JPH0750052B2

JPH0750052B2 - 熱伝導率測定装置

Info

Publication number: JPH0750052B2
Application number: JP1817288A
Authority: JP
Inventors: 芳樹土田
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1988-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPH01193635A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、断熱材や保温材等の各種材料の熱伝導率を
測定するために用いられる熱伝導率測定装置に関する。

「従来の技術」一般に、断熱材や保温材として用いられる各種の材料の
熱伝導率の値は常に一定ではなく温度によって変化する
ものであって、温度が高いほど熱伝導率も大きくなる。
すなわち熱を伝え易くなる傾向にある。したがって、特
にたとえば1,000℃を越えるような温度条件で使用され
る断熱材や保温材のように高温下における熱伝導率が問
題とされる材料にあっては、その熱伝導率の測定は実際
に使用温度まで加熱して行うことが必要となる。

そのような熱伝導率の測定を行う装置としては第４図に
示すものが知られている。この従来の熱伝導率測定装置
は、断熱性を有する保護円筒ａ内の上部、下部にそれぞ
れ主ヒータｂ、補助ヒータｃを配して、保護円筒ａ内部
に下向きの定常的な熱流を生ぜしめるとともに、補助ヒ
ータｃの上部にその定常熱流の熱流量を計測するための
熱流計測板ｄを備えたものである。

その熱流計測板ｄは、内部に測温用ガスが流通し得る渦
巻き状のガス流通路が形成されていて、予め所定温度に
予熱した一定量の測温用ガスをその流通路内に流通させ
ることにより、測温用ガスの温度上昇とガス流通量とか
ら受熱量を測定するようにされたものが一般に用いられ
ている。

上記のように構成されている従来の熱伝導率測定装置
は、保護円筒ａ内の中心位置に熱伝導率を測定するべき
試料Ｓを配するとともに、その上下に熱伝導率が既知の
標準伝熱板s₁，s₂を配し、主ヒータｂ、補助ヒータｃに
よって保護円筒ａ内部に図中破線ｍで示すような熱平衡
状態を作って、試料Ｓおよび標準伝熱板s₁，s₂に折線ｎ
のような温度勾配を形成させるものである。そして、試
料Ｓの平均内部温度を計測するべき温度に保持し、定常
状態において試料Ｓの上面、下面での温度を温度計e,e
によって計測して、それらの温度差と、熱流計測板ｄに
よって計測される定常熱流の熱量すなわち試料Ｓを透過
した熱貫流量とから、試料Ｓのその温度における熱伝導
率を算出するものである。

すなわち、熱流計測板ｄによって計測された熱貫流量を
Ｑ（Kcal/h）、試料Ｓの熱伝導率をλ（Kcal/m・ｈ・de
g）、試料Ｓの厚み寸法をｔ（ｍ）、試料Ｓの有効面積
をＡ（m²）、試料Ｓの上面温度、下面温度をそれぞれθ
₁，θ₂（℃）とすると、Ｑ＝（λ/t）・Ａ（θ₁−θ₂）の関係が成り立つから、この式から、λは λ＝Ｑ・t/A（θ₁−θ₂） ……（１）として求められる。

なお、上記の標準伝熱板s₁，s₂は、試料Ｓの温度を高温
に保持するためのものであるとともに、それらの表面温
度を温度計ｆ…によって計測することによって、それら
の表面温度および上記の熱貫流量Ｑとから求められる熱
伝導率の値を既知の熱伝導率の値と比較することによっ
て、計測値を検証し、必要に応じて補正するためのもの
である。また、符号ｇ…は壁面温度補償用のヒータであ
って、これらのヒータｇ…は、保護円筒ａ内部の温度勾
配がｍの状態となるように保護円筒ａの表面温度を制御
し、これにより保護円筒ａとその内部空間との間の熱授
受を無くして熱流が保護円筒ａの周面から放散してしま
うことを防止するためのものである。

「発明が解決しようとする課題」ところで、上記従来の熱伝導率測定装置にあっては、熱
流計測板ｄの周囲温度を熱流計測板ｄ自体の温度と同等
に保持することが困難であって、このため、熱流計測板
ｄから周囲への放熱が生じたり、逆に熱流計測板ｄが周
囲から熱を受けてしまうことがあった。したがって、熱
貫流量Ｑの計測誤差が大きくなって充分な測定精度が得
られるとはいい難いものであった。

また、上記従来の装置では、熱流計測板ｄに絶えず新し
い測温用ガスを送り込むようにしているので、ガス消費
量が多大であるとともに、そのガスを所定の温度まで予
熱するための所要熱量も大きなものとなり、したがって
運転費がかさむという欠点もあた。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、充分な
測定精度が得られ、また、運転費を軽減することのでき
る熱伝導率測定装置を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」この発明は、炉容器の内部に周囲を断熱材で覆われた計
測室を設け、その計測室内に定常熱流を生ぜしめて前記
計測室内に配して試料を所望の設定温度に保持し、前記
試料を透過した定常熱流の熱貫流量を熱流計測板によっ
て計測するとともに、その試料の表面温度と裏面温度の
温度差を計測することによって、前記熱貫流量と前記温
度差の値からその試料の前記設定温度における熱伝導率
を測定するように構成された熱伝導率測定装置であっ
て、装置本体と、測温流体の温度を調節しつつ循環させ
るための循環装置とから構成され、前記装置本体は、前
記熱流計測板の周囲に配された補償冷却板を有し、それ
ら熱流計測板、補償冷却板はいずれもそれらの内部に測
温流体が流通し得る流通炉が形成されており、一方、前
記循環装置は、測温流体を一定温度に調節するための温
度調節手段と、測温流体をその温度調節手段に圧送する
とともにその温度調節手段によって一定温度とされた測
温流体を前記熱流計測板および前記補償冷却板に対して
それぞれ供給し、かつ再び温度調節手段に戻すための圧
送手段を有してなることを特徴としている。

「作用」この発明の熱伝導率測定装置は、循環装置によって一定
温度に調節した測温流体を熱流計測板に供給し、熱流計
測板を通過した測温流体の温度上昇と流量とから測温流
体の受熱量を計測する。また、熱流計測板に供給される
流体と同一温度の流体を補償冷却板に対しても供給する
ことにより、熱流計測板と補償冷却板の温度を同等に保
ち、これによりそれらの間の熱授受を防止する。

「実施例」以下、この発明の一実施例を第１図および第２図を参照
して説明する。

この実施例の熱伝導率測定装置は、装置本体Ａと、測温
流体（この実施例においては水）を循環させるための循
環装置Ｂとから構成されており、第１図は装置本体Ａの
概略構成を示す立断面図、第２図は循環装置Ｂの概略構
成を示す図である。

第１図に示す装置本体Ａにおいて、符号１は炉容器であ
り、この炉容器１は、それぞれ水冷ジャケットを有する
本体２および蓋体３から構成されている。

その炉容器１内には、それぞれ円板状の下部断熱材５、
上部断熱材６、および円筒状の側部断熱材７によって、
内部に試料Ｓが配される計測室８が形成され、この計側
室８内の上部空間には計測室８内を所定の温度に保持す
るための主ヒータ９が取り付けられている。なお、符号
10は主ヒータ９に接続されている電極、11は計測室８内
の温度を計測するための放射温度計である。

計側室８の側壁を形成している上記の側部断熱材７の内
面は、充分な耐熱性を有しかつ熱伝導性に優れた材料、
たとえば、グラファイト、耐熱鋼、モリブデン等、によ
って筒状に形成された壁面温度補償板12によって覆われ
ている。この壁面温度補償板12は、その優れた熱伝導性
によって計測室８の上部から下部に向かって熱を運び、
もって計側室８の内面温度すなわちこの壁面温度補償板
12自体の温度を計側室８の内部温度と同等に保持するた
めのものである。

また、上記の下部断熱材５中には補償保温板13が埋設さ
れているとともに、この下部断熱材５の上面中央部には
円板形状の熱流計測板14が配され、その周囲には環状の
補償冷却板15が配されている。これらの補償保温板13、
熱流計測板14、補償冷却板15は、いずれも第４図に示し
た従来の装置における熱流計測体ｄと同様に、内部に測
温流体としての水が流通し得る渦巻き状の流通路（図示
略）が形成されているものである。

そして、上記の補償冷却板15の上面には、円筒状の断熱
材16が第１図に示すように側部断熱材７の内面に密着す
る状態で配されており、この断熱材16の内側に円板状の
断熱材17が配され、その断熱材17の上面に下部測温板18
が配され、その上面に熱伝導率を計測するべき試料Ｓが
配され、さらにその上面に上部測温板19が配されるよう
になっている。また、第２図に模式的に示すように、断
熱材17の下面、下部測温板18、上部測温板19には、それ
ぞれ熱電対温度計20,21,22が取り付けられており、ま
た、断熱材16の内面および外面にも互いに対向する位置
に２対合計４つの熱電対温度計23…がそれぞれ取り付け
られている。

上記の熱流計測板14、補償冷却板15、補償保温板13に対
しては、前記循環装置Ｂによって測温流体としての水が
供給されるようになっている。

その循環装置Ｂは、水を冷却しつつ循環させるように構
成されたものであって、第２図に示すように循環ポンプ
（圧送手段）30、その循環ポンプ30の吐出側に設けられ
た冷却器（温度調節手段）31を主な構成要素としてお
り、循環ポンプ30によって水を冷却器31に圧送してそこ
で一定温度に冷却し、冷却した水を流量制御弁32,33を
介して分岐接続されている供給管34,35を通して前記熱
流計測板14および前記補償冷却板15にそれぞれ導くよう
にされている。そして、熱流計測板14、補償冷却板15に
導かれた水は、第１図中の破線矢印で示すようにそれら
の内部を通過した後に、下部断熱材５中に設けられてい
る連通管36,37（第２図においては管路として図示して
いる）を通って上記の補償保温板13に導かれ、その内部
を流通した後に返送管38によりタンク39を経て再び冷却
器31に圧送されるようになっている。

上記の冷却器31には、一次冷却水の供給管40およびその
返送管41が接続されており、供給管40には流量制御弁42
が取り付けられている。この流量制御弁42の開度は、熱
電対温度計43によって計測される冷却器31の出口水温に
基づいて温度指示調節計44によって調節され、これによ
り、冷却器31出口水温が一定値（たとえば50℃）に保持
できるように制御されるようになっている。

また、供給管34を通して熱流計測板14に供給される水の
水温は、熱電対温度計45によって計測されるようになっ
ているとともに、その流量は上記の流量調整弁32の開度
を調節することによって決定されるようになっている。
この流量は、水が熱流計測板14を通過した際の水温上昇
がある値（たとえば5deg程度）となるように設定され、
一度設定された後は流量計46および流量調節計47によっ
て自動的に流量調整弁32の開度が制御されて一定に保持
されるようになっている。

また、供給管35を通して補償冷却板15に供給される水の
流量は、上記の流量調整弁33の開度を調節することによ
って決定されるが、この流量は、熱電対温度計48,49に
よってそれぞれ計測される熱流計測板14の出口水温、補
償冷却板15の出口水温に基づき、それらの温度が同等に
なるように温度指示調節計50によってなされるようにな
っており、その流量は流量計51によって表示されるよう
になっている。

以上でこの実施例の熱伝導測定装置の構成を説明した
が、次にその使用方法を説明する。

上記構成の装置によって試料Ｓの高温下における熱伝導
率λの測定を行うには、まず、計測室８内に試料Ｓを配
して、上部断熱材６によって計測室８を密閉するととに
炉容器１の蓋体３を閉じ、主ヒータ９によって計測室８
内を所定の設定温度に加熱し、試料Ｓの内部温度を熱伝
導率を計測するべき温度に保持する。

また、循環装置Ｂの循環ポンプ30を駆動して、冷却器31
出口における水温を一定温度たとえば50℃に保持し、供
給管34,35を通して熱流計測板14、補償冷却板15に対し
てそれぞれ所定の流量で供給する。この際、上述したよ
うに熱流計測板14に供給する水量は熱流計測板14による
水温上昇が5deg程度となるように（すなわち熱流計測板
14の出口水温が55℃程度となるように）設定する。ま
た、補償冷却板15に供給される水量は、熱電対温度計4
8,49、温度指示調節計50、流量調整弁33によって、補償
冷却板15の出口水温が熱流計測板14の出口水温と同等
（すなわち55℃程度）となるように自動的に調節され
る。この結果、熱流計測板14と補償冷却板15の温度は同
等に保持され、また、補償保温板13にはそれらの双方か
ら55℃程度の水が流入することになり、したがって補償
保温板13の温度はその温度に保持されることになる。

計測室８内の温度、試料Ｓの温度、測温流体としての水
の温度が定常状態となったら、試料Ｓの上面（表面）温
度θ₁および下面（裏面）温度θ₂を熱電対温度計22,21
により計測する。また、熱流計測板14内を流通する水の
入り口、出口での温度を熱電対温度計45,48によって正
確に計測するとともに、その流量を流量計46によって計
測し、それらの値から熱流計測板14の受熱量すなわち試
料Ｓを透過した熱貫流量Ｑを求める。そして、その熱貫
流量Ｑと、試料Ｓの上下両面の温度θ₁，θ₂および試料
Ｓの厚み寸法ｔとから、上述の（１）式を用いて試料Ｓ
の設定温度における熱伝導率λを求める。なお、この場
合、試料Ｓの有効面積Ａは熱流計測板14の面積となる。

以上で説明した熱伝導率測定装置にあっては、測温流体
としての水を循環使用するので、多量の測温用ガスを消
費するうえにそのガスを予熱するために多大な熱量を必
要とする従来の装置に比して、運転費を大きく軽減する
ことができる。

また、上記の熱伝導率測定装置にあっては、熱流計測板
14に供給される水と同一温度の流体が補償冷却板15にも
供給されるので、熱流計測板14と補償冷却板15の温度が
同等に保持されてそれらの間の熱授受を無くすことがで
きるし、また、熱流計測板14および補償冷却板15を通過
した水は同等の温度となって補償保温板13に流入するの
で、下部断熱材５の温度は熱流計測板14や補償冷却板15
よりわずかに高い程度に保持され、したがって、熱流計
測板14と下部断熱材５との間の熱授受は無視することが
できる程度に充分に小さなものとなる。このため、この
熱伝導率測定装置においては、熱流計測板14によって測
定される熱貫流量Ｑの計測誤差を小さくでき、もって熱
伝導率の測定精度を向上させることができる。また、こ
の結果、第３図に示した従来の装置においては必要であ
った補償ヒータｃを省略することができ、装置の簡略
化、小形化が実現できる。

なお、上記実施例の装置においては、試料Ｓの周囲に配
された断熱材16から外部に対する放熱により測定誤差が
生じることが考えられるが、それに対しては、熱電対温
度計23…によって断熱材16の内面温度、外面温度を測定
してこの断熱材16からの放熱量を算出すれば、容易に測
定値を補正することができ、測定精度をより一層向上さ
せることができる。

以上でこの発明の一実施例を説明したが、この発明は上
記実施例に限定されるものではない。

たとえば、上記実施例の装置において設けた補償保温板
13は必ずしも設けることはなく、下部断熱材５の厚みが
充分に大きくて大きな測定誤差が生じる恐れがない場合
等にあっては、補償保温板13を省略しても良い。この場
合、熱流計測板14および補償冷却板16から流出した水を
管路によって合流させ、その管路を下部断熱相５中を蛇
行させるようにすれば、補償保温板13を設けた場合と同
等の効果を得ることができる。

また、上記実施例の装置においては、温度調節手段を１
台の冷却器31により構成し、その冷却器31への一次冷却
水の水量を制御することによって循環水温を一定に保持
するように構成したが、温度調節手段はたとえば第３図
に示すように構成しても良い。第３図に示す温度調節手
段60は、上記実施例における冷却器31と同様の冷却器61
と、ヒータ62を備えた加熱器63とにより構成したもので
あって、温度が上昇（上記実施例における使用例では55
℃程度）して返送されてきた水をまず冷却器61によって
たとえば45℃程度まで過冷し、次いで、加熱器63によっ
て設定温度（50℃）まで加熱するようにすると良い。こ
の場合、冷却器61の出口水温は正確に制御する必要はな
く（したがって上記実施例における流量制御弁42は省略
しても良い）、ヒータ62の出力を制御することによって
加熱器63の出口水温のみを制御すれば良い。温度調節手
段60をこのように構成することにより、循環水温をより
精度良く、かつ容易に制御することが可能となる。

また、上記実施例では測温流体として水を使用したが、
水に限らず油類を用いることでも良いし、あるいはガス
を用いることも可能である。測温流体としてガスを用い
る場合にあっては、循環ポンプに代えてたとえばブロワ
を使用し、流量調整弁や流量計等は気体用のものを使用
すれば良いことはいうまでもない。

さらに、上記実施例においては装置本体を竪型とした
が、装置本体を横型として、試料Ｓを計測室の内部に立
てた状態で配置するように構成することも可能である。

「発明の効果」以上で詳細に説明したように、この発明の熱伝導率計測
装置は、測温流体を一定温度に調節しつつ循環させる循
環装置を備えて測温流体を循環使用するように構成した
ので、多量の測温用ガスを消費するうえにそのガスを予
熱するために多大な熱量を必要とする従来の装置に比し
て、運転費を大きく軽減することができる。

また、この発明の熱伝導率測定装置にあっては、熱流計
測板の周囲に補償冷却板を配して、熱流計測板に供給さ
れる測温流体と同一温度の流体を補償冷却板に供給する
ようにしたので、それらが同等な温度に保持されてそれ
らの間の熱授受を無くすことができる。したがって、こ
の熱伝導率測定装置においては、熱流計測板によって測
定される熱貫流量の計測誤差を小さくでき、もって熱伝
導率の測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示すもの
で、第１図はこの実施例の熱伝導率測定装置における装
置本体の概略構成を示す立断面図、第２図は循環装置の
概略構成図である。第３図はこの実施例の装置における
温度調節手段の他の構成例を示す図である。第４図は従来の熱伝導率測定装置の概略構成を示す立断
面図である。Ａ……装置本体、Ｂ……循環装置、Ｓ……試料、１……
炉容器、5,6,7,16,17……断熱材、８……計測室、13…
…補償保温板、14……熱流計測板、15……補償冷却板、
30……循環ポンプ（圧送手段）、31……冷却器（温度調
節手段）、60……温度調節手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉容器の内部に周囲を断熱材で覆われた計
測室を設け、その計測室内に定常熱流を生ぜしめて前記
計測室内に配した試料を所望の設定温度に保持し、前記
試料を透過した定常熱流の熱貫流量を熱流計測板によっ
て計測するとともに、その試料の表面温度と裏面温度の
温度差を計測することによって、前記熱貫流量と前記温
度差の値からその試料の前記設定温度における熱伝導率
を測定するように構成された熱伝導率測定装置であっ
て、装置本体と、測温流体の温度を調節しつつ循環させ
るための循環装置とから構成され、前記装置本体は、前
記熱流計測板の周囲に配された補償冷却板を有し、それ
ら熱流計測板、補償冷却板はいずれもそれらの内部に測
温流体が流通し得る流通路が形成されており、一方、前
記循環装置は、測温流体を一定温度に調節するための温
度調節手段と、測温流体をその温度調節手段に圧送する
とともにその温度調節手段によって一定温度とされた測
温流体を前記熱流計測板および前記補償冷却板に対して
それぞれ供給し、かつ再び温度調節手段に戻すための圧
送手段を有してなることを特徴とする熱伝導率測定装
置。