JPS62133345A - 熱定数測定装置 - Google Patents

熱定数測定装置

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JPS62133345A
JPS62133345A JP27436785A JP27436785A JPS62133345A JP S62133345 A JPS62133345 A JP S62133345A JP 27436785 A JP27436785 A JP 27436785A JP 27436785 A JP27436785 A JP 27436785A JP S62133345 A JPS62133345 A JP S62133345A
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JP
Japan
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sample
laminated
thermal
samples
clamping
Prior art date
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Pending
Application number
JP27436785A
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English (en)
Inventor
Sueshige Ishida
石田 末重
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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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】 〔発明の楕する技術分野〕 本発明はレーザー・フラッシュ法によって熱拡散率等の
熱定数を測定する装置、特に複数の試料が分離可能に積
層された積層試料の熱定数の実用的な測定を可能にする
試料保持機構の構成に関する。
〔従来技術とその問題点〕
材料の熱的性質を表す物理量として熱の三定数と呼ばれ
る熱拡散率、熱容量(または比熱)および熱伝導率があ
るが、これらの定数は、小さい試料でも測定可能である
とか、測定時間が1秒以内と短時間であるとか、広範な
試料温度に対して測定可能であるとかの理由で、近来レ
ーザー・フラッシュ法によって測定されることが多くな
っている。熱拡散率は温度の伝わりやすさを表す熱定数
で、熱伝導率と単位体積の物体の熱容量、すなわちその
物体の蓄熱能力との比で表される。レーザー・フラッシ
ュ法による熱拡散率の測定は、板状試料の表面にパルス
状にレーザー照射を行いこの結果試料の裏面に生じる温
度の経時変化を観測することによって行うもので、この
場合前記温度の経時変化は通常第3図の特性線Eのよ5
になる。
第3図においてtはレーザー照射が開始された時刻から
の経過時間、ΔTは試料裏面の温度上昇値で、この場合
レーザー照射は短時間に行れるので。
特性線EはΔT=0から出発して次第に上昇しやがて最
大温度上昇値ΔT mawに達した後再びΔT=OKF
降する。第3図にはとの下降過程は示していない。そう
して第3図に示した特性線EがΔT=(1/2)・ΔT
maxになる経過時間tlと前述の熱拡散率αとの間に
は、(1)熱放射等による試料からの熱損失がない、(
2)レーザー光の照射時間が試料裏面温度の経時変化に
比べて十分に短い、(3)レーザー光のエネルギー・ス
ペクトルや試料表面の光吸収スペクトルがいずれも一様
である、(4)試料は均質でかつ熱定数が試料の温度上
昇区間内で変化しない、などの仮定をおくと(1)式の
関係があることが知られている(科学技術社 昭和54
年5月発行 熱分析実験技術入門189頁〜19fi頁
参照)。
(11式においてLは試料の厚さであるから、第3図に
示した時間tlを測定することによって(11式からα
を求めることができるわけで、これがレーザー・フラッ
シュ法による熱拡散率αの測定原理である。
α=1,37L /[π11(t l) l=o、13
9L/(t t )・・・・・・(L)次に試料の比熱
をC1密度をρ1体積をVとし。
レーザー光の照射によって試料が吸収したレーザー光の
エネルギーをQとすると、このQは(2)式で表され、
また試料の熱伝導率をλとすると、このλは前述の熱拡
散率の定義から明らかなように(3)式で表される。
Q=C・ρ・V・ΔT maw    ・・・・・・(
2)λ;α・C・ρ      ・・・・・・ (3)
したがって何らかの方法でQを測定することができれば
Qの測定値と第3図で得たΔT maxの値とを用いて
(2)式によって比熱Cを得ることができ、この結果(
3)式によって熱伝導率λを得ることができるわけで、
レーザー・フラッシュ法ではたとえば光パワーメーター
等を用いてQを測定し、この測定結果にもとづきC1λ
を求めるのが通例となっている。
第5図は上述のような測定原理を採用した従来の熱定数
測定装置の構成図で1図において、1は図示していない
加熱装置によって内部が可変の所定温度に加熱される電
気炉の炉心管、2は直径10〔■〕程度、厚さ1CIl
I11〕程度の円板状試料3を取り付けた試料取り付け
台である。試料3はその縁の一部を取り付け台2顎むよ
うにして取り付け台2に取り付けられ、このようにして
試料3が取り付けられた取り付け台2が試料3と共に、
該試料の軸が炉心管lの軸とほぼ平行になるようにして
、該炉心管内に配置されている。4は炉心yt内に設置
された試料30表面3aにレーザー光5をパルス状に照
射するようにしたレーザー光源で、6はこのようにして
表面3aに照射されるレーザー光5の光量を限定するア
パーチャである。
試料3は表面3aがレーザー光5によって照゛射される
と裏面3bf′)温度が上述したように変化する。
7はこのように変化する@度を検出するように裏面3b
に取り付けた熱電対で、8は熱電対7の出力起電力を増
幅する増幅器、9は増幅器8の出力信号を記録するアナ
ログ記録計である。図において試料3がレーザー光5に
よって照射されると記録計9は第3図の特性線Eのよう
な記録を行う。
したがって第5図の測定装置ではこの記録結果にもとづ
いて熱拡散率αの測定が行れる。また第5図の測定装置
には、図示していないが、試料3が吸収するレーザー光
5のエネルギーQを測定する機構が別て設けられている
。したがってこの測定装置によれば、Qの測定結果と記
録計9の記録結果とにもとづいて熱の二定数のすべてが
測定できることになる。
第5図の測定装置では上述のよ5Kして熱定数の測定を
行うが、この場合試料取り付け台2には溝2aが設けら
れているだけであるから、このような取り付け台2には
、試料3として、一種類の材料で形成した一枚の試料か
、またはこのような試料の複数枚を積層しかつ接着剤等
で貼り合わせて分離しないように一体化した一体化試料
のみが取り付け可能で、分離可能に複数枚の試料を単て
重ね合わせた積層試料は取り付け不能かまたは取り付′
け困難である。ところが、たとえば燃料電池セルの冷却
機構を設計する場合、電極板、電解質を含浸させた板状
マトリックス、板状セパレータ等からなる積層体ておけ
る熱の移動態様を検討することは重要な作業で、このた
め、このような場合、材質の異なる複数個の板状試料を
分離可能なよ5にして単に重ね合わせた積1−試料に対
する熱定数の測定が必要となるが、第5図の測定装置に
は取り付け台2が上述のように構成されているので、上
記したような積層試料に対しては測定が不能であるかま
たは非常圧困難であるという問題がある。
〔発明の目的〕
本発明は、上述したような従来の熱定数測定装置におけ
る問題を解消して、複数個の試料が分離可能に積層され
た積層材料に対しても熱定数の実用的な測定を行うこと
ができるレーザー・フラッシュ法による熱定数測定装置
を提供することを目的とする。
〔発明の要点〕
本発明は上記目的達成のため、レーザー・フラッシュ法
による熱定数測定装置において、試料保持機構を、複数
枚の板状試料を分離可能に積層した状態で積層方向に締
め付け力可変に締め付けて保持する締め付け機構と、締
め付け力を検知する力検知機構と、でsFN、するよう
にしたもので、このように構成することによって、複数
枚の板状試料な分離可能に積層した積層試料に対する熱
定数測定の可能な測定装置が得られるようにしたもので
ある。
〔発明の実施例〕
第1図は本発明の一実施例の要部を縦断して示した構成
図、第2図は第1図における要部の拡大図である。両図
において% 10は3枚の円板状試料10a、10b、
tocが分離可能に重ね合わされた積層試料で、tia
、itbは積層試料10を両II+からリング状スペー
サ+2al  12bを介して挟むように配置されたい
ずれも保持板である。
保持板118.11bにはそれぞれ円形貫通孔13a、
13bが設けられ、これら両保持板は、上述のように積
層試料10を挟んだ状態で、両保持板に貫設されたボル
ト14.14と、該ボルト用のナツト15.15と、保
持板ttbとナツト15との間に介装したコイルスプリ
ングlfi、lfiと、によって締め付けられていて、
積層試料10はこのようにして押圧刃が加えられた状態
で、保持板11a111b、スペーサ12a、12b、
ボルト14.14.ナツト15.15.スプリング16
.16と共に炉心管l内だ設置されている。I7は保持
板ILa、llbとスペーサ12a、12bとボルト1
4.14とナツト15.15とスプリングlh、16と
からなり、上記のようにして積層試料10を積層方向に
締め付ける締め付け機構である。積層試料lOと該試料
を締め付けた締め付け機構17とが炉心管1内に配置さ
れた状態で、アパーチャ6を貫通したレーザー光5のす
べてが貫通孔13aを介して板状試料tOaを照射する
よ5に、要部が構成されている。締め付け機′!Prl
7は上述のように構成されているのでナツト15.15
の締め付け加減によって積層試料10に対する締め付け
力を調整することができ、この締め付け力はコイルスプ
リング16の長さtを測定することによって知ることが
できる。18は長さtが測定できるよってスプリング1
5の近傍に配置されたスケールで、したがってスケール
18は長さtの測定を介して締め付け機構17の締め付
け力を検知する力検知機構を構成していることKなる。
この場合測定誤差を小さくするためにスペーサ12a、
12bは熱伝導率の低い材料で形成されている。19は
締め付け機構17とスケール18とからなり、レーザー
光5によって試料IOの表面が照射されるように試料l
Oを炉心管1内に保持した試料保持機構である。
第3図は第1図および第2図に示した熱定数測定装置に
おいて記録計9に記録される温度経時変化の説明図で2
図におけるEは前述したように試料が一枚である場合の
特性線、Fは試料が前述した積層試料10である場合の
特性線である。この場合試料10は、板状試料tOaが
特性線Eを示した試料と同じ材料で形成され、板状試料
tob10Cはいずれも熱伝導率が板状試料tOaのそ
れに等−しいかまたはtOaの熱伝導率よりも低い材料
で形成され、そのうえ積層体全体の厚さが特性線Eを示
した試料の厚さとほぼ同じになるように構成されていて
、締め付け機構17による締め付け力は所定の値に設定
されているものとしている。特性線Fの場合、試料10
が上述のように構成されかつ試料tOaと10bとの間
、試料10bとIOcとの間は完全て接合されているわ
けではないので、このような試料10にレーザー光が照
射された時試料100表面から裏面に伝播する熱の伝播
速度が特性線Eを示す試料の場合よりも遅くなることは
当然で、この結果特性線FがΔT=(l/2)・ΔT 
maxを示す時間t2は(11)<(t2)となる。G
は試料10が、板状試料tOaの材料は特性線F Kお
けるものと同じであるが板状試料Job、IOCの各材
料は特性@Fにおけるものよりも低い熱伝導率を有する
材料とし、かつ積層体の厚さおよび締め付け力が特性線
Fの場合と同様であるよう・に構成されている場合の特
性線で、Gがこのような積層試料の場合の特性線である
からGはFよりも遅れた特性線になり、この結果特性@
GがΔT=(1/2)−ΔT mawを示す時間t3は
(t 2 )<(t 3 )となる。
第1図および第2図に示した測定装置によれば積層試料
10の裏面温度は第3図の特性線FまたはGのような経
時変化を示す。したがって時間(t2)、(t3)等を
用いて(11式により積層試料lOの熱拡散率を算出す
ることができるが、この場合の時間(t2)、(t3)
は試料lOに対する締め付け圧力Pや相当接する試料1
0al  10b110cにおける当接面の粗さ等圧よ
って変化することが明らかで、この結果上述のようにし
て算出された試料10の熱拡散率αは、たとえば締め付
け圧力Pに応じて第4図に示したように変化する。
圧力Pが大きくなると試料10a、10b、10Cにお
ける当接面間の熱抵抗が小さくなるのでαは大きくなる
。故に第1図および第2図に示した測定装置では、積層
試料10における熱拡散率等の熱定数の絶対的な値を測
定することはできないが、たとえばスケール18等の締
め付け力検知機構を用いて締め付け方Pを一定値に設定
することKよって、積層試料10の見掛けの熱定数を4
1(j定して複数の積層試料10の熱定数の相対比較を
行うことが可能である。そうして積層試料10を構成す
る1 0 a 、  10 b 、  I OC等の要
素試料の各熱定数が測定されていれば、これらの要素試
料の組み合わせからなる積層試料10の熱定数は、上述
のようにして求めた値が相対値であっても値の大小等を
検討するに際して十分実用に供することができるので、
vi局第1図および第2図に示した装f4は、複数枚の
板状試料を分離可能に積層した積層試料に対する熱定数
測定の可能な測定装置であるということになる。
〔発明fね効果〕
上述したよって1本発明においては、レーザー・7ラソ
シユ法による熱定数測定装!′夕において。
試料保持機構を、複数枚の板状試料を分離可能に積層し
た状蓼で積層方向て締め付け力町変に締め付けて保持す
る締め付け機構と2締め付け力を検知する力検知機構と
、で構成するようにしたので。
このように構成することてよって、複数枚の板状試料を
分離可能に積層した積層試料に対する熱定ei、測定の
可能な4111定装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の構成図、第2図は第1図に
おける要部の縦断拡大図、第3図および第4図は本発明
における測定原理の異なる説明図、第5図は従来の熱定
数測定装置の要部を縦断した構成図である。 2・・・・・・試料散り付け台、3.10・・・・・・
試料、4・・・レーザー光源、5・・・・・・レーザー
光、7・・・用熱電対、17・・・・・・締め付け機構
、18・・・・・・スケール、19・・・用試料保持機
構。 ′@  1  図 篤  2  口 葛  3  口 第  4  力

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)レーザー光をパルス状に出射するレーザー光源と、
    前記レーザー光によつて板状試料の表面が照射されるよ
    うに前記試料を保持する試料保持機構と、前記試料の裏
    面温度を検知する温度センサとを備え、前記温度センサ
    の出力信号により前記試料の熱定数を測定するものにお
    いて、前記試料保持機構を、複数枚の前記試料を積層し
    た状態で積層方向に締め付け力可変に締め付けて保持す
    る締め付け機構と、前記締め付け力を検知する力検知機
    構と、で構成したことを特徴とする熱定数測定装置。
JP27436785A 1985-12-06 1985-12-06 熱定数測定装置 Pending JPS62133345A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004044568A1 (ja) * 2002-11-12 2004-05-27 Nikko Materials Co., Ltd. 金属箔の熱量測定方法、表面特性の調整方法、レーザー穴開け方法又は熱量測定装置
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