JPH1048167A - 物体の熱的物性値の測定方法及び装置 - Google Patents

物体の熱的物性値の測定方法及び装置

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JPH1048167A
JPH1048167A JP20603396A JP20603396A JPH1048167A JP H1048167 A JPH1048167 A JP H1048167A JP 20603396 A JP20603396 A JP 20603396A JP 20603396 A JP20603396 A JP 20603396A JP H1048167 A JPH1048167 A JP H1048167A
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Kumao Kuno
九万雄 久野
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体の熱的物性値である比熱容量及び熱拡散
率、又は比熱容量、熱伝導率及び熱拡散率を同時に求め
る測定方法及び装置を提供する。 【構成】 真空槽1内に設けた熱供給源3に対面して真
空槽1内に被測定物体2を設け、該被測定物体2の熱供
給源3に対面する加熱又は冷却面とその反対面である裏
面の温度を測定し、該測定結果、熱供給源の温度、真空
槽壁面の温度と予め測定した被測定物体の厚さ及び密度
から、被測定物体の比熱容量及び熱伝導率、又は、比熱
容量、熱伝導率及び熱拡散率を同時に測定する物体の熱
的物性値の測定方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス板、セラミ
ックス板、合金板、プラスチック板、耐火レンガ等、建
造物や機械部品等各種の用途に用いられる板状又はブロ
ック状材料としての物体の熱的物性値である比熱容量及
び熱拡散率、又は比熱容量、熱伝導率及び熱拡散率を同
時に求める測定方法、及び該方法の実施に用いる装置に
関するものである。本発明に係る方法及び装置は、上記
物体の上記熱的物性値を測定する為の理化学試験又は実
験用の方法又は装置として有用である。
【0002】
【従来の技術】従来の上記方法又は装置では、それぞれ
の熱的物性値を異なった装置を用いて測定するか、また
は同一の装置を用いて測定する場合であっても同時に測
定をすることはできなかった。尚、熱伝導率と熱拡散率
を同時に求める方法は、知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、上記複数
の熱的物性値を同一の装置で同時に測定することができ
る方法又は装置を提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、真空
槽内に設けた熱供給源に対面して真空槽内に被測定物体
を設け、該被測定物体の熱供給源に対面する加熱又は冷
却面とその反対面である裏面の温度を測定し、該測定結
果、熱供給源の温度、真空槽壁面の温度と予め測定した
被測定物体の厚さ及び密度から、被測定物体の比熱容量
と熱伝導率を同時に測定する物体の熱的物性値の測定方
法にある。
【0005】請求項2の発明は、真空槽内に設けた熱供
給源に対面して真空槽内に被測定物体を設け、該被測定
物体の熱供給源に対面する加熱又は冷却面とその反対面
である裏面の温度を測定し、該測定結果、熱供給源の温
度、真空槽壁面の温度と予め測定した被測定物体の厚さ
及び密度から、被測定物体の比熱容量、熱伝導率及び熱
拡散率を同時に測定する物体の熱的物性値の測定方法に
ある。
【0006】請求項3の発明は、真空槽と、真空槽内に
設けられた熱供給源と、熱供給源に対面して真空槽内に
設けられる被測定物体の設定部と、設定部に設定された
被測定物体の熱供給源に対面する加熱又は冷却面とその
反対面である裏面の温度をそれぞれ各別に測定する温度
測定手段と、を具備することを特徴とする物体の熱的物
性値の測定装置にある。
【0007】
【作用】上記各請求項の発明において、上記各測定結
果、熱供給源の温度、真空槽壁面の温度と予め測定した
被測定物体の厚さ及び密度の数値を、下記(数15)及
び(数16)(請求項1又は3)、又は、(数15)、
(数16)及び(数12)(請求項2又は3)の数式を
用いて演算することにより、被測定物体の比熱容量と熱
伝導率(請求項1又は3)、又は、比熱容量、熱伝導率
及び熱拡散率(請求項2又は3)の測定結果を同時に得
ることができる。演算手段としては、マイクロコンピュ
ーターを用いることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明に係る物体の熱的物性値の
測定方法の原理を説明する。例として、薄い板状の物体
が適当な熱供給源により連続的に加熱または冷却される
系を考える(図1参照)。物体の温度が一定の速度で上
昇、下降している場合は求めるべき比熱容量Cpと熱伝
導率λには下記の(数1)式、(数2)式、(数3)式
の関係式が成立する。L,ρは物体の厚さと密度であ
る。TL とTOは物体の加熱面とその裏面の温度であ
る。δT/δtは物体の単位時間あたりの温度変化つま
り温速度である。Wh とWo はそれぞれ加熱面が熱源か
ら授受する単位時間、単位面積あたりの熱エネルギとそ
の裏面から放出される熱エネルギである。物体の任意の
厚さ方向Xにおける温度勾配を下記(数4)式で表す
と、(数1)式は(数5)式で表されることになる。本
発明に係る物体の熱的物性値の測定方法では、物体が加
熱および冷却状態において、物体表裏の温度、供給およ
び放出の熱エネルギと温速度が同時に測定される。これ
ら、測定される物理量から比熱容量と熱伝導率、又は比
熱容量、熱伝導率と熱拡散率を同時に求める方法を以下
に示す。
【0009】(1)比熱容量の導出 下記(数1)式、(数2)式、(数3)式より(数6)
式が求まる。(数6)式より、物体の温度上昇、下降時
における同じ加熱面温度について(数7)式が成立す
る。ここで(’)は温度下降時を示す。この式は式の右
辺を求めることによって、比熱容量を導出可能であるこ
とを示す。なお、この時の物体の温度は加熱面と放出面
の平均温度となる。
【0010】(2)熱伝導率の導出 (数5)式より、物体の温度上昇、下降時において、同
じ温速度を持ち、かつ同じ放出面温度の場合には、両式
の和を求めると(数8)式を得る。一方、(数4)式を
Xについて積分すると両表面の温度差を表す(数9)式
を得る。(数8)式と(数9)式を用いて、物体の同一
放出面温度における温度上昇、下降に関する式から(数
10)式を得る。この式の右辺の値が求まると、熱伝導
率が求まることになる。なお、(数10)式は同一の放
出面温度において求めた式であるが、同一の加熱面温度
について求めると(数11)式を得る。
【0011】(3)熱拡散率の導出 (数5)式と(数9)式より、物体の温度上昇、下降時
において、同じ放出面温度の場合には、両式の差を求め
ると(数12)式を得るが、この式の左辺は熱拡散率a
を与える式となっている。
【0012】図1は、本発明に係る物体の熱的物性値の
測定装置の概略構成図である。この装置は、図1に示す
ように、水冷された真空槽1内に板状の被測定物体2と
熱供給源としてのヒータ3が対立する装置である。被測
定物体2は、真空槽1内の設定部に設定される。真空槽
1には、被測定物体2のヒータ3に対面する加熱面とそ
の反対面である裏面の温度をそれぞれ各別に継続して測
定する温度測定手段が設けられている。真空槽1は水冷
等によって常に一定の温度に保たれている。上記温度測
定手段からの温度信号と、ヒータ3の設定温度信号と、
真空槽壁面の温度と予め測定した被測定物体の厚さ及び
密度を、下記の数式により演算して、比熱容量及び熱伝
導率、又は、比熱容量、熱伝導率及び熱拡散率を経時的
に連続又は断続して測定表示するコンピューター演算手
段が設けられている。
【0013】被測定物体2がヒータ3の熱放射により加
熱される時、被測定物体2の加熱面が授受する単位面
積、単位時間当たりの放射エネルギは下記(数13)式
で与えられ、被測定物体の放出面が放射するエネルギは
(数14)式で与えられる。ここで、Thはヒータの温
度、Tr は真空槽壁面の温度であって水冷等により常に
一定に保たれている温度である。σはステファンの定
数、Eh はヒータと物体加熱面との間で成り立つ有効放
射率である。εは物体両表面の放射率である。bは加熱
面から真空槽壁へ散逸するエネルギについての係数で1
よりの小さい値を持つ。この測定装置では、比熱容量は
(数7)式より(数15)式で与えられることになり、
同様に熱拡散率は(数12)式より求められる。熱伝導
率は(数10)式より(数16)式で与えられることに
なる。
【0014】次に、上記測定装置によって測定する物体
の熱的物性値の測定手順を説明する。測定され記録され
るものは、温度の上昇、下降時における、ヒータ温度
(Th)、試料表面の温度(TL )、試料裏面の温度
(TO )である。記録の方法は、連続、または一定時間
毎(例えば10秒毎)、または一定温度毎(例えば1度
毎)に上記3つの温度のデータをセットとして刻々記録
する。温度の上昇及び下降は、ヒータに流す電流を増減
コントロールすることで行わせることができる。温度速
度は、データ間の温度差をデータ間の時間で割ってやれ
ば求めることができる。これはコンピュータ処理により
簡単に求めることができる。
【0015】図2の温度の上昇、下降と時間の関係を示
すグラフ図を参照するに、例えば、温度上昇時で、デー
タ間の温度差が1°Cで、この間の時間が10秒である
とすれば、温度速度は、1/10(°C/秒)となり、
下降時には、温度差が負となるので温度速度も−1/1
0(°C/秒)となる。温度上昇時における各温度のデ
ータセットを(Th ,TL ,TO )とし、温度下降時に
おける各温度のデータセットを(Th ’,TL ’,
O ’)とすると、ある上昇時の試料表面温度がT
L (例えば100°C)で下降時の試料表面温度が
L ’(例えば100°C)で同じであった場合には、
h とTh ’は同じでなく、TO とTO ’は同じではな
い。この場合には、(数15)式より比熱容量を求める
ことができる。同様にして、温度上昇時の試料裏面温度
がTO で温度下降時の試料裏面温度がTO ’であって同
じ時には、(数12)式と(数16)式から熱拡散率と
熱伝導率が求まる。
【0016】図3にそれぞれパイレックスガラス(厚さ
3mm、直径25mm)を試料とした比熱容量Cp(上
段)と熱伝導率λ(下段)の同時測定の実験結果を示
す。この実験結果により、本発明に係る装置を用いた方
法が有効に成り立つことを確認している。
【0017】
【数1】
【0018】
【数2】
【0019】
【数3】
【0020】
【数4】
【0021】
【数5】
【0022】
【数6】
【0023】
【数7】
【0024】
【数8】
【0025】
【数9】
【0026】
【数10】
【0027】
【数11】
【0028】
【数12】
【0029】
【数13】
【0030】
【数14】
【0031】
【数15】
【0032】
【数16】
【0033】
【発明の効果】上記本発明によれば、物体の熱的物性値
である比熱容量及び熱伝導率、又は、比熱容量、熱伝導
率及び熱拡散率を同時に測定することが可能な効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る装置の概略構成図である。
【図2】温度の上昇、下降と時間の関係を示すグラフ図
である。
【図3】本発明に係る装置を用いて同時測定されたパイ
レックスガラスの比熱容量と熱伝導率の温度変化を示す
図である。
【符号の説明】
1 真空槽、2 被測定物体、3 ヒータ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空槽内に設けた熱供給源に対面して真
    空槽内に被測定物体を設け、該被測定物体の熱供給源に
    対面する加熱又は冷却面とその反対面である裏面の温度
    を測定し、該測定結果、熱供給源の温度、真空槽壁面の
    温度と予め測定した被測定物体の厚さ及び密度を、下記
    (数15)及び(数16)の数式を用いて演算すること
    により、被測定物体の比熱容量と熱伝導率を同時に測定
    する物体の熱的物性値の測定方法。 【数15】 【数16】 上記数式において、Cp :比熱容量、λ:熱伝導率、
    L,ρ:物体の厚さ,同密度、ε:物体表面の放射率、
    δT/δt:温速度、σ:ステファンの定数、T h ,T
    l ,To :温度上昇時におけるヒータの温度,同物体の
    加熱面の温度,同その裏面の温度、Th ’,Tl ’,T
    o ’:温度下降時におけるヒータの温度,同物体の加熱
    面の温度,同その裏面の温度、である。
  2. 【請求項2】 真空槽内に設けた熱供給源に対面して真
    空槽内に被測定物体を設け、該被測定物体の熱供給源に
    対面する加熱又は冷却面とその反対面である裏面の温度
    を測定し、該測定結果、熱供給源の温度、真空槽壁面の
    温度と予め測定した被測定物体の厚さ及び密度を、下記
    (数15)、(数16)及び(数12)の数式を用いて
    演算することにより、被測定物体の比熱容量、熱伝導率
    及び熱拡散率を同時に測定する物体の熱的物性値の測定
    方法。 【数15】 【数16】 【数12】 上記数式において、Cp :比熱容量、λ:熱伝導率、
    a:熱拡散率、L,ρ:物体の厚さ,同密度、ε:物体
    表面の放射率、δT/δt:温速度、σ:ステファンの
    定数、Th ,Tl ,To :温度上昇時におけるヒータの
    温度,同物体の加熱面の温度,同その裏面の温度、
    h ’,Tl ’,To ’:温度下降時におけるヒータの
    温度,同物体の加熱面の温度,同その裏面の温度、であ
    る。
  3. 【請求項3】 真空槽と、真空槽内に設けられた熱供給
    源と、熱供給源に対面して真空槽内に設けられる被測定
    物体の設定部と、設定部に設定された被測定物体の熱供
    給源に対面する加熱又は冷却面とその反対面である裏面
    の温度をそれぞれ各別に測定する温度測定手段と、を具
    備することを特徴とする物体の熱的物性値の測定装置。
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