JPS63193050A - 熱伝導率、温度伝導率測定装置 - 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、非定常法を測定原理とした熱伝導率、温度伝
導率測定装置に係わり、特に、ヒーターと温度センサー
とを対にした叶状のプローブを、試料（ザンブル）に差
し込んでプローブ内の温度変化に基づいて試料の熱伝導
率を測定する装置と、別途に設置したヒーターにより加
温に伴う温度変化から温度伝導率を測定する装置とを兼
ね備えた装置に関するしのである。

「従来の技術」 伝導する熱流の理論は、フーリエによる熱伝導の基礎方
程式から展開されるが、その中で物質の熱を伝導する性
質は、便宜上熱伝導率の中に含められている。それによ
る理論は正しい値の熱伝導率を用いたときに正確となる
ので、広範な努力がこのｍの測定と研究にささげられて
いる。

従来、熱伝導率を測定する方法として、例えば定常法と
非定常法がある。このうち定常法は、常温での精度は良
いが、高温における定常状態を維持するのが難しく、測
定に長時間を要するといった難点があるため、近年では
特に地盤、岩盤、コンクリート等の固体の熱物性を測定
する場合は、定常法に比べて短時間ですみ、また、固体
などの試料も小さく、高温あるいは低温での測定も可能
な非定常法が適用されてきている。

この種の非定常法の一つに、サーマルプローブ法と称さ
れる熱伝導率測定方法かある。これは、温度センサーと
ヒーターとを対にした針状のサーマルプローブをサンプ
ルに差し込み、プローブ内のヒーターを発熱させてその
温度変化と時間を計測し、前記温度変化に基づいて熱伝
導率を求める乙のである。

すなわち、前記サーマルプローブ内のヒーターを加熱昇
温さ仕ると、サンプル内部に熱の伝導が起こり、この際
、試料の熱伝導率が高ければヒーターで発生した熱は拡
散しやすくなるためヒーターの温度は緩やかに上昇する
が、試料の熱伝導率が低いとヒーターで発生する熱は拡
散しにくくこのためヒーターの温度は急勾配で上昇する
。その時間と温度の変化は時間軸を対数（ｌｏｇ　）で
とると、ある相関を呈し、直線性を持つ部分の傾きで熱
伝導率を算出することができるものである。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、前述した従来方法にあっては、次のよう
な解決すべき問題点がある。

すなわち、熱伝導率を算出する場合、予めサンプルを分
類することによって加えられる熱容量を計算し、電流値
を決め、その一定電流をヒーターに流してヒーターを加
熱さＵ゛る必要があるが、従来装置であると、電力供給
開始直後は、供給電源の過渡現象等に起因して所定の電
圧、電流にならないため、初期のデータの信頼性を上げ
ろことができないことである。つまり、熱伝導率は温度
にら依存するため、通電後、所定の電圧、電流にならな
い間、ヒーターが加熱されてしまうと、試験体の温度が
上昇してしまい、給電開始直後の試験結果の精度か低下
してしまうといった問題点が生じる。

本発明は前記事情に鑑みて提案されたもので、その目的
とするところは、ヒーターと同し抵抗を持りダミー抵抗
にまず定電流電源より電力を供給し、その電流を安定な
状態にしてから切換スイッチによってヒーターに供給す
ることによって、初期のデータの信頼性を上げ、試験結
果の精度を向上させることにある。

「問題点を解決するための手段」 そこで本発明では、試料内に配設されるヒーターと、同
じく試料内に配設され前記ヒーターらしくはヒーター近
傍の温度を測定する温度センサーと、前記ヒーターに一
定の電流を供給する定電流電源と、前記温度センサーに
より測定した温度変化と時間を計測する測定器と、前記
ヒーターと抵抗の等しいダミー抵抗とを具備し、前記定
電流電源の出力端にヒーターへの出力をダミー抵抗に切
り換えろ切換スイッチを設けたものである。

「作用　」 このような構成の装置は、測定の始めに切換スイッチに
よってダミー抵抗にスイッチをいれておき、定電流電源
をＯＮにしてダミー抵抗に電流を流し、定電流電源から
の出力を一定状態にしてから、切換スイッチによりヒー
ターに電流を流すので、切換スイッチを切り換えてスイ
ッチを入れた状態から定電流電源へ所定の値の電流を流
すことを達成して、初期のデータの信頼性を向上させる
ことができる。

「実施例」 以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する
。

第１図は熱伝導率、温度伝導率測定装置のノステム構成
を示すらので、同図において、符号１はサンプル（試験
体）に差し込まれて試験体の内部に熱の伝導を起こさせ
るためのサーマルプローブ、符号２は温度伝導率を測定
する際に使用される温度センサー、符号３はこのサーマ
ルプローブ！及び温度センサー２により測定した温度変
化と時間を計測ずろと同時に熱伝導率及び温度伝導率を
演算する測定器、符号４は測定器を通してＩＣカードに
記録されたデータを解読あるいはフロッピーディスク等
の記憶媒体へ保存するためのパーソナルコンピュータを
それぞれ示す。

以下、これら主要部材について第２図ないし第４図を参
照しつつ詳細に説明すると、前記サーマルプローブ１は
、第４図に示すように、密閉されたステンレス製の保護
管５の内部に、コンスタンタンよりなるヒーター６と、
銅−コンスタンタン（ＣＣ）熱電対または白金（Ｐｔ）
抵抗よりなる温度センサー７とを、対に設けたもので、
保護管５毎試料内に差し込まれるものである。なお、前
記温度センサー７は、互換性、再現性、経年変化、精度
等の而から見て、銅−コンスタンタン熱電対よりも白金
抵抗からなるものが望ましい。

このサーマルプローブｌに内蔵された前記ヒーター６の
入力端は、第２図に示すように、定電流電源１０の出力
端に設けられた切換スイッチ１１の接続端子１１ａ’に
接続され、この切換スイッチ＋１を介して定電流電源１
０からの出力を人力できるようになっており、また前記
温度センサー７の入力端は変換５１２を介してＬＣＤ表
示の温度計１３に接続される。

ところで、定電流電源１０の出力端には、前記切換スイ
ッチ１１を介して、前記ヒーター６と抵抗の等しいダミ
ー抵抗１４が接続されており、ヒーター６への電流を切
換スイッチ１１を切り換える二とにより予めダミー抵抗
１４に流して、定電流電源ＩＯからの出力を安定な状態
に保持できろようになっている。

なお、第２図中符号■５は電圧計、１６は電流計であり
、それぞれ前記定Ｗｉｌｌｉ！Ｅ電源１０から出力され
る電源の電圧および電流を計測するものである。

第３図はサーマルプローブｌにより測定した温度変化と
時間を計測する測定器３の概観図であり、箱状の測定器
本体２０の前面には、ＬＣＤ（液晶）ディスプレイ２１
．ＩＣカードからなるメモリバッファ２２、サーマルプ
ローブ１が接続されるセンサ一端子２３、各温度センサ
ー２が接続されるセンサ一端子２４、後述の温度伝導率
測定用面ヒータ一端子２５、面ヒーター用出カメーター
２６、面ヒーター用出力ボリューム２７、電源端子２８
、電源スィッチ２９、プリンター３０およびキーボード
３１などがそれぞれ配設されている。

次に、以上のような構成の装置を使った熱伝導率測定方
法の手順を説明する。

（ｉ）サーマルプローブｌの挿入 予め、ザンプル名を分類することによって加えられる熱
容量を計算し、その電流値を決めておき、そのサンプル
（試験体）にサーマルプローブ１を挿入する。

（ＩＩ）ダミー抵抗への通電 次いで、切換スイッチ１１をダミー抵抗１４側へ入れて
おいて、電源をＯＮにし、定電流電源１０の出力をダミ
ー抵抗１４へ供給する。このダミー抵抗！４は前記サー
マルプローブ！内のヒーター６と抵抗が等しいため、こ
のダミー抵抗Ｉ４に電流を流すことによって、予め設定
しておいた所定の電流値に電流を調整しておくことが可
能になる。

（ｉｉｉ）ヒーターへの通電 前記操作によって定電流電源１０からの電流が安定した
ならば、切換スイッチ１１を切り換えて定電流電源１０
からサーマルプローブ！内のヒーター６へ電流を流す。

この際、定電流電源１０からの電流はダミー抵抗１４へ
の通電によって、所定の電流、電圧に予め設定されてい
るから、切換スイッチ１１を切り換えることによって、
その所定の電流、電圧の電力がサーマルプローブ１内の
ヒーター６に供給されることになる。

したがって、切換と同時に所定の電流がヒーター６へ流
れ、定電流電源ｌＯのスイッチをＯＮにすることにより
生じる過渡現象等の不安定状態を許容してヒーター６の
わずかな温度上昇により、熱伝導率を求めることができ
、これにより、次ぎの手順によって測定する初期のデー
タの信頼性を上げることができる。

（ｉｖ）温度の経時変化の測定 ヒーター６へ電力を供給すると、サーマルプローブ１を
差し込んだ試験体の中に熱の伝導が起こるので、この時
のサーマルプローブＩ内の温度の経時変化を温度センサ
ー７によって一定の間隔で測定するａ （ｖ）熱伝導率の算出 試験体にヒーター６によって一定熱量をある時間与えた
時の時間と温度の関係は、時間軸を対数（ｌｏｇ　）で
とると、第５図に示すような、ある相関を呈し、直線性
を持つ部分の傾きで熱伝導率を算出することができる。

ここで、サーマルプローブｌ内の温度センサー７の一定
熱容量をＨ（ｗａｔｔ／ａｍ）　、時間【１のときのセ
ンサ温度をθ、（℃）、時間ｔ、のときのセンサ温度を
θ、（℃）とすれば、熱伝導率λは次式、ＣＣＧ５単位
〕 （ＭＫＳ単位〕 にて求められる。すなわち、前記演算を実施することに
より、サーマルプローブ１が挿入された試験体の熱伝導
率は算出し得るわけである。

なお、前記の結果を用いて、その熱伝導率から温度伝導
率を算出する場合には、比熱Ｃと密度ρを入力すること
によって次式により導き出すことができる。

λ ａ　＝　−（ｍ’／ｈｏｕｒ） ρ×　Ｃ なお、実施例では測定により求められたデータをｔＣカ
ードに記録しているので、測定雰囲気が塵埃の多い箇所
であっても正確にデータを収集することかできる。さら
に、このＩｃカードに記録したデータをパーソナルコン
ピュータ４により解読することにより、このデータをフ
ロッピディスク等の記憶媒体内に記録し、保存すること
ができる。しかも、ｎη記測定器３は測定機能のみなら
ず、解析機能を有する装置から構成されているにもかか
わらず、単純な構造のシステムとすることができるので
、装置自身が非常にコンパクトで、かつ操作が簡単であ
る。

さらに、実施例では、試験体に熱の伝導を生じさせるヒ
ーター６と、このヒーター６の温度変化を測定する温度
センサー７とを保護管５により密閉した構造としたので
、ヒーター６、温度センザー７等の試験体への設置が簡
単であり、また、防水性も良好であるから、このサーマ
ルプローブｌを直接土中等に埋め込むことによって、た
とえば農地などの水分管理に適用することも簡単にでき
る。

第６図は前記手順によって熱伝導率測定試験を行った際
のサーマルプローブｌ内の４秒毎にとった温度の経時変
化を示すもので、この図からも明らかなように、わずか
１〜３℃の温度上昇で、熱伝導率を求めることが可能に
なった。

なお、この際、装置の動作仕様を以下に示すように設定
した。

１、ダミー抵抗　　　５０Ω（上昇温度　５〜６℃）２
　測定時間　　　　１０分間 ３、測定点数　　　　　６００点／チャンネル４　ヒー
ター電流　　１００ＩＩ＋Ａ程度（サンプルによって決
定） ５　ヒーター電圧　　　０〜１０Ｖ ６、測定データ　　　　電流、電圧、温度、時間７、温
度センサ　　　白金測温抵抗 次いで、前記手順（熱伝導率を求めて計算式により温度
伝導率を求める手順）とは別に、直接温度伝導率を求め
る方法について、第７図を参照して説明する。

温度伝導率を直接求める場合は、例えば第７図に示すよ
うに、試験体中央部に面ヒータ−６を配し、この面ヒー
ター６から任意に離れた位置に温度センサー２を等間隔
に３箇所設置する。この温度センサー２は例えば白金側
温抵抗からなるものが適用され、面ヒータ−６側からチ
ャンネル１１チヤンネル２、チャンネル３に設定しであ
る。

なお、図示例の場合、中央の白金側温抵抗までの距離を
ｘ　（ｍ）とり、その両側の白金側温抵抗までの測定間
隔をΔＸだけとっである。

次いで、試験体内に配設した面ヒーター６を加熱し、そ
の時の試験体内の温度の経時変化を等間隔Δｘ　（ｍ）
離れた３点において、例えば等時間Δｔ（ｈｏｕｒ）ご
とに３回計測し、以下の測定式により、温度伝導率α（
ｍ’／ｈｏｕｒ　）を求める。

以下本頁余白 ここで、上記の行列式は温度の係数を示すもので、面ヒ
ータ−６からの距離Ｘと測定時間ｔとの関数φにより以
下に示すように表される。

−３８×φ（ｘｌ、ｔｏ　）　５ｘφ（Ｘｓ、Ｌｏ　）
第８図は、前記温度センサー２から得られた各チャンネ
ル毎の温度の経時変化を示す図である。

第８図に示すような関係が得られたら、前記測定器３に
より任意の時間間隔Δｔで上式に従って連続的に温度伝
導率を求める。さらに、各チャンネル毎の平均あるいは
時間平均を行って、測定すべきザンプルの温度伝導率を
求める。

また、次式の関係から、 別途ρを求めれば、比熱Ｃも簡単に求めることができる
。

「発明の効果」 以上説明したように本発明は、試料内に配設されるヒー
ターと、同じく試料内に配設され前記ヒーターもしくは
ヒーター近傍の温度を測定する温度センサーと、前記ヒ
ーターに一定の電流を供給する定電流源と、前記温度セ
ンサーにより測定した温度変化と時間を計測する測定器
と、前記ヒーターと抵抗の等しいダミー抵抗とを具備し
、前記定電流源の出力端にヒーターへの出力をダミー抵
抗に切り換える切換スイッチを設けているから、次ぎの
ような優れた効果を奏する。

■　測定の始めに定電流源よりダミー抵抗に電流を流し
、定電流源からの出力を一定状態に調整してから切換ス
イッチによりヒーターに電流を流すことができるので、
単純な構造で定電流源のスイッチＯＮにすることにより
生じる過渡現象等の不安定状態を許容してヒーターのわ
ずかな温度上昇により熱伝導率を求めることができる。

そしてこれにより、初期のデータの信頼性を向上させ、
試験の精度を良好にすることができる。

■　装置全体を単純な構造のシステムとすることができ
るので、装置の小型化および製作性の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明にかかる熱伝導率、温度伝導率測定装置の
一実施例を説明するために示したもので、第１図はその
システム構成を示すブロック図、第２図はその回路図、
第３図は測定器の概略図、第４図は熱伝導率を計測する
ためのサーマルプローブを示す断面図、第５図はサーマ
ルプローブの加熱時間と温度との関係の一例を示す図、
第６図は実際に測定した際のサーマルプローブ内の温度
の経時変化を示す図、第７図ないし第８図は温度伝導率
を直接測定する方法を説明するために示したもので、第
７図はヒーターと温度センサーとの配置位置を示す斜視
図、第８図は各チャンネル毎の温度センサーの経時変化
の関係を示す図である。 ！・・・・・・サーマルプローブ、２・・・・・・温度
センサー、３・・・・・・測、定Ａ、４・・・・・・パ
ーソナルコンピュータ、５・・・・・・保護管、６・・
・・・・ヒーター、７・・・・・・温度センサー１．１
１・・・・・・切換スイッチ、１２・・・・・・変換器
、１３・・・・・・温度計、１４・・・・・・ダミー抵
抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料内に配設されるヒーターと、同じく試料内に配設さ
   れ前記ヒーターもしくはヒーター近傍の温度を測定する
   温度センサーと、前記ヒーターに一定の電流を供給する
   定電流電源と、前記温度センサーにより測定した温度変
   化と時間を計測する測定器と、前記ヒーターと抵抗の等
   しいダミー抵抗とを具備し、前記定電流電源の出力端に
   ヒーターへの出力をダミー抵抗に切り換える切換スイッ
   チが設けられていることを特徴とする熱伝導率、温度伝
   導率測定装置。