JPH01169346A - 平板直接法に依る熱伝導率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は平板直接法に依る熱伝導率測定法に於いて試料
−校注、試料二枚法の両測定方法が共に可能な熱伝導率
測定法に係る。

発明の背景 絶対法に依る断熱材の熱伝導率測定法の一つとして平板
直接法（Ｊ　Ｉ　Ｓ　　Ａ　１４１３　　Ｇｕａｒｄｅ
ｃｌＨｏｔｐｌａｔｅ法、即ちＧＨＰ法〕が規定されて
いる。

この方法は熱的、幾何学的に同一な試料を二枚必要とし
、この試料の加工、特に平面を出す加工が非常に難しい
にも拘らず、世界各国の工業規格はこの二枚法に基づい
たものが多い。

これに対し試料を一枚のみ使用する一枚法と称する測定
法もある。この測定法は温度制御点を一点多く必要とし
、誤差の要因がそれだけ多く絶対法という見地から見て
好ましくはないがこの測定法を規格として要求している
国もある。従ってこのような要求にも対処するために、
１つの同一の試料について１枚法用の測定装置、２枚法
用の測窓装置と別々の装置を用意しておかなければなら
なかった。

従来型の説明 従来の１枚法用の装置の主熱板Ｈは保護熱板Ｇ１を含め
＊１図（ａ）のように断熱材Ａをはさみ構造的に３者は
一体化されていた。従って主熱板Ｈと保護熱板Ｇ、との
間の間隔を広げて、その間に任意の厚さの試料を出し入
れするといったことは出来なかった。このため２枚法に
よる測定に直ちに転用することは不可能であった。

一方、従来の２枚法用の装置の主熱板Ｈは電カ一定で制
御されており温度一定の制御ではなかった。この装置を
使って一枚法測定に転用するには、主熱板Ｈの上側に断
熱材をおき、この断熱材の上の低温材（これは１枚法の
保護熱板Ｇ２　に相当する）と主熱板Ｈとの間の温度差
が０になるように低温材の温度を制御しなければならな
い。さらに保護熱板Ｇ１　　も主熱板Ｈとの温度差が０
となるように制御する必要がある。主熱板Ｈが電カ一定
の制御であるため定常状態に達するまでは主熱板Ｈの温
度が一定でなく、しかも、主熱板Ｈと保護熱板Ｇ２　は
厚い断熱材をはさみ離れているため保護熱板Ｇ２　の制
御は制御系として不安定で実用的でなかった。

更に、熱伝導率の測定精度に関しては、従来の１枚法で
は断熱材Ａを補強している柱Ｘを伝わる熱による熱量計
測の誤差が大きかった。また２枚法の場合の主熱板Ｈと
これを取り囲む機械的、熱的保護熱板Ｇ＋　　との間の
隙間を数ケ所で埋める連接ＮＹがありこの部分を流れる
熱の量を少なくするために主熱板Ｈと保護熱板Ｇ１　の
構成材料として、どうしても熱伝導率の低い金属を使わ
ざるを得なかった。ところがＧＨＰ装置の主熱板Ｈ及び
保護熱板Ｇ１　　はこれらの表面の温度が均一であるほ
ど測定の精度が向上するため、使用する金属は可能な限
り高い熱伝導率の材料が望ましいが、上記の熱的、機械
的保護のため熱伝導率の低いステンレス等が使用されて
きた。この事は特に２枚法の装置で１枚法の測定を行う
場合には主熱板Ｈと保護熱板Ｇ２　の間の温度差を測定
する必要がある。

この測定の場合に主熱板Ｈ上の数ケ所の温度がランダム
にばらついているという事は主熱板Ｈを代表する温度が
定まらず致命的な欠陥であった。

発明の目的 本発明は断熱材Ａの保持機構と合理的な金属材料の採用
、主熱板Ｈを任意の一定温度に制御する機能及び低温板
Ｃ２の温度を主熱板Ｈのそれと同一に制御できる機能を
備えたことにより、１台の装置で１枚法と２枚法とが転
用測定出来ると共に高精度での測定を可能としようとす
るものである。

目的達成のための手段 本発明測定法を実施するための装置は一枚法、二枚法毎
に装置を取り替える必要のないよう、出来るだけ構成を
単純化し共通部分を多（した。僅かに必要とするのは一
枚法実施に用いた主熱板上に積層されていた断熱材を、
二枚性実施においては試料板に取り替えるだけである。

又、２枚法を実施している場合から一枚法実施へかえる
時は主熱板上に積層されていた試料板を断熱材に取り替
えるだけでよいようにした。

方法実施の説明 第１図（ａ）及びら）は柱Ｘは本発明では不要であるが
、夫々本発明方法実施例も説明する図であって、（ａ）
は−校注による測定法を実施している場合を示し、これ
を僅かに改変、即ち第１図！ご於ける保護熱板Ｇ２及び
断熱材へとを夫々低温板Ｃ２及び試料Ｓ２　とに取り替
え、二枚法による測定法を実施している場合をら）に示
す。

先ず、本図を利用して試料の熱伝導率の測定原理につい
て説明する。

１枚法による測定の場合には１枚の試料Ｓ、を、２枚法
の場合には２枚の試料ＳＩ、Ｓ２をそれぞれ第１図（ａ
）、わ）のように積層固定する。主熱板Ｈの周囲には保
護熱板Ｇ１　が設けられ１枚法の場合には更に断熱材Ａ
をはさみ保護熱板Ｇ２が置かれている。１枚法、２枚法
の各場合とも装置の上下端の冷却源Ｗ及びこれに接する
断熱材Ａ′は、低温板ＣＩ　、Ｃ２、主熱板Ｈ及び保護
熱板Ｇ１、Ｇ２で発生した熱を吸収し、装置外部に運ぶ
機能をもつ。これらの冷却源Ｗ及び断熱材Ａ′は比較的
低い温度、１００℃程度で動作するＧＨＰ法実施装置で
は省略される。１枚法の場合、主熱板Ｈ及び保護熱板Ｇ
ｌ、０２　を同一温度に保った状態では主熱板Ｈで発生
した熱は全て低温板Ｃ１に流れる。

この場合、主熱板Ｈと保護熱板ＧＩ、Ｇ２　は熱電対Ｔ
Ｈ，増巾器Ａ　Ｍ　Ｐ、温度制御器ＣＯＮ、及び保護熱
板用電源ＰＧで構成される温度コントローラーを介し同
一′温度に保たれる。２枚法の場合、主熱板Ｈ及び保護
熱板Ｇ、を同一温度に保った状態では主熱板で発生した
熱の半分が低温板Ｃ３に流れ、残りの半分の熱はもう一
方の低温Ｖｉ　Ｃ２に流れる。この場合、主熱板Ｈと保
護熱板Ｇ、　　は熱電対ＴＨ，増巾器ＡＭＰ、温度制御
器ＣＯＮ、及び保護熱板用電源ＰＧで構成される温度コ
ントローラーを介し同温度に保たれる。

このような状態で１枚法の場合には試料Ｓ１　　内の各
部の温度が時間的に変化しない定常状態において試料Ｓ
１　を通過する熱流、試料Ｓ１　の両面間の温度差及び
試料Ｓ１　の厚さより試料ＳＩ　　の熱伝導率を求める
。一方２枚法の場合には試料Ｓ１Ｓ、内の各部の温度が
時間的に変化しない定常状態において試料Ｓ１、Ｓ、を
通過する熱流の平均値、試料８１　％　Ｓ２　の各々の
両面間の温度差の平均値及び試料Ｓ　１　、Ｓ　２　の
各々の厚さの平均値より試料Ｓｌ、Ｓ２　の熱伝導率の
平均値を求める。

ここで試料を通過する熱流の値は主熱板Ｈのヒーターに
投入した電力から求められる。試料１枚法、２枚法の各
場合の熱伝導率の算出は次式による。

１枚法の場合 ２枚法の場合 λ：試料の熱伝導率（’ｖＶ／ｍ’ｃ）Ｑ：主熱板への
供給電力（Ｗ） １：試料の厚さ（ｍ） Ａ：主熱板の面積（ｍ′） θｈ：主熱板の温度（１） θＣ：低温板の温度（１＞ である。

次に実施例について説明する。第１図（ａ）に示す一枚
法による測定の場合は保護熱板Ｇ２　の温度を主熱板Ｈ
のそれと等しく一＝るよう；こ精度よく制御する必要が
あるため、主熱板及び保護熱板Ｇ２　のそれぞれに埋設
した制御用熱電対ＴＨを直列に接続することにより、制
御用の熱電堆を構成し、この熱電堆の出力を低ノイズ且
つ高倍率の増幅器Ａ〜ＩＰへの電力とし、増幅器Ａ　Ｍ
　Ｐからの増幅された信号をさら！こＰＩＤ方式の温度
制御器ＣＯＨに人力する。温度制御回路 出力信号は保護熱板用電源ＰＧへ人力される。この保護
熱板用電源ＰＧから、保護熱板Ｇ２　内部の電熱器へ最
適な電力が供給されることにより主熱板Ｈと保護熱板Ｇ
２の温度差は常にＯとなり、主熱板Ｈから保護熱板Ｇ２
への熱流を実質的に０（完全断熱）とする。保護熱板Ｇ
、の制御は１枚法、２枚法の各場合とも上述の１枚法に
おける保護熱板Ｇ２　の制御と同様に行われる。

１枚法から２枚法に変更する手順。

■　第１図（ａ）に示す断熱材Ａを外し代りに試料Ｓ２
　をセットする。

■　保護熱板Ｇ２の温度を主熱板Ｈの温度と同一温度に
制御する装置をＯＦＦにする。即ち第１図Ｃｂ））に示
す構成とする。

■　主熱板Ｈの温度をある一定温度に設定する。

■　低温板ＣＩ及びＣ２の温度を主熱板Ｈの設定温度よ
り低いある一定温度に各々設定する。

■　測定をスタートし定常状態を待つ。保護熱板Ｇ１　
は主熱板Ｈの温度と同一になるように自動的に制御され
る。

２枚法から１枚法に変更する手順 ■　第１図（ｂ）に示す試料Ｓ２　を外し代りに断熱材
Ａをセットする。

■　第１図ら）に示す低温板Ｃ２に予め組込まれている
熱電対の端子に温度制御回路を接続しこの冷却板Ｃ２の
温度を主熱板Ｈの温度と同一温度に制御する。即ち冷却
板Ｃ２を第１図（ａ）に示すように保護熱板Ｇ２　とし
て働かせる。

■　主熱板の温度をある一定温度に設定する。

■　低温扱口　の温度を主熱板Ｈの設定温度より低いあ
る一定温度に設定する。

■　測定をスタートし定常状態を待つ。保護熱板Ｇ１　
は主熱板Ｈの温度と同一になるように自動的に制御され
る。

本発明方法実施の為には従来型測定装置を次の２点のみ
僅かに改変する必要がある。

第１点である主熱板Ｈと保護熱板Ｇ１　　とより成る層
の改変構造を第２図に上面図、第３図（ａ）にその側面
断面図、第３図ら）に第３図（ａ）の円す部の詳細を示
すように保護熱板Ｇ１　の内周にリングＯを設け、この
リング０にあけた３ケ所の水平方向のネジ穴にセラミッ
ク製のビスＢを捩じ込むことにより、円板状主熱板Ｈの
側面に設けたＶ溝とリング○とを接続し、次にこのリン
グ０に保護熱板Ｇ。

をリング固定用ビスＪで止めることにより主熱板Ｈと保
護熱板Ｇ１　を一体化するものである。

さらに保護熱板Ｇ１　　とリングＯが重なる部分の保護
熱板Ｇ１　　にビス穴をあけ、この穴に平行度調節用ビ
スＫを下から捩じ込むことにより主熱板Ｈと保護熱板Ｇ
、　　とが平行かつ同一平面内に入るように調整する。

このことは試料の一方の面が主熱板Ｈ及び保護熱板Ｇ１
　の全面と接触するための必要条件である。

このような構成に依れば断熱材Ａの層乃至は試＊’ｌ　
Ｓ　２　の層とが簡単に交換出来るにも拘らずよく密着
し一枚法による測定結果と２枚法による測定結果との差
の減少に寄与する。

次に、第２点として温度制御系に関しては、主熱板の制
御様態として、電カ一定制御及び温度−定制御の両制御
方法が共に可能な系とし、さらに２孜法用の低温板Ｃ２
は本来の２枚法用の低温板Ｃ７としての機能の他に、主
熱板との温度差が０となるように制御可能な１枚法用の
保護熱板Ｇ２としても機能するようにした。

効　　果 本発明による効果は次の通りである。

１．１枚法、２枚法の両測定方法が共に可能な方法が実
現された。

２、　測定精度が向上した。

３、　迅速な測定を可能にした。このことは測定の開始
時に温度一定モードでスタートし、定常状態に達するま
での時間、即ち測定時間を短くし、定常状態では電カ一
定モードに切換えて高精度の測定を維持することにより
可能となった。

これらの事項を順を追って説明すると以下のようになる
。先の目的及び目的達成のための手段で記したように主
熱板Ｈを３本のセラミック製のビスで支持する方式とし
たため、主熱板Ｈ及び保護熱板Ｇ１　を銅等の熱伝導率
の高い金属製にすることが可能となり主熱板Ｈ及び保護
熱板Ｇ１　上の温度分布が大巾に改善された。このこと
と主熱板Ｈを任意の一定温度に制御可能な点及び２枚法
の場合の上側の低温＠Ｃ２の温度を主熱板Ｈの温度と同
一に制御可能な温度制御系を備えたことの３点により１
枚法、２枚法の両方法の兼用性が実現された。

次に測定精度に関しては主熱板Ｈの支持構造が３点のセ
ラミックビスによる支持方式を採用したため主熱板Ｈと
保護熱板Ｇ３間の伝導による熱移動が大巾にｕ減された
点とこの３点支持方式の結果、主熱板Ｈ及び保護熱板Ｇ
１　の材質に銅を採用することが可能となり、主熱材Ｈ
及び保護熱板Ｇ１上の温度分布が非常に良くなった点の
２点より測定精度が大巾に向上した。迅速な測定を可能
にした理由は以下の通りである。２枚法による測定の場
合は従来電カ一定モードで測定を行なっていたが、この
電カ一定モードと測定開始時に主熱板Ｈの温度を任意の
一定温度に設定する温度一定モードの両モードが共に可
能な構造とし、測定開始時に温度一定モードがスタート
し温度が定常状態に達した後、瞬時に電カ一定モードに
切換える。１枚法による測定の場合も２枚法の場合と同
様に温度一定モードでスタートし定常状態において電カ
一定モードに切換える。以上の方法により１枚法、２枚
法共に従来の電カ一定モードでの測定精度を維持し、し
かも測定時間は大巾に短縮された。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明方法の原理を説明
する図であって、（ａ）は−校注による測定法を実施し
ている場合を示し、第１図（ａ）に於ける断熱材へを試
料Ｓ２　に取り替え、二枚法による測定法を実施してい
る場合をら）に示す。 第２図は本発明方法実施のための改変部を示し、第１図
に於ける加熱板Ｈとこれを取囲む保護熱板Ｇ１　　との
部分のみを表わす上面図、第３図（ａ）は第２図の側面
断面を表わし第３図ら）は第３図（ａ）に於ける円（ｂ
）部分の拡大図である。 Ｈ：主熱板　　　　　Ｇ１：保護熱板 Ｇ２：保護熱板　　　　Ｃ１：低温板 Ｃ２：低温板　　　　　ＳＩ：試料 Ｓ２：試料　　　　　　　Ａ：断熱材 Ａ゛：断熱材　　　　　　Ｗ：冷却板 Ａ〜ＩＰ：増幅器　　　ＣＯＮ　：温度制御器ＰＧ：保
護熱板用電源　　Ｆ：放熱器 ＰＯＭ：ボンブ　　　　　Ｔ：タンク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　平板直接法による熱伝導率測定法に於いて、加熱板Ｈ
   とこれを取囲む保護熱板Ｇ＿１との固定を加熱板の外周
   の数点に対し保護熱板Ｇ＿１より水平にのびる数本のセ
   ラミック製ビスＢで連接しておき、この上に一枚法測定
   実施の際には断熱材Ａを積層して熱伝導率測定をなし、
   二枚法測定実施の際にはこの断熱材の代りに試料Ｓ＿２
   を積層し、且つ一枚法測定実施時の保護熱板Ｇ＿２をそ
   のまま低温板Ｃ＿２として利用して熱伝導率測定をなす
   ことを特徴とする平板直接法に依る熱伝導率測定法。