱伝導率が測定でき、製造条件を検討するための貴重なデータを得ることを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図1】測定用プローブと試料容器の配置を示す概略側面図。
【図2】本発明の測定用プローブの断面を示す図。
【図3】図2A−A’の断面を示す図。
【図4】本発明の実施例の結果を示す図。
【図5】熱伝導率測定装置の全体を示す概略側面図。
【図6】時間経過に対する温度変化を示すグラフ。
【図7】実施例1で測定した、試料温度に対する熱伝導率を示すグラフ。
【符号の説明】
1 電源
2 加熱用配線
3 試料容器
4 電気炉
5 測定用プローブ
6 温度測定用配線
7 データ収録装置
8 データ処理装置
9 測定用プローブ管
10 熱電対温度計
11 保護管
12 加熱線
13 充填剤
14 測定試料
15 蓋
16 ストッパー[0001]
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
Thermal conductivity measurement methods include a flat plate steady state method, an unsteady laser flash method, and an unsteady fine wire heating method. Particularly in the measurement of the thermal conductivity of a fluid, it is important to remove the influence of thermal convection of the fluid, and the unsteady fine wire heating method is often used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In order to accurately measure the thermal conductivity of a material such as glass that changes from a solid to a liquid at high temperatures, it is difficult to make a cell that can continuously measure from a solid to a liquid using the steady-state flat plate method. In the transient laser flash method, although the measurement accuracy is good for a solid at room temperature, it is difficult to measure the thermal conductivity reliably in a liquid state at a high temperature. When measuring the thermal conductivity in such a high-temperature liquid, it has been difficult to obtain highly reliable results.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A probe for measuring the thermal conductivity of glass in the temperature range from the liquid state melted at a high temperature to the solid state by the unsteady fine wire heating method, having both a heating element and a thermocouple for temperature measurement . The thermocouple for temperature measurement is connected in series, the measurement distance of the thermocouple for temperature measurement is 50 times or less of the wire diameter of the thermocouple, and the outer diameter of the probe for measurement is 1.5 mm or more. This is a probe for measuring the thermal conductivity of glass having a size of 5 mm or less.
[0005]
This is a probe for measuring the thermal conductivity of the above glass having a thermocouple wire diameter of 0.5 mm or more and 1 mm or less.
Further, the inside of the protective tube of the measuring probe is filled with magnesium oxide powder , and the protective tube is a probe for measuring the thermal conductivity of the above glass made of a platinum-rhodium alloy.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic side view of a
[0007]
As the heating wire 12, the aforementioned thermocouple wire or resistance metal wire is used. Similarly to the thermocouple thermometer, the heating wire 12 is a metal protective tube made of a heat-resistant steel mainly composed of Cr or a corrosion-resistant steel mainly composed of Mo described in JIS Z8704, or platinum or platinum rhodium. It is desirable to use one installed in a protective tube made of an alloy.
[0008]
The filler 13 is a material having excellent thermal conductivity and good heat resistance at high temperatures, and is preferably a magnesium oxide powder.
[0009]
The protective tube 11 is made of a material that has heat resistance and does not react with the measurement sample and has a high thermal conductivity that does not affect the measurement accuracy. When measuring the thermal conductivity of glass, a platinum-rhodium alloy is one of the preferred materials.
[0010]
The distance dt between the temperature measurement positions of the
[0011]
When the measurement sample 14 is a liquid, the outer diameter ds of the measurement sample 14 is the same as the inner diameter of the
[0012]
When the measurement sample 14 is a solid, a hole having substantially the same diameter as the outer diameter of the measurement probe tube 9 is made in the measurement sample 14, and the measurement probe tube is inserted into the hole. Further, the gap between the hole formed in the measurement sample and the inserted measurement probe tube 9 is filled with the powder of the measurement sample to reduce the measurement error.
[0013]
When the measurement sample 14 becomes a liquid at a high temperature, the measurement sample 14 is put in the
[0014]
When the
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
After the temperature of the measurement sample 14 reaches a predetermined temperature at which the thermal conductivity is measured, an electric current is supplied from the
[0018]
The heat conductivity λ of the measurement sample 14 is calculated by the following equation (1) using the amount of heat q generated by flowing a current through the heating wire 12.
[0019]
λ = (q / 4π) / (Δθ / ln (t 2 / t 1 )) (1)
Here, a [Delta] [theta] = theta 2 over theta 1. Further, θ 1 is the heating line temperature at time t 1 after the start of the measurement, θ 2 is the heating line temperature at the measurement start time t 2 , and t 1 and t 2 are the temperature rise of the heating line 12-logarithmic time diagram. Is the time within the area of the straight line portion where the gradient of is constant.
[0020]
In the thin wire heating method, the relationship between Δθ and ln (t 2 / t 1 ) is approximately as shown in FIG. 6, and from the part A where the slope of the temperature rise-logarithmic time diagram is described, the measurement sample is shown. Is determined by the equation (1). When the temperature of the glass is high, the temperature rise-logarithmic time curve deviates from a straight line and becomes gentle like a curved portion B after a certain measurement time has elapsed. In this part, convection occurs in the glass material, and the equation (1) cannot be applied.
[0021]
The heating line temperature θ is recorded in the
[0022]
【Example】
The distance between the diameter dp of the probe tube for measurement and the distance dt between the temperature measurement positions was measured in Examples 1 to 4 adapted to the present invention and in Comparative Examples 1 to 3 which were not adapted to the present invention. went. The results are summarized in Table 1. Float glass was used as a measurement sample. In addition, a chromer-almer thermocouple wire was used as a heating wire, and a chromer-almer thermocouple was used as a thermocouple.
[0023]
[Table 1]
[0024]
FIG. 6 is a temperature rise-logarithmic time diagram measured in Example 1. The diagram 1 shows the case where the temperature of the measurement sample is 700 ° C., and the diagram 2 shows the case where the temperature of the measurement sample is 1000 ° C. The measurement results of the thermal conductivity are as shown in FIG. Similar results were obtained in other examples, and it was confirmed that accurate measurement was possible.
[0025]
【The invention's effect】
The thermal conductivity measuring device of the present invention can measure the thermal conductivity of a material at a high temperature, and can obtain valuable data for studying manufacturing conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view showing the arrangement of a measurement probe and a sample container.
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a measurement probe of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a cross section of FIG. 2A-A ′;
FIG. 4 is a diagram showing the results of an example of the present invention.
FIG. 5 is a schematic side view showing the entire thermal conductivity measuring device.
FIG. 6 is a graph showing a temperature change with time.
FIG. 7 is a graph showing the thermal conductivity with respect to the sample temperature measured in Example 1.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
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1999
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