JP4049771B2 - 自然にもしくは人工的に暴露させる試料表面温度の非接触測定方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料が自然にもしくは人工的に暴露（ウェザリング）された場合に、試料の暴露に依存した経時変化を評価する方法に関する。本発明はまた、試料を人工的に暴露させる装置にも関する。

試料の人工的暴露装置は、使用中に自然の暴露条件に常時曝され、したがって太陽光、太陽熱、湿度などの環境による影響から被害を受ける材料の寿命を推定することを意図している。自然の暴露状況をよくシミュレートするためには、装置内で生じる光エネルギのスペクトラム分布が、できる限り自然の太陽放射のスペクトラム分布に近似している必要があり、そのような装置の放射源としてキセノン放射が使用されるのはそのためである。材料の経時変化試験を加速するには自然条件に比較して、必然的に、はるかに強い照射を試料に施して達成するが、これにより試料の経時変化が速められる。こうすれば試料の長期間にわたる経時変化の予測を比較的短時間で行うことが可能となる。

人工的暴露装置によって研究した大多数の試料は、重合体材料でできている。それらの暴露による劣化は、本質的には太陽光の紫外線成分によって起こる。この間に起こる第１次光化学プロセス、すなわち光子の吸収と励起状態もしくはフリーラジカルの発生は、温度に依存しない。しかしながらこれに続くポリマーまたは添加物との反応ステップは温度に依存する可能性があり、そのため経時変化を受けた材料を観察するとやはり温度に依存している。温度に依存する度合いは材質や材料特性によって異なるが、その材質や材料特性のばらつきも考慮される。

この事実に対応するために、重合体材料の人工的暴露に対して室温または試料の温度あるいはその両方は通常一定に維持される。経時変化の温度依存性のために、別の暴露実験の結果と互いに比較できるように、温度は一定でかつ既知である必要がある。

研究対象である試料材料の温度を直接測定することには、これまであまり取り組みがなされてこなかったので、暴露装置には温度センサが使用されており、その温度センサで測定された温度が試料温度を反映するものとされている。例えば、ブラックパネルセンサがそのような温度センサとして使用されることがある。特許文献１は、光源としてキセノンランプを備え、所定の強さの光を放射する暴露チャンバを有する暴露装置について記述している。暴露チャンバはまた、光源の周りに回転することができる、回転対称形の試料保持フレームを備えている。この試料保持フレームは、実験中の試料材料とブラックパネルセンサの両方を支持している。したがって、試料材料とブラックパネルセンサは、光源の放射場ならびにチャンバ内の他の共有条件に対して、等しい条件の下に曝される。試料温度を特定の範囲内に制御することができるようにするために、また暴露チャンバ内でそれを均質化するために、空気流が暴露チャンバ内にも吹き込まれ、光源に対して回転対称性を有して試料保持フレームおよびそれによって支持される試料材料とブラックパネルセンサ上を吹き渡る。空気流は、試料材料およびブラックパネルセンサからの熱の一部を分散させる。この方法は、ブラックパネルセンサによって測定された温度を暴露チャンバへの吹き込み空気流の強さを制御するための制御信号として使って、温度を調節するために採用することができる。

温度センサとして使用される、全てのブラックパネルセンサ、黒色標準センサおよび白色標準センサは、塗装された表面が作動中に光源に対向している金属板と、その金属板の背面に熱的に結合された熱依存性の電気部品とを有するように構成されている。該電気部品は一般的には白金抵抗（商品参照記号 Ｐｔ１００またはＰｔ１０００）のようなサーミスタで形成されていて、電気計測トランスジューサ回路に結合されている。

具体的には、黒色標準センサは一つの面が黒く塗装されたステンレス鋼板（厚さ１ｍｍ）を有し、Ｐｔ１００またはＰｔ１０００の抵抗が非塗装面に熱的に結合されており、ＰＶＤＦ（フッ化ビニリデン）の樹脂板が背面に当てられて白金抵抗を包み込んでおり、ステンレス鋼の覆い板を備えている。白色標準センサは同様な方法で構成されるが、作動中に光源に対向する面が白に塗装されている。黒色標準センサとは違って、ブラックパネルセンサは両面を黒に塗装され、ＰＶＤＦ絶縁体を持たない金属板を具備している。サーミスタは裏面に絶縁体無しで取り付けられる。

現在の標準に従った暴露装置では、各々の暴露プロセスに対する黒色標準温度を見出すことができるようにするために、黒色標準センサまたはブラックパネルセンサが使用される。黒色標準温度は、試料材料の表面温度に応じた範囲での上限側を構成する。白色標準センサもしばしば用いられるが、その温度測定は上記範囲の下限側を与える。この方法によって試料温度を求めることができ、適宜得られた温度の算術平均を試料温度の第１近似値として取り上げてよい。
欧州特許出願公開第０３２０２０９Ａ２号明細書

この従来の温度測定法の不利な点は、試料の表面温度を正確に定められないということである。暴露実験の比較可能性および再現性が現今要求されているが、このことは温度測定の正確さに対する厳密な要求を必然的に伴う。従来の温度測定法はこれらの要求に完全には合致しない。

したがって、本発明の一つの目的は、自然的または人工的に暴露される試料の、表面温度測定の正確さを高めることである。

この目的及び他の目的を達成するために、本発明の一の態様は、試料を、自然のまたは人工的な暴露の下に置き、試料の表面温度を暴露の間非接触測定する、ことを特徴とする、試料の暴露に依存する経時変化を評価するための方法である。

ここで、試料表面の黒体放射を記録し、その試料の推定されたもしくは実験的に求められた放射率の値に基づいて前記黒体放射からその表面温度を決定することができる。

また、前記黒体放射を較正されたパイロメータを用いて測定することができる。

また、所定の立体角を有する表面が放射する黒体放射を測定することができる。

さらに、暴露の間、試料を空間内で移動させ、空間の固定領域からの黒体放射を記録し、試料は、その試料表面が空間の前記固定領域を周期的に通過するように移動させることができる。

また、人工的な暴露に対しては、試料は放射源の周りの閉じた経路上を移動させることができる。

また、複数の試料を環状の閉じた保持フレームに取り付けて同時に暴露することができる。

さらに、試料に関する放射率の値を暴露の前に格納し、空間の固定領域に現在位置している試料を保持フレームの角度位置を使用して識別し、前記記録された黒体放射と試料に関して格納されている放射率とを使って温度を計算することができる。

本願発明の他の態様は、試料を人工的に暴露させる装置であって、放射源（４）と、暴露させる試料（３）を保持する保持手段（２）とを備える暴露チャンバ（１）と、非接触温度センサ（６）とを有することを特徴とする。

前記非接触温度センサ（６）を黒体放射検出器、特にパイロメータとすることができる。

また、保持手段（２）が環状の閉じた保持フレーム（２）によって形成されていて、放射源（４）の周りに同心状に配置され、前記放射源（４）の周りに回転運動をさせることができる。

また、温度センサ（６）は空間の固定領域に向けられており、保持フレーム（２）は、それが保持する１以上の試料が回転運動の間固定領域を周期的に通過するように設計することができる。

試料（３）の放射率の値を黒体放射検出器（６）に接続された評価回路内に格納するようにすることができる。

また、現在空間の固定領域に位置している試料（３）を、保持フレーム（２）の角度位置によって識別するようにすることができる。

さらに、温度センサ（６）が、常に水平方向に対して傾斜した角度で試料（３）に向けられている構成とすることができる。

本発明による試料の暴露に依存した経時変化を評価するための方法は、自然の、および人工的な暴露方法のどちらにも適している。本発明の一つの重要な考え方は、暴露作用期間における試料の表面温度を直接測定するという考え方である。これは非接触温度測定法を採用することで容易になる。

試料の表面温度は、従来のように黒色および白色標準センサのような補助具によって決定されることはもはや無く、試料自身からの測定で決定されるので、暴露作用中における表面温度をより正確に測定することが可能である。

このことによりまた、前記黒色あるいは白色標準センサ、またはブラックパネルセンサを備えたり、暴露試験機における使用前にそれらを較正する複雑な作業を行ったりする必要がなくなる。

本発明による非接触温度測定法は、試料表面の黒体放射を記録して、その記録された黒体放射の強さまたはスペクトル分布あるいはその両方から表面温度を決定する。これは市販のパイロメータを用いて行うことができ、対象となっている温度範囲に対応した測定範囲において少なくとも較正がされる。パイロメータは、試料表面の測定スポットを試料に対して特定の角度で固定するのに使用することができ、対応する立体角でこの測定スポットが放出する黒体放射を記録して、それによって表面温度を決定することができる。

非接触温度測定が黒体放射を測定して行われるとすると、黒体放射を放出する試料表面は理想的な黒体放射の特性（ε＝１）を有しているわけではなく、放射率εは常に１未満であるので、原則として、試料の表面材料の放射因子すなわち放射率が既知であることを前提条件としている。試料材料の放射率が持つ角度依存性もまた既知でなければならないが、これは上述のように、特定の立体角において放出された黒体放射がパイロメータによって記録されているからである。

暴露作用を受ける試料および対象物の放射率の数値に関しては、一方では文献から引用された表数値のような経験的な値を採用することが可能である。しかしながら、また、試料の放射率を実際の暴露作用の前に適切な方法で決定することも可能である。この場合には、試料の純粋な放射率が求められるので、記録された黒体放射から非常に正確な表面温度を決定することが可能である。

試料材料の放射率が実験的に事前に求められない場合、したがって放射率を正確に知ることができない場合でも、記録された黒体放射から放射率の推定値を使って表面温度を近似することができて、黒色および白色標準センサを使用して比較的大きな帯域の上限と下限温度だけが求められる従来の方法よりも優れた近似が可能である。

人工的に暴露を起こさせる現行の装置では、暴露される複数の試料片が通常は円環状に閉じた保持フレームに固定されて、キセノン発光器のような中央に配された放射源の周りを回転運動するようになっている。黒体放射を記録する検出器、例えばパイロメータを内部に配置することができ、それにより試料が回転運動中にそこを通り抜けるような固定測定スポットを固定する。次いで、放出される黒体放射と放射率から表面温度が求められるように、各試料ごとに放射率が格納される。保持フレームの現在の角度位置を使用して、パイロメータによって記録された黒体放射を特定の試料に割り振ることが好ましいであろう。次いで、この試料に対して格納されている放射率を使用して記録された黒体放射から表面温度を求めることができる。

試料を人工的に暴露するための本発明による装置は、放射源と暴露する試料を保持する保持手段を備える暴露チャンバと、非接触温度センサを有している。非接触温度センサは、特に（較正された）パイロメータのような黒体放射検出器である。

保持手段は、円環状に閉じられた保持フレームによって、本来知られている方法で形成されてよく、放射源の周りに同心状に配置され、放射源の周りに回転運動ができるようになっている。次いで非接触温度センサは空間の固定領域に向けられるように、好ましくは静止状態で揃えて固定される。暴露される試料が１個以上の場合は、それらは保持フレームに保持され、保持フレームが放射源の周りに回転運動する間、空間の固定領域を定期的に通過し、通過の度に非接触温度センサによって測定される。黒体放射検出器の場合では、試料の黒体放射は黒体放射検出器の方向に試料が空間固定領域を通過する度に放射され、検出器に記録される。

温度センサが黒体放射検出器の場合は、試料の放射率の値が検出器に接続されている評価回路に格納されている。特定の試料の黒体放射が記録される度ごとにその強さまたはスペクトル分布あるいはその両方が対応する放射率に関連付けられ、試料の表面温度が記録される。

試料が現に空間固定領域に位置している場合には、保持フレームの角度位置を使用して識別することができる。

添付図面を参照しながら一実施例にしたがって本発明の詳細を以下に説明する。

図１Ａと図１Ｂは本発明による暴露試験機を示し、図１Ａは長手方向の断面図、図１Ｂは平面図である。

閉じた円環状の保持フレーム２は、暴露チャンバ１内で回転できるように取り付けられ、試料３または対象物はその内壁に保持することができる。保持フレーム２は特に、円形の断面を有する。キセノン放射源４は、暴露チャンバ１の内壁に固定され、円筒と保持フレーム２の回転軸上に配置される。キセノン放射源４を使用すると自然光に類似した放射がされて、試料３がそれに曝される。キセノン放射源４は、当該暴露テストに適した環状フィルタ５に取り巻かれている。

暴露チャンバはまた、それ自体は既知の態様で、例えば加湿器などの他の人工的暴露機器も備えていてよいが、これらは本発明における重要な役割を演じるわけではない。したがって詳細には説明しない。また空気流を暴露チャンバ１にも吹き込んで、試料３近くを垂直方向へ吹き払うようにしてもよい。

保持フレーム２は好ましくは回転可能のように取り付けられ、その回転軸はキセノン放射源４の軸と一致するようになっており、そのため試料３は必然的にキセノン放射源４の周りの円形軌道上を動き、放射源からの距離が一定に保たれる。

図示した実施例においては、パイロメータ６が外側から取り付けられる開口部が暴露チャンバ１の上部壁に形成されている。これの代わりに、パイロメータはまた、暴露チャンバ１の内部の適所に配置されてもよい。図１Ａの例ではさらに、パイロメータ６は試料３に向けられた固定位置にあり、試料から発せられる黒体放射を記録する。黒体放射はしたがって、パイロメータ６により、常に水平方向に対して傾斜した角度で記録される。

パイロメータ６はしたがって、空間の固定された領域に対して取り付けられており、試料３が円形運動する間に周期的に通過する。図１Ｂの平面図から明らかなように、試料３によって発せられた黒体放射はしたがって、パイロメータ６によって間歇的に検出され、その間隔は保持フレーム２の回転速度と試料３の間隔によって決定される。一つの間隔が終了した後、パイロメータ６に接続されている評価回路において、記録された黒体放射からそれぞれの試料３に対して格納されている放射率を用いて、表面温度が計算される。保持フレーム２に固定された試料３の放射率の値は、評価回路内に格納することが可能である。黒体放射が記録されて後、最初に必要なことは、試料３を識別してこの試料３について格納されている放射率の値を探し出すことである。このために、保持フレーム２の角度位置をふさわしい方法で求め、保持フレーム２の特定の測定角度位置に対して、どの試料３が実際にパイロメータ６の固定測定領域にあるかを示すためにあらかじめ表を編集してもよい。このようにして測定時間ウインドウ内に黒体放射を放射した試料３が識別されると、試料３に対応する放射率が黒体放射の強さまたはスペクトル分布あるいはその両方に関連付けされて、そこから試料３の表面温度が得られる。

パイロメータ６は、好ましくは、温度範囲２０〜１２０℃において、測定領域が８μｍから１４μｍの間に較正される。

各試料３の表面温度は好ましくは暴露テストの間、継続的に記録される。

本発明による方法はまた、原則的には他の自然暴露の方法に対しても使用できる。ここで再び試料または対象物は保持フレームに固定され、閉じた経路を動いてパイロメータのような温度センサを通過するから、それにより異なった試料に向けるために、いちいちパイロメータの芯合わせをしなくてすむ。

本発明の暴露試験機を示す側断面図である。 本発明の暴露試験機を示す平面図である。

符号の説明

１ 暴露チャンバ
２ 保持フレーム
３ 試料
４ キセノン放射源
５ 環状フィルタ
６ パイロメータ

Claims (3)

1. 試料に関する放射率の値を暴露の前に格納すること、
   複数の前記試料を、放射源の周りを回転運動する、環状の閉じた保持フレームに取り付けること、
   固定測定領域に存在する前記試料と前記保持フレームの角度位置との関係を示す表を編集すること、
   前記試料を、前記放射源の周りの閉じた経路上を移動させつつ、人工的な暴露の下に置くこと、
   前記固定測定領域を周期的に通過する前記試料について、前記試料における表面の黒体放射を、較正されたパイロメータを用いて非接触測定すること、
   前記保持フレームの角度位置を使用し、前記固定測定領域に位置している前記試料を識別すること、
   測定された前記黒体放射と識別された試料について格納されている放射率とを使って、前記固定測定領域の通過時における前記試料の表面温度を決定すること、
   を特徴とする、試料の暴露に依存する経時変化を評価するための方法。
2. 放射源（４）、及び、暴露させる複数の試料（３）が取り付けられ、前記放射源（４）の周りを回転運動する、環状の閉じた保持フレーム（２）を備え、前記試料を、前記放射源（４）の周りの閉じた経路上を移動させつつ、人工的な暴露の下に置く暴露チャンバ（１）と、
   空間の固定された位置に取り付けられたパイロメータ（６）であって、固定測定領域を周期的に通過する前記試料について、前記試料における表面の黒体放射を非接触測定する、較正されたパイロメータ（６）と、
   前記パイロメータ（６）に接続された評価回路であって、
   暴露の前に格納された試料に関する放射率の値、固定測定領域に存在する前記試料と前記保持フレームの角度位置との関係を示す表、及び、前記保持フレームの角度位置に基づき、
   前記固定測定領域に位置している前記試料を識別し、測定された前記黒体放射と識別された試料について格納されている放射率とから前記固定測定領域の通過時における前記試料の表面温度を決定する、評価回路と、
   を有することを特徴とする、試料を人工的に暴露させる装置。
3. 前記パイロメータ（６）は、
   常に水平方向に対して傾斜した角度で前記試料に向けられていることを特徴とする、請求項２に記載の試料を人工的に暴露させる装置。

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