JPH03176653A - 熱伝導率の測定方法及び装置 - 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】 先匙し△社肚生」 本発明は熱伝導率の測定方法及び装置の改良に関するも
のである。

えＬ皮糺 固体の熱伝導率を測定する方法には定常法と非定常法と
がある。定常法の代表の一つはコールツウシュ法であり
、又非定常法の代表の一つはレーザーフラッシュ法であ
る。

る しかしながら、上述の如き従来の測定方法は、いずれも
加熱能力の制限及び熱電対の使用温度の制限がある。こ
のため試験片が微小であること、むよび測定温度範囲が
限定されるという欠点があった。従って、これら測定方
法をｔｇ造設計で必要とされる太きい寸法の試験片に適
用することは不可能であった。

本発明の目的は上述の如き従来技術の欠点を解消した実
用上有益な熱伝導率の測定方法及び装置を提供すること
にある。

・　ｚ　゛　るための− 上述の目的を達成するために、本発明は、試験片を熟街
撃的に加熱し、試験片の複数位置の温度を同時に測定し
、該試験片の加熱現象を非線形非定常熱伝導方程式で解
いて前記試験片の温度測定点における過渡的温度解を求
め、該温度解と前記測定温度とを比較して前記温度解が
測定温度と一致するように温度依存性を修正して熱伝導
率を決定する熱伝導率の測定方法を特徴とする。

ス、本発明は、試験片を熱画撃的に加熱する加熱手段と
、試験片の複数位置の温度を同時に測定し得る温度測定
手段と、試験片の加熱現象を非線形非定常熱伝導方程式
で解いて前記試験片の温度測定点における過渡的温度解
を求める解析手段と、前記温度解と前記測定温度とを比
較して温度解が測定温度と一致するように温度依存性を
修正して熱伝導率を決定する比較・決定手段とを備えて
成る熱伝導率の測定装置を特徴とする。

及思燵 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図を参照すると、本発明に係る熱伝導率測定方法を
実施する測定装置の第一の実施例が示しである。この装
置は試験片１を熟衝撃的に加熱する加熱手段２を備えて
いる。試験片１は真空容器３の中に図示しない適宜の支
持手段によって支持されている。試験片は例えば黒鉛か
ら作られた円板状の形態を有している。真空容器は、図
示の実施例では試験片１の外径が比較的大きいもの例え
ば約１００ｍｎ〜８０＋ａ＋＊の試験片を収容し得るよ
うに作られている。この真空容器はその内部が適当な真
空排気手段４によって真空にされる。この真空排気手段
は例えば真空容器を強力に真空排気できるようにターボ
分子ポンプを有している。尚、この真空排気手段はガス
置換系を備えることができる。

加熱手段２は第１図に示す実施例では高周波誘導システ
ムから成っている。具体的に述べると、この加熱手段は
試験片１の周囲を囲むように配置された加熱コイル１０
とこの加熱コイルに接続された高周波誘導電源１１とか
ら成っている。この第１図に示す実施例では試験片１は
中心に孔１ａを有する外径３０〜１００＋ｍｓ＋、厚さ
３〜８開の黒鉛円板から成っている。この加熱手段は試
験片の外周部に発生する渦電流により試験片をジュール
加熱するものであって、試験片を約３０００℃の高温ま
で加熱することができる。この加熱手段の最大出力は約
５０ＫＷである。

試験片の複数位置の温度を同時に測定し得る温度測定手
段２０が設けられ、この測定手段は温度計測器２１とこ
の温度計測器に接続され計測された温度を記録し処理す
る記録・処理器２２とから成っている。温度計測器２１
は例えばファイバー式放射温度計２３およびＲ型熱電対
２４とから成っている。この温度計ｉ３によって試験片
の半径方向複数位置における過渡的温度変化を測定する
ことができる。

尚、試験片の低温域ではＲ型態電対を使用し、１６００
℃以上の高温域では１１００〜３０００℃まで測定可能
なＳ；素子のファイバー式放射温度計を使用するのが好
ましい。

記録・処理器２２は高速データ記録計お゛よびデータ処
理部を備えている。データ記録計は例えばアナライジン
グレコーダーにより加熱手段の出力電流・電圧を測定し
、多ペントランジェントレコーダーにより最大６チヤン
ネルの温度測定データの記録ができるように構成されて
いる。データ処理部は温度測定データの詳細分析のため
に例えばパーソナルコンピューターがら成っている。

試験片１の加熱現象を解析する解析手段３０が設けられ
ている。この解析手段は第１図の実施例では加熱コイル
１０の交流有効電流を測定する計測器３１とこの計Ｘ器
によって測定された電流を解析する解析器３２とから成
っている。試験片内の渦電流分布および熱発生率分布の
計算には例えば有限要素法による電磁界解析プログラム
ＰＣ＝ＭＡＧＮＡ＜センチユリ−リサーチセンター製）
を用いるのが好ましい。

この解析手段の解析手順が第１図に示されている。

この解析手段では試験片１の温度依存性を含む熱伝導率
を適当な数式（例えば温度の多項式）で・仮定し、試験
片の２次元（径方向及び厚さ方向〉の非線形非定常熱伝
導方程式を適切な数値解決（＠えば有限要素法汎用プロ
グラムＡＢＡＱＵＳ）によって解くものであるにの場合
、試験片を軸対称２次元（ｒ、ｚ）等方性又は横等方性
物体と見なす。

この解析手段の解析手順は第１図に示され、この解析例
は以下の通りである。

次式で与えられる基礎方程式は ここで、Ｔ：温度、ＫおよびＫＬ：熱伝導率、ρ：密度
、Ｃ：定圧比熱く既知の温度間数）、Ｑ：熱発生率（半
径ｒの関数）６本解析例では、多結晶黒鉛の熱伝導率が
Ｔａｙｌｏｒらによってその妥当性が実証されている次
の表示式で表されるものとする。

ここで、Ｋａ：精成結晶子の層面に平行方向の熱伝導率
、Ｋｕ：Ｕｍｋｌａｐｐプロセス支配の熱伝導率、Ｋａ
：ｂｏｕｎｄ＊ｒｙ　　５ｃｔｔＬｅｒ’＋ｎｇ支配の
熱伝導率、α：ｐｏｒｏｓｉ　Ｌｙ　−ｔｏｒｔｕｏｓ
ｉｔｙ因子、Ｌａ＋平均結晶子境界幅、なお、Ｋｕ　、
ＫＢ　／Ｌａは温度の既知関数とする。従−）て、使用
銘柄、熱伝導の方向性に依するパラメータαとＬａが決
定できれば熱伝導率が温度の関数として決定できること
になる。上記（１）式の境界条件としては、試験片外周
部の輻射伝然を、また、初期条件としては、一定温度（
−般に室温）を与える。

試験片温度測定データＴｍ、ｊ（ｒ；、ｚｊ、Ｌ）（ｉ
：温度測定点、ｊ：熱発生率）およびα、Ｌａをパラメ
ータとして得られる解析解Ｔｃ、ｊ、ｋ（ｒ；、ｚｊ、
ｔ）（ｋ：αＬａの組合せ）を、ｊ＋Ｊ＋に＋’につい
て総合的に比較し、両者の一致性から最適なα、Ｌａ、
すなわち、熱伝導率Ｋを温度依存の関数として決定する
。

以上のように、試験片の加熱現象を非線形非定常熱伝導
方程式により解くことにより試験片の温度測定点の過渡
的温度解を求めることができる。

最終的に熱伝導率を決定する比較・決定手段４０が設け
られ、この比較　決定手段は上記解析手段によって得ら
れた温度解と上記測定手段によって得られた測定温度と
を比較して、温度解が測定温度と一致するように温度依
存性を修正して熱伝導率を決定するように構成されてい
る。

次に上記測定装置による具体的な試験結果を示す。

（１）試験片 ＨＴ　Ｔ　Ｒ用微粒等方性黒鉛ＩＧ−１１（東洋炭Ｔ：
（株）製〉を供試材として使用した。円板試験片は、素
材ブロックの長手方向に垂直（下方向）となるように製
作した０本試験で使用した試験片形状及び温度測定位置
を、第３図に示す。

（２〉　試験結果 以下には、高周波誘導加熱試験の場合について記す。

第５図に、高周波誘導加熱を源の定格電圧の５０％以下
での３段階の出力レベルに対して得られた測定温度の過
渡変化を示す、同図により、高出力の場合は低出力と比
較して、半径方向の温度差が予想通り高くなっているこ
とが示された。さらに出力レベルを上げた場合の半径方
向の測定温度分布を第６図に示す。

上記の測定データも含めて、先に記述した熱伝導解析法
を適用した。その結果、平均結晶子境界幅（Ｌ　ａ）お
よびｐｏｒｏｓｉｔｙ　−ＬｏｒＬｔ＋ｏｓｉｔｙ因子
（α）は。

それぞれ最適な値としてＬａ＝　１８００人、α＝７が
得られた。

以上の結果に基づきｒＧ−１１黒鉛の下方向の熱伝導率
を第５図の実線で示す、同図には、レーザーフラッシュ
法およびコールラウシュ法によるＩＱ−４１黒鉛の下方
向の測定値も示す０図から明らかな様に、本方法により
得られた熱伝導率は、従来法のそれと極めて良い一致を
示している。よって、本発明による熱伝導率測定法は、
妥当であることが示された。

第２図は本発明の他の実施例を示す、この実施例では加
熱手段２がアーク放電システムから成っている。即ち、
この加熱手段は試験片１に取付けられた電極５０とこの
Ｔｔｆ！に接続された直流定電流＠源ち１とから成って
いる。この実施例では試験片は外径が８０問、厚さがｇ
ｍｍの黒鉛円板を用いている。加熱手段は試験片の中心
部（直径８又は１６開）の表面及び内部を加熱する。こ
の加熱手段の最大＄流は１０００人に設定することがで
きる。

この実施例では第１図に示す実施例の計測器３１に代っ
て電極５０に流れる直流電流を測定する計測器５２が設
けられている。

この第２図に示す実施例の他の構成は第１図のものと同
じである。

尚、上記第１図及び第２図に示す実施例において、高周
波誘導電源又は直流定電流電源の出力を種々変更するこ
とにより一形状の試験片に対して室温−２５００℃を含
む過渡的温度の測定データを得ることができる。

尚、第４図は本発明の装置の仕様を示す。

本発明の上記実施例では試験片として黒鉛を用いたが、
その池、セラミックや炭素ｌＪ！維強化炭素材料等の耐
熟材料の超高温までの熱伝導率の測定が可能である。

生乳Δ然夏 以上のように、本発明によれば、従来技術では不可能で
あった、大きい寸法の物体の熱伝導率を正確に且つ容易
に測定することができ、又、室温から高温までの熱伝導
率を３１１１定できるという実益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱伝導率測定装置の第一の実施例
を示す概略図、第２［２ｆｆは本発明の装置の他の実施
例を示す概略図、第３図は試験片の平面図、第４図は本
発明の装置の仕様衣、第５図は試験片測定温度の過渡変
化を示すグラフ、第６図は試験片の測定温度分布を示す
グラフ、第７図は熱伝導率を示すグラフである。 １・・・試験片 ２・・・加熱手段 ２０・・・測定手段 ３０・・・解析手段 ４０・・・比較・決定手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試験片を熱衝撃的に加熱し、試験片の複数位置の温
   度を同時に測定し、該試験片の加熱現象を非線形非定常
   熱伝導方程式で解いて前記試験片の温度測定点における
   過渡的温度解を求め、該温度解と前記測定温度とを比較
   して前記温度解が測定温度と一致するように温度依存性
   を修正して熱伝導率を決定することを特徴とする熱伝導
   率の測定方法。 ２、試験片を熱衝撃的に加熱する加熱手段と、試験片の
   複数位置の温度を同時に測定し得る温度測定手段と、試
   験片の加熱現象を非線形非定常熱伝導方程式で解いて前
   記試験片の温度測定点における過渡的温度解を求める解
   析手段と、前記温度解と前記測定温度とを比較して温度
   解が測定温度と一致するように温度依存性を修正して熱
   伝導率を決定する比較・決定手段とを備えて成る熱伝導
   率の測定装置。