JP7258272B2 - 熱伝導率測定装置、加熱装置、熱伝導率測定方法、及び品質保証方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態にかかる熱伝導率測定装置1の模式図である。図1に示すように、熱伝導率測定装置1は、サンプル容器10と、駆動部20と、放射温度計30と、を有する。
サンプル容器10は、複数の格納部を有する。図1には例として3つの格納部10A、10B、10Cが示されているが、格納部の数は問わない。格納部には、既知の熱伝導率を有する1つ又は複数の標準サンプルと、熱伝導率を求める必要がある1つ又は複数の対象サンプルとを設置する。例えば、格納部10Aに標準サンプル、格納部10Bに第1の対象サンプル、格納部10Cに第2の対象サンプルを設置する。サンプルの形態は問わず、粒子形態であってもフィラー形態であってもよい。標準サンプルは熱伝導率が既知のものであれば何でもよく、例えばアルゴン等の気体を使用することができる。対象サンプルは、熱伝導率を測定したいものであり、例えば炭素繊維を3次元的に配向させた炭素繊維フェルトが挙げられる。
駆動部20は、各格納部内のサンプルを放射温度計の下に移動させることができるものであれば、特に問わない。例えば、サンプル容器10の中心軸に設けられた回転する回転軸を駆動部20として用いることができる。駆動部20はサンプル容器10の格納部10A、10B、10Cを回転により移動させてもよいし、サンプル容器10の格納部10A、10B、10Cを並進により移動させてもよい。図1に示す駆動部20は、円形のサンプル容器10を回転させて、各格納部内のサンプルを放射温度計30の下に移動させる。駆動部20は、ドーナツ形状のサンプル容器10の穴に嵌合する形状であってもよい。
放射温度計30は、サンプル容器10の所定の位置の温度を測定する。放射温度計30は、所定の位置に固定されている。図1に示すサンプル容器10は回転により、各格納部10A、10B、10Cの位置が変化する。放射温度計30の測定点に対して各格納部10A、10B、10Cの位置が相対的に変化することで、各格納部10A、10B、10Cの温度がそれぞれ測定される。放射温度計30は、2000℃程度の高温を測定できるものであれば、特に問わない。
図2は、本実施形態にかかる加熱装置の断面模式図である。図2に示す加熱装置2は、熱源40と、サンプル容器10と、駆動部20と、加熱手段50と、放射温度計30と、断熱材60と、を有する。
熱源40には、黒鉛を用いることができる。熱源40は、後述する加熱手段50からの誘導電流によって加熱される。また、加熱手段50を使用せず、熱源40として抵抗加熱ヒーターなどのヒーターを使用してもよい。
サンプル容器10は、熱源40の上面に設置されている。サンプル容器10は、上述の熱伝導率測定装置1におけるサンプル容器10と同様のものである。サンプル容器10には、複数の格納部が設けられている。図2に示すサンプル容器10は、熱源40の回転軸と回転軸が一致している。回転軸が一致することで、熱源40及びサンプル容器10を共に回転させる場合にサンプル容器10の位置がずれない。熱源40が駆動部20によって回転することで、サンプル容器10も熱源40と共に回転する。サンプル容器10の格納部10A、10B、10Cについては、上述の通りであるため、詳細な説明を省略する。
駆動部20は、熱源40及びサンプル容器10を共に回転させる。駆動部20の構成は特に問わない。例えば、図2に示すように熱源40に接続された回転する回転軸でもよい。回転軸が回転することで、熱源40が回転し、サンプル容器10も回転する。
加熱手段50は、コイル51を備える。加熱手段50は、コイル51に交流電流を印加することで、熱源40が発熱する直接加熱方式の高周波誘導加熱方式である。加熱装置2では、コイル51に交流電流を印加することで、熱源40が発熱する。
断熱材60は、熱源40の周囲を取り囲む。断熱材60は、加熱された熱源40が冷えることを防ぐ。断熱材60は、放射温度計30による測温孔60aが設けられている。
放射温度計30は、上述の熱伝導率測定装置1と同様のものが用いられる。放射温度計30は、サンプル容器10の所定の位置と測温孔60aとを結ぶ直線上に位置する。放射温度計は1500℃以上の高温環境の測定においては、その個体差が大きく、異なる温度計を用いた場合に、その温度表示値に差があることがあった。加熱装置2では、複数のサンプルの測定を同じ温度計で測定できるため、相対比較の測定精度が高い。
本実施形態にかかる熱伝導率測定方法は、標準サンプル及び対象サンプルを移動させて、同じ位置で標準サンプル及び対象サンプルの温度を計測する計測工程と、計測工程で測定されたそれぞれの温度に基づいて、対象サンプルの測定環境中における熱伝導率を求める導出工程と、を有する。
熱伝導率を導出する第1の方法として、シミュレーションの結果を併用する方法がある。まず、実際の系を想定したシミュレーションモデルを作成する。次に、このシミュレーションモデルの格納部に標準サンプル及び様々な熱伝導率を有する材料を入れて、各サンプルの位置の頂部の温度を計算する。そして、その計算結果を使用して、熱伝導率を横軸に、標準サンプルの位置の頂部温度からの温度差を縦軸にして、検量線を作成する。最後に、実際の装置において、標準サンプル及び対象サンプルを用いてそれぞれの温度を測定し、作成した検量線を使用して、その温度差から熱伝導率を求める。
熱伝導率を導出する第2の方法として、複数の標準サンプルと対象サンプルとの温度測定の結果から対象サンプルの熱伝導率を求める方法がある。図5は、第2の方法を用いた熱伝導率測定方法に使用するサンプル容器10の模式図である。図5に示すサンプル容器10は、複数の格納部10A~10Nを有する。
まず、実際の系を想定したシミュレーションモデルを作成した。次に、このシミュレーションモデルの格納部に標準サンプルA(アルゴン、700Torr)、及び熱伝導率が0.1、0.5、1、2及び5W/mKである材料を入れて、各サンプルの位置の容器頂部の温度を計算した。その計算結果を表1に示す。そして、表1を使用して、熱伝導率を横軸に、標準サンプルAの頂部温度からの温度差を縦軸にして、指数近似を用いて検量線を作成した。作成した検量線を図7に示す。
2、2’ 加熱装置
10、10’ サンプル容器
10A、10B、10C、10A’、10B’、10C’ 格納部
20 駆動部
30 放射温度計
40 熱源
50 加熱手段
51 コイル
60 断熱材
60A、60A’ 第1部分
60B、60B’ 第2部分
60C、60C’ 第3部分
60a、60a’ 測温孔
A1、A1’ 第1空間
A2 第2空間
Claims (9)
- 熱源と、
複数の格納部を有し、前記熱源と接する第1面と、前記第1面と対向する第2面と、を有するサンプル容器と、
前記サンプル容器の前記複数の格納部を移動させる駆動部と、
前記サンプル容器の前記第2面の表面の温度を測定する放射温度計と、を有し、
前記複数の格納部を移動させて同じ位置で前記サンプル容器の表面温度を測定する、熱伝導率測定装置。 - 前記駆動部は、前記サンプル容器を回転させる、請求項1に記載の熱伝導率測定装置。
- 熱源と、
前記熱源の上面又は側面に設けられ、複数の格納部を有し、前記熱源と接する第1面と、前記第1面と対向する第2面と、を有するサンプル容器と、
前記熱源を回転させ、前記熱源と共に前記サンプル容器を回転させる駆動部と、
前記サンプル容器の第2面の表面の温度を測定する放射温度計と、を有し、
前記複数の格納部のそれぞれは、前記熱源と接する前記第1面と、前記第1面と対向する前記第2面との間に定常的な温度勾配を有し、
前記複数の格納部を移動させて同じ位置で前記サンプル容器の表面温度を測定する、加熱装置。 - 前記熱源を覆う断熱材をさらに有し、
前記サンプル容器の前記熱源と反対側の面は、前記断熱材に囲まれた空間に露出している、請求項3に記載の加熱装置。 - 前記サンプル容器は、前記熱源の上面に設けられ、
前記断熱材は、前記熱源の側方を囲む第1部分と、前記熱源の上方を覆う第2部分と、前記熱源の下方を覆う第3部分と、を有し、
前記第1部分の厚みは、前記第2部分の厚みより厚い、請求項4に記載の加熱装置。 - 前記サンプル容器は、前記熱源の側面に設けられ、
前記断熱材は、前記熱源の側方を囲む第1部分と、前記熱源の上方を覆う第2部分と、前記熱源の下方を覆う第3部分と、を有し、
前記第1部分と前記サンプル容器との間に、前記空間がある、請求項4に記載の加熱装置。 - 熱源に接するサンプル容器内に格納された標準サンプル及び対象サンプルを移動させて、同じ位置で前記標準サンプル及び前記対象サンプルの温度を計測する計測工程と、
前記計測工程で測定されたそれぞれの温度に基づいて、前記対象サンプルの測定環境中における熱伝導率を求める導出工程と、を有し、
前記導出工程では、前記標準サンプルと前記対象サンプルとの温度差から、前記対象サンプルの熱伝導率を求める、熱伝導率測定方法。 - 前記計測工程は、前記標準サンプル及び前記対象サンプルを回転させて、同じ位置で前記標準サンプル及び前記対象サンプルの温度を計測する、請求項7に記載の熱伝導率測定方法。
- 請求項7に記載の熱伝導率測定方法を用いた品質保証方法であって、
前記計測工程において、第1の熱伝導率値を有する第1標準サンプルと、第2の熱伝導率値を有する第2標準サンプルと、対象サンプルとを移動させて、同じ位置で前記第1標準サンプル、前記第2標準サンプル、及び前記対象サンプルの温度をそれぞれ計測し、
前記導出工程において、計測された前記第1標準サンプルの第1温度と前記第2標準サンプルの第2温度との間に、計測された前記対象サンプルの第3温度が入るか否かを判定し、前記対象サンプルの熱伝導率を導出する、品質保証方法。
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