JP4171817B2 - 熱物性測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種物質の熱拡散率、熱容量、熱伝導率等の熱物性値を測定するに際し、試料と試料ホルダを接触させて試料の温度制御を行うようにした熱物性測定方法及びその方法を実施する装置に関する。

熱を発生する機器や高温で使用する機器の熱移動解析を行うためには、機器の構成材料について熱の移動と蓄積に関わる、例えば熱拡散率、熱容量、熱伝導率等の熱物性値を測定することが必要となる。

試料表面および裏面を光加熱・非接触観測測温により上記のような熱物性値を算出する手法を用いた従来の測定装置の適用温度範囲は、一般に、室温以上の温度領域である。特に、その温度領域の中でも、室温〜５００℃程度の温度制御が非常に難しく、また、室温よりもやや低温での測定も同様に制御が難しく、実現が困難であった。

一般に試料の熱物性を測定するに際しては、理想条件として試料の周囲において断熱境界条件が想定されるため、周辺との熱接触が起こらないようにすることが望まれる。そのため、温度センサが試料に接触していない状態で試料温度を求めることが要請される。また、試料と温度センサ感温部との温度の対応が不明確であることが多く、試料の温度を正確に測定することができなかった。

熱物性の測定に際しては、上記のような問題点が存在するにも関わらず、実際の熱物性値の需要は、室温付近（低温も含む）〜３００℃付近が多く、このような範囲の温度測定は困難であるという上記のような問題があった。

一方、従来より熱物性の測定手法としてレーザフラッシュ法に代表される光加熱・非接触観測測温により熱物性値を算出する手法が存在する。この手法は、例えば図６に示すように、真空室２１内の試料２２に対して、図中Nd-YAGパルスレーザとして示されているレーザ光源２３からのレーザを、ハーフミラー２４、レンズ２５によって光ファイバー２６内に導入し、この光ファイバー２６のレーザをレンズ２７から照射することができるようにしている。

上記のようにしてパルス的に加熱された試料２２について、この試料２２の裏側から赤外線放射温度計２８によって温度の状態を計測し、これを増幅器２９を介してＡ／Ｄ変換器３０に入れ、その信号をコンピュータ３１に入力して試料の裏側温度検出データとする。同様にレーザ光源２３からのレーザ光の一部をハーフミラー２４から光検知器３５に導入し、これをＡ／Ｄ変換器３０に入れ、その信号を加熱用レーザ照射タイミング信号としてコンピュータ３１に入力する。

試料２２は真空室２１内でヒータ３２によって所定温度に加熱しており、このときの試料温度は熱電対３３で計測され、ＤＭＭ３４を介してコンピュータ３１に入力している。これらの信号によって、コンピュータ３１は所定温度条件における試料２２に対して照射されたパルスレーザにより、試料２２が所定の熱を受け、それによって温度が変化する状態を赤外線放射温度計２８で計測し、試料２２の熱拡散率、熱容量、熱伝導率等の熱物性値を測定する。

なお、試料のパルスレーザ加熱によるレーザフラッシュ法での熱物性測定手法としては種々の技術が提案されているが、例えば下記特許文献１等が存在する。
特開２００１−８３１１３号公報

上記のようなレーザフラッシュ法に代表される光加熱・非接触観測測温により熱物性値を算出する手法では、従来の考え方による理想的な測定条件の一つとしては、例えば図７に示すような試料の断熱的保持がある。即ち、試料２２と試料ホルダ３６との接触を最小限にし、熱の出入りに抑えるために、突起３７で点接触状態に保持したり、リングで線接触状態に保持したりすることが行われる。そのため、試料２２の温度は、温度センサとしての熱電対３３を試料２２に直接接着できないため、可能な範囲で試料２２に近い位置で測定をしている。

また、室温以上の温度領域で測定する場合は、前記図６に示すヒータ３２のように、またその部分を拡大して模式的に示す図８のように、電熱式のヒータ３２を用いて、熱放射によって試料２２の温度を制御する場合が多い。したがって、熱放射の弱い室温〜５００℃の温度範囲では試料２２とヒータ３２の間の熱伝達係数が小さくその場合は、熱交換の時定数が著しく長いため、所定の温度に制御するには非常に長い時間を要し、かつ正確に所定の温度に維持する制御が困難である。それゆえ、特に室温〜５００℃では、温度の制御が難しい、という問題がある。

しかも、ヒータ３２が試料２２から離れた位置に配置せざるを得ないので、試料２２の温度を所定の温度に加熱しまたその温度を維持するためには、試料以外の部分に対しても放射熱が拡散するため無駄な熱を周囲に放射することとなり、効率の悪い熱物性測定装置とならざるを得ない。

したがって本発明は、室温に近い温度条件、特に室温より低い温度条件でも正確且つ迅速に試料を所定の温度に維持することができ、かつ、試料を熱効率良く温度維持することができるようにした熱物性測定方法及びその方法を実施する装置を提供することを主たる目的とする。

そこで本発明は、従来の考え方から発想の転換をして、試料を試料ホルダに密着させ、熱伝導により試料の温度制御を行うことにより、温度制御性の向上と熱効率良い試料の温度維持、及び試料温度の正確な測定が可能になる方法を提案する。

試料を試料ホルダに密着させることは、前記理想的な測定条件から離れるため、本来これまで一般的に行われてきた断熱条件下のデータ解析手法が適用できなくなるが、その点は、密着させることによる熱損失の効果を多層モデルとして扱って解決する手法を採用することで可能であり、その問題点を解決することができる。

さらに、熱伝導による温度制御は、室温よりも低温での温度制御にも適しており、主に室温以上で用いられる光を用いた非接触加熱・観測による熱物性値測定の適用温度範囲を、低温側へ拡大することができる。さらに、多層モデルを扱うため、測定対象が広がる。

本発明は上記のような基本思想に基づき、より具体的には、平板状試料を、試料ホルダの透明基板上に直接接触させて設置し、試料ホルダに熱を供給して試料ホルダから試料への熱伝導により試料を所定温度に維持した状態で、平板状試料の表面を非定常光加熱し、前記透明基板を透して測定した試料裏面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から試料の熱物性値を算出することを特徴とする熱物性測定方法としたものである。

また、他の熱物性測定方法は、平板状試料を、試料ホルダの透明基板上に直接接触させて設置し、試料ホルダに熱を供給して試料ホルダから試料への熱伝導により試料を所定温度に維持した状態で、前記透明基板を透して平板状試料の試料裏面を非定常光加熱し、その際に測定した試料表面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から試料の熱物性値を測定することを特徴とする熱物性測定方法としたものである。

また、更に他の熱物性測定方法は、前記熱物性測定方法において、試料及び試料ホルダと熱的に接触させて配置した温度センサにより試料温度を測定し、試料を所定温度に維持する温度制御を行うことを特徴とする。

また、更に他の熱物性測定方法は、前記熱物性測定方法において、前記試料への非定常加熱を、試料に照射するパルス光により行うことを特徴とする。

また、更に他の熱物性測定方法は、前記熱物性測定方法において、前記試料への非定常加熱を、試料への周期光加熱により行うことを特徴とする。

また、本発明の熱物性測定装置は、試料を直接接触させて設置する透明基板を備えた試料ホルダと、試料ホルダに熱を供給して試料ホルダからの熱伝導により試料を所定の温度にする加熱または冷却手段と、試料の温度を測定して試料を所定の温度に維持する試料温度制御手段と、試料を温度応答させる試料表面への非定常光加熱手段と、前記非定常光加熱手段によって生じる試料裏面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答によって測定する手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の熱物性測定装置は、試料を直接接触させて設置する透明基板を備えた試料ホルダと、試料ホルダに熱を供給して試料ホルダからの熱伝導により試料を所定の温度にする加熱または冷却手段と、試料の温度を測定して試料を所定の温度に維持する試料温度制御手段と、試料を温度応答させる試料裏面への透明基板を透した非定常光加熱手段と、前記非定常光加熱手段によって生じる試料表面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答によって測定する手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の熱物性測定装置は、前記熱物性測定装置において、前記熱供給手段は試料ホルダを支持し、平板状試料を設置した透明基板の裏面部分に孔を備え、前記孔から試料裏面の温度応答を測定または光加熱することを特徴とする。

また、本発明の熱物性測定装置は、前記熱物性測定装置において、前記試料への非定常加熱を、試料に照射するパルス光により行うことを特徴とする。

また、本発明の熱物性測定装置は、前記熱物性測定装置において、前記試料への非定常加熱を、試料への周期光加熱により行うことを特徴とする。

上記のような本発明は特に、室温よりもやや低温や、室温〜５００℃程度の温度領域において、下記の効果が期待される。
１．試料ホルダと試料の熱接触によって試料の温度制御を行うため、その温度制御が迅速で容易になり、著しく安定性も増す。
２．試料ホルダと試料の熱接触によって試料の温度制御を行うため、試料の温度を検出する温度センサを試料に近接して配置することができ、試料温度を正確に求めることができる。その際には試料に温度センサを直接接触させることも可能となる。また、試料と試料ホルダの温度勾配の十分な評価が可能であることを利用して、試料ホルダの温度を測定することで試料温度を小さい不確かさで評価することが可能となり、試料温度の正確な推定をすることができる。
３．伝熱方式により効率良く温度制御ができるため、必要なヒータ電源の容量も小さく、装置のコンパクト化と省エネルギー効果が期待できる。具体的には、約２００℃設定で比較して、従来は１００W規模の電源を使用していたところを、試作機の場合は２０Ｗで賄うことができた。
４．試料ホルダとの熱接触が許されることから、ペルチエ素子を用いた冷却が可能になり、室温よりも低温での測定が容易になる。

本発明は試料を所定温度に維持しつつ試料に対する熱供給を変化させたときに試料の温度応答を測定することにより熱物性を測定するに際し、試料の温度制御を迅速に、且つ容易に行わせることを、試料ホルダに対して試料を直接接触させ、試料ホルダを加熱して熱伝導により試料を所定温度に維持することにより実現した。

図１は本発明による熱物性測定手法の基本的考え方を示す概念図であって、図示するように試料１を試料ホルダ２に対して直接触させて支持しており、試料１の表面３に照射するレーザ光４の熱は、試料１から試料ホルダ２に直接熱伝達するようにしている。このことは、前記図７に示す従来の手法において、試料２２と試料ホルダ３６との接触を最小限にし、熱の出入りに抑えるために、突起３７で点接触状態に保持し、或いはリングで線接触状態に保持するものとは大きく異なっている。このように、図７に示す従来の手法においては、試料２２内でのみ熱が伝導するのに対して、図１に示す本発明の手法においては、試料１の裏面に拡散した熱が接触する試料ホルダ２にも浸透することがわかる。

本発明においてはこのように、試料１と試料ホルダ２とが接触しているため、試料温度の測定がより正確にできる。さらに、試料ホルダ２内の温度分布の評価も可能である。なお本発明者等は、試作ホルダでテスト測定の実験を行った結果、従来の断熱型試料ホルダを用いた場合と比較しても遜色なく、所望の成果が得られることを確認した。なお、本発明においては、試料表面及び裏面を光加熱・非接触観測するため、図中試料下面に接触して配置されている試料ホルダ２は、石英やサファイアなどの透明光学材料を用いることが好ましい。

上記のように試料１を試料ホルダ２に直接接触させて保持しながら、試料１を所定温度に維持するために、図２に示すように試料ホルダ２の裏面にヒータ５を直接接触して配置する。本発明においては前記のように試料１に対して試料ホルダを直接接触して保持しているので、試料ホルダ２を直接加熱して熱伝導により試料１を加熱することが可能となる。この点について図８に示す従来のものにおいては、前記のように試料２２を試料ホルダ３６に対して点接触で支持している状態で、それらの側部に配置したヒータ３２の熱放射により間接的に試料２２を昇温するようにしている点で相違している。

また、上記のようにヒータ５で加熱される試料ホルダ２の熱を直接伝熱で受ける試料１の温度は、試料１に近接する試料ホルダ２の表面に温度センサ６を取り付けて測定し、試料が所定の温度になっているかを制御装置７で検出して、ヒータ５の通電量に対してフィードバックし、試料１を所定の温度に維持することができる。なお、試料１の熱物性測定のため試料１の表面に前記のようにレーザ４を照射し、試料１の裏面の温度を測定する際には、高速でこのヒータ５を移動し、試料ホルダ２上の試料１の裏面の温度を測定することもできる。

このように試料ホルダ２に直接接触している試料１の裏面温度を測定するには、従来の手法では測定することができないので、本発明においては図３に示す手法を用いて、高精度で試料の裏面温度を推定することができる。即ち、本発明による試料ホルダに直接接触している試料の温度応答は、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から熱物性値を算出する。

即ち、単層の熱応答をグリーン関数応答関数法で記述すると、図３中の式（１）となり、温度応答は同図の式（２）で表されるコンボリューション積となる。これをラプラス変換［式（３）］すると、各層での温度応答は、式（５）を用いて式（４）のように得られる。［参考文献：馬場哲也、応答関数法による傾斜機能材料熱物性の解析、熱物性、7,(1993), pp.14-19, 馬場、竹歳、界面熱抵抗測定方法、特許第3265362号、 馬場、熱拡散率と界面熱抵抗の測定方法、特許3430258］長坂雄次、馬場哲也著、伝熱光学の進展 第３巻 光学測定と熱物性（養賢堂 2000）］

上記の式を用いて試料ホルダに接触している試料の所定の部分の温度応答を求めることができるものであるが、この原理を用いて実際に試作した試料ホルダ等の概略を図４に示す。この試料ホルダを用いた熱物性測定に際しては前記図６に示した従来の熱物性測定システムが利用できる。図４の例においては、レーザ光源８からのレーザ光４によって試料１の表面３を加熱し、その裏側の放射温度計９による非接触観測を実現するために、その光路に該当するヒータ５部分には穴１０を明けたり、透明な材質を用いたりしている。また、試料１を安定して保持するために、試料１周辺を側部試料ホルダ１１で覆っている。温度センサ６は、試料ホルダの試料に近接した位置に取り付けてあり、かつ試料ホルダ内の温度分布は粗く評価してある。

上記のような試作した試料ホルダを用いて測定したデータの例を図５に示す。図５のデータ例は試作した試料ホルダを用いて、前記図６に示すようなレーザフラッシュ法で等方性黒鉛の熱拡散率を測定した際の生データである。図５のグラフに示されるように、約５０℃、１１５℃において、バックグラウンドに揺れのないS/N比の良いデータが得られた。このことから、本発明の手法によって、試料ホルダに試料を直接接触して保持しても正確な熱物性測定を行うことができることが明らかとなった。

上記のように試料をレーザで加熱する際には、試料の表面をパルス的に加熱し、裏面に伝わる温度変化を検出することにより試料の熱物性を測定することができるが、その他レーザ光の強度を周期的に変化させ、試料の温度応答を測定することによりその熱物性を測定するようにしても良い。また、試料を所定温度に維持するための熱供給手段以外に設けられる、試料を非定常加熱する手段としては、前記のようなレーザを用いることなく、他の光照射、或いは赤外線等の熱線の照射を利用し、更には試料を別途電気加熱する等、種々の手段を採用することができる。

また、試料ホルダを電導性とし、試料ホルダ自体を電気加熱式のヒータとすることにより、試料の所定温度の維持と熱物性測定のための非定常加熱手段として用いることもできる。その際には試料表面の温度変化測定の他、試料ホルダの一部を除去して試料の裏面の温度変化を測定することも可能である。これらの加熱手段のいずれも、本発明による試料ホルダに試料を直接接触させて試料を所定温度に維持し、試料を非定常加熱して試料の熱物性を測定する手法に好適に利用することができる。

本発明は、バルク状の各種物質の他、薄板やコーティング、更にはその他の各種物質についても、それらの物質の熱拡散率、熱容量、熱伝導率等の熱物性値を測定することができ、広範な分野に利用することができる。

本発明による試料保持の概念図である。 本発明による試料保持と試料加熱の概念図である。 本発明で温度応答を多層モデルにより求める手法を示した図、及び式である。 本発明の実施例において、試料表面を光加熱し、透明基板を透して試料裏面の温度応答を測定した場合の概念図である。 試作した試料ホルダを用いて測定したデータ例を示す図である。 従来より用いられている熱物性測定装置の概要図である。 従来の試料保持の概念図である。 従来の試料保持と試料加熱の概念図である。

符号の説明

１ 試料
２ 試料ホルダ
３ 表面
４ レーザ
５ ヒータ
６ 温度センサ
７ 制御装置

Claims (12)

1. 平板状試料を、試料ホルダの透明基板上に直接接触させて設置し、
   試料ホルダに熱を供給して試料ホルダから試料への熱伝導により試料を所定温度に維持した状態で、平板状試料の表面を非定常光加熱し、
   前記透明基板を透して測定した試料裏面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から試料の熱物性値を算出することを特徴とする熱物性測定方法。
2. 平板状試料を、試料ホルダの透明基板上に直接接触させて設置し、
   試料ホルダに熱を供給して試料ホルダから試料への熱伝導により試料を所定温度に維持した状態で、前記透明基板を透して平板状試料の試料裏面を非定常光加熱し、
   その際に測定した試料表面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から試料の熱物性値を測定することを特徴とする熱物性測定方法。
3. 試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答から熱物性値を算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱物性測定方法。
4. 試料及び試料ホルダと熱的に接触させて配置した温度センサにより試料温度を測定し、試料を所定温度に維持する温度制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の熱物性測定方法。
5. 前記試料への非定常加熱を、試料に照射するパルス光により行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の熱物性測定方法。
6. 前記試料への非定常加熱を、試料への周期光加熱により行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の熱物性測定方法。
7. 試料を直接接触させて設置する透明基板を備えた試料ホルダと、
   試料ホルダに熱を供給して試料ホルダからの熱伝導により試料を所定の温度にする加熱または冷却手段と、
   試料の温度を測定して試料を所定の温度に維持する試料温度制御手段と、
   試料を温度応答させる試料表面への非定常光加熱手段と、
   前記非定常光加熱手段によって生じる試料裏面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答によって測定する手段とを備えたことを特徴とする熱物性測定装置。
8. 試料を直接接触させて設置する透明基板を備えた試料ホルダと、
   試料ホルダに熱を供給して試料ホルダからの熱伝導により試料を所定の温度にする加熱または冷却手段と、
   試料の温度を測定して試料を所定の温度に維持する試料温度制御手段と、
   試料を温度応答させる試料裏面への透明基板を透した非定常光加熱手段と、
   前記非定常光加熱手段によって生じる試料表面の温度応答を、単層に対する熱応答を重ねたモデルである多層モデルとして取り扱い、試料から試料ホルダへの熱浸透境界条件下での温度応答によって測定する手段とを備えたことを特徴とする熱物性測定装置。
9. 試料及び試料ホルダと熱的に接触させて配置した温度センサを備え、前記試料温度制御手段は前記温度センサの信号により試料を所定温度に維持することを特徴とする請求項７または請求項８記載の熱物性測定方法。
10. 前記熱供給手段は試料ホルダを支持し、平板状試料を設置した透明基板の裏面部分に穴を備え、前記穴から試料裏面の温度応答を測定または光加熱することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一つに記載の熱物性測定方法。
11. 前記試料への非定常加熱を、試料に照射するパルス光により行うことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか一つに記載の熱物性測定装置。
12. 前記試料への非定常加熱を、試料への周期光加熱により行うことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか一つに記載の熱物性測定装置。