JP5362465B2 - 熱伝導率測定方法および熱伝導率測定装置 - Google Patents
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Description
すなわち、予め測定対象となる金属の薄膜を形成して、この金属薄膜の一方の表面にレーザパルス光を照射しつつ、他方の表面に反射率を測定するためのレーザ光を照射して、その反射光量から反射率を精密に測定することにより、金属薄膜の一方の表面側の加熱による他方の表面側の温度応答の情報を得て、これと金属薄膜の膜厚とから金属薄膜の厚さ方向の熱伝導率を測定する。
(ただし、σ0は、複数の熱伝導体に対して実測されるkとσとの各値に基づいて決定される定数)により導出する請求項2に記載の熱伝導率測定方法を特徴としている。
(ただし、σ0は、複数の熱伝導体に対して実測されるkとσとの各値に基づいて決定される定数)により導出する請求項4または請求項5に記載の熱伝導率測定装置を特徴としている。
したがって、従来例の熱伝導率測定装置のように、熱源と温度センサとによって被測定体を挟んで測定する必要がなく、このため、被測定体を薄くサンプリングする必要がないので、例えば、壁や床などを形成している断熱材などの大型の被測定体であっても、その熱伝導率を容易に測定することができる。
このため、測定対象が制限されることなく、様々な物質の熱伝導率の測定が可能となる。
ペルチェ素子は、一般に供給電流に対する熱応答性に優れており、しかも交流電流を供給した場合には、それ自体のジュール発熱を除けば、電流0の状態に関して、ほぼ対称に発熱と吸熱とを繰り返すので、本発明の熱伝導率測定装置に使用する吸発熱源として好適である。
図1(a)において、符号1は本実施例に係る熱伝導率測定装置である。
このため、センサ本体部3を被測定体Oとしての壁材Wに押し当てて測定したり、被測定体Oとしての床材(図示省略)に載置して測定したりすることが可能となっている。
そして、熱源駆動手段HCは、ペルチェ素子Pにより参照体Rの背面側から正面側に向かう方向に交流的熱流束Iを発生させる。
〔熱伝導率測定装置の使用方法〕
まず、熱伝導率の測定レンジを切り替えるために予め用意された、材質や厚さが異なる参照用樹脂板Aを有する複数のセンサユニット3Aの中から熱伝導率未知の熱伝導体の測定に適したセンサユニット3Aを選択し、このセンサユニット3Aを握持部3Bに装着する(図1(b)参照)。
次に、本実施例に係る制御演算部14による制御の流れを、図5に示すフローチャート図と対応させて説明する。
周波数最適化処理では、まず、熱源駆動手段HCにより、振幅Vp0,振動数fの交流電圧Vpをペルチェ素子Pに印加する(図6(a)参照)。
なお、本実施例に係る熱伝導率測定装置1では、ペルチェ素子Pに印加される交流電圧Vpに、交流電圧の基準電圧としてのバイアス電圧Vbiasが設定可能とされている。
なお、図9(b)に示すグラフ図は、Δθ=2πに設定した場合の概念図となっている。
測定開始スイッチ7bがON状態ならばStep5を実行し、OFF状態ならばStep3に戻る。
温度比平均値取得処理では、まず、熱源駆動手段HCにより、振幅Vp0,振動数fの交流電圧Vpをペルチェ素子Pに印加する(図6(a)参照)。
となるので、本実施例の熱伝導率測定装置1では、温度センサS1,S2の各計測温度振幅T10,T20から直接k=T20/T10を求める代わりに、V1e,V2eの比V2e/V1eからkを導出する。
このような比例関係は、出願人による実測によっても確認されている。
正整数、本実施例では、n=9としている。)と変化させて、これらに各対応する温度センサS1,S2の各出力電圧の実効値V1e,V2eをそれぞれ計測し、これらの計測された各実効値V1e,V2eに対して、k=V2e/V1eをそれぞれ導出する
出している(図8(b)参照)。
が成立していると考えられる。
と表すことができる。
とし、dxに比例する量dx (prop)を、別の測定から得られた種々の物質の熱伝導率のデータと、これらの各物質の温度振幅の比kの実測値とにより、これらの値に対応するdx (prop)の値が決定できる(図11参照)。
が得られるので、改めて、kの各値と、それらのkの値に対応するσxの値との比較から、式(13)の比例係数を導出して、最終的に、温度振幅の比kと熱伝導率σとの間に
の関係式を得ることができる。
本実施例に係る熱伝導率測定装置1では、熱伝導率を測定する被測定体Oの表面に熱伝導性の参照体Rをその正面側から当接させて被測定体Oの熱伝導率を導出するので、被測定体Oの表面が露出していれば、この被測定体Oの熱伝導率を計測することができる。
このため、測定対象が制限されることなく、様々な物質の熱伝導率の測定が可能となる。
Ra 参照体の正面側表面部
I 熱流束
O 被測定体
10 センサ部
R 参照体
A 参照用樹脂板(参照用熱伝導体)
S1,S2 温度センサ(温度検出部)
P ペルチェ素子(吸発熱源)
HC 熱源駆動手段
14 制御演算部(演算部)
D サーモパイル部(温度検出領域)
s 温度検出領域の面積
S ペルチェ素子の吸発熱面の面積
k 参照体の背面側の温度と参照体の正面側の温度との各温度振幅の比
f(k) 関数
σ 被測定体Oの熱伝導率
σ0 複数の熱伝導体に対する実測値に基づいて決定される定数
Vp ペルチェ素子への印加電圧
Vbias バイアス電圧
T1 参照体の背面側の温度
T2 参照体の正面側の温度
T10 参照体の背面側の温度振幅
T20 参照体の正面側の温度振幅
Claims (9)
- 熱伝導率を測定する被測定体表面に熱伝導性の参照体をその正面側から当接させて、
前記参照体の背面側に設けられた吸発熱源により前記参照体の背面側から前記参照体の正面側に向かう方向に交流的熱流束を生じさせた定常状態で前記参照体の背面側の温度と前記参照体の正面側の温度とを計測し、
計測された、前記参照体の背面側の温度と前記参照体の正面側の温度とから、それぞれ、温度変化に対応する交流信号とは異なる周波数のノイズ信号を除去して、
これらの温度の振動的変化の各振幅に基づいて前記被測定体の熱伝導率を導出することを特徴とする熱伝導率測定方法。 - 前記参照体の背面側の温度と前記参照体の正面側の温度との各温度振幅の比に基づいて前記被測定体の熱伝導率を導出することを特徴とする請求項1に記載の熱伝導率測定方法。
- 板状の参照用熱伝導体と該熱伝導体の両面にそれぞれ当接して設けられた一対の板状の温度検出部とからなる参照体と、該参照体の背面側に吸発熱源と、を有するセンサ部と、
前記吸発熱源によって前記参照体の背面側から前記参照体の正面側に向かう方向に交流的熱流束を生じさせる熱源駆動手段と、
前記各温度検出部で検出された、前記参照体の背面側の温度と前記参照体の正面側の温度とから、それぞれ、温度変化に対応する交流信号とは異なる周波数のノイズ信号を除去する周波数フィルタ手段と、
熱伝導率の測定時に前記参照体の正面側表面部に当接される被測定体の熱伝導率を前記各温度検出部により検出される前記参照体の背面側の温度と前記参照体の正面側の温度との振動的変化の各振幅に基づいて導出する演算部と、
を有していることを特徴とする熱伝導率測定装置。 - 材質や厚さが異なる前記参照用熱伝導体により構成される前記センサ部が予め複数用意され、これらのセンサ部が交換可能とされていることを特徴とする請求項4に記載の熱伝導率測定装置。
- 前記吸発熱源がペルチェ素子であることを特徴とする請求項4ないし請求項6のうちいずれか一項に記載の熱伝導率測定装置。
- 前記熱源駆動手段により前記ペルチェ素子に印加される交流電圧に、所定のバイアス電圧が設定可能とされていることを特徴とする請求項7に記載の熱伝導率測定装置。
- 温度の検出を可能とする前記各温度検出部の温度検出領域が、前記ペルチェ素子により発生される熱流束の横断面中央位置にそれぞれ配置され、かつ該各温度検出領域の面積が前記ペルチェ素子の吸発熱面の面積に比べて小さく設定されていることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の熱伝導率測定装置。
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